СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЛОЯ ПОЧВОГРУНТА, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ИМЕЮЩЕГО НИЗКУЮ И СРЕДНЮЮ ПЛОТНОСТЬ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01N33/24 

Изобретение относится к области испытания при инженерных изысканиях в сельском хозяйстве и строительстве, в частности к способам и устройствам для определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта, преимущественно низкой и средней плотности, в полевых условиях.

Известен способ определения несущей способности грунта как испытания по контролю за уплотнением в дорожном строительстве и устройство для его осуществления [1]. При этом слой дорожной одежды нагружают статической нагрузкой через жесткий круглый штамп посредством гидроцилиндра, являющегося продолжением направляющей штанги, расположенной соосно на штампе, упирающегося в раму автомобиля или любой дорожной машины, а модуль деформации определяют по формуле
E₀=1,5•r•P/s,
где r - радиус штампа;
Р - нагрузка на единицу площади;
s - прогиб слоя, определяемый посредством механических индикаторов деформации часового типа.

Недостатки указанного способа состоят в следующем. Во-первых, измеряется только вертикальная часть деформации слоя, что не позволяет определить его сдвиговые и объемные характеристики. Во-вторых, 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 деформации и модуля деформации. В-третьих, 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 давление в гидроцилиндре, что в результате приводит к непостоянству статической нагрузки на штампе и, как следствие, к увеличению погрешности измерения. В-четвертых, 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-пятых, 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.

Известны также способ определения модуля деформации и модуля упругости грунта и устройство для его осуществления [2]. Способ включает 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 по формуле

где р - давление, МПа;
D - диаметр штампа, см;
μ - коэффициент Пуассона, для грунтов при отсутствии пластических смещений равный 0,35;
l - обратимая деформация (для определения модуля упругости) или полная деформация (для определения модуля деформации), см.

Недостатками указанного способа и 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, ступенчатое нагружение постоянной нагрузкой чисто технически не может быть обеспечено мгновенно, т.к. возрастание нагрузки на штампе от нуля до требуемого значения осуществляется как минимум за доли секунды, что значительно искажает получаемые результаты развития деформации во времени под нагрузкой. В-третьих, испытания проводятся на специальном стенде в лабораторных условиях с использованием заранее сформированных образцов грунта, что влияет на искажения структуры грунта по сравнению со структурой грунта, находящегося в реальных условиях эксплуатации. В-четвертых, 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-пятых, измеряется только вертикальная часть деформации слоя, что не позволяет определить его сдвиговые и объемные характеристики.

Известен также способ (методика) оценки степени уплотнения крупнообломочного грунта и устройство для его осуществления [3]. В процессе динамического нагружения слоя грунта через круглый штамп грузом, разделенным на элементы и сбрасываемым с определенной высоты по направляющим штангам, создается динамическая нагрузка на слой грунта с переменной длительностью импульса загружения, регулируемой посредством элементов, соединяющих между собой разделенные элементы сбрасываемого на штамп груза. При этом замеряется остаточная деформация осадки штампа диаметром D_шт, которая не должна превышать определенной величины. В противном случае уплотнение слоя грунта считается недостаточным.

Достоинством данного способа и устройства для его осуществления является обеспечение динамической нагрузки с регулируемой длительностью импульса загружения слоя грунта через штамп, что при достигнутых и соответствующих реальным нагрузках на слой грунта повышает мобильность установки, проявляющейся в снижении материалоемкости, а также устраняет необходимость применения в качестве упора (как это необходимо при нагружении статической нагрузкой) рамы различных автомобилей или дорожных машин.

