INSTALLATION FOR DETERMINING RHEOLOGICAL CHARACTERISTICS OF ROAD-BUILDING MATERIALS
УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к области испытаний при инженерных изысканиях в строительстве, в частности к устройствам для исследования реологических характеристик дорожно-строительных материалов при строительстве дорожных одежд и для исследования взаимодействия вальцов дорожных катков с уплотняемым слоем материала.
Известно устройство для определения несущей способности грунта при испытаниях по контролю за уплотнением в дорожном строительстве [1]. При этом устройство позволяет нагружать слой дорожной одежды статической нагрузкой через жесткий круглый штамп посредством гидроцилиндра, являющимся продолжением направляющей штанги, расположенной соосно на штампе, упирающегося в раму автомобиля или любой дорожной машины, а деформацию грунта (или вертикальное перемещение штампа) измеряют при помощи индикаторов часового типа.
Недостатки указанного устройства состоят в следующем. Во-первых, статическая нагрузка на штамп не может быть приложена мгновенно, т.е. проходит некоторое время, составляющее от долей до нескольких секунд, в течение которого нагрузка на штамп возрастает от нуля до максимального значения, соответствующего заданной статической нагрузке. Это приводит к существенному искажению результатов измерения деформации и модуля деформации. Как известно, модуль деформации дорожно-строительных материалов должен определяться при действии постоянной нагрузки, мгновенно приложенной к деформатору (штампу). Во-вторых, деформация слоя грунта приводит к увеличению расстояния между штампом и рамой автомобиля, при этом резко снижается давление в гидроцилиндре устройства нагружения, а, следовательно, и нагрузка на штампе. Таким образом, требуется постоянное регулирование давления в гидроцилиндре, что в результате приводит к непостоянству статической нагрузки на штампе и, как следствие, к увеличению погрешности измерения. В-третьих, использование механических индикаторов деформации часового типа не позволяет (в силу визуального наблюдения) точно определить величину деформации слоя грунта при заданных значениях времени наблюдения, что также приводит к снижению точности измерения. В-четвертых, использование рам мобильной техники (автомобиля или дорожных машин) в качестве упора заставляет привлекать эту технику в качестве обязательной составляющей всей системы испытания слоя грунта, что приводит к дополнительным материальным затратам при испытаниях.
Известно также устройство для исследования физико-механических характеристик грунта [2], включающее механизмы вертикального нагружения и вращательного смещения штампа, размещенные на перемещаемом каркасе с датчиками вертикального и углового перемещения штампа, и измерительно-регистрирующую систему, механизм синхронизации приложения вертикальной и сдвиговой нагрузки, при этом механизм вращательного смещения штампа состоит из подвеса с грузом, соединенным с барабаном посредством троса, перекинутого через обводной блок, когда барабан соединен с осью штампа посредством подвижного шлицевого соединения, механизм вертикального нагружения состоит из перемещающегося по направляющим ползуна с опорной плитой, соединенной со штампом через удлинитель и опорный подшипник, датчики вертикального и углового перемещения штампа состоят из двух натяжных нитей, одна из которых соединена с барабаном, а другая - с опорной плитой, системы изменяющих направление смещения нитей роликов и оптиковолоконных элементов с двумя роликами, через которые перекинуты нити в виде обжимающей петли, а штамп является круглым, а не кольцевым, с размещенными под ним равномерно по окружности в радиальном направлении ближе к краю штампа грунтозацепами длиной не более половины его радиуса.
Недостатками данного устройства являются следующие.
Во-первых, вертикальная нагрузка на штамп формируется весом тела участника эксперимента, как можно быстрее и плавно наступив на опорную плиту ползуна, без толчков и рывков, обеими ногами. Тем не менее, в пределах времени, составляющем десятые доли секунды, все же нагрузка на штамп не прикладывается как постоянная мгновенно, а возрастает о нуля и до величины, равной весу тела человека за эти доли секунды. При этом, в зависимости от физиологических особенностей человек при переносе своего веса на опорную плиту ползуна может создавать различные толчки с разными ускорениями, не обеспечивая при этом даже равномерное увеличение нагрузки на штампе, скорость изменения которой в дальнейшем можно было бы учесть при оценке погрешностей нагружения и при корректировке полученных кривых вертикальной ползучести слоя почвогрунта.
