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 преимущественно низкой и средней плотности. Способ определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта, преимущественно имеющего низкую и среднюю плотность, включает вертикальное и сдвиговое нагружение слоя согласно закону Хевисайда путем приложения нагрузок через штамп с грунтозацепами, измерение вертикальной и сдвиговой деформации слоя и определение мгновенных линейного и сдвигового модулей деформации слоя и параметров опытных кривых ползучести как минимум при любых трех значениях времени деформации t₁, t₂ и t₃, ограниченных временем проведения измерений. Измерение вертикальной и сдвиговой деформаций слоя производят в цилиндрических координатах, когда вертикальную и сдвиговую нагрузки прикладывают к штампу одновременно. Сдвиговую нагрузку прикладывают к круглому штампу с размещенными под ним равномерно по окружности в радиальном направлении ближе к краю штампа грунтозацепами длиной не более половины его радиуса в виде крутящего момента, приложенного к его оси и реализуемого в виде нагрузки по касательной к окружности, проходящей через середину грунтозацепов штампа. Измеряют вертикальную и сдвиговую деформации слоя почвогрунта косвенным методом через вертикальное и угловое смещения оси штампа. При этом в случае определения касательных напряжений под штампом нагрузка и площадь штампа определяются из приведенных зависимостей, а также относительная сдвиговая деформация слоя в каждый момент времени определяется из приведенных зависимостей. Технический результат состоит в повышении мобильности, универсальности и точности испытаний, снижении трудоемкости и материалоемкости испытаний. 1 табл., 3 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.

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, являющегося продолжением направляющей штанги, расположенной соосно на штампе, упирающегося 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 p - 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 производятся 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 ее 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 ее 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;

П_э - 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 задаются величиной 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.

Известен также способ определения физико-механических характеристик грунтов с помощью беваметра [7].

Измерение вертикальной и сдвиговой деформаций производят с помощью раздельных штампов. В зависимости от разных вертикальных давлений на один штамп, создаваемых с помощью гидроцилидра, измеряют величины вертикальных деформаций. С помощью другого штампа, представляющего собой кольцо с установленными на нем снизу радиально грунтозацепами, измеряют сдвиговую деформацию штампа в угловом направлении, обеспечивающемся за счет приложения к оси штампа постоянной угловой скорости посредством тягового мотора, при одновременной регистрации крутящего момента с его стороны, увеличивающегося во времени по неизвестному закону, определяемому структурными особенностями грунта. При этом кольцевой штамп также нагружается вертикальной нагрузкой посредством силового цилиндра.

Недостатками данного способа являются следующие.

Во-первых, при повороте кольцевого штампа почвогрунт выпирает наружу в его середине, что разрушает структуру почвогрунта.

Во-вторых, приложение горизонтального усилия осуществляется тяговым мотором, т.е. за счет прикладывания постоянной скорости деформации к исследуемому звену. Это приводит к неравномерности касательной нагрузки (вследствие упруговязкопластичных свойств слоя почвогрунта) и делает необходимым аналитическим методом определять номинальное касательное усилие, что влияет на увеличение погрешности получаемых результатов.

В-третьих, вертикальная нагрузка на штампы не может быть приложена мгновенно, т.е. проходит некоторое время, составляющее от долей до нескольких секунд, в течение которого нагрузка на штамп со стороны силовых гидроцилиндров возрастает от нуля до максимального значения, соответствующего заданной статической нагрузке. Это приводит к существенному искажению результатов измерения деформации и модуля деформации.

В-четвертых, для расчета нормальных р и касательных τ напряжений, возникающих в грунте, по формулам

коэффициенты сцепления и трения грунта (k_c и k_φ), (с и p) и коэффициент буксования (k) являются переменными и определяются эмпирически из экспериментальных кривых, соответствующих скорости погружения штампов от 2,5 до 5 см/с. Таким образом, определяемые физико-механические характеристики почвогрунтов являются неинвариантными относительно метода (способа) их определения.

В-пятых, регистрация вертикальной и сдвиговой деформаций почвогрунта производится под разными штампами, в то время как следует их определять одновременно под одним деформатором (штампом), когда к нему одновременно прикладываются и вертикальная, и сдвиговая нагрузки. Такой характер нагружения и деформации почвогрунта соответствует реальным процессам, характеризующим изменение его напряженно-деформированного состояния под реальными движителями машин (как под колесными, так и под гусеничными).

