Сдвиговый прибор

 

Изобретение относится к строительству, в частности к технике исследования физико-механических свойств грунта. Сдвиговый прибор содержит срезыватель, механизм вертикального давления с соответствующими верхними и нижними гильзами и обоймами и датчиком силы, механизм горизонтального среза с датчиком перемещения, при этом в механизм вертикального перемещения введен установленный на нижней обойме второй датчик силы, а блок управления выполнен в виде контроллера, связанного через первый ЦАП с механизмом горизонтального среза, через второй ЦАП - с механизмом вертикального давления, через первый АЦП и первый НУ - с первым датчиком силы, через второй АЦП и второй НУ - с вторым датчиком силы, через третий АЦП, устройство выборки-хранения и третий НУ - с датчиком перемещений, который через устройство питания датчика связан с устройством выборки-хранения. Сдвиговый прибор обеспечивает повышение точности определения сдвигающего усилия и позволяет поддержать постоянное нормальное давление в плоскости среза при проявлении эффекта дилатации или контракции. Кроме того, обеспечивает поддержание заданной постоянной скорости среза или управление ею в процессе нагружения. 4 ил.

Предлагаемое изобретение относится к строительству, в частности технике для исследования физико-механических свойств грунта.

При производстве инженерных изысканий под строительство зданий и сооружений возникает необходимость определения сопротивления сдвигу различных грунтов, как после предварительного уплотнения, так и без предварительного уплотнения. Сопротивление сдвигу, а в итоге параметры прочности - угол внутреннего трения и сцепление грунтов - определяются при помощи сдвиговых приборов.

Известен сдвиговый прибор, содержащий срезыватель, загрузочное устройство, подъемное устройство подвижной панели, механизм передачи на образец грунта горизонтального усилия и индикатор часового типа /см. Чаповский Е.Г. "Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов", М., "Недра", 1975, стр. 202-209/. Его недостатком является низкая точность измерений вследствие наличия системы рычагов и гибких тяг для приложения нормального и в особенности горизонтального срезывающего усилия.

Известен, кроме того, сдвиговый прибор, содержащий срезыватель, загрузочное устройство, подъемное устройство подвижной панели, блок автоматического приложения срезывающего горизонтального усилия, блок управления, самописец, причем вход самописца механически связан со срезывателем, а вход блока автоматического приложения сдвигающего горизонтального усилия электрически связан с первым выходом блока управления /см. а. с. СССР N 176105, кл. E 02 D 1/00, 1965/. Его недостатком является невозможность получения графика зависимости величины деформации от сдвигающего усилия и низкая достоверность полученной информации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является сдвиговой прибор по а.с. СССР N 894058, кл. E 02 D 1/00, принятый за прототип. Он содержит срезыватель, загрузочное устройство, /механизм вертикального давления с соответствующими верхними и нижними гильзами и обоймами и датчиком силы/, подъемное устройство подвижной панели, блок автоматического приложения горизонтального сдвигающего усилия /механизм горизонтального среза с датчиком перемещения/, блок управления, самописец, два источника света, секторный диск, маска, светонепроницаемая шторка, фотодиод, фотоэлемент, узел дискретной протяжки - с соответствующими связями между ними. Однако и этот прибор не обеспечивает требуемую точность определения сопротивления сдвига и, следовательно, параметров прочности грунтов. Это объясняется следующими причинами.

Параметры прочности грунта: угол внутреннего трения и сцепление определяются из уравнения прочности Кулона вида τ = σ tgϕ +c непосредственно для песчаного грунту при известных значениях предельного сопротивления сдвигу (τ_пр) и нормального давления (σ_п) или из графической зависимости, приведенной на фиг. 1a, как для песчаного, так и глинистого грунта. Нагружение образца грунта выполняется по схеме, приведенной на фиг. 2. Нормальное давление прикладывается на поверхности образца /верхняя гильза/, а сдвигающее усилие создается путем смещения верхней или нижней гильзы в зависимости от конструкции прибора. Распределение нормальных и касательных напряжений в образце грунта, в том числе и в плоскости среза, показано на фиг. 1б. Как видно из фиг. 1б, нормальное напряжение в плоскости среза "а-в" не равно нормальному напряжению на поверхности образца грунта вследствие наличия трения между грунтом и боковой поверхностью гильзы. Фактическое усилие в плоскости среза /или нормальное давление/ будет менее созданного на поверхности образца грунта на величину сил трения между грунтом и боковой поверхностью гильзы. Однако параметры ϕ и с определяются в предположении равенства нормальных напряжений на поверхности образца и в плоскости среза. Падение нормального давления в плоскости среза по отношению к нормальному давлению на образце грунта приводит в итоге к тому, что в опытах получается заниженное сопротивление сдвигу. Последнее обстоятельство существенным образом оказывает влияние на расчетную величину несущей способности оснований, так как изменение угла внутреннего трения всего на 1-2^o приводит к изменению расчетной несущей способности оснований по СНиП 2.02.01-83/формула 16/от нескольких десятков до сотен процентов. Как видно из вышеизложенного, здесь не достигается технический результат, выражающийся в возможности поддержания постоянным нормального давления в плоскости среза, а также заданной постоянной скорости среза и управления ею в процессе нагружения. Указанный технический результат достигается в предлагаемом изобретении, выраженном следующими конструктивными признаками.

