Способ определения прочностных характеристик грунтов в режиме релаксации напряжений

Авторы патента:

Труфанов Александр Николаевич (RU)

E02D1/00 - Основания и фундаменты; котлованы; насыпи (для гидротехнических сооружений E02B); подземные и подводные сооружения

Владельцы патента RU 2619383:

Труфанов Александр Николаевич (RU)

Изобретение относится к инженерным изысканиям в строительстве, а именно применяется при определении прочностных характеристик грунтов, требуемых для проектирования фундаментов сооружений. Разработан способ определения прочностных характеристик грунтов по результатам разрушения предварительно уплотненных различными нагрузками образцов грунта в приборах трехосного сжатия, одноплоскостного среза или в приборах скашивания на основе их ступенчатого нагружения с последующим построением по значениям разрушающих напряжений диаграммы Кулона-Мора, по которой графическим путем определяются прочностные характеристики - угол внутреннего трения ϕ и сцепление с. Нагружение образцов грунта производится путем ступенчатого деформирования образца заданными значениями перемещений, причем приложение очередной ступени деформирования осуществляется после падения напряжения в режиме свободной релаксации до условной стабилизации, соответствующей завершению процесса фильтрационной консолидации. Критерием завершения ступени нагружения является скорость падения напряжения, соответствующая точке пересечения двух прямых, проведенных к начальному и конечному участку графика зависимости напряжение - логарифм скорости падения напряжения. Технический результат состоит в обеспечении существенного сокращения сроков проведения испытаний грунтов при определении их прочностных характеристик - угла внутреннего трения и сцепления, повышения точности измерения. 9 ил.

Изобретение относится к определению прочностных характеристик грунтов - угла внутреннего трения ϕ и сцепления с при инженерных изысканиях в строительстве при испытаниях грунтов в срезных приборах, приборах истинного сдвига (скашивания) и приборах трехосного сжатия.

Известен «динамометрический метод нагружения» [2], применительно к одноосным испытаниям мерзлых грунтов. Способ заключается в ступенчатом деформировании образца при возможности его неограниченного бокового расширения. Нагружение образца осуществляют посредством винтового пресса через динамометр до достижения условной стабилизации напряжения и деформации на каждой ступени.

Недостатками известного решения являются ограничение области его применения мерзлыми грунтами, а отсутствие предварительного уплотнения грунта при одноосных испытаниях не предусматривает получения прочностных характеристик грунта - угла внутреннего трения и сцепления.

Известен также способ определения прочностных характеристик грунтов в режиме нагружения с заданной скоростью перемещений [1]. Способ заключается в испытании предварительно уплотненного различными нагрузками образца с заданной скоростью перемещений. Скорость перемещений выбирается с учетом гарантированного рассеивания перового давления в процессе нагружения. Испытания могут производиться как в условиях осесимметричного нагружения в приборах трехосного сжатия (фиг.1), так и в условиях среза по заданной плоскости в сдвиговых приборах (фиг.2) или в приборах скашивания.

По результатам испытаний строят график разрушения в координатах ε=f(σ) для трехосных испытаний и ε=f(τ) (фиг.3), где ε - относительная деформация образца, σ - вертикальное напряжение (для трехосных испытаний), τ - касательное напряжение (при срезных испытаниях и испытаниях на скашивание).

Недостатком данного решения также является низкая производительность испытаний в связи с их высокой продолжительностью.

Технической задачей изобретения является существенное сокращение сроков определения прочностных характеристик грунтов.

Для решения поставленной задачи испытания грунтов по определению характеристик прочности в приборах трехосного сжатия, одноплоскостного среза или в приборах скашивания производят в режиме релаксации напряжений (по аналогии с определением деформационных характеристик грунтов [3]). Предварительно, осуществляется консолидация образца грунта разными нагрузками до достижения критерия условной стабилизации. Затем путем ступенчатого задания перемещений производят разрушение 3 образца грунта. При этом на каждой ступени нагружения после приложения заданной величины перемещения происходит падение напряжений в режиме свободной релаксации. При этом фиксируется изменение напряжения и дополнительной деформации посредством датчиков перемещений и динамометров, обозначенных на фиг.1, 2 буквой «Д».

Завершение ступени определяется по завершению процесса фильтрационной консолидации в соответствии с критерием ГОСТ 12248-2010 [1] или по графику зависмости деформации от логарифма скорости деформации (фиг.4). Критерием завершения ступени разгрузки в этом случае является скорость деформации, соответствующая точке пересечения двух прямых, проведенных к начальному и конечному участку графика.