Наиболее близким из известных технических решений к изобретению (способу) является способ определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта [8], преимущественно имеющего низкую и среднюю плотность, включающий вертикальное и сдвиговое нагружения слоя согласно закону Хевисайда путем приложения нагрузок через штамп, измерение вертикальной и сдвиговой деформаций слоя и определение модулей деформации слоя, когда 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…2с),

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 и сдвиговые модули деформации, Па;

ε_i - относительные вертикальная и сдвиговые деформации слоя;

σ_i - нормальные и касательные напряжения под штампом, Па;

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

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

α₁, 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.

Способ реализуется следующим образом.

Устанавливают на поверхности слоя почвогрунта прямоугольный штамп, с закрепленными на нем грунтозацепами, 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_г1, 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_г2, 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 через датчики вертикальной и горизонтальной (сдвиговой) деформаций и усилитель. Одновременно производят измерение сдвиговых деформаций и по глубине слоя, например, посредством осциллографа через специальные толкатели, один конец которых с закрепленной на нем лопаткой располагают под серединой штампа, датчики сдвиговой деформации и усилитель.

По зафиксированной на осциллограмме кривой ползучести слоя почвогрунта в вертикальном направлении получают кривые изменения относительной деформации

ε_iB во времени согласно выражению:

где λ_iB - 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_iГ, в мм, получают кривые изменения относительных касательных (сдвиговых) деформаций, характеризуемых углом сдвига, согласно выражению

где h^' _СЛ - высота слоя почвогрунта, на которой находится датчик сдвиговой деформации, мм.

Недостатками данного способа являются следующие.

Во-первых, сложность оборудования, применяемого для реализации данного способа, включающего рычажную систему для вертикального нагружения штампа, полиспастную систему для горизонтального (сдвигового) нагружения штампа, систему переключения направления действия сдвиговой нагрузки.

Во-вторых, точность определения коэффициента z, учитывающего разницу во времени приложения вертикальной и сдвиговой нагрузок, хотя и укладывается в рамки доверительной вероятности показаний исследуемых процессов для различных почвогрунтов, тем не менее, все же вносит определенную погрешность в расчеты.

В-третьих, необходимо пересчитывать значение сдвиговой деформации, изменяющейся во времени, за счет разницы приложения во времени вертикальной и сдвиговой нагрузок (0,5…2с).

В-четвертых, при сдвиговых деформациях прямоугольного штампа при одновременном его погружении под действием вертикальной нагрузки происходит упор боковой стороны штампа в свободный грунт и выпирание последнего с его разрушением (разрыхлением), что создает дополнительное сопротивление боковому передвижению штампа, которое не учитывается при исследовании процесса деформирования слоя почвогрунта.

В-пятых, способ нагружения требует привлечения не менее трех человек, первый из которых обеспечивает приложение вертикальной нагрузки на штамп, второй - сдвиговой нагрузки на штамп и ее реверсирование, третий - синхронизацию работы датчиков перемещений штампа и измерительно-регистрирующей аппаратуры.

Задачей изобретения является повышение мобильности, универсальности и точности испытаний, снижение трудоемкости и материалоемкости испытаний.

Сущность изобретения выражается в том, что в способе определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта, преимущественно имеющего низкую и среднюю плотность, включающем вертикальное и сдвиговое нагружение слоя согласно закону Хевисайда путем приложения нагрузок через штамп с грунтозацепами, измерение вертикальной и сдвиговой деформации слоя и определение мгновенных линейного и сдвигового модулей деформации слоя и параметров 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 и сдвиговой модули деформации. Па;

ε_i - относительные вертикальная и сдвиговая деформации слоя;

σ_i - нормальные и касательные напряжения под штампом, Па;

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

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

α_i, A_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_i,

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

S_i - площадь штампа, м²,

измерение вертикальной и сдвиговой деформаций слоя производят в цилиндрических координатах, когда вертикальную и сдвиговую нагрузки прикладывают к штампу одновременно, сдвиговую нагрузку прикладывают к круглому штампу с размещенными под ним равномерно по окружности в радиальном направлении ближе к краю штампа грунтозацепами длиной не более половины его радиуса в виде крутящего момента, приложенного к его оси и реализуемого в виде нагрузки по касательной к окружности, проходящей через середину грунтозацепов штампа, измеряют вертикальную и сдвиговую деформации слоя почвогрунта косвенным методом через вертикальное и угловое смещения оси штампа, при этом в случае определения касательных напряжений под штампом нагрузка и площадь штампа определяются из выражений

F_i=M/r, S_i=2πrL,

где М - приложенный к штампу момент, Н·м; r - радиус расположения середины грунтозацепов, м; L - длина грунтозацепов, м,

а относительная сдвиговая деформация слоя в каждый момент времени определяется из выражения

ε_i=γ·r/h,

где γ - угол поворота штампа (или его оси), рад; h - толщина слоя почвогрунта, м.

