СПОСОБ И ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В СООРУЖЕНИЯХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ГРАВИТАЦИОННЫХ СИЛ Советский патент 1934 года по МПК G01L1/00 

При расчете тоннельных облицовок, шлюзов, подпорных стенок, фундаментов, канализационных труб и других подобных сооружений, тесно связанных в своей работе с грунтами, необходимо иметь данные о величине давления земли во всех разнообразных геологических и топографических условиях, встречаемых на практике. Теория равновесия сыпучих тел еще слишком слабо разработана, чтобы при расчетах на нее можно было с уверенностью опереться.

Поэтому особое значение приобретает возможность измерять давления непосредственно на месте работ или применять модели сооружений, погружая их в искусственно насыпанный грунт.

Однако, оперирование с моделями представляет трудности. Так, напряжения, вызванные весом грунта и сооружений, получаются столь малыми, что их измерение не может быть выполнено достаточно точно; кроме того в виду нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями, уменьшение напряжений по абсолютной величине против натуры изменяет всю картину распределения напряжений, приближая ее к упругой задаче, с которой действительность имеет мало общего.

Необходимо отметить, что грунты плохо подчиняются закону Гука и обладают крайне невысоким пределом упругости; переход на малых моделях к малым напряжениям в большой степени изменяет распределение напряжений и величины соответствующих им деформаций, заставляя материал работать на совершенно других участках своей диаграммы сжатия, чем при нормально больших размерах сооружения. Той же причиной объясняется и отсутствие подобия в опытах, например, со вдаливанием в грунт плиты или штампов разных размеров, посколько сопротивление грунта зависит в значительной мере и от веса их.

Что касается определения давлений и деформации сооружения на месте его постройки, то необходимо отметить, что техника также не располагает до настоящего времени приемами и приборами, к точности показаний которых можно было бы отнестись с полным доверием. Заявитель считает, что предлагаемое им изобретение указывает реальный метод для возможных решений вопросов, относящихся к определению напряжений и деформаций в сооружениях под действием гравитационных сил.

Предлагаемый метод осуществляет закон подобия и основан на следующем. Для того, чтобы в модели сооружения, состоящего из каких угодно материалов (грунт, бетон, дерево, вода) и находящегося под действием только гравитационных сил, напряжения и относительные деформации во всех точках были равны соответственно величинам оригинального сооружения, необходимо и достаточно, чтобы объемный вес всех элементов модели был увеличен против натуры в отношении масштаба модели. Другими словами, если модель меньше сооружения в n раз, то ее объемный вес должен быть в n раз увеличен.

Закон подобия может быть выведен теоретически из рассмотрения уравнения равновесия элементарных объемов материала, (см. №1 журн. „Техника” 1923 г.), но он может быть обоснован и следующими соображениями.

При уменьшении размеров сооружения все веса его частей убывают, как кубы линейных размеров, а все поверхности, как квадраты. Напряжения, будучи пропорциональны отношениям весов к поверхностям, убывают пропорционально линейным размерам. Увеличение весов в том же отношении снова вернет к исходной величине и напряжения и однозначно связанные с ними деформации. При этом, однако, необходимо одно существенное условие - сохранить в неприкосновенности физические и механические свойства всех материалов, дабы не нарушать для них соотношения между напряжениями и деформациями.

Удовлетворить этим требованиям можно путем замены сил тяжести силами инерции, величина которых подобрана должным образом. Достичь этого можно либо помещением модели в поле действия центробежных сил, либо сообщением ей возвратно-поступательного движения. Последний способ имеет то преимущество, что при нем все точки модели движутся с одинаковыми ускорениями, а потому и объемная сила получается по всей массе постоянной, наилучше воспроизводя земное гравитационное поле. Однако, с этим методом связан ряд неудобств - необходимость производить мгновенные наблюдения, учитывать различие между динамическим и статическим действием сил, избегать встряхивания грунта и т.п. Эти неудобства заставляют предпочесть способ центрифугирования.

Этот способ заключается в том, что модель сооружения вместе с окружающим ее грунтом помещается в прочный ящик, подвешиваемый на шарнире конца горизонтального коромысла центрифуги.

На чертеже представлена в разрезе схема устройства центрифуги, предлагаемой для осуществления способа определения давления и деформации от действия гравитационных сил.

1 - электромотор, приводящий в движение систему; 2 - ось вращения коромысла 3, к которому подвешены на шарнирах 4 камеры или ящики 5, предназначенные для помещения в них модели испытуемого сооружения, окруженной в достаточно близком к естественному уплотнению грунтом. При вращении коромысла ящики поднимаются, принимая почти горизонтальное положение, точнее, образуя с горизонтом угол, тангенс которого равен отношению ускорения силы тяжести к центробежному ускорению, и модель подпадает под действие сил инерции, направленных по линии отвеса модели.

Так как центробежная сила пропорциональная радиусу, то в пределах модели она претерпевает некоторые вариации, тем меньшие, чем больше радиус центрифуги в сравнении с размерами модели. Это заставляет придавать центрифуге возможно большие размеры и, стало быть, увеличивать пропорционально мощность двигателя.

