СПОСОБ ЛАБОРАТОРНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМИРУЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ ПОД КОНТРОЛИРУЕМОЙ ТРЕХОСНОЙ НАГРУЗКОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR LABORATORY DETERMINATION OF STRENGTH AND DEFORMABILITY OF MATERIALS UNDER CONTROLLED TRIAXIAL LOAD AND DEVICE FOR IMPLEMENTING SAID METHOD

Изобретение относится к определению прочностных и деформационных свойств образцов материалов ненарушенной либо нарушенной структуры (в восстановленном состоянии) под контролируемой трехосной нагрузкой в приборе трехосного сжатия лабораторными методами, в частности под фундамент зданий и сооружений до начала строительства.
Известен способ лабораторного определения характеристик (прочности и деформации) грунтов при трехосном сжатии [1]. Способ заключается в определении относительной деформации, полученной по результатам испытаний образцов полностью водонасыщенного грунта цилиндрической формы, помещаемых поэтапно в резиновой оболочке между верхним и нижним штампами, оснащенными пористыми жесткими водопроницаемыми пластинами и гибкими трубками - водоотводами, в прозрачную камеру трехосного сжатия для визуального наблюдения за деформацией образца в условиях трехосного ступенчатого нагружения с обеспечением постоянного заданного вертикального давления на образец на каждой ступени нагружения, при заданном всестороннем давлении на образец, соответствующем бытовому давлению, с возможностью бокового расширения образца грунта. Перед первой ступенью нагружения камеру заполняют жидкостью, удаляют из камеры воздух и герметизируют. При этом ступени создаваемых давлений выбирают согласно программе испытаний, в зависимости от вида грунта, с использованием механизма создания центральной нагрузки на верхний штамп, с измерением осевого и бокового давления, а также линейных перемещений верхнего штампа, измерением изменения относительной объемной деформации образца по количеству вытесненной жидкости из полости трехосной камеры, например, с помощью волюметра, а также порового давления в водоотводах через заданные промежутки времени, до наступления условной стабилизации этих перемещений с последующим переходом на другую ступень нагружения.
Испытания образца прекращают либо при полном его разрушении, либо при достижении 15% относительной деформации образца от его первоначальной высоты. По окончании испытаний образец разгружают, извлекают из камеры и отбирают из него пробы для контрольного определения влажности.
Известный способ позволяет проводить испытания по следующим схемам:
- неконсолидированно-недренированное испытание;
- консолидированно-недренированное испытание;
- консолидировано-дренированное испытание.
Результаты испытаний оформляют в виде графиков зависимости деформаций образца от нагрузки.
Недостатком известного, достаточно трудоемкого и длительного, способа испытаний является ограниченный размер испытываемых образцов из-за ограниченных размеров используемых камер из-за высокой стоимости их изготовления из традиционных прозрачных материалов, что снижает достоверность получаемой информации. Другим недостатком является невозможность точной фиксации во времени изменения формы и появления трещин, а также то, что он не предусматривает использования современных технических средств для повышения точности измерений.
Прототипом изобретения по существу решаемой задачи и общему количеству существенных признаков в части способа является способ лабораторного определения циклической прочности и деформируемости грунта под контролируемой трехосной нагрузкой [2]. Этот способ применяется для определения циклической прочности водонасыщенных образцов грунтов цилиндрической формы в ненарушенном либо в восстановленном состоянии при создании дополнительных циклических нагрузок, моделирующих природные, а также эпизодические и техногенные воздействия на сооружение и передаваемые на фундамент, в дополнение к контролируемым трехосным статическим осевым и боковым нагрузкам, моделирующим бытовое давление, прикладываемым ступенями к образцу грунта в камере трехосного сжатия.
