СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ ДЕФОРМАЦИИ ГРУНТА ШТАМПОМ Российский патент 2023 года по МПК E02D1/00 

Изобретение относится к определению характеристик деформируемости грунтов штампом при инженерных изысканиях в строительстве.

Известен способ определения модуля деформации грунта [1], включающий последовательное нагружение штампа ступенями давлений с выдержкой их во времени до условной стабилизации осадки, измерение глубины деформируемой под штампом зоны грунта, расчет модуля деформации по формуле

где μ - коэффициент Пуассона, принимаемый равным: 0,27 - для крупнообломочных грунтов; 0,3 - для песков и супесей; 0,35 - для суглинков; 0,42 - для глин; ω - безразмерный коэффициент формы штампа, принимаемый равным π/4=0,79; - глубина деформируемой под штампом зоны грунта, см; Δр_э - приращение эффективного давления на грунт, МПа; ΔS - приращение деформации грунта в фазе его уплотнения, соответствующее Δр_э, см.

Известен способ испытаний грунтового основания штампом [2], включающий нагружение грунта в массиве возрастающим с постоянной скоростью давлением на подошве штампа, регистрацию осадки штампа с шагом не более 0,005 мм, вычисление в процессе нагружения грунта скорости осадки штампа на каждом шаге регистрации осадки штампа, расчет модуля деформации по формуле

где K_p - коэффициент, зависящий от отношения глубины расположения штампа относительно поверхности грунта h (м) и диаметра штампа D (м), принимаемый равным: 1 - при h/D=0; 0,9 - при h/D=1; 0,82 - при h/D=2; 0,77 - при h/D=3; 0,73 - при h/D=4; 0,7 - при h/D≥5; K₁ - коэффициент, принимаемый для жесткого круглого штампа равным 0,79; - скорость осадки штампа при минимальном значении коэффициента вариации, м/кПа.

Известные полевые способы [1-2] определения характеристик деформируемости грунтов имеют индивидуальные эксплуатационные и технологические возможности.

Известен способ (прототип) определения модуля деформации грунта [3], включающий нагружение грунта в массиве давлением на подошве штампа ступенями с выдерживанием каждой ступени до условной стабилизации деформации грунта (осадки штампа), расчет модуля деформации по формуле

где D - диаметр штампа, см; Δр - приращение давления на штамп, МПа; ΔS - приращение осадки штампа, соответствующее Δр, см.

Недостатком известного способа испытаний грунта штампом является отсутствие возможности определения деформационных свойств грунтов с учетом характера распределения реактивного давления грунта на подошву штампа, так как известно ([4], [5] с. 433), что в случае приложения нагрузки на грунт основания жестким штампом на контактной поверхности возникает реактивное давление грунта, неравномерно распределяющееся по площади контакта, которое отражается и на характере распределения напряжений внутри грунтового основания, существенно отличающееся от характера распределения напряжений от действия равномерно распределенной нагрузки, что оказывает влияние на значение величины определяемого модуля деформации.

Задача изобретения состоит в разработке способа, позволяющего определять модуль деформации грунта с учетом распределения реактивного давления грунта на подошву штампа.

Техническим результатом изобретения является определение модуля деформации грунта с учетом характера распределения реактивного давления грунта на подошву штампа, повышение достоверности и точности определения модуля деформации.

Технический результат достигается тем, что в способе определения модуля деформации грунта штампом, включающем нагружение грунта в котловане давлением на подошве штампа ступенями с выдерживанием каждой ступени до условной стабилизации деформации грунта (осадки штампа), построение графика зависимости осадки штампа от давления и расчет модуля деформации, согласно изобретения, дополнительно определяются реактивные давления грунта на подошву штампа, а модуль деформации определяется по формуле

где Δp_i - приращение реактивного давления грунта на подошву штампа в i-той точке, кПа; n - число точек по подошве штампа, в которых измеряются реактивные давления грунта; E_i - i-тый модуль деформации грунта, кПа, определяемый по формуле

где D - половина диаметра штампа, см; r_i и α_i - полярные координаты, см, градус; β - угол поворота штампа относительно горизонта, радиан; ΔS - приращение средней осадки штампа, см.

Преимущество предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом заключается в учете характера распределения реактивного давления грунта на подошву штампа, позволяющим повысить достоверность и точность определения деформационных характеристик грунта.

На фиг. 1 представлен характерный график зависимости осадки штампа от давления, где 1 - нелинейная часть графика; 2 - осредняющая прямая.

Для реализации способа можно использовать штамп для определения деформационных свойств грунтов [6], обеспечивающий измерение реактивных контактных давлений, по меньшей мере, в 13 точках подошвы штампа (можно использовать и другие конструктивные решения штампа, например, жесткий штамп с вмонтированными в подошву тензодатчиками-месдозами), опорную систему и механизм для вертикального нагружения штампа, измерительную систему для измерения вертикальных деформаций штампа (например, прогибомеры или другие приборы, обеспечивающие измерение осадок с погрешностью не более 0,1 мм).

