Способ испытания грунтов

Изобретение относится к области инженерных изысканий и предназначено, в частности, для определения физико-механических характеристик грунтов. Способ испытания грунтов заключается во вдавливании в грунт с постоянной скоростью призматического клина, имеющего форму прямой треугольной призмы и закрепленного на выдвижном сердечнике штанги с возможностью поворота относительно штанги в плоскости, параллельной основаниям его призмы. Вдавливание призматического клина производят сначала на всю его высоту со скоростью до 1,5 м/мин с предотвращением возможности его поворота относительно штанги, затем еще на 5-10 мм со скоростью до 5 мм/мин без предотвращения возможности его поворота относительно штанги. В процессе вдавливания призматического клина производят непрерывную регистрацию глубины его вдавливания и силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина, а также угла поворота призматического клина относительно штанги. По результатам, полученным на заданной глубине испытания, рассчитывают различные физико-механические характеристики грунта, которые известными способами испытаний грунтов не определяются: удельное сопротивление грунта вдавливанию клина; модуль упругости грунта; предельное сопротивление грунта сдвигу; удельную работу трещинообразования грунта; угол направления ослабления прочности грунта. Технический результат - увеличение числа, точности и достоверности определяемых характеристик грунтов при одном испытании, сокращение трудозатрат их определения, возможность определения пространственного ослабления (анизотропии) прочности грунтов в горных массивах. 6 ил.

 

Изобретение относится к области инженерных изысканий и предназначено, в частности, для определения физико-механических характеристик грунтов, в т.ч. деформационных и прочностных, и дисперсных материалов и может быть использовано для контроля однородности грунтов, почв и строительных растворов.

Известны:

- способ определения удельного сопротивления почвы смятию [Патент РФ на изобретение №2139516, G 01 N 3/42], включающий регистрацию величины нагрузки Р, обеспечивающей погружение плунжера в почву, определение объема V почвы, смятой при этом плунжером, и вычисление отношения нагрузки Р, погружающей плунжер в почву, к объему V смятой почвы, при этом используют конический плунжер, для которого определяют величину угла трения ϕ материала плунжера о почву, измеряют длину L внедренной в почву части, а величину удельного сопротивления почвы смятию вычисляют по предложенной расчетной формуле;

- способ определения модуля деформации [Патент РФ на изобретение №2145655, G 01 N 3/42, E 02 D 1/00], включающий вдавливание заданной нагрузки в исследуемый материал жесткого конуса и измерение его перемещений в процессе внедрения в материал. Модуль деформации определяют по измеренным параметрам согласно предложенной расчетной формуле. При этом используют данные статических испытаний материала в пределах его линейной деформации.

Эти известные способы испытания грунтов малоэффективны, т.к. имеют следующие недостатки:

- малоинформативны, т.к. позволяют определять только один параметр - суммарное сопротивление грунта вдавливанию зонда по лобовой поверхности индентора и боковой поверхности зонда;

- не позволяют воспринимать и измерять циклическое сопротивление грунтов, которое, как известно, возникает при их нагружении [Денисенко В.В., Ляшенко П.А. Новые результаты компрессионных испытаний. - Проект. - М., 1995, №2-3. - С.76-77; Кравченко Э.В., Ляшенко П.А., Денисенко В.В. О методах испытания грунтов с постоянной скоростью нагружения. Труды международного форума по проблемам науки, техники и образования. Том 3. - М., Академия наук о Земле, 2002. - С.133-135; Ляшенко П.А., Демченко В.А., Денисенко В.В. Анализ энергии деформации грунта при одноосном сжатии образца. Сборник научных трудов КубГАУ. - Краснодар, КубГАУ, 2003. - С.159-165];

- не позволяют измерять и учитывать горизонтальную составляющую реакцию грунта, которая возникает на лобовой поверхности индентора, жестко закрепленного на штанге зонда, и которая искажает получаемые характеристики грунта;

- не позволяют определять пространственное ослабление (анизотропию) прочности грунтов в горных массивах;

- позволяют получать на каждой глубине испытания только одно значение сопротивления грунта вдавливанию зонда и для повышения достоверности и точности результатов требует проведения нескольких испытаний в близлежащих точках испытываемой площадки, что увеличивает трудоемкость и стоимость изысканий.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ испытания грунтов статическим зондированием [ГОСТ 19912-2001. Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием, п.5 (прототип)], включающий вдавливание в грунт с постоянной скоростью конусного наконечника - индентора, закрепленного на штанге зонда, непрерывную регистрацию глубины вдавливания индентора и силы суммарного сопротивления грунта вдавливанию индентора и штанги зонда и расчет показателей характеристик грунта.

