Способ испытания грунта на срез с одновременным определением порового давления и устройство для его осуществления
Группа изобретений относится к инженерным изысканиям в строительстве и может быть использована при испытаниях грунта на срез для определения угла внутреннего трения и сцепления с одновременным замером порового давления. Особенности способа заключаются том, что одновременно с созданием срезающего усилия в образце грунта с помощью штока силового агрегата дополнительно к образцу прикладывают знакопеременные вибрационные нагрузки с помощью плунжера вибрационного регулятора, с заданной частотой и амплитудой и регистрируют значения величин суммарных срезающих усилий и соответствующих им величин порового давления в образце грунта от суммарных воздействий на него срезающего усилия и вибрационных нагрузок, при этом герметичную камеру используют в качестве подвижной в горизонтальном направлении платформы относительно неподвижного основания, для чего днище нижней части камеры совмещают с плоской металлической пластиной, оснащенной роликами и выступающими за габариты камеры консольными концами, один из которых неподвижно соединяют со штоком силового агрегата, а на другом неподвижно монтируют вибрационный регулятор, подвижный плунжер которого, пропущенный через уплотнение сквозь боковую стенку нижней части камеры, жестко соединяют с подвижной кареткой, размещенной в полости камеры, при этом центрирующую верхний штамп пластину устанавливают с возможностью ограниченного горизонтального перемещения между направляющими, смонтированными между двумя вертикальными пластинами, закрепленными на боковых поверхностях подвижной каретки, причем центрирующую верхний штамп пластину соединяют с одним концом размещаемого в верхней части камеры жесткого динамометра, соединяемого другим концом через силовой шток и уплотнительную втулку в стенке камеры с неподвижным упором, закрепленным на силовом агрегате, при этом в качестве цилиндрических нижней и верхней обойм используют набор плоских шлифованных металлических пластин с образованными в каждой из них двумя шлицевыми канавками и размещают этот набор плоских пластин на всю срезаемую высоту образца грунта между верхней плоскостью подвижной каретки и нижней плоскостью центрирующей верхний штамп пластины, с возможностью равномерного горизонтального смещения этих плоских пластин относительно друг друга за счет двух направляющих шпилек, пропускаемых сквозь шлицевые канавки набора плоских пластин и шарнирно закрепленных нижним концом к подвижной каретке, а верхним с возможностью их наклона при срезе образца и осевого скольжения в отверстиях, образованных в центрирующей верхний штамп пластине. Также представлено устройство для осуществления вышеуказанного способа. Достигается повышение надежности и информативности испытаний. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к инженерным изысканиям в строительстве, в частности при лабораторном испытании грунта на срез для определения угла внутреннего трения и сцепления с одновременным замером порового давления.
Наиболее объективным и точным методом оценки пластических свойств глинистых грунтов является измерение в них критических деформаций, связанных с нарушением сплошности их структуры в процессе сдвиговых деформаций.
Известен способ лабораторного определения циклической прочности и деформируемости грунта под контролируемой трехосной нагрузкой и устройство для его осуществления [1]. Сущность способа заключается в том, что подготовленный к испытанию водонасыщенный образец грунта цилиндрической формы помещают в водонепроницаемую эластичную оболочку между верхним и нижним штампами в герметичной камере трехосного сжатия, причем используют штампы, оснащенные фильтрующими пластинами и дренажными гибкими трубопроводами, соединенными свободными концами с источником избыточного и отрицательного давления жидкости, а также электронными датчиками порового давления и перекрывающими кранами и подвергают образец ограниченному предварительному всестороннему давлению до наступления условной стабилизации, а затем после перекрытия дренажных кранов к верхнему штампу прикладывают через электронный датчик нагрузки от штока-хвостовика силового механизма, пропущенный через уплотняющий узел в крышке камеры, ступень осевой статической нагрузки, а после стабилизации деформации образца к верхнему штампу через шток-хвостовик с помощью автономного устройства прикладывают низкочастотные, калиброванные по частоте и амплитуде знакопеременные, симметричные сжимающие и растягивающие образец нагрузки, моделирующие сейсмические природные воздействия на фундамент сооружения, и/или нагрузку с несимметричными эпизодическими циклами, моделирующую влияние на сооружение эпизодических воздействий, например, от штормовых волн, навала ледовых полей и ветровых нагрузок, а также к штоку-хвостовику прикладывают высокочастотную гармоническую нагрузку, моделирующую работу размещенных на сооружении механизмов, например бурового станка, дизель-молота и др., при этом все согласованные электронные приборы для измерений предварительно подключают к электрической цепи блока сбора информации, соединенного с управляющим компьютером для оперативной обработки результатов измерений, а также для автоматического перехода с одной ступени на другую согласно программе, при этом испытания проводят до разрушения образца, а результаты испытаний, зафиксированные в компьютере, представляют в зависимости от поставленной задачи.
