СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПОРОВОГО И БОКОВОГО ДАВЛЕНИЯ В УСЛОВИЯХ КОМПРЕССИОННОГО СЖАТИЯ ГРУНТА
METHOD TO AUTOMATICALLY MEASURE PORE AND SIDE PRESSURE UNDER CONDITIONS OF SOIL COMPRESSION

Область техники
Изобретение относится к области строительства и предназначено для определения механических свойств грунтов в лабораторных условиях.
Уровень техники
Аналогом данного предлагаемого изобретения является КОМПРЕССИОННО-ФИЛЬТРАЦИОННЫЙ ПРИБОР (свидетельство на полезную модель RU 54597 U1, заявка 2005138873 от 13.12.2005, патентообладатель и автор Соломин С.Ф., МПК E02D 1/02, опубл. 10.07.2006).
1. Компрессионно-фильтрационный прибор, содержащий основание, рабочее кольцо, вкладыш-сепаратор, штамп с участком для приложения нагрузки и связанным с измерительными устройствами, отличающийся тем, что внутренняя поверхность рабочего кольца снабжена подпруженной и подвижной в осевом направлении втулкой.
2. Компрессионно-фильтрационный прибор по п.1, отличающийся тем, что высота втулки соизмерима с толщиной испытуемого образца грунта.
3. Компрессионно-фильтрационный прибор по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр втулки соответствует диаметру периферической кольцевой проточки вкладыша-сепаратора, а нижний внутренний торец втулки взаимодействует с боковой поверхностью периферической кольцевой проточки вкладыша-сепаратора.
4. Компрессионно-фильтрационный прибор по п.1, отличающийся тем, что верхний внутренний торец втулки взаимодействует с боковой кольцевой поверхностью штампа.
5. Компрессионно-фильтрационный прибор по п.1, отличающийся тем, что усилие сжатия пружины, подпружинивающей подвижную втулку, больше суммарного веса втулки с образцом грунта.
6. Компрессионно-фильтрационный прибор по п.1 или 4, отличающийся тем, что между втулкой и пружиной размещена плоская опорная шайба.
7. Компрессионно-фильтрационный прибор по п.1, отличающийся тем, что соединение основания и рабочего кольца выполнено посредством накидной гайки и уплотняющего кольца между соприкасающимися торцами основания и кольца.
Недостатком аналога является невозможность проведения испытаний грунтов с измерением порового и бокового давлений.
Следующим аналогом заявляемого предлагаемого изобретения является ПРИБОР ДЛЯ КОМПРЕССИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ГРУНТОВ (патент на изобретение RU 2045756 C1, заявка 93014282/33 от 23.03.1993, патентообладатель и автор Воробьев Е.А., МПК G01N 3/08, E02D 1/00, опубл. 10.10.1995), включающий основание, рабочие кольца различного диаметра для образцов грунта, установленные друг под другом в порядке возрастания их диаметра сверху вниз, верхние и нижние перфорированные штампы, средства для создания вертикальной разгрузки и измерители деформации, отличающийся тем, что он выполнен в виде трех разъемных секций, установленных соосно друг под другом, каждая из которых образована верхним и нижним штампами и рабочим кольцом, размещенным между ними и соединенным со штампами прижимным кольцом, при этом верхние штампы выполнены в виде емкостей для заливки воды с плоскими перфорированными днищами и наклонными сплошными боковыми стенками, имеющими заплечики для установки измерителей деформаций, на внешней поверхности нижних штампов верхней и средней секций образованы кольцевые выступы с горизонтальными сквозными отверстиями, а на обращенной к ним поверхности перфорированных днищ верхних штампов нижележащих секций соответствующие выступам кольцевые проточки, причем внутренняя стенка прижимных колец имеет конусную поверхность для самоцентровки рабочего кольца.
Недостатком аналога является невозможность проведения испытаний грунтов с измерением как порового, так и бокового давлений.
3
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого предлагаемого изобретения является УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БОКОВОГО ДАВЛЕНИЯ В ГРУНТАХ (авторское свидетельство СССР на изобретение №939638, заявка 2868832/29-33 от 10.01.80, заявитель Ленинградский ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительный институт, авторы А.В.Голли и Л.К.Тихомирова, М.кл. E02D 1/00, опубл. 30.06.82), включающее корпус с пористым дном, тензокольцо с тензодатчиками, нагрузочное и измерительное приспособления, отличающееся тем, что с целью повышения точности и расширения диапазона исследований оно снабжено манометром с гибкими иглами, а корпус - жестким кольцом, соединенным с тензокольцом герметичным, упругим материалом, причем жесткое кольцо и тензокольцо выполнены с боковыми соосными отверстиями, в которых пропущены гибкие иглы, а тензокольцо установлено над пористым дном с зазором, равным 0,005-1 мм.