Во-вторых, в момент начала смещения ползуна и штампа вниз, при смещении нити механизма синхронизатора его стопор освобождает ударную скобу с размещенным на ней бойком, которая под действием скрученной пружины начинает свое угловое перемещение, накапливая кинетическую энергию во время разгона. В конце свободного хода ударной скобы боек ударяет по наконечнику фиксатора барабана механизма вращательного смещения штампа, который выходит из зацепления с плитой каркаса устройства. При этом барабан получает свободу вращательного движения под действием веса груза и начинает поворачивать штамп, обеспечивая при этом постоянные значения касательных напряжений в грунте под штампом.
Доли секунды, за которые натягивается нить, смещается стопор, освобождая скобу с размещенным на ней бойком, поворачивается скоба с бойком, накапливая кинетическую энергию, все же не обеспечивается одновременное срабатывание механизмов вертикального нагружения и вращательного смещения штампа, что приводит к неточности воспроизведения процесса нагружения.
В-третьих, установка не позволяет исследовать физико-механические характеристики слоя почвогрунта при его нагружении вертикальной вибрационной нагрузкой, что часто присутствует при выполнении операций виброуплотнения грунтов дорожными катками, а также может использоваться в новой перспективной технологии прикатывания посевов вибровальцом. Как известно, развитие деформации слоя почвогрунта во времени при его уплотнении статической или вибрационной нагрузками протекает по различным законам с разной степенью выпуклости кривой ползучести. А это значит, что и физико-механические характеристики слоя почвогрунта при его нагружении вертикальной вибрационной нагрузкой или статической нагрузкой также будут иметь различные по величине численные значения.
Известна также установка для исследования напряжений и перемещений грунта под опорами транспортного средства [3]. При этом слой почвогрунта нагружают нагрузкой при помощи движущегося трактора. Устройство имеет следующий вид. На корпусе в бугелях крепятся направляющие, по которым при помощи ходового винта и электродвигателя перемещается каретка, на опорные плоскости которой монтируются ножи или штанги с датчиками давления, реостатными датчиками вертикального и поперечного перемещений; в основании штанг расположены реостатные датчики продольных перемещений. При движении транспортного средства под его опорами происходит деформация грунта. Изменяются физические свойства грунта как по глубине, так и в поперечных и продольных плоскостях, что фиксируется датчиками.
Достоинствами данного устройства являются, во-первых, то, что исследование напряжений и перемещений грунта производятся в реальных условиях эксплуатации. Во-вторых, деформация грунта измеряется в трех плоскостях, что позволяет определить его сдвиговые и объемные характеристики. В-третьих, штанги, установленные в каретке, по меньшей мере, в два ряда и выполненные разной длины, позволяют проводить исследование напряжений и перемещений грунта не только по центральной оси опорной поверхности движителя, но и на некотором расстоянии (в зависимости от длины штанги) от нее одновременно. В-четвертых, измерение происходит на различной глубине слоя почвогрунта, что позволяет получить распределение напряжений и деформаций по его глубине.
Недостатками данного устройства являются, во-первых, то, что нагружение слоя почвогрунта происходит конкретным транспортным средством, что влечет за собой его использование как обязательной составляющей всей системы испытания. Это приводит к дополнительным материальным затратам при испытаниях. Во-вторых, реостатный датчик продольных перемещений дает искаженную информацию о реальном перемещении, вследствие того, что штанга обладает значительной массой и инерцией, т.к. на ней располагаются датчик давлений и реостатные датчики вертикального и поперечного перемещений. В-третьих, возможно искажение информации вследствие давления грунта на корпус установки (изменение положения его в грунте) в результате движения транспортного средства. В-четвертых, воздействие нагрузки на слой почвогрунта непосредственно со стороны движущегося трактора создает дополнительные трудности в аналитическом описании действующих напряжений в слое почвогрунта, т.к. в этом случае эпюра давления описывается сложным законом, зависящим от типа гусеницы, параметров системы натяжения гусеницы, параметров системы подрессоривания, характеристик зацепления гусеницы с ведущей звездочкой и т.д. В связи с этим, переход от экспериментальных данных с конкретным транспортным средством к расчетным для любого другого транспортного средства со своими параметрами аналитически не представляется возможным и, поэтому, предложенная установка может быть использована при анализе напряжений и перемещений грунта только под конкретным, уже существующим, транспортным средством. При этом полученные экспериментальные данные по оценке физико-механических свойств грунта не являются инвариантными, т.е. не зависящими от способа их определения.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения модуля деформации и модуля упругости грунтов [4]. Устройство обеспечивает нагружение образца грунта диаметром не менее 20 см и высотой не менее 15 см ступенчатой статической нагрузкой посредством рычажной системы с гирями через жесткий штамп диаметром 5 см. По замеренной посредством индикаторов часового типа вертикальной деформации, развивающейся под действием вертикальной ступенчатой нагрузки, определяют модуль упругости или модуль деформации.
