способ определения прочности грунта

Классы МПК:G01N3/24 путем приложения постоянных сдвигающих усилий
E02D1/02 до начала строительства 
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Кубанский государственный технологический университет
Приоритеты:
подача заявки:
1999-12-07
публикация патента:

Изобретение используется для определения прочности твердых, полутвердых и пластичных грунтов в лабораторных условиях. Изобретение обеспечивает сокращение материальных и трудовых затрат и уменьшение стоимости испытания. Образец грунта в форме прямого прямоугольного параллелепипеда продольно сжимают или непрерывно возрастающей силой, или с заданной скоростью продольной деформации образца при непрерывной регистрации продольной деформации образца, величины сжимающей силы и длин следов площадки скольжения, образующихся на гранях образца, и угла ее наклона и рассчитывают прочность грунта как среднее арифметическое группы значений предельного касательного напряжения, вычисленных в моменты или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы по определенной формуле. 1 з.п.ф-лы, 7 ил., 1 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8

Формула изобретения

1. Способ определения прочности грунта, включающий продольное сжатие образца грунта в форме прямого прямоугольного параллелепипеда непрерывно возрастающей силой или с заданной скоростью продольной деформации образца до его разрушения, непрерывную регистрацию продольной деформации образца, регистрацию сжимающей силы, разрушившей образец, и угла наклона площадки скольжения и расчет прочности грунта, отличающийся тем, что в процессе сжатия образца производят непрерывную регистрацию величины сжимающей силы и длин следов площадки скольжения, образующихся на гранях образца, при этом прочность грунта рассчитывают как среднее арифметическое группы значений предельного касательного напряжения, вычисленных в моменты или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения длин следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы по формуле

способ определения прочности грунта, патент № 2169356

где способ определения прочности грунта, патент № 2169356lim - предельное значение максимального касательного напряжения в i-й момент, или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения длин следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы;

способ определения прочности грунта, патент № 2169356Pi - приращение сжимающей силы в i-й момент, или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения длин следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы;

b - размер сечения образца в направлении, перпендикулярном распространению следов площадки скольжения;

способ определения прочности грунта, патент № 2169356li - среднее арифметическое значение приращений длин следов площадки скольжения в i-й момент, или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения длин следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы; способ определения прочности грунта, патент № 2169356li= (способ определения прочности грунта, патент № 2169356lL,i+способ определения прочности грунта, патент № 2169356lR,i)/2, где способ определения прочности грунта, патент № 2169356lL,i и способ определения прочности грунта, патент № 2169356lR,i - приращения длин следов площадки скольжения соответственно по левой и правой граням образца;

способ определения прочности грунта, патент № 2169356 - угол наклона площадки скольжения к продольной оси образца;

i - число случаев увеличения длин следов площадки скольжения с начала сжатия образца до его разрушения.

2. Способ определения прочности грунта по п.1, отличающийся тем, что непрерывную регистрацию длин следов площадки скольжения, образующихся на гранях образца, производят, например, видеосъемкой с масштабной сеткой в объективе видеокамеры и с нанесением временных маркеров на видеопленке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области инженерных изысканий и предназначено, в частности, к лабораторным методам определения прочностных характеристик твердых, полутвердых и тугопластичных грунтов.

Известен способ определения прочности грунта, включающий сжатие образца цилиндрической формы всесторонним давлением и продольной силой, увеличивающейся ступенями или непрерывно при заданной скорости деформирования образца до его разрушения, регистрацию продольной деформации образца на каждой ступени нагружения или через заданные интервалы времени, регистрацию всестороннего давления и продольной силы, при которой разрушился образец, и расчет прочности грунта по величине продольной силы, площади поперечного сечения образца и величине всестороннего давления (см. ГОСТ 26518-85. Грунты. Метод лабораторного определения прочности и деформируемости при трехосном сжатии). Способ реализуется с помощью приборов для трехосных испытаний грунтов, называемых стабилометрами.