Сдвиговый прибор, содержащий срезыватель, механизм вертикального давления с соответствующими верхними и нижними гильзами и обоймами и датчиком силы, механизм горизонтального среза с датчиком перемещений, блок управления, отличающийся тем, что в механизм вертикального давления введен установленный на нижней обойме второй датчик силы, а блок управления выполнен в виде контроллера, связанного соответственно через первый ЦАП /цифроаналоговый преобразователь/ - с механизмом горизонтального среза, через второй ЦАП-с механизмом вертикального давления, через первый АЦП /аналого-цифровой преобразователь/ и первый НУ /нормирующий усилитель/ - с первым датчиком силы, через второй АЦП и второй НУ - с вторым датчиком силы, через третий АЦП, устройство выборки-хранения и третий НУ - с датчиком перемещений, который через устройство питания датчика связан с устройством выборки-хранения.

Введение второго датчика силы и выполнение блока управления описанным выше образом позволяет через первый и второй датчики силы создать требуемое нормальное давление непосредственно в плоскости среза, а не только на поверхности образца грунта под нагрузочным штампом. Это связано с тем, что информация со второго датчика показывает распределение нормального давления с учетом сил трения, эффекта дилатации или контракции. Управление величиной нормального давления в плоскости среза, в отличие от известных ранее сдвиговых приборов, позволяет не только поддерживать постоянным нормальное давление в плоскости среза, но и поддерживать заданную постоянную скорость среза или управлять ею в процессе нагружения.

На фиг. 1 (а и б) показан характер сил, реализуемый в сдвиговом приборе по предполагаемому и известным изобретениям.

На фиг. 2 показана установка второго датчика силы в механизме вертикального давления.

На фиг. 3 показана структурная блок-схема сдвигового прибора. Сдвиговый прибор содержит механизм 1 горизонтального среза с пневмоцилиндром 2, диафрагмой 3, поршнем 4, датчиком 5 силы и датчиком 6 перемещения. Этот механизм установлен с возможностью взаимодействия со срезывателем 7 и механизмом 8 вертикального давления. Механизм 8 вертикального давления состоит из верхней гильзы 9, вкладыша 10 и обоймы 11, нижней гильзы 12, вкладыша 13 и обоймы 14, первого датчика 15 силы и второго датчика 16 силы /см. фиг. 2/.

На фиг. 3 контроллер 17 связан через первый ЦАП 18 - с механизмом 1 горизонтального сдвига, через второй ЦАП 19 - с механизмом 8 вертикального давления, через первый АЦП 20 и первый НУ 21- с первым датчиком 15 силы, через второй АЦП 22 и второй НУ 23 - с вторым датчиком 16 силы, через третий АЦП 24, устройство 25 выборки-хранения и третий НУ 26 - с датчиком 6 перемещений, который через устройство питания датчика связан с устройством 25 выборки-хранения. Выход контроллера 17 подключен к принтеру 28.

Сдвиговый прибор работает следующим образом. Сдвиг производится путем создания давления воздуха в пневмоцилиндре 2 через диафрагму 3 и поршень 4. Нормальное давление на образце создается при помощи пневмоцилиндра и вкладыша 10 /перфорированный штамп/. Образец в тонкостенной гильзе помещается в срезыватель 7 так, чтобы стык верхней 9 и нижней 12 гильз совпадал со стыком нижней обоймы 14, образуя небольшой конструктивный зазор в 0,2-0,5 мм между торцами верхней и нижней гильз.