Недостатками данного способа и устройства для его осуществления являются следующие. Во-первых, разделение груза на элементы приводит к тому, что при сбрасывании его по направляющим штангам на жесткий круглый штамп в слое грунта развиваются значительные по величине и кратковременные по длительности ударные динамические нагрузки, что приводит к разрушению структуры грунта. Кроме того, ударный импульс вследствие особенностей взаимодействия элементов сбрасываемого груза на штамп имеет сложную форму, не соответствующую реальному характеру воздействия ходовых систем машин на слой грунта, и не может быть определен количественно вследствие различного физико-механического состояния грунта, что вносит погрешность в оценку степени уплотнения грунта. Во-вторых, измеряется только вертикальная (продольная) часть деформации слоя, что не позволяет определить его сдвиговые и объемные характеристики. В-третьих, регистрация только остаточной деформации осадки штампа не позволяет определить модули упругости и деформации слоя грунта, как основных характеристик при уплотнении, а также определить параметры реологических характеристик, например параметры кривых ползучести.

Известен также способ испытания дорожной одежды и устройство для его осуществления [4, 5]. Слой нагружается динамической нагрузкой посредством установки динамического нагружения, в которой груз падает с определенной высоты по направляющей штанге на упругое амортизационное устройство (пружину), передающее кратковременную динамическую нагрузку на слой через круглый штамп, соединенный с направляющей штангой соосно. Подъем груза, а также штампа осуществляют ручной или механической лебедкой. Для измерения деформации одежды применяют вибрографы, записывающие вертикальную деформацию на бумажную ленту, или датчики перемещения с фиксацией вертикальной (продольной) деформации с помощью осциллографа. При этом наибольшее динамическое усилие и модуль упругости (мгновенный модуль деформации) определяют по формуле



где σ₁₁ - контактное давление под штампом, развиваемое вследствие действия динамической нагрузки, Па;
F_шт - площадь штампа, м²;
М - масса падающего груза, кг;
g - ускорение свободного падения (9,81 м/с²);
Н - высота падения груза, см;
δ - показатель, характеризующий жесткость амортизатора и равный его деформации от статического действия груза массой М, м;
К_П - коэффициент, учитывающий потери энергии (только в деформируемом слое) при сбрасывании груза;
l, l' - вертикальные деформации дорожной одежды от первого и второго удара (после подскока) при одном и том же сбрасывании, см;
D - диаметр штампа, см;
ε - относительная деформация слоя;
μ - коэффициент Пуассона, для дорожных одежды принимаемый равным 0,3.

Достоинствами данного способа и устройства для его осуществления являются следующие. Во-первых, нагружение слоя осуществляют динамической нагрузкой, что при достигнутых и соответствующих реальным нагрузках на слой грунта повышает мобильность установки, проявляющейся в снижении материалоемкости, а также устраняет необходимость применения в качестве упора (как это необходимо при нагружении статической нагрузкой) рамы различных автомобилей или дорожных машин. Во-вторых, применение цельного груза, не разделенного на элементы, позволяет передавать через пружину на штамп нагрузку, характер изменения которой соответствует реальному характеру воздействия ходовых систем машин (в частности, колесных) на деформируемое основание, близкому к параболической форме.

