RU2328717C1

RU2328717C1 - Method of investigating mechanical properties of soils, quick and powder materials and device for implementing method

Info

Publication number: RU2328717C1
Application number: RU2006140223/28A
Authority: RU
Inventors: ков Альберт Павлович Бобр (RU); Альберт Павлович Бобряков; гин Александр Васильевич Луб (RU); Александр Васильевич Лубягин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Проектно-строительная компания "Фундамент"
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2006-11-14
Publication date: 2008-07-10

Abstract

FIELD: testing engineering.

SUBSTANCE: material is put into a mould. The material and the mould are loaded through repeated deformation. After repeated deformation, a hard hollow cylindrical cup is impressed into the material up to the height of the sample of the material. The hollow cup is turned about its axis together with the material inside it. The hollow cup is withdrawn from the sample of the material and filled in the same direction. The deformation strain is determined, and from it, the properties of the materials are determined. The device consists of a shift loading mechanism, made in form of a compartment with hard moveable walls, and joined using hinges, and a bottom, made from separate plates, as well as an element for measuring load trajectory, made in form of a rigid hollow thin-walled circular cylindrical cup.

EFFECT: increased accuracy of measurements.

2 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к испытательной технике и позволяет изучать механические свойства грунтов, сыпучих и порошковых материалов.The present invention relates to testing equipment and allows you to study the mechanical properties of soils, bulk and powder materials.

Известен способ испытания сыпучих материалов (Бугров А.К., Нарбут P.M., Сипидин В.П. Исследование грунтов в условиях трехосного сжатия. - Л.: Стройиздат, 1987), основанный на изменении траектории в процессе нагружения. Известный способ заключается в том, что образец материала помещают в резиновую оболочку и подвергают гидростатическому обжатию, а затем осуществляют сложное нагружение образца, по результатам которого судят о свойствах материала.A known method of testing bulk materials (Bugrov AK, Narbut P.M., Sipidin VP Study of soils under conditions of triaxial compression. - L .: Stroyizdat, 1987), based on a change in the trajectory during loading. The known method consists in the fact that a sample of the material is placed in a rubber shell and subjected to hydrostatic compression, and then a complex loading of the sample is carried out, the results of which judge the properties of the material.

Сыпучие среды и грунты в обычном состоянии не воспринимают деформации растяжения. После же трехосного сжатия сдавленный образец приобретает способность воспринимать нагрузки осевого сжатия либо кручения. Изменяя нагрузки, независимо передаваемые на образец материала, можно реализовать не только прямолинейную траекторию нагружения (простое нагружение), но и сложное нагружение по криволинейным траекториям, позволяющее получить существенно больше информации о свойствах материала.Bulk media and soils in the normal state do not perceive tensile deformations. After triaxial compression, the compressed sample acquires the ability to absorb axial compression or torsion loads. By changing the loads that are independently transferred to the material sample, it is possible to realize not only a rectilinear loading path (simple loading), but also complex loading along curved paths, which allows to obtain significantly more information about the material properties.

К недостаткам известного способа следует отнести сложность и высокую стоимость приборов для трехосного сжатия. Кроме того, в замкнутом объеме, в котором находится испытуемый материал, невозможно изучать поведение сыпучих сред в условиях свободного дилатирования, часто встречающихся в практической деятельности, например в сфере технологических процессов по переработке сыпучих материалов, при выпуске из бункеров, транспортировке и т.д.The disadvantages of this method include the complexity and high cost of devices for triaxial compression. In addition, in the confined space in which the test material is located, it is impossible to study the behavior of bulk media under conditions of free dilatation, which are often found in practical activities, for example, in the field of technological processes for the processing of bulk materials, when released from bunkers, transportation, etc.

