Способ определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта

 

Изобретение относится к области испытаний при инженерных изысканиях в сельском хозяйстве, строительстве и тракторостроении, в частности к способам определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта и для исследования взаимодействия движителя транспортного средства с грунтом преимущественно низкой и средней плотности. Способ определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта, преимущественно имеющего низкую и среднюю плотность, включает вертикальное нагружение слоя согласно закону Хевисайда путем приложения нагрузки через штамп, измерение вертикальной деформации слоя и определение модуля деформации слоя. Новым является то, что слой почвогрунта нагружают с разницей во времени первоначально в вертикальном, а затем в сдвиговом направлениях, при этом сдвиговую нагрузку прикладывают поочередно в двух противоположных направлениях сначала в одном, а затем через некоторое время практически мгновенно в другом, измеряют вертикальную деформацию слоя почвогрунта непосредственно под штампом, а сдвиговые деформации - под штампом и по глубине слоя, при этом корректировка полученных кривых сдвиговой ползучести осуществляется увеличением их на эмпирический коэффициент, рассчитываемый по приведенной формуле, определяют мгновенные линейный и сдвиговые модули деформации слоя и параметры опытных кривых ползучести как минимум при любых трех значениях времени деформации t₁, t₂ и t₃, ограниченных временем проведения измерений, из приведенных выражений, при этом напряжения под штампом определяют так же по приведенному выражению. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в повышении эффективности испытаний, точности измерений и расширении информативности полученных результатов. 1 табл., 4 ил.

Изобретение относится к области испытаний при инженерных изысканиях в сельском хозяйстве, строительстве и тракторостроении, в частности к способам определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта и для исследования взаимодействия движителя транспортного средства с грунтом.

Известен способ определения несущей способности грунта как испытания по контролю за уплотнением в дорожном строительстве [1]. При этом слой дорожной одежды нагружают статической нагрузкой через жесткий круглый штамп посредством гидроцилиндра, являющийся продолжением направляющей штанги, расположенной соосно на штампе, упирающемся в раму автомобиля или любой дорожной машины, а модуль деформации определяют по формуле

где r - радиус штампа;

Р - нагрузка на единицу площади;

s - прогиб слоя, определяемый посредством механических индикаторов деформации часового типа.

Недостатки указанного способа состоят в следующем. Во-первых, измеряется только вертикальная часть деформации слоя, что не позволяет определить его сдвиговые и объемные характеристики. Во-вторых, статическая нагрузка на штамп не может быть приложена мгновенно, т.е. проходит некоторое время, составляющее от долей до нескольких секунд, в течение которого нагрузка на штамп возрастает от нуля до максимального значения, соответствующего заданной статической нагрузке. Это приводит к существенному искажению результатов измерения деформации и модуля деформации. В-третьих, деформация слоя грунта приводит к увеличению расстояния между штампом и рамой автомобиля, при этом резко снижается давление в гидроцилиндре устройства нагружения, а следовательно, и нагрузка на штампе. Таким образом, требуется постоянное регулирование давления в гидроцилиндре, что в результате приводит к непостоянству статической нагрузки на штампе и, как следствие, к увеличению погрешности измерения. В-четвертых, использование механических индикаторов деформации часового типа не позволяет (в силу визуального наблюдения) точно определить величину деформации слоя грунта при заданных значениях времени наблюдения, что также приводит к снижению точности измерения. В-пятых, использование рам мобильной техники (автомобиля или дорожных машин) в качестве упора заставляет привлекать эту технику в качестве обязательной составляющей всей системы испытания слоя грунта, что приводит к дополнительным материальным затратам при испытаниях.

Известен также способ определения модуля деформации и модуля упругости грунтов [2]. Способ включает нагружение образца грунта диаметром не менее 20 см и высотой не менее 15 см ступенчатой статической нагрузкой посредством рычажной системы с гирями через жесткий штамп диаметром 5 см. По замеренной посредством индикаторов часового типа вертикальной деформации, развивающейся под действием вертикальной ступенчатой нагрузки, определяют модуль упругости или модуль деформации по формуле

где р - давление, МПа;

D - диаметр штампа, см;

μ - коэффициент Пуассона для грунтов при отсутствии пластических смещений, равный 0,35;

l - обратимая деформация (для определения модуля упругости) или полная деформация (для определения модуля деформации), см.

