Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛЬНОЙ СРЕДЫ МЕТОДОМ ЕЕ ВРАЩАТЕЛЬНОГО СРЕЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретения относятся к области «Физики материального контактного взаимодействия» и позволяют определить параметры прочности материальной среды методом ее вращательного среза.

1. Известен способ определения прочностных параметров материальной упруго-вязко-пластичной (грунтовой и нарушенной торфяной) среды методом ее вращательного среза, заключающийся в том, что производят погружение на глубину h (см) массива материальной среды рабочего лопастного наконечника путем его вдавливания через наращиваемую по высоте из секций колонну штанг и отключающее штанги от рабочего наконечника с возможностью свободного вращения приспособление, на глубине h рабочий наконечник отключают от колонны штанг путем поддергивания последней на высоту кулачков зацепления отключающего приспособления и производят свободное вращение колонны штанг с замером крутящего момента М₀ (кГ·см) от бокового трения штанг со средой, далее колонну штанг опускают до момента сцепления кулачков отключающего приспособления и ее соединения с рабочим наконечником, через колонну штанг вращают лопастной наконечник со скоростью 2…3 град/с с регистрацией максимального крутящего момента M_max (кГ·см) до полной стабилизации его значений в процессе 2…3 полных оборотов лопастного наконечника и фиксируют установившееся показание измерительного устройства - крутящий момент среза среды М_уст (кГ·см), отличающийся тем, что максимальное сопротивление среды срезу вычисляют по зависимости , установившееся сопротивление среды срезу - по зависимости , где постоянная крыльчатки (статический момент), d - диаметр наконечника (см), Н - высота

крыльчатки (см); для материальной среды с числом пластичности J_L>1 в нестабилизированном состоянии определяют удельное сцепление при принятом значении угла внутреннего трения φ_стр=0°, определяют модуль общей деформации , где М_н - начальный крутящий момент на начальном линейном участке кривой , - угол поворота лопастного наконечника, соответствующий моменту М_н, рассчитывают показатель структурной прочности среды при срезе по зависимости . [1,2,3].

Недостатком известного способа определения прочностных параметров материальной среды является низкая точность регистрации крутящего момента до наступления максимального значения M_max на лопастном наконечнике (в момент среза окружающей его среды), что оправдано для напластованных отложений торфяной среды, когда ее структурное разрушение и потеря упругости наступает в момент достижения значения M_max. Однако для дисперсных связных грунтов нарушение их структурной прочности происходит при давлении р_стр=р_б, где р_б - гравитационное (бытовое) давление, еще до наступления значения M_max на лопастном наконечнике, что при испытаниях грунтов вращательным срезом в известном способе во внимание не принимается, и величину максимального момента M_max ошибочно принимают для материальной грунтовой среды в момент достижения, по сложившемуся мнению, ее структурной прочности, а при считающейся потере структурной прочности величину крутящего момента ошибочно принимают за показатель М_уст. В действительности опыты свидетельствуют, что структурная прочность грунтовой среды при вращении лопастного наконечника теряется еще до момента достижения среза среды при M_max, когда на краях лопастей лопастного наконечника контактное разрушающее давление достигает величины предельно критического давления , преодолевающего гравитационное (бытовое) давление на глубине h, а именно , где р_стр - давление структурной прочности среды. Это положение доказывается следующим известным способом определения прочностных параметров материальной среды.

Известен способ определения прочностных параметров материальной среды методом ее вращательного среза, заключающийся в том, что производят погружение на глубину h (см) исследования массива материальной среды лопастного наконечника путем вдавливания через наращиваемую из секций колонну штанг и отключающее их от лопастного наконечника с возможностью свободного вращения приспособление, колонну штанг отключают от лопастного наконечника и вращают вокруг своей оси с замером крутящего момента М₀ на преодоление трения с окружающей средой, далее колонну штанг через отключающее устройство соединяют с лопастным наконечником и производят вращение последнего вокруг своей оси со скоростью, позволяющий регистрировать угол поворота наконечника вокруг свой оси и величины: М_с (кГ·см) - крутящего момента на преодоление начального сопротивления среды, M_max (кГ·см) - на преодоление максимального сопротивления среды вращательному срезу и М_уст (кГ·см) - на преодоление установившегося сопротивления среды вращательному срезу , где - постоянная лопастного наконечника, d - диаметр и Н - высота лопастного наконечника (см), для материальной среды с числом пластичности J_L>1 в нестабилизированном состоянии определяют удельное структурное сцепление с_стр=τ_max(кГ/см²) при принятом угле внутреннего трения φ_стр=0°, модуль общей деформации , где М_н - начальный крутящий момент на начальном линейном участке кривой ,α_н (рад) - угол поворота лопастного наконечника, соответствующий моменту М_н, рассчитывают показатель структурной прочности среды при срезе по зависимости . [4].