Этот известный способ испытания грунтов также малоэффективен, т.к. имеет следующие недостатки:

- малоинформативен, т.к. позволяет определять только один параметр - суммарное сопротивление грунта вдавливанию зонда по лобовой поверхности индентора и боковой поверхности зонда;

- не позволяет воспринимать и измерять циклическое сопротивление грунтов, которое, как известно, возникает при их нагружении;

- не позволяет измерять и учитывать горизонтальную составляющую реакцию грунта, которая возникает на лобовой поверхности индентора, жестко закрепленного на штанге зонда, и которая искажает получаемые характеристики грунта;

- не позволяет определять пространственное ослабление (анизотропию) прочности грунтов в горных массивах;

- позволяет получать на каждой глубине испытания только одно значение сопротивления грунта вдавливанию зонда и для повышения достоверности и точности результатов требует проведения нескольких испытаний в близлежащих точках испытываемой площадки, что увеличивает трудоемкость и стоимость изысканий.

Задача изобретения - увеличение числа, точности и достоверности характеристик грунтов, получаемых при одном испытании в горном массиве (повышение информативности при одном испытании грунтов) и сокращение трудозатрат на их определение.

Указанная цель достигается тем, что в отличие от известного способа испытания грунтов в заявляемом способе испытания грунтов, включающем вдавливание в грунт с постоянной скоростью индентора, закрепленного на штанге, непрерывную регистрацию глубины вдавливания индентора и силы сопротивления грунта вдавливанию индентора и расчет показателей характеристик грунта на заданной глубине, в качестве индентора используют призматический клин, имеющий форму прямой треугольной призмы и возможность поворота относительно штанги в плоскости, параллельной основаниям его призмы, причем вдавливание призматического клина производят сначала на всю его высоту со скоростью до 1,5 м/мин с предотвращением возможности его поворота относительно штанги, затем еще на 5-10 мм со скоростью до 5 мм/мин без предотвращения возможности его поворота относительно штанги с непрерывной регистрацией угла поворота призматического клина относительно штанги, а по результатам измерений с помощью предложенных расчетных формул рассчитывают:

- удельное сопротивление грунта вдавливанию призматического клина R, кПа, по формуле

- модуль упругости грунта Е_е, МПа, по формуле

- предельное сопротивление грунта сдвигу τ_s, кПа, по формуле

- удельную работу трещинообразования грунта σ_γ, Дж/м², по формуле

- угол направления ослабления прочности грунта δ, град., по формуле

где ΔY_ei - приращение циклически изменяющейся силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина на участке ее возрастания в i-м цикле ее изменения, Н;

δ_i - угол поворота призматического клина относительно продольной оси штанги на участке возрастания силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина в i-м цикле ее изменения, град.;

Δu_ei - приращение перемещения призматического клина на участке возрастания силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина в i-м цикле ее изменения, мм;

n и i - соответственно число циклов и номер цикла изменения силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина на заданной глубине испытания;

ω - коэффициент, зависящий от отношения длины грани призматического клина к его толщине: h/(B cosα);

α - половина угла заострения призматического клина, град.;

ν - коэффициент поперечной деформации грунта (Пуассона);

В - толщина призматического клина, мм;

h - высота призматического клина, мм;

τ_si - предельное сопротивление грунта сдвигу на участке возрастания силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина в i-м цикле ее изменения, кПа;

Е_ei - модуль упругости грунта на участке возрастания силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина в i-м цикле ее изменения, МПа;

Δu_ri - приращения перемещения призматического клина на участке снижения силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина в i-м цикле ее изменения, мм.

Перечисленная совокупность отличительных признаков заявляемого способа испытания грунтов отличает его от прототипа и обуславливает соответствие предлагаемого способа критерию «новизны».

Поскольку известных решений со сходными признаками не обнаружено, можно сделать вывод, что заявляемый способ обладает существенными отличиями и новизной и обеспечивает достижение нового положительного эффекта.