Наиболее близкими техническими решениями по совокупности существенных признаков и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению являются способ исследования механических свойств порошковых материалов и устройство для его осуществления по авторскому свидетельству СССР №1534369, МПК 5 G01N 3/24, опубл. 07.01.1990, Бюл. №1). Известный способ заключается в том, что испытуемый материал помещают в форму в виде упругой цилиндрической оболочки, совместно циклически деформируют их, придавая оболочке эллиптическую в поперечном сечении форму и поворачивая в начале каждого цикла оболочку с материалом вокруг ее оси, и определяют усилие деформирования, по которому судят о свойствах материала.The closest technical solutions for the combination of essential features and the achieved effect to the present invention are a method for studying the mechanical properties of powder materials and a device for its implementation according to the USSR copyright certificate No. 1534369, IPC 5 G01N 3/24, publ. 01/07/1990, Bull. No. 1). The known method consists in the fact that the test material is placed in a form in the form of an elastic cylindrical shell, together they cyclically deform them, giving the shell an elliptical cross-sectional shape and turning the shell with the material at the beginning of each cycle around its axis, and determine the deformation force, according to which judge the properties of the material.

Одним из основных параметров, характеризующих сыпучую среду при сдвиге, является дилатансия - изменение объема, возникающего за счет изменения взаимного положения частиц. Основным недостатком способа по а.с. №1534369 является непостоянство объема камеры при сдвиге, поскольку при фиксированной длине оболочки преобразование ее сечения из круга в эллипс обязательно сопровождается изменением объема. Это приводит не только к погрешности измерения дилатансии, но и напряженного состояния образца в сравнении с условиями, когда испытательная камера при сдвиге имеет постоянный объем.One of the main parameters characterizing a granular medium during shear is dilatancy — a change in volume arising from a change in the relative position of the particles. The main disadvantage of the method as. No. 1534369 is the inconstancy of the volume of the chamber during shear, since for a fixed length of the shell, the transformation of its section from a circle into an ellipse is necessarily accompanied by a change in volume. This leads not only to an error in the measurement of dilatancy, but also to the stress state of the sample in comparison with the conditions when the test chamber during shear has a constant volume.

Недостатком устройства по а.с. №1534369 так же, как и самого способа, для реализации которого оно используется, является невозможность получения достоверных данных о свойствах испытуемого материала при сдвиге и о напряженном состоянии деформированного образца. Для получения таких данных необходимо оборудование, в котором испытательная камера не меняет объем при сдвиге.The disadvantage of the device as. No. 1534369, as well as the method for the implementation of which it is used, is the impossibility of obtaining reliable data on the properties of the test material under shear and on the stress state of the deformed sample. To obtain such data, equipment is needed in which the test chamber does not change the volume during shear.

Техническая задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в повышении точности измерений при получении дополнительной информации о механических свойствах сыпучего материала при изменении траектории нагружения.The technical problem solved in the present invention is to improve the accuracy of measurements when obtaining additional information about the mechanical properties of granular material when changing the loading path.

Поставленная задача решается тем, что в способе исследования механических свойств грунтов, сыпучих и порошковых материалов, включающем помещение материала в форму, их совместное нагружение посредством циклического деформирования и определение усилия деформирования, по которому судят о свойствах материала, после проведения циклического деформирования в материал внедряют полый жесткий круговой цилиндрический стакан на всю высоту образца материала, поворачивают полый стакан вместе с находящимся внутри него материалом вокруг своей оси, извлекают полый стакан из образца материала и догружают в том же направлении.The problem is solved in that in a method for studying the mechanical properties of soils, bulk and powder materials, including placing the material in a mold, their joint loading by cyclic deformation and determining the deformation force, which is used to judge the properties of the material, after hollow deformation is introduced into the material a rigid circular cylindrical glass to the entire height of the sample material, turn the hollow glass with the material inside it around its axis , Hollow glass recovered from the sample material and reloaded in the same direction.

Приведенная последовательность операций позволяет получить составной образец, центральная часть которого имеет направление анизотропии, отличное от материала, находящегося на периферии. При этом граница раздела отсутствует, а формоизменение камеры при сдвиге в процессе дальнейшего догружения в том же направлении осуществляется при постоянном объеме всего образца и его центральной части, что позволит получить более точные и достоверные данные о свойствах испытуемого материала.The above sequence of operations allows one to obtain a composite sample, the central part of which has an anisotropy direction different from the material located on the periphery. At the same time, the interface is absent, and the shape of the chamber during shear during further loading in the same direction is carried out with a constant volume of the entire sample and its central part, which will allow obtaining more accurate and reliable data on the properties of the test material.

