ПРИБОР ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ШАРИКОВЫМ ШТАМПОМ
DEVICE FOR FROZEN SOIL TESTING WITH BALL STAMP

Область техники
Техническое решение относится к области строительства и предназначено для определения механических свойств мерзлых грунтов в лабораторных условиях.
Уровень техники
Аналогом данного предлагаемого изобретения является УСТАНОВКА ДЛЯ КОМПРЕССИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ГРУНТА (патент RU 2245963 С1 на изобретение, заявка 2003132591/09 от 06.11.2003, МПК E02D 1/00, опубликовано 10.02.2005, патентообладатель Открытое акционерное общество по инженерно-строительным изысканиям «Стройизыскания» (RU), авторы Писаненко В.П., Гоголев B.C., Лавров С.П., Котова Т.В.), содержащая упорные конструкции, включающие несущую плиту, соединенную с помощью опорных стоек с основанием, на котором смонтирован механизм осевого нагружения образца грунта, а также силоизмерительную конструкцию, выполненную в виде оснащенной измерительными средствами рамы, образованной двумя продольными тягами и двумя поперечными балками, верхняя из которых имеет опорную часть для восприятия измеряемых усилий, отличающаяся тем, что поперечное сечение верхней балки по оси симметрии установки выполнено в форме горизонтального двутаврового профиля, на рабочих полках которого размещены измерительные средства, представляющие собой тензометрические датчики, а на стенке - опорная часть для восприятия измеряемых усилий.
Недостатками аналога являются отсутствие возможности испытаний мерзлого грунта шариковым штампом, автоматизации и низкая производительность измерений.
Другим аналогом данного технического решения является СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛИТЕЛЬНОГО СЦЕПЛЕНИЯ МЕРЗЛОГО ГРУНТА (авторское свидетельство SU 1561032 А1 на изобретение, заявка 4326256 от 09.11.1987, МПК G01N 33/24, опубликовано 30.04.1990, правообладатель Московский инженерно-строительный институт им. В.В.Куйбышева, авторы Ухов С.Б., Монастырский А.Е., Королев М.В.), включающий установку на поверхность образца грунта при заданной температуре шарового штампа, приложение к штампу сжимающей нагрузки, измерение осадки образца во времени и определение длительного сцепления по измеренным данным, отличающийся тем, что с целью повышения точности и снижения трудоемкости путем определения длительного сцепления мерзлого грунта при разных температурах на одном образце приложение нагрузки на штамп осуществляют через жесткий упругий элемент, а в процессе нагружения дополнительно измеряют изменение нагрузки во времени до ее стабилизации, после чего температуру образца ступенчато повышают, не изменяя место установки штампа, причем на каждой ступени температуры производят измерение осадки образца и изменения нагрузки во времени до их стабилизации и по этим стабилизированным величинам определяют длительное сцепление мерзлого грунта при разных температурах.
Недостатком данного аналога является невозможность автоматизированного приложения нагрузки и измерения деформации, что снижает его производительность.
Следующим аналогом является шариковый прибор (Руководство по определению физических, теплофизических и механических характеристик мерзлых грунтов, издательство Москва, 1973, Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве ГОССТРОЯ СССР, Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт оснований и подземных сооружений ГОССТРОЯ СССР, www.complexdoc.ru/…/rukovodstvo_po_opredeleniyu_fizicheskikh_teplofizicheskikh_i_mekhanicheskik.pdf) [Л1].
В соответствии с руководством (стр.158, 159), см. приложение к заявке:
4.136. Определение эквивалентного сцепления мерзлых грунтов рекомендуется производить на шариковых приборах. Схематическое изображение одного из них представлено на рис.18. Шариковые приборы состоят из следующих основных частей: опорной плиты, являющейся основанием прибора и служащей подставкой для испытуемого образца грунта; консоли с установленными на ней грузовой площадкой, измерительным прибором, шариковым штампом и направляющей стойки, на которой крепится консоль и осуществляется ее фиксация в рабочем положении. Каждый шариковый прибор имеет набор штампов разного диаметра.
