Устройство для испытания образцов грунта в условиях трехосного нагружения Советский патент 1984 года по МПК G01N3/10 E02D1/02 

со Изоб;ретерше относится к области строительства и предназначено для механических испытаний грунтов, а именно для определения характеристик деформируемости и прочности грунта в условиях трехосного нагружения. Известно устройство для испытания грунтов в условиях трехосного нагружения, в котором с целью уменьшения сил трения предлагается создавать осевую нагрузку с помощью тонких металлических тросов, проходящих крышку камеры через специальные втулки, выполненные из тефлона с бисульфидом молибдена. Центральный трос приклепляется ор ним концом к верхнему штампу образца а другим - к пластине, расположенной над верхней крышкой камеры стабилометра. Два других троса также прикрепляются к верхнему штампу и пропускают через нижнюю крьш1ку стабилометра, после чего прикрепляются к грузовой платформе. Грузы укладываются на платформу через тросы вызы вают сжатие образца. При этом происходит перемещение пластины, связанной с индикатором, фиксирующим это перемещение Л . В- указанном устройстве, благодаря применению тонких тросов, сила трения в сальниковом узле несколько уменьшается, но полностью не устраняется. В связи с этим точность изме рений остается низкой. Наиболее близким техническим реше нием является устройство для испытания образцов грунта включакнцее сое диненную с источником давления с вер ней и нижней крьш1ками, штоком и стержнем на концах которых в камере закреплены верхний и нижний штампозахваты, центрирующее и нагрузочное приспособления и измерительные приборы 2 . Недостатками устройства являются ограниченность возможных схем нагружения образца, а именно, возможность испытания и определения характеристик деформируемости и прочности образцов грунта только в условиях бо- нового давления и сжатия вдоль его оси (d, 6 0;)2 - У ловиях бокового давления и растяжениг вдоль оси образца (б, 0, J где d, - удельная нагрузка на попереч ное сечение образца5 с 2 d -боковое давлениеi сложность обеспечения на92дежной герметичности камеры и мини мального трения скольжения при перемещении штока по сальнику; неточность измерений, связанная с невозможностью учета силы трения скольжения штока в сальнике, которая зависит от мно- , гих факторов, величины давления жидкости внутри камеры, свойств жидкости и смазки сальника, скорости перемещения штока, скорости и режима нагружения, .температуры и т.д., невозможность обеспечения режима простого нагружения, при котором все нагрузки возрастают одновременно так, что соотношение между ними в любой момент времени в процессе испытания сохраняется неизменными; Цель изобретения - повышение точности измерений в условиях трехосного нагружения. Цель достигается тем, что в устройстве для испытания образцов грунта, включающем соеданенную с источником давления камеру бокового давления с верхней и нижней крьшпсами, ШТОКОМ и стержнем на концах которых в камере закреплены верхний и нижний штампы - захваты, центрирующее и нагрузочное приспособления, центрирующее приспособление снабжено винтами-стойками и установленной между ними траверсой, а нагрузочное приспособление выполнено в виде упругой гофрированной трубы, разделенной на нижнюю и верхг нюю полости диафрагмой, закрепленной на штоке, пропущенном с помощью шарниров через верхнюю крьшшу, причем верхняя полость соединена с источником давления, а нижняя - с камерой бокового давления, при этом полость атмосферного давления редуктора снабжена сильфоном, соединен,ным с полостью бопьтоРо давления. На фиг, 1 показано предлагаемое устройство, общий вид$ на фиг. 2 редуктор пропорционального давления. Устройство включает корпус 1 с камерой 2 бокового давления, нагрузочное приспособление для передачи давления на торцы образца 3, установленного