Способ определения параметров длительной прочности мерзлых грунтов при различных температурах в натурных условиях и устройство для его осуществления
METHOD FOR DETERMINING PARAMETERS OF LONG-TERM STRENGTH OF FROZEN SOILS AT VARIOUS TEMPERATURES UNDER FIELD CONDITIONS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для определения параметров прочности (мерзлых и оттаивающих) грунтов при проведении геомеханических изысканий для проектирования и обследования оснований различных сооружений в криолитозоне.
Известен способ определения параметров прочности грунтов с помощью кольцевого штампа (Кубецкий В.Л. Способ испытания грунтов. А.С. СССР №657315. Опубликовано 15.04.1979 г). (Аналог 1).
Сущность метода В.Л. Кубецкого заключается в том, на поверхности массива формируется кольцевой целик, соединенный с массивом грунта. Далее к массиву грунта через кольцевой целик прикладывается сначала ступенчато возрастающая вертикальная сжимаемая нагрузка, которая создает на поверхности массива вертикальные сжимающие напряжения(а).
1
2
где Р - вертикальная нагрузка, σ - вертикальные сжимающие напряжения, r - внешний радиус кольцевого штампа (целика), r - внутренний радиус,
Затем к кольцевому целику (штампу) прикладывают ступенчато возрастающий крутящий момент и доводят целик до разрушения.
Величину касательных напряжений (τ), возникающих в кольцевом целике, определяют по формуле:
гдеМ- крутящий момент.
1
2
1
2
Проведя испытания двух целиков при различной величине вертикальных напряжений (σ) и (σ) по соответственным значениям предельных разрушающих касательных напряжений (τ) и (τ) из уравнения
определяют параметры прочности грунта на сдвиг: угол внутреннего трения (ϕ) и удельное сцепление (с).
Чтобы распределение касательных напряжений в подошве целика было более равномерным, отношение внешнего и внутреннего радиусов кольцевого целика, согласно рекомендациям, принимается равным 0,6.
Данный метод вошел в нормативную литературу. Метод может применяться для определения параметров механических свойств мерзлых, талых и оттаивающих грунтов. На его основе созданы лабораторные и полевые установки.
В вышеописанном техническом решении (Аналог 1) существенными признаками, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения, являются следующие:
- нагружение поверхности массива грунта нормальной и касательной нагрузкой осуществляют по кольцевой поверхности;
- сначала производят нагружение массива нормальной нагрузкой, а затем при определенном фиксированном уровне нормальных напряжений производят ступенчатое нагружение массива грунта касательной (крутящей нагрузкой);
- испытания проводят при разных фиксированных значениях нормальной нагрузки и по полученным парам значений предельной касательной и нормальной нагрузки судят о параметрах прочности грунта.
Недостатками вышеописанного метода является то, что испытания производят при фиксированном значении температуры массива грунта. Для получения искомых параметров прочности которого требуется провести минимум два испытания. Таким образом, для определения параметров прочности мерзлого грунта, например, при трех различных значениях отрицательной температуры требуется провести минимум шесть испытаний (минимум по два опыта при каждом значении отрицательной температуры). Кроме того, формирование кольцевого целика на поверхности массива и его обетонирование является трудоемким процессом и встречает технологические сложности. Значительные и, часто, непреодолимые сложности возникают при необходимости проведения испытаний при различных значениях отрицательных температур грунта, так как для этого необходимо изменить температуру в штольне или шурфе, где расположен целик и длительное время выдерживать ее для изменения и установления нового значения отрицательной температуры в целике и массиве.
Известен способ определения параметров прочности с помощью кольцевого ребристого штампа (Королев М.В., Власов А.Н., Остякова А.В., Лупанова И.А. Угличское водохранилище. Переработка берегов. Мониторинг. Геомеханические исследования. М.: СамПолиграфист, 2017. - с. 135-137.) (Аналог 2).
