Стенд для моделирования процесса деформирования грунта уплотняющим веществом
BENCH FOR SIMULATING SOIL DEFORMATION PROCESS WITH A SEALANT

Техническое решение относится к исследованиям процесса деформации твёрдых сред и может быть использовано для моделирования процесса деформирования уплотняемого многослойного грунта под действием уплотняющего вещества, вытесняемого из скважины, разработки уплотняющих веществ, тестирования технологий упрочнения многослойных грунтов.
Известно устройство для моделирования процесса деформирования грунта вокруг расширяющейся скважиныпо патенту РФ № 2273891, кл.G09B 23/40, E02D1/00, E31C 39/00, опубл. 10.04.2006 г. Оно включает подстилающий слой из листовой вакуумной резины в виде круга и верхний слой из испытуемого материала, расположенные на диске, и устройство для нагружения подстилающего слоя. Подстилающий слой закреплен стягивающим обручем по периферии металлического диска с центральным отверстием, который снабжен проточкой с установленным в ней фторопластовым кольцом.  Устройство для нагружения подстилающего слоя состоит из цилиндрического стакана, металлической шайбы и стягивающего винта, расположенных в нижней части стакана. Подстилающий слой защемлен по центру между металлической шайбой и дном цилиндрического стакана с помощью стягивающего винта, а цилиндрический стакан установлен с возможностью перемещения по вертикали.
Общим у аналога с предлагаемым стендом является наличие испытуемого материала и механизма  его нагружения.
В этом устройстве деформация испытуемого материала происходит в основном под действием растягивающих усилий. При этом испытуемый материал не сжимается и, следовательно, не уплотняется. Поэтому его использование для моделирования процесса деформирования грунта уплотняемым веществом малоэффективно. Кроме этого, его нельзя использовать для изучения взаимодействия грунта с вытесняющим его уплотняющим веществом.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков являетсястенд для моделирования процесса деформирования грунта вокруг расширяющейся скважины попатенту РФ № 2660313, кл.G01N  3/10,G09B 23/40, опубл. 05.07.2018 г., включающий слой из испытуемого материала,расположенный на первом диске с центральным отверстием, и нагружающее устройство. На поверхности испытуемого материала уложен второй диск. Нагружающее устройство закреплено в центральном отверстии первого диска и выполнено с возможностью нагнетания уплотняющего веществав испытуемый материал.
Общим у прототипа с предлагаемым стендом является наличие испытуемого материала, двух плит (два диска - две плиты круглой формы), между которыми размещён испытуемый материал, имитирующего скважину отверстия, через которое нагнетают уплотняющее вещество в испытуемый материал,нагружающего устройства, закреплённого в отверстии и выполненного с возможностью нагнетания уплотняющего веществав испытуемый материал.
В этом стенде не предусмотрена возможность нагнетания  уплотняющего вещества в испытуемый материал в  динамическом режиме. На нём  неэффективно проводить исследования уплотнения многослойного материала, свойства которого отличаются в разных слоях, так как нагнетание уплотняющего вещества возможно лишь из одного места. Поэтому его использование длямоделирования процесса деформирования в окрестности скважины, пройденной в многослойном грунте с различными свойствами в разных слоях, и процесса вытеснения из скважины в многослойный грунт уплотняющего вещества малоэффективно.
Решаемая проблема заключается в повышении эффективности стенда за счёт возможности моделирования процесса деформирования грунта уплотняющим веществом через скважину, пройденную в многослойном грунте с различными свойствами в разных слоях, а также за счёт возможности моделирования процесса вытеснения уплотняющего вещества из скважины в многослойный грунт, в том числе ударными нагрузками.
Проблема решается тем, что в стенде для моделирования процесса деформирования грунта уплотняющим веществом,включающем две плиты, между которыми размещён испытуемый материал, выполненное в нем отверстие, в которомзакреплено нагружающее устройство, выполненное с возможностью нагнетания уплотняющего вещества в испытуемый материал, согласно техническому решению отверстие выполнено таким образом, что его ось параллельна примыкающим к испытуемому материалу поверхностям плит и равноудалена от каждойиз них, а испытуемый материал уложен в виде перпендикулярных отверстию полос и имеет различные свойства в разных полосах, при этом нагружающее устройство выполнено в виде заполненной уплотняющим веществом трубки с продольными прорезями и поршнем для  вытеснения уплотняющего вещества из трубки в испытуемый материал через её продольные прорези.