Недостатком прототипа является низкая точность измерения порового давления, влияние конструкции датчика порового давления и нагрузочного устройства на деформацию образца грунта, невозможность проведения испытаний с водонасыщением образца грунта обратным давлением, а также трудоемкость подготовки устройства к испытаниям.
Объяснение недостатков прототипа.
1. В прототипе игла порового давления вводится внутрь образца грунта, что препятствует перемещению частиц грунта, увеличивает жесткость грунта, вносит неоднородность внутрь образца, тем самым снижает точность измерения осевой деформации. Известно также, что при вдавливании иглы в образец она легко забивается грунтом, что может полностью исключить возможность измерения порового давления. Из прототипа не ясно, как удалить воздух из полости иглы и камеры манометра и заполнить этот объем водой, в противном случае наличие пузырьков воздуха не позволит измерять точно поровое давление.
2. В прототипе шток нагрузочного устройства проходит сквозь образец грунта. Возникает необходимость создания сквозного отверстия в образце грунта, что невозможно сделать в песчаных и супесчаных грунтах. Во-вторых, между штоком нагрузочного устройства и грунтом возникают силы трения, что оказывает влияние на измеряемую деформацию сжатия грунта.
3. В прототипе при измерении порового давления образца грунта невозможно предварительно полностью водонасытить образец грунта, например, методом обратного давления. Конструкция устройства не позволяет выполнить данную операцию из-за негерметичности направляющего стакана.
Пояснения. Согласно ГОСТ 12248-96 испытания методом компрессионного сжатия выполняют с образцом грунта диаметром 71 мм и высотой 25 мм, который находится в стальном кольце, что обеспечивает невозможность его расширения в радиальном направлении. Испытания проводят в условиях одномерной деформации. Нагрузку на образец грунта прикладывают через штамп ступенями со стабилизацией деформаций сжатия на каждой ступени нагружения. Продолжительность испытания для глинистых грунтов составляет до 2-3 суток, для торфа или илов 6-10 суток. Измеряются только осевая деформация и осевое усилие. Для определения показателя сжимаемости грунта (компрессионный модуль деформации) используют теоретические решения К.Терцаги. Это решение получено при фильтрации поровой воды в двух направлениях: к верхней и нижней границам образца грунта.
Известно также теоретическое решение, полученное Wissa, A. E. Z., Christian, J. Т., Davis, E. H., and Heiberg, S., «Consolidation at Constant Rate of Strain», Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol 97, No. SM10, 1971, pp.1393-1413, для случая односторонней фильтрации при сжатии образца грунта не ступенчатой нагрузкой (кН), а нагрузкой с заданной скоростью деформации (мм/мин). В этом случае продолжительность испытаний сокращается до нескольких часов. Этот вид нагружения, односторонняя фильтрация и измерение порового и бокового давления реализованы в предлагаемом изобретении.
Сущность технического решения
Известен способ измерения порового и бокового давления в условиях компрессионного сжатия грунта с помощью набора следующих технических средств: одометра, установленного в пресс, блока создания обратного давления, блока автоматического управления, состоящего из электронной преобразующей аппаратуры и персонального компьютера.
Техническая задача изобретения - повышение точности измерения порового и бокового давления грунта, расширение диапазона исследований, автоматизация и повышение производительности испытаний.
