ПРИБОР ДЛЯ КОМПРЕССИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ГРУНТА Российский патент 2024 года по МПК G01N3/04 E02D1/00 

Изобретение относится к строительству и предназначено для проведения длительных лабораторных испытаний торфов и заторфованных глинистых грунтов методом компрессионного сжатия.

Длительные испытания проводят для определения коэффициентов первичной и вторичной консолидации, которые характеризуют скорость деформирования грунтов за счет фильтрации воды и ползучести скелета и используются в расчете развития осадки оснований во времени (ГОСТ 12248.4-2020. Грунты. Определение характеристик деформируемости методом компрессионного сжатия. М.: Стандартинформ, 2020. 16 с.; ГОСТ 30416-2020. Грунты. Лабораторные испытания. Общие положения. М.: Российский институт стандартизации, 2021, 15 с.). Указанные испытания называют консолидационными, их продолжительность для торфов и заторфованных глинистых грунтов, может достигать нескольких месяцев (Ивахнова Г. Ю., Невзоров А. Л. Особенности интерпретации результатов компрессионных испытаний торфа. Строительство и архитектура. 2020. №. 1. С. 26-32. DOI: https://doi.org/10.29039/2308-0191-2020-8-1-26-32). Продолжительные лабораторные эксперименты показали, что деформации образцов торфа под нагрузкой могут развиваться в течение 10 и более лет (H.Brandl. Creeping (Secondary/Tertiary settlements) of highly compressible soils and sludge/ Building materials and structures. 2018. 61(1), p. 27-36 DOI: https://doi.org/10.5937/GRMK1801027B).

Известен компрессионный прибор, называемый также одометром, включающий рабочее кольцо, штамп, корпус с поддоном для воды, перфорированные или пористые вкладыши (ГОСТ 12248.4–2020. Грунты. Определение характеристик деформируемости методом компрессионного сжатия. М.: Стандартинформ, 2020, 16 с. - аналог).

Недостатком прибора является влияние на результаты испытаний сил трения между образцом и стенками вмещающего его рабочего кольца. Для снижения погрешности измерений внутреннюю поверхность рабочего кольца покрывают смазкой и ограничивают высоту образца. Однако с течением времени свойства смазки меняются, в частности, под воздействием веществ, содержащихся в поровой влаге, испарения низкокипящих фракций, окисления, а металлические кольца подвержены коррозии. Указанные факторы, а также снижение влажности и пористости грунта, служат причиной возрастания в ходе опыта сил трения, причем их влияние на результаты трудно поддается учету. Уменьшение высоты образца ведет к снижению достоверности определения деформационных характеристик из-за неоднородности грунта, наличия в нем крупных включений и прослоек, роста погрешностей определения относительных деформаций.

Известен компрессионный прибор, включающий поддон, корпус, перфорированный штамп, дренирующую пластину и сжимаемое рабочее кольцо, составленное из двух ленточных коаксиально расположенных пружин (Авторское свидетельство СССР №1008354. Компрессионный прибор. МПК E02D 1/02. Опубл. 30.03.1983. Бюл. №12 - аналог).

В приборе не обеспечивается выполнение основного условия компрессионных испытаний – отсутствие поперечных деформаций образца, так как грунт вытесняется в зазоры между витками внутренней пружины кольца, а диаметр самих пружин может увеличиваться за счет распора. Кроме того, попавший в зазоры грунт препятствует сжатию пружин.

Известен прибор для испытания грунтов на консолидацию, включающий поддон с водой, удерживающее кольцо, штамп, верхний и нижний пористые диски и так называемое плавающее рабочее кольцо с режущей кромкой, которое в ходе испытаний может погружаться в кольцевую полость между нижним пористым диском и удерживающим кольцом (Патент CN 203479609 U. Floating ring type consolidation container for consolidation test. МПК G0N 3/02. Опубл. 12.03.2014 – аналог).

