Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения параметров прочности грунта методом вращательного среза и устройство для его реализации

Изобретение относится к области строительства, а именно к способам проведения геомеханических изысканий для определения механических свойств грунтов.

Классическим методом определения механических характеристик грунтов - угла внутреннего трения (ϕ) и удельного сцепления (с) являются сдвиговые испытания, в частности, в приборе одноплоскостного среза [1: Цытович Н.А. Механика грунтов. М., Высшая школа, 1979 г., с. 41-50].

Сущность их заключается в том, что образец грунта помещают в разрезную, состоящую из двух частей обойму. Нижняя часть обоймы неподвижно закреплена, а верхняя часть имеет возможность горизонтального перемещения. К образцу через штамп прикладывают вертикальную сжимающую нагрузку, в результате чего в образце возникают вертикальные сжимающие напряжения (σ₁), перпендикулярные плоскости последующего среза, которые остаются постоянными в течение всего опыта. Затем к образцу, через подвижную часть обоймы прикладывают ступенчато возрастающую сдвигающую нагрузку, в результате чего в образце, в плоскости среза возникают ступенчато возрастающие касательные напряжения (τ) и верхняя часть образца приобретает горизонтальные сдвиговые деформации. После достижения предела прочности при максимальном значении касательных напряжений (τ₁) происходит срез верхней части образца, относительно неподвижной нижней части.

Затем аналогичный образец - близнец вновь помещают в обойму и опыт повторяют, но уже при другом значении вертикальных сжимающих напряжений (σ₂), в результате чего определяют максимальное значение предельных касательных сдвиговых напряжений (τ₂). По полученным парам значений (σ₁;τ₁) и (σ₂;τ₂) судят о параметрах прочности грунта - угле внутреннего трения (ϕ) и значении удельного сцепления (c), в соответствии с законом прочности Ш. Кулона:

откуда tg(ϕ)=(τ₂-τ₁)/(σ₂-σ₁); c=τ₁-σ₁tg(ϕ).

Следует отметить, что при данной схеме испытаний поверхность среза является заранее заданной и определяется плоскостью, разделяющей обойму.

Недостатком данных испытаний является то, что испытаниям подвергается образец, извлеченный из скважины, который в процессе доставки в лабораторию и подготовки испытания разуплотняется, теряет естественную природную влажность и т.д., что влияет на точность определения прочностных характеристик. В этом смысле, более предпочтительными являются полевые испытания, которые проводятся непосредственно на площадке будущего строительства.

Одним из наиболее простых и эффективных способов определения параметров прочности грунтов являются испытания на сдвиг кручением при помощи лопастной крыльчатки. Этот способ является наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототипом) [2: Цытович Н.А. Механика грунтов, М., Высшая школа, 1979 г., с. 55-56].

Сущность данных испытаний заключается в том, что в забой скважины (или шурфа) задавливанием погружается лопастная крыльчатка с четырьмя прямыми лопастями, расположенными под углом 90°. Далее к крыльчатке через штангу прикладывается ступенчато возрастающий крутящий момент. После достижения предела прочности на сдвиг, который реализуется по цилиндрической поверхности за счет кручения лопастей крыльчатки, по величине максимального крутящего момента судят о значении удельного сцепления дисперсного связного грунта C, которое определяют по формуле:

где М_кр. - крутящий момент;

d - диаметр крыльчатки;

h - высота крыльчатки.

Метод используется при определении общего предельного сопротивления сдвигу слабых илистых и глинистых грунтов и соответствует их недренированному состоянию. Поверхность среза (цилиндрическая) в этом методе также является заданной и определяется геометрической формой крыльчатки.

Основным недостатком данного способа является то, что он не позволяет определить раздельно значения параметров прочности грунтов - угла внутреннего трения (ϕ) и удельного сцепления (C). При кручении крыльчатки с прямолинейными лопастями, за счет их геометрической формы, помимо окружных касательных напряжений (τ_окр) по цилиндрической плоскости среза возникают неконтролируемые радиальные сжимающие напряжения (σ_r), которые в данном методе не измеряются. В результате значение удельного сцепления этим методом можно определить только для грунтов, обладающих малым значением угла внутреннего трения.

С целью преодоления указанных недостатков предлагается способ определения параметров прочности грунта методом вращательного среза, включающий задавливание в забой скважины лопастной крыльчатки, приложение к ней возрастающего момента, фиксацию максимального крутящего момента, приводящего к повороту крыльчатки за счет среза грунта по образовавшейся цилиндрической поверхности, и определение по величине крутящего момента параметра прочности грунта, что совпадает с существенными признаками известного способа.