Способ реализуется с помощью известных устройств для испытания грунтов, например с помощью устройства для статического зондирования [Авт.св. СССР на изобретение №250520, G 01 L], состоящего из индентора, закрепленного на выдвижном сердечнике штанги, механизма для вдавливания индентора и блоков непрерывного измерения и регистрации глубины вдавливания индентора и силы сопротивления грунта вдавливанию индентора. У этого известного устройства для испытания грунтов в качестве индентора используют призматический клин, имеющий форму прямой треугольной призмы и возможность поворота относительно штанги в плоскости, параллельной основаниям его призмы, и блок непрерывной регистрации угла поворота призматического клина относительно штанги.

Пояснения к предлагаемому способу испытания грунтов и один из вариантов конструкции устройства для реализации этого способа схематично приведены на чертеже, где на:

фиг.1 - принципиальная блок-схема устройства для реализации способа испытания грунтов;

фиг.2 - схема крепления призматического клина на выдвижном сердечнике штанги с помощью шарнира, обеспечивающего возможность поворота призматического клина относительно штанги в плоскости, параллельной основаниям призмы призматического клина, и размещения в штанге измерителя угла поворота призматического клина относительно штанги (вид сбоку);

фиг.3 - схема размещения в штанге измерителя угла поворота призматического клина, выполненного в виде двух датчиков линейного перемещения (вид сверху);

фиг.4 - схема положения призматического клина при вдавливании в грунт с предотвращением возможности его поворота относительно штанги;

фиг.5 - схема положения призматического клина при вдавливании в грунт без предотвращения возможности его поворота относительно штанги в момент, когда под действием горизонтальной составляющей реакции грунта призматический клин повернулся относительно штанги, в сторону ослабления прочности грунта до наступления равенства сил на обеих рабочих гранях призматического клина;

фиг.6 - график циклически изменяющегося сопротивления грунта вдавливанию призматического клина.

Устройство для реализации способа испытания грунтов состоит из индентора - призматического клина 1, закрепленного на выдвижном сердечнике 2 пустотелой штанги 3, механизма 4 для вдавливания призматического клина, блока 5 для непрерывного измерения и регистрации глубины вдавливания призматического клина, блока 6 для непрерывного измерения и регистрации силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина и блока 7 для непрерывной регистрации угла поворота призматического клина относительно штанги.

Призматический клин 1 имеет:

- форму прямой треугольной призмы, которая закреплена одной из граней на выдвижном сердечнике 2 штанги 3 с помощью шарнира 8, обеспечивающего возможность поворота призматического клина относительно штанги в плоскости, параллельной основаниям его призмы;

- угол заострения 15-85° (угол между двумя гранями призмы, противоположно расположенными перед гранью, которой призматический клин шарнирно закреплен на выдвижном сердечнике 2 штанги 3);

- толщину (высоту призмы) не менее 10 мм.

Над гранью призмы, которой призматический клин 1 шарнирно закреплен на выдвижном сердечнике 2, в штанге 3 установлен измеритель 9 угла поворота призматического клина 1, выполненный, например, в виде двух датчиков линейного перемещения, размещенных симметрично относительно выдвижного сердечника 2.

Способ испытания грунтов осуществляется следующим образом.

На заданной глубине испытания грунта с помощью механизма 4 производят вдавливание призматического клина 1 на всю его высоту с постоянной скоростью до 1,5 м/мин и с предотвращением возможности поворота призматического клина 1 относительно штанги 3. Для этого вдавливающее усилие прикладывают на штангу 3, которая при этом смещается относительно сердечника 2, упирается в верхнюю грань призматического клина 1 и вдавливает призматический клин 1 в грунт, предотвращая возможность его поворота относительно штанги 3 (см. фиг.4).

Затем производят вдавливание призматического клина 1 еще на 5-10 мм с постоянной скоростью до 5 мм/мин без предотвращения возможности его поворота относительно штанги 3 с непрерывной регистрацией глубины вдавливания призматического клина 1, силы сопротивления грунта и угла поворота призматического клина 1 относительно штанги 3. Возможность поворота призматического клина 1 относительно штанги 3 обеспечивается путем перевода вдавливающего усилия на сердечник 2, который при этом выдвигается относительно штанги 3, создает зазор между верхней гранью призматического клина 1 и торцом штанги 3 и через шарнир 8 передает вдавливающее усилие на призматический клин 1.

