УСТРОЙСТВО НАГРУЖЕНИЯ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ГРУНТОВ

Область техники, к которой относится полезная модель. Настоящее устройство относится к лабораторным устройствам для испытания дисперсных грунтов на любые сочетания квазистатического силового или кинематического нагружения с динамическим силовым или кинематическим нагружением.
Такие испытания востребованы не только для грунтов оснований сооружений, но и в некоторых случаях для дискретных материалов. Например, сыпучих строительных материалов или зерна при определении параметров расчетных моделей элеваторных систем для их хранения, обработки и транспортировки.
Уровень техники. Испытания грунтов в лабораторных условиях на динамические нагрузки, как правило, проводятся на тех же приборах, что и статические испытания, а дополнительное нагрузочное устройство является неотъемлемой частью испытательной установки.
Из предшествующего уровня техники известны различные устройства для исследования механических свойств грунтов. В 1952 г. издана монография Е.И. Медкова [5] с описанием установки трехосного осесимметричного сжатия, получившей название стабилометр. Классическая монография авторов Bishop and Henkel (1957) была переведена на русский язык в 1961 г. [2] В 1972 г. Сидоров Н.Н. и Сипидин В.П. [6] описали конструкции различных приборов, в том числе и стабилометров. В 1987 г. коллективом авторов под руководством А.К. Бугрова [4] были приведены сведения о приборах и методах испытания грунтов, в том числе и при трехосном нагружении.
Описанные в последней отечественной монографии Г.Г. Болдырева [3] известные в России подобные установки характеризуются наряду с разнообразием конструкций устройств нагружения их технической сложностью и громоздкостью.
Так, устройство для компрессионных испытаний дисперсных грунтов (АС 1305565 СССР/В.Я. Калачев, С.А. Лапицкий. - №3988917/31-33; заявл. 11.12.1985; опубл. 23.04.1987, бюл. №15) позволяет создавать на испытуемый образец только силовое нагружение и в статике, и в динамике. Подпружиненная инерционная система грузов с механическим приводом от вращающегося вала по предлагаемой схеме не гарантирует неизменной динамической нагрузки вследствие деформаций испытуемого образца.
Устройство для исследования грунта (АС 1345094 СССР/С.Б. Ухов, З.Г. Тер-Мартиросян, Л.Н. Рябченков, А.В. Кузнецов. - №4091112/31-33; заявл. 24.04.86; опубл. 15.10.1987, бюл. №38) позволяет создавать на испытуемый образец только силовое нагружение и в статике и в динамике. Дополнительное устройство динамического нагружения громоздко и габаритно.
Способ лабораторного определения циклической прочности и деформируемости грунта под контролируемой трехосной нагрузкой и устройство для его осуществления (пат. РФ 2382350/ Р.Г. Кальбергенов, П.И. Новиков, В.Н. Кутергин, В.И. Каширский, В.В. Шелихов. - №2007114041/28; заявл. 16.04.2007; опубл. 20.02.2010, бюл. №5) также ограничен только силовым воздействием на испытуемый образец и в статике и в динамике. В габаритном материалоемком устройстве квазистатического силового нагружения используется пневмоцилиндр. Форма сигнала циклической нагрузки не управляема, так как создается перепадом давления в верхней и нижней камерах пневмоцилиндра посредством электромагнитных дренажных клапанов.
Прототипом является установка для исследования динамических свойств грунтов в условиях трехосного нагружения (АС 1571465 СССР / Ю.П. Васильев. - №4418119/23-33; заявл. 29.04.1988; опубл. 15.06.90, Бюл. №22).
Установка позволяет создавать квазистатическое силовое или кинематическое нагружение и силовое динамическое нагружение.
Основным недостатком установки является невозможность задания кинематического динамического нагружения в сочетании с квазистатическим силовым или кинематическим нагружением. Использование рычажной системы квазистатического силового нагружения при совмещении с динамическим нагружением приводит к неуправляемому колебательному процессу в системе квазистатического силового нагружения и к многократному изменению соотношения квазистатической и динамической нагрузки на испытуемый образец.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в расширении диапазона и количества определяемых параметров грунтов по ГОСТ [1] в испытаниях.