Способ заключается в том, что грунт испытывается не кольцевым целиком, а кольцевым инвентарным металлическим штампом, имеющим для передачи касательной нагрузки на грунт на подошве радиально расположенные ребра (фиг. 1). При внедрении ребер штампа в грунт (любым способом: вдавливанием, вдавливанием с нагреванием ребер, с предварительным устройством штраб - пропилов и др.) обеспечивается надежный контакт штампа с грунтом и передача от него к массиву сдвигающей касательной нагрузки.
Общими признаками, совпадающими с заявленным техническим решением являются:
- нагружение поверхности массива грунта нормальной и касательной нагрузкой осуществляют по кольцевой поверхности;
- сначала производят нагружение массива нормальной нагрузкой, а затем при определенном фиксированном уровне нормальных напряжений производят ступенчатое нагружение массива грунта касательной (крутящей нагрузкой);
- испытания проводят при разных фиксированных значениях нормальной нагрузки и по полученным парам значений предельной касательной и нормальной нагрузки судят о параметрах прочности фунта.
- нормальная и касательная сдвигающая нагрузка прикладывается посредством инвентарного кольцевого штампа с радиальными ребрами, внедряемыми в грунт.
Способ обладает такими же недостатками, как и Аналог 1, за исключением технологических сложностей, возникающих при изготовлении целика и теми же совпадениями признаков, за исключением того, что нагрузка прикладывается не через кольцевой целик, а через инвентарный ребристый штамп.
Известен способ определения сдвигу оттаивающих грунтов с помощью теплового штампа по ГОСТ Р 53582-2009 Грунты. Метод определения сопротивления сдвигу оттаивающих грунтов (ГОСТ Р 53582-2009 Грунты. Метод определения сопротивления сдвигу оттаивающих грунтов) (Аналог 3).
Испытания оттаивающего грунта методом одноплоскостного среза по поверхности мерзлого грунта проводят для определения следующих характеристик: сопротивления грунта срезу, угла внутреннего трения, удельного сцепления оттаивающих грунтов. Эти характеристики определяют по результатам испытаний образцов мерзлого грунта нарушенного и ненарушенного сложения в одноплоскостных срезных приборах с фиксированной плоскостью среза путем сдвига касательной нагрузкой оттаивающего образца относительно другой его части -мерзлого образца. Сущность данного способа заключается в следующем.
В сдвиговой прибор одноплоскостного среза помещают образец мерзлого грунта, к которому через штамп прикладывают вертикальную нагрузку. Затем производят оттаивание образцов мерзлого грунта нарушенного и ненарушенного сложения сверху вниз, посредством теплового штампа, устанавливаемого сверху образца. После этого на контакте оттаивающего грунта с мерзлым слоем («приконтактный слой») производят сдвиг образца посредством ступенчатого приложения сдвигающей нагрузки. Сопротивление грунта сдвигу определяют как предельное среднее касательное напряжение, при котором образец оттаивающего грунта сдвигается по фиксированной плоскости, проходящей на 2-4 мм выше поверхности мерзлого грунта при заданном нормальном напряжении. Для определения значений (ϕ) и (с) грунта в оттаивающем состоянии необходимо провести не менее трех испытаний при различных значениях нормального напряжения.
Для испытаний используют образцы мерзлого грунта ненарушенного сложения с природной плотностью и влажностью - льдистостью или образцы нарушенного сложения с заданными значениями плотности и влажности. Образцы должны иметь форму цилиндра диаметром не менее 70 мм и высотой 0,6-0,7 диаметра.
В состав установки (устройства) для испытаний оттаивающего грунта методом одноплоскостного сдвига по поверхности мерзлого грунта входят:
- срезной прибор с фиксированной плоскостью среза, состоящий из подвижной и неподвижной частей, включающих в себя рабочие кольца с внутренними размерами не менее 70 мм;
- жесткий тепловой штамп с регулируемой постоянной температурой;
- устройство для создания и регулирования температуры теплового штампа;
- датчики (щупы и др.) для контроля границы раздела оттаивающего и мерзлого грунта;
- механизм для вертикального нагружения образца;
- механизм для создания касательной нагрузки;
- устройства для измерения вертикальных и горизонтальных деформаций образца;
- комплект оборудования для изготовления и подготовки образцов мерзлого грунта к лабораторным испытаниям на сдвиг оттаивающих грунтов.