Преимущество известного способа перед известным аналогом заключается в том, что он позволяет одновременно или в заданной очередности определять статическим и/или динамическим (циклическим) методами прочностные и деформационные характеристики глинистых водонасыщенных грунтов.
Недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает прямого определения теми же методами нагружения образца угла внутреннего трения φ и сцепления с.
Известен метод (способ) определения критического угла скашивания при испытаниях глинистых грунтов на сдвиг [2]. Сущность способа заключается в том, что в качестве приставки к стандартному сдвиговому прибору ВСВ-25 используют специально разработанное приспособление, состоящее из подвижной в горизонтальной плоскости каретки, устанавливаемой на неподвижное основание, набора скашивающихся колец из стальной проволоки круглого сечения и фиксационных петель. На каждом кольце приваривают снаружи их плоскости по два коротких штыря через 180°, которые при сборе колец в вертикальный штабель в рабочее положение удерживаются с помощью петель, охватывающих эти штыри. При этом петли позволяют гарантийно сохранять геометрический порядок скашивания, размещенного в штабеле испытываемого образца грунта при многоплоскостном сдвиге. Причем штабель колец с образцом помещают между подвижной кареткой, выполняющей одновременно функцию нижнего штампа, и неподвижным верхним штампом, после чего с помощью электромеханического привода с регулируемой скоростью путем перемещения каретки относительно неподвижного верхнего штампа производят многолопастной сдвиг образца грунта с определением критического угла скашивания φкр°=arctg lкр/Н, где lкр - критическое смещение каретки прибора, определяемое с помощью индикатора часового типа и соответствующее «пиковой» сдвиговой прочности глинистого грунта; Н - высота скашиваемого образца грунта.
Недостатком известного способа является то, что в нем не предусматривается создания всестороннего давления на образец, учитывающего бытовое давление глубины залегания образца грунта на его прочностные и деформационные свойства.
Прототипом изобретения в части способа по существу решаемой задачи и по общему количеству существенных признаков является способ испытания грунта на срез с одновременным определением порового давления и устройство для его осуществления [3]. Сущность способа заключается в том, что он предусматривает герметизацию образца грунта цилиндрической формы по боковой поверхности с помощью эластичной водонепроницаемой оболочки, установку образца между двумя штампами снизу и сверху с креплением на них нижнего и верхнего концов эластичной оболочки, соединение верхнего штампа с датчиком порового давления и приспособлением для замера объема отжимаемой из образца грунта воды, а также установку коаксиально образцу нижней и верхней цилиндрических обойм с зазором относительно друг друга, с возможностью горизонтального смещения одной обоймы относительно другой с последующей фиксацией нижнего штампа к подвижной в горизонтальном направлении каретке и размещением этой каретки на плоском днище нижней части герметичной камеры, закрепленной на неподвижном основании. После этого прикладывают к верхнему штампу и эластичной оболочке объемное заданное давление воздухом с помощью внешнего источника давления с одновременным замером объема отжимаемой из образца грунта воды или с одновременным замером порового давления, а после стабилизации объема отжимаемой воды или порового давления создают в образце грунта срезающее усилие путем смещения одной обоймы относительно другой, с использованием внешнего силового агрегата, посредством введенного в герметичную камеру через уплотняющую втулку силового штока, взаимодействующего с подвижной кареткой и обеспечивающего срезающее усилие, при этом одновременно регистрируют переменные по времени значения срезающего усилия и соответствующие им величины порового давления в образце грунта, которые используют для определения угла внутреннего трения и сцепления грунта, с последующим повторением испытаний на образцах аналогах не менее трех раз с последовательным увеличением объемного заданного давления.
Способ обеспечивает проведение консолидированно-недренированных испытаний на срез, а также неконсолидированно-недренированных испытаний на срез.
Недостаток прототипа в части способа заключается в том, что он не предусматривает сдвиговых деформаций всего объема испытываемого образца до наступления его среза по одной из его плоскостей, как это происходит в естественных условиях залегания испытываемого грунта. Кроме того, способ не предусматривает учета возможного влияния природных низкочастотных и техногенных циклических и/или эпизодических воздействий на фундамент (например, сейсмических, либо при работе технических средств на сооружении), влияющих на величину определения сопротивления срезу и сцепления грунта при расчете фундаментов для строительства.