Недостатками известного способа являются: низкая производительность из-за большой длительности и трудоемкости испытания; сложность и высокая стоимость проведения испытания; сложность конструкции стабилометров, обеспечивающих реализацию способа; сложность и трудоемкость загрузки образца в резиновую оболочку для его изоляции от жидкости и в рабочую камеру; низкая достоверность результатов из-за возникновения в образце сложного напряженно-деформированного состояния, различающегося по высоте образца (см. Мизюмский В. А. Закономерности деформирования пород с естественной структурой. - Сб. "Вопросы геотехники", 1964, N 7, Изд. "Транспорт", с. 32-43), а также из-за погрешности измерения всестороннего давления на образец, вызванной неизбежной потерей части объема жидкости на деформирование упругого элемента измерителя давления (трубка Бурдо манометра и т.п.) и неизбежным наличием пузырьков воздуха в рабочей камере; невозможность оценки погрешности результатов испытаний грунта по одному образцу, т.к. способ позволяет получить на одном образце только один случайный результат, и необходимость, в силу последнего, проводить испытание нескольких образцов-близнецов одного и того же грунта, что значительно увеличивает длительность и стоимость определения прочности грунта.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ определения прочности грунта, включающий продольное сжатие образца грунта цилиндрической формы непрерывно возрастающей силой до его разрушения, непрерывную регистрацию продольной деформации образца, регистрацию конечного значения сжимающей силы, при которой произошло разрушение образца, и расчет прочности грунта по величине конечной сжимающей силы и площади поперечного сечения образца. Кроме того, для определения угла внутреннего трения грунта способ включает регистрацию угла наклона площадки скольжения, по которой произошло разрушение образца (см. ГОСТ 26447-85. Породы горные. Метод определения механических свойств глинистых пород при одноосном сжатии). Способ реализуется с помощью приборов одноосного сжатия или прессов, отвечающих требованиям способа.

Недостатками известного способа являются: расчет прочности грунта по отношению силы, разрушившей образец, к площади его поперечного сечения, в то время как разрушение образца происходит под действием касательных напряжений и по наклонной площадке скольжения; невозможность оценки погрешности результатов испытания грунта по одному образцу, т.к. способ позволяет получить на одном образце только один случайный результат, и необходимость, в силу последнего, проводить испытания нескольких образцов-близнецов одного и того же грунта, что требует большого количества образцов грунта и значительно увеличивает длительность и стоимость определения прочности грунта.

Цель изобретения - повышение достоверности результатов определения прочности грунта и производительности их получения.

Указанная цель достигается тем, что, в отличие от известного способа определения прочности грунта, в заявляемом способе, включающем продольное сжатие образца грунта непрерывно возрастающей силой до его разрушения с непрерывной регистрацией продольной деформации образца, регистрацией сжимающей силы и угла наклона площадки скольжения и расчет прочности грунта, образец грунта имеет форму прямого прямоугольного параллелепипеда, а его сжатие производят или с непрерывно возрастающей силой, или с заданной скоростью продольной деформации образца при непрерывной регистрации величины сжимающей силы и длин следов площадки скольжения, образующихся на гранях образца, при этом прочность грунта рассчитывают как среднее арифметическое группы значений предельного касательного напряжения, вычисленных в моменты или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения длин следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы по формуле

способ определения прочности грунта, патент № 2169356

где способ определения прочности грунта, патент № 2169356lim.i - предельное значение максимального касательного напряжения в i-й момент или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения длин следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы;

способ определения прочности грунта, патент № 2169356Pi - приращение сжимающей силы в i-й момент или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения длин следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы;

b - размер сечения образца в направлении, перпендикулярном распространению следов площадки скольжения;

способ определения прочности грунта, патент № 2169356li - среднее арифметическое значение приращений длин следов площадки скольжения в i-й момент или аномального увеличения продольной деформации образца, или увеличения длин следов площадки скольжения, или аномального уменьшения сжимающей силы

способ определения прочности грунта, патент № 2169356li= (способ определения прочности грунта, патент № 2169356lL,i+способ определения прочности грунта, патент № 2169356lR,i)/2, (2)

где способ определения прочности грунта, патент № 2169356lL,i и способ определения прочности грунта, патент № 2169356lR,i - приращения длин следов площадки скольжения соответственно по левой и по правой граням образца;

способ определения прочности грунта, патент № 2169356 - угол наклона площадки скольжения к продольной оси образца;

i - число случаев увеличения длин следов площадки скольжения с начала сжатия образца до его разрушения.

