УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ ГРУНТА
DEVICE FOR RESEARCH OF SOIL SAMPLES

Изобретение относится к области измерительной техники для проведения инженерных изысканий, испытаний образцов грунта в лабораторных условиях методами трехосного сжатия, компрессионного сжатия, суффозионного сжатия, методом одноплоскостного среза и методом простого прямого сдвига (Simple Direct Shear) с целью определения характеристик прочности и деформируемости.
Из уровня техники известны следующие решения.
Известно устройство для механических испытаний грунтов, а именно для определения характеристик деформируемости и прочности грунта. Устройство включает корпус с камерой и нагрузочным приспособлением. Траверса, снабжена механическим приводом, содержащим червячную передачу (авторское свидетельство №730079, опубликованное 23.12.1984).
Также известно устройство для исследования образцов грунта (патент РФ №2245963, опубликованный 10.02.2005), включающее несущую плиту, соединенную с основанием, на котором смонтирован механизм осевого нагружения образца грунта. Этот механизм включает червячный редуктор, приводящийся в движение реверсивным двигателем, и винтовой домкрат, верхний торец которого жестко связан с силоизмерительной конструкцией. Последняя содержит верхнюю балку, на которой размещены тензометрические датчики измерения усилий. Устройство снабжено также датчиком измерения задаваемых перемещений. Одометр с помещенной в него пробой грунта монтируется на несущей плите.
Наиболее близким аналогом патентуемого решения является система, используемая в способе определения параметров моделей грунтов и материалов с помощью измерительно-вычислительного комплекса автоматизированной системы испытаний в строительстве, содержащего прибор силового нагружения, применяемый при определении параметров моделей материалов, с набором датчиков, подключенных к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) и цифроаналоговому преобразователю (ЦАП), выходы которых через интерфейсы RS-485 и RS-232 соединены с цифровой электронно-вычислительной машиной, имеющей программные средства обработки результатов (данных) измерений и управления силовым нагружением, отличающийся тем, что по данному способу производят одновременные физические испытания образцов одного и того же материала, используя произвольное число приборов силового нагружения, проводят испытания при различном виде напряженного состояния и траекториях напряжений, определяют начальные значения параметров для выбранных моделей материалов, выполняют численное моделирование испытаний, результаты численного моделирования идентифицируют с результатами механических испытаний с использованием различных моделей материалов и одного из методов оптимизации, выбирают модель материала, наилучшим образом отвечающую результатам механических испытаний (патент РФ №2404418, опубликован 20.11.2010).
Недостатки наиболее близкого аналога заключаются в том, что в патенте описан только способ определения параметров моделей грунтов и материалов с помощью использования общедоступных на сегодняшней день технических компонентов, приспособлений и методов и отсутствует описание конкретной технической реализации, в качестве примера приведена система ИВК АСИС (непосредственное описание также отсутствует в патенте),
К отличиям наиболее близкого аналога от заявленного устройства относятся следующие факторы: данная система представляет собой большой набор отдельных устройств, которые соединяются большим количеством проводов и занимают очень большое пространство. Система включает в себя большое количество (более двух) устройств с отдельными корпусами (нагрузочное устройство, нагнетатели давления (волюмометры), блок или блоки электроники. При использовании нескольких систем они объединяются между собой и с компьютерами и в дальнейшем, при возникновении необходимости переместить системы или переподключить их к другим компьютерам это возможно сделать только с помощью производителя или специально квалифицированного специалиста. Максимальная скорость перемещения рабочих органов ограничивается 10 мм/мин. В гидросистеме не используются элементы с контрющимися гайками, что, в свою очередь, не позволяет установить те или иные органы гидросистемы (краны, фитинги и т.п.) в удобном положении без риска появления утечек в гидросистеме, также в гидросистеме не используются шаровые краны для обеспечения выпуска воздуха из гидромагистрали. Программное обеспечение, предназначенное для управления опытом, позволяет оперировать пользователю определенным набором шаблонов, за счет чего отсутствует полноценная возможность самостоятельного управления опытом. Отсутствует функция записи полученных данных в базу данных с возможностью последующей обработки данных.
Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в необходимости улучшения эксплуатационных характеристик устройств и получения дополнительных возможностей для проведения лабораторных испытаний образцов грунта с уменьшенными трудозатратами рабочего персонала. Техническим результатом патентуемого устройства является повышение производительности устройства для проведения исследования образцов грунта за счет повышенной скорости возврата нагрузочной траверсы и поршней нагнетателей давления (волюмометров) в исходные положения до 60 мм/мин. Данная возможность достигается за счет реализации системы автоматического регулирования, которая управляет частотой вращения шагового двигателя, используя при этом драйвер посредством программного обеспечения. В гидросистеме используются элементы с контрющимися гайками, что, в свою очередь, позволяет установить те или иные органы гидросистемы (краны, фитинги и т.п.) в удобном положении без риска появления утечек в гидросистеме, также в гидросистеме используются шаровые краны для обеспечения выпуска воздуха из гидромагистрали.
Заявленный технический результат достигается за счет конструкции устройства для исследования образцов грунта, содержащего корпус, на верхней силовой плите которого установлен, по меньшей мере, один поршневой нагнетатель жидкости, связанный с камерой и источником рабочей жидкости посредством трубок и(или) гибких шлангов, нагрузочное устройство, включающее вертикальные стойки, с размещенной между ними траверсой с датчиком силы, под которой на силовой плите корпуса установлена сменная оснастка, выполненная с возможностью механического воздействия на образец грунта.
В качестве привода используется электромеханический привод, размещенный внутри корпуса и связанный с нагрузочным устройством и нагнетателями жидкости.
В некоторых исполнениях привод может быть смонтирован сверху на нагрузочной траверсе, см. фиг. 8, поз. 19. А также в горизонтальных положениях для поршневых нагнетателей давления в жидкости (волюмометрах).
В частном случае реализации изобретения в качестве сменной оснастки для испытания образцов грунта, может использоваться камера трехосного сжатия для проведения испытаний методом трехосного сжатия.
В частном случае реализации изобретения в качестве сменной оснастки для испытания образцов грунта, может использоваться одометр для проведения испытаний методом компрессионного сжатия.
В частном случае реализации изобретения для испытания образцов грунта, может использоваться оснастка для проведения испытаний методом одноплоскостного среза. Оснастка представляет собой механизм для создания горизонтальной срезающей нагрузки. Установка включает в себя шаговый электродвигатель с редуктором и срезовым механизмом.
В частном случае реализации изобретения для испытания образцов грунта, может использоваться оснастка для проведения испытаний методом простого прямого сдвига (Simple Direct Shear).
В частном случае реализации изобретения для испытания образцов грунта, может использоваться оснастка для проведения испытаний методом одноосного сжатия для испытания образцов скальных грунтов, правильной и неправильной (произвольной) формы. В данной оснастке в качестве элементов приложения нагрузки могут использоваться сферические инденторы, пуансоны, пуансоны со смонтированными в них сферическими элементами и плоские штампы.
Устройство может быть выполнено в едином компактном блоке, включающим в себя устройство вертикального нагружения, два нагнетателя давления в жидкости (волюмометра), необходимые измерительные компоненты и датчики, аппаратно-программный блок для связи с ПК, блок питания.
Также устройство может быть выполнено в двух компактных блоках. Первый блок включает в себя устройство вертикального нагружения, два нагнетателя давления в жидкости (волюмометра), необходимые измерительные компоненты и датчики. Второй блок включает себя электронные компоненты, аппаратно-программный блок для связи с ПК, блок питания.
Кроме того, устройство может включать блок с устройством вертикального нагружения, необходимыми измерительными компонентами и датчиками (датчики давления, датчики перемещения, датчики измерения силы и другие при необходимости), блоки с по меньшей мере одним нагнетателем давления в жидкости (волюмометров) и датчиками. А также по меньшей мере один блок, включающий в себя электронные компоненты, по меньшей мере один аппаратно-программный блок для связи с ПК, по меньшей мере один коммутационный блок, по меньшей мере один блок электропитания.
Производительность приборов увеличена, благодаря повышенной скорости возврата нагрузочной траверсы и поршней нагнетателей давления (волюмометров) в исходные положения, до 60 мм/мин. Данная возможность достигается за счет реализации системы автоматического регулирования, которая управляет частотой вращения шагового двигателя, используя при этом драйвер посредством программного обеспечения.
Стоимость прибора снижена в результате применения рациональных конструкторских решений, а именно за счет снижения габаритных размер прибора. Габаритные размеры устройства уменьшены за счет траверсы нагрузочного устройства, смонтированной под углом отличным от 90 градусов относительно боковой стороны корпуса устройства и расположения нагнетателей давления (волюмометров) позади нагрузочного устройства (фиг. 5).
Малые габаритные размеры в свою очередь позволяют максимально компактно размещать большое количество приборов в стесненных лабораторных условиях.
Также устройство обеспечивает простоту эксплуатации и высокую надежность.
