Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ НА СЖИМАЕМОСТЬ ПОРИСТОЙ МАТЕРИАЛЬНОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области «Физики материального контактного взаимодействия» жесткого плоского тела с пористой материальной средой и предназначено для определения ее параметров деформируемости и прочности.

Известен динамометрический способ С.С. Вялова определения длительной прочности мерзлой материальной среды в условиях свободного бокового расширения и при его невозможности - в одометрах, заключающийся в том, что к образцу среды через штамп прикладывают одноразовую нагрузку, несколько меньшую временного сопротивления сжатию, замеряют деформацию λ₀₁ пружины или стандартного динамометра, установленных между образцом среды и штампом, и начальную деформацию λ₀₂ образца среды, выдерживают во времени t сжатый образец среды в процессе релаксации в нем напряжений при расжатии пружины динамометра и уменьшении деформации образца, измеряют увеличивающуюся деформацию испытываемого образца среды до ее конечного стабилизированного значения, определяют сопротивление сжатию σ_дм≈P_κ/F, где P_κ - длительная прочность испытываемой среды, F - площадь контакта штампа с образцом и осадки S_i среды в мерзлом и оттаивающем состоянии, а также модуль E_упр упругости мерзлой среды [1].

Динамометрический способ испытания образца материальной среды на сжимаемость при релаксации в нем напряжений позволяет получать только модуль упругости прочных и мерзлых сред. Он не позволяет определять модуль общей деформации мерзлой и обычной менее прочной пористой, сильно сжимаемой среды в образцах и по глубине испытываемого материального массива, когда требуется создание нескольких ступеней нагружения штампа при фиксации стабилизированного напряженно-деформированного состояния образца под начально заданной нагрузкой.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ испытания пористой материальной среды статическими нагрузками, заключающийся в том, что нагружают подготовленную поверхность испытываемой среды через жесткий плоский штамп ступенчато возрастающими статическими нагрузками, соответствующими ступеням давления P_i, до момента потери несущей способности среды и устойчивости на ней штампа, при этом каждую ступень нагружения среды статической нагрузкой выдерживают во времени до момента условно принимаемой стабилизации осадки S_i среды, по результатам испытания строят график S_i=ƒ(p_i) и определяют по данным графика параметры прочности и деформируемости испытываемой среды [2].

Существенным недостатком известного способа испытания пористой материальной среды является большая длительность и стоимость его проведения, связанные со значительным временем ожидания стабилизации осадок среды под нагрузкой при принятых условиях их фиксации и при условно принятой стабилизации осадки среды по времени на каждой ступени испытания.

Технический результат по релаксометрическому способу испытания на сжимаемость пористой материальной среды, заключающемуся в том, что подготовленную поверхность материальной среды жестким плоским перфорированным штампом нагружают ступенчато возрастающей стабилизированной во времени t статической нагрузкой до момента потери несущей способности среды и устойчивости на ней штампа, во времени контролируют параметры давления p_i и соответствующие им деформации S_i среды на каждой возрастающей ступени нагружения, строят график испытания среды в ее условно стабилизированных на каждой ступени нагружения состояниях p_i=ƒ(S_i), по данным графика определяют параметры прочности и деформируемости среды, достигается тем, что на начальной и каждой последующей возрастающей ступени нагружения среды штампом задают ступенчато возрастающую деформацию среды через упругий динамометрический элемент, каждую возрастающую ступень деформации среды поддерживают постоянной во времени до ее условной стабилизации при релаксации в ней напряжений и стабилизации давления p_i под штампом, при этом перед заданием последующих ступеней деформации среды упругий динамометрический элемент фиксируют от деформации стопорным винтом нагрузочного устройства.

Предлагаемый релаксометрический способ испытания на сжимаемость пористой материальной среды в десятки раз ускоряет проведение штампоопытов.

Известно устройство для испытания на сжимаемость и прочность материальной среды, которое содержит корпус с днищем, рабочую камеру для компрессионных испытаний среды, рабочее кольцо, верхний и нижний перфорированные штампы, измеритель деформаций среды в рабочей камере, нагрузочное приспособление в виде пружины сжатия, связанное через жесткую рамку с перекладинами и через толкатель в виде загрузочного болта с шариковой опорой с верхним штампом, причем пружина сжатия установлена между днищем корпуса и нижней перекладиной рамки [3].

Известная конструкция компрессионного прибора не позволяет создавать на один и тот же образец материальной среды возрастающие ступени деформации без приспособления для торможения деформаций пружины сжатия и без его перезагрузки.

Технический результат по устройству для испытания на сжимаемость пористой материальной среды, состоящему из корпуса с рабочей камерой, неподвижно установленного на дне камеры нижнего жесткого плоского перфорированного штампа, рабочего кольца с образцом материальной среды, установленного в верхней части рабочего кольца на образце среды верхнего подвижного жесткого плоского перфорированного штампа, нагрузочного устройства, достигается тем, что нагрузочное устройство состоит из жесткой рамки с верхней и нижней перекладинами и двух направляющих стоек, подвижно установленных в вертикальных направляющих втулках корпуса, толкателя, жестко связанного с верхней перекладиной рамки и упирающегося через шарик в упор верхнего штампа, упругого динамометрического элемента, установленного между корпусом и нижней перекладиной рамки и упирающегося через стакан и опорный подшипник в винтовой упор нижней перекладины рамки, причем подвижной штамп выполнен с фиксатором его перемещений и сжатия материальной среды, фиксатор штампа выполнен в виде стопорного винта перемещения толкателя подвижного штампа.