Недостатками устройства являются следующие. Во-первых, модуль упругости и модуль деформации определяются посредством штампов малого диаметра, что носит условный характер и определяет относительные и качественные, а не расчетные характеристики (как отмечается в самом источнике информации). Во-вторых, использование механических индикаторов деформации часового типа не позволяет (в силу визуального наблюдения) точно определить величину деформации слоя грунта при заданных значениях времени наблюдения, что также приводит к снижению точности измерения. В-третьих, в первоначальный момент нагружения, когда штамп еще только начинает касаться поверхности грунта, контактные напряжения под ним не могут быть равны заданным по причине неполного контакта по всей поверхности из-за ее неровности. Выпирание некоторых компонент грунта (щебня, гравия и т.д.) приводит к значительному возрастанию точечных давлений в грунте, его разрушению и разрыхлению вблизи его поверхности, а также к регистрации завышенной деформации грунта в начальный момент времени. В-четвертых, в одной форме с грунтом имеется возможность проведения только одного опыта, когда штамп соосто располагается на поверхности образца грунта. В-пятых, устройство не позволяет обеспечить достаточно высокие контактные давления под штампом, в силу небольших грузов, соответствующие контактным давлениям уплотняющих рабочих органов дорожно-строительных машин.
Цель изобретения - повышение универсальности устройства, количества измерений и точности воспроизведения процесса нагружения, позволяющих приблизится к оценке реальных процессов, происходящих при нагружении слоя дорожно-строительного материала.
Поставленная цель достигается тем, что установка для определения реологических характеристик дорожно-строительных материалов, включает рычажный пресс с рычагом, штампом и гирями, форму с образцом материала и систему измерения его деформации. Рычаг состоит из двух разрезных посередине балок. Части разрезных балок попарно соединены шарнирными пластинами по оси симметрии балок, обеспечивающими расстояния между торцами частей балок около 1 мм. При этом первые части балок в середине соединены через вертикальную опору, опирающуюся на основание установки, а также через шарнир регулируемого по высоте штампа. С противоположной относительно вертикальной опоры стороны от шарнира штампа в случае необходимости регулирования нагрузки на штамп первые части разрезных балок могут нести на себе гири противовеса рычага. Вторые части балок несут на себе нагружающие штамп гири. Все гири имеют возможность плавного смещения по поверхности рычага. Форма коробчатого сечения с образцом дорожно-строительного материала установлена в основании установки и выполнена разборной. Для двукратного проведения измерений реологических характеристик дорожно-строительных материалов имеется возможность ее сдвига вдоль поверхности основания установки. Система измерения деформации дорожно-строительного материала состоит из нерастяжимой нити, соединяющей шарнир штампа через направляющие с оптоволоконным датчиком линейных перемещений, самого датчика линейных перемещений в виде компьютерной «мыши» и переносного компьютера. Компьютер и компьютерная «мышь» установлены на вертикальной подставке с горизонтальной столешницей.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемой установки для определения реологических характеристик дорожно-строительных материалов, на фиг. 2 представлен общий вид установки, на фиг. 3 представлена установка в момент измерения деформации слоя материала, позволяющей определить реологические характеристики (модуль деформации, параметры функции скорости ползучести материала, развитие деформации слоя материала во времени в зависимости от температуры, влажности, плотности материала и нагрузки на штампе и т.д.) дорожно-строительных материалов, на фиг. 4 представлена форма коробчатого сечения под образец материала.
шт
Основание установки 1 выполнено в виде сборной металлоконструкции, обеспечивающей неподвижное размещение в ней формы с образцом материала 2. На поверхности слоя материала размещен круглый штамп 3 с возможностью регулирования по высоте относительно шарнира 4 штампа 3. Рычаг установки состоит из двух разрезных посередине балок, части 5 и 6 которых попарно соединены шарнирными пластинами 7 по оси симметрии балок, обеспечивающими расстояния между торцами частей 5 и 6 балок около 1 мм. Первые части 5 балок в середине соединены через вертикальную опору 8, опирающуюся на основание 1 установки, и через шарнир 4 регулируемого по высоте штампа 3. Части 5 и 6 рычага попарно сверху образуют полозья с возможностью плавного смещения по поверхности рычага гирей 9 противовеса рычага и нагружающих штамп 3 гирей 10. Соотношение плеч LI, L2, и L3 приложения нагрузок F1 и F2 с учетом распределенной нагрузки рычага по его длине обеспечивает требуемую нагрузку F на штампе 3.
