Прибор для определения деформаций морозного пучения грунта
Владельцы патента RU 2556681:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова" (САФУ) (RU)
Изобретение относится к приборам для измерения деформаций морозного пучения грунта в лабораторных условиях. Прибор содержит гильзы для образцов исследуемого грунта, которые составлены из колец, поддон с водой, штампы, теплоизоляцию и датчики температуры. При этом гильзы размещены на телескопических стаканах различной высоты, установленных на поддоне. Прибор позволяет повысить достоверность определения деформации морозного пучения. 3 ил.
Изобретение относится к приборам для измерения деформаций морозного пучения грунта в лабораторных условиях.
Известен прибор для определения величины деформаций и сил морозного пучения грунта, включающий контейнер для грунта с перфорированным днищем и емкостью, в которой он установлен, теплоизоляционный кожух, тепловой элемент и измерительные приборы (а.с. СССР №746033, МПК E02D 1/60, 1980 - аналог).
Как известно, первичное пучение грунта, вызванное замерзанием воды, первоначально содержавшейся в грунте, невелико. Превалирующее значение имеет так называемое вторичное пучение, обусловленное замерзанием влаги, мигрирующей вверх - к фронту промерзания - из талой зоны [Невзоров А.Л. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах. М.: Изд-во ACB. 2000. - с. 63-65; Andersland О.В., Ladanyi В. Frozen ground engineering. Second edition. John Willey & Sons, Inc. 2004. - р. 36-39]. Конструкция прибора не позволяет определять деформации морозного пучения грунтов при различном положении уровня грунтовых вод. Подпитка промораживаемого образца производится при постоянном уровне воды, совпадающем с его нижним торцом.
Известен прибор для измерения деформаций морозного пучения грунта, включающий гильзу для образца грунта, составленную из колец, и основание с герметичной камерой для подачи воды (Патент 2474650, МПК E02D 1/00, 2011 - аналог). Для моделирования природных условий промерзания грунта в зависимости от положения уровня грунтовых вод в камере поддерживается давление ниже атмосферного.
Прибор позволяет моделировать лишь положение уровня грунтовых вод на площадке строительства, тогда как интенсивность миграционного потока влаги к фронту промерзания зависит еще и от свойств грунта, залегающего выше уровня грунтовых вод - дисперсности, пористости и др. Кроме того, в основании могут присутствовать несколько слоев грунта, отличающихся по составу и свойствам.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для определения величины морозного пучения грунтов, включающее гильзы для образцов грунта, составленные из колец, штампы с грузами, поддон с водой, теплоизоляцию, датчики температуры и индикаторы перемещений (Свидетельство на полезную модель №25518, МПК E02D 1/00, 2002 - прототип). Устройство позволяет определять максимально возможную величину пучения, так как подпитка промораживаемых образцов осуществляется погружением их полностью или частично в воду. Конструкция устройства не позволяет моделировать природные условия промерзания грунта при различной глубине расположения уровня грунтовых вод.
Цель изобретения состоит в повышении достоверности получаемых результатов за счет обеспечения условий миграции влаги к фронту промерзания, идентичных основанию проектируемого сооружения.
Указанная цель достигается тем, что в приборе для определения деформаций морозного пучения грунта, включающем гильзы для образцов исследуемого грунта, составленные из колец, поддон с водой, штампы, теплоизоляцию и датчики температуры и перемещений, гильзы с образцами размещаются на стаканах различной высоты, установленных в поддоне, стаканы выполнены телескопическими, заполнены грунтом основания проектируемого сооружения и снабжены датчиками перемещений.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 дан разрез прибора, на фиг. 2 - разрез телескопического стакана с установленной на нем гильзой, а на фиг. 3 - общий вид прибора в собранном состоянии.
Прибор содержит гильзы 1, стаканы различной высоты 2 с отверстиями 3, поддон 4 с крышкой 5, стойки 6 для крепления коромысел 7, теплоизоляцию 8, штампы 9, датчики температуры 10, 11, датчики линейного перемещения 12, 13 и силоизмерительный датчик 14.
Гильзы 1 для образцов грунта I составленны из отдельных колец, имеющих возможность взаимного перемещения в вертикальном направлении. Гильзы размещены на верхних торцах стаканов различной высоты 2, заполненных грунтом II из основания проектируемого сооружения. Стаканы для обеспечения возможности сжатия грунта под нагрузкой или за счет усадки при миграции влаги к фронту промерзания и исключения влияния на результаты трения грунта о стенки выполнены телескопическими. Гильзы установлены в поддон с водой 4. Уровень воды в поддоне в ходе опыта поддерживается постоянным. Постоянной поддерживается и температура воды (нагревательный элемент на фиг. 1 не показан). Отверстия 3 в стенках стаканов служат для подачи воды в их внутреннюю полость.
