УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ Российский патент 2023 года по МПК E02D1/00 

Изобретение относится к строительству и горному делу и может быть использовано для определения механических характеристик грунтов.

Известно устройство РПС-1 для определения сдвиговых характеристик грунтов, включающее раму, сдвиговый ящик, рычаги вертикального и горизонтального давлений, грузовые платформы (Грязнов Т.А. Оценка показателей свойств пород полевыми методами. М: Недра, 1984. - 197 с; с. 47).

Ограниченность рассматриваемого устройства заключается в:

- невозможности определения сдвиговых и деформационных характеристик грунтов в условиях их естественного залегания;

- затруднении, а ряде случаев и невозможности отбора и установки образцов грунтов ненарушенного сложения в обойму прибора;

- невозможности определения деформационных характеристик грунтов;

- недостаточном объеме и достоверности получаемой информации.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является установка для испытания грунтов на сдвиг в полевых условиях, включающая упорную балку, срезное кольцо, гидродомкрат между балкой и срезным кольцом, обойму с роликами, штамп, установленный на срезном кольце (Трофименков Ю.Т., Воробков Л.Н. Полевые исследования строительных свойств грунтов. - М.: Стройиздат, 1981. - 213 с; с. 54).

В качестве недостатков известного устройства можно перечислить следующие:

- сложность, трудоемкость и высокая стоимость проведения опытов;

- применяемое оборудование, тяжелое и громоздкое, не позволяет провести достаточное количество опытов в разных точках в необходимый промежуток времени;

- сложность проведения опытов на глубинах, превышающих 2 м, так как в этих условиях анкеровка упором в балку, закрепленную на поверхности, становится проблематичной;

- недостаточные функциональные возможности устройства - решается задача определения только одной группы механических свойств грунтов - прочностных, нет возможности оперативно и эффективно оценить деформационные свойства грунтов в разных точках площадки, при этом, ввиду сложности и трудоемкости проведения испытаний, становится затруднительным и даже невозможным получение оперативной информации о механических характеристиках грунтов в разных точках площадки;

- сложность создания надежного упора для вертикального нагрузочного устройства;

- низкая мобильность устройства.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности определения достоверных механических характеристик грунтов, расширение функциональных возможностей устройства за счет определения деформационных и прочностных характеристик грунтов в условиях их естественного залегания на базе одного устройства, снижение трудозатрат и времени на проведение опытов, увеличение мобильности устройства.

Результат достигается тем, что устройство для определения параметров механических свойств грунтов, включающее упорную балку, срезное кольцо, гидродомкрат, расположенный между балкой и срезным кольцом, штамп, установленный на срезном кольце, отличается тем, что оно снабжено пригрузочным кольцом, установленным под срезным кольцом, упорная балка выполнена с возможностью горизонтального перемещения и снабжена гидроцилиндром, установленным на балке, балка также снабжена двумя пластинами, установленными на верхней части балки, и четырьмя гидродомкратами, установленными на пластинах и связанных с помощью выдвижных штоков и стоек с пригрузочным кольцом, при этом срезное кольцо установлено с возможностью строго горизонтального перемещения по поверхности пригрузочного кольца при помощи тросовой тяги, связывающей гидроцилиндр, установленный на балке, со срезным кольцом, а гидродомкрат, расположенный между балкой и срезным кольцом, установлен с возможностью горизонтального перемещения.

Заявленное техническое решение отличается от прототипа тем, что оно позволяет эффективно и надежно определять основные параметры механических свойств грунтов - прочностные и деформационные. Для этого используют упорную балку с возможностью ее неограниченного перемещения на опытной площадке с мобильным закреплением ее концов. Для передачи усилия, реализующего срез грунта, используют соединение гидроцилиндра со срезным кольцом с помощью троса и шкива. При этом срез грунта обеспечивается перемещением срезного кольца в строго горизонтальной плоскости с помощью двух перемещаемых тележек: нижней, подшипники которой соединены со срезным кольцом и находятся на поверхности разборного пригрузочного кольца, нагружение которого вертикальной нагрузкой реализуется с помощью гидродомкратов с выдвижными штоками и стойками, и верхней, подшипники которой находятся сверху и снизу полки упорной балки.

На фиг. 1 изображено устройство для определения параметров механических свойств грунтов в натурных условиях. На фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид Б на фиг. 1; на фиг. 4 - вид аксонометрической проекции верхней части фиг. 1; на фиг. 5 - вид аксонометрической проекции нижней части фиг. 1; на фиг. 6 - схема реализации устройства.

На фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6 изображены: упорная балка 1, пластины 2 для установки на них гидродомкратов 3, выдвижные штоки 4 для передачи усилия сжатия от гидродомкратов 3, тележки 5, обеспечивающие срез грунта в горизонтальной плоскости, трос 6 и шкив 7 для передачи срезному кольцу усилия среза, стойки 8 и выдвижные элементы 9, обеспечивающие необходимую глубину среза грунта, штамп 10 для передачи вертикального давления на грунт, срезное кольцо 11, соединение троса со срезным кольцом 12, разборное пригрузочное кольцо 13, дополняющее площадь штампа до требуемой ГОСТом и обеспечивающее горизонтальный срез грунта, наклонные трубчатые элементы 14, обеспечивающие жесткость конструкции установки, шурф (выработка) 15 в грунтовом массиве, призма (целик) грунта 16, выделенная в шурфе, прибор для измерения деформаций грунта 17, гидроцилиндр 18 на верхней части упорной балки, реализующей усилие среза.

Работа устройства по определению параметров механических свойств грунтов в натурных условиях заключается в следующем:

- в грунтовом массиве подготавливают шурф (выработку) 15 необходимых размеров и глубины (фиг. 6);

- на дне шурфа подготавливают призму (целик) грунта 16, диаметр которой превышает диаметр срезного кольца 11 (фиг. 6);

- срезное кольцо 11 устанавливают на выровненную поверхность целика 16 и постепенно вдавливают в него срезное кольцо вручную или с помощью нагрузочного приспособления, обрезая грунт или горную породу вокруг кольца (фиг. 6);

- в нижней части целика 16, между краем срезного кольца 11 и поверхностью грунта, в основании шурфа, оставляют зазор, по которому должна пройти плоскость среза грунта целика 16 при испытании;

- вокруг срезного кольца 11, с целиком грунта, устанавливают разборное пригрузочное кольцо 13, устанавливают на нем путем соединения с кольцом 11 тележку 5 (фиг. 1);

- с двух противоположных сторон шурфа (выработки) 15, устанавливают автосамосвалы, загруженные грунтом или горной породой (фиг. 6);

- с помощью болтового соединения, к силовым элементам рам автосамосвалов, крепят упорную балку 1 с тележкой 5, имеющей возможность свободного горизонтального перемещения (фиг. 4);

- к упорной балке 1 крепят, с помощью болтовых соединений, гидродомкраты 3, стойки 8, шкив 7 с тросом 6, обеспечивающий соединение срезного кольца 11 с гидроцилиндром 18, наклонные трубчатые элементы 14 с выдвижными элементами 9 (фиг. 1);

- на поверхность грунта в срезном кольце 11 устанавливают штамп 10 с гидродомкратом 3 с выдвижным штоком 4 и выдвижным элементом 9 (фиг. 2);

- нагрузка на пригрузочное кольцо 13 реализуется с помощью гидродомкратов 3, стоек 8 и выдвижных штоков 4 (фиг. 1).

Характеристики прочности грунта определяют по результатам среза целика грунта 16 (фиг. 6) по фиксированной плоскости среза нагрузкой, создаваемой гидроцилиндром 18 и передаваемой с помощью троса 6, шкива 7 и направляющей тележки 5 на целик грунта, при одновременном его нагружении вертикальной нагрузкой с помощью штампа 10, нормальной к плоскости среза, и создаваемой гидродомкратом 3, выдвижным элементом 9 и выдвижным штоком 4.

Согласно ГОСТ 20276.4-2020, для определения угла внутреннего трения и сцепления грунта, необходимо провести не менее трех испытаний целиков грунта при различных значениях нормального к плоскости среза давления. Передача нормальной и касательной нагрузок к целику грунта осуществляется ступенями вплоть до его среза.

Следующая схема испытания грунтов, которая реализуется с помощью предлагаемого технического устройства, соответствует методике определения характеристики их сжимаемости - модуля деформации.

Согласно ГОСТ 20276.1-2020, для передачи центрированной вертикальной нагрузки на грунт, выбирают круглый штамп с кольцевой пригрузкой по площади, дополняющей площадь штампа до 5000 см². На фиг. 2 положение штампа указано позицией 10, кольца - 13. Внутренний диаметр кольца должен быть несколько больше размера штампа, для обеспечения его свободного перемещения в вертикальной плоскости внутри кольца.

По схеме испытаний, для определения модуля деформации, штамп 10 устанавливают непосредственно на поверхности дна шурфа 15 (фиг. 6), а на штамп устанавливают выдвижной элемент 9, соединенный с гидродомкратом 3 (фиг. 1). Прибор для измерения деформаций грунта или горной породы 17 соединяют струной со штампом 10 (фиг. 6).