r
Эта задача решена тем, что в одометр устанавливают кольцо с грунтом, устанавливают крышку и закрепляют ее винтами к основанию, устанавливают одометр на основании пресса, а индикатор перемещений - в рабочее положение, регулировочным винтом устраняют зазор между датчиком силы и полым поршнем, подключают одометр к автоматическому блоку создания обратного давления и блоку автоматического управления, подключают датчики силы, перемещения, бокового и порового давления; подключают через интерфейс к компьютеру шаговый двигатель, блок автоматического управления, пресс и одометр и заканчивают подготовку испытаний, далее в автоматическом режиме с пульта управления закрывают краны блока обратного давления, к штуцеру подключают вакуумный эжектор, открывают кран и в камере одометра создают разряжение в 15…30 кПа, и этим натягивают внешнюю резиновую оболочку одометра; управляя с пульта, включают шаговый двигатель пресса, создают осевое сжимающее усилие и передают его через полый штамп и керамический фильтр на образец грунта, преодолевают силы трения между стальным кольцом и боковой поверхностью образца грунта, вертикально перемещают образец грунта вместе с перфорированной платформой, управляя с пульта датчиком перемещений, контролируют и измеряют величину перемещения образца грунта, а при достижении величины перемещения высоты образца грунта с компьютера автоматически выключают шаговый двигатель и фиксируют образец грунта в рабочем положении внутри резиновой оболочки, перекрывают отсос воздуха, отключают вакуумный эжектор от штуцера, управляя с пульта, заполняют рабочую камеру дегазированной водой из резервуара, спускным краном удаляют воздух из рабочей камеры и закрывают кран подачи воды, насыщают образец грунта водой из резервуара, контролируют величину обратного давления и компрессором создают заданную его величину, растворяют воздух в порах образца грунта в воде, продавливают воду снизу и сверху образца грунта, регулируют разницу давления между обратным и поровым давлением в пределах не более 10…15 кПа, контролируют поровое давление, ступенями в 15…30 кПа увеличивают обратное давление до полного водонасыщения образца грунта (S=92…95%) и, если измеряемое поровое давление равно обратному давлению - водонасыщение прекращают, используя разработанную программу, производят испытание грунта на сжатие с постоянной скоростью осевой деформации (мм/мин) до заданного эффективного напряжения, а в ходе испытаний измеряют полные и эффективные вертикальные и боковые напряжения, поровое давление и осевую деформацию.
На фиг.1 изображена конструкция одометра.
На фиг.2 - конструкция одометра после перемещения образца грунта в рабочее положение.
На фиг.3 - одометр, установленный в пресс.
На фиг.4 - схема управления и измерения порового и бокового давления.
На фиг.5 приведено аксонометрическое изображение одометра (в разрезе).
Пример реализации технического решения
На фиг.1 и 2 одометр содержит основание 1 с тремя несквозными цилиндрическими отверстиями 2. В отверстия 2 вставлены на пружинах 3 три подвижных штока 4, на которые опирается перфорированная платформа 5.
Одометр имеет датчик порового давления 6 в центре основания и керамический фильтр 7. Одометр снабжен каналами 8 для создания обратного давления и штуцером 9 для подключения к блоку обратного давления.
Рабочая камера выполнена из стальной или прозрачной оболочки 10, в боковую поверхность которой встроен штуцер 11 для соединения с блоком обратного давления, а также датчик бокового давления 12, передающий величину давления в блок автоматического управления, и спусковой кран 13.
Цилиндрическая резиновая оболочка 14 закреплена на выступах 15 оболочки 10.
Крышка 16 одометра включает керамический фильтр 17, полый поршень 18, стальное кольцо 19 с вложенным в него образцом грунта 20. Через полый поршень 18 проходит трубопровод 21.
Герметизацию полого поршня 18 обеспечивают боковые уплотнительные кольца 22, через которые он проходит.Герметизацию крышки одометра обеспечивает опорное кольцо 23. Крышка 16 присоединяется к основанию 1 тремя, винтами 24. Затяжка винтов обеспечивает фиксацию оболочки 14 в рабочем положении и герметизацию.
На фиг.3 показано соединение в единое целое одометра и пресса. Пресс имеет основание 25 с шаговым двигателем 26 внутри основания 25. Пресс снабжен датчиками осевого перемещения 27 и силы 28, а также снабжен регулировочным винтом 29. Пресс предназначен для воздействия на одометр 30 вертикальной силой снизу вверх, т.е. плита 31 пресса давит на одометр 30 снизу вверх.
На фиг.4 изображена схема автоматического управления и измерения порового и бокового давления, которая состоит из трех блоков:
«A» - компрессионный блок, содержащий одометр, встроенный в пресс;
«B» - блок создания обратного давления;
«C» - блок автоматического управления.
Все три блока объединены в единую систему автоматического управления и образуют компрессионный прибор.
Блок «В» создания обратного давления состоит из резервуара 32, снабженного штуцерами 33, 50 и датчиком давления 34, имеет соединительные трубопроводы 43, 44, 45 и краны 46-49.
Блок «C» автоматического управления получает команды с компьютера 35, соединенный интерфейсом 36 с автоматической преобразующей аппаратурой 37 (ЭПА).
Блок «C» автоматического управления соединен кабелями 38 (силы), 39 (перемещения), 40 (бокового давления), 41 (порового давления), 42 (привода шагового двигателя) с компрессионным блоком «A» и кабелем 51 с блоком «B» создания обратного давления. Автоматическая преобразующая аппаратура 37 усиливает и преобразует сигналы в цифровой вид с датчиков: порового давления 6, бокового давления 12 (фиг.1, 2), обратного давления 34 (фиг.4), силы 28 и перемещения 27 (фиг.3).
