Способ определения коэффициента бокового давления грунтов и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01N33/24 

Изобретение относится к инженерно- геологическим изысканиям и предназначено, в частности, для лабораторного определения механических характеристик грунтов.

Известен способ определения коэффициента бокового давления грунтов, заключающийся в размещении образца в рабочей камере, заполнении пространства между оболочкой, охватывающей образец, и корпусом камеры водой, приложении сжимающей нагрузки, измерении деформаций образцов и бокового давления (давления жидкости в рабочей камере) и затем расчете коэффициента бокового давления по отношению бокового давления к сжимающему

Известно также устройство (стабило- метр) для осуществления этого способа, включающее рабочую камеру с резиновой оболочкой для разделения образца грунта от жидкости, нижний неподвижный и верхний подвижный штампы, механизм приложения сжимающей нагрузки, датчик деформации грунта и измеритель давления жидкости в рабочей камере

Известно устройство для определения прочностных характеристик грунтов, включающее основание, рабочую камеру состоvi о го

N3 СО СО

ящую из кольцевой обоймы с прямоугольными ребрами на внутренней поверхности, установленной с возможностью поворота в горизонтальной плоскости нижнего неподвижного рифленого и перфорированного штампа и верхнего подвижного в вертикальном направлении, зафиксированного от вращения рифленого и перфорированного штампа, механизм приложения сжимающей нагрузки с датчиком деформации и ме- ханизм поворота обоймы с измерителем сопротивления грунта срезу.

Наиболее близким к изобретению является способ компрессионых испытаний грунтов, включающий размещение образца в кольце, создание ступенчато-возрастающего вертикального давления на него через верхний штамп, измерение давления на нижнем штампе и деформаций образца, в котором на каждой ступени заданного вер- тикального давления поворачивают верхний штамп вокруг его вертикальной оси на 360°-и измеряют крутящий момент, после чего по измеренному крутящему моменту и вертикальному давлению определяют коэф- фициент трения грунта по металлу а по разности давлений на верхнем и нижнем штампах и коэффициент бокового распора. Устройство для осуществления этого способа содержит рабочее кольцо, верхний вра- щаемый штамп и нижний штамп с измерителем давления на нем, механизмы создания вертикальной и вращающей нагрузок.

Недостаток известного технического решения заключается в том, что результат определяется на через измерения трения внутри грунта, а через измерения трения на контакте грунта со штампом и стенками кольца, качество поверхности которых не может быть одинаково. Это существенно снижает качество результатов.

Цель изобретения - повышение достоверности испытаний.

Указанная цель достигается тем, что в способе определения коэффициента бокового давления, включающем размещение цилиндрического образца в рабочей камере прибора, приложение к нему нагрузок, измерение реакции образца на приложенные нагрузки и вычисление коэффициента бокового давления, кторцу образца прикладывают последовательно нормальную и вращательную нагрузку и определяют сопротивление срезу по торцевой поверхно- сти, а затем прикладывают срезающую нагрузку по боковой поверхности образца и определяют сопротивление среза по ней, а коэффициент бокового давления вычисляют по формуле

Ј 1 - Р

пр

fftg р,( )

где а- нормальное напряжение в образце от сжимающей нагрузки, кгс/см2;

-угол внутреннего трения, град;

т пр и zHip предельные касательные напряжения при срезе образца соответственно по торцевой (плоской) и боковой (цилиндрической) поверхностям, кгс/смг.

Способ реализуется в устройстве для определения коэффициента бокового давления, включающем цилиндрическую рабочую камеру с днищем и вращаемый относительно нее штамп, в котором днище и штамп снабжены ребрами а площадь боковой поверхности рабочей камеры не превышает 0,6 площади торцевой поверхности.

На фиг, 1 представлено устройство, общий вид; на фиг. 2 - вид сверху на ребра обоймы; на фиг. 3 - вид сбоку на ребра верхнего штампа ; на фиг.4 - вид сбоку на ребра нижнего штампа; на фиг. 5 - форма скоса верхней части ребер обоймы.