Недостатками указанного способа являются следующие. Во-первых, модуль упругости и модуль деформации определяются посредством штампов малого диаметра, что носит условный характер и определяет относительные и качественные, а не расчетные характеристики (как отмечается в самом источнике информации). Во-вторых, использование механических индикаторов деформации часового типа не позволяет (в силу визуального наблюдения) точно определить величину деформации слоя грунта при заданных значениях времени наблюдения, что также приводит к снижению точности измерения. В-третьих, измеряется только вертикальная часть деформации слоя, что не позволяет определить его сдвиговые и объемные характеристики.

Известна установка для исследования напряжений и перемещений грунта под опорами транспортного средства [3] и описание на ее основе методики (способа) измерений. При этом слой почвогрунта нагружают нагрузкой при помощи движущегося трактора. Устройство имеет следующий вид. На корпусе в бугелях крепятся направляющие, по которым при помощи ходового винта и электродвигателя перемещается каретка, на опорные плоскости которой монтируются ножи или штанги с датчиками давления, реостатными датчиками вертикального и поперечного перемещений; в основании штанг расположены реостатные датчики продольных перемещений. При движении транспортного средства под его опорами происходит деформация грунта. Изменяются физические свойства грунта как по глубине, так и в поперечных и продольных плоскостях, что фиксируется датчиками.

Достоинствами данного устройства и способа являются, во-первых, то, что исследование напряжений и перемещений грунта производится в реальных условиях эксплуатации. Во-вторых, деформация грунта измеряется в трех плоскостях, что позволяет определить его сдвиговые и объемные характеристики. В-третьих, штанги, установленные в каретке, по меньшей мере, в два ряда и выполненные разной длины, позволяют проводить исследование напряжений и перемещений грунта не только по центральной оси опорной поверхности движителя, но и на некотором расстоянии (в зависимости от длины штанги) от нее одновременно. В-четвертых, измерение происходит на различной глубине слоя почвогрунта, что позволяет получить распределение напряжений и деформаций по его глубине.

Недостатками данного способа являются, во-первых, то, что нагружение слоя почвогрунта происходит конкретным транспортным средством, что влечет за собой его использование как обязательной составляющей всей системы испытания. Это приводит к дополнительным материальным затратам при испытаниях. Во-вторых, реостатный датчик продольных перемещений дает искаженную информацию о реальном перемещении вследствие того, что штанга обладает значительной массой, т.к. на ней располагаются датчик давлений и реостатные датчики вертикального и поперечного перемещений. В-третьих, возможно искажение информации вследствие давления грунта на корпус установки (изменение положения его в грунте) в результате движения транспортного средства. В-четвертых, воздействие нагрузки на слой почвогрунта непосредственно со стороны движущегося трактора создает дополнительные трудности в аналитическом описании действующих напряжений в слое почвогрунта, т.к. в этом случае эпюра давления описывается сложным законом, зависящим от типа гусеницы, параметров системы натяжения гусеницы, параметров системы подрессоривания, характеристик зацепления гусеницы с ведущей звездочкой и т.д.

Известно также устройство для исследования взаимодействия гусеничного трака с грунтом [4] и описание на его основе методики (способа) измерений. Способ включает в себя нагружение слоя почвогрунта через исследуемый трак вертикальной нагрузкой при помощи гидроцилиндра и после заглубления трака нагружение касательной нагрузкой посредством движения трактора. Устройство имеет следующий вид. На раме, жестко закрепленной на тракторе, устанавливается подвижная рамка, выполненная в виде короба и перемещающаяся в двух парах направляющих роликов. Опоры роликов установлены в ползунах, горизонтальное перемещение которых ограничивается тензометрическими тягами. К днищу короба шарнирно крепится шток силового цилиндра механизма нагружения. В шарнире установлен тензометрический палец для измерения вертикальной реакции грунта. Снаружи к днищу короба крепится исследуемый трак.

Недостатками данного способа являются, во-первых, разница во времени прикладывания вертикальной и касательной силы. В реальных условиях ее практически не существует. Здесь же приложение сначала вертикальной нагрузки, а затем касательной нагрузки приводит к погрешностям измерения. Во-вторых, создание касательной нагрузки достигается за счет движения трактора, что приводит к ее неравномерности в момент трогания трактора с места и погрешностям в измерении. В-третьих, измеряется только горизонтальное перемещение штампа, а соответственно деформация только верхнего слоя почвогрунта, что не дает полной картины распределения деформации в слое почвогрунта по его глубине. В-четвертых, использование рам мобильной техники, в частности трактора, в качестве обязательной составляющей всей системы испытания элементов гусеницы приводит к дополнительным материальным затратам при испытаниях. В-пятых, не происходит образования грунтового кирпича, что влечет за собой снижение касательной силы при испытаниях по сравнению с аналогичными условиями в реальности.