В вышеописанном техническом решении (Аналог 3) существенными признаками, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения являются следующие.
Для способа:
- через штамп к мерзлому грунту прикладывают вертикальную нагрузку;
- затем производят изменение температуры в образцах мерзлого грунта сверху вниз, посредством теплового штампа, устанавливаемого сверху образца;
- после этого по контакту (границе) грунта с различными температурами производят сдвиг образца посредством ступенчатого приложения сдвигающей нагрузки;
Для устройства:
- наличие в предлагаемом устройстве одинаковых функциональных устройств: жесткого теплового штампа с регулируемой постоянной температурой, устройства для создания и регулирования температуры теплового штампа, механизма для вертикального нагружения образца, механизма для создания касательной нагрузки, устройств для измерения вертикальных и горизонтальных деформаций образца;
Недостатками данного способа и устройства является следующее:
- испытания проводятся только в режиме неконсолидированного недренированного среза;
- испытания при использовании данного способа и устройства можно проводить не при произвольно задаваемом значении отрицательных температур, как в предлагаемом техническом решении, а только по границе мерзлого и оттаивающего грунта;
- испытания можно производить только на приборах небольшого размера, что неприемлемо для масштабно неоднородных грунтов. Испытания же целиков в натурных условиях в штольнях по данной схеме произвести нельзя, так как при растеплении (изменении значения отрицательной температуры) целика в плоскости среза (контакта целика с массивом) формируется неоднородное температурное поле. Поскольку механические свойства мерзлых грунтов существенно зависят от температуры - при неоднородном температурном поле в плоскости среза возникает неопределенность при интерпретации опытных данных;
- данный способ позволяет по результатам одного опыта определить только одну точку предельных касательных напряжений при данном уровне нормальных напряжении, при фазовом переходе грунта из мерзлого состояния в талое. Для определения параметров прочности контакта мерзлого и талого грунта по этому способу требуется минимум проведение двух испытаний (согласно рекомендациям - три испытания) на образцах «близнецах» при разном уровне сжимающих напряжений, что увеличивает время и трудоемкость эксперимента.
Вышеописанные недостатки не позволяют решить искомую задачу, то есть определить в ходе одного опыта параметры прочности мерзлого грунта в массиве при различных температурах и в процессе оттаивания.
Известен способ определения параметров длительной прочности мерзлых грунтов на сдвиг в режиме ползучести-релаксации (Ухов С.Б., Королев М.В. «Способ определения длительной прочности горных пород». А.С. СССР №1323913, опубликовано в Б.И. №25 от 15.07.1987) (Аналог 4), который реализуется следующим образом:
1
- к образцу (штампу, целику) прикладывается вертикальная сжимающая нагрузка (максимальные сжимающие напряжения в требуемом диапазоне σ=const);
0
- далее через упругий элемент (гидродомкрат или жесткий динамометр с винтом) ступенчато прикладывается горизонтальная сдвигающая нагрузка, вызывающая в образце касательные сдвигающие напряжения τ. Вследствие горизонтальных перемещений образца из-за разжатия динамометра на каждой ступени происходит релаксация сдвигающих напряжений t=f(t);
1
- образец выдерживают до затухания релаксации сдвигающих напряжений, что можно считать достижением предела длительной прочности  при заданном уровне нормальных напряжений σ=const;
2
1
2
- далее ступенчато уменьшают величину сжимающих напряжений до величины σ<σ. Из-за уменьшения внешних сил сопротивления сдвигу σ образец выходит из состояния равновесия, что приводит к релаксации сдвигающих напряжений до величины предельного сопротивления сдвигу  при новом уровне сжимающих напряжений σ;
- аналогичным образом ступенчато уменьшают вертикальные сжимающие напряжения σ и фиксируют при каждом уровне сжимающих напряжений стабилизированные значения предельных касательных напряжений τ;
i
i
- по полученным парам значений ступеней нормальных напряжений σ и соответствующим им значениям стабилизированных касательных напряжений τ судят о параметрах длительной прочности грунта.
