СПОСОБ ЛАБОРАТОРНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМИРУЕМОСТИ ГРУНТА ПОД КОНТРОЛИРУЕМОЙ ТРЕХОСНОЙ НАГРУЗКОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G01N3/12 

Изобретение относится к определению прочностных и деформационных свойств водонасыщенных грунтов под фундамент технических сооружений до начала строительства, а также в процессе эксплуатации, преимущественно на шельфе озер, морей и др., при циклических испытаниях прочности и деформируемости образцов грунта ненарушенной либо нарушенной структуры (в восстановленном состоянии) под контролируемой трехосной нагрузкой в приборе трехосного сжатия лабораторными методами.

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 камеру трехосного сжатия, 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 программы 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:

- неконсолидированное-недренированное испытание;

- консолидированное-недренированное испытание;

- консолидировано-дренированное испытание.

Результаты испытаний оформляют в виде графиков зависимости деформаций образца от нагрузки.

Основным недостатком известного способа является то, что он не предусматривает учета влияния на прочностные и деформационные характеристики грунтового массива во времени (моделью которого являются испытываемые образцы) случайных природных (цунами, землетрясения и т.д.), а также техногенных динамических воздействий, например, при работе бурового станка, дизель-молота, компрессора и др.

Прототипом изобретения, по существу решаемой задачи и общему количеству существенных признаков в части способа, является стандартный способ испытания грунта под трехосной циклической нагрузкой [2]. Этот способ, согласно русской версии перевода с английского (который также называют потенциалом разжижения), применяется для определения циклической прочности водонасыщенных образцов грунтов цилиндрической формы в ненарушенном либо в восстановленном состоянии при создании дополнительных циклических нагрузок, имитирующих природные воздействия на сооружение и передаваемые на фундамент, в дополнение к контролируемым трехосным статическим боковым и осевым нагрузкам, прикладываемым ступенями к образцу грунта в камере трехосного сжатия.

Сущность известного решения заключается в том, что подготовленный к испытанию водонасыщенный образец грунта цилиндрической формы, помещают в водонепроницаемую резиновую оболочку между нижним и верхним штампами в герметичную камеру 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 в жидкости образца 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 программы 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, при этом 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.

Недостатком известного способа является то, что он не предусматривает учета одновременного влияния на прочностные свойства испытываемого грунта как долговременных высокочастотных нагрузок, передаваемых на фундамент, например, от работы бурового станка, дизель-молота, компрессора и др., так и от эпизодических несимметричных природных повторяющихся со значительным интервалом времени и со значительной амплитудой нагрузок на сооружение, передающихся на фундамент.

Технической задачей изобретения при испытании грунтов в режиме циклических нагрузок под контролируемой статической трехосной нагрузкой в камере трехосного сжатия является обеспечение учета реальных факторов воздействия на фундамент сооружения, заданных программой испытаний, дополнительно высокочастотных гармонических техногенных нагрузок, возникающих при работе механизмов и периодических природных нагрузок со значительной амплитудой, например от штормовых волн, навала ледовых полей и ветровых нагрузок, регламентированных нормативными документами [3].

Поставленная техническая задача в части способа решена тем, что способ лабораторного определения циклической прочности и деформируемости грунта под контролируемой трехосной нагрузкой, заключающийся в том, что подготовленный к испытанию водонасыщенный образец грунта цилиндрической формы 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 перового 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 программы 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, при этом 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, согласно изобретению, в качестве силового механизма используют пневмоцилиндр, а дополнительную циклическую знакопеременную симметричную низкочастотную нагрузку, прикладываемую к штоку-хвостовику штампа, обеспечивают путем создания периодического перепада давления в верхней и нижней камерах пневмоцилиндра, с использованием автономного источника избыточного давлений воздуха, посредством управляемых электромагнитных дренажных клапанов, причем тем же путем к образцу прикладывают нагрузку с несимметричными эпизодическими циклами со значительной по величине амплитудой, моделирующую влияние на сооружение эпизодических воздействий, например от штормовых волн, навала ледовых полей и ветровых нагрузок, передаваемых на фундамент сооружения, а также дополнительно к штоку-хвостовику прикладывают высокочастотную гармоническую нагрузку, моделирующую работу размещенных на сооружении механизмов, например бурового станка, дизель молота, компрессора и др. с использованием регулируемого по моменту инерции и по оборотам эксцентрика, вращаемого автономным и управляемым приводом по заданной программе. Дополнительные высокочастотные симметричные гармонические, а также эпизодические нагрузки передают на хвостовик верхнего штампа либо одновременно с низкочастотными нагрузками, либо в заданной последовательности согласно программы испытаний, при этом измеряют суммарное воздействие на образец этих нагрузок.