На фиг.1 изображена схема реализации способа. На фиг.2 изображены графики нагружения штампа по закону Хевисайда вертикальной σ(t) или сдвиговой τ(t) нагрузками и развития нормальной или касательной (сдвиговой) ε_i деформаций слоя почвогрунта. На фиг.3 представлен общий вид установки, с помощью которой апробировался предлагаемый способ.

Способ реализуется следующим образом.

Круглый штамп 1 с размещенными под ним равномерно по окружности в радиальном направлении ближе к краю штампа грунтозацепами 2 длиной не более половины его радиуса устанавливают на поверхности слоя почвогрунта и нагружают одновременно постоянной вертикальной нагрузкой F₁-F₁, например, посредством собственного веса участника эксперимента, наступив при этом обеими ногами на платформу 3, опирающуюся на штамп через трубу 4 и опорный подшипник 5, и крутящим моментом М, прикладываемым к его оси 6, например, посредством груза 7 весом F_гр, блока 8, троса 9 и барабана 10, установленном на оси 4 штампа 1 соосно через подвижное шлицевое соединение 11 с возможностью вертикального перемещения оси 6 штампа 1. При этом при повороте круглого штампа почвогрунт не выпирает наружу в его середине, как это происходит при работе кольцевого штампа [7], что разрушает структуру почвогрунта.

Постоянная касательная (сдвиговая) нагрузка F₂, действующая по окружности и обеспечивающая действие касательных напряжений в слое почвогрунта в цилиндрических координатах, усредненно приложена к середине грунтозацепов 2 и определяется величиной крутящего момента М и радиусом расположения середины грунтозацепов r. При этом характер вертикального и сдвигового нагружения слоя почвогрунта через штамп соответствует закону Хевисайда (мгновенно нагружают штамп указанными нагрузками и выдерживают их в течение некоторого времени, необходимого для регистрации развития деформаций слоя почвогрунта во времени, или, что то же самое, - развития кривых ползучести). Измеряют вертикальную и горизонтальную (сдвиговую) деформации слоя почвогрунта, например, посредством специально разработанной программы [9] на ЭВМ 12 и датчика вертикальной и горизонтальной (сдвиговой) деформаций 13, представляющего собой известное устройство типа "мышь" для ЭВМ с размещенными в нем оптико-электронными датчиками и две нити 14, соединенные с барабаном 10 и платформой 3, переброшенные в виде петель через вращающиеся оси 15.

По зафиксированным на ЭВМ кривых ползучести слоя почвогрунта получают кривые изменения относительных вертикальных и сдвиговых деформаций слоя почпогрунта ε_i во времени (фиг.2).

Далее определяют параметры скорости функции ползучести, мгновенные модули линейной и сдвиговой деформации слоя. Пример их определения представлен в [8].

Как показали испытания по проверке реализации предлагаемого способа с применением специально разработанной переносной установки (фиг.3), грунтозацепы должны быть размещены под круглым штампом равномерно по окружности в радиальном направлении ближе к краю штампа длиной не более половины его радиуса, иначе происходит разрушение структуры почвогрунта как при установке штампа на слой почвогрунта перед началом испытаний, так и в процессе испытаний, когда штамп поворачивается вокруг своей оси под действием прикладываемого крутящего момента. Такое разрушение структуры почвогрунта объясняется близким расположением грунтозацепов по отношению друг к другу в центральной части штампа.

Результаты предлагаемого способа определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта с определением мгновенных модулей линейной и сдвиговой деформации, а также параметров опытных кривых ползучести, могут быть использованы, например, при определении колеи после прохода движителя любой мобильной техники, например, колеса или гусеницы, по известным методикам, например, изложенным в работах [10, 11].

Преимущества предложенного способа наглядно представлены в таблице.