Также можно проверить завершение процесса фильтрационной консолидации по графику зависимости напряжения от логарифма скорости падения напряжения. В этом случае критерием завершения ступени будет скорость изменения напряжения, соответствующая точке пересечения двух прямых, проведенных к начальному и конечному участку графика зависимости напряжения от логарифма скорости падения напряжения.

После достижения критерия стабилизации прикладывается очередная ступень перемещения и так далее до разрушения.

По стабилизированным значениям перемещений и напряжений строят график разрушения в координатах ε=f(σ) для трехосных испытаний и ε=f(τ) для сдвиговых (фиг.5). Испытание завершается при достижении максимальной условной деформации образца на 15% для трехосных испытаний и на 10% для срезных испытаний [1], или в приборах скашивания.

По максимальным значениям разрушающих напряжений строится диаграмма Кулона-Мора (фиг.6, 7), по которой определяются значения с и ϕ.

Испытание по определению прочностных характеристик грунтов в режиме релаксации напряжений резко сокращает продолжительность испытания в целом.

Продолжительность испытаний грунтов на прочность по методу МРН (в режиме релаксации напряжений) можно дополнительно сократить принудительным сбросом давления на этапе релаксации.

Наибольшее время при испытании грунта по методу МРН занимает процесс релаксации напряжения и сопровождающее его дополнительное деформирование образца εΔ за счет упругой разгрузки (ВС, фиг.1…3). При этом чем выше жесткость оборудования (нагрузочная система + динамометр), тем меньше εΔ и быстрее идут процессы релаксации. Однако добиться необходимой точности измерения напряжений при высокой жесткости динамометра не всегда удается. Процесс релаксации можно ускорить ступенчатым принудительным сбросом σ. На фиг.8 приведен график зависимости ε от σ в поцессе принудительного сброса σ.

Участку BD соответствует процесс свободной релаксации, участку DE - принудительного сброса σ. Процесс сброса σ повторяется до достижения принятого критерия стабилизации (точка С’), что позволяет более эффективно использовать оборудование с низкой жесткостью и сократить сроки испытаний. Из фиг.9 видно, что время T1, затраченное на испытание с принудительным сбросом полного напряжения σ, значительно меньше времени T2 без сброса напряжения.

Предложенный способ опробован на различных разновидностях грунтов природного и нарушенного сложения и показал полное соответствие результатов с параллельными испытаниями по ГОСТ [1].

Определение параметров прочности - угла внутреннего трения ϕ и сцепления с по предложенному способу решает поставленную задачу по сокращению сроков проведения испытаний в несколько раз. Способ имеет промышленную применимость благодаря существенным отличиям от прототипа и других известных решений, поэтому, по мнению автора, может быть защищен патентом.

Источники информации

1. ГОСТ 12248-2010. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. М.: Стандартинформ, 2011 г.

2. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов / М.: Высшая школа, 1978, 447 с.

3. Патент RU №2272101 C1, 25.08.2004. Способ лабораторного определения деформационных характеристик грунтов. Труфанов А.Н.

Способ определения прочностных характеристик грунтов по результатам разрушения предварительно уплотненных различными нагрузками образцов грунта в приборах трехосного сжатия, одноплоскостного среза или в приборах скашивания на основе их ступенчатого нагружения с последующим построением по значениям разрушающих напряжений диаграммы Кулона-Мора, по которой графическим путем определяются прочностные характеристики - угол внутреннего трения ϕ и сцепление с, отличающийся тем, что нагружение образцов грунта производится путем ступенчатого деформирования образца заданными значениями перемещений, причем приложение очередной ступени деформирования осуществляется после падения напряжения в режиме свободной релаксации до условной стабилизации, соответствующей завершению процесса фильтрационной консолидации, при этом критерием завершения ступени нагружения является скорость падения напряжения, соответствующая точке пересечения двух прямых, проведенных к начальному и конечному участку графика зависимости напряжение - логарифм скорости падения напряжения.

Изобретение относится к строительству и предназначено для определения сопротивлений грунта под нижним концом и по боковой поверхности микросваи в начальный момент нагружения и в течение времени консолидации грунтового основания при перераспределении (релаксации) нормальных и касательных напряжений.

Извлекаемое устройство регистрации движения грунта в местах с возможными оползневыми явлениями по трассе пролегания трубопровода // 2602258

Изобретение относится к транспорту углеводородов в нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано при эксплуатации трубопроводов, расположенных в местах с возможными оползневыми явлениями, для принятия своевременных мер по их защите от разрушения при перемещениях грунтовых масс, вызванных нарушением весового баланса в результате сезонного оттаивания, насыщения грунта или иными причинами.