Решаемой технической задачей изобретения как в части способа, так и в части устройства является повышение точности получаемых показателей и расширение области их использования для грунтов различной консистенции и водонасыщенности за счет обеспечения направленной объемной деформации при его срезе, а также за счет обеспечения учета влияния на результаты измерений циклических природных и/или техногенных нагрузок на фундамент сооружения.
Поставленная задача в части способа решается за счет того, что способ испытания грунта на срез с одновременным определением порового давления, заключающийся в том, что подготовленный к испытанию образец грунта цилиндрической формы помещают в водонепроницаемую эластичную оболочку между нижним и верхним штампами, закрепляют концы эластичной оболочки на штампах, устанавливают коаксиально штампам и образцу нижнюю и верхнюю обоймы цилиндрической формы, фиксируют нижний штамп на площадке в виде подвижной в горизонтальном направлении каретки и помещают каретку на плоское днище нижней части герметичной камеры, а затем неподвижно соединяют каретку со штоком внешнего силового агрегата, пропущенного сквозь уплотнительную втулку в стенке нижней части камеры, для создания срезающего усилия на образец грунта, после чего центрируют верхний штамп с помощью пластины, имеющей кольцевое отверстие для размещения в нем верхнего штампа, закрепляемой на верхнем фланце нижней части герметичной камеры с возможностью вертикального перемещения верхнего штампа, герметизируют камеру с помощью уплотнительных колец крепежных элементов и верхней части камеры в виде крышки, а затем прикладывают к верхнему штампу и эластичной оболочке объемное заданное давление, передаваемое от внешнего источника через герметичный штуцер, встроенный в стенку камеры с одновременным замером порового давления, а после стабилизации порового давления создают в образце грунта срезающее усилие путем смещения одной обоймы относительно другой и регистрируют переменные по времени значения величины срезающего усилия и соответствующие им величины порового давления, которые используют для определения угла внутреннего трения и сцепления грунта, согласно изобретению одновременно с созданием срезающего усилия в образце с помощью штока силового агрегата дополнительно к образцу прикладывают знакопеременные вибрационные нагрузки с помощью плунжера вибрационного регулятора с частотой и амплитудой согласно программе испытаний и регистрируют значения величин суммарных срезающих усилий и соответствующих им величин порового давления в образце грунта от суммарных воздействий на него срезающего усилия и вибрационных нагрузок, при этом герметичную камеру используют в качестве подвижной в горизонтальном направлении платформы относительно неподвижного основания, для чего днище нижней части камеры совмещают с плоской металлической пластиной, оснащенной роликами и с выступающими за габариты камеры концами, один из которых оснащен вертикальным упором, взаимодействующим со штоком силового агрегата, а на другом неподвижно закрепляют вибрационный регулятор, жестко соединяемый своим подвижным плунжером, пропущенным через уплотняющую втулку сквозь боковую стенку нижней части камеры, с подвижной кареткой, размещенной в полости камеры, при этом центрирующую верхний штамп пластину устанавливают с возможностью ограниченного горизонтального перемещения между направляющими, смонтированными на двух вертикальных пластинах, закрепленных на боковых полостях каретки, причем центрирующую пластину оснащают вертикальным упором для соединения с одним концом размещаемого в верхней части камеры динамометра, соединяемого другим концом через силовой шток и уплотнительную втулку в стенке камеры с неподвижным упором, закрепленным на силовом агрегате, при этом в качестве цилиндрических нижней и верхней обойм используют набор плоских шлифованных металлических пластин с образованными в каждой из них в направлении среза двумя шлицевыми канавками через 180° и размещают эти кольца на всю высоту скашиваемой части образца между верхней плоскостью подвижной каретки и нижней плоскостью центрирующей верхний штамп пластины с возможностью равномерного горизонтального перемещения этих плоских пластин относительно друг друга за счет двух направляющих шпилек, пропускаемых сквозь шлицевые канавки набора цилиндрических колец и шарнирно закрепленных нижним концом к подвижной каретке, и с возможностью их наклона при срезе образца и скольжения в отверстиях, образованных в центрирующей верхний штамп пластине. Частоту и величину амплитуды знакопеременных вибрационных нагрузок на образец при повторных испытаниях образцов аналогов по мере увеличения объемного всестороннего давления либо оставляют постоянными, либо увеличивают согласно программе испытаний.