Кроме того, погружаемая в грунт крыльчатка имеет криволинейные в поперечном сечении лопасти, изогнутые в одном направлении кручения, а крутящий момент прикладывают сначала в одном направлении (по часовой стрелке), после чего крыльчатку погружают вторично на большую глубину или в соседнюю, близко расположенную в плане скважину и прикладывают крутящий момент в другом направлении (против часовой стрелки), определяют максимальные крутящие моменты при кручении в разных направлениях, а об угле внутреннего трения и удельном сцеплении грунта судят по величине полученных максимальных крутящих моментов при кручении в разных направлениях.

Кроме того, используют от 2 до 4 сменных крыльчаток с разной степенью кривизны поверхностей и соответственно проводят испытания по часовой стрелке и против нее по числу крыльчаток разной формы, а о прочностных свойствах грунта судят по всем полученным максимальным значениям крутящих моментов.

Положительный результат предлагаемого изобретения состоит в повышении диапазона измеряемых параметров, повышении технологичности, снижении стоимости, времени измерения и повышении точности измерения.

Сущность изобретения поясняется на чертежах (фиг. 1-8).

На фиг. 1 представлена схема вращения крыльчатки с прямыми лопастями.

На фиг. 2 представлена схема вращения крыльчатки с изогнутыми лопастями.

На фиг. 3 представлен общий вид крыльчатки с прямыми лопастями (фото экспериментальной установки для реализации известного метода).

На фиг. 4 представлен общий вид крыльчатки с изогнутыми лопастями (фото экспериментальной установки для реализации предлагаемого метода).

На фиг. 5 представлено фото, иллюстрирующее процесс проведения испытаний, в частности показан характер поверхности скольжения при кручении крыльчатки против часовой стрелки.

На фиг. 6 представлено фото, иллюстрирующее процесс проведения испытаний, в частности показан характер поверхности скольжения при кручении крыльчатки по часовой стрелке.

На фиг. 7 представлены результаты численных расчетов крыльчатки с криволинейными лопастями при кручении по часовой стрелке, в частности наличие зон с голубой окраской указывает на повышенные значения деформационных напряжений.

На фиг. 8 представлены результаты численных расчетов крыльчатки с криволинейными лопастями при кручении против часовой стрелки, в частности отсутствие зон с голубой окраской указывает на пониженные значения деформационных напряжений.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что внедряемая в грунт крыльчатка имеет в сечении не прямые, а криволинейные (изогнутые) лопасти, выпуклые в одну сторону по направлению вращения и вогнутые в другую, как это показано на фиг. 2 и фиг. 4. Такая геометрия крыльчатки позволяет при кручении в одну сторону максимально снизить возникающие неконтролируемые радиальные сжимающие напряжения к цилиндрической поверхности среза, а при кручении в противоположную сторону увеличить значение этих напряжений (по сравнению с крыльчаткой с прямолинейными лопастями). Максимальный крутящий момент при кручении в одну и другую сторону может быть легко измерен. Если удастся определить величину возникающих радиальных напряжений при кручении криволинейной крыльчатки в разные стороны, то можно будет из выражения (1), записанного в цилиндрических координатах раздельно, определить угол внутреннего трения (ϕ) и удельного сцепления (с), путем решения системы двух линейных уравнений с двумя неизвестными.

Это можно сделать несколькими способами:

- геометрическим способом, определив величину и направление равнодействующей силы, возникающей в грунте при кручении в каждом секторе криволинейной крыльчатки и разложив ее на касательную и нормальную проекцию к цилиндрической поверхности среза;

- с использованием теоретических решений, полученных методами механики грунтов. Для этого необходимо решить соответствующую задачу предельного равновесия, отвечающую схемам испытания. В качестве первого приближения можно использовать теоретическое решение для определения предельной нагрузки при наклонной внецентренной загрузке, полученное М.В. Малышевым графоаналитическим методом, или другие решения (Цытович Н.А. Механика грунтов, М., «Высшая школа», 1979 г., с. 124-125). С достаточной для практических целей точностью возникающие радиальные напряжения можно вычислить, используя формулы для определения активного и пассивного давления грунта. При перемещении выпуклой стороны «в сторону грунта» от кручения максимальная величина отпора грунта будет равна пассивному давлению:

При кручении в обратную сторону минимальное давление грунта на цилиндрическую плоскость среза будет равно активному давлению грунта:

где γ - удельный вес грунта;

σ_пасс - пассивное давление грунта;

σ_акт - активное давление грунта.

Это позволяет построить номограмму, по которой по величине крутящих моментов и их отношению можно определить из двух опытов на кручение в разные стороны искомые параметры прочности - угол внутреннего трения (ϕ) и удельное сцепление (с).

Путем численного решения задачи о кручении крыльчатки с криволинейными лопастями по часовой стрелке и против часовой стрелки были получены все составляющие возникающих в грунте напряжений (и перемещений). Пример такого решения приведен на фиг. 3. Расчеты выполнялись с использованием программного комплекса Abacus. Результаты вариантных расчетов для лопастей различной кривизны и различного направления вращения также позволяют построить соответствующие номограммы, по которым по величинам, полученных из двух опытов кручения крыльчатки по и против часовой стрелки, можно определить угол внутреннего трения и удельного сцепления.