При вдавливании призматического клина 1 с постоянной скоростью без предотвращения возможности его поворота относительно штанги из-за дисперсности и неоднородности грунта, наличия в грунте микро- и макропор и появления трещин перед призматическим клином:

- сопротивление грунта вдавливанию призматического клина изменяется циклически, то увеличивается до максимального значения (на малом участке перемещения призматического клина Δu_ei, сравнимом по размерам с неоднородностью грунта), то уменьшается до минимального значения (также на малом участке перемещения призматического клина Δu_ri), затем вновь то увеличивается, то уменьшается и т.д. (см. фиг.6). При этом уменьшение сопротивления грунта объясняется его разрушением сдвигом или трещинами [Ляшенко П.А. Микроструктурная деформируемость глинистых грунтов. - Краснодар, Изд-во КубГАУ, 2001. - 123 с.; Денисенко В.В., Ляшенко П.А. Новые результаты компрессионных испытаний. - Проект. - М., 1995, №2-3. - С.76-77; Кравченко Э.В., Ляшенко П.А., Денисенко В.В. О методах испытания грунтов с постоянной скоростью нагружения. Труды международного форума по проблемам науки, техники и образования. Том 3. - М., Академия наук о Земле, 2002. - С.133-135; Ляшенко П.А., Демченко В.А., Денисенко В.В. Анализ энергии деформации грунта при одноосном сжатии образца. Сборник научных трудов КубГАУ. - Краснодар, КубГАУ, 2003. - С.159-165]. Разрушение сдвигом отражается примерно одинаковыми значениями Δu_ri, а разрушение трещинами отражается значениями, которые значительно (на 30% и более) превышают среднее значение Δu_ri;

- на рабочих гранях призматического клина 1 возникает горизонтальная составляющая реакции грунта, которая поворачивает призматический клин 1 относительно шарнира 8 в плоскости, параллельной основанию призмы призматического клина, в сторону ослабления прочности грунта до наступления равенства моментов сил, действующих на рабочих гранях призматического клина 1 (см. фиг.5).

В процессе испытания грунта регистрацию глубины вдавливания призматического клина производят с дискретностью не более 0,02 мм, регистрацию силы вдавливания призматического клина производят с дискретностью не более 2,5 Н, регистрацию угла поворота призматического клина производят с дискретностью не более 0,02° и, т.о., на заданной глубине испытания грунта на субмиллиметровом уровне измерений регистрируется большое количество результатов измерений (от 250 до 500), что обеспечивает повышение точности и достоверности характеристик грунта, получаемых при одном испытании.

По результатам, полученным на заданной глубине испытания, рассчитывают различные физико-механические характеристики грунта, в т.ч. с помощью предложенных в заявляемом способе испытаний грунтов расчетных формул те характеристики, которые известными способами испытаний грунтов не определяются: удельное сопротивление грунта вдавливанию клина - по формуле (1), модуль упругости грунта - по формуле (2), предельное сопротивление грунта сдвигу - по формуле (3), удельную работу трещинообразования грунта - по формуле (4), угол направления ослабления прочности грунта - по формуле (5).

Аналогичным образом производят испытание и расчет физико-механических характеристик грунта на других глубинах (уровнях залегания грунта) в данной точке испытания на исследуемой площадке изысканий.

Для определения пространственного ослабления (анизотропии) прочности грунта на данной площадке аналогичным образом производят испытания грунта в нескольких точках площадки (не менее 6) при различном положении плоскости поворота призматического клина в каждой точке испытания.

По вычисленным характеристикам грунта на испытываемой площадке (с коэффициентом вариации не более 0,30) для каждой глубины испытания строят лепестковые диаграммы значений угла направления ослабления прочности грунта δ и по наибольшему значению δ_max определяют пространственное направление ослабления (анизотропию) прочности грунта в горном массиве.