Недостатком известного способа определения прочностных параметров материальной среды является неопределенность показателя τ_с - сопротивления среды и ошибочность принятия показателя τ_max за сопротивление среды вращательному срезу при потере ею структурной прочности. Низкая информативность и точность метода вращательного среза определяет ограниченный объем его использования, тем более, что удельное сцепление и показатель структурной прочности известным способом получают только для слабых, водонасыщенных сред, в которых принято значение c_cmp=τ_max при ф_стр=0° для идеализированных материальных сред. В теоретических расчетах показателей прочности материальной среды в массиве по прежнему бытовое гравитационное давление на глубине h ошибочно принято рассчитывать по выражению p₆-γh, соответствующему тангенциальному напряжению τ_стр=γh, где γ - удельный вес структурированной среды.

Модуль материальной среды при ее испытании методом вращательного среза по предложенной в известном способе расчетной зависимости относится прежде всего к модулю упругости среды Е_упр, т.к. определяется в интервале углов α° упругого деформирования среды при сохранении ею своей структурной прочности, полностью характеризующему деформационные свойства ненарушенной торфяной среды и частично - грунтовой среды в упругом состоянии. При этом модуль общей деформации Е₀ материальной среды при испытании лопастным наконечником методом вращательного среза ошибочно рассчитывают для ее нестабилизированного состояния при задаваемой скорости ее загрузки ω=const, крутящим моментом (М - varir) в режиме, неприемлемом для испытания статическими нагрузками по стандартной методике.

Технический результат по способу определения прочностных параметров грунтовой и нарушенной торфяной материальной среды методом ее вращательного среза, заключающемуся в том, что погружают на глубину h (см) исследования массива материальной среды посредством наращиваемой из секций колонну штанг с ее отключающим приспособлением для свободного вращения относительно лопастного наконечника, колонну штанг отключают от лопастного наконечника и медленно со скоростью 2…3 град/с, вращают в массиве с замером крутящего момента М₀ (кГ·см)на преодоление трения с окружающей средой, колонну штанг через отключающее приспособление соединяют с лопастным наконечником и их одновременно вращают вокруг своей оси, регистрируют параметры текущего крутящего момента M_i (кГ·см) на оси вращения штанг с лопастным наконечником при соответствующих регистрируемых углах их поворота, строят график испытания , где - постоянная лопастного наконечника (см³), d - диаметр и Н - высота лопастного наконечника (см), на график испытания наносят отсечки, соответствующие крутящим моментам на оси лопастного наконечника на преодоление: М_с (кГ·см) - начального сопротивления упруго-вязко-пластичной структурированной среды сдвигу , M_max (кГ·см) - максимального сопротивления материальной среды вращательному срезу , М_уст(кГ·см) -установившегося сопротивления среды медленному вращательному срезу , определяют удельное сопротивление с (кГ/см²) и угол φ° внутреннего трения среды, ее модуль общей деформации E₀(кГ/см²) и показатель структурной прочности - П_стр=τ_max/τ_уст, достигается тем, что лопастной наконечник вращают вокруг своей оси возрастающими ступенями крутящего момента M_t=τ_iB≤M_max(кГ/см), соответствующего тангенциальному напряжению τ_i(кГ/см²) согласно таблице

каждую ступень крутящего момента M_i≤M_max выдерживают во времени t_i до стабилизации угла α_i поворота лопастного наконечника вокруг своей оси или задают возрастающие ступени углов поворота лопастного наконечника до момента стабилизации величины соответствующего крутящего момента M_i≤M_max на оси наконечника и окончания релаксации напряжений в среде под его лопастями, по результатам испытания среды вращательным срезом строят график , где - стабилизированный во времени t угол поворота лопастного наконечника при заданной ступени крутящего момента M_i, назначаемого в соответствии с таблицей, или график α_i=ƒ(τ_icт), где τ_icт=М_iст/В - стабилизированное во времени t значение тангенциального напряжения при заданных ступенях угла α_i поворота лопастного наконечника, график τ₁=F(α₁) или α₁=F(τ₁) совмещают с графиком τ₁=f(p₁) предельного состояния материальной среды, для связной упруго-вязко-пластичной грунтовой среды угол φ_стр внутреннего трения ее ненарушенной структуры определяют по зависимости , где τ_ху=τ_ycm - установившееся сопротивление грунта вращательному срезу или принимают соответствующим углу поворота лопастного наконечника в момент среза грунта при крутящем моменте M_max, а угол внутреннего трения грунтовой среды в нарушенном под лопастью наконечника состоянии рассчитывают по зависимости φ_н=arcsin[2sinφ_стр/(1+sin²φ_стр)]-φ_стр, для структурированной грунтовой среды удельное сцепление определяют по зависимости с_стр=(M_max-M_c)/B=(М_уст-M₀)/B - при удельном сцеплении грунтовой среды в нарушенном состоянии с_н=с_стр[12-tgφ_н/tgφ_стр], для структурированной грунтовой среды ее удельный вес на глубине h рассчитывают по зависимости γ_стр=с_н/(hcos²φ_стр) (кГ/см³), гравитационное (бытовое) давление на глубине h материальной среды рассчитывают по зависимости p_б=(γ_стрh-с_стр)ctgφ_стр, коэффициент общего бокового давления структурированной и нарушенной грунтовой среды при вращательном срезе на глубине h рассчитывают по зависимостям ζ_стр=sinφ_стр·cos³φ_стр=0,5sin2φ_стр·cos²φ_стр,