Все описанные признаки являются общими признаками данного технического решения с предлагаемым.
Программа нагружения представлена на фиг. 2
Недостатком данного технического решения, как и вышеприведенных решений (Аналог 1, Аналог 3) является то, что испытания производят только при одном фиксированном значении температуры.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому способу (прототипом) является способ определения параметров длительной прочности мерзлых грунтов при различных отрицательных значениях температуры в ходе одного опыта (Остякова А.В., Королев М.В., Скрылев Г.Е. Ускоренные методы определения параметров длительной прочности мерзлых грунтов. // VIII Международная научно-практическая конференция «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежных зон морей». 24-27 ноября 2014 г. Труды конференции. М.: РУДН, 2014. - С. 517-529).
2
1
2
3
Основная идея способа заключается в том, что по выше описанной методике (Аналог 4) в некотором диапазоне вертикально сжимающих напряжений σ1 - σ испытания проводят при максимальном значении отрицательной температуры θ. Получив отрезок кривой длительной прочности при данной температуре, изменяют значения отрицательных температур до величины θ и при данной температуре также определяют отрезок кривой длительной прочности. Последнее испытание можно провести при значении температуры θ=0.
Программа нагружения для получения параметров длительной прочности грунтов при различных отрицательных температурах, а также в режиме оттаивания грунтов, приведена на фиг. 3.
Недостатком данного способа является то, что подобный опыт можно реализовать в только в климатических камерах или в специально оборудованных камерах штольни, где может поддерживаться длительное время постоянное значение отрицательных температур, для того, чтобы в плоскости сдвига целика установилось постоянное значение отрицательной температуры. Это сложно реализовать в полевых условиях, так как без устройства камер при испытании целиков и изменении температуры с помощью нагревания массива штампом в плоскости сдвига целика формируется неравномерное температурное поле.
Общими признаками предлагаемого технического решения с прототипом являются: нагружение массива мерзлого грунта нормальной нагрузкой при естественной температуре массива, ступенчатое приложение к массиву касательной нагрузки, до величины, близкой к предельной, дальнейшее испытание в режиме ползучести-релаксации, после стабилизации значения релаксирующей касательной нагрузки производят ступенчатое уменьшение сжимающей нагрузки с фиксацией стабилизированного значения релаксирующей касательной нагрузки на каждой ступени сжимающей нагрузки, изменение абсолютного значения отрицательной температуры, дальнейшее испытание в режиме ползучести-релаксации до стабилизации релаксирующей касательной нагрузки, ступенчатое дальнейшее уменьшение сжимающей нагрузки с фиксацией стабилизированного значения релаксирующей касательной нагрузки на каждой ступени сжимающей нагрузки при данном значении температуры и аналогичное повторение операций до оттаивания массива и (или) полного снятия сжимающей нагрузки, при этом по полученным парам значений нормальной и соответствующей ей величине стабилизированной касательной нагрузки при данной температуре судят о параметрах прочности грунта.
Технический результат заявленной группы изобретений заключается в обеспечении возможности в полевых условиях по результатам одного испытания определить параметры длительной прочности мерзлого грунта при различных значениях отрицательных температур и в процессе оттаивания, при снижении трудоемкости подготовительных работ, времени проведения испытания и повышении точности испытаний.
