ПРИБОР ТРЕХОСНОГО СЖАТИЯ

Область техники
Техническое решение относится к области строительства и предназначено для определения механических свойств строительных и дорожных материалов, в том числе и грунтов, в условиях сложного напряженно-деформированного состояния.
Уровень техники
Аналогом данного технического решения является «Устройство для испытания образцов в условиях трехосного сжатия» (авторское свидетельство №520533 от 15.11.1973, автор Коган Е.А., МПК G01N 3/10, опубликовано 05.07.76), содержащее корпус, расположенные в нем эластичные мембраны, образующие замкнутый объем для размещения испытуемого образца, и источники давления, передающие нагрузку на мембраны, отличающееся тем, что, с целью обеспечения равномерной нагрузки по всей площади граней образца, оно снабжено попарно соосными нагрузочными плитами, имеющими каждая на торце по периметру выступ, на котором закреплена эластичная мембрана, и гидравлическими домкратами, поршни которых соосны нагрузочным плитам, полости гидравлически связаны с полостями, образованными нагрузочными плитами и мембранами, а рабочие площади нагрузочных плит и соосных им поршней домкратов равны между собой и равны площадям граней испытуемого образца, прилегающих к соответствующим нагрузочным плитам.
Недостатком аналога является низкая производительность проведения испытаний образцов грунта, так как требуется значительное время на разборку прибора и установку в него образца материала. Кроме того, в данном устройстве невозможно провести испытания с измерением порового давления внутри испытуемого образца из-за не герметичности корпуса. Наличие жестких выступов в нагрузочных плитах при их взаимно перпендикулярном перемещении приводит к их замыканию в углах образца и ограничению тем самым его деформации, что исключает применимость данного устройства при больших деформациях.
Следующим аналогом заявляемого технического решения является «Прибор для исследования свойств грунтов в условиях трехосного сжатия» (авторское свидетельство №1280082 от 20.02.1985, автор Зайцев В.А., МПК G01N 3/10, опубликовано 30.12.1986), включающий раму с нагрузочными устройствами, корпус, выполненный из отдельных блоков в форме усеченных четырехгранных пирамид, образующих обращенными другу к другу малыми основаниями изолированное кубическое пространство с элементами эластичной оболочки и измерительные приспособления, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерений, каждый блок выполнен в виде опорной плиты, подвижно установленных на ней средних и угловых элементов и неподвижно закрепленного центрального элемента, и перекрывающих пластин, расположенных на малом основании блока и неподвижно закрепленных на центральном и средних элементах, а элементы эластичной оболочки выполнены предварительно напряженными с внутренней полостью по размеру малого основания блока, заполненной жидкостью, при этом средние элементы каждого блока подвижно соединены с центральным и угловыми элементами и неподвижно - со средними элементами соседних блоков.
Недостатком аналога является низкая производительность проведения испытаний образцов грунта, так как требуется значительное время на разборку прибора, установку в него образца грунта и перемещение блоков корпуса до соприкосновения с гранями исследуемого образца. Кроме того, в данном устройстве невозможно провести испытания с измерением порового давления внутри испытуемого образца из-за не герметичности кубического пространства для образца исследуемого грунта.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого технического решения является «Прибор для исследования свойств грунтов в условиях трехосного сжатия» (авторское свидетельство СССР на изобретение №700838, заявитель Московский ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительный институт им. В.В.Куйбышева, авторы З.Г.Тер-Мартиросян, Д.М.Ахпателов, Ю.С.Григорьев, В.А.Тищенко, МПК G01N 33/24, G01N 3/10, опубликовано 30.01.1979), включающий корпус с основанием, крышкой и боковыми стенками, размещенными в нем рабочей камерой с эластичной оболочкой и камерами давления, связанными с нагрузочными и измерительными приспособлениями, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и снижения трудоемкости производства работ, корпус снабжен имеющими внутренние проточки эластичными прокладками и четырехугольной опорной рамой с винтами, пропущенными по углам опорной рамы, причем каждая камера давления образована проточкой эластичной прокладки и стенкой рабочей камеры, а винты оперты на боковые стенки корпуса, которые в свою очередь шарнирно соединены с основанием.