Сущность известного решения заключается в том, что подготовленный к испытанию водонасыщенный образец грунта цилиндрической формы, ненарушенной или восстановленной структуры, помещают в водонепроницаемую резиновую оболочку между нижним и верхним штампами в герметичной камере трехосного сжатия, причем используют штампы, оснащенные фильтрующими пластинами и дренажными гибкими трубопроводами, соединенными свободными концами с источниками избыточного и отрицательного давления жидкости, а также электронными датчиками порового давления и перекрывающими кранами, и подвергают образец ограниченному предварительному всестороннему давлению до наступления условной стабилизации, а затем, после перекрытия дренажных кранов, к верхнему штампу прикладывают через электронный датчик нагрузки от штока силового механизма ступень осевой статической нагрузки, согласно программе испытаний, а после стабилизации деформации образца к верхнему штампу через шток-хвостовик, с помощью автономного устройства, прикладывают низкочастотные, калиброванные по частоте и по амплитуде, знакопеременные, симметричные сжимающие и растягивающие образец нагрузки, моделирующие сейсмические природные воздействия на фундамент сооружения, причем тем же путем, с помощью дополнительного силового механизма прикладывают нагрузку с несимметричными эпизодическими циклами со значительной по величине амплитудой, моделирующую влияние на сооружение эпизодических воздействий, передаваемых на фундамент сооружения, а также дополнительно к штоку-хвостовику прикладывают высокочастотную знакопеременную нагрузку, моделирующую работу размещенных на сооружении механизмов, при этом дополнительные высокочастотные симметричные знакопеременные, а также эпизодические нагрузки передают на хвостовик верхнего штампа либо одновременно с низкочастотными нагрузками, либо в заданной последовательности согласно программе испытаний, при этом измеряют суммарное воздействие на образец этих нагрузок, причем все согласованные электронные приборы для измерений предварительно подключают к электрической цепи электронного блока с программным управлением, соединенного с компьютером для оперативной обработки результатов измерений, а также для автоматического перехода с одной ступени нагружения на другую согласно программе, при этом испытания проводят до разрушения образца, а результаты испытаний, зафиксированные в компьютере, представляют в зависимости от поставленной задачи.
Недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает испытания неводонасыщенных образцов грунта произвольной формы и значительно больших размеров, а также не позволяет полностью контролировать визуально и анализировать изменение формы образца и его другие нарушения в процессе его испытания, в частности из непластичных материалов с включением крупнообломочных материалов и др.
Технической задачей изобретения при испытании образцов как под контролируемой трехосной нагрузкой, так и в режиме динамических, циклических и эпизодических нагрузок в камере трехосного сжатия является испытание образцов из любых материалов, в том числе и произвольной формы и значительных характерных размеров, с контролем и фиксированием изменения их формы и появления следов разрушения визуально на любом этапе в процессе испытаний.
Поставленная техническая задача в части способа решена тем, что способ лабораторного определения прочности и деформируемости материалов под контролируемой трехосной нагрузкой, заключающийся в том, что подготовленный к испытанию образец материала помещают в непроницаемую для рабочей среды эластичную оболочку между нижним и верхним штампами в герметичной камере трехосного сжатия, причем используют штампы, оснащенные фильтрующими пластинами и дренажными трубопроводами, соединенными свободными концами с источниками избыточного и отрицательного давления жидкости, а также датчиками порового давления и автоматически перекрывающими кранами, и подвергают образец ограниченному предварительному всестороннему давлению до наступления консолидации, а затем, после перекрытия дренажных кранов, к верхнему штампу прикладывают через датчик нагрузки от штока силового механизма ступень осевой статической нагрузки согласно программе испытаний, а после стабилизации деформации образца к верхнему штампу через шток-хвостовик, с помощью автономного устройства, прикладывают знакопеременные, симметричные сжимающие и растягивающие образец