RU2437057C1 - Apparatus for measuring deformation and stress in ice cover - Google Patents
Apparatus for measuring deformation and stress in ice cover Download PDFInfo
- Publication number
- RU2437057C1 RU2437057C1 RU2010125749/28A RU2010125749A RU2437057C1 RU 2437057 C1 RU2437057 C1 RU 2437057C1 RU 2010125749/28 A RU2010125749/28 A RU 2010125749/28A RU 2010125749 A RU2010125749 A RU 2010125749A RU 2437057 C1 RU2437057 C1 RU 2437057C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ice
- pedestal
- quartz
- rods
- parametric
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области исследования физико-механических свойств льда и, в частности, ледотехнике и предназначено для измерения относительных деформаций и напряжений ледяного покрова, вызванных природными явлениями и техническими воздействиями.The invention relates to the field of research of the physicomechanical properties of ice and, in particular, ice engineering, and is intended to measure the relative deformations and stresses of the ice sheet caused by natural phenomena and technical influences.
Известны кварцевые штанговые линейные деформометры для измерения относительных деформаций земной коры, вызываемых приливными волнами и землетрясениями [1, 2]. Такие устройства устанавливают в специально построенных шахтах, где климатические влияния на работу прибора практически отсутствуют. При этом один конец штанги заделывается в бетонное основание, а свободный конец покоится на подвесной опоре у другого основания. Оба основания заделываются в скальный грунт шахты.Known quartz rod linear deformometers for measuring the relative deformations of the earth's crust caused by tidal waves and earthquakes [1, 2]. Such devices are installed in specially constructed mines, where climatic effects on the operation of the device are practically absent. In this case, one end of the rod is embedded in a concrete base, and the free end rests on the suspension support at the other base. Both bases are embedded in the rocky soil of the mine.
Недостатками устройства являются невозможность определения главных деформаций грунта и отсутствие компенсации температурных колебаний воздуха. Кроме того, заделка кварцевой штанги в бетонном основании и способ вмонтирования основания в грунт неприемлемы для ледовых условий эксплуатации устройства.The disadvantages of the device are the inability to determine the main deformations of the soil and the lack of compensation for temperature fluctuations in the air. In addition, the incorporation of a quartz rod in a concrete base and the method of mounting the base in the ground are unacceptable for the ice operating conditions of the device.
Известно устройство для измерения деформаций льда [3], которое содержит кварцевую штангу, один конец которой жестко связан с основанием, вмороженным в лед. У свободного конца штанги вмораживается стойка с термокомпенсационным штоком, на котором крепится преобразователь перемещений свободного конца кварцевой штанги. Недостатком устройства является невозможность определить главные деформации в плоскости льдины и тем самым определить эллипс деформации и азимут источника деформирования льда.A device for measuring ice deformation [3] is known, which comprises a quartz rod, one end of which is rigidly connected to a base frozen in ice. At the free end of the rod, a stand with a thermocompensation rod, on which the transducer of displacements of the free end of the quartz rod is mounted, is frozen. The disadvantage of this device is the inability to determine the main deformation in the plane of the ice and thereby determine the ellipse of deformation and the azimuth of the source of ice deformation.
Известен датчик давления [4] во льду, выполненный в виде упругого полого шара, в котором в трех взаимно перпендикулярных направлениях расположены параметрические преобразователи, каждый из них закреплен в двух точках, расположенных диаметрально противоположно на внутренней стенке шара. При помощи такого устройства можно определить эллипс напряжений в ледяном покрове и азимут на источник напряжений. Недостатком датчика давления является невозможность определения деформаций льда.A known pressure sensor [4] in ice, made in the form of an elastic hollow ball, in which parametric transducers are located in three mutually perpendicular directions, each of them is fixed at two points located diametrically opposite on the inner wall of the ball. Using such a device, it is possible to determine the stress ellipse in the ice cover and the azimuth to the stress source. The disadvantage of the pressure sensor is the inability to determine ice deformations.