Технический результат обеспечивается тем, что в способе определения параметров длительной прочности мерзлых грунтов при различных температурах в натурных условиях включающий нагружение штампа максимальным значением сжимающей нагрузки, ступенчатым нагружением штампа касательной сдвигающей нагрузкой до сдвиговых деформаций, близких к предельным, дальнейшее испытание в режиме ползучести - релаксации до стабилизации касательных напряжений, последующее ступенчатое уменьшение вертикальной сжимающей нагрузки и выдерживание во времени релаксирующей касательной нагрузки до стабилизации ее значений, затем уменьшение абсолютного значения отрицательной температуры и повторение операций при новом значении температуры, определение по полученным парам значений стабилизированных касательных и нормальных напряжений параметров прочности грунта при данном значении отрицательной температуры, при этом нагружение массива осуществляется по кольцевой поверхности посредством инвентарного штампа и кольцевой формы подошвы с радиальными ребрами, снабженными датчиками температурами и термонагревателями, контакт штампа с грунтом создают путем внедрения ребер в грунт, сдвигающую касательную нагрузку создают, прикладывая к штампу крутящий момент через упругий элемент, а температуру исследуемого участка фунта ступенчато изменяют в сторону увеличения (уменьшения абсолютных значений) путем изменения температуры поверхности под кольцевой подошвой штампа, внутри и вне его, измеряя значение температуры в плоскости сдвига под нижними фанями ребер штампа.
В способе дополнительно измеряют температуру поверхности снаружи и внутри кольцевого штампа.
Уменьшение абсолютного значения отрицательной температуры поверхности массива осуществляют плавно в режиме постоянного оттаивания.
Перед началом опыта при действии максимальной вертикальной сжимающей нагрузки на штамп производят дополнительную заморозку участка массива грунта за счет увеличения абсолютных значений отрицательных температур поверхности массива под кольцевой подошвой, внутри и снаружи вокруг кольцевого штампа.
Также технический результат обеспечивается тем, что устройство для реализации способа определения параметров длительной прочности мерзлых грунтов при различных температурах в натурных условиях включает кольцевой ребристый штамп, нагрузочную систему для создания крутящего момента с помощью упругих элементов и создания вертикальной нагрузки, измерительную систему вертикальных и окружных касательных деформаций, при этом на ребрах штампа установлены датчики температуры, сверху штампа установлено устройство для создания и регулирования температуры в виде тора - емкости с циркулирующим антифризом, соединенную шлангами с емкостью, наполненную антифризом, нагревающим устройством, температурным датчиком и насосом, снаружи и внутри кольцевого штампа расположены соответственно кольцевая и круговая пластины, устанавливаемые на грунт, сверху которых установлены аналогичные емкости с антифризом, соединенные подводящими и отводящими шлангами с обратными клапанами шлангами с емкостью, заполненную хладоносителем с нагревающим (охлаждающим) элементом и насосом.
Заявленные изобретения поясняются чертежами, где на фиг. 1 показана Принципиальная схема кольцевого ребристого штампа (Аналог 2), фиг. 2: а) - Схема испытаний по определению параметров длительной прочности на сдвиг, б) - программа нагружения и результаты испытания (Аналог 4), фиг. 3. Кривые длительной прочности и программа испытаний мерзлых грунтов при различных температурах (Прототип), фиг. 4 - Принципиальная схема предлагаемого устройства для определения параметров длительной прочности мерзлых грунтов при различных температурах в натурных условиях.
Способ реализуется следующим образом.
На поверхность грунта устанавливается штамп кольцевой в плане формы к подошве которого прикреплены в радиальном направлении жесткие ребра. На кольцевой штамп, снаружи кольцевого ребристого штампа и внутрь его устанавливаются тепловые элементы.
Далее любым доступным способом (внедрением ребер в грунт вертикальной нагрузкой с предварительным нагревом ребер, или путем помещения ребер в предварительно пропиленные по их размеру в грунте щели с замоноличиванием быстротвердеющим материалом и т.д.) ребра штампа внедряются в грунт на всю высоту так, чтобы подошва штампа плотно примыкала к грунту.
Далее к штампу прикладывается максимальная, запланированная в опыте вертикальная нагрузка, и выдерживается до стабилизации вертикальных перемещений. После этого к штампу прикладывается ступенчато возрастающий крутящий момент и далее каждая ступень касательной крутящей нагрузки испытывается в режиме ползучести-релаксации до достижения стабилизированного значения. Важно отметить, что крутящий момент создается с помощью пары сил - упругих элементов (гидродомкратов или жестких динамометров с винтом), для того, чтобы можно было обеспечить испытания в ползуче-релаксационном режиме нагружения.
