УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВ
SOIL TEST DEVICE

Изобретение относится к области инженерных изысканий и предназначено, в частности, для определения распределения реактивных нормальных напряжений грунтовых оснований по площади приложения нагрузки, необходимых для расчета внутренних усилий в теле фундаментов, и может быть использовано для определения деформационных характеристик грунтов.
Известен тензометрический штамп [Авт. св. СССР на изобретение №294095, G01n 3/08, БИ №6, 1971] для измерения контактного давления, включающий нагрузочное устройство и систему измерения осадки штампа, нижнюю и верхнюю балки с вмонтированными между ними измерительными приспособлениями, причем обе балки выполнены из пяти элементов-пластин, а между пластинами верхней и нижней балок установлены измерительные приспособления в виде тензометрических колец для измерения реактивного напряжения.
Недостатками известного штампа являются: сложность изготовления и транспортировки; большая трудоемкость и сложность монтажа и демонтажа; необходимость тарировки тензометрической измерительной системы после каждого монтажа установки; невозможность определения распределения реактивного напряжения грунтового основания в любых произвольных точках по подошве штампа, искаженное распределение контактных деформаций по подошве штампа вследствие жесткости нижних балок и, вследствие этого, низкая достоверность результатов испытаний.
Известно также устройство для испытания грунтов [Авт. св. СССР на изобретение №746034, E02D 1/00, БИ №25, 1980], включающее секционный штамп и связанные с каждой секцией нагрузочное и измерительное приспособления, смонтированные на раме, причем с каждой секцией соединены два силовых цилиндра, с помощью которых контролируется распределение контактного напряжения по подошве штампа.
Недостатками известного устройства являются: сложность конструкции; сложность и высокая стоимость изготовления; повышенные требования к транспортировке, монтажу и демонтажу; сложность управления работой установки; заданность распределения реактивного напряжения по подошве штампа до испытания; низкая достоверность результатов испытаний из-за получения на каждом элементе-пластине только одного значения и ограниченной возможности варьирования распределения значений напряжения.
Известен также штамп для нагружения грунта [Авт. св. СССР на изобретение №1511332, E02D 1/00, БИ №36, 1989], включающий нагружающие элементы, выполненные в виде набора вертикально расположенных стержней, подвешенных на горизонтальной площадке несущей рамы с возможностью осевого перемещения, причем стержни выполнены в виде идентичных призм, имеющих равные массы с основаниями в виде равносторонних многоугольников и контактирующих боковыми гранями друг с другом.
Недостатком известного штампа являются: сложность конструкции, состоящей из сотен стержней; сложность измерений их перемещений; возможность приложения только одного значения прикладываемого на грунтовое основание напряжения, определяемого массой стержней; нарушение природного сложения грунтового основания предварительной закладкой датчиков давления; отсутствие согласования нагрузки от стержней штампа с датчиками давления; низкая достоверность результатов испытаний из-за получения только одного измерения при одном испытании и нарушения природного сложения грунтового основания.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является установка для испытания грунта статической нагрузкой [Авт. св. СССР на изобретение №256321, G01l, БИ №34, 1969 (прототип)], включающая нагрузочный штамп, упорную систему, состоящую из упорной балки и анкеров, блок приложения нагрузки, состоящий из гидродомкрата и стабилизатора давления, и измерительную систему.
Недостатком известной установки является получение в одном испытании только одного значения реактивного напряжения грунтового основания, среднего для всей площади подошвы штампа и соответствующего ему одного значения осадки штампа; невозможность определения распределения реактивного напряжения грунтового основания в любых произвольных точках по подошве штампа; низкая достоверность результатов испытаний из-за получения при одном испытании только одного значения осадки грунта и одного значения давления.
Задача изобретения - определение распределения реактивного напряжения грунтового основания в любых произвольных точках по подошве штампа при одном испытании.
Технический результат изобретения - упрощение и удешевление определения распределения реактивного напряжения грунтового основания в любых произвольных точках по подошве штампа и повышение достоверности результатов при одном испытании.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для испытания грунтов, включающем нагрузочный штамп, блок приложения нагрузки, упорную систему и измерительную систему, штамп выполнен в виде жесткой конструкции квадратной формы, под штампом размещена упругая пластина с размерами штампа в плане, толщиной 0,05-0,1 размера сторон штампа и модулем упругости 30-50 МПа, а на боковых сторонах упругой пластины нанесена координатная прямоугольная сетка, при этом в измерительную систему введены регистратор приложенной нагрузки и регистратор осадки штампа, а на штампе с боковых сторон по осям его симметрии с помощью кронштейнов жестко закреплены видеорегистраторы деформации упругой пластины с возможностью полного обзора боковых сторон упругой пластины.