Известно также устройство для исследования взаимодействия гусеничного трака с грунтом [5] и описание на его основе методики (способа) измерений. Способ включает нагружение слоя почвогрунта через тензометрический трак нормальной вертикальной и касательной нагрузками, создаваемыми гидроцилиндрами. Устройство содержит неподвижную раму, в направляющих которой установлена тележка с испытуемым траком, снабженным датчиками для измерения усилий и перемещаемым механизмом нагружения, выполненным в виде гидроцилиндра. При этом тележка снабжена вертикальными направляющими. Тележка имеет также гидроцилиндр для горизонтального перемещения ее по грунту, а трак соединен шарнирно со штоком гидроцилиндра механизма нагружения и снабжен двумя парами осей, попеременно входящих в две пары гнезд, закрепленных в блоке, перемещающемся по направляющим. Для надежной фиксации трака оси фиксируются в гнездах при помощи поворотного фиксатора, выполненного в виде самозаклинивающихся кулачков. Для формирования грунтового кирпича под испытуемым траком тележка снабжена двумя дополнительными траками, расположенными перед испытуемым траком и после него.

Достоинствами данного способа являются во-первых, равномерность вертикальной и касательной нагрузок, во-вторых, одновременность их приложения, в-третьих, моделирование грунтозацепа, погружающегося в грунт, в-четвертых, формирование грунтового кирпича под испытуемым траком.

Недостатками данного способа являются следующие моменты. Во-первых, дополнительные грунтозацепы находятся на разных расстояниях от основного грунтозацепа, внедряющегося в грунт, что влечет за собой формирование неравномерных грунтовых кирпичей, приводящих к искажению достоверной информации. Во-вторых, расположение дополнительных грунтозацепов и внедряющегося между ними основного грунтозацепа противоречит реальной картине движения гусеничного трактора, т.к. заглубляемый грунтозацеп не может находиться между двумя уже погруженными в слой почвогрунта грунтозацепами. Это приводит к увеличению давления со стороны горизонтального нагружающего гидроцилиндра, что приводит к повышению нагрузок по сравнению с реальными условиями. В-третьих, измеряется только горизонтальное перемещение тележки, что соответствует касательной (сдвиговой) деформации слоя почвогрунта, находящегося в непосредственном контакте с грунтозацепами. При этом деформации подвергаются также и нижние слои почвогрунта, что не определяется. Это не дает полной картины распределения деформации в слое почвогрунта по его глубине. В-четвертых, возможность проведения опыта без изменения начальных условий один раз, для повторного опыта с теми же начальными условиями необходима еще одна подготовка слоя почвогрунта, что может привести к разным начальным условиям, а соответственно к погрешностям в измерениях.

Известен также способ, который моделирует движение звена гусеницы по грунту [6]. При этом слой почвогрунта через исследуемое звено нагружают вертикальной нагрузкой при помощи гидроцилиндра, а после погружения звена в грунт производят горизонтальное смещение (сдвиг) при помощи лебедки.

Номинальное значение касательной силы тяги определяют интегрированием площади эпюры касательного усилия, получаемой по результатам опыта

где P_н - номинальное значение касательной силы тяги, Н;

Пэ - площадь эпюры касательного усилия по длине гусеничного движителя с базой L, Н·м;

δ - величина установленного в опыте коэффициента буксования;

t - шаг звена гусеницы, м.

Устройство имеет следующий вид. По неподвижным горизонтальным направляющим на катках перемещается тележка. В ней выполнены вертикальные направляющие в виде роликов, между которыми помещен подвижный короб. Внутри него установлен нагружающий гидроцилиндр, который шарнирно соединен одним концом с коробом, а другим с тележкой. К нижней части короба крепится тензометрический комплекс с исследуемым звеном. Перемещение тележки по направляющим обеспечивается с помощью реверсивной лебедки. Она соединена с тележкой посредством троса, нижняя ветвь которого непосредственно соединяется с лебедкой, а верхняя ветвь - через обводной блок с целью обеспечения реверса тележки. Направляющие опираются на лыжи, необходимые для передвижения стенда по грунту.

Достоинствами данного способа являются, во-первых, возможность многократного повторения одного опыта при равных начальных условиях, во-вторых, равномерная вертикальная нагрузка, приложенная к исследуемому звену.

