Установка для проведения полевых испытаний грунтов подбалластного основания железнодорожного пути
INSTALLATION FOR FIELD TESTING OF SOILS OF THE SUB-BALLAST FOUNDATION OF THE RAILWAY TRACK

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для определения механических свойств грунтов в полевых условиях при обследовании грунтов в основании существующих фундаментов и железнодорожных путей.
Известна установка для статических штамповых испытаний [ГОСТ 20276-2012 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости, Москва, 2012 г.], включающая круглый штамп диаметром 300 мм, блок создания и измерения нагрузки на штамп (домкрат), обеспечивающий центрированную передачу нагрузки на штамп и блок измерения осадок штампа на основе прогибомера, закрепленного неподвижно в процессе испытаний и связанного со штампом недеформируемой механической связью.
Установка позволяет определить модуль деформации земляного полотна при модернизации (реконструкции) железнодорожного пути [Инструкция по устройству подбалластных защитных слоев при реконструкции (модернизации) железнодорожного пути. Утверждена распоряжением ОАО «РЖД» №2544р от 12.12.2012.]
Недостатком использования такой установки является необходимость предварительного устройства шурфа под рельсошпальной решеткой на заданную глубину, определяемую глубиной границы балласта и подбалластного основания и приведение в порядок пути после завершения испытаний. Все операции достаточно трудоемки и долговременны.
Наиболее близким техническим решением является установка для полевых испытаний грунтов, включающее штамп со штоком, гидравлический домкрат с манометром, измерительную систему, при этом верхняя часть штока через домкрат присоединена к статической опоре, представляющей собой буровую установку, при этом ось домкрата, штока и штампа совпадает с направлением действия реактивной силы статической опоры, а шток представляет собой буровую обсадную трубу, соединенную в ее надземной части с измерительной системой [Заявка РФ №2006134781, кл. G01N 3/00, опубл. 10.04.2008 г.].
В данном устройстве для механической связи штампа с измерительной системой используется тот же шток, что передает нагрузку на штамп от домкрата. При этом, согласно способу при проведении испытаний грунта учитывается деформация штока, определенная расчетом или тарировкой.
Недостатком установки является высокая трудоемкость и временные затраты проведения измерений, обусловленные конструктивными ее особенностями, а именно: измерительная система (прогибомер) соединяется со штоком в надземной части между штоком и домкратом, что требует конструктивной доступности данной точки устройства для подсоединения прогибомера.
Решаемой технической задачей является уменьшение затрат, снижение времени и трудоемкости измерений за счет возможности проведения статических штамповых испытаний подбалластного основания пути без проведения работ устройства шурфа и раздвижки шпал.
Поставленная задача решается тем, что установка для проведения полевых испытаний грунтов подбалластного основания железнодорожного пути, состоящая из штампа со штоком, статической опоры, гидравлического домкрата с датчиком гидростатического давления, системы измерения осадки штампа, при этом верхняя часть штока соединена со статической опорой через домкрат, а система измерения соединена со штампом через шток, снабжена устройством постановки штампа в грунт в виде полой цилиндрической фрезы с открытым торцом, выполненной на наружной поверхности с режущими и разрыхляющими элементами, и механического привода вращения, связанным с фрезой, штампом со штоком, установленными внутри полости фрезы соосно с возможностью перемещения вдоль ее оси, и гидравлического домкрата, устройство постановки штампа подвешено на осях на жестком кронштейне, имеющем возможность поворота вокруг вертикального шкворня, стационарно закрепленного на статической опоре, при этом установка снабжена гидроцилиндром наклона для поворота устройства постановки штампа вокруг осей, на которых он подвешен, оси вращения фрезы и оси наклона устройства постановки штампа лежат в одной плоскости и перепендикулярны, гидравлический домкрат имеет двухсторонний шток, а система измерения осадки штампа соединена недеформируемой связью с верхним торцом штока домкрата.
Целесообразно соединение штока со штампом выполнить в виде сферического упорного шарнира, между штампом и фрезой установить односторонний упорно-радиальный подшипник, а соединение штока со штоком гидравлического домкрата выполнить в виде шарнирного узла.
Предпочтительно механический привод вращения выполнить в виде электрического мотор-редуктора с цепной передачей, соединенной с полым шпинделем, на котором соосно неподвижно закреплена фреза, между выходным валом мотор-редуктора и ведущей звездочкой цепной передачи установить защитную фрикционную муфту.
Целесообразно шкворень закрепить на подвижной каретке с механическим приводом перемещения по направляющим вдоль статической опоры в виде винтового привода с подвижной гайкой, при этом винт приводить во вращение электрическим мотор-редуктором через цепную передачу.
Целесообразно кронштейн выполнить из двух шарнирно соединенных жестких конструкций наклонной рамы и поворотной балки, закрепленной на шкворне, и механического винтового привода наклона наклонной рамы.