оп
Перед началом опыта по определению реологических характеристик дорожно-строительного материала рычаг опирается на подставку 11 под части 6 балок рычага, воспринимая опорную нагрузку F.
Форма под образец материала 2 коробчатого сечения выполнена разборной (фиг. 4) для удобства извлечения материала (например, остывшей асфальтобетонной смеси) и позволяет проведение двукратных измерений реологических характеристик дорожно-строительных материалов путем ее сдвига вдоль поверхности основания 1 установки.
Система измерения деформации дорожно-строительного материала состоит из нерастяжимой нити 12, соединяющей шарнир 4 штампа 3 через направляющие 13 с оптоволоконным датчиком линейных перемещений 14, самого датчика линейных перемещений 14 и переносного компьютера 15, установленных на вертикальной подставке 16 с горизонтальной столешницей 17.
шт
Установка работает следующим образом (фиг. 1). Установку основанием устанавливают на ровную опорную поверхность грунта, подставив под части 6 балок рычага подставку 11. При этом штамп 3 должен быть вывешен в таком положении, чтобы на основание 1 установки можно было установить форму с образцом материала 2. На поверхности рычага размещают гири 9 и 10, обеспечивая при дальнейшем нагружении заданную нагрузку F на штампе 3. Запускают программу записи деформации слоя дорожно-строительного материала и, подхватив руками части 6 балок рычага установки, убирают подставку 11. Медленно опускают рычаг за части 6 балок до соприкосновения штампа 3 с поверхностью материала в форме 2, выбирая неровности и выступы на его поверхности, создавая в дальнейшем возможность передачи нагрузки от штампа 3 на слой материала по всей поверхности штампа 3. При этом нагрузка на штамп 3 будет небольшая, так как основная нагрузка от гири 10 не будет передаваться на штамп 3 за счет зазора в нижних частях торцевых поверхностей частей 5 и 6 рычага (фиг. 2, а). В этот момент происходит запись перемещения штампа 3 при выборе неровностей и выступов на поверхности материала. При дальнейшем опускании частей 6 рычага выбирается зазор в нижних частях торцевых поверхностей частей 5 и 6 рычага до их соприкосновения (фиг. 2, б). В этот момент на штамп 3 начнет передаваться полная нагрузка от гири 10, создавая под ним требуемое контактное напряжение в слое материала. Одновременно с этим произойдет ускорение в развитии деформации слоя материала. Именно этот, второй участок диаграммы (фиг. 5), фиксируемой на компьютере, и будет характеризовать реологические характеристики дорожно-строительного материала. После соответствующей обработки диаграммы определяют необходимые реологические характеристики исследуемого дорожно-строительного материала (модуль деформации, параметры функции скорости ползучести материала, развитие деформации слоя материала во времени в зависимости от температуры, влажности, плотности материала и нагрузки на штампе и т.д.).
Предлагаемая установка позволяет повысить универсальность установки, количество измерений и точность воспроизведения процесса нагружения, позволяющих приблизится к оценке реальных процессов, происходящих при нагружении слоя дорожно-строительного материала.
Преимущества предложенной установки представлены в таблице.
Источники информации
1. Форссблад Л. Вибрационное уплотнение грунтов и оснований /пер. с англ. И.В. Гагариной. - М: Транспорт, 1987. - 188 с.
2. Патент РФ №2365916. Устройство для исследования физико-механических характеристик слоя почвогрунта /С.В. Носов, Н.Е. Перегудов, Ю.Ю. Киндюхин //Заявка №2008112526/28 от 31.03.2008. Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений РФ 27.08.2009. БИПМ №24.
3. А.с. 1242746 СССР, МКИ G01M 17/00. Установка для исследования напряжений и перемещений грунта под опорами транспортного средства / В.М. Купцов, Н.Н. Полянский, Ю.Н. Теверовский, Е.Б. Цыганков, В.Д. Леонтьев, Г.В. Обминяный (СССР). - №3822893/27 - 11; Заяв. 10.12.84; Опубл. 07.07.86, Бюл. №25. - 5 с.: ил.
4. Попова З.А. Исследование грунтов для дорожного строительства: (Лаборатор. и практич. работы). Учеб. пособие для техникумов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1985. - 126 с.