Изобретения поясняются графическими материалами, где на фиг. 1 представлен общий вид компрессиометра с образцом материальной среды, на фиг. 2 - графики e_i=ƒ(p_i, t_i) компрессионного испытания среды в режиме заданных деформаций и релаксирующей нагрузки, совмещенные с графиком e_i=ƒ(p_i) тарирования компрессиометра.

Компрессиометр состоит (фиг. 1) из корпуса 1 с цилиндрической рабочей камерой 2, установленного в ней на дне нижнего жесткого плоского перфорированного штампа 3 и рабочего кольца 4 с образцом 5 материальной среды, установленным в рабочем кольце на образце верхнего перфорированного жесткого плоского штампа 6 с упором 7, нагрузочного устройства 8, состоящего из жесткой рамки 9 с верхней и нижней перекладинами 10, 11 и двумя направляющими стойками 12, подвижно установленными в вертикальных направляющих втулках 13 корпуса 1, толкателя 14, жестко связанного с верхней перекладиной 10 рамки 9 и упирающегося через шарик 15 в упор 7 верхнего штампа 6, упругий динамометрический элемент в виде пружины 16 сжатия, установленной между корпусом 1 и нижней перекладиной 11 рамки 9 и упирающейся через стакан 17 и опорный подшипник 18 в винтовой упор 19 нижней перекладины 11 рамки 9. Корпус 1 снабжен деформометром 20 относительного перемещения рамки 9 для замера осадок образца 5 среды под верхним штампом 6 и деформометром 21 контроля величины сжатия пружины 16 и соответствующего ей давления в образце 5 среды. Перекладина 10 снабжена крюком 22, а корпус 1 со стороны верхнего штампа 6 до упора свинчен по резьбе со стаканом 23, жестко связанным с направляющей втулкой 24 упора 7 верхнего штампа 6 и выполненным с фиксатором перемещения верхнего штампа 6 в виде резьбового стопорного винта 25 на втулке 24.

Перед проведением испытания образца 5 среды на сжатие производят тарирование нагрузочного устройства 8 компрессиометра с получением зависимости давления p_i под верхним перфорированным штампом 6 от величины поджатия l_i пружины 16 (фиг. 2): ,

где Р - усилие сжатия пружины 16, F - площадь верхнего штампа 6, К - коэффициент жесткости пружины сжатия 16.

Компрессиометр работает следующим образом.

В непосредственной близости от места отбора цилиндрический образец 5 среды помещают в рабочее кольцо 4 и вместе с ним в рабочую камеру 2 на нижний штамп 3. На образец 5 среды сверху накладывают штамп 6 и монтируют фиксатор перемещения упора 7 штампа 6 в виде резьбового стопорного винта 25 на втулке 24 резьбового стакана 23, навинчиваемого на резьбу корпуса 1 прибора (фиг. 1). Устанавливают нагрузочное устройство 8 и деформометры 20 и 21. Далее вращением винтового упора 19 производят поджатие пружины 16 на первую заданную величину l₁, соответствующую i=1 ступени начального давления p′₁ (фиг. 2) и регистрируемую деформометром 21, при этом одновременно нагрузку поджатия пружины 15 через рамку 9 и толкатель 14 передают на штамп 6, который деформирует образец 5 среды начальным давлением p′₁ до величины р₁ релаксации напряжений в среде и до момента стабилизации осадки среды под верхним штампом 6 до величины h₁, которую регистрируют деформометром 20 в момент стабилизации деформации l′₁ пружины 16, фиксируемой деформометром 21. Стопорным винтом 25 фиксируют перемещение упора 7 со штампом 6 и задают следующую ступень начального давления p₂ штампа 6 на среду путем поджатая пружины 16 на величину l₂, освобождают от фиксации упор 7 и деформируют образец 5 среды штампом 6 до момента падения начального давления p′₂ до величины p₂ стабилизации осадки h₂ среды, которую регистрируют деформометром 20 при установившихся показаниях l₂ деформометра 21. Цикл испытания повторяют путем последующего увеличения давления на образец 5 среды или путем его разгрузки, при этом величина каждой начальной ступени давления p′₁ и соответствующую величину поджатая пружины 16 задают исходя из расчетной зависимости:

,

где p_i - ожидаемая ступень установления под штампом 6 давления; Z - жесткость пружины 16; E_i - нормативное значение модуля деформации исследуемого грунта; Ф=(1-ν²)b - коэффициент, зависящий от коэффициента ν Пуассона среды, коэффициента ω формы и жесткости штампа 6 диаметром b₀.

По результатам испытаний и по стандартной методике определяют начальный e₀ и текущий e_i коэффициенты пористости грунта:

,

строят графики компрессионных кривых уплотнения и разуплотнения (фиг.2) и определяют требуемые механические характеристики среды.

Компрессиометр имеет простую конструкцию, прошел успешные экспериментальные испытания. Прибор имеет широкую область применения при испытаниях грунтов и других материалов на сжимаемость. Например, можно испытывать как слабые, так и мерзлые грунты, при этом производится только смена упругого динамометрического элемента на элемент с большей жесткостью. Малые габариты прибора позволяют размещать его в морозильных камерах обычных холодильников при испытании мерзлых и оттаивающих образцов среды. Компрессионные испытания среды могут производится при любом положении прибора, что позволяет их вести в процессе транспортировки образцов среды.

Источники информации

1. Цитович Н.А. Механика мерзлых грунтов. - М.: Высшая школа, 1973. - С. 128-130. (аналог).

2. ГОСТ 20276-99. Грунты. Методы полевого определения прочности и деформируемости. - М.: МИТКС, Госстрой России, 1999 (прототип).

3. Месчян С.Р. Механические свойства грунтов и лабораторные методы из определения. - М.: Недра, 1974 г. - С. 20-22.