Предпочтительно систему измерения осадки штампа выполнить в виде датчика уровня, состоящего из лазерного излучателя, закрепленного на реперной системе, снабженного регулировочными винтами наведения луча по вертикальному и горизонтальному углу и элевационным механизмом, обеспечивающим плоскопараллельное смещению луча по вертикали, и измерительного фотоприемного устройства, закрепленного на верхнем торце штока домкрата, измеряющего и индицирующего свое перемещение в плоскости входного оптического окна относительно лазерного пятна на входном оптическом окне, при этом на излучателе и на фотоприемном устройстве установлены инклинометры, а вычислитель устройства содержит блок, рассчитывающий разность отсчетов инклинометров, и индикатор, отображающий результат расчета.
Целесообразно в качестве реперной системы использовать жесткий металлический стержень, забитый в грунт, или геодезический штатив.
Целесообразно, чтобы система измерения осадки штампа содержала модуль расчета осадки штампа, выполняющий аддитивную коррекцию отсчетов блока, а в качестве статической опоры использовать грузовую платформу, утяжеленную до нагрузки не менее 10 т/ось.
На фиг.1 представлен общий вид устройства с торца платформы.
На фиг.2 - разрез устройства постановки штампа в грунт.
На фиг.3 - вид установки сбоку.
На фиг.4 - вид установки со стороны торца платформы при проведении штамповых испытаний. Излучатель не показан.
Установка для проведения полевых испытаний грунтов подбалластного основания железнодорожного пути состоит состоящая из штампа 1 со штоком 2, статической опоры, гидравлического домкрата 3 с датчиком гидростатического давления, системы измерения осадки штампа, при этом верхняя часть штока 2 соединена со статической опорой через домкрат 3, а система измерения соединена со штампом 1 через шток 2.
Установка снабжена устройством постановки штампа в грунт в виде полой цилиндрической фрезы 4 с открытым торцом, выполненной на наружной поверхности с режущими и разрыхляющими элементами, механического привода вращения, связанным с фрезой 4, штампом 1 со штоком 2, установленными внутри полости фрезы 4 соосно с возможностью перемещения вдоль ее оси, и гидравлического домкрата 3.
Устройство постановки штампа подвешено на осях на жестком кронштейне, имеющем возможность поворота вокруг вертикального шкворня (на чертежах не показан), стационарно закрепленного на статической опоре.
Механический привод вращения выполнен в виде электрического мотор-редуктора 5 с цепной передачей 6, соединенной с полым -редуктора 5 и ведущей звездочкой цепной передачи установлена защитная шпинделем 7, на котором соосно неподвижно закреплена фреза 4, между выходным валом мотор фрикционная муфта 8.
Шкворень закреплен на подвижной каретке 9 с механическим приводом перемещения по двум направляющим 10, неподвижно закрепленным на хребтовой балке 11 статической опоры. Механический привод перемещения выполнен в виде винтового привода с подвижной гайкой и ходовым винтом 12. Винт 12 приводят во вращение электрическим мотор-редуктором через цепную передачу 13.
Кронштейн состоит из двух шарнирно соединенных жестких конструкций наклонной рамы 14 и поворотной балки 15, закрепленной на шкворне. Наклонная рама 14 снабжена механическим винтовым приводом наклона 16.
Установка снабжена гидроцилиндром наклона 17 для поворота устройства постановки штампа вокруг осей, на которых он подвешен. Оси вращения фрезы 4 и оси наклона устройства постановки штампа лежат в одной плоскости и перпендикулярны.
Соединение штока 2 со штампом 1 выполнено в виде сферического упорного шарнира, (показан на фиг.2 в заблокированном состоянии), состоящего из сферических элементов 18 и 19, конусов 20 и 21 и пружины 22. Между штампом 1 и фрезой 4 установлен односторонний упорно-радиальный подшипник, состоящий из колец 23 и 24.
Гидравлический домкрат 3 имеет двухсторонний шток, включающий верхнюю 25 и нижнюю 26 части.
Система измерения осадки штампа соединена недеформируемой связью с торцом верхней части штока 25 домкрата 3.
Соединение штока 2 с нижней частью 26 штока гидравлического домкрата 3 выполнено в виде шарнирного узла 27, обеспечивающего работоспособность при небольшой несоосности штока 2 и нижней части 26 штока гидравлического домкрата 3, а также их взаимное вращение.
Взаимное вращение фрезы 4 и штока 2 и осевая подвижность штока 2 обеспечивается двумя радиальными подшипниками 28.