Недостатками данного способа и устройства для его осуществления являются следующие. Во-первых, измеряется только вертикальная (продольная) часть деформации слоя, что не позволяет определить его сдвиговые и объемные характеристики. Во-вторых, коэффициент К_П определяется не совсем корректно, т.к. при отскоке груза вверх после первого цикла нагружения (удара) в слое испытуемого материала происходят структурные изменения вследствие развивающихся в слое остаточных внутренних напряжений. Это значит, что модуль деформации и действующая на штамп нагрузка (ее величина и характер изменения) зависят не только от параметров состояния слоя (температуры, плотности, влажности), но и от сложившейся структуры. Поэтому второй и последующие циклы нагружения будут протекать по измененным законам нагружения, вследствие изменившейся структуры за счет быстрого (в пределах сотых долях секунды) изменения напряженного состояния слоя. Кроме того, при падении груза по направляющей штанге возникают определенные силы трения, а также при сжатии пружины происходит потеря энергии, идущая на нагрев витков пружины вследствие кратковременного динамического воздействия через пружину и штамп на слой, которые не учитываются в расчетах. В силу отмеченных обстоятельств определение наибольшего динамического усилия является некорректным. В-третьих, как показали исследования [6] , для различных материалов или при деформировании одного и того же материала различными видами нагружения развитие деформации слоя протекает по различным законам. Отсюда можно сделать вывод, что необходимо знать параметры кривых ползучести (деформации), в соответствии с которыми можно достаточно точно определить деформацию слоя грунта в любой момент времени расчетным путем, а также модуль деформации слоя, что может существенно расширить информативность получаемых из опытных данных результатов. Представленный и все представленные выше способы не позволяют определить параметры кривых ползучести, а значит и определить достаточно точно модуль упругости (модуль мгновенной деформации) и модуль деформации в любой момент времени действия нагрузки.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ динамического испытания несущей способности грунта, при котором динамическая нагрузка на поверхность грунтового слоя создается прогибомером в падающим грузом (через амортизирующее устройство) и измеряется образовавшийся прогиб, на основе которого и вычисляется модуль упругости материала [1, 7, 8]. Указанный способ и устройство для его осуществления аналогичны предыдущему [4, 5] , отличие состоит лишь в испытаниях различных материалов (грунтов или дорожной одежды).

Задачей изобретения является повышение эффективности испытаний, точности измерений и расширение информативности полученных результатов.

Сущность изобретения выражается в том, что в способе определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта, включающем нагружение слоя динамической нагрузкой посредством падения груза с определенной высоты на упругое амортизационное устройство, передающее кратковременную динамическую нагрузку через штамп, измерение продольной деформации слоя и определение модуля продольной деформации слоя, дополнительно измеряют поперечную деформацию слоя почвогрунта под штампом, определяют параметры опытных кривых продольной и поперечной ползучести как минимум при трех значениях времени деформации t₁, t₂ и t₃ и мгновенный модуль продольной деформации из выражений





где ε₁₁ и ε₂₂ - продольная и поперечная относительная деформация слоя;
продольная относительная деформация слоя при ступенчатом законе нагружения (законе Хевисайда);
Е - мгновенный модуль продольной деформации (при t=0), кПа;
σ₁₁ - максимальное давление под штампом, кПа;
K₁₁(t-τ) и K₂₁(t-τ) - функции скорости продольной и поперечной ползучести, с^-1;
Г(α₁) и Г(α₂) - соответствующие им гамма-функции Эйлера;
t₁, t₂ и t₃ - моменты времени, при которых происходит скачок скорости нагружения штампа при трапецеидальном законе нагружения, с;
τ - текущее значение времени, с,
при этом максимальное давление под штампом определяют из опыта посредством указателя максимальной деформации амортизирующего устройства по выражению

где Н_сж - величина максимальной деформации амортизирующего устройства, мм;
К_пр - коэффициент упругости амортизирующего устройства, кН/мм;
F_шт- площадь штампа, м²,
а также определяют функции скоростей сдвиговой К_с(t) и объемной К_v(t) ползучести по выражениям


где ν₀ - коэффициент Пуассона.

Устройство для реализации способа, включающее круглый штамп с закрепленной на нем вдоль его оси направляющей штангой, амортизирующее устройство в виде витой пружины, расположенное соосно на штампе, груз, поднимаемый ручной лебедкой и сбрасываемый на амортизирующее устройство с определенной высоты по направляющей штанге, датчик вертикального перемещения штампа с фиксацией вертикальной (продольной) деформации слоя почвогнута с помощью осциллографа, снабжено расположенным внутри амортизирующего устройства указателем его максимальной деформации при первом цикле нагружения, датчиком поперечной деформации слоя почвогрунта, фиксируемой посредством осциллографа, вертикальным коромыслом, у которого ось вращения закреплена неподвижно, конец нижней части с закрепленной на ней лопаткой погружен в слой почвогрунта до половины его толщины, а верхняя его часть соединена с датчиком поперечной деформации слоя почвогрунта, при этом коромысло размещено в непосредственной близости от края штампа.