Недостатками способа являются, во-первых, разница во времени прикладывания вертикальной и горизонтальной нагрузок. Здесь приложение горизонтальной силы начинается после приложения вертикальной нагрузки. В реальных условиях под движителями мобильных машин этой временной разницы практически не существует. Во-вторых, приложение горизонтального (сдвигового) усилия осуществляется за счет лебедки, т.е. за счет прикладывания постоянной скорости деформации к исследуемому звену. Это приводит к неравномерности касательной (сдвиговой) нагрузки (вследствие упруговязкопластичных свойств слоя почвогрунта) и делает необходимым аналитическим методом определять номинальное касательное (сдвиговое) усилие, что влияет на увеличение погрешности получаемых результатов. В-третьих, измеряется только горизонтальное перемещение исследуемого звена, а соответственно деформация только верхнего слоя почвогрунта, что не дает полной картины распределения деформации в слое почвогрунта по его глубине. В-четвертых, не происходит образование грунтового кирпича, что влечет за собой снижение касательной силы при испытаниях по сравнению с аналогичными условиями в реальности. В-пятых, не производится измерение горизонтальных деформаций слоя по его глубине. В-шестых, самостоятельно задается величина коэффициента буксования, значение которой никак не скорректировано с реальными закономерностями нагружения слоя грунта, определяемыми типом гусеницы, параметрами системы натяжения гусеницы, параметрами системы подрессоривания, характеристиками зацепления гусеницы с ведущей звездочкой и т.д., а также со свойствами слоя почвогрунта.

Наиболее близким из известных технических решений к изобретению (способу) является способ определения физико-механических характеристик полимерных материалов [7], включающий одноосное нагружение образца по закону Хевисайда (постоянной во времени нагрузкой), измерение деформации во времени и определение параметров функции скорости ползучести α_э, β_э и А_э путем наложения экспериментальной кривой податливости , а семейство теоретических кривых , а также определение мгновенного модуля деформации Е из выражений

где Е - мгновенный модуль деформации материала, Па;

ε - относительная деформация образца;

σ - напряжение, создаваемое в материале образца, Па;

K(t-τ) - функция скорости ползучести;

τ - текущее значение времени, с;

Г(α) - гамма-функция Эйлера, соответствующая скорости ползучести. При этом связь между значениями параметров экспериментальной и теоретической функций скорости ползучести определяется по выражениям

α_э=α_т=α; А_э=кαА_т; β_э=кβ_т; к=t_т/t_э.

Таким образом, имея подобную опытной теоретическую кривую ползучести, определяемую параметрами α, β, А_т, можно определить параметры опытной кривой ползучести для данного материала, где t_т и t_э - соответственно моменты времени на теоретической кривой и экспериментальной кривой податливости при их совмещении в логарифмической сетке координат, совмещенные в любой точке временной шкалы [7, 8].

Достоинствами данного способа являются следующие. Во-первых, учитывается временной фактор (фактор времени) при определении физико-механических характеристик материала. Во-вторых, рассматриваемый способ позволяет устранить погрешность в оценке физико-механических характеристик материала, вызванную затратами времени в течение долей секунды на доведение действующей нагрузки до требуемого постоянного значения, действующего в соответствие с законом Хевисайда. В-третьих, использование данного способа оценки физико-механических характеристик материала позволяет определить (расчетным путем) деформацию образца материала при различных законах нагружения при полученном значении мгновенного модуля деформации материала Е в соответствии с законом Хевисайда.

К существенным недостаткам указанного способа относятся следующие. Во-первых, рассматривается нагружение только в одном направлении, что не соответствует реально происходящим процессам под движителями мобильных машин. Взаимное же влияние различных по величине и направлению нагрузок оказывает существенное влияние на оценку количественных величин физико-механических характеристик материалов. Во-вторых, не рассматривается возможность оценки физико-механических характеристик материала при циклических или меняющихся поочередно в двух противоположных направлениях нагрузках.

Взаимодействие движителей мобильных машин с опорной поверхностью основания принято моделировать с помощью штампов круглой или прямоугольной формы. При нагружении штампа только вертикальной нагрузкой чаще используют круглые штампы, чтобы снизить влияние краевого эффекта. При нагружении штампа вертикальной и касательной (сдвиговой) нагрузками применяют прямоугольные штампы с элементами, моделирующими грунтозацепы движителей машин. В качестве таких штампов иногда применяются траки гусеничных движителей.