Установка для статического зондирования грунтов. устройство статического зондирования для нее // 2601638

Группа изобретений относится к установке и устройству для испытания грунтов методом статического зондирования. Установка для статического зондирования грунтов, расположенная внутри кузова-фургона, выполненного утепленным и установленного на платформе шасси самоходного транспортного средства, снабженного гидравлическими опорами, содержит устройство статического зондирования, пульт управления, связанный с устройством статического зондирования, набор рабочих штанг, гидросистему.

Устройство для динамического зондирования грунтов // 2601637

Изобретение относится к устройству испытания грунтов методом динамического зондирования, входящему в состав оборудования мобильного бурового комплекса. Устройство для динамического зондирования грунтов содержит зонд, колонну штанг, ударное устройство, привод со средствами перемещения, внешний датчик перемещения.

Многофункциональный комплекс урб zbt-600 для инженерно-геологических изысканий // 2601350

Изобретение относится к строительству, а именно к области проведения инженерно-геологических исследований грунтов в условиях их естественного залегания с помощью методов статического и динамического зондирования.

Способ обеспечения эксплуатационной надёжности сооружения на сезоннопромерзающем пучинистом грунтовом основании // 2601079

Ультразвуковой бур // 2598947

Изобретение относится к космической технике, а именно к устройствам для забора проб грунта, выполнения каналов для установки исследовательских датчиков и иных устройств на заданной глубине, и может быть использовано при изучении планет, комет и других небесных тел.

Способ измерения температуры грунта // 2597339

Изобретение относится к термометрии, а именно к полевому определению температуры грунтов, где требуется получить конкретные данные о температуре мерзлых, промерзающих и протаивающих грунтов.

Устройство контроля водного баланса почвы // 2596703

Лизиметр включает емкость с монолитом почвы, гидравлически связанную с емкостью контроля уровня, узел сброса, подключенный к источнику водоподачи, блок управления с электрокоммутационной схемой и подключенные к нему электромагнитные датчики уровней воды в емкости контроля уровня.

Тензометрический штамп // 2594954

Изобретение относится к техническим устройствам для испытания грунтового основания фундамента штампом. Тензометрический секционный штамп содержит чувствительный элемент и измерительные приспособления для измерения контактного давления.

Способ регулирования деформационных свойств несвязного дисперсного грунта // 2621799

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при исследовании деформационных свойств несвязного дисперсного грунта при устройстве оснований зданий и сооружений из несвязного дисперсного грунта с требуемыми деформационными свойствами. Способ регулирования деформационных свойств несвязного дисперсного грунта, в котором первоначально грунт разделяют на фракции с помощью сит, определяют деформационную характеристику χi каждой гранулометрической фракции грунта, выделенной на предыдущем этапе, затем на основе полученных деформационных характеристик χi каждой гранулометрической фракции грунта методом подбора определяют относительное содержание (долю) А каждой гранулометрической фракции в новом несвязном дисперсном грунте с требуемой деформационной характеристикой χΣ так, чтобы выполнялось условие: где χΣ - требуемая деформационная характеристика нового несвязного дисперсного грунта;Ai - относительное содержание (доля) i-й гранулометрической фракции в новом несвязном дисперсном грунте с требуемой деформационной характеристикой определяется подбором так, чтобы выполнялось условие: ΣAi=1 (сумма долей (относительное содержание) отдельных фракций в новом несвязном дисперсном грунте равна единице);χi - деформационная характеристика i-й гранулометрической фракции грунта. Технический результат состоит в снижении трудоемкости и материалоемкости определения деформационных свойств несвязного дисперсного грунта. 1 ил., 2 табл.

Способ хрусталева е.н. определения среднего предельного давления для сжимаемой штампом материальной среды // 2624592

Изобретение относится к области «Физики материального контактного взаимодействия», конкретно к способу определения несущей способности и устойчивости связной среды, предельно нагруженной давлением перед разрушением. Сущность способа заключается в определении физических свойств среды в нарушенном по структуре предельном состоянии: удельного сцепления и объема веса при , определении среднего предельного давления , где - бытовое гравитационное давление массива нарушенной по структуре среды, - средняя величина атмосферного давления на поверхности Земли, определении среднего закраевого давления растяжения и расчете предельного давления под штампом и за его краями. Технический результат – повышение точности определения предельного давления для грунтовой среды. 3 ил.