На фиг.1 изображена схема реализации способа; на фиг.2 - график нагружения и развития относительной деформации слоя почвогрунта; на фиг.3 - устройство, общий вид.

Способ реализуется следующим образом.

Устанавливают на поверхности слоя почвогрунта толщиной h_сл (фиг.1) круглый штамп с соосно закрепленной на нем направляющей штангой 2, через который нагружают слой динамической нагрузкой посредством падения груза 3 с определенной высоты H на упругое амортизирующее устройство 4, выполненное, например, в виде витой пружины, установленное соосно на верхней поверхности штампа.

Одновременно с нагружением слоя почвогрунта динамической нагрузкой (фиг. 2) измеряют продольную λ₁₁ и поперечную λ₂₂ деформации слоя почвогрунта с помощью датчиков продольной 5 и поперечной 6 деформации (фиг.3, фиг.4, фиг. 5), закрепленных неподвижно, посредством механических связей 7, жестко соединяющей ползунок датчика 5 со штампом, и 8, соединяющей ползунок датчика 6 с коромыслом 9 через шарнир. При этом коромысло 9, у которого ось вращения закрепляют неподвижно, предварительно погружают в слой почвогрунта нижней его частью с закрепленной на ней лопаткой 11 на глубину, равную половине толщины слоя h_сл. Поперечная деформация λ₂₂ слоя почвогрунта при его сжатии проявляется в явлении бочкообразности условного цилиндра 10, геометрически сформированного поверхностью контакта круглого штампа 1 со слоем почвогрунта, периметром штампа 1, недеформируемым основанием 12 и толщиной деформируемого слоя почвогрунта h_сл, которое заставляет перемещаться лопатку 11 в радиальном направлении от оси штампа и поворачивает коромысло 9 вокруг неподвижной оси вращения.

По зафиксированным на осциллограмме продольной λ₁₁ и поперечной λ₂₂ деформациям слоя почвогрунта получают кривые изменения относительной продольной ε₁₁ и относительной поперечной ε₂₂ деформаций слоя почвогрунта согласно выражению
ε_ii = λ_ii/D_шт,
где D_шт - диаметр штампа,
а затем определяют параметры опытных кривых продольной и поперечной ползучести как минимум при трех значениях времени деформации t_шт,t₁ и t₂ и мгновенный модуль продольной деформации из выражений





где ε₁₁ и ε₂₂ - продольная и поперечная относительная деформация слоя;
продольная относительная деформация слоя при ступенчатом законе нагружения (законе Хевисайда);
Е - мгновенный модуль продольной деформации (при t=0), кПа;
σ_11/- максимальное давление под штампом, кПа;
K₁₁(t-τ) и K₂₁(t-τ) - функции скорости продольной и поперечной ползучести, с₃;
Г(α₁) и Г(α₂) - соответствующие им гамма-функции Эйлера;
t₁, t₂ и t₃ - моменты времени, при которых происходит скачок скорости нагружения штампа при трапецеидальном законе нагружения, с;
τ - текущее значение времени, с.

Выражения для мгновенного модуля продольной деформации Е и функций скоростей продольной K₁₁(t-τ) и поперечной K₂₁(t-τ) взяты по аналогии с [9].

Максимальное давление под штампом 1 согласно третьему закону Ньютона определяют из опыта посредством указателя максимальной деформации 13 амортизирующего устройства 4 по выражению

где Н_сж - величина максимальной деформации амортизирующего устройства в момент первого цикла нагружения слоя почвогрунта через штамп, мм;
К_пр - коэффициент упругости амортизирующего устройства, который определяют заранее путем тарировки, кН/мм;
F_шт - площадь штампа, м².