В соответствии с программой испытаний, на пригрузочное кольцо 13, с помощью гидродомкратов 3, стоек 8 и выдвижных штоков 4, передается определенное усилие. На штамп 10, с помощью гидродомкрата 3 с выдвижным элементом 9, передается нагрузка, величина и ступени которой регламентированы программой испытаний. После приложения каждой ступени нагрузки производится регистрация деформации (осадки) штампа 10, с помощью прибора для измерения деформаций грунта 17 (фиг. 6).

Конечным результатом испытаний грунта или горной породы на сжатие является график зависимости осадки штампа 10 от прилагаемой к нему нагрузки, который служит основой для расчета величины модуля деформации грунта или горной породы согласно ГОСТ 20276.1-2020.

Заявленное техническое решение отличается от прототипа тем, что оно позволяет определять и прочностные, и деформационные характеристики грунтов, используя перемещаемую в горизонтальной плоскости упорную балку с возможностью монтажа (демонтажа) пяти гидродомкратов и одного гидроцилиндра со стойками, выдвижными элементами и штоками; гидроцилиндр имеет тросовую связь со срезным кольцом. При этом горизонтальная плоскость среза грунта обеспечивается с помощью двух тележек, расположенных в упорной балке и на пригрузочном кольце. В связи с этим повышается эффективность, скорость и надежность определения параметров механических свойств грунтов в натурных условиях.

Для определения параметров прочностных свойств грунтов используют упорную балку, установленную на рамах задней части двух автосамосвалов, загруженных породой, и имеющую возможность горизонтального перемещения за счет движения автосамосвалов, пять гидродомкратов и один гидроцилиндр, закрепленные на балке, стойки, выдвижные элементы и штоки, тросовое соединение через шкив гидроцилиндра со срезным кольцом, имеющего возможность строго горизонтального перемещения с помощью двух тележек.

Для определения параметров деформационных свойств грунтов используют возможность перемещения балки в горизонтальном направлении с помощью автосамосвалов до новой позиции испытаний грунтов на сжатие в шурфе или траншее с последующей установкой штампа на дне выработки и монтажом на балке необходимых конструктивных элементов: гидродомкрата с выдвижным элементом, опирающимся на штамп, и прибора, регистрирующего деформацию штампа в вертикальном направлении.

Изобретение относится к строительству и горному делу и может быть использовано для определения механических характеристик грунтов. Устройство для определения параметров механических свойств грунтов включает упорную балку, срезное кольцо, гидродомкрат, расположенный между балкой и срезным кольцом, штамп, установленный на срезном кольце. Снабжено пригрузочным кольцом, установленным под срезным кольцом, упорная балка выполнена с возможностью горизонтального перемещения и снабжена гидроцилиндром, установленным на балке, балка также снабжена двумя пластинами, установленными на верхней части балки и четырьмя гидродомкратами, установленными на пластинах и связанных с помощью выдвижных штоков и стоек с пригрузочным кольцом. Срезное кольцо установлено с возможностью строго горизонтального перемещения по поверхности пригрузочного кольца при помощи тросовой тяги, связывающей гидроцилиндр, установленный на балке, со срезным кольцом, а гидродомкрат, расположенный между балкой и срезным кольцом, установлен с возможностью горизонтального перемещения. Технический результат состоит в повышении эффективности определения достоверных механических характеристик грунтов, расширении функциональных возможностей устройства, увеличении мобильности устройства, снижении трудозатрат и времени на проведение опытов. 6 ил.

Устройство для определения параметров механических свойств грунтов, включающее упорную балку, срезное кольцо, гидродомкрат, расположенный между балкой и срезным кольцом, штамп, установленный на срезном кольце, отличающееся тем, что оно снабжено пригрузочным кольцом, установленным под срезным кольцом, упорная балка выполнена с возможностью горизонтального перемещения и снабжена гидроцилиндром, установленным на балке, балка также снабжена двумя пластинами, установленными на верхней части балки, и четырьмя гидродомкратами, установленными на пластинах и связанных с помощью выдвижных штоков и стоек с пригрузочным кольцом, при этом срезное кольцо установлено с возможностью строго горизонтального перемещения по поверхности пригрузочного кольца при помощи тросовой тяги, связывающей гидроцилиндр, установленный на балке, со срезным кольцом, а гидродомкрат, расположенный между балкой и срезным кольцом, установлен с возможностью горизонтального перемещения.