Известно устройство, реализующее метод определения критического угла скашивания при испытаниях глинистых грунтов на сдвиг [2]. Это устройство является приспособлением, специально разработанным к стандартному сдвиговому прибору ВСВ-25. Устройство включает подвижную в горизонтальном направлении каретку, помещенную на неподвижное основание, набор скашивающих колец, выполненных из стальной проволоки круглого сечения, с приваренными к каждой из них снаружи в их плоскости двумя короткими штырями по окружности через 180°, а также П-образные фиксаторы, надеваемые на короткие штыри, с помощью которых набор колец сохраняет общее направление их скашивания перпендикулярно сдвигающему усилию в условиях многоплоскостного сдвига помещенного в этот набор колец образца испытываемого грунта. Устройство имеет также нижний штамп, неподвижно смонтированный в подвижной каретке, и верхний штамп, неподвижный в вертикальном направлении, а также закрепленное на неподвижном основании приспособление для создания сдвигающего усилия на каретку при разных скоростях сдвига и измерения перемещения каретки.
Недостаток известного устройства заключается в том, что при скашивании набора колец круглого сечения кольца сползают друг с друга, при их сползании образуются щели, допускающие выдавливание через них эластичной оболочки и защемленной воды. Другой недостаток заключается в том, что устройство не предусматривает создания на образец всестороннего давления, а также измерения порового давления.
Прототипом изобретения в части устройства, также как и способа, по количеству общих существенных признаков является устройство для осуществления способа испытания грунта на срез с одновременным определением порового давления [3]. Устройство включает герметичную, составную из нижней и верхней частей камеру, полость которой сообщена с внешним источником давления, с измеряющим это давление приспособлением, с датчиком порового давления и приспособлением (например, бюретки) для замера объема отжимаемой из образца грунта воды, а также с пропущенным через герметичную втулку в стенке камеры подвижным штоком внешнего силового агрегата, для создания срезающего усилия в образце грунта, размещенные в полости камеры подвижную в горизонтальном направлении каретку, на которой неподвижно установлен образец испытываемого грунта цилиндрической формы, размещенный между нижним и верхним перфорированными штампами, помещенный в эластичную водонепроницаемую оболочку, при этом верхний и нижний концы оболочки закреплены на штампах с образованием ими герметичного объема для образца грунта, помещенного коаксиально в верхнюю и нижнюю обоймы цилиндрической формы, с возможностью горизонтального перемещения одной обоймы относительно другой и центрирующую верхний штамп пластину, имеющую кольцевое отверстие для размещения в нем верхнего штампа, закрепленную между нижней и верхней частями герметичного корпуса, с возможностью вертикального перемещения верхнего штампа относительно этой центрирующей пластины, причем верхний штамп соединен с датчиком порового давления и приспособлением для замера объема отжимаемой из образца грунта воды.
Недостаток прототипа в части устройства заключается в том, что устройство не обеспечивает послойного сдвига по высоте испытываемого на срез образца грунта, а также то, что оно не предусматривает возможности испытания грунта на циклические природные и техногенные знакопеременные нагрузки, что является важной составляющей для фундаментов, размещаемых в сейсмических районах.
Техническая задача в части устройства решается за счет того, что предложено устройство для испытания грунта на срез с одновременным определением порового давления для осуществления способа, которое содержит герметичную, составную из нижней и верхней частей камеру, полость которой сообщена через герметические уплотнения с внешним источником объемного давления, и с измеряющим это давление приспособлением, а также с внешним силовым агрегатом, создающим на образец грунта срезающее усилие, размещенные в герметичной камере соосно с возможностью горизонтального смещения друг относительно друга верхнюю и нижнюю обоймы цилиндрической формы, установленные нижний и верхний перфорированные штампы снизу и сверху испытываемого образца грунта, объединенные эластичной водонепроницаемой оболочкой с образованием штампами и оболочкой герметичного объема для образца грунта, коаксиально размещенного в полости нижней и верхней обойм, при этом нижний штамп неподвижно смонтирован на подвижной в горизонтальном направлении каретке, установленной на плоском днище нижней части камеры, взаимодействующей с источником, создающим срезающее образец грунта усилие, а верхний штамп размещен с возможностью вертикального перемещения в центрирующей его пластине, имеющей центральное цилиндрическое отверстие, закрепленной между нижней и верхней частями герметичной камеры с помощью уплотняющих колец и крепежных элементов, причем верхний штамп соединен с датчиком порового давления и приспособлением для замера объема отжимаемой из образца грунта воды, согласно изобретению герметичная камера выполнена в виде подвижной в горизонтальном направлении платформы относительно неподвижного основания, взаимодействующей со штоком силового агрегата, создающего срезающее усилие на образец грунта, верхняя и нижняя обоймы выполнены в виде набора плоских металлических шлифованных пластин ограниченной толщины, в каждой из которых образовано цилиндрическое отверстие и два паза с их наружной боковой поверхности через 180° для размещения в них вертикальных направляющих шпилек, нижний конец каждой из которых шарнирно закреплен на подвижной каретке, а верхний с возможностью наклона и осевого перемещения в отверстиях, образованных в центрирующей верхний штамп пластине, причем центрирующая пластина выполнена с возможностью ограниченного горизонтального перемещения в направлении срезания образца грунта и установлена в направляющих, смонтированных на боковых пластинах, закрепленных вертикально на подвижной каретке, при этом центрирующая пластина соединена с одним концом динамометра, соединенного другим концом неподвижно с помощью штока, пропущенного через уплотняющую втулку с неподвижным упором, образованным на силовом агрегате, а подвижная платформа имеет консольный наружный выступ с закрепленным на нем вибрационным регулятором, взаимодействующим посредством плунжера, пропущенного через стенку камеры через уплотняющую втулку с подвижной кареткой.