Прототипом устройства для лабораторного определения циклической прочности и деформируемости грунта под контролируемой трехосной нагрузкой для реализации способа, по существу решаемой задачи, является оборудование для реализации стандартного способа испытания грунта под трехосной циклической нагрузкой [2]. Устройство включает жесткое неподвижное основание с устанавливаемой на нем и фиксируемой соосно штоку механизма осевой нагрузки герметичной камерой трехосного сжатия, состоящей из поддона, прозрачного корпуса и оснащенной вентилем для выпуска воздуха 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 с возможностью бокового расширения, помещенный в резиновую водонепроницаемую оболочку, концы которой закреплены на штампах уплотнительными резиновыми кольцами, при этом штампы оснащены жесткими водопроницаемыми пластинами и дренажными каналами в виде тонких трубопроводов, соединенными свободными концами с источниками избыточного и отрицательного давления жидкости с перекрывающими кранами, а также оснащеных жесткими электронными датчиками порового давления жидкости в образце грунта, а полость камеры соединена с автономной емкостью жидкости и с волюметром, оснащенным электронным датчиком давления жидкости в камере, соответствующего бытовому давлению, 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 электронный датчик осевой нагрузки со штоком силового цилиндра, а также с автономным механизмом создания низкочастотных, калиброванных по частоте и амплитуде знакопеременных симметричных сжимающих и растягивающих нагрузок на образец, моделирующих воздействие природных сейсмических факторов на фундамент сооружения, и дополнительно с электронным датчиком линейных перемещений хвостовика при создании нагрузок на образец грунта, при этом все предварительно откалиброванные и согласованные электронные датчики соединены электрической связью с управляющим электронным блоком с программным управлением и с оперативной обработкой результатов измерений, а силовой цилиндр, механизм создания низкочастотных нагрузок и датчик линейных перемещений штока-хвостовика смонтированы неподвижно относительно камеры трехосного сжатия.

Недостатком известного решения является то, что оно не предусматривает создания несимметричных эпизодических динамических нагрузок на образец, повторяющихся с большими интервалами времени и значительной амплитудой, моделирующих различные природные воздействия на сооружение, а также не позволяет моделировать влияние работы механизмов на сооружении, оказывающих высоко частотные циклические воздействия на фундамент.

Технической задачей изобретения в части устройства при испытании грунтов является та же задача, что и в реализуемом способе - обеспечение учета влияния дополнительных природных и техногенных факторов, реально влияющих на работоспособность фундамента сооружения.

Поставленная техническая задача в части устройства решена тем, что устройство для лабораторного определения циклической прочности и деформируемости грунта под контролируемой трехосной нагрузкой включает жесткое неподвижное основание с установленной на нем и зафиксированной герметичной камерой трехосного сжатия, состоящей из поддона, прозрачного корпуса и оснащенной вентилем для выпуска воздуха верхней крышки, соединенных 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 с возможностью бокового расширения, помещенный в резиновую водонепроницаемую оболочку, концы которой закреплены на штампах уплотнительными резиновыми кольцами, при этом штампы оснащены жесткими водопроницаемыми пластинами и дренажными каналами, соединенными свободными концами с источниками положительного и отрицательного давления жидкости с перекрывающими кранами, а также оснащены жесткими электронными датчиками порового давления жидкости в образце грунта, а полость камеры соединена с автономной емкостью жидкости и с волюметром, оснащенным электронным датчиком давления жидкости в камере, соответствующему бытовому давлению, 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 электронный датчик осевой нагрузки со штоком силового цилиндра, с автономным механизмом создания низкочастотных, калиброванных по частоте и амплитуде знакопеременных симметричных сжимающих и растягивающих нагрузок на образец, моделирующих воздействие природных сейсмических факторов на фундамент сооружения, а также с электронным датчиком линейных перемещений хвостовика при создании нагрузок на образец грунта, при этом все предварительно откалиброванные и согласованные электронные датчики соединены электрической связью с управляющим электронным блоком с программным управлением, соединенным с компьютером и с оперативной обработкой результатов измерений, а силовой механизм осевой нагрузки, механизм создания низкочастотных симметричных нагрузок и датчик линейных перемещений штока-хвостовика смонтированы неподвижно относительно камеры трехосного сжатия, согласно изобретению, силовой цилиндр выполнен в виде пневмоцилиндра, верхняя полость которого над поршнем и нижняя полость под поршнем соединены с автономным источником избыточного давления воздуха трубопроводами, снабженными управляемыми по программе от блока управления дренажными клапанами для подачи избыточного давления воздуха попеременно в верхнюю и нижнюю полости цилиндра и, соответственно, синхронного сброса избыточного давления воздуха в атмосферу из нижней и верхней полостей, причем выступающий нижний конец штока пневмоцилиндра оснащен автономным, управляемым согласно программы от блока управления электроприводом, вращающим регулируемый по моменту инерции и по частоте вращения эксцентрик для создания дополнительных нагрузок на образец, моделирующих воздействие на фундамент работу различных механизмов, размещенных на сооружении.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где в схематичной форме изображен общий вид устройства.