Способ лабораторного испытания грунтов // 2628874

Изобретение относится к исследованию деформационных и прочностных свойств грунтов при инженерно-геологических изысканиях в строительстве. Способ включает деформирование образца грунта природного или нарушенного сложения в условиях трехосного осесимметричного гидростатического и последующего девиаторного нагружения, дающих возможность ограниченного бокового расширения образца грунта, близкого к реальным условиям, затем после установления условной стабилизации при статическом режиме достижением скорости деформирования образца, соответствующей условной стабилизации деформации образца на данной ступени деформирования, переходят поочередно на следующие ступени испытания, а по окончании испытаний, по конечным результатам, полученным на каждой из ступеней испытания, строят график зависимости относительной осевой деформации от осевых напряжений и определяют искомые характеристики грунта, причем после стабилизации деформаций гидростатического нагружения выполняют контролируемое девиаторное нагружение, первая часть которого - дозированное кинематическое нагружение с управляемой скоростью деформации и ограничением по приращению осевых напряжений, а вторая часть - стабилизация напряженно-деформированного состояния образца в режиме ползучести - релаксации напряжений по условной стабилизации модуля общей деформации, многократно повторяя нагружения и стабилизацию до достижения предельного напряженного состояния, а далее продолжают (при необходимости) только кинематическое нагружение до величины предельной относительной осевой деформации. Достигается ускорение испытаний при определении различных характеристик любых разновидностей нескальных грунтов. 1 пр., 4 ил.

Способ определения количества выработок при проведении инженерно-геологических изысканий // 2631445

Изобретение относится к области строительства и предназначено для определения количества выработок, осадок и кренов зданий при проведении инженерно-геологических изысканий. Способ определения количества выработок при проведении инженерно-геологических изысканий включает проходку выработок в пределах пятна проектируемого здания или сооружения, определение модуля деформации грунтов по выработке, нахождение осадки здания или сооружения на каждой выработке и неравномерность осадки между выработками, нахождение коэффициента жесткости основания на каждой выработке при заданных размерах в плане здания или сооружения и нагрузки на основание, используя при этом функцию Шепарда для коэффициента жесткости основания в виде приведенной зависимости. Технический результат состоит в повышении точности инженерно-геологических изысканий, снижении трудоемкости и расширении области применения. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

Способ определения границ пластичности грунтов // 2631616

Изобретение относится к области инженерных изысканий. В способе определения границ пластичности грунтов, заключающемся в определении удельного сопротивления одного образца грунта, имеющего известные значения показателей wm и kw линейной зависимости влажности грунта на границе текучести от числа пластичности WL=wm+kw⋅Iр, при степени влажности 0,97-0,98, погружению конусного индентора с углом 30° при вершине и определении по формулам влажности грунта на границе текучести и на границе раскатывания, образец грунта помещают в цилиндрическую камеру диаметром не менее 60 мм и высотой не менее 45 мм и размещают соосно вершине конуса индентора, а погружение конусного индентора производят с постоянной скоростью, равной 120 мм/мин, на глубину до 35 мм и с регистрацией величины сопротивления грунта через каждые 0,01 мм погружения конусного индентора с дискретностью не более 2,0 Н, при этом в полученном массиве значений сопротивления образца грунта погружению конусного индентора выделяют диапазон инвариантных значений сопротивления грунта погружению конусного индентора из заданного соотношения, а определение влажности грунта на границе текучести и на границе раскатывания производят на основании заданных расчетных зависимостей. Достигается упрощение и ускорение определения границ пластичности грунтов, исключение влияния на результаты определений субъективных факторов, возможность оценки погрешности определения удельного сопротивления грунта пенетрации при испытании одного образца грунта. 1 ил.

Способ испытания мерзлого грунта статическим зондированием // 2632994

Изобретение относится к области инженерно-геологических изысканий для строительства зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах, основания которых используются для строительства зданий в оттаянном или оттаивающем состоянии. Способ испытания мерзлого грунта включает периодическое погружение с остановкой зонда в массиве грунта и измерением сопротивления грунта внедрению зонда и температуры грунта. При остановке, после измерения температуры мерзлого грунта, выполняют оттаивание грунта на заданную глубину с помощью установленного в зонде нагревательного элемента, после чего зонд додавливают в пределах зоны оттаивания грунта и измеряют сопротивление оттаянного грунта внедрению зонда. Технический результат состоит в обеспечении возможности испытания мерзлого грунта с определением механических свойств и несущей способности многолетнемерзлых грунтов с учетом их оттаивания в процессе статического зондирования грунтов, повышении точности, снижении трудоемкости испытаний. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ обеспечения эксплуатационной надежности сооружения на набухающем грунтовом основании // 2637536