Известно устройство для измерения деформаций льда [5], взятое за прототип, которое снабжено тремя кварцевыми штангами, закрепленными в постаменте, вмороженном в лед. Штанги расходятся под углами 120° в сторону стоек, также вмороженных в лед. На стойках закреплены термокомпенсационные штоки с параметрическими датчиками перемещения свободных концов штанг. Такая установка штанг и закрепление их концов обеспечивает определение главных деформаций в плоскости льдины и азимута источника деформирования льда в непрерывном режиме работы на основании следующих формул:A device for measuring ice deformation [5], taken as a prototype, which is equipped with three quartz rods mounted in a pedestal, frozen in ice. The rods diverge at angles of 120 ° towards the racks, also frozen into ice. Thermal compensation rods with parametric sensors for moving the free ends of the rods are fixed on the racks. This installation of the rods and fixing their ends provides the determination of the main deformations in the plane of the ice and the azimuth of the source of ice deformation in continuous operation based on the following formulas:
где εφ - деформация в направлении, образующем с осью X произвольно выбранной системы координат X, Y угол φ: εI и εII - главные деформации (максимальная и минимальная) в направлении главных осей I и II, образующие с осью X углы φ0 и (φ0-π/2) соответственно.where ε φ is the strain in the direction that forms the angle φ with the X axis of an arbitrarily chosen coordinate system X, Y: ε I and ε II are the principal deformations (maximum and minimum) in the direction of the main axes I and II, which form the angles φ 0 with the X axis and (φ 0 -π / 2), respectively.
; ;
где ε1, ε2, ε3 - измеренные деформации на каждой штанге. Кроме того, устройство снабжено приспособлением, которое позволяет проводить калибровку без перерыва работы деформометра. Это обеспечивает гидравлический трансформатор, расположенный на постаменте, с тремя рабочими штоками, упирающимися в хомуты с зажатыми в них концами кварцевых штанг. Сами хомуты прижимаются четырьмя плоскими пружинами к упорам, жестко скрепленным с постаментом. Четвертый задающий шток, расположенный в верхней части гидротрансформатора, вводится в камеру гидротрансформатора микрометрическим винтом. Таким образом, осуществляется подача калибровочного сигнала в виде ступени на все три штанги. Недостатком прототипа является то, что устройство не предназначено для измерения напряжений во льду.where ε 1 , ε 2 , ε 3 are the measured strains on each bar. In addition, the device is equipped with a device that allows calibration without interruption of the work of the strainmeter. This provides a hydraulic transformer located on a pedestal, with three working rods resting on clamps with the ends of quartz rods clamped in them. The clamps themselves are pressed by four flat springs to the stops rigidly fastened to the pedestal. The fourth master rod located in the upper part of the torque converter is inserted into the torque converter chamber with a micrometer screw. Thus, a calibration signal is supplied in the form of a step to all three rods. The disadvantage of the prototype is that the device is not designed to measure stresses in ice.
Целью изобретения является обеспечение определения напряженно-деформированного состояния льда на основании одновременного измерения главных напряжений и главных деформаций совместно с определением азимута источника деформирования льда; определение модуля упругости льда; определение анизотропного состояния льда; определение затухания напряжений в ледяном покрове.The aim of the invention is the provision of determining the stress-strain state of ice based on the simultaneous measurement of principal stresses and principal strains together with the determination of the azimuth of the source of ice deformation; determination of the elastic modulus of ice; determination of the anisotropic state of ice; determination of attenuation of stresses in the ice cover.
Указанный результат достигается тем, что постамент и стойки выполнены в виде полых жестких цилиндров с дном полусферической формы. Такая конфигурация минимизирует концентрацию напряжений при их замораживании в лед. В постаменте располагаются ниже поверхности льда три параметрических датчика, каждый из которых закреплен внутри цилиндра в двух точках, расположенных диаметрально противоположно в горизонтальной плоскости. При этом оси чувствительности датчиков расходятся под углами 120° и совпадают с направлением осей чувствительности кварцевых штанг устройства. Такая установка параметрических датчиков в постаменте обеспечивает определение главных напряжений и азимута источника напряженного состояния льда в плоскости льдины на основании следующих формул:This result is achieved in that the pedestal and racks are made in the form of hollow rigid cylinders with a hemispherical bottom. This configuration minimizes the concentration of stresses when they are frozen in ice. Three parametric sensors are located in the pedestal below the ice surface, each of which is fixed inside the cylinder at two points located diametrically opposite in the horizontal plane. In this case, the sensitivity axes of the sensors diverge at angles of 120 ° and coincide with the direction of the sensitivity axes of the quartz rods of the device. This installation of parametric sensors in the pedestal provides the determination of the main stresses and azimuth of the source of the stress state of ice in the ice plane on the basis of the following formulas:
, ,
где σψ - напряжение в направлении, образующем с осью X произвольно выбранной системы координат X, Y угол ψ: σI и σII - главные напряжения (максимальное и минимальное) в направлении главных осей I и II, образующие с осью X углы ψ0 и (ψ0-π/2) соответственно.where σ ψ is the stress in the direction that forms the angle ψ with the X axis of the arbitrarily chosen coordinate system X, Y: σ I and σ II are the principal stresses (maximum and minimum) in the direction of the main axes I and II, which form the angles ψ 0 with the X axis and (ψ 0 -π / 2), respectively.