При этом данные реологических испытаний слоя опорного основания (почвогрунта), полученные при использовании траков, также можно использовать в математических моделях, описывающих взаимодействие различных по типу движителей с опорным основанием. Дело в том, что данные, полученные нагружением штампа постоянными нагрузками (в соответствии с законом Хевисайда), или так называемые инвариантные значения физико-механических характеристик слоя почвогрунта (т.е. данные, не зависящие от способа их определения) можно применять для исследований на математических моделях процессов взаимодействия различных движителей, включив в математическую модель алгоритм расчета, учитывающий характер взаимодействия конкретного движителя с опорным основанием. При этом используются данные физико-механических характеристик слоя опорного основания, полученные как инвариантные, т.е., как установлено, полученные при постоянных законах нагружения (в соответствие с законом Хевисайда), при которых достаточно легко определить физико-механические характеристики слоя почвогрунта (например, в отличие от [9]).

Следует также отметить, что под любым движителем мобильных машин горизонтальное смещение слоя почвогрунта происходит сначала в сторону их движения, а затем - в противоположную, обеспечивая при этом, например, тяговое усилие при передвижении. Первый цикл горизонтального (сдвигового) смещения слоя почвогрунта существенно влияет на его физико-механические характеристики, которыми будет обладать слой при втором цикле горизонтального (сдвигового) смещения, когда это смещение происходит в противоположную сторону. При этом при различных режимах движения движителей по поверхности их контакта с опорным основанием касательные силы действуют по-разному, в зависимости от рассматриваемого участка контактной поверхности движителя [10].

Задачей изобретения является повышение эффективности испытаний, расширение информативности полученных результатов, инвариантных к методам (способам) их определения.

Сущность изобретения выражается в том, что в способе определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта, включающем нагружение слоя через прямоугольный штамп с разницей во времени первоначально постоянной вертикальной, а затем и постоянной сдвиговой нагрузками, измерение вертикальной и сдвиговых деформаций слоя и определение модулей деформации слоя в процессе нагружения слоя почвогрунта в вертикальном и сдвиговом направлении согласно закону Хевисайда, при этом сдвиговая нагрузка прикладывается поочередно в двух противоположных направлениях сначала в одном, а затем через некоторое время практически мгновенно в другом, измеряют вертикальную деформацию слоя почвогрунта непосредственно под штампом, а сдвиговые деформации - под штампом и по глубине слоя, при этом корректировка полученных кривых сдвиговой ползучести (деформации во времени) осуществляется увеличением их на коэффициент

z=1+2,879·Δt-0,929·Δt²+0,095·Δt³,

где z - коэффициент, учитывающий разницу во времени приложения вертикальной и сдвиговой нагрузок;

Δt - разница приложения во времени вертикальной и сдвиговой нагрузок (0,5...2 с),

определяют мгновенные линейный и сдвиговые модули деформации слоя и параметры кривых ползучести α_i, А и β_i из выражений

где Е_i - мгновенные линейный или сдвиговой модуль деформации, Па;

ε_i; - относительные вертикальная или сдвиговые деформация слоя;

σ_i - соответствующее нормальные или касательные (сдвиговые) напряжения под штампом, Па;

K_i(t-τ) - функции скорости вертикальной или сдвиговой ползучести, с;

Г(α_i), Г(α_in) - соответствующие им гамма-функции Эйлера;

τ - текущее значение времени, с,

при этом напряжения под штампом определяют по выражению:

σ_i=F_i/S,

где F - соответствующая нагрузка, приложенная к штампу, Н;

S - площадь штампа, м².

На фиг.1 изображена схема реализации способа; на фиг.2 изображены графики нагружения и развития нормальной или касательной (сдвиговой) деформаций слоя почвогрунта; фиг.3 изображены графики нагружения и развития касательной (сдвиговой) деформаций слоя почвогрунта во времени при реверсировании сдвиговой нагрузки; на фиг.4 изображен график, к примеру, расчета параметров кривой ползучести и модуля деформации.