Данная задача достигается за счет того, что устройство нагружения для испытаний грунтов характеризующееся тем, что состоит из двух частей, жестко связанных между собой рамой и станиной, одна из которых создает квазистатические воздействия, а другая - гармонические воздействия, причем можно создавать на испытуемый образец любые сочетания квазистатического силового или кинематического нагружения с динамическим силовым или кинематическим нагружением.
Раскрытие полезной модели
Устройство квазистатического кинематического нагружения представляет собой винтовую пару с редуцированием скорости оборотов винта или с приводом от шагового электродвигателя, а для силовой квазистатики выполняется управление деформацией по обратной связи с величиной действующей нагрузки на образец. В устройстве гармонических кинематических воздействий используется эксцентриковый привод с толкателем на штамп испытуемого образца, а для создания гармонических силовых воздействий между толкателем и штампом устанавливается упругий элемент.
Устройство нагружения (фиг. 1) для испытаний грунтов применимо для стабилометрических, компрессионных и одноосных испытаний.
-3
-1
Кинематическое нагружение (фиг. 2) производится работой электродвигателя 7: через червячный редуктор 6 и переходник 5 вращение передается винтовой паре 3. Осевое перемещение винта 3 передается через шток 2 рабочей камеры, например стабилометра, испытуемому образцу 8. Кинематическое девиаторное нагружение может выполняться нагрузочным устройством с использованием шаговых электродвигателей (например, устройство кинематического нагружения ГТ производства ГЕОТЕК, г. Пенза). Осевая скорость перемещения винта 3 определяется угловой скоростью вращения и шагом резьбы винта. Абсолютное осевое перемещение винта легко реализуется на данной установке от нескольких микрометров до заданной величины (десятка миллиметров). Скорость осевых деформаций также может варьироваться в широких диапазонах от 10 до 10 мм/с. Испытание может выполняться либо непрерывно как с постоянной скоростью деформирования, так и с переменной по заданной программе до завершения, либо ступенями деформирования, величина которых ограничивается величиной приращения напряжений (по патенту на изобретение RU 2628874) или управляться по другим критериям.
Динамическое нагружение образца выполняется работой системы, представленной на фиг. 3. Вращение вала электродвигателя 13 через упругую муфту 15 передается червячному редуктору 18. С выходного вала редуктора через кулачок-эксцентрик 17 создаются гармонические возвратно-поступательные перемещения штока 16, передающего кинематические или силовые воздействия на штамп испытуемого образца.
Если между штоком 16 и нижним штампом установлен упругий элемент, например полиуретан 11, то эти динамические воздействия будут силовые. То есть, воздействующий фактор - осевая динамическая (гармоническая) нагрузка, а отклик - осевые и поперечные динамические деформации. И воздействия, и отклики, как пример, представлены напряжениями и относительными деформациями на фиг. 4.
Если между штоком 16 и нижним штампом отсутствует упругий элемент 11, то эти динамические воздействия будут кинематическими. То есть, воздействующий фактор - осевые динамические (гармонические) деформации, а отклик - динамические напряжения.
Амплитуда динамических деформаций при кинематическом нагружении устанавливается набором эксцентриков 17. При силовом динамическом нагружении амплитуда осевых динамических напряжений устанавливается набором эксцентриков 17 и жесткостью упругого элемента 11.
-4
Частота гармонических воздействий устанавливается при помощи блока управления 14 скоростью оборотов вала электродвигателя 13. Диапазон удельных динамических нагрузок (осевых динамических напряжений) на опытной установке может варьироваться от единиц до сотен килопаскаль, абсолютные амплитуды продольных и поперечных колебаний - от единиц микрометров, а относительные деформации от 10 и более (фиг. 4). Верхний предел амплитуд колебаний ограничен свойствами грунтов, на модельных материалах абсолютные амплитуды продольных и поперечных колебаний могут составлять единицы миллиметров.
Краткое описание графических материалов
На фиг. 1 представлено фото общего вида опытного образца устройства нагружения для испытаний грунтов на примере работы со стабилометром.
На фиг. 2 представлено фото фрагмента А опытного образца устройства нагружения, позволяющее понять принцип задания квазистатического силового или кинематического нагружения.