После того, как значение стабилизированного момента предыдущей ступени нагружения будет равно (близко) к значению стабилизированного момента следующей за ней ступени производят уменьшение вертикальной нагрузки на некоторую величину. (Вследствие уменьшения сил сопротивления грунта сдвигу за счет уменьшения удерживающей вертикальной нагрузки штамп выйдет из состояния равновесия и, вследствие деформаций сдвига, крутящий момент будет уменьшаться, то есть будет происходить релаксация касательных напряжений).
После достижения стабилизации крутящего момента вновь уменьшают значение вертикальной нагрузки и вновь выдерживают до стабилизации момента. Операцию повторяют несколько раз при постоянном значении отрицательной температуры. По стабилизированным значениям крутящего момента (касательных напряжений) и соответствующим им значениям вертикальной нагрузки судят о параметрах длительной прочности грунта при данной отрицательной температуре.
Далее посредством тепловых элементов по поверхности грунта, под подошвой кольцевого штампа, внутри и вокруг него производят уменьшение абсолютной величины отрицательной температуры грунта на некоторую величину и выдерживают данную температуру некоторое время, пока температура грунта под нижней гранью ребер штампа не станет равной заданной температуре. Это осуществляется с помощью специального устройства кольцевой формы, установленного сверху кольцевого ребристого штампа, представляющего собой бак в форме тора, наполненный циркулирующим антифризом, температуру которого меняют (увеличивают) на некоторую заданную величину. Дополнительно для создания равномерного поля температур массива в плоскости сдвига внутрь и снаружи штампа на поверхность фунта устанавливают аналогичные тепловые устройства. При этом за счет уменьшения сил сопротивления фунта из-за изменения температуры, штамп выйдет из состояния равновесия и в результате активизации сдвиговых деформаций сдвигающие напряжения будут релаксировать. После достижения стабилизации сдвиговых напряжений (крутящего момента) при данном уровне сжимающей нафузки и температуры производят снижение вертикальной сжимающей нагрузки на некоторую величину и все операции при данном значении температуры повторяют, как и при предыдущем уровне температуры. По значениям стабилизированных сдвигающих напряжений и соответствующим им значениям сжимающих напряжений судят о параметрах прочности при данном уровне температуры.
Затем вновь уменьшают абсолютное значение отрицательной температуры на некоторую величину и все вышеописанные операции повторяют. Изменение отрицательной температуры производят вплоть до оттаивания грунта.
В предложенном способе изменение температуры осуществляется по кольцевой поверхности и вокруг нее, что обеспечивает одновременно и более однородное температурное поле в массиве грунта, а создание нормальной и касательной нагрузки на грунт осуществляют по кольцевой поверхности посредством кольцевого ребристого штампа, что обеспечивает более равномерную эпюру касательных напряжений и сдвиг по границе с однородной температурой грунта.
Именно эта двойная функция данной операции (создание на кольцевой поверхности более равномерной касательной нагрузки и одновременное создание равномерного температурного поля на кольцевой поверхности) и обеспечивает достигаемый положительный эффект - возможность производить испытания грунтов в режиме ползучести-релаксации по определению параметров длительной прочности при различных значениях отрицательной температуры и при его оттаивании при нестационарном температурном поле по глубине массива.
Приложение к грунту касательной нагрузки по кольцу, в том числе с помощью кольцевого ребристого штампа известно из Аналога 1 и Аналога 2, однако при этом не производится по поверхности грунта изменения температуры, в результате чего положительный эффект не достигается.
Оттаивание грунта с поверхности при последующем сдвиге известно из Аналога 3, однако при этом осуществляется не кольцевой, а прямой сдвиг по оттаивающей поверхности, что также не позволяет получить указанный положительный эффект.