Таким образом, новые технологические элементы заявляемого способа испытания грунтов создают новые полезные технологические эффекты, в частности:

1. Испытание грунта призматическим клином:

- за счет наличия двух плоских прямоугольных граней, контактирующих с испытываемых грунтом, позволяет рассчитывать: модуль упругости грунта по предлагаемой расчетной формуле (2), выведенной на основе известной формулы Ф. Шлейхера и др. [Цытович Н.А. Механика грунтов (краткий курс): Учебник для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М., Высшая школа, 1983. - 288 с., стр.175-177], и предельное сопротивление грунта сдвигу по предлагаемой расчетной формуле (3);

- инициирует в грунте трещину, плоскость которой проходит через режущее ребро призматического клина, что позволяет с высокой достоверностью определять приращение площади этой трещины и рассчитывать работу трещинообразования грунта по предлагаемой расчетной формуле (4);

2. Вдавливание призматического клина 1 в грунт без предотвращения возможности его поворота на шарнире 8 относительно штанги 3:

- уравновешивает реакцию грунта на обеих рабочих гранях призматического клина, предотвращает появление горизонтальной составляющей реакции грунта и, т.о., повышает достоверность определения силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина и соответственно повышает достоверность всех характеристик грунта, определяемых с помощью данного способа испытания грунтов;

- позволяет определять направление ослабления прочности грунта по предлагаемой формуле (5);

3. Вдавливание призматического клина 1 в грунт с постоянной скоростью сначала на всю его высоту со скоростью до 1,5 м/мин с предотвращением возможности его поворота относительно штанги, затем еще на 5-10 мм со скоростью до 5 мм/мин без предотвращения возможности его поворота относительно штанги повышает сохранность природного сложения испытываемого грунта, а непрерывная регистрация не только глубины вдавливания призматического клина 1 и силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина, но и угла поворота призматического клина относительно штанги 3, обеспечивает получение на субмиллиметровом уровне измерений большого количества результатов измерений в одном испытании, что повышает точность получаемых характеристик грунта в одном испытании.

Заявляемый способ испытания грунтов увеличивает число, точность и достоверность определяемых характеристик грунтов при одном испытании, сокращает трудозатраты их определения, позволяет определять пространственное ослабление (анизотропию) прочности грунтов в горных массивах, и таким образом создает определенный практический и экономический эффект.

Способ испытания грунтов, включающий вдавливание в грунт с постоянной скоростью индентора, закрепленного на штанге, непрерывную регистрацию глубины вдавливания индентора и силы сопротивления грунта вдавливанию индентора и расчет показателей характеристик грунта на заданной глубине, отличающийся тем, что в качестве индентора используют призматический клин, имеющий форму прямой треугольной призмы и возможность поворота относительно штанги в плоскости, параллельной основаниям его призмы, причем вдавливание призматического клина производят сначала на всю его высоту со скоростью до 1,5 м/мин с предотвращением возможности его поворота относительно штанги, затем еще на 5-10 мм со скоростью до 5 мм/мин без предотвращения возможности его поворота относительно штанги с непрерывной регистрацией угла поворота призматического клина относительно штанги зонда, а по результатам измерений рассчитывают

удельное сопротивление грунта вдавливанию призматического клина R, кПа, по формуле

модуль упругости грунта Е_е, МПа, по формуле

предельное сопротивление грунта сдвигу τ_s, кПа, по формуле

удельную работу трещинообразования грунта σ_γ, Дж/м², по формуле

угол направления ослабления прочности грунта δ, град, по формуле

где ΔY_ei - приращение циклически изменяющейся силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина на участке ее возрастания в i-м цикле ее изменения, Н;

δ_i - угол поворота призматического клина относительно продольной оси штанги на участке возрастания силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина в i-м цикле ее изменения, град;

Δu_ei - приращение перемещения призматического клина на участке возрастания силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина в 1-м цикле ее изменения, мм;

n и i - соответственно число циклов и номер цикла изменения силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина на заданной глубине испытания;

ω - коэффициент, зависящий от отношения длины грани призматического клина к его толщине: h/(B cosα);

α - половина угла заострения призматического клина, град;

ν - коэффициент поперечной деформации грунта (Пуассона);

В - толщина призматического клина, мм;

h - высота призматического клина, мм;

τ_si - предельное сопротивление грунта сдвигу на участке возрастания силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина в i-ом цикле ее изменения, кПа;

Е_ei - модуль упругости грунта на участке возрастания силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина в i-м цикле ее изменения, МПа;

Δu_ri - приращения перемещения призматического клина на участке снижения силы сопротивления грунта вдавливанию призматического клина в i-м цикле ее изменения, мм.