СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА ТРЕНИЯ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ПО ГРУНТУ Российский патент 2025 года по МПК E02D1/00 

Изобретение относится к области измерительной техники с применением в строительстве и предназначено для определения угла трения на границе контакта геосинтетического материала с грунтом (контактная характеристика) при проведении лабораторных испытаний образцов армированного грунта в приборе трехосного сжатия.

Получение такой контактной характеристики взаимодействия армирующего элемента с грунтом, как угол трения на границе контакта, позволит выполнять расчеты армогрунтовых сооружений, примерами которых являются армогрунтовые удерживающие сооружения без железобетонных конструкций в составе, насыпи под автомобильные и железные дороги, планировочные насыпи на стройплощадках, основания фундаментов мелкого заложения и т.п.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ определения контактных характеристик по данным испытаний на вытягивание геосинтетического материала из массива грунта [ГОСТ 70037-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Материалы геосинтетические. Методика испытаний по определению сопротивления вытягиванию геосинтетических материалов из грунта], включающий лабораторные испытания образца армированного грунта с последующим определением угла трения в системе «грунт-геосинтетический материал-грунт». Данный способ принят за прототип.

Общим признаком, присущим прототипу и заявленному способу, является проведение испытания образца армированного грунта.

Недостатками известного способа, принятого за прототип, являются:

- высокая трудоёмкость работ для проведения испытания, обусловленная большим объемом образца;

- значительная стоимость испытаний;

- отсутствие в Российской Федерации оборудования, позволяющего производить такие испытания.

Задачей изобретения является создание способа, позволяющего определить угол трения на границе контакта геосинтетического материала с грунтом при проведении лабораторного испытания образцов армированного грунта с высокой экономической эффективностью и низкой трудоёмкостью выполнения работ.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе определения угла трения геосинтетического материала по грунту, заключающемся в том, что проводят испытания образца армированного грунта, согласно изобретению проводят испытания образца грунта на трёхосное сжатие с использованием прибора трехосного сжатия, содержащего датчик радиальной деформации в виде разомкнутой цепочки или ленты, который устанавливают в средней части испытуемого образца, для этого образец грунта при формировании в приборе трехосного сжатия армируют геосинтетическим материалом в середине образца двумя горизонтальными слоями таким образом, чтобы расстояние по вертикали между крайними плоскостями армирования составляло высоту разомкнутой цепочки или ленты датчика радиальной деформации, во время проведения испытания при помощи датчика радиальной деформации фиксируют момент потери сцепления армирующих слоев в грунте, которому соответствует резкое увеличение радиальной деформации, одновременно фиксируют нормальное вертикальное напряжение (σ₁^рад) в момент потери сцепления геосинтетического материала с грунтом при заданном боковом давлении (σ₃),

производят построение графика с прямолинейной зависимостью вертикальных напряжений от бокового давления (σ₁^рад – σ₃) в момент потери сцепления грунта с геосинтетическим материалом при испытании не менее трёх образцов армированного грунта при различных боковых давлениях, по графику определяют угол трения на контакте геосинтетического материала с грунтом (угол наклона прямолинейной зависимости).

Признаки заявляемого технического решения, отличающиеся от прототипа – проводят испытания образца грунта на трёхосное сжатие с использованием прибора трехосного сжатия, содержащего датчик радиальной деформации в виде разомкнутой цепочки или ленты, который устанавливают в средней части испытуемого образца, для этого образец грунта при формировании в приборе трехосного сжатия армируют геосинтетическим материалом в середине образца двумя горизонтальными слоями таким образом, чтобы расстояние по вертикали между крайними плоскостями армирования составляло высоту разомкнутой цепочки или ленты датчика радиальной деформации; во время проведения испытания при помощи датчика радиальной деформации фиксируют момент потери сцепления армирующих слоев в грунте, которому соответствует резкое увеличение радиальной деформации, одновременно фиксируют нормальное вертикальное напряжение (σ₁^рад) в момент потери сцепления геосинтетического материала с грунтом при заданном боковом давлении (σ₃);

производят построение графика с прямолинейной зависимостью вертикальных напряжений от бокового давления (σ₁^рад – σ₃) в момент потери сцепления грунта с геосинтетическим материалом при испытании не менее трёх образцов при различных боковых давлениях; по графику определяют угол трения на контакте геосинтетического материала с грунтом (угол наклона прямолинейной зависимости).

Проведение испытания грунта на трёхосное сжатие с использованием прибора трехосного сжатия, содержащего датчик радиальной деформации в виде разомкнутой цепочки или ленты, который установливают в средней части испытуемого образца грунта позволяет измерить радиальную деформацию образца для последующего нахождения нормального вертикального напряжения (σ₁^рад) в момент потери сцепления геосинтетического материала с грунтом при заданном боковом давлении (σ₃).