Прямой сдвиг при разных значениях отрицательной температуры известен из Аналога 4 и прототипа, однако изменение температуры не производится путем изменения температуры под подошвой штампа, что также не позволяет получить положительный эффект.
Таким образом, операция, где одновременно массив нагружается по кольцевой поверхности касательной нагрузкой и одновременно по этой же кольцевой поверхности производят равномерное изменение температуры, посредством тепловых элементов, установленный на кольцевой штамп и вокруг него ранее является неизвестным. Именно сочетание этих двух признаков и обеспечивает получение положительного эффекта.
Способ реализуется посредством специального устройства для определения параметров длительной прочности мерзлых грунтов при различных температурах в натурных условиях, которое включает в себя следующие элементы: 1 - подошва кольцевого ребристого штампа; 2 - ребра кольцевого ребристого штампа; 3 - рычаг для создания крутящего момента; 4 - устройство для создания нагрузки через упругий элемент (гидродомкрат); 5 - полость с хладоносителем на кольцевом ребристом штампе; 6 - внешний кольцевой тепловой штамп; 7 - внутренний тепловой круговой штамп; 8 - подводящий и отводящий трубопроводы с обратным клапаном; 9 - ресивер с хладоносителем; 10 - насос; 11 - изотермы температур в грунте.
Устройство состоит из штампа с кольцевой формой подошвы. Для обеспечения более равномерного распределения касательных напряжений при создании крутящего момента рекомендуется, чтобы отношение внешнего диаметра кольца к внутреннему диаметру было не меньше 0,6.
На подошве кольцевого штампа на одинаковом расстоянии друг от друга размещены в радиальном направлении плоские жесткие ребра, одной стороной прикрепленные к его подошве. Для надежного сцепления с грунтом рекомендуется, чтобы высота ребер h не превышала значение 0,25 от ширины кольцевого штампа, а количество ребер находилось в пределах 8-16 штук. Толщина ребер должна быть минимально возможной, но достаточной для обеспечения их жесткости под заданной нагрузкой.
Сверху штампа расположен полый резервуар с системой трубопроводов кольцевой формы по размеру штампа, внутри которого циркулирует антифриз с заданной температурой. Устройство снабжено агрегатом для изменения и поддержания на постоянном уровне температуры антифриза, представляющим собой полый резервуар с нагревательным (охладителем) элементом, термодатчиком с терморегулятором и насосом, который обеспечивает подачу антифриза заданной температуры в кольцевой резервуар на штампе, и циркуляцию его между резервуаром и агрегатом по трубкам.
В качестве дополнительного элемента для создания равномерного температурного поля под подошвой штампа на поверхность грунта снаружи и внутри кольцевого штампа на грунте расположены аналогичные резервуары, соответственно кольцевой и круглой в плане формы, также соединенные трубками с агрегатом, по которым также циркулирует антифриз заданной температуры.
Кольцевой ребристый штамп снабжен устройством для создания и регистрации крутящего момента с помощью упругого элемента (гидродомкрата или динамометра с винтом или вращательного редуктора) и 3/*вертикальной сжимающей нагрузки. Штамп также снабжен системой измерения тангенциальных и вертикальных перемещений. Дополнительно на ребрах штампа расположены датчики для измерения температуры, по которым судят о величине температуры в плоскости сдвига. Возможно размещение датчиков температуры в массиве по оси штампа.
Существенными отличиями от прототипа в предлагаемом изобретении является наличие тепловых устройств, расположенных на кольцевом штампе, внутри и снаружи него. Сам штамп имеет кольцевую форму подошвы с ребрами, на которых установлены датчики температуры, снабженные электрическими нагревательными устройствами. Пример реализации изобретения.