Далее решение поясняется ссылками на чертежи, на которых приведено следующее.
Фиг. 1 - общий вид устройства для исследования образцов грунта.
Фиг. 2 - вид устройства для исследования образцов грунта сбоку.
Фиг. 3 - вид устройства для исследования образцов грунта спереди.
Фиг. 4 - вид устройства для исследования образцов грунта сзади.
Фиг. 5 - вид устройства для исследования образцов грунта сверху.
Фиг. 6 - вариант устройства для исследования образцов грунта в блочном исполнении.
Фиг. 7 - вариант устройства для исследования образцов грунта в блочном исполнении.
Фиг. 8 - вариант устройства для исследования образцов грунта в блочном исполнении.
Фиг. 9 - вариант устройства для исследования образцов грунта в блочном исполнении.
Фиг. 10 - срезовые и сдвиговые устройства.
Фиг. 11 - камера трехосного сжатия.
Фиг. 12 - оснастка для испытания на изгиб.
Фиг. 13 - оснастка для испытаний встречными пуансонами (по ГОСТ).
Фиг. 14 - оснастка для испытаний на растяжение по образующей.
Фиг. 15 - оснастка для испытаний среза со сжатием.
Фиг 16 - оснастка для испытаний точечным растяжением.
Фиг. 17 - компрессионный одометр.
Фиг. 18 - оснастка для одноосного сжатия.
Фиг. 19 - плоские штампы со сферической опорой.
Фиг. 20 - сферический индентор.
Фиг. 21 - оснастка для проведения испытаний методом одноплоскостного среза.
Фиг. 22 - варианты применения сменных оснасток в устройстве.
Фиг. 23 - варианты применения сменных оснасток в устройстве.
Фиг. 24 - оснастка для проведения испытаний методом простого прямого сдвига (Simple Direct Shear).
Устройство для исследования образцов грунта содержит корпус 1. На верхней силовой плите 2 установлены два волюмометра 4 - поршневых нагнетателя жидкости, связанных с камерой и(или) образцом грунта и источником рабочей жидкости специальными трубками и (или) гибкими шлангами.
Нагнетатели жидкости (волюмометры) создают давление в жидкости, поступающей в камеру трехосного сжатия (поз. 7 на фиг. 1) и образец грунта и измеряют объем жидкости. Нагнетатели включают в себя гидроцилиндры и поршни, предохранительные клапаны, датчики давления и измерительные компоненты расположенные на верхней плите корпуса, и также имеют электромеханические приводы, расположенные внутри корпуса 1 комплекса.
Также на верхней плите 2 установлено нагрузочное устройство, включающее вертикальные стойки 3, с размещенной между ними траверсой 4 с датчиком силы, под которой на силовой плите корпуса установлена сменная оснастка 8 (на фиг. 1 под поз. 7 камера трехосного сжатия), выполненная с возможностью механического воздействия на образец грунта. Траверса 4 выполнена с возможностью регулировки по высоте и фиксации относительно стоек 3.
Устройство вертикального нагружения передает нагрузку на оснастку для образцов путем перемещения нагрузочной траверсы 4, расположенной на верхней плите, со смонтированном на ней датчиком силы. Траверса имеет электромеханический привод, смонтированный внутри корпуса комплекса.
Корпус 1 установлен на ножках, в частном случае виброопорах 6, компенсирующих колебания корпуса, возникающие при испытаниях и внешних воздействиях.
Данное исполнение Устройства имеет возможность простого подключения устройства к ЭВМ посредством не более 2-х электрокабелей за счет расположения электроники внутри корпуса Устройства и не требует привлечения специально квалифицированного персонала.
В качестве сменной оснастки для испытания образцов грунта может использоваться:
- камера трехосного сжатия для проведения испытаний методом трехосного сжатия;
- одометр для проведения испытаний методом компрессионного сжатия;
- оснастка для проведения испытаний методом одноплоскостного среза. Оснастка представляет собой механизм для создания горизонтальной срезающей нагрузки. Установка включает в себя корпус 14, устанавливаемый на опорной плите 16, электромеханический привод с шаговым двигателем 8 и редуктором 9, срезовой механизм, состоящий из двух колец 12, внутрь которых помещается образец грунта 10, связанный с материалом 11, размещенным в боковом штампе 15 и срезной каретки 13, датчика силы 17, датчика перемещения 18;
- оснастка для проведения испытаний методом простого прямого сдвига (Simple Direct Shear). Устройство состоит из сдвиговой каретки, состоящей из некоторого (не менее трех) количества колец, расположенных друг над другом и имеющих возможность горизонтального смещения относительно друг друга, датчика силы, датчика перемещения и др. Образец грунта располагается внутри колец;
- оснастка для проведения испытаний методом одноосного сжатия для испытания образцов скальных грунтов, правильной и неправильной (произвольной) формы. В данной оснастке в качестве элементов приложения нагрузки могут использоваться сферические инденторы, пуансоны, пуансоны со смонтированными в них сферическими элементами и плоские штампы.