Способ реализуется следующим образом. Устанавливают на поверхности слоя почвогрунта 1 прямоугольный штамп 2 с закрепленными на нем грунтозацепами 3, который нагружают первоначально постоянной вертикальной нагрузкой F_в, например, посредством рычажной системы, а затем через небольшой промежуток времени Δt, составляющий 0,5...2 с, нагружают постоянной касательной (сдвиговой) нагрузкой F_r1, например, посредством трособлочной или полиспастной системы, при этом характер нагружения слоя через штамп соответствует закону Хевисайда (т.е. мгновенно нагружают штамп постоянной нагрузкой и выдерживают ее в течение некоторого времени, необходимого для регистрации развития деформации слоя почвогрунта во времени или, что то же самое, развития кривой ползучести). Через некоторое время, достаточное для регистрации кривых ползучести первого этапа нагружения, практически мгновенно, например, посредством специального переключающего устройства изменяют направление действия сдвиговой нагрузки на противоположное F_r2, также постоянной величины, и далее производят регистрацию кривых ползучести при втором этапе нагружения. Измеряют вертикальную и горизонтальную (сдвиговую) деформации слоя почвогрунта непосредственно под штампом, например, посредством осциллографа 4 через датчики вертикальной 5 и горизонтальной (сдвиговой) 6 деформаций и усилитель 7. Одновременно производят измерение сдвиговых деформаций и по глубине слоя, например, посредством осциллографа 4 через специальные толкатели 8, один конец которых с закрепленной на нем лопаткой 9 располагают под серединой штампа, датчики сдвиговой деформации 10 и усилитель 7.

Такое расположение датчиков сдвиговых деформаций слоя почвогрунта позволяет получать данные о развитии деформации слоя по всей его глубине.

По зафиксированной на осциллограмме кривой ползучести слоя почвогрунта в вертикальном направлении получают кривые изменения относительной деформации ε_iB во времени согласно выражения

ε_iВ=λ_iB/l_шт,

где λ_iВ - величина вертикальной деформации, мм; l_шт - сторона штампа, мм.

Аналогично вертикальной деформации по зафиксированным на осциллограмме сдвиговым деформациям слоя почвогрунта на его поверхности и по его глубине λ_ir, мм, получают кривые изменения относительных касательных (сдвиговых) деформаций, характеризуемых углом сдвига согласно выражения

где h’_сл - высота слоя почвогрунта, на которой находится датчик сдвиговой деформации, мм.

Нагружение слоя почвогрунта согласно [10] вертикальной и сдвиговой нагрузками через штамп необходимо производить одновременно. Этот факт проявляется под движителем любого мобильного средства, когда единовременно в слое почвогрунта действуют и нормальные, и сдвиговые нагрузки. Однако в реальных условиях при исследовании физико-механических характеристик на различных установках, стендах или устройствах невозможно технически точно выдержать это требование. Всегда в этом случае или вертикальная, или сдвиговая нагрузка может быть приложена к деформируемому слою почвогрунта чуть раньше другой нагрузки. И если первоначально слой почвогрунта будет нагружен сдвиговой нагрузкой через штамп, то в этом случае произойдет большое горизонтальное смешение штампа без уплотняющей вертикальной нагрузки, что недопустимо при моделировании ситуации инвариантных методов определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта.

В связи с этим необходимо обеспечить гарантированное опережение во времени приложения вертикальной нагрузки по отношению к сдвиговой для того, чтобы штамп не сдвинулся с места в сторону раньше времени. Однако это обстоятельство накладывает некоторую погрешность в развитии сдвиговой деформации слоя почвогрунта, связанную с тем, что при первоначальном приложении вертикальной нагрузки слой почвогрунта сразу же начнет уплотняться во времени в вертикальном направлении, а возросшая общая плотность повлияет на развитие сдвиговой деформации (в сторону ее уменьшения) во времени при приложении сдвиговой нагрузки вслед за моментом приложения вертикальной нагрузки после некоторого времени Δt.

Для устранения этой погрешности в измерении величин сдвиговых деформаций слоя почвогрунта была проведена специальная серия экспериментов на различных почвогрунтах преимущественно средней и низкой плотности, в результате которой было получено уравнение регрессии, описывающее с приемлемой доверительной вероятностью процесс изменения развития сдвиговой деформации слоев почвогрунтов в зависимости от разницы приложения во времени вертикальной и сдвиговой нагрузок при различных значениях влажности, плотности и толщины слоя почвогрунтов. Коэффициент, учитывающий разницу во времени приложения вертикальной и сдвиговой нагрузок, на который следует увеличивать полученные при измерениях значения сдвиговых деформаций, определяется выражением

z=1+2,879·Δt-0,929·Δt²+0,095·Δt³,

где z - коэффициент, учитывающий разницу во времени приложения вертикальной и сдвиговой нагрузок;

Δt - разница приложения во времени вертикальной и сдвиговой нагрузок (0,5...2 с).

Как показали испытания, величина Δt=0,5...2 с вполне достаточна при реализации процесса нагружения слоя и измерения различных деформаций различными техническими средствами, включая вариант ручного приложения нагрузок, при этом точность определения коэффициента z укладывается в рамки доверительной вероятности показаний исследуемых процессов.