Недостатком прототипа является трудоемкость подготовки прибора к испытаниям и размещения образца грунта в рабочую камеру, невозможность прямого измерения осевых деформаций образца грунта.
Объяснение недостатков прототипа.
1. В прототипе для размещения образца грунта в приборе необходимо открутить четыре силовых винта, снять крышку, откинуть четыре боковые стенки с закрепленными на них камерами давления с эластичными оболочками и только после этого поставить образец грунта на основание. При больших размерах образца грунта, например, при исследовании механических свойств гравелистых, щебеночных и крупнообломочных грунтов, глинистых грунтов с включениями, размер образца материала принимается не менее 300х300х300 мм. Вес подобных образцов грунта составляет не менее G=V×γ=0,3×0,3×0,3×22,0=0,594 кН. Поставить данный образец грунта вручную весом 54 кг или более на основание прибора прототипа является трудоемкой операцией. Кроме того при испытании песчаных, гравелистых и крупнообломочных грунтов невозможно, вследствие их сыпучести, сохранить форму и структуру образца при его перемещении с места подготовки на основание прибора. В тоже время подготовить образец связного или сыпучего грунта с заданной плотностью, влажностью и правильными геометрическими размерами непосредственно в рабочей камере прибора невозможно из-за деформации эластичных оболочек при формировании образца грунта.
2. После размещения образца грунта на основании необходимо выполнить сборку прибора в обратной последовательности - поднять четыре боковые стенки с закрепленными на них камерами давления с эластичными оболочками, поставить и закрепить крышку, закрутить четыре силовых винта. В совокупности эти операции увеличивают время на подготовку прибора к испытаниям и снижают тем самым его производительность.
3. Прибор не обеспечивает измерение величины деформации образца по направлению его трех взаимно перпендикулярных осей прямым способом без измерения объема жидкости, подаваемые в камеры давления.
Сущность технического решения
Известен прибор для трехосных испытаний грунтов, включающий корпус с основанием, крышкой и боковыми стенками, размещенными в нем рабочей камерой с эластичной оболочкой и камерами давления, связанными с нагрузочными и измерительными приспособлениями, четырехугольной опорной рамы.
Цель данного технического решения - снижение трудоемкости подготовки прибора к испытаниям, повышение производительности испытаний и измерение осевой деформации образца.
Поставленная цель достигается тем, что прибор имеет две платформы. Первая платформа перемещается вертикально при помощи четырех пневмо-цилиндров двойного действия, закрепленных на раме. Вторая платформа имеет возможность перемещаться горизонтально и затем вертикально на первой платформе.
На второй платформе установлено основание с формой. Камера давления в основании заполнена жидкостью.
Образец материала изготавливается в форме с заданными физическими свойствами. Далее образец в форме на основании перемещается на второй платформе горизонтально на первую платформу.
Первая и вторая платформы, основание и образец материала в форме перемещаются вертикально вверх до упора основания в неразъемные боковые стенки. После чего основание крепится гайками к боковым стенкам.
Форма выдергивается вертикально вверх из рабочей камеры прибора с использованием пневмо-цилиндров.
Устанавливается и закрепляется крышка, камеры давления заполняются жидкостью, подключаются нагрузочные и измерительные приспособлениями и, проводится испытание материала.
Измерение осевой деформации по каждой из трех осей координат выполняется с использованием датчиков перемещения, которые встроены в камеры давления.
Перечень фигур, чертежей и иных материалов
На фиг.1 изображена конструкция четырехугольной рамки.
На фиг.2 изображена конструкция прибора трехосного сжатия с образцом грунта в форме на платформе перед его вертикальным перемещением.
На фиг.3 изображена конструкция прибора трехосного сжатия после вертикального перемещения образца материала в рабочую камеру прибора с поднятой крышкой.
На фиг.4 изображена конструкция прибора трехосного сжатия в момент выдергивания формы из прибора.
На фиг.5 изображена аксонометрия прибора трехосного сжатия с образцом грунта в форме на платформе после его изготовления.
На фиг.6 изображена аксонометрия прибора трехосного сжатия после перемещения образца грунта в корпус прибора с поднятой верхней крышкой.