в камере. Нагрузочное приспособление содержит тонкостенную упругую гофрированную трубу 4, кото„рая герметично соединена с верхней крышкой 5 камнры бокового давления и с траверсой 6. Гофрированная труба в средней части имеет жесткую диафрагму 7, снабженную краном 8 для выпуска воздуха. К диафрагме прикреплен шток 9 верхнего штампа захвата 10, пропущенный в отверстие крышки камеры. Диафрагма и шток имеют шарикоподшипниковые опоры 11 и 12, ограничивающие свободу перемещения относительно корпуса в горизонтальной плоскости. Камера бокового-давления, сообщающаяся с нижней полостью гофрированной трубы и верхняя полость, образованная диафрагмой и траверсой, независимо соединены трубопроводами с пневмогидравлической системой 13. Траверса снабжена механическим приводом, содержалргм черв}гчную передачу 14 и ходовые винты - стойки 15, которые прикреплены к корпу су. Траверса служит грузоподъемным элементом при подготовке и размещении испытуемого образца в камере (в этом случае крышка освобождена от корпуса, стяжные болты 16 сняты и стержень 17 нижнего штампа - захвата 18 отсоединен от корпуса), а также упорным элементом в процессе испытания. Пневмогидравлическая система 13 .устройства состоит из соединенных между собой трубопроводами баллона 19 со сжатым воздухом, баллона 20, частично заполненного дистиллиро ан ной водой, вакуумного насоса 21 с манометром и реесивера 22. Пневмогидравлическая система вкл чает также вентили 23-27 газовый ре дуктор 28 и редукторы пропорционал ного давления 29 и 30. Редукционный клапан редуктора пр :порщ1онального) давления (см. фиг. содержит запорную пружину 31, тарел ку 32 клапана, мембрану 33, регулировочную пружину 34 с сильфоном 3 и дроссель 36. Устройство работает следующим об разом. I К испытываемому образцу 3 грунта прикрепляют штампы - захваты 10 и 18 со штоком 9 и стержнем 17 и подвеш1|вают его к диафрагме 7 при верхнем (поднятом) положении травер сы 6. Опускают при помощи траверсы и размещают образец в камере 2, при этом стержень 17 пропускают в отвер тие и герметично закрепляют к корпу су 1 . После этого крьшжу 5 закрепля 4 ют стяжными болтами 16 к камере 2. Открывают кран 8 и заполняют камеру дистиллированной водой. Закрывают все вентили, и подключают к пневмогидравлической.системе 13 баллон 19 со сжатым воздухом. Устройство обеспечивает нагружение испытываемого образца боковым давлением и осевым усилием сжатия или . растяжения. Величины удельной осевой нагрузки d( на поперечное сечение образца и боковое давление dj - О, определяются из условия равновесия в соответствии с формулами: (J f Р -Р Vt-P V 2 м J 5 ,d, -P, где Р - давление в камере и в нижней полости гофрированной тубки, Па i - давление в верхней полости гофрированной трубки,Haj-конструктивная характерис ° тика устройства ( - площадь диафрагмы, F площадь поперечного сечения образца, м), В формулах величины давлений, вызывающих сжатие образца, обозначены со знат-ом минус, а растяжение - со знаком плюс Устройство дает возможность определять прочность и деформируемость грунта в условиях: одноосного сжатия, одноосного растяжения, сжатия вдоль оси образца с боковым давлением и растяжения вдоль оси образца с боковым давлением. При испытании образца в условиях возрастающего осевого усилия сжатия d, и постоянства бокового давления 6,da (например, при конструктивной характеристике устройства К 2) ручSca регулятора давления на редукторе 29 (при закрытом дросселе 36) устанавливается в положение, при котором Р, 0, (см. формулы при k 2). Открывается вентиль 26 и при помощи редуктора 28 в магистрале создается давление, равное заданному боковому, величина которого контролируется манометром на выходе редукто- . ра. В этом случае при любых величинах бокового давления удельная осевая нагрузка U, 0. Осевая удельная нагрузка d« создается повышением