Возможность и допустимость предлагаемого метода могут быть обоснованы следующими соображениями: если заставить модель вращаться с угловой скоростью W=2nn, то на радиусе ρ - ускорение центробежной силы W_ρ; надлежащим выбором W и ρ можно подобрать это ускорение таким, чтобы оно было больше ускорения силы тяжести g в R раз, где R множитель геометрического подобия модели по отношению к образцу; таким способом при испытании на центрифуги можно увеличить объемный вес грунта и модели, помещенной в нем, не меняя физических свойств их. Следует лишь радиус ρ выбрать достаточно большим, чтобы изменения в пределах исследуемой модели были достаточно малы, имея в виду, что центробежная сила пропорциональна радиусу ρ, а сила тяжести, которую центробежная сила заменяет при вращении модели на центрифуге, по природе - постоянна.

Радиус ρ центрифуги и масштаб модели n определяют собою требуемую скорость вращения центрифуги. Именно, угловая скорость W определяется из уравнения W²R=ng, где g - ускорение силы тяжести. Хотя эта угловая скорость не очень велика, но она даст громадную линейную скорость на окружности, при которой сопротивление воздуха выростает в главное препятствие для движения. Для его уменьшения модельные ящики 5 приходится заключать в особые „обтекатели”, имеющие форму дирижаблей, и надевать на коромысло защитные приспособления. Сама центрифуга помешается в облицованном бетонном котловане ниже уровня пола (во избежание разрушений при авариях).

Для определения напряжений и деформаций в моделях и образцах грунта, испытуемых на предлагаемой центрифуге, необходимы специальные динамометры малых размеров; эта задача представляется достаточно трудной, если принять во внимание, что измерительные приборы сами подчинены закону масштабов и вырастают в натуре в 50 раз. Кроме того они должны в своих показаниях не зависеть от собственных сил инерции. Задача эта главным образом разрешима, благодаря высокой степени развития современной радиотехники.

Предлагаемый метод испытания применим для разрешения ряда научных и технических задач, так как все детали геологических разрезов на разных участках строительства могут быть в точности воспроизведены на моделях Юрская глина, плывуны, моренные ески - все эти горизонты могут быть изучены в отдельности и в комбинациях. Спорные вопросы о высоте слоя, передающего давление на свод тоннеля в разных грунтах, могут, наконец, получить экспериментальное разрешение. Равным образом могут быть оценены сравнительные преимущества облицовок различного типа и из разного материала, например, из плавленого диабаза и т.п. В последнем случае может оказаться целесообразным метод доведения моделей до разрушения путем увеличения центробежной силы против расчетной величины: это позволит для каждого типа сооружений определить отвечающий ему запас прочности.

Для полной ясности вопроса следует здесь отметить, что не будет ошибкой предлагаемого метода использование для опыта с моделью натурального грунта вместо того, чтобы уменьшить размер песчинок в том же масштабе, в каком уменьшено натуральное сооружение; уменьшение песчинок не требуется, так как к материалу и самой модели должно быть предъявлено требование на тождество физико-механических свойств их с материалом оригинала. Указанное тождество для песка будет обеспечено при условии одинаковой крупности зерен и однородности по составу, и при отсутствии в песке щебня, гальки и пр.

Следует также отметить, что влиянием касательных сил, при неравномерном вращении, на точность отсчетов возможно пренебречь, так как громадная инерция центрифуги должна выравнить небольшие колебания крутящего момента; разгон же центрифуги должен быть возможно медленным, чтобы горизонтальные ускорения не превысили 2-5% от расчетных радиальных.

Все изменения и отсчеты при этом должны производиться только во время установившейся скорости вращения.

Предложенный метод может оказаться полезным во всех тех случаях, когда расчет не может быть произведен с полной уверенностью. Устойчивость подпорных стенок, осадки фундаментов, работы шлюзов и плотин - все эти темы экспериментального разрешения. В частности указанным методом предполагается, что окажется возможным выяснить вопрос о давлении, испытываемом канализационными трубами при засыпке их в котлованах, а также зависимость величин этого давления от уплотненности насыпного грунта.

Кроме того, предлагаемый метод допускает возможность изучения влияния самого рода грунта на величину давления, например, песчаного, глинистого или плавуна при нормальной их влажности, а также для изучения влияния глубины заложения трубы на величину давления на нее грунта и, кроме того, для изучения вопросов влияния уплотнения пазух, ширины котлована, диаметра труб, шпунтовых ограждений, сотрясений, уровня грунтовых вод, влияния жесткости труб, осадки основания, случайной и временной перегрузки сооружений и пр.

1. Способ определения напряжений и деформаций в сооружениях под действием гравитационных сил, с использованием моделей сооружений, отличающийся тем, что в целях приложения к моделям нагрузок, аналогичных по величине и направлению нагрузкам на сооружения в фактических условиях их работы, сообщают соответственно установленным моделям вращение в целях использовать появляющиеся центробежные силы для воздействия через модель на измерительные приборы.

2. Для осуществления способа по п. 1 прибор для сообщения моделям сооружений вращательного движения, отличающийся применением приводной карусели, плечи 3 которой снабжены шарнирами 4 для подвеса к ним камер 5, предназначенных для помещения в них модели и окружающей ее среды в виде сыпучих тел.

3. Применение при приборе по п. 2 камер в удобообтекаемой форме в целях уменьшения сопротивления в приборе при перемещениях этих камер в воздушной среде.