ζ_н=sinφ_н·cos³φ_н=0,5sin2φ_н·cos²φ_н при соответствующих коэффициентах общей относительной поперечной деформации ν_стр=ζ_стр/(1+ζ_стр)=sinφ_стр·cos³φ_стр/(1+sinφ_стр· cos³φ_стр),

ν_н=ζ_н/(1+ζ_н)=sinφ_стр·cos³φ_н/(1+sinφ_н·cos³φ_н), вертикальный модуль упругости грунтовой и нарушенной торфяной среды (модуль Юнга) при вращательном срезе определяют по зависимости , где α⁰ _б - угол поворота лопастного наконечника, соответствующий моменту графика τ_xy=f(α⁰ _б) на преодоление гравитационного (бытового) давления р_б, а модуль общей деформации упруго-вязко-пластичной грунтовой среды определяют по зависимости , где моменты , М_б=τ_б·В=γ_стр ^·h·B, α⁰ _кр1 - угол поворота лопасти при соответствующем первом (начальном) критическом давлении

.Впервые методом вращательного среза материальной среды в массиве в режиме возрастающих статических ступеней прикладываемой нагрузки или ступеней ее угловой деформации, как при штамповых испытаниях, получают истинные значения ее вертикального модуля деформации в требуемых диапазонах давления .

Определение физических параметров среды φ_стр и с_стр, φ_н и с_н в структурированном и нарушенном состоянии в натурных условиях (без эмпирических зависимостей) методом вращательного среза позволяет впервые с высокой точностью определять удельный вес среды, коэффициенты ее общей относительной деформации ν_стр и ν_н и общего бокового давления ζ_стр и ζ_н.

2. Известен способ определения прочностных параметров материальной упруго-эластичной в структурированном состоянии торфяной среды, заключающийся в том, что лопастной наконечник погружают на глубину h(см) исследования массива торфа ненарушенной структуры посредством наращиваемой из секций колонных штанг с ее отключающим приспособлением для свободного вращения относительно лопастного наконечника, колонну штанг отключают от лопастного наконечника и вращают со скоростью 2…3(град./с) в массиве торфа с замером крутящего момента на преодоления трения с торфом, колонну штанг через отключающее приспособление соединяют с лопастным наконечником и их одновременно вращают вокруг своей оси со скоростью 0,1…0,2(град./с) в пределах угла поворота 90°…120° для 4-х лопастного наконечника и 60°…90° - для 6-ти лопастного наконечника, а далее вращают с повышенной скоростью 3…5(град./с), регистрируют параметры текущего крутящего момента M_i (кГ·см) на оси вращения штанг с лопастным наконечником при соответствующих регистрируемых углах их поворота, строят график испытания среды лопастным наконечником, где - постоянная лопастного наконечника, d - диаметр и Н - высота лопастного наконечника (см), на график испытания наносят отсечки, соответствующие крутящим моментам на оси лопастного наконечника на преодоление: максимального сопротивления торфа вращательному срезу , - установившегося сопротивления торфа вращательному срезу , определяют удельное сопротивление торфа срезу 4-х лопастного наконечника по зависимости , где а=3 - при сдвиге на дне скважины или на поверхности торфа, а=6 - при сдвиге в толще торфа, и удельное сцепление торфа как при принятом значении угла внутреннего трения , определяют модуль общей деформации , где - начальный крутящий момент на линейном участке кривой , где α_н(рад.) - угол поворота лопастного наконечника, соответствующий моменту , и рассчитывают показатель структурной прочности торфа при срезе как [2, 3, 5].

Недостатком известного способа определения прочностных параметров торфяной среды с ненарушенной структурой является его низкая информативность. Удельное сцепление с^Т определяют только для сильно разложившегося торфа с . Модуль деформации получают для неустановившегося режима испытания торфа при непрерывном вращении лопастного наконечника и он имеет приближенные значения.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения прочностных параметров торфяной среды методом ее вращательного среза, заключающийся в том, что производят погружение на глубину h (см) исследования массива торфяной среды лопастного наконечника путем вдавливания через наращиваемую по высоте из секций колонну штанг и отключающее их от лопастного наконечника с возможностью свободного вращения приспособление, на глубине h колонну штанг отключают от лопастного наконечника и вращают вокруг своей оси с замером крутящего момента М₀ на преодоление трения с торфом, далее колонну штанг через отключающее устройство соединяют с лопастным наконечником и производят вращение последнего вокруг своей оси со скоростью, позволяющий регистрировать угол поворота наконечника вокруг своей оси и величины: - на преодоление максимального сопротивления торфа вращательному срезу и - на преодоление установившегося сопротивления торфа вращательному срезу , где - постоянная лопастного наконечника, d - диаметр и Н - высота лопастного наконечника (см), для торфа в нестабилизированном состоянии определяют удельное структурное сцепление при принятом угле внутреннего трения , модуль деформации , где - начальный крутящий момент на начальном линейном участке кривой , α_н (рад) - угол поворота лопастного наконечника, соответствующий моменту , рассчитывают показатель структурной прочности торфа при срезе по зависимости [4].