На фиг.1 изображено неподвижное основание 1, на котором зафиксирован лабораторный прибор трехосного сжатия, включающий поддон 2, имеющий на нижней плоскости центрирующий выступ 3, цилиндрический прозрачный корпус 4, и верхнюю крышку 5, оснащенную уплотняющим узлом 6 и вентилем 7. Для герметизации камеры предусмотрены направляющие шпильки 8, неподвижно установленные в поддоне 1, а также гайки и уплотнительные кольца 9 и 10. Камера оснащена верхним 11 и нижним 12 перфорированными для фильтрации жидкости из образца грунта штампами. Образец цилиндрической формы помещен в резиновую герметическую оболочку 13, концы которой закреплены на штампах 11 и 12 уплотнительными кольцами 14 и 15. Штампы 11 и 12 соединены дренажными гибкими трубками 16 и 17 с источниками избыточного и отрицательного (вакуум) давления жидкости (не показаны), оснащены управляемыми от электронного блока управления 18 кранами 19 и 20 и электронными датчиками 21 и 22 для измерения давления в поровой жидкости. Полость камеры соединена трубкой 23 с волюметром 24 и с емкостью жидкости (не показано) трубкой 25 для заполнения камеры жидкостью, а также 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 электронные приборы, а также переключающие краны подключены к блоку управления 18.

Верхний штамп 11 неподвижно соединен со штоком-хвостовиком 26, пропущенным через уплотняющий узел 6. В штоке-хвостовике 26 образовано центральное отверстие 27, к которому на верхнем конце штока подсоединена гибкая дренажная трубка 16, а на верхнем конце смонтирован оголовник 28 и электронный датчик усилия 29. На оголовнике 28 закреплена скоба 30 для упора в нее штока электронного датчика 31 линейных перемещений штока-хвостовика 26. Центрально к хвостовику 26 размещен шток 32 пневмоцилиндра 33, жестко соединенного с поперечной балкой 34, снабженной на конце центрирующими фланцами 35 в виде трубок, для установки и фиксации пневмоцилиндра в рабочее положение с помощью гаек 36, а также для технологического поднятия и вывешивания пневмоцилиндра 33 при перезаправке образца грунта на вертикальных направляющих стойках 37. Направляющие стойки 37 неподвижно смонтированы на основании 1. Пневмоцилиндр 33 вывешивают в верхнее технологическое положение с помощью быстросъемных вилок (не показаны), пропускаемых в шлицевые канавки 38, образованные на верхних концах направляющих 37. На выступающем из пневмоцилиндра 33 нижнем конце штока 32 смонтирован управляемый от блока управления 18 по электросвязи 39 электропривод 40 с регулируемыми оборотами, снабженный на выходном валу регулируемым по моменту инерции и по оборотам эксцентриком 41 для создания высокочастотных осевых нагрузок на образец, моделирующих влияние на фундамент сооружения работающих на нем различных механизмов. Электропривод 40 оснащен вилками 42, в которых установлены ролики 43, обкатывающие направляющие 44, закрепленные на балке 34 для устранения бокового биения при вращении эксцентрика 41. На одной из направляющих 44 закреплен датчик линейных перемещений 31. В направляющих образованы центральные отверстия для крепления датчика 31, а также для размещения в них штока датчика при его перемещении.