Форма лопастей крыльчатки (степень кривизны) подбирается таким образом, чтобы при кручении в одну сторону величина возникающих сжимающих напряжений, действующих перпендикулярно цилиндрической поверхности сдвига, была минимальной.

Для повышения точности испытаний возможно сделать крыльчатку с различной степенью кривизны, что позволит получить промежуточные точки.

Покажем, что требуемый технический результат достигается за счет существенных отличий предлагаемого.

То, что в предлагаемом способе осуществляют задавливание в забой скважины лопастной крыльчатки, приложение к ней возрастающего момента, фиксацию максимального крутящего момента, приводящего к повороту крыльчатки за счет среза грунта по образовавшейся цилиндрической поверхности, и определение по величине крутящего момента параметра прочности грунта, при этом погружаемая в грунт крыльчатка имеет криволинейные в поперечном сечении лопасти, изогнутые в одном направлении кручения, а крутящий момент прикладывают сначала в одном направлении (по часовой стрелке), после чего крыльчатку погружают вторично на большую глубину или в соседнюю близко расположенную в плане скважину и прикладывают крутящий момент в другом направлении (против часовой стрелки), а также определяют максимальные крутящие моменты при кручении в разных направлениях, а об угле внутреннего трения и удельном сцеплении грунта судят по величине полученных максимальных крутящих моментов при кручении в разных направлениях - все это обеспечивает достижение положительного эффекта, который состоит в повышении диапазона измеряемых параметров, повышении технологичности, снижении стоимости, и времени измерения и повышении точности измерения.

То, что в предлагаемом способе используют несколько сменных крыльчаток с разной степенью кривизны поверхностей и, соответственно, производят испытания по часовой стрелке и против нее по числу крыльчаток разной формы, а о прочностных свойствах грунта судят по всем полученным максимальным значениям крутящих моментов также обеспечивает достижение вышеуказанного положительного эффекта.

В рамках данной заявки предлагается также устройство для реализации вышеуказанного предлагаемого способа. В вышеуказанных аналоге и прототипе [1, 2: Цытович Н.А. Механика грунтов, М., Высшая школа, 1979 г., сс. 41-50 и 55-56] приведено известное устройство, содержащее центральную штангу с ручкой для создания крутящего момента и с торсиометром (измерителем приложенного момента) в верхней части штанги, а также крыльчатку, соединенную с центральной штангой, размещенную в нижней части штанги. Недостаток указанного устройства состоит в том, что при его использовании обнаружены вышеприведенные недостатки известных способов - понижение диапазона измеряемых параметров, понижение технологичности и стоимости измерения, а также повышение времени и понижение точности измерения.

Указанные недостатки преодолеваются в предлагаемом устройстве для определения параметров прочности грунта методом вращательного среза и реализации способа по п. 1, содержащем центральную штангу с ручкой для создания крутящего момента и с торсиометром (измерителем приложенного момента) в верхней части штанги, а также крыльчатку, соединенную с центральной штангой, размещенную в нижней части штанги, что совпадает с существенными признаками известного устройства.

Кроме того, торсиометр (измеритель момента) выполнен с возможностью определять момент при кручении штанги как в одном, так и в другом направлении, а крыльчатка имеет криволинейные в поперечном сечении лопасти, изогнутые в одном направлении кручения.

Кроме того, форма лопастей крыльчатки (степень кривизны) подбирается таким образом, чтобы при кручении в одну сторону величина возникающих сжимающих напряжений, действующих перпендикулярно цилиндрической поверхности сдвига, была минимальной.

Кроме того, на торсиометр установлена ручка для создания крутящего момента вручную или установлен редуктор для создания возрастающего крутящего момента в двух направлениях - по и против часовой стрелки.

Кроме того, на торсиометр установлен редуктор для создания возрастающего крутящего момента в двух направлениях - по и против часовой стрелки.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. В забой скважины погружается (задавливается) крыльчатка с криволинейными в поперечном сечении лопастями, выпуклыми в одну сторону по направлению вращения и вогнутыми в другую сторону. Далее к погруженной в грунт крыльчатке через центральный шток вручную или при помощи редуктора прикладывают ступенчато возрастающий крутящий момент, вращающий крыльчатку по часовой стрелке. Максимальный крутящий момент, соответствующий сдвигу грунта по цилиндрической поверхности, фиксируют. Затем крыльчатку извлекают, забой скважины очищают от разрушенного грунта и вновь задавливают крыльчатку в ненарушенный аналогичный грунт (или задавливают крыльчатку в забой близко расположенной скважины). К крыльчатке прикладывают противоположно направленный крутящий момент, поворачивая крыльчатку против часовой стрелки. Максимальный крутящий момент, соответствующий сдвигу грунта по цилиндрической поверхности, также фиксируют. По полученным двум значениям максимальных крутящих моментов, используя номограммы, построенные на основе аналитических или численных решений, судят о параметрах прочности грунта - угле внутреннего трения (ϕ) и удельном сцеплении (с).