Непрерывную регистрацию длин следов площадки скольжения, образующихся на гранях образца, производят, например, видеосъемкой с масштабной сеткой в объективе видеокамеры и с нанесением временных маркеров на видеопленке.

Перечисленная совокупность отличительных признаков заявляемого способа определения прочности грунта 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 испытательного устройства, например, прибора одноосного сжатия, пресса и т.п., которое оснащается общеизвестными блоками регистрации: сжимающей силы, продольной деформации образца и длин следов площадки скольжения.

Один из возможных вариантов конструкции испытательного устройства и пояснения к реализации способа схематично приведены на чертеже, где на:

фиг. 1 - принципиальная блок-схема устройства;

фиг. 2 - масштабная сетка в объективах видеокамер блока регистрации длин следов площадки скольжения;

фиг. 3 - разрез А-А образца грунта по развивающейся площадке скольжения;

фиг. 4 - график аномального увеличения продольной деформации образца при его сжатии непрерывно возрастающей силой;

фиг. 5 - график аномального уменьшения продольной сжимающей силы при сжатии образца с заданной скоростью продольной деформации образца;

фиг. 6 - схема к расчету напряжений в образце перед увеличением следа площадки скольжения;

фиг. 7 - схема к расчету напряжений в образце после увеличения следа площадки скольжения.

Испытательное устройство состоит из корпуса 1, рабочего стола 2, нагрузочного механизма 3, подвижной плиты 4, соединенной с подвижным штоком 5 нагрузочного механизма, блока регистрации сжимающей силы 6 с датчиком силы 7, блока регистрации продольной деформации образца 8 с датчиком перемещении 9, блока регистрации длин следов площадки скольжения 10 и блока управления 11 (фиг. 1).

Рабочий стол 2 предназначен для размещения на его поверхности образцов грунта 12.

Нагрузочный механизм 3 обеспечивает сжатие образца 12 или непрерывно возрастающей силой, или с заданной скоростью продольной деформации.

Блок регистрации сжимающей силы 6 обеспечивает непрерывное измерение и регистрацию величины сжимающей силы, приложенной на образец 12, например, на диаграммной ленте самописца, в электронной памяти и т.п.

Блок регистрации продольной деформации образца 8 обеспечивает непрерывную регистрацию величины продольной деформации образца, например, на диаграммной ленте самописца, в электронной памяти и т.п.

Блок регистрации длин следов площадки скольжения 10 может быть выполнен, например, в виде нескольких видеокамер, расположенных на одном уровне над боковыми гранями образца и имеющих в объективе масштабную сетку (фиг. 2), позволяющую измерять длины следов площадки скольжения и угол ее наклона относительно продольной оси образца 12, и приспособления нанесения временных маркеров па видеопленке.

Осуществляется способ следующим образом.

Образец грунта 12, подготовленный в форме прямого прямоугольного параллелепипеда, устанавливают на рабочий стол 2 испытательного устройства так, чтобы продольная ось образца 12 была перпендикулярна рабочему столу 2 и соосна с подвижным штоком 5 нагрузочного механизма 3. Включается нагрузочный механизм 3 и подвижная плита 4 подводится до контакта с образцом 12. С момента контакта подвижной плиты 4 с образцом 12 включаются блоки непрерывной регистрации сжимающей силы 6, продольной деформации образца 8 и длин следов площадки скольжения 10, а нагрузочный механизм 3 производит продольное сжатие образца 12 или непрерывно возрастающей силой, или с заданной скоростью продольной деформации образца. Сжатие образца 12 производится до его разрушения, которое происходит по площадке скольжения, наклоненной под углом способ определения прочности грунта, патент № 2169356 к продольной оси образца (фиг. 1). После разрушения образца испытательное устройство разгружается, производится обработка результатов регистрации параметров испытания образца и расчет прочности грунта по формуле (1). При обработке результатов регистрации параметров испытания во внимание принимаются значения величины сжимающей силы и продольной деформации образца, соответствующие длинам следов площадки скольжения, по которой произошло разрушение образца.