нагрузки, моделирующие сейсмические природные воздействия на фундамент сооружения, а также с помощью дополнительного силового механизма к верхнему штампу прикладывают несимметричные эпизодические нагрузки, моделирующие техногенные воздействия на фундамент, причем все согласованные механизмы и приборы для измерений предварительно подключают к электрической цепи блока сбора данных с программным управлением, соединенного с компьютером для оперативной обработки результатов измерений, а также для автоматического перехода с одной ступени нагружения на другую согласно программе, при этом испытания проводят до разрушения образца, а результаты испытаний, зафиксированные в компьютере, представляют в зависимости от поставленной задачи, согласно изобретению корпус камеры выполняют из любого материала, в том числе и непрозрачного, заданного объема, удовлетворяющего требованию жесткости и прочности, а в полости камеры, заполняемой рабочей средой, свободной от образца, предварительно монтируют источник (источники) излучения и регистратор (регистраторы) этого излучения, например в виде мини-кинокамеры (камер) либо светочувствительной матрицы (матриц), соединенной(ых) каналами электрической связи с электронным блоком сбора данных для автоматической оперативной фиксации отображения процесса"деформации образца, а также следов его разрушения на различных ступенях его нагружения на дисплее компьютера с оперативной памятью, управляющего процессом испытаний, при этом результаты полученных отображений учитывают при определении прочностных и деформационных характеристик испытываемого материала, согласно изобретению испытаниям подвергают образцы материала произвольной формы, в том числе мерзлые, а также с включениями, например, крупнообломочного материала, причем внешние усилия передают на образец либо при помощи исполнительного механизма, например штампов, либо через рабочую среду, заполняющую камеру, причем под образец на нижний штамп предварительно устанавливают перфорированную проставку для возможности проникновения рабочей среды к нижней поверхности образца, а верхний штамп фиксируют в крайнем верхнем положении.
Прототипом изобретения, по существу решаемой задачи в части устройства, является устройство для лабораторного определения циклической прочности и деформируемости грунта под контролируемой трехосной нагрузкой для реализации способа [2]. Устройство включает жесткое неподвижное основание с устанавливаемой на нем и зафиксированной герметичной камерой трехосного сжатия, состоящей из поддона, прозрачного корпуса и оснащенной вентилем для выпуска воздуха из под верхней крышки, соединяемых с использованием уплотнительных колец и стягивающих крепежных элементов, а также нижнего и верхнего штампов, между которыми в полости камеры размещен водонасыщенный образец испытываемого грунта цилиндрической формы, помещенный в резиновую водонепроницаемую оболочку, концы которой закреплены на штампах уплотнительными резиновыми кольцами, при этом штампы оснащены жесткими водопроницаемыми пластинами и дренажными гибкими трубками, соединенными свободными концами с источниками избыточного и отрицательного давления жидкости с автоматически перекрывающими кранами, а также оснащены датчиками порового давления жидкости в образце грунта, а полость камеры соединена с автономной емкостью жидкости и с волюметром, оснащенным датчиком давления жидкости в камере и измерителем изменения объема образца, за счет его осадки и отжатия поровой жидкости из образца при его нагружении, причем верхний штамп жестко соединен со штоком-хвостовиком, пропущенным сквозь уплотняющий узел, образованный по центру на крышке камеры и взаимодействующий через датчик осевой нагрузки со штоком силового механизма осевой нагрузки, а также с автономным механизмом создания низкочастотных, знакопеременных симметричных нагрузок на образец и с автономным механизмом создания несимметричных, эпизодических нагрузок, а также с датчиком линейных перемещений хвостовика при создании нагрузок на образец, при этом все предварительно откалиброванные и согласованные датчики соединены электрической связью с управляющим блоком сбора информации с программным управлением, соединенным с управляющим компьютером, а силовой механизм осевой нагрузки, механизмы создания динамических нагрузок и датчик линейных перемещений штока-хвостовика смонтированы неподвижно относительно камеры трехосного сжатия.