Преимущество изобретения перед аналогами и прототипом при решении поставленной задачи как в части способа, так и в части устройства заключается в следующем:
- предлагаемый способ и осуществляющее его устройство обеспечивают одновременное или в заданной последовательности создание статических и/или динамических знакопеременных нагрузок на образец грунта, моделирующих природные сейсмические циклические воздействия, а также создание динамических эпизодических нагрузок, моделирующих природные и техногенные воздействия на фундамент сооружения;
- способ и устройство позволяют по результатам испытаний в автоматическом режиме определять прочностные и деформационные характеристики глинистых водонасыщенных грунтов с высокой информативностью и надежностью.
Сущность предложенного изобретения поясняется чертежом в схематичной форме, на котором изображен общий вид устройства в разрезе, осуществляющего предлагаемый способ.
На фиг.1 изображена герметичная составная камера, состоящая из нижней части, выполненной в виде цилиндра 1, жестко закрепленного на подвижной в горизонтальном направлении платформе 2, установленной на неподвижном основании 3, и верхней части, выполненной в виде крышки 4, снабженной штуцером 5 для подключения к приспособлению (на чертеже не показано) для замера отжимаемой из образца грунта воды, а также штуцером 6 для соединения с пневмокомпрессором (не показан) и штоком 7, пропущенным с возможностью горизонтального перемещения через уплотняющую втулку 8 через боковую стенку крышки 4. На одном конце штока 7 закреплен размещенный в крышке 4 динамометр 9, свободный конец которого выполнен в виде разъемного соединения 10, например шлицевого, а второй конец штока 7, выходящий из крышки 4, выполнен в виде накидной гайки 11 для неподвижного резьбового соединения (не показано) с упором 12, неподвижно установленным на силовом агрегате 13, неподвижно закрепленным на основании 3. Между нижней и верхней частями камеры (цилиндром 1 и крышкой 4) посредством накидных тяг 14 закреплен прозрачный цилиндр 15 через уплотнительные соединения 16. На одном конце подвижной платформы 2 на выступающем конце 17 неподвижно закреплен вибрационный регулятор 18, плунжер 19 которого через уплотнение 20 пропущен в нижнюю часть камеры через цилиндр 1, а на другом выступающем конце платформы 2 образован упор 21, соединенный со штоком 22 силового агрегата 13 для их взаимодействия. В полости составной камеры, опираясь на плоскую поверхность подвижной платформы 2, размещена подвижная в горизонтальном направлении каретка 23, которая жестко соединена с подвижным в горизонтальном направлении плунжером 19 вибрационного регулятора 18 посредством резьбового соединения (не показано). На каретке 23 с помощью резьбовой заглушки 24 и резьбового штуцера 25, образованного на перфорированном нижнем штампе 26, закреплен штамп 26 с нижним концом 27 эластичной водонепроницаемой оболочки 28, внутри которой размещен образец испытываемого грунта 29. На верхний торец образца грунта 29 установлен верхний перфорированный штамп 30 с закрепленным на нем верхним концом 31 эластичной оболочки 28. Верхний штамп 30 снабжен резьбовым штуцером 32, снабженным датчиком порового давления (на чертеже не показан) и соединенным через гибкий трубопровод 33 со штуцером 5. Коаксиально боковой поверхности образца грунта 29 в эластичной оболочке 28 установлен набор шлифованных по плоскости металлических пластин 34, каждая из которых имеет центральное цилиндрическое отверстие, а также имеет на наружной боковой поверхности по две прорези в виде пазов через 180° (на чертеже не показаны) для обеспечения центрации этих пластин 34 и равномерного их скашивания при сдвиге образца грунта 29. На боковых поверхностях каретки 23 закреплены две вертикальные пластины 35 с установленными на них направляющими 36, между которыми размещена с возможностью ограниченного горизонтального перемещения