; ;
где σ1, σ2, σ3 - измеренные напряжения на каждом параметрическом датчике, установленном внутри постамента.where σ 1 , σ 2 , σ 3 are the measured voltages at each parametric sensor installed inside the pedestal.
По измеренным главным напряжениям и деформациям определяются модули упругости льда:From the measured principal stresses and strains, the elastic moduli of ice are determined:
; ;
, ,
где EI, EII - модули упругости в направлении максимальных и минимальных напряжений и деформаций соответственно. Это также дает возможность характеризовать анизотропность ледяного покрова.where E I , E II are the elastic moduli in the direction of the maximum and minimum stresses and strains, respectively. It also makes it possible to characterize the anisotropy of the ice cover.
В каждой стойке, вмороженной у свободных концов кварцевых штанг, ниже поверхности льда устанавливается параметрический датчик, закрепленный внутри цилиндра в двух точках, расположенных диаметрально противоположно в горизонтальной плоскости. При этом ось чувствительности каждого датчика, расположенного в стойке, совпадает с осью чувствительности своей кварцевой штанги и осью чувствительности одного параметрического датчика, установленного в постаменте. Такое расположение параметрических датчиков в постаменте и в стойках обеспечивает определение затухания напряжений на базе устройства.In each rack, frozen at the free ends of quartz rods, a parametric sensor is mounted below the ice surface, mounted inside the cylinder at two points located diametrically opposite in the horizontal plane. In this case, the sensitivity axis of each sensor located in the rack coincides with the sensitivity axis of its quartz rod and the sensitivity axis of one parametric sensor installed in the pedestal. This arrangement of parametric sensors in the pedestal and in the racks provides the determination of the attenuation of stresses on the basis of the device.
На фиг.1 представлен вид устройства в разрезе по одной из трех кварцевых штанг 1. Постамент 2, выполненный в виде полого жесткого цилиндра с дном полусферической формы, вморожен в ледяной покров. Внутри постамента 2 установлен параметрический датчик 3 (два других датчика не указаны), закрепленный внутри цилиндра в двух точках, расположенных диаметрально противоположно в горизонтальной плоскости. У свободного конца кварцевой штанги 1 вморожена стойка 4 в виде полого жесткого цилиндра с дном полусферической формы. Внутри стойки 4 установлен параметрический датчик 5, закрепленный внутри цилиндра в двух точках, расположенных диаметрально противоположно в горизонтальной плоскости. На постаменте 2 неподвижно установлена плита 6, к которой при помощи болтов 7 крепится гидравлический трансформатор 8 с микрометрическим винтом 9, упирающимся в задающий шток 10, вставленный через сальник 11 в камеру 12 гидротрансформатора 8. Камера 12 заполнена рабочей жидкостью. В нее через сальник 13 вставлен рабочий шток 14 (показан один рабочий шток из трех). Рабочий шток упирается в конец кварцевой штанги 1, закрепленной в подвижном хомуте 15. Хомут 15 прижимается двумя горизонтальными и двумя вертикальными плоскими пружинами 16 (видна одна вертикальная пружина 16) к упору 17 с помощью планки 18, которая крепится к плите 6 и упору 17 при помощи болтов 19. Упор 17 жестко связан с плитой 6. Кварцевая штанга 1 свободным концом направлена в сторону стойки 4, вмороженной в лед. К стойке 4, снабженной параметрическим датчиком 5, крепится термокомпенсационный шток 20. На конце штока 20 закреплен параметрический датчик перемещений 21 свободного конца штанги.Figure 1 shows a sectional view of the device along one of the three quartz rods 1.