Недостатком прототипа в части устройства является значительная стоимость изготовления цельного прозрачного корпуса камеры трехосного сжатия, что ограничивает испытание образцов больших размеров. Другим недостатком является то, что оно не предусматривает испытаний образцов нецилиндрической формы образца, а также с включением крупнообломочных материалов из-за невозможности эффективного контроля за изменением формы появления трещин и сколов в образце на различных этапах его нагружения.
Технической задачей изобретения в части устройства при лабораторном определении прочности и деформируемости материалов под контролируемой трехосной нагрузкой является та же задача, что и в реализуемом устройством способе, - обеспечение испытаний образцов из любых материалов произвольной формы и значительных размеров, с обеспечением возможности визуального контроля и фиксации за изменением формы и появлением следов разрушения испытываемого образца на всех этапах его статического и/или динамического нагружения.
Поставленная техническая задача изобретения в части устройства решена тем, что устройство для лабораторного определения прочности и деформируемости материалов под контролируемой трехосной нагрузкой, реализующее способ, включающее жесткое неподвижное основание с установленной на нем и зафиксированной герметичной камерой трехосного сжатия, состоящей из поддона, прозрачного корпуса, верхней крышки, оснащенной вентилем для выпуска из под нее воздуха, соединенных с использованием уплотнительных колец и стягивающих крепежных элементов, а также нижнего и верхнего штампов, между которыми в полости камеры размещен образец испытываемого материала, помещенный в непроницаемую для рабочей среды эластичную оболочку, концы которой закреплены на штампах уплотнительными резиновыми кольцами, при этом штампы оснащены жесткими проницаемыми для жидкости пластинами и дренажными гибкими трубками, соединенными свободными концами с источниками избыточного и отрицательного давления жидкости с перекрывающими кранами, а также оснащены датчиками порового давления жидкости в образце материала, а полость камеры соединена с автономной емкостью рабочей среды и с источником создания давления рабочей среды, оснащенным датчиком давления этой среды в камере, а также измерителем изменения объема образца, за счет его осадки и отжатия поровой жидкости из образца при его нагружении, причем верхний штамп жестко соединен со штоком-хвостовиком, пропущенным сквозь уплотняющий узел, образованный по центру на крышке камеры, и взаимодействующим через датчик осевой нагрузки со штоком силового механизма осевой статической нагрузки, а также с автономным механизмом создания динамических симметричных нагрузок на образец и с механизмом создания несимметричных эпизодических динамических нагрузок и с датчиком линейных перемещений хвостовика при создании нагрузок на образец, при этом все предварительно откалиброванные и согласованные механизмы, датчики и управляемые краны соединены электрической связью с электронным блоком сбора данных с программным управлением, соединенным с управляющим испытанием компьютером, а силовой механизм осевой статической нагрузки, механизмы создания динамических нагрузок и датчик линейных перемещений штока-хвостовика смонтированы неподвижно относительно камеры трехосного сжатия, согласно изобретению корпус камеры выполнен из любого конструкционного материала, в том числе и непрозрачного, и заданного объема, отвечающего требованиям прочности и жесткости, а в полости камеры, заполняемой рабочей средой, смонтирован источник (источники) излучения и регистратор (регистраторы) этого излучения, например, в виде мини-видиокамеры (видиокамер) либо светочувствительной матрицы (матриц), соединенных каналами электрической связи с блоком сбора данных, подключенным к управляющему компьютеру для автоматической фиксации отображения на дисплее компьютера с оперативной памятью процесса деформации образца и начала образования на нем следов разрушения на любых этапах его нагружения, при этом образец состоит из любого материала и имеет произвольную форму, в том числе с включениями крупнообломочного материала, а нижний штамп дополнительно снабжен инвентарной перфорированной проставкой с возможностью проникновения рабочей среды к нижней поверхности образца.