Изобретение относится к строительству мелкозаглубленных фундаментов на естественном основании, малозаглубленных ростверков свайных фундаментов и подземных сооружений нормального уровня ответственности на набухающих грунтовых основаниях. Способ обеспечения эксплуатационной надежности сооружения на набухающем грунтовом основании путем определения напряженно-деформированного состояния (НДС) набухающего грунта и фундамента (сооружения) при их взаимодействии с известными значениями распределения вертикальных напряжений в грунте от последних и предполагаемом распределении вертикальных напряжений набухания аналогично напряжениям в грунте от фундамента (сооружения), но имеющие противоположенное направление. Вертикальные напряжения набухания грунта под фундаментом (сооружением), в любой точке, не равны вертикальным напряжениям на грунт от фундамента (сооружения). Количественные их значения для определения (НДС) набухающего грунта и фундамента (сооружения) при их взаимодействии принимают исходя из постоянства суммы абсолютных значений напряжений в грунте от фундамента (сооружения) и набухающего грунта в любой точке по площади подошвы под ними, равных двум значениям среднего напряжения (давления) в грунте от фундамента (сооружения), определяемым по приведенной зависимости. Формула позволяет определить предельно допустимые усилия в конструкциях сооружения и значения деформации грунта основания при его набухании и усадке. Технический результат состоит в обеспечении эксплуатационной надежности сооружения нормального уровня ответственности с минимально необходимыми требованиями к материало-энергоемкости сооружения и безопасного уровня взаимодействия здания на окружающую среду путем определения количественного значения воздействия вертикальных напряжений набухания грунта основания на сооружение по всей площади опирания фундамента. 2 пр., 2 ил.

Способ определения местоположения повреждений и их контроль в днище бассейна суточного регулирования // 2644964

Изобретение относится к способам контроля целостности железобетонных гидротехнических резервуаров с помощью волоконно-оптической контрольно-измерительной аппаратуры и предназначено для определения местоположения повреждений в днище бассейнов суточного регулирования и контроля протечек через них. Способ определения местоположения повреждений и их контроль в днище бассейна суточного регулирования включает прокладку волоконно-оптического датчика 6 по всей площади бассейна суточного регулирования с шагом 3-5 м, отсыпку слоя крупнозернистого материала под днищем 5 бассейна суточного регулирования, устройство подземной дренажной галереи 10, примыкающей снаружи к бассейну суточного регулирования, поперечную разуклонку iпоп основания 1 выполняют от оси бассейна суточного регулирования к его краям, затем слой крупнозернистого материала, например щебня 2, покрывают геосинтетическим фильтрующим материалом 3, например дорнитом, для исключения суффозии/выноса песка 4 потоком воды, и отсыпают на него дополнительный слой из песка 4 для формирования купола растекания, получаемого протечками через днище 5 бассейна суточного регулирования, подключают волоконно-оптический датчик 6 к считывающему трансиверу, определяющему место повреждений и величину протечек. Продольную разуклонку iпрод основания 1 можно выполнять вдоль оси бассейна суточного регулирования величиной 0,010-0,035. Поперечные ребра, например железобетонные буртики, можно устанавливать по всей площади основания 1 с шагом 3-5 м для создания регулярных локальных зон контроля протечек. Волоконно-оптический датчик 6 можно прокладывать с верховой стороны железобетонных буртиков непрерывно по всем локальным зонам контроля протечек. Технический результат состоит в определении мест повреждений в днище бассейнов суточного регулирования, количественной оценке объема протечек через повреждения, снижении сроков и затрат на их обнаружение и устранение, и увеличении сроков эксплуатации бассейнов. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ определения параметров прочности грунта методом вращательного среза и устройство для его реализации // 2646263

Изобретение относится к области строительства, а именно к способам проведения геомеханических изысканий для определения механических свойств грунтов. Способ определения параметров прочности грунта методом вращательного среза включает задавливание в забой скважины лопастной крыльчатки, приложение к ней возрастающего момента, фиксацию максимального крутящего момента, приводящего к повороту крыльчатки за счет среза грунта по образовавшейся цилиндрической поверхности, и определение по величине крутящего момента параметра прочности грунта. Погружаемая в грунт крыльчатка имеет криволинейные в поперечном сечении лопасти, изогнутые в одном направлении кручения. Крутящий момент прикладывают сначала в одном направлении (по часовой стрелке), после чего крыльчатку погружают вторично на большую глубину или в соседнюю близко расположенную в плане скважину и прикладывают крутящий момент в другом направлении (против часовой стрелки). Определяют максимальные крутящие моменты при кручении в разных направлениях, а об угле внутреннего трения и удельном сцеплении грунта судят по величине полученных максимальных крутящих моментов при кручении в разных направлениях. Технический результат состоит в повышении диапазона измеряемых параметров, повышении технологичности, снижении материалоемкости и времени измерения, повышении точности измерения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.