Устройство содержит основание 1, срезную коробку, состоящую из кольцевой обоймы 2, нижнего 3 и верхнего 4 перфорированных штампов, механизм 5 приложения сжимающей нагрузки, датчик 6 деформации образца.

Нижний штамп установлен с возможностью поворота относительно обоймы 2 и имеет механизм 7 поворота с измерителем 8 сопротивления грунта вращательному плоскостному срезу. Обойма 2 установлена с возможностью поворота относительно нижнего 3 и верхнего 4 штампов и имеет механизм 9 поворота с измерителем 10 сопротивления грунта вращательному цилиндрическому срезу.

Обойма 2 имеет рабочую камеру, на внутренней поверхности которой выполнены ребра 11 и гнездо для режущего кольца 12, которым отбирается образец грунта и переносится в обойму 2.

На нижнем 3 и верхнем 4 штампах выполнены ребра соответственно 13 и 14.

В качестве механизма приложения сжимающей нагрузки в устройстве может использоваться, например, нагрузочная система, состоящая из нагрузочной рамки и рычага с грузами, широко используемая в компрессионных и сдвиговых приборах.

В качестве механизмов 7 и 9 поворота нижнего штампа 3 и обоймы 2, а так же измерителей 8 и 10 сопротивления грунта срезу в устройстве могут быть использованы любые общеизвестные передачи (зубчатые, цепные, тросовые и т.п.) и силоизмерители (динамометры тензодатчики и т.п.), например, зубчатая передача шестерня - рейка с приводом, соединенным через тензодатчики. В этом случае зубчатая рейка механизма 7 поворота обоймы 2 взаимодействует с зубчатым венцом, выполненным на ее наружной поверхности, а зубчатая рейка механизма 9 поворота нижнего штампа 3 взаимодействует с зубчатым венцом, выполненным на поворотном столике 15, на котором размещен нижний штамп 3. Для испытания водонасыщенных грунтов устройство имеет ванну 16.

Для создания аналогичных условий среза по торцевой и боковой поверхностям и минимального контакта ребер с грунтом в плоскости среза ребра 11 рабочей камеры обоймы 2 и ребра 13 и 14 нижнего 3 и верхнего 4 штампов выполнены одинаковой высоты и имеют одинаковый профиль в поперечном сечении с заостренной вершиной.

Для обеспечения торцевого среза по всей площади поперечного сечения образца торцы ребер 13 нижнего штампа 3 выполнены заподлицо с его боковой поверхностью.

Для обеспечения бокового (цилиндрического) среза по всей высоте образца и предотвращения контакта ребер 14 верхнего штампа 4 с ребрами 11 обоймы 2 при осадке образца под сжимающей нагрузкой торцы ребер 14 верхнего штампа 4 не доходят до его боковой поверхности на высоту ребер 11 обоймы 2.

Для предотвращения нарушения естественного сложения грунтов образцов при загрузке в рабочую камеру обоймы 2 ее ребра 11 в верхней части имеют скос с заостренной гранью, направленной к центру обоймы 2. Для обеспечения гарантированного среза образца по торцевой поверхности при вращении нижнего штампа 3 относительно обоймы 2 или бокового (цилиндрического) среза при вращении обоймы 2 относительно нижнего штампа 3, рабочая камера обоймы 2 имеет размеры, при которых площадь боковой поверхности цилиндра, проходящего по вершинам ее ребер равна менее 60% площади одного из штампов, а верхний штамп 4 имеет фиксацию от поворота относительно обоймы 2, но при этом имеет возможность осевого перемещения.

Способ с помощью устройства осуществляют следующим образом.