Преимущество предлагаемого изобретения в части способа и устройства перед известным прототипом заключается в следующем:
- выполнение корпуса камеры из любого доступного по цене конструкционного материала позволяет увеличить его диаметр и высоту и использовать для испытаний образцы с большими характерными размерами из любых материалов, в том числе с включениями крупнообломочных материалов без изменения уже имеющегося стандартного нагружающего и измерительного оборудования;
- всестороннее давление на ряд материалов может быть приложено непосредственно с помощью рабочей среды с выведенным в крайнее верхнее положение верхним штампом 11;
- размещение в предлагаемом корпусе источника (источников) излучения и регистратора (регистраторов) этого излучения, соединенных электрической связью с управляющими процессом испытания приборами, позволяет исключить процесс рассеивания наружного освещения в рабочей среде, заполняющей полость камеры, и обеспечить получение четких отображений изменения формы образца и появления следов его разрушения;
- изобретение позволяет прикладывать статическую и/или динамическую нагрузку (всестороннее давление) к неводонасыщенным образцам из различных материалов произвольной формы путем подключения источника давления к трубке, соединенной через поддон с рабочей средой камеры (при этом верхний штамп выводят в крайнее верхнее положение), и осуществляют путем создания ступеней постоянного статического и/или переменного динамического давления;
- четкие отображения на любом этапе нагружения образца позволяют провести автоматически все необходимые измерения и произвести анализ прочностных и деформационных характеристик испытываемых материалов.
Указанные отличительные существенные для решаемой задачи признаки изобретения, в совокупности с известными признаками, обеспечивают повышение качества и достоверности получаемой информации, а также расширяют область применимости как в части способа, так и в части реализующего его устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг.1 и фиг.2 в схематичной форме, на которых изображены общие виды устройства в двух вариантах, реализующих предлагаемый способ.
На фиг.1 на неподвижном основании 1 зафиксирован лабораторный прибор трехосного сжатия, реализующий вариант I способа, включающий поддон 2, соединенный посредством стоек 3 с основанием 1, цилиндрический корпус 4 и верхнюю крышку 5, оснащенную уплотняющим узлом 6 и вентилем 7. Для герметизации камеры предусмотрены направляющие шпильки 8, неподвижно установленные в поддоне 2, а также гайки и уплотнительные кольца 9 и 10. Камера оснащена верхним 11 и нижним 12 перфорированными штампами для фильтрации жидкости из образца 13 испытываемого материала произвольной формы 13, помещенного в эластичную герметическую оболочку 14, концы которой закреплены на штампах 11 и 12 уплотнительными кольцами 15. В полости камеры, заполненной рабочей средой, на внутренней стенке корпуса 4 закреплены источники излучения 16 и регистраторы этого излучения 17. Штампы 11 и 12 соединены дренажными гибкими трубками 18 и 19 с источниками избыточного и отрицательного (вакуум) давления среды (не показаны), оснащены управляемыми компьютером (не показаны) кранами 20 и 21, а также датчиками 22 и 23 для регистрации измерения изменений давления внутри образца или оболочки 14. Полость камеры соединена трубкой 24 с источником создания давления рабочей среды 25 и с емкостью этой среды (не показано) трубкой 26, для заполнения камеры рабочей средой, а также механизмами для создания и измерения давления в камере и для измерения изменения объема образца при его осадке под нагрузкой и при отжатии из образца жидкости. Все измерительные приборы, а также автоматически переключаемые краны подключены к блоку сбора данных посредством электрических каналов связи, который подсоединен к управляющему компьютеру (не показаны). Верхний штамп 11 неподвижно соединен со штоком-хвостовиком 27, пропущенным через уплотняющий узел 6 в крышке 5. В штоке-хвостовике 27 образовано центральное глухое отверстие 28, к которому на верхнем конце штока подсоединена гибкая дренажная трубка 18, а на верхнем конце штока-хвостовика 27 смонтирован оголовник 29 и датчик осевой нагрузки 30, а также закреплена скоба 31 для упора в нее подвижной ножки 32 датчика линейных перемещений 33 для измерения перемещения хвостовика 27. Датчик 33 закреплен неподвижно относительно крышки 5 с помощью инвентарного кронштейна 34 и стойки 35. Центрально к оголовнику 29 размещен шток 36 механизма статической осевой нагрузки, а также механизмов динамических нагрузок (не показаны).