центрирующая верхний штамп 30 пластина 37 с центральным кольцевым отверстием, сквозь которое с возможностью скользящей посадки помещен верхний перфорированный штамп 30. На пластине 37 образован вертикальный выступ 38, соединенный разъемным соединением 10 с динамометром 9, а набор пластин 34 размещен между подвижной кареткой 23 и центрирующей пластиной 37, причем равномерное скашивание пластин 34 при сдвиге образца грунта 29 обеспечивают две направляющие шпильки 39, размещенные в пазах, образованных через 180° на боковой поверхности пластин 34 (не показано). При этом нижний конец каждой шпильки 39 с помощью шарнира 40 смонтирован в прорези 41, образованной в каретке 23, а верхний конец каждой из шпилек 39 свободно пропущен сквозь отверстия 42, образованные в центрирующей пластине 37, с возможностью наклона шпилек 39 и осевого скольжения их верхних концов при сдвиге образца грунта. При этом в подвижной каретке 23 образовано гнездо 43, имеющее форму размещенного в нем нижнего штампа 26 и закрепленного на нем нижнего конца 27 эластичной оболочки, а верхний конец 31 эластичной оболочки 28 прижат к верхнему штампу 30 с помощью технологической шайбы 44, гайки 45 и резьбового штуцера 32, при этом подвижная каретка 23 установлена на ролики качения 46, а подвижная платформа на ролики качения 47.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Образец грунта 29 вырезают из монолита с помощью вырезного кольца, а затем извлекают его из этого кольца. Помещают нижний перфорированный штамп 26 вместе с фильтровальной бумагой во внутрь водонепроницаемой эластичной оболочки 28 и закрепляют нижний конец 27 этой оболочки на нижней поверхности нижнего штампа 26, а затем этот штамп с оболочкой помещают в гнездо 43, образованное в подвижной каретке 23, и фиксируют нижний штамп 26 к каретке с помощью штуцера 25 с наружной резьбой и заглушки 24 с внутренней резьбой с одновременным прижатием нижнего конца 27 оболочки 28. После этого расширяют верхний конец оболочки 28 и помещают в нее до контакта с нижним штампом 26 через фильтровальную бумагу образец грунта 29, а затем через фильтровальную бумагу устанавливают на верхний торец образца 29 верхний перфорированный штамп 30 и закрепляют верхний конец 31 оболочки 28 на верхней поверхности штампа 30 с помощью технологической шайбы 44, резьбового штуцера 32 с датчиком порового давления и гайки 45. После этого коаксиально образцу грунта 29 и верхнему штампу 30 устанавливают набор шлифованных пластин 34 с центральным кольцевым отверстием через верхний штамп 30, пропускают штамп 30 через центральное отверстие в центрирующей пластине 37 и одновременно пропускают через отверстия 42 в пластине направляющие шпильки 37, после чего пропускают через центрирующую пластину 37 закрепленные на вертикальных пластинах 35 направляющие 36, а затем крепят вертикальные пластины 35 к каретке 23. После этого снимают заглушку 24, устраняют воздух из образца грунта 29 путем подачи дистиллированной воды через штуцер 25 в нижнем штампе 26, закрывают штуцер 25 заглушкой 24 и устанавливают каретку 23 вместе с образцом грунта 29 на подвижную платформу 2 на ролики 46. Затем динамометр 9 крепят с помощью разъемного соединения 10 к вертикальному выступу 38 пластины 37 соединяют каретку 23 с плунжером 19 вибрационного регулятора 18 с помощью резьбового соединения, на цилиндр 1 через уплотнительные соединения 16 устанавливают прозрачный цилиндр 15, соединяют шток 7 с динамометром 9, соединяют гибкий трубопровод 33 со штуцером 5, пропускают через крышку 4 свободный конец штока 7, устанавливают на цилиндр 15 крышку 4 и герметизируют камеру с помощью накидных тяг 14.
Затем неподвижно соединяют свободный конец штока 7 с помощью резьбового соединения и накидной гайки 11 с упором 12, а шток 22 силового агрегата 13 с упором 21 подвижной платформы 2, после чего производят испытание образца грунта согласно программе испытаний.