Таблица
Сравнение показателей базового и заявляемого объектов изобретений
Показатели	Базовый объект	Заявляемый объект	Выводы
Способ определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта
Приложение нормальной и сдвиговой нагрузок	Неодновременное	Одновременное	Точность воспроизведения процесса нагружения
Корректировка кривых сдвиговой ползучести	Производится	Не производится	Точность измерения деформаций, отсутствие времени на пересчет деформации
Сложность оборудования	Высокая	Невысокая	Повышение мобильности и снижение материалоемкости испытаний
Форма штампа	Прямоугольная, что создает дополнительное сопротивление боковому передвижению штампа при сдвиге слоя почвогрунта, которое не учитывается в расчетах	Круглая с отсутствием выпирания грунта в горизонтальном направлении по ходу сдвиговой деформации слоя почвогрунта	Отсутствие дополнительного сопротивления передвижению штампа при сдвиге слоя почвогрунта
Трудоемкость измерений	Требует привлечение не менее трех человек	Выполняется одним человеком	Снижение трудоемкости, повышение универсальности

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. 1242746 СССР, МКИ G01M 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. 1418594 СССР, МКИ G01M 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. 696333 СССР, МКИ G01M 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. Беккер М.Г. Введение в теорию система "Местность - машина"; пер с англ. - М.: Машиностроение, 1973. - 520 с.

8. Патент РФ № 2237239. Способ определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта / С.В.Носов, М.В.Рощупкин, П.А.Бондаренко, Б.А.Маслов // Заявка № 2002132346/03(034243) от 02.12.2002. Положительное решение о выдаче патента на изобретение от 12.04.2004. Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений РФ 27.09.2004. БИПМ № 27 (II ч.).

9. Носов С.В., Бондаренко П.А. Программа "Регистрация линейных перемещений". - Национальный информационный фонд неопубликованных документов. - Инв. Номер ВНТИЦ № ГР 50200700319. - Инв. Номер ОФАП № 7672 от 12.02.2007. - 5 с.

10. Носов С.В. Оценка деформации и плотности слоя почвы при работе колесного трактора /С.В.Носов, П.А.Бондаренко // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2004. - № 10, с.24-27.

11. Носов С.В., Перегудов Н.Е. Математическая модель взаимодействия гусеничного движителя с опорным основанием / С.В.Носов, Н.Е.Перегудов // Тракторы и сельскохозяйственные машины.- 2006. - № 11, с.29-33.

Способ определения физико-механических характеристик слоя почвогрунта, преимущественно имеющего низкую и среднюю плотность, включающий вертикальное и сдвиговое нагружение слоя согласно закону Хевисайда путем приложения нагрузок через штамп с грунтозацепами, измерение вертикальной и сдвиговой деформации слоя и определение мгновенных линейного и сдвигового модулей деформации слоя и параметров опытных кривых ползучести как минимум при любых трех значениях времени деформации t₁, t₂ и t₃, ограниченных временем проведения измерений, из выражений

,
где E_i - мгновенные линейный и сдвиговой модули деформации, Па;
ε_i - относительные вертикальная и сдвиговая деформации слоя;
σ_i - нормальные и касательные напряжения под штампом, Па;
К_i(t-τ) - функции скорости вертикальной и сдвиговой ползучести, с^-1;
Г(α_i), Г (α_in) - соответствующие им гамма-функции Эйлера;
α_i, A_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_i,
где F_i - соответствующая нагрузка, приложенная к штампу, Н;
S_i - площадь штампа, м²,
отличающийся тем, что измерение вертикальной и сдвиговой деформаций слоя производят в цилиндрических координатах, когда вертикальную и сдвиговую нагрузки прикладывают к штампу одновременно, сдвиговую нагрузку прикладывают к круглому штампу с размещенными под ним равномерно по окружности в радиальном направлении ближе к краю штампа грунтозацепами длиной не более половины его радиуса, в виде крутящего момента, приложенного к его оси и реализуемого в виде нагрузки по касательной к окружности, проходящей через середину грунтозацепов штампа, измеряют вертикальную и сдвиговую деформации слоя почвогрунта косвенным методом через вертикальное и угловое смещения оси штампа, при этом в случае определения касательных напряжений под штампом нагрузка и площадь штампа определяются из выражений
F_i=M/r, S_i=2πrL,
где М - приложенный к штампу момент, Н·м;
r - радиус расположения середины грунтозацепов, м;
L - длина грунтозацепов, м, а относительная сдвиговая деформация слоя в каждый момент времени определяется из выражения
ε_i=γ·r/h,
где γ - угол поворота штампа (или его оси), рад;
h - толщина слоя почвогрунта, м.