На фиг.2 согласно второму варианту способа изображено то же устройство, что и на фиг.1. На нижнем штампе 12 предварительно установлена перфорированная проставка 37, на которой свободно размещен образец 13 без эластичной оболочки 14. Верхний штамп 11 вместе со штоком-хвостовиком 27 зафиксирован в крайнем верхнем положении. Постоянное ступенчатое давление в полости камеры, в зависимости от используемой рабочей среды, создают с помощью пневматического либо гидравлического механизма нагружения 25 и измеряют с помощью механизма создания давления и механизмов создания динамических нагрузок (не показано) с использованием трубки 38 и автоматического крана 39, соединенных трубкой 24 через поддон 2 с полостью камеры.
Работу устройств, реализующих предлагаемый способ, осуществляют следующим образом.
Согласно варианту I испытаний подготовленный к испытанию водонасыщенный образец грунта цилиндрической формы помещают в водонепроницаемую резиновую оболочку между нижним и верхним штампами в герметичной камере трехосного сжатия, при этом используют штампы, оснащенные фильтрующими пластинами и дренажными гибкими трубопроводами, соединенными свободными концами с источниками избыточного и отрицательного давления жидкости, а также датчиками порового давления и перекрывающими кранами, и подвергают образец ограниченному предварительному всестороннему давлению до наступления условной стабилизации, а затем, после перекрытия дренажных кранов, к верхнему штампу прикладывают через датчик нагрузки от штока силового механизма ступень осевой статической нагрузки, а после стабилизации деформации образца к верхнему штампу через шток-хвостовик, с помощью автономного устройства, прикладывают динамические нагрузки, моделирующие сейсмические природные воздействия на фундамент сооружения и/или техногенные воздействия.
Все приборы для измерений предварительно подключают к электрической цепи электронного блока с программным управлением, соединенного с компьютером для оперативной обработки результатов измерений, а также для автоматического перехода с одной ступени нагружения на другую согласно программе, при этом испытания проводят до разрушения образца, а результаты испытаний, зафиксированные в компьютере, представляют в зависимости от поставленной задачи. Изменение размеров, формы и объема образца, а также нагрузки, при которых появились следы разрушения образца, фиксируют с помощью излучателя (излучателей) и регистратора (регистраторов) этого (этих) излучения (излучений) для оперативного получения изображений на экране компьютера на любом этапе нагружения образца с последующей коррекцией результатов испытаний.
Согласно II варианту испытаний испытывают образцы из любых материалов произвольной формы, к которым внешние усилия, как боковые так и осевые, как статические, так и динамические передают на образец через рабочую среду заполняющую камеру, например, путем изменения давления рабочей среды, при этом образец материала размещают в камере свободно, без его фиксации, причем предварительно на нижний штамп устанавливают инвентарную перфорированную пластину, а верхний штамп выводят в крайнее верхнее положение.
Предлагаемое изобретение существенно расширяет диапазон промышленной применимости, так как может быть широко использовано при испытании различных материалов и произвольной формы не только в строительстве, но и в других областях техники, не требует сложной и трудоемкой технологии подготовки образцов к испытаниям, а также позволяет испытывать образцы материалов нестандартных размеров.
По мнению авторов, предлагаемое изобретение обладает новизной, решает поставленную техническую задачу, соответствует современному уровню техники и проводимому в настоящее время направлению на модернизацию производства в РФ Следовательно, по мнению авторов и заявителя предлагаемое изобретение может быть защищено патентом РФ
Источники информации
1. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости.
2. Заявка на изобретение РФ №2007114041/28 от 16.04.2007, опубл. 27.10.2008, бюлл. №30 (прототип по способу и по устройству).