Ниже приведено обоснование правомерности заявленного способа.

Разрушение грунта при сжатии происходит в определенных зонах испытываемого образца - в области максимальных касательных напряжений способ определения прочности грунта, патент № 2169356max, когда они достигают предельного значения: способ определения прочности грунта, патент № 2169356max = способ определения прочности грунта, патент № 2169356lim. При продольном сжатии призматического образца такая зона ориентирована под углом способ определения прочности грунта, патент № 2169356 к оси образца (фиг. 1, 6 и 7). При увеличении продольной сжимающей силы P значения способ определения прочности грунта, патент № 2169356max также возрастают и достигают предельного для данного грунта значения способ определения прочности грунта, патент № 2169356lim, что проявляется в виде образования следов площадки скольжения (фиг. 3) и кратковременного аномального увеличения продольной деформации образца (при постоянном увеличении продольной силы (фиг. 4)) или кратковременного уменьшения продольной силы (при увеличении продольной деформации образца с заданной скоростью (фиг. 5)). Эти кратковременные изменения проявляются несколько раз до достижения максимального (в данном испытании) значения продольной сжимающей силы, каждый раз сопровождаясь увеличением следов площадки скольжения.

Длины следов площадки скольжения увеличиваются постепенно и неравномерно во времени и неодинаково на противоположных гранях образца, что можно наблюдать визуально. Увеличение продолжается до тех пор, пока следы площадки скольжения не займут целиком наклонное сечение образца, что соответствует моменту его полного разрушения.

Как известно (см. 1) Бондарик Г.К. и др. Текстура и деформация глинистых пород. - М.: Недра, 1975. - 168 с.; 2) Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. - М.: Высш. школа, 1978. - 447 с.), в зоне максимальных касательных напряжений способ определения прочности грунта, патент № 2169356max = способ определения прочности грунта, патент № 2169356lim происходит поворот анизотропных глинистых частиц параллельно площадке действия этих напряжений, после чего эта зона становится площадкой скольжения, т.е. на ней касательные напряжения равны нулю, но она воспринимает большие, чем прежде, нормальные напряжения. Приращение следов площадки скольжения приводит к кратковременному аномальному увеличению продольной деформации образца или к кратковременному аномальному уменьшению продольной сжимающей силы. После восстановления значения продольной сжимающей силы происходит увеличение максимальных касательных напряжений на продолжении следов площадки скольжения до значения способ определения прочности грунта, патент № 2169356max = способ определения прочности грунта, патент № 2169356lim, что приводит к новому приращению следов площадки скольжения и аномальному увеличению продольной деформации образца или к кратковременному аномальному уменьшению продольной сжимающей силы.

Допустим, что 1) напряжения в образце распределены равномерно вдоль площадки скольжения длиной li (фиг. 6) - нормальные сжимающие способ определения прочности грунта, патент № 21693561 и касательные способ определения прочности грунта, патент № 21693561 = 0; 2) на продолжении площадки скольжения длиной (L -1) - нормальные сжимающие способ определения прочности грунта, патент № 2169356lim и касательные способ определения прочности грунта, патент № 2169356max = способ определения прочности грунта, патент № 2169356lim.. Увеличение площадки скольжения на способ определения прочности грунта, патент № 2169356l при увеличении продольной силы на способ определения прочности грунта, патент № 2169356Pi приводит к новому равновесному состоянию при таком же распределении напряжений.

Состояние равновесия можно описать уравнениями (3) перед увеличением площадки скольжения и (4) после увеличения площадки скольжения:

способ определения прочности грунта, патент № 2169356

способ определения прочности грунта, патент № 2169356

где Pe - значение продольной силы перед увеличением площадки скольжения, Pr - то же, после увеличения.