Далее посредством известных математических методов расчета (см., например, пример расчета параметров вертикальной деформации слоя почвогрунта) определяют мгновенные линейный и сдвиговые модули деформации слоя и параметры опытных кривых ползучести как минимум при любых трех значениях времени деформации t₁, t₂ и t₃, ограниченных временем проведения измерений для каждого из двух этапов нагружения слоя почвогрунта сдвиговой нагрузкой, из выражений

где Е_i - мгновенные линейный или сдвиговые модули деформации, Па;

ε_i - относительные вертикальная или сдвиговые деформации слоя;

σ_i - нормальные или касательные напряжения под штампом, Па;

K_i(t-τ) - функции скорости вертикальной или сдвиговой ползучести, ^-1;

Г(α_i), Г(α_in) - соответствующие им гамма-функции Эйлера;

α_i, А_i и β_i, - параметры опытных кривых ползучести;

τ - текущее значение времени, с, при этом напряжения под штампом определяют по выражению

σ_i=F_i/S,

где F_i - соответствующая нагрузка, приложенная к штампу, Н;

S - площадь штампа, м².

Так как сдвиговая нагрузка прикладывается к штампу в два этапа (последовательно в одну и другую стороны, фиг.3), то имеет место говорить о двух значениях мгновенного модуля сдвиговой деформации, потому что физико-механические характеристики слоя почвогрунта после первого этапа нагружения сдвиговой нагрузкой изменяются. Поэтому в первый этап приложения сдвиговой нагрузки (см. фиг.3) мгновенные модули сдвиговой деформации по глубине одни, а во второй - другие и определяют их аналогично. Результаты предлагаемого способа определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта с определением мгновенных линейного и сдвиговых модулей деформации, а также параметров опытных кривых ползучести, могут быть использованы, например, при определении колеи после прохода движителя любой мобильной техники, например колеса, по известным методикам, например изложенной в работе [8]. При этом, как показано в [10, с.65], в зависимости от режима качения колеса под последним развиваются касательные (сдвиговые) напряжения по различным законам, описывающим изменение сдвиговых нагрузок как по величине, так и по направлению. Именно поэтому и следует в расчете колеи использовать данные по определению мгновенных нормального и сдвиговых модулей деформации, а также параметров опытных кривых ползучести, способом, предлагаемым авторами изобретения.

Пример расчета параметров кривой ползучести и модуля деформации (на примере вертикальной деформации слоя почвогрунта)

Расчет параметров кривой ползучести и модуля деформации производится при следующих исходных данных процесса нагружения слоя почвогрунта:

ширина штампа - 300 мм;

напряжения под штампом - 52000 Па;

развитие вертикальной деформации слоя почвогрупта толщиной 300 мм во времени согласно графика:

При выбранных значениях времени наблюдения развития деформации, составляющих 1, 2, 3 и 5 с, по кривой ползучести определяем соответствующие значения деформации слоя, составляющие соответственно 42, 49, 54 и 60 мм (в данном случае определение параметров кривой ползучести и модуля деформации производится по четырем точкам). Согласно выражений

по специально составленной программе расчета на ЭВМ, подставив исходные данные, получим

А=0.1660; α=0.3000; k=6.00020; β=0.30001;

ε(t=1)_расч=0.13995254; ε(t=1)_факт=0.1400000;

ε(t=1)_pacч=0.1637375; ε(t=1)_факт=0.1633333;

ε(t=1)_расч=0.1799002; ε(t=1)_факт=0.1800000;

ε(t=1)_расч=0.2000000; ε(t=1)_факт=0.2000000;

Е=724610.80 погрешность - 0.00020948.

Аналогичные процедуры проводят для вычисления всех остальных модулей деформации (как нормальных, так и сдвиговых), а также параметров кривых ползучести при вертикальной и сдвиговых деформациях, причем предварительно для расчета параметров опытных кривых ползучести при сдвиге, а также модулей сдвиговых деформаций, корректировка полученных кривых сдвиговой ползучести осуществляется увеличением их на коэффициент

z=1+2,879·Δt-0,929·Δt²+0,095·Δt^з,

где z - коэффициент, учитывающий разницу во времени приложения вертикальной и сдвиговой нагрузок;

Δt - разница приложения во времени вертикальной и сдвиговой нагрузок (0,5...2с).

Преимущества предложенного способа наглядно представлены в таблице.

Источники информации

1. Форссблад Л. Вибрационное уплотнение грунтов и оснований. Пер. с англ. И.В. Гагариной. - М.: Транспорт, 1987, 188 с.