Устройство для исследования механических свойств грунтов, сыпучих и порошковых материалов так же, как и устройство по а.с. №1534369, включает механизм нагружения сдвигом, выполненный в виде не меняющей объем камеры с жесткими подвижными стенками, соединенными посредством шарниров, и дном, выполненным из отдельных пластин. Дополнительно предлагаемое устройство снабжено элементом изменения траектории нагружения, выполненным в виде жесткого полого тонкостенного кругового цилиндрического стакана.A device for studying the mechanical properties of soils, bulk and powder materials, as well as a device for A.S. No. 1534369, includes a shear loading mechanism made in the form of a chamber that does not change the volume with rigid movable walls connected by hinges and a bottom made of separate plates. Additionally, the proposed device is equipped with an element for changing the loading path, made in the form of a rigid hollow thin-walled circular cylindrical glass.

Снабжение устройства элементом изменения траектории в виде жесткого полого тонкостенного кругового цилиндрического стакана позволяет получить составной образец с разными направлениями анизотропии в каждой его части без изменения объема материала при сдвиге. Использование предлагаемой конструкции обеспечит повышение точности измерений при получении дополнительной информации о механических свойствах сыпучего материала.Providing the device with an element for changing the trajectory in the form of a rigid hollow thin-walled circular cylindrical glass allows you to get a composite sample with different directions of anisotropy in each part without changing the volume of the material during shear. Using the proposed design will increase the accuracy of measurements when obtaining additional information about the mechanical properties of bulk material.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено устройство для исследования механических свойств грунтов, сыпучих и порошковых материалов, на фиг.2 - вид линий скольжения, образующихся на поверхности однородного образца, на фиг.3 - вид линий скольжения при деформировании составного образца.The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a device for studying the mechanical properties of soils, bulk and powder materials, Fig. 2 is a view of slip lines formed on the surface of a homogeneous sample, and Fig. 3 is a view of slip lines during deformation of a composite sample .

Устройство для исследования механических свойств грунтов, сыпучих и порошковых материалов включает в себя механизм нагружения сдвигом, выполненный в виде камеры с жесткими подвижными стенками 1, соединенными посредством шарниров 2, и дном, выполненным из отдельных пластин 3. Устройство снабжено элементом изменения траектории нагружения, выполненным в виде жесткого полого тонкостенного кругового цилиндрического стакана 4. Сдвиг осуществляется посредством реверсивного двигателя 5, редуктора 6 и червячной передачи 7.A device for studying the mechanical properties of soils, bulk and powder materials includes a shear loading mechanism made in the form of a chamber with rigid movable walls 1 connected by hinges 2 and a bottom made of separate plates 3. The device is equipped with an element for changing the loading path made in the form of a rigid hollow thin-walled circular cylindrical cup 4. The shift is carried out by means of a reversing engine 5, a gearbox 6 and a worm gear 7.

Реализация предлагаемого способа и работа устройства осуществляются следующим образом.The implementation of the proposed method and the operation of the device are as follows.