Недостатком известного способа определения прочностных параметров торфа является неопределенность показателя τ_с - сопротивления торфа и ошибочность принятия показателя τ_max за сопротивление торфа вращательному срезу при потере им структурной прочности. Низкая информативность и точность метода вращательного среза определяет ограниченный объем его использования, тем более, что удельное сцепление и показатель структурной прочности известным способом получают только для сильно разложившегося водонасыщенного торфа, в которых принято значение при (для идеализированных материальных сред). В теоретических расчетах показателей прочности торфа в массиве по прежнему бытовое гравитационное давление на глубине h ошибочно принято рассчитывать по выражению p₆=γh, соответствующему тангенциальному напряжению τ_стр=γh, где γ - удельный вес структурированного торфа.

Модуль деформации торфа при его испытании методом вращательного среза по предложенной в известном способе расчетной зависимости относится к модулю упругости торфа Е_упр, т.к. определяется в интервале углов α° упругого деформирования при сохранении торфом своей структурной прочности, полностью характеризующему деформационные свойства ненарушенной торфяной среды. При этом модуль общей деформации Е₀ торфа ненарушенной структуры, который не существует, при испытании лопастным наконечником методом вращательного среза ошибочно рассчитывают для нестабилизированного состояния торфа при задаваемой скорости его загрузки ω=const, крутящим моментом (М - varir) в режиме, неприемлемом для испытания статическими нагрузками по стандартной методике.

Технический результат по способу определения прочностных параметров материальной упруго-эластичной структурированной торфяной среды методом ее вращательного среза, заключающемуся в том, что погружают на глубину h (см) исследования массива торфа посредством наращиваемой из секций колонну штанг с ее отключающим приспособлением для свободного вращения относительно лопастного наконечника, колонну штанг отключают от лопастного наконечника и медленно со скоростью 2…3 град/с, вращают в массиве с замером крутящего момента на преодоление трения с торфом, колонну штанг через отключающее приспособление соединяют с лопастным наконечником и их одновременно вращают вокруг своей оси, регистрируют параметры текущего крутящего момента на оси вращения штанг с лопастным наконечником при соответствующих регистрируемых углах их поворота, строят график испытания , где - постоянная лопастного наконечника (см³), d - диаметр и Н - высота лопастного наконечника (см), на график испытания наносят отсечки, соответствующие крутящим моментам на оси лопастного наконечника на преодоление: - максимального сопротивления торфа вращательному срезу , - установившегося сопротивления торфа медленному вращательному срезу , определяют удельное сопротивление с^Т (кГ/см²) и угол φ° внутреннего трения торфа, его модуль Е^Т(кГ/см²) и показатель структурной прочности - , достигается тем, что лопастной наконечник вращают вокруг своей оси возрастающими ступенями крутящего момента , соответствующего тангенциальному напряжению τ_i(кГ/см²) согласно таблице

и __,

каждую ступень крутящего момента выдерживают во времени t_i до стабилизации угла α_i поворота лопастного наконечника вокруг своей оси или задают возрастающие ступени углов поворота лопастного наконечника до момента стабилизации величины соответствующего крутящего момента на оси наконечника и окончания релаксации напряжений в торфе под его лопастями, по результатам испытания торфа вращательным срезом строят график , где - стабилизированный во времени t угол поворота лопастного наконечника при заданной ступени крутящего момента , назначаемого в соответствии с таблицей, или график , где - стабилизированное во времени t значение тангенциального напряжения при заданных ступенях угла α_i поворота лопастного наконечника, график или совмещают с графиком предельного состояния торфяной среды, для ненарушенной торфяной среды угол внутреннего трения ее ненарушенной структуры определяют по зависимости , где - установившееся сопротивление торфа вращательному срезу или принимают соответствующим углу поворота лопастного наконечника в момент среза торфа при крутящем моменте , а угол внутреннего трения торфа в нарушенном под лопастью наконечника состоянии рассчитывают по зависимости , для структурированного торфа удельное сцепление определяют по зависимости - при удельном сцеплении торфа в нарушенном состоянии , для структурированного торфа его удельный вес на глубине h рассчитывают по зависимости , гравитационное (бытовое) давление торфа на глубине h рассчитывают по зависимости , коэффициент общего бокового давления структурированного и нарушенного торфа при вращательном срезе на глубине h рассчитывают по зависимостям при соответствующих коэффициентах общей относительной поперечной деформации , вертикальный модуль упругости (модуль Юнга) торфа при вращательном срезе определяют по зависимости где - угол поворота лопастного наконечника, соответствующий моменту графика на преодоление гравитационного (бытового) давления р_б.

Предлагаемый способ повышает информативность и точность тспытания структурированного торфа методом вращательного среза в массиве.

3. Известно устройство сдвигомера-крыльчатки СК-8 для полевого определения параметров прочности среды в массиве методом вращательного среза, состоящее из четырехлопастного наконечника, связанного с наращиваемой колонной штанг через отключающее кулачковое приспособление, рукоятки вращения и поддергивания колонны штанг с отключающим приспособлением относительно лопастного наконечника, динамометрической пластины, связанной через вилку со штангами, и с деформометром ее прогиба от воздействия упора на рукоятке вращения [6].