1
1
2
2
2
1
1
2
2
3
2
3
4
3
3
2
4
3
5
3
6
4
5
6
Например, требуется определить параметры прочности мерзлого грунта при естественной температуре массива -6°С и параметры прочности при температурах -4°С; -2°С и при его оттаивании (0°С). Тогда на поверхность массива устанавливают кольцевой ребристый штамп с устройством для изменения температуры, внутрь кольцевого штампа и снаружи него устанавливают аналогичные устройства. Затем ребра штампа путем их нагрева и приложения вертикальной нагрузки вдавливают в грунт. Далее устанавливают температуру хладоносителя равной естественной температуре массива -6°С и выдерживают некоторое время до восстановления естественной температуры массива, о чем судят по термодатчикам, установленным на ребрах штампа и (или) в массиве по центру штампа в шпуре. После этого к кольцевому штампу прикладывают вертикальную сжимающую нагрузку, обеспечивающую создание максимальных значений вертикальных напряжений в исследуемом диапазоне, например, 400 кПа. Далее к кольцевому ребристому штампу через упругий элемент ступенями прикладывают касательную крутящую нагрузку. После приложения каждой ступени перестают подкачивать давление в гидродомкрат и проводят испытание в режиме ползучести - релаксации. После достижения касательной нагрузки величины, близкой к предельной при данном уровне нормальной нагрузки (σ=400 кПа) о чем судят по одинаковому значению стабилизированной нагрузки на предыдущей и последующей ступени, после стабилизации сдвигающей нагрузки до величины τ (при σ=400 кПа) сжимающую нагрузку уменьшают, например, до величины σ=300 кПа и испытания вновь проводят в режиме ползучести-релаксации до стабилизированного значения сдвигающей нагрузки τ (при σ=300 кПа). По полученной паре значений τ (при σ=400 кПа) и τ (при σ=300 кПа) определяют параметры длительной прочности мерзлого грунта (ϕ и с) при температуре -6°С. Далее изменяют температуру хладоносителя до величины - 4°С и выдерживают некоторое время до стабилизации температурного поля в массиве, о чем судят по показаниям термодатчиков. При изменении температуры штамп выходит из состояния равновесия и происходит процесс ползучести - релаксации до достижения стабилизированного значения сдвигающей нагрузки τ (при σ=300 кПа) и температуре - 4°С. Затем сжимающую нагрузку вновь уменьшают до величины σ=200 кПа и продолжают проводить испытания в режиме ползучести - релаксации до достижения стабилизированного значения сдвигающей нагрузки до величины τ (при σ=200 кПа) при температуре - 4°С. По полученным парам значений τ (при σ=300 кПа) и τ (при σ=200 кПа) определяют параметры длительной прочности мерзлого грунта (ϕ и с) при температуре -4°С. Далее вновь изменяют температуру хладоносителя до величины -2°С, операции повторяют и по полученным парам значений τ (при σ=200 кПа) и τ (например, при σ=100 кПа) определяют параметры длительной прочности мерзлого грунта (ϕ и с) при температуре -2°С. Затем температуру хладоносителя изменяют до -0°С и в диапазоне σ=100 кПа и σ=0 кПа аналогичным образом определяют параметры длительной прочности оттаявшего грунта (ϕ и с) при температуре -0°С.
За счет того, что сдвиг осуществляется по кольцевой поверхности в директивном направлении сдвига при изменении температуры поверхности массива вокруг кольцевого штампа в плоскости сдвига всегда, в отличие от образца или целика прямоугольной формы, под подошвой всегда будет реализовываться равномерное температурное поле. Это дает возможность не только ступенчато изменять температуру массива исследуемого грунта (что требует выдержки при данной температуре), но и изменять ее непрерывно в режиме постоянного оттаивания. Таким образом заявленная группа изобретений обеспечивает возможность в полевых условиях по результатам одного испытания определить параметры длительной прочности мерзлого грунта (угол внутреннего трения и удельное сцепление) при различных значениях отрицательных температур и в процессе оттаивания. При этом существенно снижается трудоемкость подготовительных работ (за счет использования инвентарного штампа), время проведения испытания (за счет проведения испытаний в ползуче-релаксационном режиме нагружения) и повышается точность испытаний (за счет того, что определение параметров прочности осуществляются по результатам испытаний одного и того же целика).