УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ГРУНТА ОТНОСИТЕЛЬНО ПОВЕРХНОСТИ БЕТОННОЙ КОНСТРУКЦИИ
DEVICE FOR MEASURING SHEAR DEFORMATIONS OF SOIL RELATIVE TO SURFACE OF CONCRETE STRUCTURE

Изобретение относится к строительству, а именно к устройствам для измерения деформаций грунтов.
Известно устройство для измерения деформаций грунтов, содержащее полую стойку, чувствительный элемент, предназначенный для восприятия сдвигающих усилий при смещении грунта, и регистрирующее устройство, включающее измерительную часть, предназначенную для измерения изменения положения чувствительного элемента под действием сдвигающих усилий при смещении грунта, и соединенную с ней регистрирующую аппаратуру, предназначенную для преобразования изменения положения чувствительного элемента под действием сдвигающих усилий в величину смещения грунтов, чувствительный элемент выполнен в виде стержня с коническим наконечником и установлен в полой стойке, при этом чувствительный элемент снабжен фиксатором, предназначенным для удержания стержня в вертикальном положении после погружения стойки с чувствительным элементом в скважине и установленным на стержне с возможностью перемещения его вдоль стержня и с возможностью обеспечения свободного отклонения стержня от первоначального положения под действием сдвигающих усилий грунта, измерительная часть регистрирующего устройства представляет собой горизонтальную пластину с установленными на ней измерительными датчиками для измерения углов наклона стержня относительно оси скважины, при этом горизонтальная пластина регистрирующего устройства укреплена на стержне чувствительного элемента над фиксатором чувствительного элемента (Патент РФ №2529214, МПК E02D 1/02, 2014, №27).
Недостатками известного устройства являются:
- невозможность измерения сдвиговых деформаций грунта вблизи строительной конструкции и в непосредственном контакте с ней, которые нужны для расчетов трения грунта на контакте со стеной (1. Руководство по проектированию подпорных стен и стен подвалов для промышленного и гражданского строительства/ ЦНИИПромзданий Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1984. - 117 с.; 2. Далматов Б.И., Бронин В.Н., Голли А.В. Проектирование фундаментов зданий и подземных сооружений. Учеб. пособие / Под ред. Б.И. Далматова, 2-е изд. - М.: Изд-во АСВ; СПб.: СПбГАСУ, 2001. - 440 с.];
- низкая точность измерения перемещений марок из-за большого плеча стержня чувствительного элемента, по отношению к плечам точек измерения перемещений датчиками на горизонтальной пластине;
- низкая достоверность результатов измерений смещений грунта вследствие дрейфа концов их измерительных стержней на поверхности горизонтальной пластины;
- не обеспечивается надежность установки фиксатора, удерживающего чувствительный элемент в заданном положении на поверхности земли.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство для измерения деформаций грунтов, содержащее полый репер, гибкий шнур с маркой на конце, трубку со сквозной прорезью и размещенную внутри нее втулку, трубка установлена на внешней поверхности репера возле сквозного паза, выполненного в стенке репера и идентичного сквозной прорези в трубке, устройство также снабжено полым измерительным стержнем, расположенным внутри репера и нижним концом, жестко связанным со стержнем с пластиной на конце, проходящим через отверстие во втулке, а гибкий шнур проходит через отверстие во втулке и измерительный стержень (Патент РФ №2164979, МПК E02D 1/00, 2001, №10 - прототип).