4.137. Для определения эквивалентного сцепления мерзлого грунта могут быть рекомендованы одноштоковые и многоштоковые шариковые приборы (рис.19 и 20). Одноштоковые приборы отличаются простотой конструкции, небольшим весом и малыми габаритами. Преимущество многоштоковых приборов заключается в возможности одновременного проведения измерений в нескольких (по числу штоков) точках испытуемого образца, что повышает точность определяемых характеристик и сокращает сроки испытаний.
Трехштоковый прибор конструкции НИС Гидропроекта (рис.20).
Недостатком данного аналога является отсутствие автоматизации испытаний.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого предлагаемого изобретения является ПРИБОР ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ ШАРИКОВЫМ ШТАМПОМ (ГОСТ 12248-96 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. Изд-во Стандартов, 01.01.1997 [Л2]), включающий шариковый штамп, опорную плиту, стойки, рычажный пресс, подвижный столик, подвижный стержень с держателем шарика, ручку стопорного винта, уравнительные винты, контргруз, гири, индикатор деформаций, образец грунта.
Недостатками прототипа являются низкая точность измерения нагрузки, ручное управление созданием и поддержанием во времени постоянного значения нагрузки и измерения деформации, а также низкая производительность испытаний.
Объяснение недостатков прототипа.
1. В прототипе внешняя нагрузка на образец мерзлого грунта прикладывается весом гирь через рычаг, имеющий заданное передаточное число. Для обеспечения точности прикладываемой нагрузки необходимо периодически выполнять калибровку веса гирь в региональных центрах метрологии и стандартизации, что создает неудобства при эксплуатации подобных приборов. Кроме того, передаточное число рычага и подвеска для гирь могут изменяться во времени из-за износа узлов крепления, что оказывает влияние на точность прикладываемой нагрузки. Дополнительным недостатком создания и контроля нагрузки является то, что ее величину приходится вручную заносить в журнал испытаний. Согласно п.6.1.4.1 ГОСТ 12248-96 нагрузка на образец должна прикладываться плавно, ступенями не менее пяти, что сложно выполнить, используя для этой цели рычаг. В том случае если нагрузка прикладывается домкратом, то для постоянства заданной ступени погружения необходимо контролировать падение нагрузки вследствие ползучести испытуемого образца грунта, что также трудоемко и сложно сделать в ручном режиме управления.
2. Для измерения деформации образца применен индикатор часового типа, показания с которого снимаются вручную и заносятся лаборантом в журнал испытаний, что требует определенного времени, увеличивая тем самым трудоемкость и снижает производительность испытаний.
3. Испытания шариковым штампом проводятся только в одной точке на поверхности образца.
eq
Пояснения. Согласно ГОСТ 12248-96 испытание мерзлого грунта шариковым штампом проводят для определения предельно длительного значения эквивалентного сцепления c мелких и пылеватых песков и глинистых грунтов, кроме заторфованных засоленных и сыпучемерзлых разностей этих грунтов. Предельно длительное значение эквивалентного сцепления определяют по глубине погружения шарикового штампа в образец грунта от заданной нагрузки при температуре испытаний не ниже минус 5°С. Далее по пунктам данного ГОСТ 12248-96:
6.1.2.1 В состав установки для испытаний мерзлого грунта шариковым штампом должны входить:
- шариковый штамп диаметром (22±2) мм с опорной плитой и подвижным столиком;
- плоский штамп для предварительного обжатия образца грунта;
- рабочее кольцо для отбора грунта;
- механизм для вертикального нагружения образца грунта;
- устройство для измерения глубины погружения шарикового штампа.
6.1.4.1 К образцу грунта плавно, не допуская ударов, прикладывают нагрузку, увеличивая ее ступенями, общее число которых должно быть не менее пяти.
6.1.4.3 На каждой ступени нагружения снимают отсчеты по всем приборам для измерения вертикальной деформации образца грунта через 5, 10, 20, 30 и 60 минут после приложения нагрузки, затем через 2 часа в течение рабочего дня и далее - два раза в сутки (в начале и конце рабочего дня) до условной стабилизации деформации.