Поддон 4 сверху закрыт крышкой 5 с отверстиями для установки стаканов 2. На крышке закреплены стойки 6, служащие для крепления коромысел 7. Сверху на крышку 5 укладывается теплоизоляция 8. Теплоизоляция имеет переменную высоту и укладывается уступами, ее верх совпадает с верхом гильз 1. Между стенками стаканов 2 и теплоизоляцией остается зазор, достаточный для размещения датчиков линейного перемещения 13. К стенкам гильз 1 теплоизоляция прилегает с минимальным зазором. Сверху на образцы устанавливаются штампы 9.
Для регистрации результатов эксперимента служат датчики температуры 10, 11 и датчики линейного перемещения 12, 13. Датчики температуры 10 размещаются внутри образцов грунта I, исследуемых на пучение, и позволяют наблюдать за перемещением фронта промерзания. Они вводятся в образцы через отверстия в стенках гильзы, выполненные на стыках колец и на стыке нижнего кольца со стаканом. Датчик 11 служит для измерения температуры воды в поддоне 4. Датчики 12, закрепленные на коромыслах 7, регистрируют подъем поршней при пучении образцов. Датчики 13, представляющие собой конструкцию со встроенным подвижным штоком, закреплены на наружной поверхности телескопических стаканов 2, а их штоки опираются на верхние торцы нижерасположенных элементов стаканов. Указанные датчики регистрируют взаимное перемещение элементов стаканов, возникающее при сжатии под нагрузкой или усадке грунта в их внутренней полости.
Работает прибор следующим образом.
Стаканы 2 заполняют грунтом II основания проектируемого сооружения и устанавливают в поддон с водой 4 через отверстия в его крышке 5. На стенках стаканов закрепляют датчики перемещений 13. На верхних торцах стаканов размещают гильзы 1 с образцами грунта I и через отверстия в стенках гильз в образцы вводят датчики температуры 10. На крышку поддона укладывают теплоизоляцию 8. Установив штампы 9, на стойках 6 закрепляют коромысла 7, к которым крепят датчики перемещений 12.
В случае необходимости определения давления морозного пучения вместо датчика перемещений 12 между штампом 9 и коромыслом 7 может быть установлен силоизмерительный датчик 14 (фиг. 3).
Собранный прибор помещают в холодильную камеру и выдерживают при температуре +1…+3°C несколько суток до выравнивания температуры деталей прибора, грунта и воды в поддоне. После укладки теплоизоляции у стенок и под днищем поддона (на чертежах теплоизоляция не показана) в холодильной камере задают отрицательную температуру. Начинается промораживание образца грунта I. Температура воды в поддоне 4 в ходе опыта поддерживается положительной. Благодаря теплоизоляции стенок гильзы фронт промерзания в образце перемещается сверху вниз. Благодаря хорошей теплопроводности стаканов 2, изготовленных из металла, и конвекции воздуха в зазорах между стаканами и теплоизоляцией 8 в заполняющем стаканы грунте II сохраняется положительная температура.
За перемещением фронта промерзания следят с помощью датчиков температуры 10. В случае необходимости для обеспечения заданного темпа промерзания изменяют температуру в холодильной камере.
Датчики перемещений 12 регистрируют вызванный пучением образцов подъем штампов 9, а датчики 13 - изменение высоты стаканов 2, обусловленное сжатием или усадкой грунта внутри них.
Согласно ГОСТ 28622-2012 «Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости», условием завершения эксперимента является промораживание образца высотой 150 мм на глубину 100 мм. Исходя из этого условием завершения эксперимента можно считать промораживание образца примерно на 2/3 высоты гильзы 1.
Прибор благодаря размещению гильз с образцами на стаканах различной высоты, заполненных грунтом основания, обеспечивает условия миграции влаги к фронту промерзания, идентичные основанию проектируемого сооружения. В ходе лабораторных экспериментов может определяться зависимость деформаций пучения от глубины залегания уровня грунтовых вод и замеряется усадка грунта в немерзлой зоне. Тем самым повышается достоверность получаемых результатов экспериментов.
Прибор для определения деформаций морозного пучения грунта, включающий гильзы для образцов исследуемого грунта, составленные из колец, штампы, поддон с водой, теплоизоляцию и датчики температуры, отличающийся тем, что гильзы для образцов размещены на стаканах различной высоты, установленных в поддоне, а стаканы выполнены телескопическими.