Такое техническое решение наиболее подобно моделирует протекающий в натурных условиях процесс деформирования грунта уплотняющим веществом, вытесняемым из скважины, пройденной через множество слоёв на глубину, исчисляемую десятками и даже сотнями метров, и используемую, например, для создания сваи, способной выдерживать большие нагрузки, что необходимо для возведения большегрузных мостов и высотных зданий. Выполнение отверстия таким образом, что его ось параллельна примыкающим к испытуемому материалу поверхностям плит и равноудалена от каждой из них, обеспечивает контакт отверстия по всей его длине с испытуемым материалом и, следовательно, доступ к нему не на одном (как в прототипе) а на множестве различных участках. Укладка испытуемого материала в виде перпендикулярных отверстию полос с различными свойствами в разных полосах позволяет использованием принципов подобия и создания эквивалентных материалов проводить моделирование процесса деформирования реального многослойного грунта.Выполнение  нагружающего устройства в виде заполненной уплотняющим веществом трубки с продольными прорезями и поршнем для  вытеснения уплотняющего вещества из трубки в испытуемый материал через её продольные прорези обеспечивает возможность моделировать процесс вытеснения уплотняющего вещества из скважины в многослойный грунт. В результате повышается эффективность стенда за счёт возможности моделирования процесса деформирования грунта уплотняющим веществом через скважину, пройденную в многослойном грунте с различными свойствами в разных слоях, и возможности моделирования процесса вытеснения уплотняющего вещества из скважины в многослойный грунт,в том числе ударными нагрузками.
Целесообразно отверстие выполнить вертикально. Благодаря этому на поршень можно воздействовать ударными нагрузками падающим грузом, например, разгоняемой в режиме свободного падения штангой, что обеспечивает возможность варьировать параметры нагрузки на испытуемый материал в больших пределах известными и наиболее простыми средствами, благодаря чему повышается эффективность стенда за счёт снижения стоимости и трудоёмкости его изготовления.
Целесообразнозону размещения испытуемого материала ограничить упругими пластинами, которые сориентировать параллельно отверстию и натянуть с заданным усилием. Это позволяет имитировать сопротивление грунта его деформации от внедрения в него уплотняющего вещества сопротивлением указанных пластин их распиранию испытуемым материалом, что позволяет уменьшать размеры зоны размещения испытуемого материала и, следовательно, размеры стенда и, тем самым, повысить эффективность стенда за счёт снижения его стоимости.
Целесообразно, по меньшей мере, одну плиту выполнить прозрачной, а стенд снабдить видеокамерой. Это позволяет проводить съёмку кинематики подвижных частей стенда и процесса деформирования испытуемого материала с последующим детальным их анализом, что повышает эффективность стенда за счёт получения относительно большого объёма информации известными и простыми способами.
Сущность технического решения поясняется примером стенда для моделирования процесса деформирования грунта уплотняющим веществом и чертежами фиг. 1, 2.
На фиг. 1 показана схема стенда для моделирования процесса деформирования грунта уплотняющим веществом, продольный разрез; на фиг. 2 – разрез А - А на фиг. 1.