На фиг. 3 представлено фото фрагмента Б опытного образца устройства нагружения, позволяющее понять принцип задания динамического силового или кинематического нагружения.
На фиг. 4 и фиг. 5 представлены результаты экспериментальных исследований образца грунта в стабилометрических испытаниях при сочетании квазистатического кинематического нагружения с динамическим силовым нагружением.
Осуществление полезной модели
Нами была проведена серия стабилометрических консолидированно-дренированных испытаний на глинистых грунтах по следующей схеме:
3
1
- после стабилизации деформаций гидростатического нагружения (σ) выполнялось кинематическое девиаторное нагружение со скоростью 0,2 мм/мин в течение около минуты с ограничением по приращению осевых напряжений (σ);
1
- после достижения критерия стабилизации напряженно-деформированного состояния (НДС) образца включалась следующая аналогичная ступень кинематического девиаторного нагружения с ограничением по приращению осевых напряжений (σ) от стабилизированного состояния на предыдущей ступени.
Д
На любой ступени кинематического девиаторного нагружения (как и на стадии стабилизации НДС) могут передаваться осевые динамические воздействия σ.
Д
1
В опыте, представленном на диаграмме фиг. 4, силовые динамические воздействия σ прикладывались продолжительностью 30 с по направлению квазистатического девиаторного нагружения σ.
Результаты измерений фиксируют создание гармонической нагрузки на образец и отклики по деформациям, что облегчает анализ динамического поведения материала исследуемого образца «на микроуровне». На диаграмме фиг. 4 явно устанавливается запаздывание деформаций относительно напряжений. Причем, на ветви нагрузки и разгрузки на разные величины. То есть, даже при малой интенсивности гармонических воздействий грунт проявляет свойства разномодульной среды, что явно подтверждается «петлей гистерезиса» на фиг. 5.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является расширение диапазона и количества определяемых параметров грунтов в подобных испытаниях по сравнению с действующим ГОСТом [1].
Дополнительно можно определить:
-3
- динамический модуль сдвига G и коэффициент поглощения D в диапазоне малых сдвиговых деформаций (<10) для расчетов колебаний сооружений и сейсмического микрорайонирования (СМР);
- снижение G и рост D с увеличением деформации сдвига до 1,0%.
Подобные эксперименты учитывают накопление пластических деформаций при повторяющихся воздействиях, их запаздывание по отношению к действующим напряжениям и позволяют найти установившуюся и мгновенные поверхности нагружения для динамических моделей упругопластической упрочняющейся среды.
Предлагаемое техническое решение устройства нагружения для испытаний грунтов обладает новизной, имеет ряд перечисленных преимуществ перед известными решениями, отвечает критерию промышленной применимости, соответствует современному уровню техники, а также проводимому общему направлению на модернизацию производства и на инновации технологий в РФ. Следовательно, по мнению авторов, предлагаемое техническое решение может быть защищено патентом РФ на полезную модель.
Использованные источники
1. ГОСТ Р 56353-2015 Грунты. Методы лабораторного определения динамических свойств дисперсных грунтов. – М.: Стандартинформ, 2015. - 38 с.
2. Бишоп, А.У. Определение свойств грунтов в трехосных испытаниях / А.У. Бишоп, Д.Д. Хенкель. - М.: Госстройиздат, 1961. - 232 с.
3. Болдырев, Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов. Состояние вопроса. 2008 // Пенза.: ПГУАиС. - 695 с.
4. Бугров, А.К. Исследование грунтов в условиях трехосного сжатия / А.К. Бугров, Р.М. Нарбут, В.П. Сипидин. - Л.: Стройиздат, 1987. - 184 с.
5. Медков, Е.И. Новый прибор для испытания грунтов при трехосном сжатии / Е.И. Медков // Гидротехническое строительство. - 1952. - №11. - С. 12-15.
6. Сидоров, Н.Н. Современные методы определения характеристик механических свойств грунтов/ Н.Н. Сидоров, В.П. Сипидин. - Л.: Госстройиздат, 1972.- 136 с.
7. http://npcgrof.com/pages/oborud/stabilom.html
8. http://patentdb.su/
9. http://patents.su/3-566165stabilometr.html
10. http://wwwl.fips.ru
11. http://www.patika.ru/Poisk_po_nomeru_FIPS.html