Применение плавающего кольца позволяет снизить влияние сил трения, но не исключает их полностью. Более того, как отмечалось выше, при длительных экспериментах трение постепенно возрастает. Известно, что силы трения распределяются по высоте кольца неравномерно, результатом чего является неоднородное напряженно-деформированное состояние образца (Kang X., Xia Z., Chen R. Measurement and correlations of K_o and V_s anisotropy of granular soils. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Geotechnical Engineering. 2020.173(6): 546-561. DOI: https://doi.org/10.1680/jgeen.19.00162).

Известен прибор для компрессионных испытаний грунта, включающий корпус и полый штамп с пористыми вкладышами, крышку и рабочее кольцо, нижняя часть которого на половину высоты погружена в кольцевую прорезь в корпусе прибора, причем внутренний диаметр этой части превышает диаметр образца (Патент РФ №2718800 С1, Прибор для компрессионных испытаний грунта. МПК G01N 33/24. Опубл. 14.04.2020. Бюл. №11 – прототип).

Конструкция прибора позволяет проводить измерение сил трения между рабочим кольцом и образцом по завершении испытаний, но не исключает влияние этих сил на результаты определения деформационных характеристик грунта.

Задачей изобретения является повышение точности результатов измерений коэффициентов первичной и вторичной консолидации торфов и заторфованных глинистых грунтов за счет снижения сил трения между боковой поверхностью образца и вмещающим его рабочим кольцом.

Данная задача решается тем, что в приборе для компрессионных испытаний грунта, содержащем основание, корпус, рабочее кольцо, дно с перфорированным вкладышем, перфорированный штамп и упорное кольцо, рабочее кольцо выполнено из контактирующих друг с другом по образующим одинаковых секций, на внутренней поверхности корпуса имеются вертикальные прорези, в которых размещены закрепленные на внешней поверхности секций ведомые гайки и пропущенные через них ведущие винты, а в упорном кольце имеется прорезь для поочередного пропуска секций рабочего кольца.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображен вертикальный разрез прибора в исходном состоянии, на фиг. 2 – вид на прибор сверху, на фиг. 3 – горизонтальный разрез, на фиг. 4 – вертикальный разрез прибора в ходе испытаний, на фиг. 5 – общий вид прибора.

Прибор содержит основание 1, корпус 2, рабочее кольцо для размещения образца, составленное из контактирующих друг с другом по образующим одинаковых секций 3 с поперечным сечением в виде секторов, вложенное в рабочее кольцо дно 4 с перфорированным вкладышем 5, перфорированный штамп 6 и упорное кольцо 7 (фиг. 1). На внешней поверхности каждой из секций рабочего кольца 3 закреплены ведомые гайки 8. Ведомые гайки 8 и пропущенные через них ведущие винты 9 размещены в прорезях 10 на внутренней поверхности корпуса 2, а головки ведущих винтов 11 - в выемке 12 в нижней части корпуса 2. Верхние концы ведущих винтов входят в отверстия в торцах прорезей 10, а нижние – в отверстия в опорном диске 13, соединенном с основанием 1 винтами 14. В упорном кольце 7 имеется прорезь 15, равная по форме и размерам поперечному сечению секций рабочего кольца (фиг. 2).

Корпус 2 крепится к основанию 1 винтами 16, а упорное кольцо 7 к корпусу 2 - винтами 17. Для обеспечения надежной фиксации концы указанных винтов входят в канавки, имеющиеся на поверхности корпуса. Винты 18, предназначенные для предотвращения подъема штампа 6 и разуплотнения образца, размещены в отверстиях с резьбой в упорном кольце 7.

В дне прибора 4 под перфорированным вкладышем 5 имеется камера 19 для сбора воды и отверстие 20 для ее отвода в расположенную ниже полость. Прибор снабжен уплотнительными прокладками 21, размещенными в вертикальных канавках на внутренней поверхности корпуса в местах стыков секций рабочего кольца (фиг. 3). Уплотнительное кольцо 22 размещено в проточке на внешней поверхности дна 4, вложенного в рабочее кольцо (фиг. 1).