Стенд (фиг. 1 и 2) включает две плиты 1 и 2, между которыми размещён испытуемый материал 3 (далее – материал 3),  выполненное в нем отверстие 4, в которомзакреплено нагружающее устройство с возможностью нагнетания уплотняющего вещества 5 (далее - вещество 5)  в материал 3. Отверстие 4 выполнено таким образом, что его ось параллельна примыкающим к материалу 3 поверхностям плит 1 и 2 и равноудалена от каждой из них.Материал 3 уложен в виде перпендикулярных отверстию 4 полос и имеет различные свойства в разных полосах.Нагружающее устройство выполнено в виде заполненной веществом 5 трубки 6 с продольными прорезями 7 (далее – прорези 7) и поршнем 8 для  вытеснения вещества 5 из трубки 6 в материал 3  через её прорези 7. Плиты 1 и 2 стянуты болтами 9 с гайками 10. Отверстие 4 целесообразно выполнить  вертикально.Зонаразмещения материала 3 может быть ограничена упругими пластинами 11 (далее пластины 11), которые ориентированы параллельно отверстию 4 и натянуты с заданным усилием. Трубка 6 жёстко скреплена с плитами 1 и 2 гайками 12, связанными с трубкой 6 резьбой 13. Целесообразно, по меньшей мере, одну  плиту 1 или 2 выполнить  прозрачной, а стенд снабдить видеокамерой (на фиг. 1 и 2 не показана). В трубку 6 введена штанга 14 с возможностью разгона её в режиме свободного падения и соударения с поршнем 8. Между пластинами 11 и материалом 3 размещены манжеты 15, которые исключают продавливание материала 3 через возможные зазоры между плитами 1, 2 и пластинами 11. Стенд может содержать механизм натяжения пластин 11, который состоит из втулки 16, на один конец которой надет стакан 17 с кольцевым выступом 18 (далее – выступ18), а на другой её конец навинчена гайка 19. При этом на втулку 16 надета пружина 20, которая с одной стороны упирается в выступ 18 стакана 17, а с другой – через шайбу 21 в гайку 19. На одном конце каждой из пластин  11 установлены заклёпки 22, а другой конец каждой из них скреплён со стаканом 17 болтом 23. Для удобства сборки стенда перпендикулярно отверстию 4 с обоих торцов плит 1 и 2 установлены пластины 24 с отверстиями (на фиг. 1 и 2 не обозначены) под трубку 6, пластины 11 и втулки 16.  Для возможности извлечения поршня 8 из трубки 6 без разбора всего стенда на конце трубки 6, свободном от штанги 14, установлена съёмная заглушка в виде стакана 25, скреплённого с трубкой 6 резьбовым соединением 26.
Работа стенда осуществляется следующим образом.
Одну из плит (например, плиту 2) устанавливают в горизонтальное положение и к её торцам, перпендикулярным отверстию 4, приставляют пластины 24, с помощью которых на поверхность указанной плиты 2 укладывают (см. фиг. 2) трубку 6, заполненную веществом 5, пластины 11 и манжеты 15. Затем в зоне, ограниченной трубкой 6, манжетами 15 и пластинами 24, укладывают материал 3 полосами, перпендикулярными отверстию 4, и толщиной (см. фиг. 2), обусловленной размерами манжет 15 (их шириной). Свойства материала 3 в каждой полосе подбирают (предварительно) таким образом, чтобы они были эквивалентными соответствующему слою моделируемого грунта. Далее на поверхность материала 3 укладывают другую плиту (в данном случае плиту 1). В результате между плитами 1 и 2 оказываются материал 3, трубка 6 с веществом 5, пластины 11 и манжеты 15. Отметим, что прорези 7 трубки 6 ориентируют с возможностью вытеснения через них вещества 5 из трубки 6 в материал 3. После этого плиты 1 и 2 стягивают болтами 9 с гайками 10. Трубку 6 скрепляют с плитами 1 и 2 гайками 12 через пластины 24. Величиной сжатия пружины 20 гайками 19 задают требуемое усилие натяжения пластин 11. Стакан 25 можно установить предварительно. Затем стенд устанавливают в положение, при котором отверстие 4 оказывается вертикальным. В трубку 6 вводят поршень 8, после чего вставляют штангу 14, которую разгоняют в режиме свободного падения. Под действием ударов падающей штанги 14 поршень 8 перемещается вниз вдоль трубки 6 и вытесняет из неё вещество 5 в материал 3 через её прорези 7. В результате расширяется зона, занятая веществом 5, а материал 3 деформируется, т.е.  моделируется процесс деформирования грунта уплотняющим веществом, вытесняемым из скважины. Кинематику подвижных частей стенда и процесс взаимодействия вещества 5 и материала 3 снимают видеокамерой и далее детально анализируют с целью выявления ранее неизвестных закономерностей.
Важной особенностью стенда является возможность многократного заполнения трубки 6 до различного уровня  веществом 5, а также возможность в разных режимах вытеснять вещество 5 в материал 3 соответствующим воздействием на поршень 8.  Отметим, что поршень 8 предполагается извлекать из трубки 6 после каждого раза вытеснения из неё вещества 5, для чего с неё свинчивают стакан 25.  Благодаря указанной особенности стенда становится возможным моделирование селективного уплотнения различных прилегающих к скважине участков, что способствует нахождению оптимальных решений, позволяющих возводить  фундаменты, обеспечивающие требуемые нагрузки, с наименьшей стоимостью.