Армирование образца грунта по предложенному способу производится двумя слоями геосинтетического материала в области регистрации величины радиальной деформации в средней части образца армированного грунта, при этом армирующие элементы располагаются в средней части образца грунта горизонтально на расстоянии по высоте друг от друга равном высоте разомкнутой цепочки или ленты датчика радиальной деформации. Такое размещение армирующих элементов позволяет зафиксировать величину вертикальных напряжений (σ₁^рад), при которой происходит потеря контакта («срыв») геосинтетического материала с грунтом при заданном боковом давлении (σ₃). Этот момент потери сцепления армирующего материала с грунтом характеризуется резким увеличением длины окружности в наружной плоскости контакта геосинтетического материала с грунтом, когда грунт, расширяясь под действием приложенного к образцу грунта вертикального напряжения, выходит за границы геосинтетического материала.

Построение графика с прямолинейной зависимостью вертикальных напряжений от бокового давления (σ₁^рад – σ₃) в момент потери сцепления грунта с геосинтетическим материалом при испытании не менее трёх образцов при различных боковых давлениях, представляет угол трения на контакте геосинтетического материала с грунтом (угол наклона прямолинейной зависимости).

Предлагаемый способ позволяет с минимальными затратами и трудоёмкостью определять угол трения на контакте геосинтетического материала с грунтом, используя прибор трёхосного сжатия с датчиком радиальной деформации, установленным в средней части образца. В Российской Федерации во многих лабораториях имеются приборы, позволяющие проводить испытания на трехосное сжатие. В тоже время установки по испытанию на вытягивание геосинтетического материала из грунта, с помощью которых осуществляют определение угла трения на границе геосинтетического материала с грунтом в известном способе, взятом за прототип, в РФ не выпускаются.

Поиск информации по патентным и научно-техническим источникам позволил установить, что способы определения угла трения на контакте геосинтетического материала с грунтом при испытаниях на трехосное сжатие не обнаружены.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-4.

На фиг. 1 схематично представлен армированный испытуемый образец грунта.

На фиг. 2 в разрезе изображена зона армирования образца геосинтетическим материалом до начала проведения испытания (после формирования образца).

На фиг. 3 в разрезе изображена зона армирования образца геосинтетическим материалом во время проведения испытания (момент потери контакта).

На фиг. 1, 2, 3 показаны:

1 - армированный испытуемый образец грунта высотой H и диаметром D;

2 - датчик радиальной деформации;

3 - геосинтетический материал толщиной t;

4 - грунт.

На фиг. 4 показан график с прямолинейной зависимостью вертикальных напряжений от бокового давления (σ₁^рад – σ₃) в момент потери сцепления грунта с геосинтетическим материалом при испытании не менее трёх образцов при различных боковых давлениях.

Изобретение поясняется следующим примером.

Авторами были проведены лабораторные испытания армированных образцов песчаного грунта 1 диаметром 100 мм и высотой 200 мм в приборе трехосного сжатия [патент РФ №2404418, опубликован 20.11.2010] с использованием измерительно-вычислительного комплекса автоматизированной системы испытаний в строительстве (ИВК АСИС), содержащего прибор (механическое устройство) силового нагружения, применяемый при определении параметров моделей материалов, с набором датчиков, подключенного к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) и цифроаналоговому преобразователю (ЦАП), выходы которых через интерфейсы RS-485 и RS-232 соединены с цифровой электронно-вычислительной машиной, имеющей программные средства обработки результатов (данных) измерений и управления силовым нагружением. Всестороннее обжатие образца осуществлялось при помощи нагнетания воздуха в камеру трёхосного сжатия. Одним из решений являлось использование датчика для измерения деформаций образца по поперечному сечению 2 (радиальная деформация) в его середине. При изменении длины окружности сечения образца датчик фиксирует это изменение. Это приспособление позволяет определять радиальные деформации образца с учетом их неравномерности в разных направлениях при условии, что сечение считается близким к окружности. Существуют различные конструктивные решения датчиков радиальных перемещений, которые описаны в монографиях [Болдырев, Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов с комментариями к ГОСТ 12248-2010. 2014 // Пенза: Прондо. – 812 с., Мирный, А.Ю. Осесимметричное трехосное сжатие в практике инженерных изысканий. 2021 // Вологда: Инфра-Инженерия. – 156 с.]. Датчик радиальной деформации 2 представлен в виде разомкнутого кольца из цепочки высотой 16 мм, концы которого соединены с датчиком линейных перемещений.

Испытания проводились согласно ГОСТ 12248.3-2020 «Грунты. Определение характеристик прочности и деформируемости методом трехосного сжатия». В качестве грунта 4 использовался песок однородный средней крупности согласно ГОСТ 25100-2020, с удельным весом твердых частиц 2,55 г/м³. В качестве геосинтетического материала 3 использовался тканый геосинтетик «Армостаб ПЭТ 200/50», имеющий толщину 1 мм, прочность при растяжении вдоль волокон 200 кН/м, прочность при растяжении поперек волокон 50 кН/м. Образцы испытывались при шести боковых давлениях σ₃ 50, 75, 100, 125, 150, 175 кПа, с четырьмя повторами (всего 24 армированных образца). Формирование образцов-«близнецов» производилось в съёмной форме на основании камеры трёхосного сжатия путём послойной отсыпки высушенного до постоянной массы песка и его послойного уплотнения при помощи ручного штампа. При формировании образцов использовалась навеска песка с постоянной массой 2,55 кг. Характер уплотнения при каждом формировании образца был одинаковый. Армирование производилось двумя слоями в центре образца согласно фиг. 2. После укладки первого слоя геосинтетика, контролировалась высота слоя засыпанного песка, чтобы добиться расстояния 16 мм между армирующими элементами. Испытания проводились по консолидировано-дренированной схеме с водонасыщением образцов при всестороннем давлении 15 кПа. Девиаторная нагрузка в стабилометре прикладывалась ступенями 0,15σ₃ (статическое нагружение). Давление поровой жидкости на протяжении испытаний было близко к нулю. Испытания заканчивались при предельной относительной осевой деформации образца 15%.