6.1.4.4 За критерий условной стабилизации деформации принимают приращение вертикальной деформации, не превышающее 0,01 мм за 12 часов.
Выполнить вручную запись деформации образца грунта во времени, с заданным интервалом и в течение нескольких суток трудоемко, в особенности, если в лаборатории используется одновременно несколько приборов, и что невозможно сделать в ночное время в отсутствие лаборанта.
6.1.4.6 Может быть проведено повторное испытание на том же образце при соблюдении условия: центр следующего погружения шарикового штампа должен отстоять от границ предыдущих отпечатков шарика и от края образца не менее чем на половину диаметра шарика.
В этом случае необходимо вручную переместить образец по опорной плите с выполнением условия: центр следующего погружения шарикового штампа должен отстоять от границ предыдущих отпечатков шарика и от края образца не менее чем на половину диаметра шарика, что требует как дополнительных затрат времени, так и обеспечения точности смещения образца на заданное расстояние.
Сущность технического решения
Известен прибор для испытания мерзлых грунтов шариковым штампом, включающий шариковый штамп, опорную плиту, стойки, индикатор деформаций, образец грунта.
Цель изобретения - повышение точности контроля нагрузки и измерения деформации во времени, расширение диапазона исследований и повышение производительности испытаний.
Поставленная цель достигается тем, что прибор выполнен из трех механически и электрически взаимосвязанных частей: механизма вертикального нагружения, механизма вращения образца грунта, блока управления шаговыми двигателями и преобразования сигналов с датчиков силы и перемещения в цифровой вид с компьютером и интерфейсом.
Механизм вертикального нагружения имеет шаговый двигатель, редуктор и датчик силы для измерения нагрузки.
Механизм вращения образца имеет поворотную платформу, шаговый двигатель, зубчатое колесо, ременную зубчатую передачу и зубчатый диск.
Для ограничения движения шарикового штампа введены концевики.
Испытания выполняются автоматически под управлением компьютера.
Перечень фигур, чертежей и иных материалов
На фиг.1 изображен общий вид конструкции прибора.
На фиг.2 изображено сечение конструкция прибора.
На фиг.3 изображен вид сверху на конструкцию прибора.
На фиг.4 изображена схема автоматического управления и измерения нагрузки и деформации.
На фиг.5 приведено аксонометрическое изображение прибора.
Пример реализации технического решения
На фиг.1, 2, 3 прибор содержит опорную плиту 1 с двумя стойками 2, траверсу 3, на которой закреплен редуктор с шаговым двигателем 5.
На опорной плите 1 находится поворотная платформа 6, на которой закреплена съемная чаша 7 с кольцом 8 и образцом грунта 9 и плоским штампом 10. Чаша 7 закреплена винтом 11 на зубчатом диске 12, который имеет подшипник 13 и при помощи втулки 14 прикреплен к поворотной платформе 6.
Поворотная платформа 6 имеет два радиальных паза 15 с винтами 16, 17.
Шаговый двигатель 18 закреплен на поворотной платформе 6, вал шагового двигателя 19 соединен с зубчатым колесом 20, которое через ременчатую зубчатую передачу 21 соединено с зубчатым диском 12.
Вал редуктора соединен через шариковинтовую пару 4 с датчиком силы 22, к которому в нижней части прикреплен съемный шариковый штамп 23.
На одной из стоек 2 закреплен подвижный держатель 24 с датчиком вертикальных перемещений 25 с пружиной 26 и штоком 27.
На двух взаимно противоположных стойках 2 при помощи двух скользящих втулок 28 закреплена подвижная траверса 29, на одном из концов которой закреплен геркон 30. На стойке 2 закреплены два скользящих концевика 31 с магнитами 32.
На опорной плите 1 и траверсе 3 закреплены разъемы 33, 34, 35 для электрического подключения датчика силы 22, датчика перемещений 25, шаговых двигателей 5, 18, геркона 30 к блоку 36 (фиг.4) управления шаговыми двигателями и преобразования сигналов с датчиков в цифровой вид.