К верхней камере над поршнем 45 пневмоцилиндра 33, а также к нижней камере под поршнем присоединены гибкие трубки с управляемыми от блока 18 дренажными клапанами 46 и 47, а также управляемый кран 48, соединенные через общий трубопровод с источником избыточного давления воздуха 49.

Работу устройства, реализующего предлагаемый способ, осуществляют следующим образом. Подготовку образца к испытанию (не менее трех образцов) проводят по стандартной методике при испытании грунта методом трехосного сжатия согласно ГОСТ 12248-96 [1]:

- образец грунта ненарушенного сложения, изготовленный методом режущего кольца, извлекают из кольца с помощью выталкивателя, измеряют его диаметр и высоту и взвешивают;

- торцы образца покрывают влажными бумажными фильтрами и помещают его между верхним и нижним штампами 11 и 12;

- с помощью расширителя на образец надевают резиновую оболочку 13 и закрепляют ее концы на боковых поверхностях штампов с помощью резиновых колец-уплотнителей 14 и 15;

- до помещения образца водонасыщенного грунта (природной влажности) на поддон 2 камеры трехосного сжатия систему дренажных трубок 16 и 17, подводящих (и отводящих) воду к штампам, штампы и водопроницаемые пластины заполняют дистиллированной дезаэрированной водой до появления ее на поверхности пластин и вытеснения пузырьков воздуха. Излишек воды убирают фильтровальной бумагой.

После помещения образца со штампами на поддон камеры проводят следующие операции:

- на поддон 2 камеры устанавливают корпус 4 и опускают в нижнее положение крышку 5 камеры по штоку-хвостовику 26 из верхнего положения в нижнее и центрируют ее на корпусе 4;

- камеру герметизируют с использованием уплотнительных колец 9 и 10, а также крепежных элементов - шпилек 8 и гаек. После этого подтягивают накидную гайку центрирующего и уплотняющего узла 6. При этом обеспечивается параллельность плоскостей штампов 11 и 12 и центрация штока-хвостовика 26 относительно образца грунта и нижнего конца штока 32 пневмоцилиндра 33;

- открывают клапан 7 и заполняют камеру рабочей жидкостью (дистиллированной прокипяченной водой) через трубку 23 с использованием волюметра 24 и емкости с жидкостью с полным удалением пузырьков воздуха, а затем закрывают клапан 7;

- совмещают центрирующий выступ 3 поддона 2 с центрирующей проточкой на неподвижном основании 1 и фиксируют камеру к основанию (не показано);

- извлекают технологические вилки из шлицов 38 на вертикальных направляющих стойках 37, опускают пневмоцилиндр 33 из верхнего положения в нижнее - рабочее и фиксируют его с помощью гаек 36;

- все электронные измерительные приборы подключают к электронному блоку управления 18;

- с помощью подачи небольшого избыточного давления воздуха в верхнюю камеру пневмоцилиндра 33 опускают шток 32 цилиндра до его соприкосновения с оголовником 28, что фиксируется показанием электронного датчика усилия 29;

- фиксируются показания всех измерительных приборов.

Проведение испытаний:

- Образец предварительно подвергают полному водонасыщению путем создания снизу образца избыточного давления жидкости по трубке 17 и одновременно отрицательного давления через трубку 16 при открытых соответствующих кранах 19 и 20. При этом одновременно из образца удаляются пузырьки защемленного (или растворенного в воде) воздуха;

- Производят предварительное обжатие образца грунта путем подачи давления жидкости в корпус камеры с помощью волюметра 24 пневмоцилиндра 33 согласно программе испытаний, при этом образец изотропно консолидируется (до уравнивания осевого и радиального напряжений) до состояния, при котором верхнее вертикальное напряжение консолидации (σ'_1c) равно боковому эффективному напряжению консолидации (σ'_3с). По достижении условной стабилизации измеряют изменение высоты образца за время консолидации до 0,025 мм и изменения в объеме образца до 0,1 мл;