Консолидированно-недренированные испытания грунта на срез, а также неконсолидированно-недренированные испытания проводят по известным методикам. При этом в герметичной камере с помощью воздушного компрессора (не показан) через штуцер 6 создают всестороннее избыточное давление, которое через верхний штамп 30 и эластичную водонепроницаемую оболочку 28 воздействует на образец грунта 29, который уплотняется и в котором создается поровое давление, измеряемое датчиком порового давления (не показан), а фазу объемного сжатия образца грунта продолжают до стабилизации порового давления. После достижения стабилизации порового давления включают силовой агрегат 13 для поступательного перемещения штока 22 и подвижной платформы 2 вместе с кареткой 23 с заданной скоростью и одновременно (или через заданный промежуток времени) включают вибрационный регулятор 18 для передачи через плунжер 19 на каретку 23 и на образец грунта 29 знакопеременных нагрузок с заданной частотой и амплитудой и производят срез образца путем равномерного относительного перемещения шлифованных пластин 34 друг относительно друга при минимальном перемещении центрирующей пластины 37, ограниченной жесткостью динамометра 9. Во время испытания регистрируют через определенные временные интервалы срезающее усилие с помощью показаний динамометра 9 и поровое давление при фиксированном давлении в герметичной камере. В дополнение к сказанному заявитель прилагает график испытаний грунта на срез, где поясняется различие между С и С' (см. фиг.2). По результатам нескольких испытаний на образцах аналогах (не менее трех испытаний), при разных объемных давлениях и заданных параметрах вибрационного нагружения определяют угол внутреннего трения (тотальный) φ и сцепление (тотальное) С при поровом давлении, а за вычетом порового давления определяют эффективный угол внутреннего трения φ' и сцепление С'.
Предлагаемое изобретение как в части способа, так и в части устройства существенно расширяет диапазон их промышленной применимости по сравнению с известными аналогами и прототипом, так как может быть широко использовано при испытании различных материалов не только в строительстве, но и в других областях техники.
Предлагаемое изобретение обладает новизной, решает поставленную техническую задачу, соответствует современному уровню техники и проводимому в настоящее время направлению на модернизацию производства в РФ.
Авторами и заявителем были разработаны, изготовлены и опробованы технические и технологические средства, осуществляющие предлагаемое изобретение, которые прошли производственные испытания.
Источники информации
1. Способ лабораторного определения циклической прочности и деформируемости грунта под контролируемой трехосной нагрузкой и устройство для его осуществления. Заявка на изобретение: 2007114041/28, 16.04.2007. Опубл. 27.10.2008. Бюл. №30.
2. Кульчицкий Л.И., Габибов Ф.Г. Метод определения критического утла скашивания при испытаниях глинистых грунтов на сдвиг. В кн.: Методы исследования свойств глинистых грунтов. - Баку: Издательство «Адиль оглы», 2004, с.128-130.
3. Способ испытания грунта на срез с одновременным определением порового давления и устройство для его осуществления. Патент RU, 2275628, МПК G01N 33/24, E02D 1/00, опубл. 27.04.2006. Бюлл. №12 (Прототип по способу и по устройству).
1. Способ испытания грунта на срез с одновременным определением порового давления, заключающийся в том, что подготовленный к испытанию образец грунта цилиндрической формы помещают в водонепроницаемую эластичную оболочку между нижним и верхним перфорированными штампами, один из которых соединен с датчиком порового давления и приспособлением для замера объема отжимаемой из образца грунта воды, закрепляют концы эластичной оболочки на штампах, устанавливают коаксиально штампам и образцу нижнюю и верхнюю обоймы цилиндрической формы, с возможностью горизонтального смещения одной обоймы относительно другой, фиксируют нижний штамп на площадке в виде подвижной в горизонтальном направлении каретки и помещают каретку на плоское днище нижней части герметичной камеры, после чего неподвижно соединяют каретку с подвижным штоком внешнего силового агрегата, пропущенного сквозь уплотнительную втулку в стенке нижней части камеры, для создания срезающего усилия на образец грунта, а затем центрируют верхний штамп, с возможностью его вертикального перемещения с помощью центрирующей пластины, имеющей цилиндрическое отверстие, закрепляемой на верхнем фланце нижней части герметичной камеры, герметизируют камеру с помощью уплотнительных колец и верхней части камеры в виде крышки, а затем прикладывают к верхнему штампу и эластичной оболочке объемное заданное давление, передаваемое от внешнего источника через герметичный штуцер, встроенный в стенку камеры с одновременным замером порового давления, а после стабилизации порового давления создают в образце грунта срезающее усилие путем смещения одной обоймы относительно другой и регистрируют переменные по времени значения величины срезающего усилия и соответствующие им величины порового давления, при повторных испытаниях нескольких образцов аналогов при постепенно повышаемом заданном объемном давлении, которые используют для определения угла внутреннего трения и сцепления грунта, отличающееся тем, что одновременно с созданием срезающего усилия в образце грунта с помощью штока силового агрегата