Далее, по найденным функциям скоростей продольной K₁₁(t-τ) и поперечной K₂₁(t-τ) ползучести определяют функции скоростей сдвиговой К_c(t) и объемной К_v(t) ползучести. Выражения для определения К_с(t) и К_v(t) получены по аналогии с [9], где получены подобные выражения, но только для случая растяжения цилиндрических образцов под нагрузкой, изменяющейся в соответствии с законом Хевисайда (когда материал мгновенно нагружается максимальной нагрузкой, выдерживается под этой нагрузкой в течение некоторого времени, а затем мгновенно разгружается до нуля).

Для сжатого цилиндрического образца имеем


где ν₀ - коэффициент Пуассона.

Для компоненты е₁₁ девиатора имеем

Так как компонента девиатора тензора напряжения S₁₁ = 2/3•σ₁₁, или σ₁₁ = 3/2•S₁₁, то

где функция скорости сдвиговой ползучести

т.е. форма сдвига при сжатии аналогична форме сдвига при растяжении.

Уравнение объемной ползучести в случае одноосного сжатия будет

Так как где шаровой тензор, то

где

т. е. объемная деформация уменьшается вследствие уплотнения, и здесь уже форма объемной деформации отлична от случая растяжения образца.

Устройство для осуществления способа (фиг.6, фиг.7) состоит из круглого штампа 1 с закрепленной на нем вдоль его оси направляющей штангой 2, амортизирующего устройства 4 в виде витой пружины, расположенного соосно на штампе 1, груза 3, поднимаемого ручной лебедкой 14, закрепленной на специальной раме 15, и сбрасываемого на амортизирующее устройство 4 с определенной высоты Н по направляющей штанге 2, датчика 5 вертикального перемещения штампа 1, закрепленного неподвижно на дополнительной неподвижной стойке 16 и соединенного через ползунок датчика продольной деформации 5 со штампом 1 посредством механической связи 7. Внутри амортизирующего устройства 4 в верхней его части на направляющей штанге 2 установлен указатель 13 максимальной деформации амортизирующего устройства 4, выполненный в виде толстостенной резиновой втулки, посаженной на направляющей штанге 2 по посадке с небольшим натягом с возможностью принудительного перемещения вниз при деформировании амортизирующего устройства 4 под действием падающего груза 3. На дополнительной неподвижной стойке 16 вместе с датчиком 5 закреплен датчик 6 поперечной деформации слоя почвогрунта, соединенный через ползунок датчика 6 посредством механической связи 8 с верхней частью коромысла 9 через шарнир. Коромысло 9 в нижней его части несет лопатку 11, а в средней части имеет ось вращения, неподвижно закрепленную с дополнительной неподвижной стойкой 16. Датчики вертикальной (продольной) деформации слоя почвогрунта (или, адекватно, вертикального перемещения штампа) 5 и поперечной деформации слоя почвогрунта 6 соединены электрической связью через усилитель 17 с осциллографом 18.

Устройство работает следующим образом. Специальную раму 15 устанавливают на слой почвогрунта. С помощью ручной лебедки 14 подвешивают через ролики груз 3 с центральным отверстием, через которое пропускают направляющую штангу 2. На штамп 1 устанавливают соосно амортизирующее устройство 4. Жестко соосно закрепляют на штампе 1 направляющую штангу 2 с предварительно надетым указателем 13 максимальной деформации амортизирующего устройства 4. Дополнительную неподвижную стойку 16 с закрепленными на ней датчиками продольной 5 и поперечной 6 деформаций слоя почвогрунта, соединенными электрической связью через усилитель 17с осциллографом 18, устанавливают в непосредственной близости от штампа 1 путем заглубления ее заостренным концом в подстилающий слой 12 грунта, представляющий собой недеформируемое основание. Коромысло 9 нижней его частью с закрепленной на ней лопаткой 11 заглубляют вертикально в слой почвогрунта до середины его толщины и через ось вращения, расположенную в средней части коромысла, соединяют коромысло 9 с дополнительной неподвижной стойкой 16. Датчик 6 поперечной деформации слоя почвогрунта соединяют через ползунок датчика посредством механической связи 8 с верхней частью коромысла 9 через шарнир. Датчик 5 вертикальной (продольной) деформации слоя почвогрунта через ползунок датчика посредством механической связи 7 соединяют со штампом 1. Указатель 13 максимальной деформации амортизирующего устройства 4 устанавливают под верхнюю его часть путем перемещения по направляющей штанге 2.