Недостатком известного устройства вращательного среза среды в массиве является отсутствие приспособлений для 1) непрерывной регистрации параметров среза среды лопастным наконечником и 2) задания ступеней поддерживаемого по величине во времени крутящего момента M_i на лопастном наконечнике или ступеней поддерживаемого по времени и задаваемого по величине угла а, поворота лопастного наконечника вокруг своей оси. Определяемый прямым методом вращательного среза параметр τ_ср сдвига среды в массиве лопастным наконечником позволяет судить только о величине ее сопротивления сдвигу, о чем в своих трудах отмечает проф. Л.С. Амарян, все остальные параметры - угол внутреннего трения, удельное сцепление, модуль деформации или упругости среды определяют через полуэмпирические зависимости [7].

Известно устройство полевого сдвигомера конструкции ГПИ «Фундаментпроект» СП-52 и ВСЕГИНГЕО для определения параметров прочности среды в массиве методом вращательного среза, состоящее из четырехлопастного наконечника, связанного с наращиваемой колонной штанг, механизма вращения лопастного наконечника, выполненного, например, в виде самотормозящегося червячного редуктора со съемной рукояткой ручного привода, механизма непрерывной регистрации крутящего момента M_i на оси штанг и угла α_i поворота лопастного наконечника при заданной скорости ω=const вращения лопастного наконечника [8].

Существенным недостатком известных устройств для вращательного среза среды в массиве лопастным наконечником является отсутствие возможности задания и стабилизации величины ступени крутящего момента на лопастном наконечнике или ступени задаваемого угла поворота лопастного наконечника с регистрацией стабилизированной во времени величины установившегося соответствующего крутящего момента, что определяет невозможность точного установления прочностных и деформационных показателей исследуемой среды.

Технический результат по устройству для определения прочностных параметров материальной среды в массиве методом ее вращательного среза, состоящему из четырехлопастного наконечника высотой H(см)и диаметром d(см)при постоянной величине В=(πd²12)(Н+d/3) (см³), связанного с наращиваемой колонной штанг через отключающее кулачковое приспособление с возможностью относительного продольного перемещения и вращательного движения, механизма вращения штанг с лопастным наконечником в виде самотормозящегося червячного редуктора со съемной рукояткой вращения на червяке и стопорной вилки замыкания штанг на червячном колесе, механизма непрерывной регистрации крутящего момента M_i на оси штанг и угла α_i поворота лопастного наконечника, достигается тем, что червяк механизма вращения штанг с лопастным наконечником оснащен нагрузочным приспособлением, выполненным в виде дискового колеса со съемным подвесом с тарированным грузом для задания возрастающих постоянных ступеней угла α_i=const поворота лопастного наконечника при регистрируемых параметрах ступеней крутящего момента M_i или задания возрастающих постоянных ступеней крутящего момента M_i=const на лопастном наконечнике при регистрируемых параметрах угла α_i поворота лопастного наконечника.

Предлагаемое устройство для вращательного среза материальной среды в массиве впервые позволяет в режиме стабилизированных значений параметров крутящего момента M_i=const или угла поворота α_i лопастного наконечника определять с высокой точностью ее прочностные и деформационные характеристики.

Предлагаемые изобретения поясняются графическими материалами, где на фиг. 1 представлено устройство для испытания материальной среды в массиве методом вращательного среза, на фиг. 2 - диаграмма испытания среды в массиве методом вращательного среза; на фиг. 3 - диаграмма α_i=f(M_i-const,t) испытания среды в массиве и установления стабилизированных во времени t значений угла α_i=const поворота лопасти наконечника при окончании релаксаций под ней контактных напряжений; на фиг. 5 - график τ_i=f(α_i) испытания связной вязко-упруго-пластичной грунтовой среды методом вращательного среза; на фиг. 6 - график р=f(τ) предельного состояния вязкой упруго-пластичной среды при испытании методом вращательного среза, совмещенный с графиком τ_i=f(α⁰ _i); на фиг. 7 - график S=f(p) осадки среды от ступеней возрастающего давления под лопастью рабочего наконечника предлагаемого устройства для ее испытания методом вращательного среза, совмещенный с графиком τ=f(р) предельного состояния среды при вращательном срезе; на фиг. 8 представлены эпюры контактного напряжения связной упруго-вязко-пластичной среды с жесткой лопастью наконечника в фазе ее начального критического состояния; на фиг. 9 представлен график испытания упругоэластичной торфяной среды предлагаемым методом вращательного среза, на фиг. 10 - эпюра предельного состояния Ш. Кулона упругоэластичной торфяной среды под лопастью рабочего наконечника для вращательного среза среды, совмещенная с графиком испытания ; на фиг. 11 - представлен график S=ƒ(р) осадки упругоэластичной среды от ступеней возрастающего давления под лопастью рабочего наконечника, совмещенный с графиком τ=ƒ(р) предельного состояния упругоэластичной среды при вращательном срезе, на фиг. 12 представлены эпюры контактного напряжения упругоэластичной среды с жесткой лопастью наконечника в фазе ее предельно упругого состояния.