Камеру заполняют сыпучим материалом 8. При этом материал можно считать изотропным с хорошим приближением. Затем осуществляют его циклическое деформирование за счет сдвига подвижных стенок 1 и связанных с ними пластин 3 дна камеры при помощи двигателя 5. Уже после первого цикла деформирования материал приобретает механическую анизотропию. При дальнейшем нагружении по неизменной траектории степень анизотропии возрастает, а затем стабилизируется. После нескольких циклов нагружения камеру останавливают в положении, соответствующем ее прямоугольному сечению. В центральную часть образца материала внедряют жесткий полый тонкостенный круговой цилиндрический стакан 4 и поворачивают его вокруг оси на заданный угол. За счет бокового распора и трения на внутренних стенках создаются усилия вращения материала, превосходящие силы трения его на контакте с дном камеры. Это обеспечивается за счет несоизмеримо большей внутренней боковой поверхности стакана 4 по сравнению с площадью его сечения. Итак, при повороте стакана 4 материал 8, находящийся внутри него, также поворачивается, в результате чего направления анизотропии в нем и остальной части образца материала 8 не совпадают. Затем стакан 4 извлекают, при этом против сил трения работает вес материала 8, который надежно удерживает образец в исходном вертикальном положении. После излома траектории осуществляют догружение материала 8 сдвигом камеры в том же направлении до полного цикла нагружения. Определяя усилия деформирования при догружении в зависимости от угла поворота стакана 4 судят о прочностных свойствах материала.The chamber is filled with bulk material 8. In this case, the material can be considered isotropic with a good approximation. Then carry out its cyclic deformation due to the shift of the movable walls 1 and the associated plates 3 of the bottom of the chamber using the engine 5. Already after the first cycle of deformation, the material acquires mechanical anisotropy. With further loading along an unchanged trajectory, the degree of anisotropy increases and then stabilizes. After several loading cycles, the chamber is stopped in a position corresponding to its rectangular section. A rigid hollow thin-walled circular cylindrical glass 4 is introduced into the central part of the material sample and rotated around an axis by a predetermined angle. Due to lateral expansion and friction on the inner walls, forces of rotation of the material are created that exceed its friction forces in contact with the bottom of the chamber. This is due to the disproportionately larger inner side surface of the glass 4 in comparison with its cross-sectional area. So, when turning the cup 4, the material 8 inside it also rotates, as a result of which the directions of anisotropy in it and the rest of the sample of material 8 do not coincide. Then the glass 4 is removed, while against the friction forces the weight of the material 8, which reliably holds the sample in its original vertical position. After a fracture of the trajectory, material 8 is loaded by moving the chamber in the same direction until the complete loading cycle. Determining the efforts of deformation during loading, depending on the angle of rotation of the glass 4 judge the strength properties of the material.

В качестве дополнительной информации на примере локализации деформации на фиг.2 и фиг.3 представлены результаты испытаний соответственно однородного и составного образцов материла.As additional information on the example of localization of deformation in figure 2 and figure 3 presents the test results of a homogeneous and composite samples of the material, respectively.

Вид линий скольжения, образовавшихся после нагружения однородно-анизотропного материала, показан на фиг.2. Как видно, образуется два семейства параллельных линий скольжения, пересекающихся под некоторым углом.The view of the slip lines formed after loading a uniformly anisotropic material is shown in FIG. As can be seen, two families of parallel slip lines are formed, intersecting at a certain angle.

При деформировании неоднородно-анизотропного материала (составного образца) вид линий скольжения (фиг.3) по форме напоминает восьмиконечную звезду, а его центральная часть обрамлена квадратом. Из всей образовавшейся сетки линий скольжения по направлениям можно выделить уже четыре семейства.When a non-uniformly anisotropic material (composite sample) is deformed, the appearance of the slip lines (Fig. 3) resembles an eight-pointed star in shape, and its central part is framed by a square. Out of the entire formed grid of slip lines in directions, four families can be distinguished.

Таким образом, если в однородном изотропном или анизотропном материале сеть линий скольжения образует два пересекающихся семейства параллельных прямых, покрывающих всю поверхность образца, то в составном образце за счет включения локализация происходит по четырем направлениям, не затрагивая материал центральной части.Thus, if in a homogeneous isotropic or anisotropic material the network of slip lines forms two intersecting families of parallel straight lines covering the entire surface of the sample, then localization in the composite sample occurs in four directions without affecting the material of the central part.

Claims

1. A method for studying the mechanical properties of soils, bulk and powder materials, including placing the material in a mold, their joint loading by cyclic deformation and determining the deformation force, which is used to judge the properties of the material, characterized in that after cyclic deformation, a hollow hard material is introduced into the material circular cylindrical glass to the entire height of the sample material, rotate the hollow glass with the material inside it around its axis, remove the hollow a glass from a sample of material and load in the same direction.

2. A device for studying the mechanical properties of soils, bulk and powder materials, including a shear loading mechanism made in the form of a chamber with rigid movable walls connected by hinges and a bottom made of separate plates, characterized in that it is additionally equipped with a path change element loading, made in the form of a rigid hollow thin-walled circular cylindrical glass.