На фиг.2 представлен вид сверху постамента с плитой 6, гидравлическим трансформатором 8, микрометрическим винтом 9, тремя рабочими штоками 14, которые упираются в концы трех кварцевых штанг 1, закрепленных в подвижных хомутах 15. Хомуты 15 прижимаются горизонтальными плоскими пружинами 22 (видны три верхние горизонтальные плоские пружины) к упорам 17 при помощи планок 18 болтами 19. Свободные концы штанг 1 расходятся под углами 120° к стойкам 4 в соответствии с фиг.1.Figure 2 presents a top view of the pedestal with a
Работа устройства осуществляется следующим образом. Постамент 2 с тремя параметрическими датчиками 3 и закрепленной на постаменте плитой 6 вмораживается в лед. На плите 6 болтами 7 крепится гидравлический трансформатор 8 с микрометрическим винтом 9, упирающимся в задающий шток 10, вставленный через сальник 11 в камеру 12 гидротрансформатора 8. Штанги из кварцевых труб 1 закрепляются в подвижных хомутах 15, которые прижимаются плоскими вертикальными пружинами 16 (фиг.1) и горизонтальными пружинами 22 (фиг.2) к упорам 17 при помощи планок 18 болтами 19. Свободные концы трех штанг 1 направляются в сторону трех стоек 4, внутри которых расположены по одному параметрическому датчику 5. На стойках закрепляются термокомпенсационные штоки 20 и преобразователи перемещений 21 свободных концов кварцевых штанг. Термокомпенсационные штоки 20 позволяют исключить ошибку, возникающую при собственных температурных деформациях штанг. Электрические сигналы с трех преобразователей перемещений 21 свободных концов кварцевых штанг 1, с трех параметрических датчиков 3, расположенных в постаменте 2, и с трех параметрических датчиков 5, находящихся в стойках 4, поступают на регистрирующую аппаратуру (на фиг.1 и 2 не указана). По этим сигналам определяются главные деформации, главные напряжения, модули упругости, анизотропное состояние льда в соответствии с вышеприведенными формулами.The operation of the device is as follows.
Контроль за чувствительностью устройства осуществляется следующим образом. Задающий шток 10 вводится через сальник 11 при помощи микрометрического винта 9 в камеру 12 гидротрансформатора 8 на выбранную величину (например, на величину, приводящую к появлению сигнала на штангах деформометра 10 мкм). Гидротрансформатор 8 скреплен с плитой 6 болтами 7. При этом три рабочих штока 14 через сальники 13 выдвинутся и сместят подпружиненные четырьмя плоскими пружинами 16 и 22 подвижные хомуты 15 с зажатыми в них концами кварцевых штанг 1, что обеспечит появление контрольных сигналов в виде ступеней на регистраторе. Далее при выводе задающего штока 10 из камеры 8 при выкручивании микрометрического винта 9 хомуты 15 плоскими пружинами 16 и 22 возвращаются в исходное положение и прижимаются к упорам 17, а на регистраторе запись возвращается на прежний уровень.Monitoring the sensitivity of the device is as follows. The master rod 10 is inserted through the gland 11 with a
Технико-экономический эффект проявляется:The technical and economic effect is manifested:
- в повышении точности измерения напряженно-деформированного состояния льда, а именно определении главных деформаций и главных напряжений при одновременном определении азимута источника деформирования льда одним устройством;- to improve the accuracy of measuring the stress-strain state of ice, namely the determination of the main deformations and principal stresses while simultaneously determining the azimuth of the source of ice deformation by one device;
- в определении модулей упругости льда по главным деформациям и главным напряжениям и определении степени анизотропии льда;- in determining the elastic moduli of ice from the main deformations and principal stresses and determining the degree of anisotropy of ice;
- в определении затухания напряжений во льду на базе устройства.- in determining the attenuation of stresses in ice on the basis of the device.
Источники информацииInformation sources
1. Латынина Л.А. Анализ работы штангового деформографа. АН СССР, ин-т «Физики Земли», №4218-72, деп., М., 1977 г.1. Latynina L.A. Analysis of the work of a rod strain gauge. USSR Academy of Sciences, Institute of Physics of the Earth, No. 4218-72, dep., M., 1977
2. Латынина Л.А., Кармалеева P.M. Деформографические измерения.М.: Наука, 1978 г.2. Latynina L.A., Karmaleeva P.M. Deformographic measurements), Moscow: Nauka, 1978.
3. Смирнов В.Н., Шушлебин А.И. Устройство для измерения деформаций льда. - Авт. св. №712744. Опубликовано 30.01.1980 г. Бюл. №4.3. Smirnov V.N., Shushlebin A.I. Device for measuring ice deformation. - Auth. St. No. 712744. Published on January 30, 1980, Bull.