Предлагаемое устройство для вращательного среза материальной среды в массиве состоит (фиг. 1) из четырехлопастного наконечника 1, связанного с наращиваемой колонной штанг 2 через отключающее кулачковое приспособление 3 с возможностью относительного продольного перемещения и вращательного движения, механизма вращения штанг 2 с лопастным наконечником 1 в виде самотормозящегося червячного редуктора 4 со съемной рукояткой 5 ручного вращения червячного колеса 6 на червяке 7 и стопорной вилки 8 замыкания штанг 2 на червячном колесе 6, размещенного в корпусе 9 червячного редуктора 4, установленного на жесткой треноге 10, крепящейся к массиву среды винтовыми анкерными сваями 11, механизма непрерывной регистрации крутящего момента M_i на оси штанг 2 и угла α_i поворота лопастного наконечника 1, выполненного в виде плоского диска 12, установленного посредством шлицевого соединения (не показано) на полой ступице червячного колеса 6, вращающегося в корпусе 13, жестко связанного с корпусом 9 червячного редуктора 4, закрепленной на диске 12 сетки (не показана) круговой диаграммы 14 (фиг. 2, 3, 4) с угловыми значениями крутящего момента M_i по их радиусам r_i самописца 15 величины крутящего момента M_i в масштабе на круговой диаграмме 14, связанного с червячным колесом 6 через передаточный механизм, выполненный в виде, например, тензоаппаратуры с датчиками напряжения (не показаны), механизма вращения штанг 2 и регистрации крутящего момента на оси рабочего наконечника, установленного в совмещенных корпусах 9 и 13, нагрузочного приспособления лопастного наконечника 1 (фиг. 1) выполненного в виде рычжно-штурвального дискового колеса 16 с рукояткой 5 вращения, связанного посредством шлицевого соединения с червяком 7 редуктора 4 или при необходимости посредством тросовой системы 17 через подвеску 18 с набором тарированных грузов 19. 1. Способ определения прочностных параметров грунтовой и нарушенной торфяной материальной среды методом ее вращательного среза с помощью предлагаемого устройства реализуется следующим образом. На сгоризонтированной открытой площадке исследуемого материального массива посредством зондировочно-буровой установки производят задавливание по вертикали на заданную глубину h (см) исследования четырехлопастного наконечника 1 с отключающим кулачковым приспособлением 3 при помощи наращиваемой по высоте колонны штанг 2. Зондировочную установку отводят в сторону, и на штанги 2, пропуская их через отверстие в червячном колесе 6 установки вращательного среза (фиг. 1), вертикально устанавливают треногу 10 с червячным редуктором 4, крепящимся к массиву среды винтовыми анкерными сваями 11. Через центральное отверстие червячного колеса 6 пропускают колонну штанг 2, связанную через отключающее кулачковое приспособление 3 с четырехлопастным наконечником 1. Колонну штанг 2 поддергивают вверх на высоту зацепления кулачков 4 и фиксируют на ступице червячного колеса 6 стопорной вилкой 8. На диске 12 закрепляют бумажную сетку круговой диаграммы 14 или (фиг. 2, 3, 4), устанавливают самописец 15 и рукоятку вращения 5. Включают самописец 15 и посредством рукоятки 5 производят свободное вращение штанг 2 вокруг своей оси в массиве среды с фиксацией на графике диаграммы крутящего момента М₀ (фиг. 2, 3, 4) при 2-х кратном вращении штанг 2. Далее колонну штанг 2 отключают от вращения и погружают в массив на глубину зацепления кулачков 3 отключающего приспособления с включением лопастного наконечника 1. Штанги 2 крепят на ступице червячного колеса 6 стопорной вилкой 8 и при включенном отключающем приспособлении 3 на тросовую систему 17 нагрузочного приспособления крепят подвеску 18 с тарированным грузом 19 весом Р1, соответствующим 1-ой ступени крутящего момента M₁ на лопастном наконечнике 1 согласно таблице