На фиг.4 изображена схема автоматического управления и измерения нагрузки и деформации, которая включает компьютер 37, соединенный интерфейсом 38 с блоком 36 управления шаговыми двигателями и преобразования сигналов с датчиков в цифровой вид.
Блок управления 36 соединен кабелями 39 (силы), 40 (перемещения), 41 (концевики), 42 (редуктор вертикального нагружения), 43 (редуктор поворота) с разъемами 33, 34, 35, усиливает и преобразует сигналы в цифровой вид с датчиков и оказывает управляющее воздействие на шаговые двигатели 5, 18.
Прибор для испытания мерзлых грунтов шариковым штампом работает следующим образом.
Этап 1. Подготовка прибора к испытаниям
1.1 Включив по команде компьютера шаговый двигатель 5, при помощи редуктора 4 поднимают шариковый штамп 23 в начальное положение.
1.2 В чашу 7 вставляют кольцо 8 с образцом мерзлого грунта 9. Затем на образец грунта устанавливают плоский штамп 10.
1.3 По команде компьютера, используя шаговый двигатель 5 с редуктором, опускают шариковый штамп в касание с плоским штампом.
1.4 Образец грунта в рабочем кольце выдерживают в течение 12 часов при температуре испытания.
Этап 2. Создание начальной нагрузки
2.1 По команде компьютера, используя шаговый двигатель 5 с редуктором, датчик силы 22, прикладывают к плоскому штампу 10 нагрузку, равную значению собственного веса грунта на глубине отбора образца в течение 15 с.
2.2 По команде компьютера шариковый штамп поднимают в начальное положение и плоский штамп снимают с образца грунта.
Этап 3. Реализация автоматического способа испытания и последовательность проведения испытаний
3.1 По команде компьютера в блок управления 36 подают сигнал на шаговый двигатель 5 и создают осевое усилие ступенями.
На каждой ступени нагружения снимают отсчеты с датчика перемещений 25 через 5, 10, 20, 30 и 60 мин после приложения нагрузки, затем через 2 часа в течение рабочего дня и далее - два раза в сутки до условной стабилизации деформации. За критерий условной стабилизации деформации принимают приращение вертикальной деформации, не превышающее 0,01 мм за 12 часов. Результаты измерений заносят в базу данных компьютера.
3.2 По команде компьютера шариковый штамп поднимают в начальное положение.
3.3 Ослабив винты 16, 17, смещают поворотную платформу против часовой стрелки до упора радиального паза 15. После чего винтами 16, 17 закрепляют платформу на опорной плите 1. Данная процедура приводит к смещению оси штампа от центра образца на периметр, так чтобы выполнялось условие, чтобы центр следующего погружения шарикового штампа отстоял от границ предыдущих отпечатков шарика и от края образца не менее чем на половину диаметра шарика.
3.4 По команде компьютера в блок управления 36 подают сигнал на шаговый двигатель 5 и создают осевое усилие ступенями на новом месте положения шарикового штампа и выполняют операции по п.3.1.
3.5 Выполняют операцию по п.3.2.
3.6 По команде компьютера в блок управления 36 подают сигнал на шаговый двигатель 18 и поворачивают чашу с образцом грунта на заданный угол и проводят испытания по п.3.1.
3.7 Далее в цикле, используя процедуру пп.3.5, 3.6, 3.1, проводят испытания на одном образце заданное количество раз.
Промышленная применимость
Данное изобретение промышленно реализуемо. Использование изобретения позволяет повысить точность измерения нагрузки и деформации, введение автоматической системы управления процессом нагружения и сбора информации с датчиков повышает производительность испытаний. Кроме того, применение многоточечности испытаний на одном образце улучшает эксплуатационные характеристики и создает существенный технико-экономический эффект.
Список литературы
1. Руководство по определению физических, теплофизических и механических характеристик мерзлых грунтов, издательство Москва, 1973.
2. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. Изд-во Стандартов, 01.01.1997.