Недостатками известного устройства являются:
- невозможность измерения сдвиговых деформаций грунта вблизи строительной конструкции и в непосредственном контакте с ней, которые нужны для расчетов трения грунта на контакте со стеной [1) Руководство по проектированию подпорных стен и стен подвалов для промышленного и гражданского строительства / ЦНИИПромзданий Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1984. - 117 с.; 2) Далматов Б.И., Бронин В.Н., Голли А.В. Проектирование фундаментов зданий и подземных сооружений. Учеб. пособие / Под ред. Б.И. Далматова, 2-е изд. - М.: Изд-во АСВ; СПб.: СПбГАСУ, 2001. - 440 с.];
- низкая точность измерения перемещений марок из-за связи их с измерительной частью гибким шнуром и неустойчивого консольного размещения измерительного стержня в репере на чувствительном стержне;
- низкая достоверность результатов измерений смещений грунта вследствие сопротивления перемещению гибкого шнура в месте изгиба полого измерительного стержня;
- дополнительные трудозатраты по установке трубки на внешней стороне репера и проходки для этого дополнительного шурфа, нарушающего устоявшееся сложение грунта и снижающего достоверность результатов;
- дополнительные трудозатраты на гидроизоляцию репера;
- невозможность использования на больших глубинах.
Задача изобретения - обеспечение возможности измерений сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности бетонной конструкции.
Технический результат изобретения - повышение точности и достоверности результатов измерений сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности бетонной конструкции.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности бетонной конструкции, включающем репер в виде трубы с боковым продольным сквозным пазом, чувствительный элемент, соединенный с передаточным стержнем, втулку, измеритель линейных перемещений, согласно изобретению для обеспечения осевого перемещения передаточный стержень размещен во втулках, одна из которых выполнена в виде съемной крышки, а другая неподвижно установлена во внутренней полости репера над боковым продольным сквозным пазом, и в нижней части шарнирно соединен по своей оси с чувствительным элементом в его средней части, а верхняя часть передаточного стержня снабжена измерителем линейных перемещений, при этом чувствительный элемент одним концом шарнирно соединен с репером, а другим концом вставлен в боковой продольный сквозной паз репера, для обеспечения возможности его перемещения в грунт за наружную поверхность репера не менее 15 мм в исходном положении, перпендикулярном оси передаточного стержня, или для частичного выхода из грунта в повернутом положении, или для полного вхождения в полость репера через боковой продольный сквозной паз в крайнем повернутом положении.
Новизна заявляемого технического решения состоит в том, что чувствительный элемент в исходном положении выступает в грунт за наружную поверхность репера, а в повернутом положении выходит из грунта, действуя через передаточный стержень на измеритель линейных перемещений, а также в том, что оно может применяться для прямого измерения сдвиговой деформации грунта любой заданной ориентации на поверхности бетонной конструкции, что повышает точность и достоверность измерения сдвиговых деформаций.
Таким образом, совокупность указанных отличительных признаков является сущностью изобретения, обеспечивающей его новизну, изобретательский уровень и промышленную применяемость.
Заявляемое устройство для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности бетонной конструкции и пояснения к его работе схематично изображены на: фиг. 1 - общий вид в разрезе устройства для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности бетонной конструкции; фиг. 2 - тоже вид сверху в сечении А-А; фиг. 3 - детализация установки чувствительно элемента (вид I) устройства для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности бетонной конструкции; фиг. 4 - вид сбоку (вид Б) устройства для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности бетонной конструкции.
Устройство для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности бетонной конструкции состоит из репера 1 в виде трубы с боковым продольным сквозным пазом 2, чувствительного элемента 3, передаточного стержня 4 и измерителя 5 линейных перемещений.
Чувствительный элемент 3 шарнирно соединен с передаточным стержнем 4 шарниром 6 на оси передаточного стержня, на верхней части которого установлен измеритель линейных перемещений 5. Один конец чувствительного элемента 3 соединен с репером 1 шарниром 7, а другой конец чувствительного элемента 3 вставлен в боковой продольный сквозной паз 2 и в исходном положении, перпендикулярном оси передаточного стержня, выступает в грунт за наружную поверхность репера не менее, чем на 15 мм, а в повернутом положении частично выходит из грунта, а в крайнем повернутом положении полностью входит в полость репера 1 через боковой продольный сквозной паз.
Передаточный стержень 4 размещен с возможностью осевого перемещения во втулках 8 и 9. Втулка 8 неподвижно установлена во внутренней полости репера 1 над боковым продольным сквозным пазом 2, а втулка 9 выполнена в виде съемной крышки.
