УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ
DEVICE FOR COMPLEX DETERMINATION OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF SOILS UNDER FIELD CONDITIONS

Область техники
Определение механических свойств грунтов в полевых условиях при проведении инженерно-геологических изысканий и обследовании грунтов в основании существующих фундаментов.
Уровень техники
Аналогом заявляемого технического решения является «Установка для испытания скальных и полускальных грунтов кольцевым целиком с использованием анкера» (П-43-89. Рекомендации по определению характеристик реологических свойств скальных и полускальных грунтов методом кольцевого нагружения. Л., ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1990 г., рис.4, 6, стр.16-17 [Л1]), включающая анкер, упорную раму, закладную двутавровую балку, гидравлические домкраты, бетонные упоры, кольцевой целик, индикаторы часового типа.
Недостатком данного аналога является то, что данное устройство является громоздким, так как его предлагается использовать для испытаний в полевых условиях скальных и полускальных грунтов с кольцевым целиком диаметром 1 м. Для создания касательной нагрузки используется закладная двутавровая балка и два гидравлических домкрата, а сама балка размещается в предварительно пробуренной полости сквозь кольцевой целик, при этом домкраты должны упираться в бетонные упоры. Подобная схема нагружения касательной нагрузкой невозможна в глинистых и песчаных грунтах из-за их малой прочности и высокой сжимаемости.
5
Следующим аналогом заявляемого технического решения является «Способ испытания грунта» (авторское свидетельство СССР SU 657315 А1, заявка 2362128/25-28 от 17.05.1976, МПК G01N 3/08, G01N 3/22, заявитель Московский ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительный институт им. В.В. Куйбышева, автор В.Л. Кубецкий, опубликовано 15.04.1979 [Л2]), заключающийся в том, что на грунт устанавливают кольцевой штамп, создают сжимающие и крутящие усилия, замеряют их и по полученным данным судят о свойствах грунта, отличающийся тем, что с целью повышения точности при испытании скального грунта используют штамп с плавными переходами к грунту, который жестко скрепляют с последним.
Способ осуществляют следующим образом.
На площадке грунта устанавливают кольцевой штамп с плавными переходами к грунту и жестко скрепляют его с грунтом, например, прямо на грунте из бетона изготовляют используемый штамп. В штампе предусмотрены нагружаемые, например, домкратом упоры и площадка.
Затем при помощи системы нагружателей, например, домкратов, создают сжимающее усилие на грунт, а крутящее усилие создают, воздействуя на упоры таким образом, что линия действия усилия параллельна касательной к поверхности штампа. Замеряют усилия, действующие на грунт, и по полученным данным судят о свойствах грунта. Указанный способ позволяет судить не только о прочности поверхностных слоев, но и о прочности глубинных слоев грунта, что повышает точность определения свойств грунта в целом.
Недостатком данного аналога является то, что в нем отсутствует возможность испытаний с управлением системы нагружателей, что не позволяет проводить испытания с непрерывным нагружением при заданной скорости деформаций. Вторым недостатком является отсутствие системы автоматизированной записи данных измерений сжимающего и крутящего усилий при проведении испытаний, что снижает точность и производительность испытаний.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого технического решения является УНИВЕРСАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ВСЕГИНГЕО (Справочник по инженерной геологии, 3-е издание, переработанное и дополненное, под ред. М.В. Чуринова, М., Недра, 1981 г., рис.71, стр.300 [Л3]), содержащая стойку-анкер, упорную балку, нагрузочный винт, динамометр, поворотный рычаг с динамометром, поворотное кольцо, крыльчатку или режущее кольцо, аутриггер.
Установка предназначена для определения параметров прочности песчано-глинистых и глинисто-щебенистых грунтов на поверхности и в шурфах методами кругового среза пород по круглоцилиндрической поверхности, а также для вырезания из массива крупных образцов цилиндрической формы в кольцо-обойму.
Недостатком прототипа является невозможность создания больших вертикальных перемещений поворотного кольца, крыльчатки или режущего кольца вследствие ограничений, накладываемых конструкцией консольной упорной балки. Вторым недостатком является то, что вертикальная нагрузка создается гидравлическим домкратом, что вызывает необходимость постоянного контроля величины давления в гидроцилиндре вследствие его падения из-за осадки поворотного кольца, что трудоемко выполнить в ручном режиме управления нагружением. Существенным недостатком является также то, что измерение вертикального перемещения, нагрузки и крутящего момента выполняется вручную, что снижает производительность и точность проводимых испытаний. Следующим недостатком прототипа является то, что в процессе испытаний определяются только две прочностные характеристики грунтов - угол внутреннего трения и сила удельного сцепления, в то время как существует необходимость определения характеристик деформируемости.
Сущность технического решения
Известно устройство для испытания грунтов в полевых условиях, включающее анкер, упорную балку, нагрузочный винт, поворотное кольцо, крыльчатку и режущее кольцо для испытаний грунтов в полевых условиях.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, повышение точности нагружения и измерений путем автоматического контроля проводимых испытаний.