Компрессионный блок «A» соединен кабелями 38-42 с блоком автоматического управления «C», трубопроводами 43-45 с блоком обратного давления «B».
Компрессионный прибор работает следующим образом.
Этап 1. Подготовка одометра к испытаниям
1.1. Открутив крепежные винты 24, снимают крышку 16 одометра и в опорное кольцо 23 крышки устанавливают кольцо 19 с образцом грунта 20. Затем устанавливают крышку 16 обратно и герметично закрепляют ее винтами 24 к основанию одометра.
1.2. Устанавливают одометр основанием 1 (фиг.3) на плиту 31 пресса 25, затем устанавливают в рабочее положение датчик осевого перемещения 27 и устраняют зазор между датчиком силы 28 и полым поршнем 18 (фиг.1, 2) регулировочным винтом 29 (фиг.3).
Этап 2. Подключение одометра 1 к блоку обратного давления «В» и блоку автоматического управления «C» (фиг.4)
2.1. Трубопроводы 43-45 (фиг.4) блока обратного давления «B» подключают к штуцерам 9, 11, 21 одометра (фиг.1, 2) соответственно.
2.2. Кабели датчиков: силы 38, перемещения 39, бокового давления 40, порового давления 41 подключают к блоку автоматического управления «C».
Этап 3. Подключение одометра 1 и пресса 25 к компьютеру 35 блока автоматического управления «C»
3.1. Подключают кабель 42 (фиг.4) привода шагового двигателя 26 (фиг.3) к блоку «C».
3.2. Подключают автоматическую преобразующую аппаратуру 37 через интерфейс 36 (фиг.4) к компьютеру 35.
Этап 4. Реализация автоматического способа испытания и последовательность проведения испытаний
4.1. Закрывают кран 47 блока «В» обратного давления (фиг.4). К штуцеру 50 подключают вакуумный эжектор, открывают кран 49 и в камере одометра 1 создают разряжение в 15…30 кПа, достаточное для расширения резиновой оболочки 14.
4.2. По команде компьютера в автоматическую преобразующую аппаратуру 37 (фиг.4) подают сигнал на шаговый двигатель 26 пресса 25 (фиг.3) и создают осевое усилие, которое через полый поршень 18 и керамический фильтр 17 передают на образец грунта 20 в одометре (фиг.1, 2). Преодолевают силы трения между стальным кольцом 19 и боковой поверхностью образца грунта 20. Создают вертикальное перемещение образца грунта 20 совместно с перфорированной платформой 5. Перемещение образца 20 (фиг.1, 2) измеряют датчиком перемещения 27 (фиг.3).
В автоматическом режиме компьютером контролируют величину перемещения полого поршня 18, и при достижении величиной перемещения высоты образца грунта 20 (фиг.1, 2) компьютер автоматически выключает шаговый двигатель 26 (фиг.3). Образец грунта 20 занял рабочее положение внутри резиновой оболочки 14 (фиг.2).
4.3. Закрывают кран 49 и отключают вакуумный эжектор от штуцера 50 (фиг.4).
4.4. Открывают спускной кран 13 (фиг.1, 2), затем кран 47 (фиг.4) и заполняют рабочую камеру одометра дегазированной водой из резервуара 32. После удаления воздуха из рабочей камеры спускной кран 13 и кран 47 закрывают.
r
4.5. Автоматизация водонасыщения образца грунта. Открывают краны обратного давления 46, 48 и через штуцер 33 (фиг.4) в резервуаре 32 создают заданную величину обратного давления воздушным компрессором. Величину обратного давления контролируют датчиком давления 34. Датчиком давления 6 (фиг.1) автоматизированно по разработанной программе измеряют поровое давление в образце грунта. Разница между обратным и поровым давлением не должна быть более 10…15 кПа. Далее ступенями в 15…30 кПа увеличивают обратное давление до полного водонасыщения образца грунта S=92…95%. Водонасыщение завершают, если измеряемое поровое давление равно обратному давлению.
4.6. После автоматизированного водонасыщения образца грунта закрывают краны 46, 48 и, используя разработанную программу, проводят испытание на сжатие с постоянной скоростью осевой деформации (мм/мин) до заданного эффективного напряжения. В ходе испытаний измеряются полные и эффективные вертикальные и боковые напряжения, поровое давление и осевая деформация.