Включают записывающее устройство осциллографа 18 и сразу после этого свободно сбрасывают груз 3 на амортизирующее устройство 4, отпуская ручную лебедку 14. В момент касания грузом 3 амортизирующего устройства 4 и далее при его деформировании штамп 1 начнет погружаться в слой почвогрунта, деформируя его. При этом ползунок 7 датчика 5 начнет перемещаться вниз, изменяя параметр датчика, а осциллограф будет фиксировать изменение сигнала. Одновременно с погружением штампа 1 в слой почвогрунта также начнет перемещаться в радиальном направлении от оси штампа лопатка 11, поворачивая коромысло 9 вокруг его неподвижной оси вращения, в силу проявления "бочкообразности" условного цилиндра 10, геометрически сформированного поверхностью контакта круглого штампа 1 со слоем почвогрунта, периметром штампа 1, недеформируемым основанием 12 и толщиной деформируемого слоя почвогрунта h₁₁. При этом ползунок 8 датчика 6 начнет перемещаться к оси симметрии штампа 1, изменяя параметр датчика 6, а осциллограф будет фиксировать изменение сигнала.

По окончании первого цикла нагружения штампа 1 грузом 3 через амортизирующее устройство 4 после отскока груза вверх выключают записывающее устройство осциллографа, а по окончании динамических колебаний груза 3 замеряют величину смещения вниз Н_сл указателя 13 максимальной деформации амортизирующего устройства 4, соответствующую максимальной деформации амортизирующего устройства 4 при первом цикле нагружения слоя почвогрунта.

Преимущества предложенных способа и устройства для его осуществления наглядно представлены в таблице.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют качественно повысить эффективность испытаний, точность измерений и расширить информативность полученных результатов.

Источники информации
1. Форссблад Л. Вибрационное уплотнение грунтов и оснований /пер. с англ. И.В. Гагариной. - М.: Транспорт, 1987, - 188 с.

2. 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.

3. Операционный контроль качества земляного полотна и дорожных одежд /И. Е. Евгеньев, А.Я. Тулаев, В.С. Порожняков и др.: Под ред. А.Я. Тулаева - М.: Транспорт, 1985, - 224 с.

4. Гельфер Г.А. Строительство и эксплуатация городских дорог. - 3-е изд. , перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1989, - 272 с.

5. Ремонт и содержание автомобильных дорог: Справочник инженера-дорожника /А.П. Васильев, В.И. Баловнев, М.Б. Корсунский и др. Под ред. А.П. Васильева. - М.: Транспорт, 1989, - 287 с.

6. Носов С.В., Носов В.В. К вопросу по оценке эффективности уплотнения асфальтобетонных смесей гладковальцовыми статическими и вибрационными катками. // Оптимизация параметров строительных и дорожных машин. - Ярославль, 1992, - с. 46-55 /сб.тр. ЯПИ/.

7. Tholen O. Falling meight deflectometer. A device for bearing capacity measurement: Properties and performance /Departmen of Highway Engineering Royal Institute of Technology. - Stockholm, Sweden, 1980.

8. Koole R. C. Overlay design with the falling weight deflectometer /Symposium Pavement Evaluation and Overlay Design, Transportation Research Board Meeting - Washington D.C., U.S.A., January, 1979.