Поставленная цель достигается тем, что для создания вертикальной нагрузки применен серводвигатель, а создание и регулирование скорости приложения вертикальной нагрузки контролируется компьютером через блок управления датчиками силы и перемещений.
Для восприятия реакции от вертикальной нагрузки применены два анкера и складная балка.
Для повышения точности создания касательной нагрузки измерение крутящего момента выполняется с использованием консоли и датчика силы.
Для измерения скорости прохождения поперечной волны в анкер введен акселерометр.
Для расширения функциональных возможностей в устройство введены круглый и винтовой штампы, зонд, что позволяет определять дополнительные механические характеристики грунтов, такие как модуль упругости и деформации, модуль сдвига. При этом определение параметров деформируемости грунтов выполнятся в соответствии с действующими ГОСТ.
Перечень фигур, чертежей и иных материалов
На фиг.1 изображен общий вид конструкции устройства для комплексного определения физических и механических свойств грунтов в полевых условиях.
На фиг.2 изображена блок-схема измерений.
На фиг.3 изображена конструкция складной упорной балки.
На фиг.4 изображена конструкция осевого нагружения.
На фиг.5 изображена конструкции кольцевого штампа с датчиком крутящего момента.
Пример реализации предлагаемого технического решения
На фиг.1, 2, 3, 4, 5 устройство содержит два винтовых анкера 1, складную упорную балку 2, на которой закреплен сервопривод 3 с винтом 4, на нижней части закреплен датчик силы 5. Датчик измерения крутящего момента 6 посредством штанг 7 соединен с кольцевым штампом 8. Устройство содержит набор сменных приспособлений: кольцевой штамп 8, круглый штамп 9, винтовой штамп 10, пенетрометр 11, зонд 12, крыльчатку 13, пробоотборник 15.
В нижней части внутри анкера 1 имеется трехкоординатный акселерометр 16, блок усиления и преобразования сигналов в цифровой вид 17, который по беспроводной или проводной связи подключен к блоку управления 18 и через интерфейс 19 к компьютеру 20.
На верхней части штанги круглого штампа 9 закреплена подвижная консоль 21, на которую опирается шток датчика вертикальных перемещений 22, закрепленный на держателе 23 и репере 24. Датчик перемещений 22 подключен по беспроводной или проводной связи к блоку управления 18.
Датчик крутящего момента 6 с ручками 25 закреплен на одной из штанг 7 и подключен по беспроводной или проводной связи к блоку управления 18 и через интерфейс 19 к компьютеру 20.
В верхней части винтового анкера 1 имеется захват 26 для соединения с упорной балкой 2.
Упорная балка 2 состоит из двух складных труб 27, на концах которых имеются опорные планки 28, служащие упором для установки в захват 26. Держатель 29 предназначен для установки сервопривода 3 с винтом 4, а также для закрепления на нем складных труб 27 упорной балки 2. В рабочем положении балки 2 складные трубы 27 соединяются между собой стопорным штифтом 30. На репере 24 имеется держатель 32 для установки датчика перемещений 33.
Датчик крутящего момента 6 имеет датчик силы 34 и консоль 35, которая закреплена на одной из ручек 25.
Устройство работает следующим образом.
Этап 1. Подготовка устройства к испытаниям
1. На поверхности грунта, дне котлована или шурфа, используя сервопривод 3 с винтом 4, в грунт заворачивают два винтовых анкера 1 на расстоянии, равном расстоянию между планками 28 на упорной балке 2.
2. Упорная балка 2 закрепляется винтами 31 в захватах 26 на анкерах 1.
3. Сервопривод 3 закрепляют на держателе 29 в центральной части на упорной балке 2 и подключают к блоку управления 18.
4. На поверхности грунта устанавливают репер 24 и прикрепляют к нему держатели 23, 32 датчиков перемещений 22, 33. Шток датчика перемещений 33 устанавливают в любом месте на поверхности упорной балки 2. Датчики перемещений подключают к блоку управления 18.
Показания датчика перемещений 33 позволяют оценить прогиб упорной балки 2, который учитывается при измерении вертикального перемещения того или иного приспособления.
5. Датчики силы 5, 34, датчики перемещений 22, 33 подключают к блоку управления 18.
6. Блок управления 18 через интерфейс 19 подключают к компьютеру 20.
Этап 2. Реализация автоматического способа испытания и последовательность проведения испытаний
1. Выбирают тип приспособления для испытаний грунта: круглый штамп 9, винтовой штамп 10, пенетрометр 11, зонд 12, крыльчатка 13, кольцевой штамп 8 или пробоотборник 15.
2
2.1. Испытания круглым штампом площадью 600 см
2.1.1. Круглый штамп устанавливают на поверхность грунта соосно с винтом 4 и, используя держатель 23, закрепляют датчик перемещений 22 так, чтобы его шток упирался в подвижную консоль 21.