Величина вертикальной нагрузки/нормальное давление/ на поверхности образца грунта определяется датчиком 15 силы. Величина деформации сдвига определяется датчиком 6 перемещения. Вода для замачивания образца грунта поступает из стаканчика, поступает через трубку и перфорированный штамп 10.

После подготовки к работе с контроллера 17 подается команда на второй ЦАП 19, включается механизм 8 вертикального давления. В результате на образец грунта прикладывается вертикальное усилие, которое регистрируется первым датчиком 15 силы и вторым датчиком 16 силы. Пронормированные через первый и второй нормирующие усилители 21, 23 сигналы с этих датчиков через первый и второй АЦП 20, 22 поступает в контроллер 17, где производится вычисление требуемой величины нормального давления в плоскости среза "a-в" /фиг. 1/ с учетом определенных ранее сил трения между грунтом и поверхностью гильз. После достижения необходимой величины нормального давления подается команда на первый ЦАП 18, в результате включается механизм 1 горизонтального среза и выполняется срез образца грунта. Информация о величине перемещения /деформация среза/ нижней обоймы в виде переменного напряжения при срезе образца грунта поступает с датчика 6 перемещения, нормируется в третьем нормирующем усилителе 26. Затем через устройство 25 выборки-хранения поступает на третий АЦП 24 и далее в контроллер 17.

Изменение нормального давления в плоскости среза "а-в" вследствие проявления эффектов дилатации или контракции контролируется датчиками 15, 16 силы, поступает в контроллер 17, который выдает необходимую команду на механизм 8 вертикального давления, поддерживая тем самым постоянное значение нормального давления в плоскости среза. Фиксируя приращение величины перемещения срезывателя 7 /деформации среза/ контроллер 17 выдает команду на механизм 1 горизонтального среза, поддерживая тем самым заданную постоянную скорость среза или управляя ею в процессе нагружения. Полученную информацию с датчиков контроллер 17 обрабатывает по заданной программе и распечатывает в виде графиков и таблиц на принтере 28.

Таким образом, как видно из вышеизложенного, введение новых конструктивных признаков позволяет получить в заявляемом сдвиговом приборе технический результат, выраженный в повышении точности определения сдвигающего усилия. Дополнительный технический результат заключается в поддержании постоянного значения нормального давления в плоскости среза при проявлении эффектов дилатации или контракции, поддержании заданной постоянной скорости среза или управления ею в процессе нагружения.

В качестве примеров конкретного выполнения следует указать, что в заявляемом сдвиговом приборе в качестве датчиков силы можно использовать датчики силы ВТ-100, в качестве датчика перемещения - датчик линейных перемещений ПЛИ-079. Для исполнительного устройства подходит компрессор типа КВД. Цифроаналоговые преобразователи /ЦАП/ могут быть выполнены на микросхемах К572 ПА1, аналого-цифровые преобразователи /АЦП/ могут быть выполнены на K1113 ПВ1. Можно использовать контроллер на базе микропроцессора KР 1810ВМ88 или KP 1316 BE49. Для питания датчика возможно применение цифрового генератора гармонических колебаний. Нормирующие усилители могут быть выполнены по схеме, изложенной в журнале "Измерение, контроль, автоматизация" N 3, 1988 г., стр. 15-25. Устройство выборки-хранения возможно выполнить на схеме К 564 КП1 и емкости. Механизм горизонтального среза и механизм вертикального давления могут быть выполнены в условиях механического цеха. Фотографии опытного образца заявляемого сдвигового прибора и блока управления приведены на фиг. 4 и фиг. 5 Заявляемый сдвиговой прибор не является сложным в изготовлении и может найти широкое применение при инженерных изысканиях под строительство, выгодно отличаясь от других приборов аналогичного назначения.

Формула изобретения

Сдвиговый прибор, содержащий срезыватель, механизм вертикального давления с соответствующими верхними и нижними гильзами и обоймами и датчиком силы, механизм горизонтального среза с датчиком перемещения, блок управления, отличающийся тем, что в механизм вертикального перемещения введен установленный на нижней обойме второй датчик силы, а блок управления выполнен в виде контроллера, связанного соответственно через первый ЦАП с механизмом горизонтального среза, через второй ЦАП - с механизмом вертикального давления, через первый АЦП и первый НУ - с первым датчиком силы, через третий АЦП, устройство выборки-хранения и третий НУ - с датчиком перемещений, который через устройство питания датчика связан с устройством выборки-хранения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3