Режущее кольцо 12с образцом грунта устанавливают в гнезде обоймы 2, сверху на образец устанавливают штамп 4 и передавливают образец в рабочую камеру обоймы 2 до упора в нижний штамп 3. При этом ребра 11 рабочей камеры обоймы 2 и ребра 13 и 14

верхнего 4 и нижнего 3 штампов врезаются в образец. На верхний штамп 4 прикладывают сжимающую нагрузку а и датчиком 6 измеряют деформацию грунта. После передачи образцу сжимающего напряжения включают механизм 7 поворота нижнего штампа 3 при неподвижной обойме 2 и производят вращательный срез образца по нижнему торцу в плоскости, проходящей по

0 вершинам ребер 13 штампа 3, с регистрацией сил сопротивления грунта срезу

T lip измерителем 8. Затем включают механизм 9 поворота обоймы 2 при неподвижном нижнем штампе 3 и производят вращательный срез образца по боковой поверхности цилиндра, проходящего по вершинам ребер 11 обоймы 2 с регистрацией

сил сопротивления грунта срезу изме0 рителем 10.

После этого срезную коробку загружают новым образцом.

По полученным результатам определяют коэффициент бокового давления, ис5 пользуя формулу 1.

Параллельно определению коэффициента бокового давления устройство и способ позволяют получать без дополнительных затрат деформационные и

0 прочностные характеристики по общепринятой методике.

Формула изобретения 1. Способ определения коэффициента бокового давления грунтов, включающий

5 размещение цилиндрического образца в рабочей камере прибора, приложение к нему нагрузок, измерение реакции образца на приложенные нагрузки и вычисление коэффициента бокового давления, отличаю0 щ и и с я тем, что, с целью повышения достоверности определения к торцу образца, прикладывают последовательно нормальную и вращательную нагрузку и определяют сопротивление срезу по торце5 вой поверхности, а затем прикладывают срезающую нагрузку по боковой поверхности образца и определяют сопротивление срезу по ней, а коэффициент бокового давления вычисляют по формуле

0t I пр tnp л

где а- нормальное напряжение в образце от сжимающей нагрузки, кгс/см ;

р- угол внутреннего трения грунта. 5 град,

и предельные касательные напряжения при срезе образца соответственно по торцевой (плоской) и боковой (цилиндрической) поверхностям, кгс/см

2. Устройство для определения коэффициента бокового давления грунтов, включающее цилиндрическую рабочую камеру в виде обоймы с днищем и вращаемый относительно нее штамп, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности определения, оно снабжено механизмом

поворота обоймы с измерителем сопротивления грунта срезу, а стенки, днище и штамп снабжены ребрами.

3. Устройство по п. 2, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что площадь боковой поверхности рабочей камеры не превышает 0,6 площади торцевой поверхности.

Использование: определение деформационных и прочностных характеристик грунтов. Сущность изобретения- способ предусматривает последовательный срез грунта под осевой нагрузкой в условиях компрессии в цилиндрическом образце сначала по торцевой, а затем по боковой поверхностям, измерение сопротивления срезу и определение по полученным данным деформационных и прочностных характеристик - коэффициента бокового давления, сцепления, угла внутреннего трения. Для этого устройство содержит вращаемые обойму 2 с ребрами 11 и штампы 3 и 4 с ребрами 13 и 14, с приводами 7 и 9, измерительные и нагружающие приспособления При испытаниях в образце создают осевое усилие, затем механизмом 7 поворачивают нижний штамп 3 при неподвижности обоймы 2 и штампа 4, определяют сопротивление срезу по вершинам ребер 13, затем поворачивают механизмом 9 обойму 2 при неподвижных штампах 3 и 4, определяют сопротивление срезу по вершинам ребер 11 и путем вычислений по полученным данным определяют искомые характеристики 2 с и 1 з.п. ф-лы, 5 ил (Л С

V V F«

Фиг 3

.

фиг. 2

/J

J

//

/J

5

7

раг.4Фиг. 5