давления Р при помощи ручки регулятора на редукторе 29. При этом повьшение давления Р« , возможно только до величины Р, j Дальнейшее увеличение давления Р, (а, следовательно и удельной осевой нагрузки d ) производится с использованием редукторов 30 и 28 при закрытых вентилях 26 и 36 и открытом вентиле 25.

Испытание образца в условиях постоянного бокового давления и возрастающего усилия растяжения вдоль его оси производится следующим образом.

Ручка регулятора давлением редуктора 29 (при закрытом дросселе 36) устанавливается в положение, при котором Р, 0,5Р-. Открывается вентиль 26 и на входе редуктора 28 создается давление, равное боковому. В этом случае (при К 2) при . любых величинах бокового давления удельная осевая нагрузка б 0. При помощи вентиля 24 вьшускается воздух из верхней полости гофрированной трубки 4 и снижается в ней давление до заданной величины. При этом усилие растяжения возникает за счет превышающего давления на диафрагму 7 со стороны нижней полости гофрированной трубы. После достижения давления Р О. при необходимости дальнейшего увеличения усштия растяжения на образец 3, может быть использован вакуумный насос 21.

Указанные схемы одноосного нагружения, а также схемы нагружения характеризующиеся постоянным освым усилием и возрастающим боковым давлением являются частными случаями описанных схем нагружения образца. Создание этих схем нагружения также производится с использованием редукторов 28-30 о

Кроме этого, устройство позволяет испытывать образцы грунта в условиях нагружения, при котором боковое давление и осевое усилие сжатия (или растяжения) возрастают так, что соотношение между ними в любой момент времени сохраняется неизменным При

1ЭТИХ условиях нагружения открываете дроссапь 36, ручка регулятора давления на редукторе 29 устанавливается в положение, соответствующее заданному соотношению между величина- ми б, и do .

Открывается вентиль 26 и через редуктор 28 создается в магистрали давление. Величины давления на входе и выходе редуктора 29, соответствующие величинам давления в камере и в верхней полости гофрированной трубки, контролируется манометрами, установленньми на редукторе. Увеличение давления Р на входе редуктора 29 вызывает пропорциональное увеличение давления на выходе.

В случае, когда необходимо создать схему нагружения, при которой величина бокового давления меньше, чем величина осевого усилия, закрывается вентиль 26 и, в последующем, вьшолняются аналогичные операции, используя редукторы 30 и 28.

Таким образом, устройство позволяет испытывать образцы грунта в условиях объемного напряженного состояния при различных схемах нагружения. При этом по одной из главных осей могут быть созданы как сжимающие, та и растягивающие напряжения и, кро ме этого, устройство позволяет реализовать режим простого нагружения при котором нагрузки возрастают пропорщ-юнально с заданным соотношением их величин.

Конструкция нагрузочного приспособления, выполненная из тонкостенной гофрированной трубы (сильфона) обеспечивает герметичность и, в связи с отказом от уплотняющего сапь;шка, полностью исключает с:-шу трения .скольжения штока 9, Величина упругой силы гофрированной трубы является табличной характеристикой, учитывается в процессе испытания.

Расширение схем нагружения образца позволяет более точно определить , характеристики прочности и деформируемости испытываемого грунта.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ ГРУНТА В УСЛОВИЯХ ТРЕХОСНОГО НАГРУЖЕНИЯ, включающее соединенную с источником давления камеру бокового давления с верхней и нижней крышками, штоком и стержнем, на концах которых в камере закреплены верхний и нижний штампы - захваты, центрирующее и нагрузочное приспособления, и измерительные приборы, отличающееся тем, что, с целью повьппения точности измерений в условиях трехосного нагружения, центрирующее приспособление снабжено винтами-стойками и установленной между ними траверсой, а нагрузочное приспособление выполнено в виде упругой гофрированной трубы, разделенной на верхнюю и нижнюю полости диафрагмой, закрепленной на штоке, пропущенном с помощью шарниров через верхнюю крышку, причем верхняя полость соединена с источником давления, а нижняя - с камерой бокового давления, (Л 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, полость атмосферного давления редуктора снабжена сильфоном, соединенным с полостью большого давления.