Промышленная применимость
Использование изобретения позволяет повысить точность измерения порового и бокового давления, введение автоматической системы управления процессом нагружения и сбора информации с датчиков повышает производительность испытаний. Кроме того, применение односторонней фильтрации и непрерывного нагружения позволяет сократить время испытаний до 8 раз, что видно из прилагаемых результатов испытаний (см. Приложение). Таким образом, изобретение улучшает также эксплуатационные характеристики и создает существенный технико-экономический эффект.
Список литературы
1. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. Изд-во Стандарты, 01.01.1997.
2. Свидетельство на полезную модель RU 54597 U1, МПК E02D 1/02, опубл. 10.07.2006.
3. Голли А.В., Тихомирова Л.К. Устройство для измерения бокового давления в грунтах. Авторское свидетельство СССР №939638, М.Кл. E02D 1/00, бюл. №24, 30.06.1982.
4. Воробьев Е.А. Прибор для компрессионных испытаний грунтов. Патент России RU №2045756, М. Кл. G01N 3/08, E02D 1/00, 10.10.1995. (Прототип).
Приложение
Результаты испытаний в компрессионных приборах
Общие данные
Испытания проводились в два этапа. На первом этапе были выполнены испытания с образцами глинистого грунта с использованием стандартной конструкции компрессионного прибора по ГОСТ 12248-96 и ступенчатом нагружении. На втором этапе испытания проводились с использованием предлагаемой конструкции компрессионного прибора с контролем порового давления и непрерывном нагружении, с заданной скоростью деформации (мм/мин).
В обоих случаях испытания были выполнены с использованием образцов-близнецов из грунта нарушенной структуры с физическими свойствами, которые приведены в табл.1.
Таблица 1
Физические характеристики образцов грунта
ω, д.е.
ω<sub>L</sub>, д.е.
ω<sub>p</sub>, д.е.
I<sub>p</sub>, д.е.
I<sub>L</sub>
ρ, г/см<sup>3</sup>
ρ<sub>d</sub>, г/см<sup>3</sup>
ρ<sub>s</sub>, г/см<sup>3</sup>
n, д.е.
e
S<sub>r</sub>
0,3
0,41
0,21
0,20
0,45
1,93
1,49
2,70
0,45
0,819
0,989
1. Испытания при ступенчатом действии внешней нагрузки в компрессионном приборе по ГОСТ 12248-96
Таблица 2
Средние значения четырех испытаний
σ, МПа
h, мм
ε
Е, МПа
m<sub>0</sub>, МПа<sup>-1</sup>
е
0
0
0
0,00
0,000
0,819
0,005
0,05
0,0020
1,45
0,766
0,815
0,008
0,09
0,0035
1,42
0,779
0,812
0,011
0,10
0,0040
3,05
0,364
0,811
0,013
0,11
0,0044
2,92
0,380
0,811
0,017
0,12
0,0048
6,61
0,168
0,810
0,050
0,48
0,0192
1,39
0,800
0,784
0,099
0,85
0,0339
2,03
0,546
0,757
0,200
1,45
0,0580
2,56
0,433
0,713
0,300
1,93
0,0773
3,15
0,352
0,678
0,400
2,32
0,0928
3,93
0,283
0,650
Таблица 3
Продолжительность испытаний
Номер испытания
Продолжительность испытаний, час
1
84,26
2
77,57
3
81,12
4
85,08
Среднее - 82 ч 13 мин
2. Испытания на компрессионное сжатие с постоянной скоростью деформации в предлагаемой конструкции прибора
Таблица 4
Средние значения трех испытаний
σ, МПа
h, мм
ε
Е, МПа
m<sub>0</sub>, МПа<sup>-1</sup>
е
0.
0
0
0
0
0,819
0,05
0,64
0,03
1,45
0,92
0,772
0,10
1,01
0,04
2,24
0,53
0,745
0,20
1,57
0,06
2,72
0,41
0,704
0,30
1,98
0,08
3,84
0,29
0,675
0,40
2,30
0,09
4,72
0,24
0,652
0,50
2,69
0,11
4,11
0,28
0,623.
0,60
2,88
0,12
8,65
0,14
0,609
Таблица 5
Продолжительность испытаний
Номер испытания
Продолжительность испытаний, час
1
8,16
2
7,05
3
16,35
Среднее - 10 ч 40 мин
3. Сравнение испытаний на компрессионное сжатие
Рис.3. Сравнение результатов испытаний в компрессионных приборах различной конструкции
Выводы
1. Испытания в предлагаемой конструкции компрессионного прибора проводятся в 8 раз быстрее.
2. Результаты обоих видов испытаний практически совпадают (рис.3). Расхождения в определяемом компрессионном модуле деформации Е составляют не более 20% (табл.2 и 4).