Пример реализации технического решения
На фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4 прибор трехосного сжатия содержит раму 1, на которой закреплен корпус, состоящий из четырехугольной рамки 2 с резьбовыми шпильками 3, основания 4, четырех боковых стенок 5 и крышки 6, соединяемых между собой на резьбовых шпильках 3 и закрепляемых гайками 7. Основание, четыре боковые стенки и крышка имеют камеру давления 8 с эластичной оболочкой 9, штуцеры 10 и датчики линейных перемещений 11. В одном из углов четырехугольной рамки на разной высоте сделаны два канала 12, в которые вводятся измерительная и нагнетательная трубки 13, соответственно, имеющие штуцеры 14.
Четыре пневмоцилиндра двойного действия 15 закреплены вертикально на раме 1, причем нижние штоки 16 пневмоцилиндров 15 закреплены к вертикально перемещаемой платформе 17, на которую перемещается платформа 18. Платформа 17 имеет два упора 19. Верхние штоки 20 пневмоцилиндров 15 присоединены к прямоугольной траверсе 21, а сама траверса соединена жестко четырьмя шпильками 22 с крышкой 6. Крышка имеет четыре захвата 23.
Для изготовления образца грунта 24 используется съемная форма 25 с проушинами 26.
Прибор трехосного сжатия работает следующим образом.
1. Платформу 18 перемещают до упоров 19 на платформу 17, а затем, включив пневмоцилиндры 15, поднимают их до упора в основание корпуса 4.
2. Открутив гайки 7 на корпусе со стороны основания 4 и включив пневмоцилиндры 15, опускают платформы 18, 17 до основания рамы 1.
3. Перемещают горизонтально платформу 18 с основанием 4 на место изготовления образца грунта 24.
4. На основание 4 устанавливают разъемную форму 25 и изготавливают с заданной плотностью и влажностью образец грунта 24. Перед изготовлением образца грунта внутренние стенки формы покрывают смазкой для уменьшения адгезии. Для сохранения плоской нижней грани изготавливаемого образца грунта в камеру давления основания 4 подается жидкость до ее полного заполнения.
5. Платформу 18 перемещают обратно горизонтально до упоров 19 на платформу 17.
6. Откручивают гайки 7 со стороны крышки 6.
7. Включив пневмоцилиндры 15, поднимают крышку 6, платформы 17, 18, основание 4 и форму 25 с образцом грунта 24 до упора основания 4 в корпус. Закрепляют основание 4 гайками 7 на шпильках 3.
8. Включив пневмоцилиндры 15, опускают крышку 6 до тех пор, пока захваты 23 не войдут в проушины 26 формы 25.
9. Включив пневмоцилиндры 15, поднимают крышку 6 и выдергивают форму 25 из корпуса прибора.
10. Освобождают захваты 23 и снимают форму 25.
11. Включив пневмоцилиндры 15, опускают крышку 6 до упора в корпус и закрепляют гайками 7 на шпильках 3.
12. Через каналы 12 в образец грунта вводится сверло, и выполняются цилиндрические отверстия диаметром, равным диаметру измерительной и нагнетательной 13 трубок и длиной до центра образца.
13. Через каналы 12 в сделанные отверстия вводятся измерительная и нагнетательная трубки 13, которые фиксируются резьбой и уплотнением на рамке 2. К трубкам 13 присоединяются штуцеры 14.
14. К штуцерам 10, 14 и датчикам перемещения 11 присоединяются нагрузочные и измерительные устройства.
15. По программе испытаний, используя штуцеры 10, подают давление жидкости на эластичные оболочки 9 и, используя датчики перемещения 11, измеряют деформацию образца грунта по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Поровое давление внутри образца измеряется датчиком давления, который подключается к измерительной трубке. Обратное давление внутри образца создается гидравлическим нагнетателем через нагнетательную трубку и контролируется датчиком давления.
Промышленная применимость
Использование данного технического решения позволяет снизить трудоемкость и повысить производительность испытаний образцов материалов в условиях трехосного сжатия.
Список литературы
1. Авторское свидетельство №520533 от 05.07.1976. Автор: Коган Е.А.
2. Авторское свидетельство №1280082 от 30.12.1986. Автор: Зайцев В.А.
3. Авторское свидетельство №700838 от 30.11.1979. Авторы: З.Г.Тер-Мартиросян, Д.М.Ахпателов, Ю.С.Григорьев, В.А.Тищенко (Прототип).