Варианты сменных оснасток, применяемых при испытаниях, приведены на фиг. 10-20.
Перечисленные элементы, выбранные в зависимости от типа испытаний, устанавливаются в пространство между нагрузочной траверсой с датчиком силы и силовой плитой устройства и могут иметь возможность подключения к ним электрокабелей, пневмо- и/или гидромагистралей, фитингов, штуцеров, различных разъемов шлангов и/или рукавов.
Устройство может быть выполнено в едином компактном блоке, включающим в себя устройство вертикального нагружения, два нагнетателя давления в жидкости (волюмометра), необходимые измерительные компоненты и датчики, аппаратно-программный блок для связи с ПК, блок питания (фиг. 1 (A)).
Также устройство может быть выполнено в двух компактных блоках. Первый блок включает в себя устройство вертикального нагружения, два нагнетателя давления в жидкости (волюмометра), необходимые измерительные компоненты и датчики. Второй блок включает в себя электронные компоненты, аппаратно-программный блок 20 для связи с ПК, блок питания (фиг. 1 (Б)).
Кроме того, устройство может включать блок с устройством вертикального нагружения, необходимыми измерительными компонентами и датчиками, блоки с по меньшей мере одним нагнетателем давления 5 в жидкости (волюмометров), необходимыми измерительными компонентами и датчиками (датчики давления, датчики перемещения 18, датчики измерения силы 17 и другие при необходимости), а также по меньшей мере одним электроприводом 19. А также по меньшей мере один блок 20, включающий в себя электронные компоненты, по меньшей мере один аппаратно-программный блок для связи с ПК, по меньшей мере один коммутационный блок, по меньшей мере один блок электропитания (различные варианты компоновки блоков на фиг. 6-9).
Предлагаемое устройство комплектуется программным обеспечением, предназначенным для полностью автоматизированного управления испытаниями. Программное обеспечение имеет удобный графический интерфейс, а также адаптировано для работы с оператором в процессе выполнения опыта, в режиме ON-LINE, что дает возможность изменения тех или иных параметров в ходе опыта. Функция сохранения управляющей программой полученных данных в базе данных, позволяет обрабатывать большое количество данных, полученных на устройстве за короткий срок и в любой момент времени, в том числе спустя длительное время после проведения испытаний на устройстве.
Комплекс имеет возможность коммутации в сеть с аналогичными комплексами и подключением к ПК с установленным на нем управляющим программным обеспечением, предназначенным для полностью либо частично автоматизированного управления опытом. Программное обеспечение имеет графический интерфейс, а также адаптировано для работы с оператором в процессе выполнения опыта, в режиме ON-LINE, что дает возможность изменения тех или иных параметров в ходе опыта.
Также к установке может прилагаться программное обеспечение, позволяющее осуществлять обработку данных, полученных на данном устройстве и производить запись и хранение данных в базе данных.
Осуществляется изобретение следующим образом.
Устройство подключают к сети электропитания 220 В и к ЭВМ при помощи электрокабелей.
Устанавливают выбранную оснастку для конкретного испытания. В оснастку устанавливается подготовленный образец (или не подготовленный в случае испытаний скальных грунтов неправильной формы). Образец может устанавливаться в оснастку как до установки самой оснастки в устройство, так и после, в зависимости от оснастки и метода испытания.
После запуска управляющей программы на ПК (ЭВМ) в этой программе выбирают или задают методы, режимы и параметры испытаний, также в программе имеется возможность выбора либо задания форматов, режимов записей, способов хранения полученных данных результатов испытаний.
Запускают испытание в автоматическом либо в полуавтоматическом режиме с возможностью ручной корректировки режимов, способов и(или) параметров испытания.
Сохраняют (записывают) полученные данные в выбранных, либо заданных по умолчанию форматах и местах с возможностью записи в базу данных, для последующей обработки.
Прибор позволяет выполнять испытания по различным методикам, в том числе в соответствии с ГОСТ-12248, ГОСТ-24941, ГОСТ-21153.3, ASTM и др. Варианты испытаний, проведенных с помощью различных оснасток, приведены на фиг. 21-22.