В исходном состоянии ведомые гайки 8 располагаются ниже контактирующей с образцом поверхности вкладыша 5 на расстоянии a, равном расстоянию от верхнего края прорезей 10 до верха упорного кольца 7 (фиг. 4). Высота секций 3 рабочего кольца определяется из соотношения:

где b – начальная высота образца грунта.

Работает устройство следующим образом.

Выполнив сборку прибора без штампа 6 и упорного кольца 7, в его полость помещают образец грунта. Срезав избыток грунта вровень с верхом прибора, выравнивают поверхность образца и размещают на ней штамп 6. Устанавливают и крепят винтами 17 упорное кольцо 7, при этом во избежание обжатия образца винты 18 предварительно снимают или поднимают вверх, чтобы исключить их касание к штампу 6. Прибор помещают в нагрузочную раму (не показана), прикладывают нагрузку на штамп и регистрируют его перемещение.

В ходе длительных испытаний на консолидацию периодически выполняют поочередный подъем, смазку и возврат в исходное положение секций рабочего кольца 3. Для этого вращением винтов 17 ослабляют крепление упорного кольца 7 к корпусу 2 и, вращая упорное кольцо в горизонтальной плоскости, размещают прорезь 13 над одной из секций рабочего кольца. После чего винтами 17 снова крепят упорное кольцо к корпусу, а винты 18 вращают до контакта со штампом 6. Затем вращением цилиндрической головки 11 ведущего винта смещают вверх ведомую гайку 8 и связанную с ней и расположенную под прорезью 15 секцию 3 рабочего кольца. Вовлечению в движение смежных секций препятствует упорное кольцо 7, а штампа – винты 18. Вращение продолжают до тех пор, пока гайка 8 не достигнет верхнего края прорези 10. В этом случае вся контактировавшая с образцом часть секции рабочего кольца высотой b оказывается выше упорного кольца, а благодаря выполнению условия нижний торец секции не достигает уплотнительного кольца 22.

После очистки и смазки поверхности вращением головки 11 в обратном направлении ранее поднятую секцию 3 возвращают в исходное положение.

Таким образом поочередно очищают и покрывают смазкой все секции рабочего кольца. Последовательный подъем секций позволяет снизить необходимое для этого усилие и исключает случайное обжатие или разуплотнение образца, наблюдаемые при смещении всего кольца целиком.

Число секций рабочего кольца определяется из условия обеспечения следующего соотношения действующих на них сил:

где F – тяговое усилие винтовой пары, состоящей из и ведомой гайки и ведущего винта;

T₁ – сила трения между боковой поверхностью образца и внутренней поверхностью секции;

T₂ – сила трения между внешней поверхностью секции и корпусом прибора.

Тяговое усилие F зависит от принятых размеров винтовой пары, в частности, от диаметра винта, типа резьбы и ее шага, высоты ведомой гайки и др., и определяется расчетом по известным зависимостям (см. В.И. Анурьев. Справочник конструктора-машиностроителя, т.2.- 8-е изд, перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2001.- с.773-779).

Сила трения, действующая на внутренней поверхности секции, определяется по формуле:

где D – диаметр кольца,

b – высота образца,

n – число секций рабочего кольца,

σ_h – горизонтальные напряжения в образце, воспринимаемые рабочим кольцом,

f ₁ – коэффициент трения между образцом и внутренней поверхностью кольца.

Заметим, что из-за небольшой толщины стенок рабочего кольца его внутренний и внешний диаметры приняты равными.