- Закрывают дренажные краны 19 и 20 на трубках 16 и 17 и следят, нет ли изменения порового давления, чтобы убедиться, что нет течи в резиновой оболочке или в дренажной системе;

- Производим первую ступень вертикального статического нагружения испытуемого образца равномерно, без ударов ступенями нагружения с помощью пневмоцилиндра 33, равными 10% от эффективного напряжения в образце полученного после предварительного обжатия, определяемого разностью между полным давлением в камере и давлением в поровой жидкости образца;

- На каждую ступень статического нагружения, которую заканчивают при наступлении условной стабилизации, дополнительно прикладывают либо одновременно, либо в заданной программой испытаний последовательности низкочастотную синусоидальную калиброванную знакопеременную нагрузку и несимметричную эпизодическую нагрузку со значительной амплитудой путем попеременного создания разности давлений в верхней и нижней камерах пневмоцилиндра 33 с использованием управляемого от пульта управления 18 источника избыточного давления 49 и синхронного сброса давления в атмосферу соответственно над поршнем 45 или под поршнем пневмоцилиндра 33 посредством управляемых дренажных кранов 46, 47, 48. Также дополнительно прикладывают управляемую симметричную высокочастотную нагрузку с использованием вращения эксцентрика 41;

- испытание продолжают до момента разрушения образца или до возникновения пластического течения без приращения статической нагрузки. При отсутствии видимых признаков разрушения испытание прекращают при относительной деформации образца грунта ε₁=0,15.

После окончания испытаний образец грунта разгружают, сбрасывают давление в камере и сливают жидкость. Образец грунта аккуратно без потерь грунта извлекают из камеры, а затем высушивают и определяют массу для расчета единицы сухого веса. Испытания проводят не менее чем на трех образцах-аналогах.

Подготовку к испытанию образцов нарушенной структуры (в восстановленной состоянии) либо образцов несвязных и проблемных грунтов проводят по стандартной методике по ГОСТ 12248-96 [1].

Результаты испытаний фиксируются и оперативно обрабатываются согласно программы испытаний с помощью электронного блока управления, соединенного с компьютером по заданной программе с возможностью оперативного вмешательства в процесс испытаний.

Для методологических целей и сравнительных испытаний различных грунтов в различных состояниях дополнительно проводят испытания образцов по классической методике ГОСТ 12248-96 [1] при статическом нагружении.

Преимущества предлагаемого способа и реализующего его устройства заключается в том, что благодаря наличию и указанной последовательности операций в способе, а также наличию, указанному исполнению и взаимосвязи между основными узлами и элементами устройства, обеспечивается решение поставленной технической задачи, а именно:

- возможность учета наиболее существенных реально существующих природных систематических или эпизодических факторов воздействия на фундамент сооружения, характерных для конкретного региона планируемого строительства, в частности на шельфе морей и в прибрежных районах с повышенной сейсмической активностью;

- возможность учета влияния на работу фундамента сооружения реальных техногенных воздействий, связанных с технологической необходимостью;

- возможность перспективного прогнозирования надежности работы фундамента до строительства, а также проведение профилактического мониторинга в процессе строительства и после строительства.

К настоящему времени авторами разработаны, изготовлены и опробованы образцы техники (включая также программное обеспечение) предлагаемого способа и реализующего его устройства.

Предлагаемое изобретение обладает новизной, имеет ряд перечисленных преимуществ перед известными решениями, отвечает критерию промышленной применимости как в условиях уникального, так и в условиях массового строительства, а также при реконструкции старых сооружений, и соответствует современному уровню техники, а также проводимому общему направлению на модернизацию производства и на инновации технологий в РФ. Следовательно, по мнению авторов и заявителя, предлагаемое изобретение может быть защищено патентом РФ.

При необходимости заявитель может предоставить в экспертизу дополнительные материалы, в том числе акты проводимых испытаний.