В частности:
размещение под нагрузочным штампом упругой пластины обеспечивает определение распределения нормальных реактивных напряжений грунтовых оснований по подошве нагрузочного штампа;
выполнение нагрузочного штампа в виде жесткой конструкции исключает деформацию подошвы штампа и обеспечивает равномерно распределенную передачу сжимающей нагрузки по всей поверхности упругой пластины;
выполнение упругой пластины с толщиной 0,05-0,1 размера сторон штампа и модулем упругости не более 50 МПа обеспечивает сжимаемость упругой пластины под действием приложенной нагрузки и реакции грунтового основания приложенной сжимающей нагрузке;
выполнение на боковых сторонах упругой пластины координатной прямоугольной сетки обеспечивает отображение величины деформации по всем боковым сторонам упругой пластины в неограниченном количестве точек;
жесткое закрепление с помощью кронштейнов на штампе с боковых сторон по осям его симметрии видеорегистраторов деформации упругой пластины с возможностью полного обзора боковых сторон упругой пластины обеспечивает полный обзор боковых сторон упругой пластины и одинаковые условия видеорегистрации и обработки результатов видеорегистрации деформации упругой пластины со всех ее боковых сторон;
выполнение упругой пластины и нагрузочного штампа квадратной формы упрощает обработку результатов видеорегистрации и определение величины деформации в любой точке боковых сторон упругой пластины;
введение в измерительную систему регистратора приложенной нагрузки и регистратора осадки штампа обеспечивает синхронизацию регистрации величины приложенной нагрузки, величины осадки нагрузочного штампа и деформации упругой пластины в любой точке боковых сторон упругой пластины в любой момент испытания грунтового основания.
Таким образом совокупность указанных отличительных признаков обеспечивает новый положительный эффект и является сущностью изобретения.
Заявляемое устройство для испытания грунтов и пояснения по его работе схематично изображены на чертеже, где даны: фиг.1 - принципиальная блок-схема устройства для испытания грунтов; фиг.2 - устройство для испытания грунтов (вид сверху).
Устройство для испытания грунтов состоит из нагрузочного штампа 1, упругой пластины 2, упорной системы 3, блока 4 приложения нагрузки, регистратора 5 приложенной нагрузки, регистратора 6 осадки штампа, видеорегистраторов 7 деформации упругой пластины с кронштейнами 8. На всех боковых сторонах упругой пластины 2 выполнена координатная прямоугольная сетка 9.
Нагрузочный штамп 1 имеет жесткую конструкцию и квадратную форму в плане.
Упругая пластина 2 имеет такие же форму и размеры в плане, что и нагрузочный штамп 1, толщину 0,05-0,1 размера сторон штампа и модуль упругости 30-50 МПа.
Видеорегистраторы 7 деформации упругой пластины размещены со всех боковых сторон нагрузочного штампа 1 по его осям симметрии, имеют полный обзор боковых сторон упругой пластины 2 и жестко закреплены на нагрузочном штампе 1 с помощью кронштейнов 8.
Упорная система 3 может быть выполнена, например, в виде жесткой упорной балки и анкеров.
Блок 4 приложения нагрузки может быть выполнен, например, в виде гидродомкрата со стабилизатором давления.
Регистратор 5 приложенной нагрузки может быть выполнен, например, в виде цифрового датчика давления с блоком памяти.
Регистратор 6 осадки штампа может быть выполнен, например, в виде цифрового датчика линейных перемещений с блоком памяти.
Устройство для испытания грунтов работает следующим образом.
На выровненном грунтовом основании горной выработки устанавливают нагрузочный штамп 1 с упругой пластиной 2 и видеорегистраторами 7 деформации упругой пластины, жестко закрепленными с помощью кронштейнов 8 со всех боковых сторон нагрузочного штампа 1 по его осям симметрии с возможностью полного обзора боковых сторон упругой пластины 2.
Монтируют упорную систему 3, блок 4 приложения нагрузки, регистратор 5 приложенной нагрузки и регистратор 6 осадки штампа.
Видеорегистраторы 7 деформации упругой пластины могут устанавливаться также на самостоятельной реперной системе.
После монтажа устройства для испытания грунтов с помощью блока 4 приложения нагрузки производят приложение на нагрузочный штамп 1 нагрузки заданными ступенями с выдержкой каждой до стабилизации осадки нагрузочного штампа 1.
В процессе испытания грунтового основания с помощью регистратора 5 приложенной нагрузки регистратора 6 осадки штампа и видеорегистраторов 7 деформации упругой пластины производят синхронную регистрацию приложенной нагрузки, осадки нагрузочного штампа 1 и видеорегистрацию деформации всех боковых сторон упругой пластины 2, имеющих координатную прямоугольную сетку 9.
По данным видеорегистрации боковых сторон упругой платины 2 определяют величину деформации в любых точках боковых сторон упругой пластины на любой ступени нагрузки в любой момент испытания грунтового основания.
По величине деформации упругой пластины в различных точках боковых сторон в любой момент испытания вычисляют величину деформации упругой пластины в любых точках по подошве нагрузочного штампа, используя, например, формулу Коши [Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Методы теории функций комплексного переменного. - М.: Физматгиз, 1958. - 678 с.].
По величине деформации упругой пластины в любых точках по подошве нагрузочного штампа в любой момент испытания грунтового основания и модуля упругости упругой пластины вычисляют реактивное нормальное напряжение на поверхности грунтового основания в этих точках, при этом число и положение точек по подошве нагрузочного штампа, в которых можно определить реактивное нормальное напряжение на поверхности грунтового основания, не ограничено.
Кроме того, по разнице осадки нагрузочного штампа и средней деформации упругой пластины определяют среднюю деформацию поверхности грунтового основания и рассчитывают модуль деформации грунтового основания.
Таким образом, изобретение позволяет при одном испытании грунтового основания определять распределение реактивного нормального напряжения грунтового основания в любых произвольных точках по подошве штампа и определять деформационные характеристики грунтов, упрощает и удешевляет испытания грунтового основания, повышает достоверность результатов.