После стабилизации значения М₁ на графике испытания производят в соответствии с таблицей навешивание тарированных грузов 19 на подвеску 18, соответствующих 2-ой ступени нагружения среды моментом М₂ до стабилизации угла α₂ поворота лопастного наконечника 1 и так далее до момента M_max максимального сопротивления среды вращательному срезу и с регистрацией промежуточного момента М_с (фиг. 5) начального сопротивления грунтовой структурированной среды сдвигу. Далее лопастной наконечник 1 вращают с постоянной скоростью ω=2…3 (град/с) рукояткой 5 до стабилизации установившегося момента М_уст. Нагрузочное приспособление разгружают, отключают самописец 15, снимают бумажную круговую диаграмму 14 с диска 12 механизма непрерывной регистрации крутящего момента и относят ее на обработку в лабораторию. Устройство для вращательного среза среды в массиве демонтируют. Снятую диаграмму обрабатывают и строят графики 20, 21 испытания материальной среды методом вращательного среза: 20 - для упруго-вязко-пластичной среды (грунта) (фиг. 5) или 21 для упругоэластичной среды (торф) (фиг. 9), которые совмещают с графиками 22, 23 предельного состояния соответствующей среды при вращательном срезе (фиг. 6, фиг. 10). Достраивают графики 24, 25 (фиг. 7, фиг. 11) статического испытания среды под лопастью рабочего наконечника 1 при его повороте на угол α_i.. Предельно критическое разрушающее среду давление рассчитывают для лопастного наконечника по зависимости , начальное (первое) критическое давление для грунтовой связной среды определяют по зависимости (фиг. 8), а гравитационное (природное бытовое) давление на глубине h массива среды определяют как . Для связной упруго-вязко-пластичной грунтовой среды угол внутреннего трения рассчитывают по зависимости (фиг. 6) или принимают по графику (фиг. 5) равным и соответствующим углу поворота лопастного наконечника при срезе грунта моментом M_max, угол внутреннего трения грунта с нарушенной структурой рассчитывают как , удельное сцепление грунта определяют по зависимостям . Удельный вес структурированной грунтовой среды рассчитывают как . Коэффициент общего бокового давления структурированной и нарушенной среды на глубине h рассчитывают по зависимостям , при соответствующих коэффициентах общей относительной поперечной деформации среды . Гравитационное (бытовое) давление определяют как при и . Модуль упругости (Юнга) для грунта и нарушенной (переработанной) торфяной залежи рассчитывают по зависимости , где угол соответствует значению М₆ на графике на преодоление гравитационного (бытового) давления, а модуль общей деформации упруго-вязко-пластичной среды методом вращательного среза определяют по зависимости где момент

- начальное (первое) критическое давление под лопастью наконечника при угле ее поворота вокруг своей оси, снимаемом с графика(фиг. 5).

2. Для структурированной торфяной залежи на глубине исследования h лопастным наконечником (при числе лопастей n=4) производят определение момента сопротивления торфа медленному вращению штанг вокруг своей оси при отключенном наконечнике, а затем производят вращение лопастью наконечника возрастающими ступенями крутящего момента или возрастающими ступенями сжатия торфяной среды в межлопастном пространстве наконечника при релаксации напряжений под лопастью до момента ускоренной стабилизации их величины во времени. При непрерывной записи показателей вращательного среза торфа лопастным наконечником: 1) максимального момента при срезе торфа, 2) установившегося сопротивления срезанного торфа в межлопастном пространстве трению о стенки цилиндрической срезанной поверхности массива торфа определяют расчетным путем по показаниям графика : 1) угол внутреннего трения торфа при регистрируемом соответствующем угле поворота лопастного наконечника вокруг своей оси; 2) угол внутреннего трения торфа нарушенной структуры ;

3) удельный вес торфа ;

4) гравитационное давление ; 5) удельное структурное сцепление и удельное сцепление торфа с нарушенной структурой ; 6) коэффициенты общего бокового давления торфа и ; 7) коэффициенты общей относительной поперечной деформации торфа и ; 8) модуль упругости торфа по зависимости

Показатель структурной прочности грунтовой и торфяной среды определяют по зависимости по ГОСТ 21719-80.

Пример 1 реализации способа. При испытании морского суглинка в массиве методом вращательного среза четырехлопастным наконечником диаметром d=7,5 см и высотой Н=15 см посредством колонн штанг с отключающим устройством на глубине h=120 см были получены результаты: 1) крутящий момент на преодоление бокового трения колонны штанг о грунт при отключенном от штанг лопастном наконечнике М₀ (кг·см); 2) крутящий момент М_с=540 (кг·см) на пределе условно пропорциональных деформаций грунта при соответствующем сопротивлении грунта , угле поворота лопастного наконечника со штангами вокруг своей оси α_с=3,4° и значении «постоянной» лопастного наконечника ; 3) максимальный крутящий момент при срезе суглинка M_max=760 (кГ·сл/) лопастным наконечником и сопротивлении грунта срезу в момент поворота лопастного наконечника вокруг своей оси на угол α_стр=32,6° и потри структурной прочности среды вокруг цилиндра вращения ее срезаемого объема; 4) стабилизированный крутящий момент М_уст=220 (кГ·см) после поворота лопастного наконечника на угол 2π/(n=4)=90° при скорости вращения ω=2…3 град/с и сопротивлении срезанного массива среды вращению

Далее строят график зависимости изменения сопротивления материальной среды при вращательном срезе и повороте крыльчатого наконечника на угол вокруг своей оси (фиг. 5)

По полученным данным в соответствии с графиком предельного состояния упруго-вязко-пластичной материальной среды (фиг. 6) определяют следующие параметры грунтовой среды:

1) удельное сцепление суглинка с ненарушенной структурой ;

2) угол внутреннего трения суглинка с ненарушенной структурой , величину которого сопоставляют с показанием угла поворота лопастного наконечника в момент среза грунта при максимальном крутящем моменте M_max=760 (кГ·см);

3) угол внутреннего трения суглинка с нарушенной структурой ;

4) удельное сцепление структурированного суглинка с нарушенной структурой , что соответствует крутящему моменту

;

