ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ГРУНТА
INSTRUMENT FOR DETERMINING DEFORMATION AND STRENGTH PROPERTIES OF SOIL

Изобретение относится к строительству, и, в частности, к устройствам для определения деформационно-прочностных свойств органических и органо-минеральных грунтов.
Известен прибор прямого плоскостного среза, включающий рабочее кольцо, разрезанное по горизонтальной плоскости, перфорированное днище и поршень, механизмы для вертикального и горизонтального нагружения, устройства для измерения деформаций образца (ГОСТ 122248-2010. Грунты. Методы определения характеристик прочности и деформируемости, - МНТКС, 2011 - аналог).
Недостатками прибора являются: погрешности, возникающие в результатах испытаний, из-за сил трения между подвижными и неподвижными частями срезной коробки, необходимость использования специального прибора для предварительного уплотнения образцов, перенос которых в сдвиговой прибор вносит дополнительные погрешности в измерения и др.
Известен прибор для определения показателя прочности грунтов CBR - California Bearing Ratio (ASTM D 1883 - 07 Standard Test Method for CBR of Laboratory-Compacted Soils, 2007 - аналог).
Прибор состоит из цилиндрической формы для образца, штампа с отверстием по центру, поршня, проходящего через это отверстие, механизма нагружения. Образец испытуемого грунта помещается в форму, на его поверхности размещают штамп и поршень, на штамп устанавливают грузы и с помощью механизма нагружения в образец вдавливают поршень на заданную глубину. Показатель CBR вычисляют как отношение усилия, необходимого для погружения поршня в испытуемый грунт к усилию, необходимому для погружения поршня в эталонный материал (обычно известняк).
Недостатком прибора и метода является невозможность определения характеристик сжимаемости и прочности фунтов, используемых в практике проектирования, в частности модуля деформации, угла внутреннего трения, удельного сцепления.
Известен стержневой штамп для полевых испытаний грунта (патент РФ №2310039, МПК E02D 1/00, 2007 - аналог). По величине усилия, необходимого для вдавливания штампа, определяют модуль деформации, угол внутреннего трения и удельное сцепление грунтов.
Недостатком устройства является невозможность определения характеристик грунта в условиях консолидированно-дренированного состояния и необходимость градуировки прибора для грунтов различного генезиса, вида и состояния.
Известны универсальные приборы трехосного сжатия для определения деформационных и прочностных характеристик грунтов - стабилометры (Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов. Состояние вопроса / Г.Г. Болдырев. - Пенза: ПТУ АС, 2008. - стр. 335-353 - аналоги). Они отличаются сложностью конструкции, а значит, высокой стоимостью. Кроме того, эти устройства не позволяют испытывать сильносжимаемые грунты, например торфы, деформации которых под нагрузкой могут достигать 50...60% от первоначальной высоты образца. Ход поршня стабилометров на такие перемещения обычно не рассчитан. Кроме того, при испытаниях торфа и заторфованных грунтов на сжимаемость, стабилизация осадки наступает через несколько недель и даже месяцев (Невзоров А.Л. Город на болоте / А.Л. Невзоров, А.В. Никитин, А.В. Заручевных - Архангельск, изд-во САФУ, 2012. - 150 стр.). Это делает невозможным использование дорогостоящих и сложных по конструкции приборов для таких грунтов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является прибор для компрессионных испытаний грунтов, включающий основание, рабочие кольца различного диаметра для образцов грунта, верхние и нижние перфорированные штампы, средства для создания вертикальной разгрузки и измерители деформации, емкость для заливки воды (Патент РФ №2045756, МПК G01N 3/00, E02D 1/00, 1995 - прототип).
Прибор имеет ограниченные возможности, поскольку позволяет определять только характеристики сжимаемости грунта. Для определения прочностных свойств используется другой прибор, например, прямого плоскостного среза.
Задачей изобретения является расширение возможностей прибора, с целью определения деформационных и прочностных свойств органических и органо-минеральных грунтов. Это достигается тем, что прибор, включающий гильзу для образца грунта, перфорированные днище и поршень и механизм нагружения поршня дополнительно снабжен плоским круглым штампом, расположенным в цилиндрической выемке, устроенной на поверхности поршня, контактирующей с образцом. Центр штампа может быть смещен относительно оси прибора или совпадать с ней. Усилие к штампу прикладывается с помощью второго механизма нагружения.
Конструкция прибора поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан разрез прибора в исходном состоянии, на фиг. 2 - разрез прибора после завершения этапа компрессионного загружения, на фиг. 3 - разрез прибора после достижения под штампом предельного давления, на фиг. 4, 5 - графики зависимости предельного давления от угла внутреннего трения φ и удельного сцепления с, на фиг. 6 - определение прочностных характеристик образца по результатам испытаний.
Прибор содержит гильзу 1, перфорированное днище 2, через которое дренируется поровая влага, камеру с водой 3 со сливным отверстием 4, перфорированный поршень 5, усилие на который создается механизмом нагружения 6 через центрирующий шарик 7, штамп 8, усилие к которому прикладывается с помощью второго механизма нагружения 9 через центрирующий шарик 10.
Работает устройство следующим образом.
На первом этапе испытаний проводится компрессионное сжатие образца (фиг. 2). С помощью механизма нагружения 6 на поршень 5 создается усилие и выполняются замеры деформаций образца (устройство для измерения деформаций не показано). Штамп, размещенный в выемке на нижней поверхности поршня, перемещается вместе с ним. По результатам испытаний на первом этапе определяют модуль деформации и коэффициент консолидации грунта.
После завершения компрессионных испытаний включается второй механизм нагружения 9 и штамп 8 начинает вдавливаться в образец грунта (см. фиг. 3). При этом давление под поршнем 5 с помощью механизма нагружения 6 поддерживается неизменным, при этом положение поршня не зафиксировано, он может перемещаться вверх или вниз. Нагрузка на штамп постепенно увеличивается до достижения предельного значения. Этот момент определяется по графику зависимости осадки штампа от давления под ним. Давление, называемое предельным, соответствует переходу грунта в третью фазу напряженного состояния - фазу выпора (Мангушев Р.А. Механика грунтов / Р.А. Мангушев, В.Д. Карлов, И.И. Сахаров - АСВ, 2009. - стр. 115-117).
Для определения угла внутреннего трения и удельного сцепления требуется выполнить испытания, как минимум, двух образцов при различных значениях нагрузки под поршнем. Предварительно выполняется численное моделирование работы прибора, например, с помощью конечноэлементного вычислительного комплекса Plaxis.
1
2
По данным моделирования при заданных значениях давления под поршнем, например, q и q, строятся графики предельного давления в зависимости от комбинации значений угла внутреннего трения φ и удельного сцепления с (фиг. 4, 5).
1
4
2
5
Если испытания первого образца показали, что при давлении под поршнем q предельное давление составило, например, р, а при испытаниях второго при давлении под поршнем q предельное давление составило р, то значения φ и с можно определить по пересечению соответствующих графиков (фиг. 6).
Предлагаемый прибор позволяет определять как деформационные, так и прочностные свойства органических и органо-минеральных грунтов. В зависимости от продолжительности проведения компрессионного сжатия, прочностные характеристики можно определять в условиях консолидированно-дренированных и неконсолидированно-недренированных испытаний. Определение характеристик грунта по результатам численного моделирования лабораторных экспериментов позволяет учесть все факторы, влияющие на результаты измерений, а значит, повысить точность определения свойств.