2. Попова З.А. Исследование грунтов для дорожного строительства (Лаборатор. и практич. работы). Учеб. пособие для техникумов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1985, 126 с.

3. А.с. СССР 1242746, МКИ G 01 M 17/00. Установка для исследования напряжений и перемещений грунта под опорами транспортного средства /В.М. Купцов, Н.Н. Полянсикий, Ю.Н. Теверовский, Е.Б. Цыганков, В.Д. Леонтьев, Г.В. Обминяный (СССР), №3822893/27 11; заяв. 10.12.84; опубл. 07.07.86, Бюл. №25, 5 с., ил.

4. А.с. СССР 1418594, МКИ G 01 M 17/00. Устройство для исследования взаимодействия гусеничного трака с грунтом /А.А. Бенц, Б.Н. Пинигин, В.И. Репин, В.А. Сударчиков, Д.Б. Чернин (СССР), №4239548/31-11; заяв. 29.04.87; опубл. 23.08.88, Бюл. №31, 2 с., ил.

5. А.с. СССР 696333, МКИ G 01 M 17/00. Устройство для исследования взаимодействия гусеничного трака с грунтом /А.А. Бенц, Д.Б. Чернин Б.Н. Пинигин, Д.Г. Валиахметов (СССР), №2600499/27-11; заяв. 07.04.78; опубл. 05.11.79, Бюл. №41, 3 с., ил.

6. Бенц А.А. Методика определения тяговых свойств трактора по сдвиговым характеристикам звена гусеницы /А.А. Бенц, Б.Н. Пинигин, В.А. Сударчиков, Д.Б. Чернин //Исследование силовых установок и шасси транспортных и тяговых машин. Тематический сборник научных трудов. - Челябинск: ЧПИ, 1985, с.51-55.

7. Колтунов М.А. Ползучесть и релаксация. Учебное пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1976, с.5-28.

8. Носов С.В., Носов В.В. Современные методы исследований: Учебное пособие /Липецкий государственный технический университет. - Липецк, 2000, 83 с.

9. Патент РФ №2192006. Способ определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта, преимущественно имеющего низкую и среднюю плотность, и устройство для его осуществления. Заявка №99126270 от 14.12.99; МКИ 7 G 01 N 33/24. /С.В. Носов, М.В. Рощупкин, А.Л. Кононов, А.Г. Каплун; Липецкий государственный технический университет, 2002 г. (Зарегистрирован в Гос. Реестре изобретений РФ 27.10.02 г.)

10. Водяник И.И. Воздействие ходовых систем на почву (научные основы). - М.: Агропромиздат, 1990, 172 с.

Формула изобретения

Способ определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта, преимущественно имеющего низкую и среднюю плотность, включающий вертикальное нагружение слоя согласно закону Хевисайда путем приложения нагрузки через штамп, измерение вертикальной деформации слоя и определение модуля деформации слоя, отличающийся тем, что слой почвогрунта нагружают с разницей во времени первоначально в вертикальном, а затем в сдвиговом направлениях, при этом сдвиговую нагрузку прикладывают поочередно в двух противоположных направлениях: сначала в одном, а затем через некоторое время, практически мгновенно, в другом, измеряют вертикальную деформацию слоя почвогрунта непосредственно под штампом, а сдвиговые деформации - под штампом и по глубине слоя, при этом корректировка полученных кривых сдвиговой ползучести осуществляется увеличением их на коэффициент

где z - коэффициент, учитывающий разницу во времени приложения вертикальной и сдвиговой нагрузок;

Δt - разница приложения во времени вертикальной и сдвиговой нагрузок (0,5-2) с,

определяют мгновенные линейный и сдвиговые модули деформации слоя и параметры опытных кривых ползучести как минимум при любых трех значениях времени деформации t₁, t₂ и t₃, ограниченных временем проведения измерений, из выражений

где Е_i - мгновенные линейный или сдвиговой модуль деформации, Па;

ε_i - относительные вертикальная или сдвиговые деформация слоя;

σ_i - соответствующее нормальные или касательные (сдвиговые) напряжения под штампом, Па;

K_i(t - τ) - функции скорости вертикальной или сдвиговой ползучести, ^-1;

Г(α_i), Г(α_in) - соответствующие им гамма-функции Эйлера;

α_i, А_i, и β_i - параметры опытных кривых ползучести;

τ - текущее значение времени, с;

при этом напряжения под штампом определяют по выражению

σ_i=F_i/S,

где F_i - соответствующая нагрузка, приложенная к штампу, Н;

S - площадь штампа, м².

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4