2.1.2. Используя методику ГОСТ 20276-99 раздел 5 [Л4], проводят испытания штампом. Измерение осадки штампа и управление нагрузкой выполняют автоматически, используя показания датчика перемещений 22, датчика силы 5 и сервопривод 3. Данные измерений заносятся в базу компьютера.
2.1.3. Используя результаты измерений по пункту 5.5.2 ГОСТ 20276-99, находят модуль деформации грунта.
2
2.2. Испытания винтовым штампом площадью 600 см
2.2.1. Винтовой штамп устанавливают на поверхность грунта соосно с винтом 4 и, используя держатель 23, закрепляют датчик перемещений 22 так, чтобы его шток упирался в подвижную консоль 21.
2.2.2. Используя методику ГОСТ 20276-99 раздел 5, проводят испытания штампом. Завинчивание штампа в грунт и приложение вертикальной нагрузки выполняют с использованием сервопривода 3. Измерение осадки штампа и управление нагрузкой выполняют автоматически, используя показания датчика перемещений 22, датчика силы 5 и сервопривод 3. Данные измерений заносятся в базу компьютера.
2.2.3. Используя результаты измерений по пункту 5.5.2 ГОСТ 20276-99, находят модуль деформации грунта.
2.3. Испытания кольцевым штампом
2.3.1. Кольцевой штамп 8 соединяют со штангой 7, а ее с датчиком крутящего момента 6, после чего его устанавливают соосно с винтом 4 под упорной балкой 2.
2.3.2. Используя методику кольцевого среза ГОСТ 20276-99 раздел 12.4, проводят испытания методом кольцевого среза. Контроль и управление нормальным давлением выполняют автоматически с использованием датчика 5 и сервопривода 3. Измерение касательной нагрузки выполняют автоматически с использованием датчика крутящего момента 6, а приложение нагрузки вручную, используя ручки 25. Данные измерений заносятся в базу компьютера.
2.3.3. Используя результаты измерений по пункту 12.4.4 ГОСТ 20276-99, находят прочностные характеристики грунтов: угол внутреннего трения и силы удельного сцепления.
2.4. Испытания зондом
2.4.1. Используя метод статического зондирования ГОСТ 19912-2001 раздел 5 [Л5], проводят испытания с использованием предлагаемого устройства. Скорость непрерывного нагружения создают сервоприводом 3 и контролируют компьютером 20. Измерение скорости погружения зонда выполняют датчиком перемещений 22, а сигналы с датчиков зонда передают через блок управления 18 в базу компьютера 20.
2.4.2. Используя результаты измерений по пункту 5.5 ГОСТ 19912-2001, находят показатели сопротивления грунта внедрению зонда.
2.5. Испытания с целью определения упругого модуля сдвига
2.5.1. Для определения упругого модуля сдвига на поверхности грунта создают удар, например, молотком весом 8-12 кг по металлической пластине 14, возникающую при этом поперечную волну регистрируют акселерометром 16.
s
2.5.2. Используя измеренное значение скорости прохождения поперечной волны (V), находят значение упругого модуля сдвига:
,
где ρ - плотность грунта.
3. Испытания крыльчаткой
Этап 1. Подготовка устройства к испытаниям.
1. Крыльчатку 13 соединяют со штангой 7, а ее с датчиком крутящего момента 6. Датчик силы 34 подключают к блоку управления 18.
Крыльчатку 13 присоединяют к датчику крутящего момента.
Этап 2. Последовательность проведения испытаний
2.1. Используя методику вращательного среза ГОСТ 20276-99 раздел 12.2, проводят испытания крыльчаткой. Измерение касательной нагрузки выполняют автоматически с использованием датчика крутящего момента 6, а приложение нагрузки вручную, используя ручки 25.
2.2. Используя результаты измерений по пункту 12.2.4 ГОСТ 20276-99, находят величину удельного сцепления глинистых грунтов.
4. Для отбора проб грунта используют, например, тонкостенный пробоотборник 15, который с помощью набора штанг 7 вдавливают непрерывно в грунт, используя сервопривод 3.
Промышленная применимость
Данное устройство для комплексного определения физических и механических свойств грунтов в полевых условиях промышленно реализуемо, обладает более широкими функциональными возможностями, повышенной точностью определения параметров грунтов.
Литература
1. Рекомендации по определению характеристик реологических свойств скальных и полускальных грунтов методом кольцевого нагружения. Л., ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1990 г., рис.4, 6, стр.16-17.
5
2. Авторское свидетельство СССР №657315 А1, заявка 2362128/25-28 от 17.05.1976, МПК G01N 3/08, G01N 3/22, заявитель Московский ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительный институт им. В.В. Куйбышева. Способ испытания грунтов, автор В.Л. Кубецкий, опубликовано 15.04.1979.
3. Справочник по инженерной геологии, 3-е издание, переработанное и дополненное, под ред. М.В. Чуринова, М., Недра, 1981 г., рис.71, стр.300.
4. ГОСТ 20276-99. Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости. М., 1999. - 91 с.
5. ГОСТ 19912-2001. Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием. М., 2001. - 27 с.