4. Смирнов В.Н., Шушлебин А.И., Альтшулер Г.Г. Датчик давления. Авт. св. №561887. Опубликовано 15.06.77 г. Бюл. №22.4. Smirnov V.N., Shushlebin A.I., Altshuler G.G. Pressure meter. Auth. St. No. 561887. Published 06/15/77 Bul. Number 22.
5. Смирнов В.Н., Шушлебин А.И. Устройство для измерения деформаций льда. Авт. св. №1784888. Опубликовано 30.12.92 г. Бюл. №48 (прототип).5. Smirnov V.N., Shushlebin A.I. Device for measuring ice deformation. Auth. St. No. 1784888. Published December 30, 1992 Bul. No. 48 (prototype).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010125749/28A RU2437057C1 (en) | 2010-06-23 | 2010-06-23 | Apparatus for measuring deformation and stress in ice cover |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010125749/28A RU2437057C1 (en) | 2010-06-23 | 2010-06-23 | Apparatus for measuring deformation and stress in ice cover |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2437057C1 true RU2437057C1 (en) | 2011-12-20 |
Family
ID=45404420
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010125749/28A RU2437057C1 (en) | 2010-06-23 | 2010-06-23 | Apparatus for measuring deformation and stress in ice cover |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2437057C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106932023A (en) * | 2017-04-18 | 2017-07-07 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 | Ice body internal stress deformation detecting system and glacier movement assessment system |
RU2797972C1 (en) * | 2022-12-12 | 2023-06-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт" (ФГБУ "ААНИИ") | Method for determining the stress-strain state of the ice field during movement of an icebreaker |
-
2010
- 2010-06-23 RU RU2010125749/28A patent/RU2437057C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106932023A (en) * | 2017-04-18 | 2017-07-07 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 | Ice body internal stress deformation detecting system and glacier movement assessment system |
CN106932023B (en) * | 2017-04-18 | 2023-02-28 | 中国科学院西北生态环境资源研究院 | Ice body internal stress deformation detection system and glacier movement evaluation system |
RU2797972C1 (en) * | 2022-12-12 | 2023-06-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт" (ФГБУ "ААНИИ") | Method for determining the stress-strain state of the ice field during movement of an icebreaker |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Gladwin | High‐precision multicomponent borehole deformation monitoring | |
TWI262289B (en) | Optical-fiber raster double-bearing type inclination sensor for sensing stratum displacement | |
CN103604696B (en) | Local triaxial test method for bituminous mixture and radial displacement test device for bituminous mixture | |
CN111656128B (en) | Soil body displacement measuring device | |
KR100734390B1 (en) | Instrument for measuring two dimensional deformation in tunnels | |
CN201517920U (en) | Fiber Bragg grating string type multi-point displacement sensor | |
US10295450B2 (en) | Apparatus and methods for determining gravity and density of solids in a liquid medium | |
CN105606454A (en) | Intensity testing device used for temperature-stress field coupling under rock mass expansion | |
CN203310554U (en) | Three-component dual-ring borehole deformeter | |
RU2437057C1 (en) | Apparatus for measuring deformation and stress in ice cover | |
US5113707A (en) | Three-dimensional strain monitor for rock boreholes | |
RU2308397C2 (en) | Device for conducting the towing tests of marine engineering facility model in model testing basin | |
Dam et al. | The Company | |
Talich | Monitoring of horizontal movements of high-rise buildings and tower transmitters by means of ground-based interferometric radar | |
Sunley | The experimental investigation of defects | |
CN211849649U (en) | Centrifugal model test device for measuring vertical and horizontal limit bearing capacity of pile foundation | |
JP2008003071A (en) | Method and program for early prediction of seismic magnitude based on deformation quantity of building during earthquake | |
RU102788U1 (en) | QUARTZ BAR LINEAR DEFORMOMETER FOR MEASURING ICE COVER STRAINS | |
Dawson et al. | Assessment of on-sample instrumentation for repeated load triaxial tests | |
RU148536U1 (en) | CYLINDER SENSOR FOR MEASURING PRESSURE IN ICE FORMATIONS | |
CN205426673U (en) | A strength test device that is used for temperature - stress field coupling under rock mass crack growth | |
Duffield et al. | An accurate invar-wire extensometer | |
RU55963U1 (en) | TENZOMETRIC MOVEMENT SENSOR | |
Wöllner et al. | Testing a large fiber optic strain-rosette, embedded in a landslide area | |
RU2634097C1 (en) | Method for measuring pressure inside ice cover |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130624 |