Ось шарнира 6 имеет возможность перемещаться в боковом продольном сквозном пазе 10, выполненном в чувствительном элементе 3.
Нижняя часть репера 1 закрыта неподвижным дном 11.
Измеритель 5 линейных перемещений выполнен в виде датчика перемещений, способного преобразовать перемещения передаточного стержня 4 в сигналы для автоматической регистрации.
Устройство для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности бетонной конструкции работает следующим образом.
Устройство для измерения сдвиговых деформаций грунта относительно поверхности бетонной конструкции устанавливают в горной выработке (скважине, шурфе или котловане), пройденной в грунтовом массиве, прижимают боковым вертикальным пазом 2 к стенке горной выработки, жестко крепят его к арматуре строительной конструкции и производят бетонирование строительной конструкции.
Перед спуском устройства в горную выработку передаточный стержень 4 поднимают и фиксируют в крайнем повернутом положении, при котором свободный конец чувствительного элемента 3 находится внутри репера 1 (фиг. 3), и заклеивают боковой продольный сквозной паз 2 легко прорываемым материалом, например, тонкой фольгой, для предотвращения попадания грунта и бетона в полость репера 1.
Длину репера 1 принимают в зависимости от положения точки измерения относительно заданной точки конструкции. После бетонирования строительной конструкции передаточный стержень 4 опускают в исходное положение. При этом чувствительный элемент 3 поворачивается относительно шарнира 7 вдоль вертикального сквозного паза 2, а его свободный конец прорезает защитную пленку, проделывает в стенке горной выработки канавку, опускается до упора в дно 11 и занимает исходное положение, выступая в грунт за наружную поверхность репера 1 не менее, чем на 15 мм.
На репере 1 устанавливают измеритель 5 линейных перемещений и подводят его до контакта с передаточным стержнем 4.
При перемещении грунта относительно бетонной конструкции (или бетонной конструкции относительно грунта) вдоль оси репера 1 свободный конец чувствительного элемента 3 остается в грунтовом массиве на прежнем месте. При этом чувствительный элемент 3 поворачивается относительно шарнира 7 и через шарнирное соединение 6 поднимает передаточный стержень 4. Перемещение передаточного стержня 4 относительно репера 1 отслеживается измерителем 5 линейных перемещений. При этом величина сдвиговой деформации грунта относительно поверхности бетонной конструкции вдоль оси репера определяется по формуле
где S и х - соответственно сдвиговая деформация грунта относительно боковой поверхности бетонной конструкции и перемещение измерительного стержня, мм;
L - расстояние от оси шарнирного соединения 7 чувствительного элемента 3 с репером 1 до наружной поверхности репера, мм;
l - расстояние от оси шарнирного соединения 7 чувствительного элемента с репером до оси передаточного стержня 6, мм.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет измерять сдвиговые деформации грунта относительно боковой поверхности бетонной конструкции в непосредственном контакте с ней и с более высокой точностью и достоверностью, чем в известных устройствах.
Сдвиговые деформации грунта относительно боковой поверхности бетонной конструкции дают граничные условия для ее расчета, поэтому их непосредственное измерение позволяет повысить достоверность расчета конструкции по грунту. Измерение сдвиговых деформаций грунта относительно боковой поверхности бетонной конструкции позволяет осуществлять контроль взаимодействия конструкции с грунтом при изысканиях для строительства с использованием пробных свай и штампов, в ходе возведения конструкции и в процессе ее эксплуатации.
Заявляемое устройство технически проще известных устройств, легко осуществимо, требует простой настройки, поэтому может массово использоваться в бетонных конструкциях: фундаментах, сваях, стенах подземных сооружений, подпорных стенах, в т.ч. находящихся в обводненных грунтах. Оно может использоваться при испытании конструкции, при ее сооружении и при мониторинге ее состояния в процессе эксплуатации.
Большое значение имеют измерения сдвиговых деформаций грунта относительно боковой поверхности бетонной сваи для расчетов сопротивления грунта перемещению сваи.