ГРУНТОВЫЙ ВИСКОЗИМЕТР
GROUNDWATER VISCOSITY METER

Изобретение относится к области измерительной техники, предназначено для измерения вязкости различных дисперсных грунтов и может быть применено при проведении инженерных изысканий для строительства зданий и сооружений.
В настоящее время для определения вязкости грунтов наиболее широкое распространение получил стандартный прибор одноплоскостного среза. Однако этот прибор, широко применяемый для определения прочностных параметров грунтов, малопригоден для исследования деформационных и реологических процессов. В этих приборах зона сдвига образца мала и является неопределенной, что не позволяет с достаточной точностью определить относительную деформацию сдвига γ. К числу недостатков прибора одноплоскостного среза следует также отнести переменность рабочей площади образца, ограниченность величины деформации, непостоянство зазора между верхней и нижней каретками, а также отклонение поверхности среза от плоскости. Применение приборов перекашивания (многоплоскостного среза) решает часть указанных недостатков, однако величина деформаций в них также ограничена.
Помимо приборов плоскостного среза широкое распространение для определения вязкости получил прибор для испытания на кручение, обеспечивающий проведение испытания в условиях чистого сдвига и позволяющий создавать практически неограниченные деформации без изменения рабочей площади образца. Однако и этот прибор не лишен недостатков, так как для испытания на кручение затруднительно создать сложное напряженное состояние, в котором, как правило, находятся грунты в реальных условиях. Кроме того, данный прибор технически сложен и плохо воспроизводим промышленно.
Наиболее близкий аналог предложенного прибора - вискозиметр, содержащий сплошной шарик, который помещают в измеряемую среду на дно сосуда, соединенный гибкой нитью, переброшенной через блок, с противовесом, масса которого больше массы шарика. Вследствие этого возникает прямолинейное движение вертикально вверх до поверхности измеряемого тела, при этом измеряют время движения шарика внутри тела в пределах заданного пути (т.е. скорость подъема шарика) [SU 318854, G01N 11/10, 1971].
Недостатками данного вискозиметра являются:
1. Низкая точность измерения вязкости, так как в процессе движения шарика внутри исследуемого тела его скорость изменяется от нуля до максимума, т.е. существенно отличается от предполагаемой постоянной.
2. Большая трудоемкость процесса измерения из-за необходимости ручного точного замера времени движения шарика.
3. Ограниченная область применения вследствие невозможности применения для определения вязкости дисперсных твердых тел, к которым относятся грунты.
Целью изобретения является адаптация конструкции вискозиметра для определения вязкости грунтов, снижение трудоемкости исследований и расширение области применения для исследования реологических характеристик связных и несвязных грунтов.
Вискозиметр (Фиг. 1) представляет собой камеру стабилометра типа "Б" (1), установленную на основании (2). Внутри камеры в резиновой оболочке размещается образец грунта (3). Пространство внутри камеры вокруг образца грунта в резиновой оболочке заполняется дистиллированной водой, глицерином или воздухом (4) - средой для создания давления на боковую поверхность образца. Через центральную ось образца проходит металлический стержень постоянного сечения (5), жестко соединенный с нагрузочным устройством. Для настоящего прибора использовалась установка UL60-4 производства APS Antriebs- Pruf- und Steuertechnik GmbH (ФРГ), однако может применяться и иная с аналогичными характеристиками.
Разрез по продольной оси камеры вискозиметра представлен на фиг. 2. На фиг. 3 представлена схема напряженного состояния образца грунта в камере вискозиметра.
Вискозиметр работает следующим образом.
Поставим задачу определить вязкость образца грунта, если известна скорость вертикального перемещения стержня. Полагаем, что сопротивление нижнего конца стержня равно нулю. Предположим также, что преобладает сдвиговой механизм деформирования окружающего стержень грунта. В таком случае скорость сдвиговой деформации грунта вокруг стержня будет определяться исходя из зависимости
где - скорость движения стержня, в м/с;
r - радиус от центра стержня, в м, причем
где τ - касательное напряжение, в кПа;
η - коэффициент вязкости, в кПа·с.
Выражение (2) справедливо в момент, когда сопротивление стержня по боковой поверхности исчерпано и стержень начинает погружаться в грунт с постоянной скоростью.
Значение вертикального усилия, передаваемого на стержень, зависит от значения касательных напряжений по боковой поверхности стержня, которые можно определить исходя из условия
c
cm
где r и l - радиус и длина стержня, в м;
F - вертикальное усилие, передаваемое в кинематическом режиме () на стержень, в кН.
Сделав предположение, что материал стержня не сжимается, можно определить значение осадки.
Воспользуемся подстановкой условия (2) в (3) и затем, выполнив подстановку полученного выражения в (1), получим
Проинтегрировав выражение (4), получим
и с учетом граничных условий:
при  тогда
при
Выражение (6) позволяет получить значение скорости перемещения стержня с учетом приложенной вертикальной нагрузки F и зависит от габаритов стержня и образца грунта.
Преобразовав выражение (6), можно получить значение вязкости при постоянной скорости вертикального перемещения стержня
что позволяет осуществить прогнозирование коэффициента вязкости при различных значениях скорости перемещения стержня.
Таким образом на установке для определения вязкости дисперсных грунтов достигается положительный технический эффект:
1. Конструкция разработанного прибора адаптирована для проведения испытаний грунтов и грунтовых материалов. Разработанный вискозиметр позволяет определить вязкость связных и несвязных грунтов как в сухом, так и в водонасыщенном состоянии, так как камера прибора герметична и сохраняет заданную плотность и влажность образцов.
2. Результаты определения вязкости в разработанном приборе позволяют прогнозировать значение вязкости грунтов при любых значениях скорости внедрения стержня, что важно при инженерных изысканиях для геотехнического строительства.
3. Конструкция прибора адаптирована для промышленного производства, так как основана на промышленном образце камеры трехосного прибора типа "Б" ГТ 2.3.6 производства ООО "НПП Теотек". Прочие элементы конструкции изготавливаются путем токарной обработки заготовок достаточной жесткости.