Из уравнений (3) и (4) получаем формулы для:

- предельного для данного грунта значения максимального касательного напряжения

способ определения прочности грунта, патент № 2169356

- нормального сжимающего напряжения на площадке скольжения

способ определения прочности грунта, патент № 21693561 = способ определения прочности грунта, патент № 2169356lim+ способ определения прочности грунта, патент № 2169356Prcosспособ определения прочности грунта, патент № 2169356/bспособ определения прочности грунта, патент № 2169356l; (6)

- предельного для данного грунта нормального сжимающего напряжения

способ определения прочности грунта, патент № 2169356

Ниже в таблице, приведены результаты экспериментальной реализации способа при испытании одного образца суглинка продольным сжатием с заданной скоростью продольной деформации, равной 0,50 мм/мин. Размеры образца: высота - 110 мм, b = 42 мм, a = 35 мм.

Угол наклона площадки скольжения к продольной оси образца составил способ определения прочности грунта, патент № 2169356 = 52o.

В таблице внешняя нагрузка дана в единицах напряжений.

По результатам испытания одного образца получаем прочность грунта способ определения прочности грунта, патент № 2169356lim = 144,6 кПа при коэффициенте вариации kv = 0,26, предельное для данного грунта нормальное сжимающее напряжение способ определения прочности грунта, патент № 2169356lim = 77,0 кПа при коэффициенте вариации kv = 0,19 и нормальное сжимающее напряжение на площадке скольжения способ определения прочности грунта, патент № 21693561 = 190,1 кПа при коэффициенте вариации kv = 0,086.

Таким образом, использование способ определения прочности грунта, патент № 2169356lim в качестве прочностной характеристики грунта является более обоснованным и дает более достоверный результат, чем максимальное нормальное напряжение, действующее на площадке, нормальной к оси образца.

Использование способа позволяет повысить достоверность результатов определения прочности грунтов при испытании одного образца, повысить производительность испытания грунта за счет сокращения количества испытываемых образцов этого грунта до одного и, соответственно, сократить материальные и трудовые затраты и уменьшить стоимость испытания.

Класс G01N3/24 путем приложения постоянных сдвигающих усилий

установка для испытания стержневых образцов материалов на послойный срез при действии осевой нагрузки -  патент 2518849 (10.06.2014)
способ проведения испытаний на сдвиг и устройство для его реализации -  патент 2511624 (10.04.2014)
образец для испытания диффузионного соединения листовых заготовок на сдвиг, способ его изготовления и испытания -  патент 2490613 (20.08.2013)
образец для испытания на сдвиг (варианты) и способ испытаний его -  патент 2482463 (20.05.2013)
установка для испытания горных пород на послойный срез при действии осевой нагрузки -  патент 2411490 (10.02.2011)
стенд для определения жесткости каблучной части обуви -  патент 2403552 (10.11.2010)
способ определения коэффициента жесткости каблучной части обуви в функции времени переднего толчка -  патент 2394221 (10.07.2010)
способ измерения давления в поровой воде слабых водонасыщенных грунтов -  патент 2390752 (27.05.2010)
устройство для измерения сопротивления снега сдвигу -  патент 2344403 (20.01.2009)
способ исследования механических свойств грунтов, сыпучих и порошковых материалов и устройство для его осуществления -  патент 2328717 (10.07.2008)

Класс E02D1/02 до начала строительства 

устройство для измерения деформаций грунтов -  патент 2529214 (27.09.2014)
способ оценки содержания крупнообломочных включений на характеристики сжимаемости смесей глинистых грунтов -  патент 2503776 (10.01.2014)
способ выделения участков на крутых склонах под строительство зданий и сооружений -  патент 2410724 (27.01.2011)
устройство для проведения статического зондирования перемежающихся по плотности грунтов -  патент 2378452 (10.01.2010)
способ контроля качества уплотнения грунтовой смеси -  патент 2349706 (20.03.2009)
способ оценки состояния связных грунтов основания и тела сооружения -  патент 2317372 (20.02.2008)
способ контроля характеристик грунтового основания при уплотнении грунта -  патент 2193624 (27.11.2002)
способ определения технологических характеристик связных грунтов при уплотнении механизмами -  патент 2186174 (27.07.2002)
способ измерения распора в зернистых материалах -  патент 2174572 (10.10.2001)
устройство для определения сопротивления грунта срезу -  патент 2094566 (27.10.1997)
Наверх