5) для структурированного суглинка удельный вес на глубине 270 см составляет величину

6) гравитационного давление на глубине 120 см в суглинке равно , что при соответствует крутящему моменту на оси лопастного наконечника ;

7) коэффициент общего бокового давления структурированного суглинка равен и для суглинка с нарушенной структурой ;

8) коэффициенты общей относительной поперечной деформации структурированного суглинка равен , а суглинка с нарушенной структурой ;

9) модуль упругости суглинка с ненарушенной структурой составляет величину

где а) в условиях компрессионного сжатия среды в горизонтальном направлении отношение , а в условиях свободного расширения среды под лопастью наконечника отношение ; б) крутящий момент на оси четырехлопастного наконечника (n=4) на преодоление бокового давления в массиве среды равен при главном касательном напряжении, равном горизонтальному давлению ; в) величина средней горизонтальной осадки среды под лопастью наконечника равна ; г) угол поворота лопасти на преодоление бокового бытового давления в массиве среды и снимается с графика (фиг. 5) по данным измерительного приспособления;

10) модуль общей деформации суглинка по результатам вращательного среза

составляет величину

, где а) - начальное (первое) критическое давление под лопастью наконечника при тангенциальном напряжении

и

; б) величина(фиг. 5); в) момент вращательного сдвига среды при действии бытового давления ;

11) Показатель соответствует низкой структурной прочности грунта при срезе (ГОСТ 21719-80).

Пример 2 реализации способа. При испытании низинной структурированной торфяной залежи со степенью разложения R_H=45% и влагоемкостью W=75,2% методом вращательного среза четырехлопастным наконечником (d=1,5 см Н=15 см) посредством наращиваемой по высоте колонны штанг с кулачковым отключающим устройством на глубине h=170 см были получены результаты: 1) крутящий момент на преодоление трения колонны штанг (без вращения лопастного наконечника) о торф ; 2)максимальный крутящий момент при срезе торфа лопастным наконечником при сопротивлении торфа сдвигу и угле поворота ; 3) стабилизированный крутящий момент после двухкратного поворота лопастного наконечника вокруг своей оси (без учета штанг) со скоростью ω=2…3 град/с и при сопротивлении срезанного торфа вращению

Далее строят график зависимости (фиг. 9) изменения сопротивления торфа при вращательном срезе крыльчатого наконечника на угол а вокруг своей оси. По полученным данным в соответствии с графиком Ш.Кулона предельного состояния упругой эластичной торфяной среды (фиг. 10) определяют ее следующие параметры:

1) угол внутреннего трения структурированного торфа

при регистрируемом угле ;

2) угол внутреннего трения торфа с нарушенной структурой составляет величину ;

3) удельный вес структурированного торфа равен (фиг. 10)

;

4) гравитационное (бытовое) давление на глубине h=170 см торфяной залежи составляет величину ;

5) удельное структурное сцепление торфа определяем как

,

а удельное сцепление торфа с нарушенной структурой равно

;

6) коэффициент общего бокового давления торфа с ненарушенной структурой равен

, а с нарушенной структурой -

;

7) коэффициент общей относительной поперечной деформации торфа с ненарушенной структурой равен , а с нарушенной -

;

8) модуль упругости торфа с ненарушенной структурой равен

;

9) показатель структурной прочности торфа , что соответствует низкой структурной прочности торфа (ГОСТ 21719-80).

Научные положения «Физики материального контактного взаимодействия» впервые позволяют обосновать аналитические зависимости для определения показателей прочности и деформируемости материальной среды с определением угла внутреннего трения, удельного сцепления, модулей деформации в структурированном и нарушенном состоянии. Резко повышается информативность метода вращательного среза, способного заменить метод поступательного и вращательного среза среды в массиве и на ее образцах, а также и ее испытания на сжимаемость статическими нагрузками.

Источники информации

1. Корчагин Г.П., Коренева С.Л. Прессиометрия и вращательный срез в инженерной геологии - М.: Недра, 1976. - С. 69-74, 75-95, 136-140, 148-157 (аналог).

2. ГОСТ 217 19-80. Грунты. Методы полевых испытаний на срез в скважинах и в массиве. - М.: Госком СССР по делам строительства, 1980 г. - С. 3-8 (аналог).

3. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов / Учебное пособие. - М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2005. - С. 83.

4. Информационный проспект шведской фирмы «Geotech» АВ "Field vane apparatus and manually operated static penetrometer" (Datavagen 53? S-43600 Askin Sweden) (прототип).

5. Глотов H.M., Леонычев A.B., Рогаткина Ж.Е., Соловьев Г.П. Основания и фундаменты транспортных сооружений: Учебник для вузов. - М..: Транспорт, 1995. - С. 142.

6. Корчагин Г.П., Коренева С.Л. Прессиометрия и вращательный срез в инженерной геологии - М.: Недра, 1976. - С. 76.

7. Амарян Л.С. Свойства слабых грунтов и методы их изучения. - М.: Недра, 1990 -220 с.

8. Корчагин Г.П., Коренева С.Л. Прессиометрия и вращательный срез в инженерной геологии - М.: Недра, 1976. - С. 74-76.