9. Колтунов М.А. Ползучесть и релаксация: Учебное пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1976, - 277 с.

Изобретение относится к области инженерных изысканий в сельском хозяйстве и строительстве, в частности к способам и устройствам для определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта, и позволяет повысить эффективность испытаний, точность измерений и расширить информативность полученных результатов. При сбрасывании груза по направляющей штанге на амортизирующее устройство слой почвогрунта через штамп деформируется нагрузкой. Нагрузка изменяется по закону, близкому к трапецеидальному. Фиксируются продольная λ и поперечная деформации слоя почвогрунта, развивающиеся во времени. Фиксация осуществляется посредством датчиков деформации и коромысла. Также фиксируется максимальная деформация амортизирующего устройства посредством указателя максимальной деформации. По полученным данным определяют параметры опытных кривых продольной и поперечной ползучести. Также определяют мгновенный модуль продольной деформации слоя почвогрунта и функции скоростей сдвиговой и объемной ползучести. Применение изобретения позволит в полевых условиях повысить эффективность и точность измерения характеристик почвогрунта. 2 с.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта, преимущественно имеющего низкую и среднюю плотность, включающий нагружение слоя динамической нагрузкой посредством падения груза с определенной высоты на упругое амортизационное устройство, передающее кратковременную динамическую нагрузку через штамп, измерение продольной деформации слоя и определение модуля продольной деформации слоя, отличающийся тем, что дополнительно измеряют поперечную деформацию слоя почвогрунта под штампом, определяют параметры опытных кривых продольной и поперечной ползучести как минимум при трех значениях времени деформации t₁, t₂ и t₃ и мгновенный модуль продольной деформации из выражений





где ε₁₁ и ε₂₂ - продольная и поперечная относительные деформации слоя;
продольная относительная деформация слоя при ступенчатом законе нагружения (законе Хевисайда);
Е - мгновенный модуль продольной деформации (при t = 0), кПа;
σ₁₁ - максимальное давление под штампом, кПа;
K₁₁(t-τ) и K₂₁(t-τ) - функции скорости продольной и поперечной ползучести, с^-1;
Г(α₁) и Г(α₂) - соответствующие им гамма-функции Эйлера;
t₁, t₂ и t₃ - моменты времени, при которых происходит скачек скорости нагружения штампа при трапециедальном законе нагружения, с;
τ - текущее значение времени, с,
при этом максимальное давление под штампом определяют из опыта посредством указателя максимальной деформации амортизирующего устройства по выражению

где Н_сж - величина максимальной деформации амортизирующего устройства, мм;
К_пр - коэффициент упругости амортизирующего устройства, кН/мм,
F_шт - площадь штампа, м²,
а также определяют функции скоростей сдвиговой K_c(t) и объемной K_v(t) ползучести по выражениям


где ν₀ - коэффициент Пуассона. 2. Устройство для определения физико-механических характеристик, преимущественно слоя почвогрунта, имеющего низкую и среднюю плотность, включающее круглый штамп с закрепленной на нем вдоль его оси направляющей штангой, амортизирующее устройство в виде витой пружины, расположенное соосно на штампе, груз, поднимаемый ручной лебедкой и сбрасываемый на амортизирующее устройство с определенной высоты по направляющей штанге, датчик вертикального перемещения штампа с фиксацией вертикальной (продольной) деформации слоя почвогрунта с помощью осциллографа, отличающееся тем, что оно снабжено расположенным внутри амортизирующего устройства указателем его максимальной деформации при первом цикле нагружения, датчиком поперечной деформации слоя почвогрунта, фиксируемой посредством осциллографа, вертикальным коромыслом, у которого ось вращения закреплена неподвижно, конец нижней части с закрепленной на ней лопаткой погружен в слой почвогрунта до половины его толщины, а верхняя его часть соединена с датчиком поперечной деформации слоя почвогрунта, при этом коромысло размещено в непосредственной близости от края штампа.