На фиг. 2-3 проиллюстрирована цепочка или лента датчика радиальной деформации 2 высотой h и геосинтетический материал 3 толщиной t уложенный в грунте 4 при формировании образца.

На фиг. 3 изображен момент срыва грунта по геосинтетику, который представлен в виде скачка радиальной деформации ΔS_рад.

В результате проведения экспериментов получены значения вертикального напряжения в момент резкого увеличения радиальной деформации при которой начинает происходить проскальзывание геотекстиля по грунту.

По результатам испытаний образцов получены точки зависимости (σ₁^рад – σ₃). На фиг. 4 представлены две прямые, построенные путем линейной аппроксимации при боковых давлениях 50, 75, 100 кПа и 125, 150, 175 кПа соответственно, угол наклона которых представляет угол трения на контакте геосинтетического материала с грунтом. Тогда при боковых давлениях 50, 75, 100 кПа угол трения составляет 18,8°, а при 125, 150, 175 кПа составляет 33,4°.

Лабораторные испытания показали, что заявляемый способ позволяет определить угол трения на контакте геосинтетического материала с грунтом, при использовании прибора трёхосного сжатия, со значительным снижением стоимости и трудоёмкости работ.

Изобретение относится к области измерительной техники с применением в строительстве и предназначено для определения угла трения на границе контакта геосинтетического материала с грунтом (контактная характеристика) при проведении лабораторных испытаний образцов армированного грунта в приборе трехосного сжатия. Способ определения угла трения геосинтетического материала по грунту заключается в том, что проводят испытания образца армированного грунта. Проводят испытания образца грунта на трёхосное сжатие с использованием прибора трехосного сжатия, содержащего датчик радиальной деформации в виде разомкнутой цепочки или ленты, который устанавливают в средней части испытуемого образца, для этого образец грунта при формировании в приборе трехосного сжатия армируют геосинтетическим материалом в середине образца двумя горизонтальными слоями таким образом, чтобы расстояние по вертикали между крайними плоскостями армирования составляло высоту разомкнутой цепочки или ленты датчика радиальной деформации. Во время проведения испытания при помощи датчика радиальной деформации фиксируют момент потери сцепления армирующих слоев в грунте, которому соответствует резкое увеличение радиальной деформации, одновременно фиксируют нормальное вертикальное напряжение (σ₁^рад) в момент потери сцепления геосинтетического материала с грунтом при заданном боковом давлении (σ₃).

Производят построение графика с прямолинейной зависимостью вертикальных напряжений от бокового давления (σ₁^рад – σ₃) в момент потери сцепления грунта с геосинтетическим материалом при испытании не менее трёх образцов при различных боковых давлениях. По графику определяют угол трения на контакте геосинтетического материала с грунтом, соответствующий углу наклона полученной прямой к оси абсцисс σ₁^рад. Технический результат состоит в обеспечении определения угла трения на границе контакта геосинтетического материала с грунтом при проведении лабораторного испытания образцов армированного грунта с высокой экономической эффективностью и низкой трудоёмкостью выполнения работ. 4 ил.

Способ определения угла трения геосинтетического материала по грунту, заключающийся в том, что проводят испытания образца армированного грунта, отличающийся тем, что проводят испытания образца грунта на трёхосное сжатие с использованием прибора трехосного сжатия, содержащего датчик радиальной деформации в виде разомкнутой цепочки или ленты, который устанавливают в средней части испытуемого образца, для этого образец грунта при формировании в приборе трехосного сжатия армируют геосинтетическим материалом в середине образца двумя горизонтальными слоями таким образом, чтобы расстояние по вертикали между крайними плоскостями армирования составляло высоту разомкнутой цепочки или ленты датчика радиальной деформации, во время проведения испытания при помощи датчика радиальной деформации фиксируют момент потери сцепления армирующих слоев в грунте, которому соответствует резкое увеличение радиальной деформации, одновременно фиксируют нормальное вертикальное напряжение (σ₁^рад) в момент потери сцепления геосинтетического материала с грунтом при заданном боковом давлении (σ₃),

производят построение графика с прямолинейной зависимостью вертикальных напряжений от бокового давления (σ₁^рад – σ₃) в момент потери сцепления грунта с геосинтетическим материалом при испытании не менее трёх образцов при различных боковых давлениях, по графику определяют угол трения на контакте геосинтетического материала с грунтом, соответствующий углу наклона полученной прямой к оси абсцисс σ₁^рад.