Система измерения осадки штампа 1 выполнена в виде датчика уровня, состоящего из лазерного излучателя 29, закрепленного на реперной системе 30 (в виде жесткого металлического стержня, забитого в грунт, или геодезического штатива), снабженного регулировочными винтами наведения луча по вертикальному и горизонтальному углу и элевационным механизмом, обеспечивающим плоскопараллельное смещению луча по вертикали, и измерительного фотоприемного устройства 31, закрепленного на торце верхней части 25 штока домкрата 3, измеряющего и индицирующего свое перемещение в плоскости входного оптического окна относительно лазерного пятна на входном оптическом окне, при этом на излучателе 29 и на фотоприемном устройстве 31 установлены инклинометры 32 и 33, а вычислитель устройства содержит блок, рассчитывающий разность отсчетов инклинометров 32 и 33, и индикатор, отображающий результат расчета.
Система измерения осадки штампа содержит модуль расчета осадки штампа, выполняющий аддитивную коррекцию отсчетов блока на величину априорно известной по результатам тарировки деформации механической связи торца верхней части 25 штока домкрата 3 со штампом 1 при всех значениях нагрузки домкрата 3.
В качестве статической опоры используют грузовую платформу, утяжеленную до нагрузки не менее 10 т/ось, например, грузовую платформу модели 13-9004
Установка работает следующим образом.
После прибытия платформы со смонтированной установкой к месту испытаний, поворотная балка 15, и, соответственно, фреза 4, разворачиваются на шкворне перпендикулярно продольной оси платформы. Далее, вращением винта 12, фреза 4 позиционируется посередине между ближайшими соседними шпалами.
Вращением винта винтового привода 16 изменяется угол наклона наклонной рамы 14, и, соответственно, глубина установки штампа 1.
Далее, фреза 4 приводится во вращение и наклоняется вниз гидроцилиндром 17, так что сферическая рабочая поверхность штампа 1 и торец фрезы 4 перемещаются по траектории (фиг.1) до достижения фрезой 4 вертикального положения. Движение фрезы 4 в грунте обеспечивается за счет того, что грунт перед вращающейся фрезой 4 разрыхляется режущими и разрыхляющими элементами и перемещается ими назад.
Никакие точки на фрезе 4 и штампе 1 не выступают наружу за траекторию, штампа 1, благодаря наличию радиально-упорного подшипника 23, 24 штамп прижат и зафиксирован внутри фрезы 4 заподлицо с ее торцом, поэтому, под штампом 1 остается неразрыхленный грунт и штамп 1, благодаря его сферической поверхности, в точке испытаний плотно прилегает к неповрежденной поверхности грунта.
После установки штампа 1, устанавливается измерительная система, как показано на фиг.4. Оператор при помощи регулировочного винта ориентирует луч лазера перпендикулярно оси штока 25 домкрата 3, далее при помощи элевационного механизма наводит луч в центр входного оптического окна ФПУ по вертикали, и при помощи другого регулировочного винта - по горизонтали. Перпендикулярность луча штоку 25 домкрата 3 контролируется по отсчетам инклинометров 32 и 33.
Шток 2 выдвигается домкратом 3 до смыкания элементов 18 и 19 сферического шарнира, при этом конуса 20 и 21 размыкаются. При этом грунт нагружается минимальным давлением. Благодаря наличию сферического шарнира, позволяющего штампу 1 наклоняться на угол до 4°, давление на грунт распределяется равномерно по площади штампа 1.
Далее штамп 1 нагружается домкратом 3 через шток 2 по заданной циклограмме испытаний и снимается зависимость осадки штампа 1 от гидростатического давления в домкрате 3. Сила реакции опоры передается на корпус домкрата 3 от хребтовой балки 11 платформы через направляющие 10, каретку 9, шкворень, поворотную балку 15, наклонную раму 14, оси подвеса и корпус устройства постановки штампа.
Конструкция установки позволяет уменьшить затраты, снизить время и трудоемкость измерений за счет возможности проведения статических штамповых испытаний подбалластного основания пути без проведения работ устройства шурфа и раздвижки шпал.
Использование в качестве системы измерения осадки высокоточного лазерного датчика уровня с выносом реперной точки на расстояние 3-5 метров от зоны нагружения и фиксации ее в толще землянного полотна позволяет исключить возможное влияние осадки опорных точек прогибомера, используемого в обычных установках штамповых испытаний, при нагружении.
Стационарное размещение установки на подвижном диагностическом комплексе (нагрузочном поезде), предназначенном для исследования земляного полотна и включающем в свой состав подходящие для такого размещения единицы подвижного состава, позволяет проводить штамповые испытания в комплексе с другими методами исследования земляного полотна (нагрузочные испытания) без привлечения дополнительного персонала, с оперативным выбором точек для штамповых испытаний по результатам проезда нагрузочного поезда.
Оснащение нагрузочного поезда автоматизированной установкой позволит также проводить проверку сходимости результатов нагрузочных и штамповых испытаний и разработку методик и нормативных документов по совместному использованию двух методов.
Наличие программного управления циклом испытаний, гидравлической пропорциональной системы нагружения и автоматического дистанционного съема измерительной информации, позволит проводить отработку альтернативных методик проведения штамповых испытаний с многократным высокочастотным нагружением, активно внедряемых сейчас на Западе.