дополнительно к образцу прикладывают знакопеременные вибрационные нагрузки с помощью плунжера вибрационного регулятора, с заданной частотой и амплитудой и регистрируют значения величин суммарных срезающих усилий и соответствующих им величин порового давления в образце грунта от суммарных воздействий на него срезающего усилия и вибрационных нагрузок, при этом герметичную камеру используют в качестве подвижной в горизонтальном направлении платформы относительно неподвижного основания, для чего днище нижней части камеры совмещают с плоской металлической пластиной, оснащенной роликами и выступающими за габариты камеры консольными концами, один из которых неподвижно соединяют со штоком силового агрегата, а на другом неподвижно монтируют вибрационный регулятор, подвижный плунжер которого, пропущенный через уплотнение сквозь боковую стенку нижней части камеры, жестко соединяют с подвижной кареткой, размещенной в полости камеры, при этом центрирующую верхний штамп пластину устанавливают с возможностью ограниченного горизонтального перемещения между направляющими, смонтированными между двумя вертикальными пластинами, закрепленными на боковых поверхностях подвижной каретки, причем центрирующую верхний штамп пластину соединяют с одним концом размещаемого в верхней части камеры жесткого динамометра, соединяемого другим концом через силовой шток и уплотнительную втулку в стенке камеры с неподвижным упором, закрепленным на силовом агрегате, при этом в качестве цилиндрических нижней и верхней обойм используют набор плоских шлифованных металлических пластин с образованными в каждой из них двумя шлицевыми канавками и размещают этот набор плоских пластин на всю срезаемую высоту образца грунта между верхней плоскостью подвижной каретки и нижней плоскостью центрирующей верхний штамп пластины, с возможностью равномерного горизонтального смещения этих плоских пластин относительно друг друга за счет двух направляющих шпилек, пропускаемых сквозь шлицевые канавки набора плоских пластин и шарнирно закрепленных нижним концом к подвижной каретке, а верхним с возможностью их наклона при срезе образца и осевого скольжения в отверстиях, образованных в центрирующей верхний штамп пластине.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту и величину амплитуды знакопеременных вибрационных нагрузок на образец, при повторных испытаниях образцов аналогов по мере увеличения объемного всестороннего давления, либо оставляют постоянными, либо увеличивают на заданную величину.
3. Устройство для осуществления способа по п.1, заключающееся том, что оно содержит герметичную, составную из нижней и верхней частей камеру, полость которой сообщена через герметические уплотнения с внешним источником объемного давления, и с измеряющим это давление приспособлением, а также с внешним силовым агрегатом, создающим на образец грунта срезающее усилие, размещенные в герметичной камере соосно с возможностью горизонтального перемещения относительно друг друга верхнюю и нижнюю обоймы цилиндрической формы, установленные нижний и верхний перфорированные штампы снизу и сверху испытываемого образца грунта, объединенные эластичной водонепроницаемой оболочкой с образованием штампами и оболочкой герметичного объема для образца грунта, коаксиально размещенного в полости нижней и верхней обойм, при этом нижний штамп неподвижно смонтирован на подвижной в горизонтальном направлении каретке, установленной на плоском днище нижней части камеры, взаимодействующей с агрегатом, создающим срезающее образец грунта усилие, а верхний штамп размещен с возможностью вертикального перемещения в центрирующей его пластине, имеющей центральное цилиндрическое отверстие, закрепленной между нижней и верхней частями герметичной камеры, причем верхний штамп соединен с датчиком порового давления и приспособлением для замера объема отжимаемой из образца грунта воды, отличающееся тем, что герметичная камера выполнена в виде подвижной в горизонтальном направлении платформы относительно неподвижного основания, взаимодействующей со штоком внешнего агрегата, создающего срезающее усилие на образец грунта, верхняя и нижняя обоймы выполнены в виде набора плоских металлических шлифованных пластин ограниченной толщины, в каждой из которых образовано цилиндрическое отверстие и два паза с наружной поверхности, для размещения в них вертикальных направляющих шпилек, нижний конец каждой из которых шарнирно закреплен на подвижной каретке, а верхний с возможностью наклона и осевого перемещения в отверстиях, образованных в центрирующей верхний штамп пластине, причем центрирующая пластина выполнена с возможностью ограниченных горизонтальных перемещений в направлении срезания образца грунта и установлена в направляющих, смонтированных на боковых стенках пластин, вертикально закрепленных на подвижной каретке, при этом на центрирующей пластине образован вертикальный выступ, закрепленный через разъемное соединение с одним концом жесткого динамометра, соединенного другим концом с помощью разъемного соединения со штоком, пропущенным через уплотняющую втулку в стенке камеры, с неподвижным упором, образованным на силовом агрегате, при этом подвижная платформа имеет консольный наружный выступ с закрепленным на нем вибрационным регулятором, взаимодействующим посредством плунжера, пропущенного через стенку камеры через уплотняющую втулку, с подвижной кареткой.