Горизонтальные напряжения находятся по следующей зависимости:

σ_v – вертикальные напряжения в образце, заданные при компрессионных испытаниях;

ξ – коэффициент бокового давления, зависит от типа исследуемого торфа, изменяется в интервале от 0,12 до 0,50 (СН 475-75. Инструкция по проектированию оснований и фундаментов зданий и сооружений, возводимых на заторфованных территориях. М.: Стройиздат, 1976. – 23с., табл. 8; А.Л. Невзоров, В.А. Вешняков. Определение коэффициента Пуассона торфяного грунта. В сб. «Геотехника: научные и прикладные аспекты строительства надземных и подземных сооружений на сложных грунтах», СПбГАСУ, 2008.- с.95-99).

Коэффициент трения f₁ зависит от материала кольца, наличия на его поверхности дефектов, вызванных коррозией, физических свойств торфа – плотности, влажности, степени разложения и др. Например, при взаимодействии торфа с гладкой стальной поверхностью можно принять f₁ = tg(0,39φ), а с шероховатой f₁ = tg(0,88φ), где φ - угол внутреннего трения торфа (B.Ampera, T.Aydogmus. Skin friction between peat and silt with construction materials/ Electronic Journal of Geotechnical Engineering/ January, 2005. http://www.ejge.com/2005/Ppr0557/Ppr0557.htm ).

Сила трения, действующая на внешней поверхности секции, определяется по формуле:

где t – ширина прорези,

f ₂ – коэффициент трения между внешней поверхностью кольца и внутренней поверхностью корпуса прибора.

Коэффициент трения f₂ зависит от материалов кольца и корпуса, шероховатости поверхностей, применяемой смазки и может определяться по справочной литературе, в частности, коэффициент трения «бронза-бронза» со смазкой составляет 0,07-0,1, а «сталь-бронза» 0,08-0,12 (см. В.И. Анурьев. Справочник конструктора-машиностроителя, т.1.- 8-е изд, перераб и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2001.- с.75).

Преимуществом предложенного прибора для компрессионных испытаний грунта является снижение сил трения между боковой поверхностью образца и вмещающим его рабочим кольцом при длительных испытаниях, а значит, повышение точности результатов измерений коэффициентов первичной и вторичной консолидации грунтов.

При вращении головки ведущего винта с помощью динамометрического ключа, снабженного датчиком вращательного момента, прибор позволяет в ходе испытаний проводить измерение усилия, необходимого для перемещения секций, а с учетом данных предварительной градуировки прибора, определять силу трения между рабочим кольцом и боковой поверхностью образца.

Прибор может использоваться для испытания закрепленных вяжущим сильнодеформируемых грунтов, у которых на контакте с кольцом возникает сцепление, обусловленное формирующимися структурными связями.

Изобретение относится к строительству. Раскрыт прибор для компрессионных испытаний грунта, включающий основание, корпус, рабочее кольцо, дно с перфорированным вкладышем, перфорированный штамп и упорное кольцо. При этом рабочее кольцо разделено по образующим на одинаковые секции, на внутренней поверхности корпуса имеются вертикальные прорези, в которых размещены закрепленные на внешней поверхности секций ведомые гайки и пропущенные через них ведущие винты, а в упорном кольце имеется прорезь, профиль которой совпадает с поперечным сечением секций, при этом высота секций рабочего кольца определяется из соотношения где b – начальная высота образца грунта, a - расстояние от верхнего края прорезей до верха упорного кольца. Изобретение обеспечивает повышение точности результатов измерений коэффициентов первичной и вторичной консолидации торфов и заторфованных глинистых грунтов. 5 ил.

Прибор для компрессионных испытаний грунта, включающий основание, корпус, рабочее кольцо, дно с перфорированным вкладышем, перфорированный штамп и упорное кольцо, отличающийся тем, что рабочее кольцо разделено по образующим на одинаковые секции, на внутренней поверхности корпуса имеются вертикальные прорези, в которых размещены закрепленные на внешней поверхности секций ведомые гайки и пропущенные через них ведущие винты, а в упорном кольце имеется прорезь, профиль которой совпадает с поперечным сечением секций, при этом высота секций рабочего кольца определяется из соотношения где b – начальная высота образца грунта, a - расстояние от верхнего края прорезей до верха упорного кольца.