Изобретение относится к определению прочностных и деформационных свойств. Сущность: образец в водонепроницаемой резиновой оболочке помещают в герметичной камере трехосного сжатия. Заполняют камеру рабочей жидкостью, удаляют из нее воздух и закрывают клапан. Затем образец доводонасыщают и подвергают ограниченному всестороннему сжатию. Прикладывают первую ступень осевого давления к верхнему штампу. После наступления условной стабилизации образец дополнительно подвергают циклической осевой нагрузке до наступления условной стабилизации образца. Переходят на следующую ступень испытания. Испытания проводят до разрушения образца. В качестве силового механизма осевой нагрузки используют пневмоцилиндр, а дополнительную циклическую знакопеременную синусоидальную нагрузку, прикладываемую к верхнему штампу, обеспечивают путем одновременного поочередного синхронного создания перепада давлений в верхней и нижней камерах пневмоцилиндра с помощью электронного блока управления. Выступающий нижний конец штока пневмоцилиндра оснащен автономным, управляемым электроприводом. Технический результат: обеспечение учета реальных факторов воздействия на фундамент сооружения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ лабораторного определения циклической прочности и деформируемости грунта под контролируемой трехосной нагрузкой, заключающийся в том, что подготовленный к испытанию водонасыщенный образец грунта цилиндрической формы 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, при этом 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, отличающийся тем, что в качестве силового механизма используют пневмоцилиндр, а дополнительную циклическую знакопеременную симметричную низкочастотную нагрузку, прикладываемую к штоку-хвостовику штампа, обеспечивают путем создания периодического перепада давления в верхней и нижней камерах пневмоцилиндра с использованием автономного источника избыточного давления воздуха, посредством управляемых электромагнитных дренажных клапанов, причем тем же путем к образцу прикладывают нагрузку с несимметричными эпизодическими циклами со значительной по величине амплитудой, моделирующую влияние на сооружение эпизодических воздействий, например, от штормовых волн, навала ледовых полей и ветровых нагрузок, передаваемых на фундамент сооружения, а также дополнительно к штоку-хвостовику прикладывают высокочастотную гармоническую нагрузку, моделирующую работу размещенных на сооружении механизмов, например, бурового станка, дизель молота, компрессора и др. с использованием регулируемого по моменту инерции и по оборотам эксцентрика, вращаемого автономным и управляемым приводом по заданной программе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительные высокочастотные симметричные гармонические, 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.

3. Устройство для реализации способа по п.1, включающее жесткое неподвижное основание с установленной на нем и зафиксированной герметичной камерой трехосного сжатия, состоящей из поддона, прозрачного корпуса и оснащенной вентилем для выпуска воздуха верхней крышки, соединенных 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 перекрывающими кранами, а также оснащены электронными датчиками порового давления жидкости в образце грунта, а полость камеры соединена с автономной емкостью жидкости и с волюметром, оснащенным электронным 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 электронный датчик осевой нагрузки со штоком силового механизма осевой нагрузки, а также с автономным механизмом создания низкочастотных, знакопеременных симметричных нагрузок на образец, а также с электронным датчиком линейных перемещений хвостовика при создании нагрузок на образец, при этом все предварительно откалиброванные и согласованные электронные датчики соединены электрической связью с управляющим электронным блоком с программным управлением, соединенным с компьютером, а силовой механизм осевой нагрузки, механизм создания низкочастотных нагрузок и датчик линейных перемещений штока-хвостовика смонтированы неподвижно относительно камеры трехосного сжатия, отличающееся тем, что силовой механизм осевой нагрузки выполнен в виде пневмоцилиндра, верхняя полость которого над поршнем и нижняя полость под поршнем соединены с автономным источником избыточного давления воздуха, а также с атмосферой гибкими трубопроводами, снабженными управляемыми по программе от блока управления дренажными клапанами для создания перепада давлений воздуха в верхней и нижней полостях цилиндра соответственно, для создания дополнительных низкочастотных и эпизодических нагрузок на образец, причем выступающий нижний конец штока пневмоцилиндра оснащен автономным, перемещаемым на роликах по направляющим от бокового биения и для снятия трения, управляемым согласно программе от блока управления электроприводом, вращающим регулируемый по моменту инерции и по частоте вращения эксцентрик, для создания дополнительных нагрузок на образец, моделирующих воздействие на фундамент работу различных механизмов, размещенных на сооружении.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пневмоцилиндр снабжен поперечной балкой с фланцами, жестко закрепленными на ее концах, с возможностью осевого перемещения пневмоцилиндра и его фиксации в верхнем технологическом и в нижнем рабочем положениях относительно вертикальных направляющих, неподвижно смонтированных на жестком основании.