Покажем, что требуемый технический результат достигается за счет существенных отличий предлагаемого устройства.

То, что предлагаемое устройство, содержащее центральную штангу с ручкой для создания крутящего момента и с торсиометром (измерителем приложенного момента) в верхней части штанги, а также крыльчатку, соединенную с центральной штангой, размещенную в нижней части штанги, также содержит торсиометр (измеритель момента), который выполнен с возможностью определять момент при кручении штанги как в одном, так и в другом направлении, а крыльчатка имеет криволинейные в поперечном сечении лопасти, изогнутые в одном направлении кручения, обеспечивает достижение положительного эффекта, который состоит в повышении диапазона измеряемых параметров, повышении технологичности, снижении стоимости, и времени измерения и повышении точности измерения, т.к. позволяет раздельно определить необходимые параметры прочности - угол внутреннего трения (ϕ) и удельного сцепления (с). Кроме того, существенные отличительные признаки позволяют быстро и эффективно производить испытания. При этом, используя предлагаемый принцип, возможно создание легкого ручного испытательного оборудования для инженерно-геологических экспресс-испытаний в любых походных и полевых условиях, в труднодоступных для техники местах.

То, что в предлагаемом устройстве форма лопастей крыльчатки (степень кривизны) подбирается таким образом, чтобы при кручении в одну сторону величина возникающих сжимающих напряжений, действующих перпендикулярно цилиндрической поверхности сдвига, была минимальной, повышает технологичность измерений, уменьшает весогабаритные характеристики и снижает стоимость устройства.

То, что в предлагаемом устройстве на торсиометр установлена ручка для создания крутящего момента вручную в двух направлениях - по и против часовой стрелки, также обеспечивает достижение вышеуказанного положительного эффекта.

То, что в предлагаемом устройстве на торсиометр установлен редуктор для создания возрастающего крутящего момента в двух направлениях - по и против часовой стрелки, также обеспечивает достижение вышеуказанного положительного эффекта.

В заключение резюмируем значение и значимость существенных отличий предлагаемого способа и устройства для его реализации:

- испытания проводят крыльчаткой с криволинейными лопастями;

- лопасти имеют выпуклую и вогнутую сторону;

- выпуклая (вогнутая) сторона лопастей направлена в одну сторону по направлению кручения;

- форма (кривизна) лопастей подобрана таким образом, чтобы при вращении в одну сторону максимально снизить возникающие радиальные сжимающие напряжения, действующие перпендикулярно цилиндрической поверхности среза, а при кручении в противоположную сторону - чтобы эти напряжения, наоборот, были максимально большими;

- сначала проводят одно испытание, вращая крыльчатку по часовой стрелке, а затем в другом месте на аналогичном грунте и в аналогичных условиях проводят второе испытание, вращая крыльчатку против часовой стрелки;

- устройство имеет прибор, позволяющий определять максимальный крутящий момент как в направлении по часовой, так и против часовой стрелки и соответственно нагрузочное устройство (редуктор) может осуществлять кручение в двух направлениях;

- о параметрах прочности грунта судят не по одному максимальному значению крутящего момента, а по двум значениям и по их отношению (чем больше разница между крутящими моментами по и против часовой стрелки, тем больше угол внутреннего трения грунта, величину которого можно определить по номограмме);

- для получения промежуточных значений в испытаниях можно использовать дополнительно сменные крыльчатки с разной кривизной.

Предлагаемые способ и устройство для его реализации обладают большими преимуществами (положительным эффектом) по сравнению с прототипом и другими методами испытаний:

- в отличие от прототипа способ позволяет раздельно определить необходимые параметры прочности - угол внутреннего трения (ϕ) и удельного сцепления (с);

- способ прост в технической реализации и позволяет быстро и эффективно производить испытания. При этом, используя предлагаемый принцип, возможно создание легкого ручного испытательного оборудования для инженерно-геологических экспресс-испытаний в любых походных и полевых условиях, в труднодоступных для техники местах (на откосах, вершинах возвышенностей, в траншеях, шурфах и штольнях и т.д.).

Способ и экспериментальное устройство апробированы в лабораторных условиях. Результаты экспериментов (для трех видов грунтов - песка средней крупности, средней плотности, суглинка мягкопластичного и полутвердой глины) по предлагаемому способу сравнивались с результатами стандартных сдвиговых испытаний и показали хорошую сходимость.