Способ осуществляют следующим образом. На выровненное горизонтальное грунтовое основание под механизм для вертикального нагружения устанавливают штамп [6] в сборе, притирают его к грунту основания так, чтобы контактирующие поверхности штампа имели непрерывный контакт с грунтом основания. Подключают измерительную систему для регистрации вертикальных давлений и деформаций штампа и записывают начальные показания приборов. Регистрируют также и начальные показания датчиков для измерения реактивных давлений грунта на подошву штампа. К штампу прикладывают первую ступень давления, значение которой назначают согласно программе испытаний в зависимости от вида испытываемого грунта в соответствии с ГОСТ [3]. В грунте основания возникает напряженное состояние, в силу различных факторов штамп перемещается вниз неравномерно [4], грунт сжимается, регистрируются перемещение штампа в трех точках, расположенных под углом 120° от оси штампа в горизонтальной плоскости, по которым определяется угол поворота штампа β относительно горизонта по формуле

где - средняя осадка штампа; S₁ - наибольшее перемещение точки штампа; S₂ и S₃ - перемещения остальных точек штампа.

Регистрируют показания датчиков для измерения реактивных давлений p_i грунта на подошву штампа [6]. Затем к штампу прикладывают следующую ступень давления. Каждую ступень давления выдерживают до условной стабилизации деформаций в соответствии с ГОСТ [3]. По данным испытаний строят график зависимости осадки штампа от давления: S=ƒ(p) (рис. 1). Модули деформации вычисляют в диапазоне давлений от p_o до p_m,i по формуле (4), полученной на основе решений в работе ([7] с. 102), где Δp_i=p_m,i-p_o. За начальное значение p_o принимают давление, равное вертикальному эффективному напряжению от собственного веса грунта на отметке испытания σ_zg. За конечное значение p_m,i принимают реактивное давление на подошву штампа в i-ой точке, измеренное на конечной стадии (четвертой точки) прямолинейного участка графика S=ƒ(р).

Применение предлагаемого способа определения модуля деформации грунта штампом позволит повысить достоверность и точность определения деформационных характеристик грунта за счет учета характера распределения реактивных давлений грунта на подошву штампа.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №400837, М. Кл. G01n 3/42 от 1966.

2. Патент РФ RU 2561433 С1 от 05.08.2014.

3. ГОСТ 20276.1 - 2020. Грунты. Метод испытания штампом. - М.: Стандартинформ, 2020. - 18 с.

4. Приклонский В.В. О механизме деформирования грунтов в основании жесткого штампа. Режим доступа: https://geoinfo.ru/product/priklonskij-vladislav-vladislavovich/o-mekhanizme-deformirovaniya-gruntov-v-osnovanii-zhestkogo-shtampa-pod-nagruzkoj-34720.shtml

5. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов / Учебное пособие. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2005. - 488 с.

6. Патент РФ RU 2751302 С1 от 01.12.2020.

7. Александров В.М., Чебаков М.И. Введение в механику контактных взаимодействий. Ростов-на-Дону: Изд-во ООО «ЦВВР», 2007. - 114 с.

Изобретение относится к определению характеристик деформируемости грунтов штампом при инженерных изысканиях в строительстве. Способ определения модуля деформации грунта штампом включает нагружение грунта в котловане давлением на подошве штампа ступенями с выдерживанием каждой ступени до условной стабилизации деформации грунта - осадки штампа, построение графика зависимости осадки штампа от давления и расчет модуля деформации. Дополнительно определяют реактивные давления грунта на подошву штампа, а модуль деформации определяют по формуле где Δp_i - приращение реактивного давления грунта на подошву штампа в i-й точке, кПа; n - число точек на подошве штампа, в которых измеряют реактивные давления грунта; E_i - i-й модуль деформации грунта, кПа, определяемый по формуле где D - половина диаметра штампа, см; r_i и α_i - полярные координаты, см, градус; β - угол поворота штампа относительно горизонта, радиан; ΔS - приращение средней осадки штампа, см. Технический результат состоит в обеспечении определения модуля деформации грунта с учетом характера распределения реактивного давления грунта на подошву штампа, повышении достоверности и точности определения модуля деформации. 1 ил.

Способ определения модуля деформации грунта штампом, включающий нагружение грунта в котловане давлением на подошве штампа ступенями с выдерживанием каждой ступени до условной стабилизации деформации грунта - осадки штампа, построение графика зависимости осадки штампа от давления и расчет модуля деформации, отличающийся тем, что дополнительно определяют реактивные давления грунта на подошву штампа, а модуль деформации определяют по формуле

где Δp_i - приращение реактивного давления грунта на подошву штампа в i-й точке, кПа; n - число точек на подошве штампа, в которых измеряют реактивные давления грунта; E_i - i-й модуль деформации грунта, кПа, определяемый по формуле

где D - половина диаметра штампа, см; r_i и α_i - полярные координаты, см, градус; β - угол поворота штампа относительно горизонта, радиан; ΔS - приращение средней осадки штампа, см.