RU2558819C1

RU2558819C1 - Instrument for determining deformation and strength properties of soil

Info

Publication number: RU2558819C1
Application number: RU2014121595/15A
Authority: RU
Inventors: Александр Леонидович Невзоров; Дмитрий Алексеевич Тюрин
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2015-08-10

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: instrument includes a sleeve for the soil sample, perforated bottom, piston, piston loading mechanism, stamp and stamp loading mechanism. At that, the stamp is placed in cylindrical recess on the bottom surface of the piston and has diameter smaller than the diameter of the piston.

EFFECT: device permits to extend the capabilities of devices in order to determine the deformation and strength properties of soils.

6 dwg

Description

Изобретение относится к строительству, и, в частности, к устройствам для определения деформационно-прочностных свойств органических и органо-минеральных грунтов.The invention relates to the construction, and, in particular, to devices for determining the deformation-strength properties of organic and organic-mineral soils.

Известен прибор прямого плоскостного среза, включающий рабочее кольцо, разрезанное по горизонтальной плоскости, перфорированное днище и поршень, механизмы для вертикального и горизонтального нагружения, устройства для измерения деформаций образца (ГОСТ 122248-2010. Грунты. Методы определения характеристик прочности и деформируемости, - МНТКС, 2011 - аналог).A known device is a direct planar cut, including a working ring, cut horizontally, a perforated bottom and a piston, mechanisms for vertical and horizontal loading, devices for measuring deformation of the sample (GOST 122248-2010. Soils. Methods for determining the characteristics of strength and deformability, - MNTKS, 2011 - analogue).

Недостатками прибора являются: погрешности, возникающие в результатах испытаний, из-за сил трения между подвижными и неподвижными частями срезной коробки, необходимость использования специального прибора для предварительного уплотнения образцов, перенос которых в сдвиговой прибор вносит дополнительные погрешности в измерения и др.The disadvantages of the device are: errors arising in the test results, due to friction between moving and stationary parts of the shear box, the need to use a special device for preliminary compaction of samples, the transfer of which to the shear device introduces additional errors in the measurements, etc.

Известен прибор для определения показателя прочности грунтов CBR - California Bearing Ratio (ASTM D 1883 - 07 Standard Test Method for CBR of Laboratory-Compacted Soils, 2007 - аналог).A known device for determining the strength index of soil CBR - California Bearing Ratio (ASTM D 1883 - 07 Standard Test Method for CBR of Laboratory-Compacted Soils, 2007 - analogue).

Прибор состоит из цилиндрической формы для образца, штампа с отверстием по центру, поршня, проходящего через это отверстие, механизма нагружения. Образец испытуемого грунта помещается в форму, на его поверхности размещают штамп и поршень, на штамп устанавливают грузы и с помощью механизма нагружения в образец вдавливают поршень на заданную глубину. Показатель CBR вычисляют как отношение усилия, необходимого для погружения поршня в испытуемый грунт к усилию, необходимому для погружения поршня в эталонный материал (обычно известняк).The device consists of a cylindrical shape for the sample, a stamp with a hole in the center, a piston passing through this hole, and a loading mechanism. A sample of the test soil is placed in the mold, a stamp and a piston are placed on its surface, weights are mounted on the stamp and the piston is pressed into the specimen by the loading mechanism to a predetermined depth. CBR is calculated as the ratio of the force required to immerse the piston in the test soil to the force necessary to immerse the piston in a reference material (usually limestone).

Недостатком прибора и метода является невозможность определения характеристик сжимаемости и прочности фунтов, используемых в практике проектирования, в частности модуля деформации, угла внутреннего трения, удельного сцепления.The disadvantage of the device and method is the inability to determine the compressibility and strength characteristics of pounds used in design practice, in particular, the deformation modulus, the angle of internal friction, and specific adhesion.

Известен стержневой штамп для полевых испытаний грунта (патент РФ №2310039, МПК E02D 1/00, 2007 - аналог). По величине усилия, необходимого для вдавливания штампа, определяют модуль деформации, угол внутреннего трения и удельное сцепление грунтов.Known core stamp for field testing of soil (RF patent No. 2310039, IPC E02D 1/00, 2007 - analogue). The magnitude of the force required to press the stamp determines the deformation modulus, the angle of internal friction, and the specific adhesion of soils.

Недостатком устройства является невозможность определения характеристик грунта в условиях консолидированно-дренированного состояния и необходимость градуировки прибора для грунтов различного генезиса, вида и состояния.The disadvantage of this device is the inability to determine the characteristics of the soil in a consolidated-drained condition and the need to calibrate the device for soils of different genesis, type and condition.

Известны универсальные приборы трехосного сжатия для определения деформационных и прочностных характеристик грунтов - стабилометры (Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов. Состояние вопроса / Г.Г. Болдырев. - Пенза: ПТУ АС, 2008. - стр. 335-353 - аналоги). Они отличаются сложностью конструкции, а значит, высокой стоимостью. Кроме того, эти устройства не позволяют испытывать сильносжимаемые грунты, например торфы, деформации которых под нагрузкой могут достигать 50...60% от первоначальной высоты образца. Ход поршня стабилометров на такие перемещения обычно не рассчитан. Кроме того, при испытаниях торфа и заторфованных грунтов на сжимаемость, стабилизация осадки наступает через несколько недель и даже месяцев (Невзоров А.Л. Город на болоте / А.Л. Невзоров, А.В. Никитин, А.В. Заручевных - Архангельск, изд-во САФУ, 2012. - 150 стр.). Это делает невозможным использование дорогостоящих и сложных по конструкции приборов для таких грунтов.Known universal devices of triaxial compression for determining the deformation and strength characteristics of soils are stabilometers (Boldyrev GG Methods for determining the mechanical properties of soils. State of the issue / GG Boldyrev. - Penza: PTU AS, 2008. - pp. 335-353 - analogues). They are distinguished by the complexity of the design, which means high cost. In addition, these devices do not allow testing highly compressible soils, for example peat, the deformations of which under load can reach 50 ... 60% of the initial sample height. The piston stroke of stabilometers for such movements is usually not designed. In addition, when testing peat and peat soils for compressibility, stabilization of sediment occurs in a few weeks and even months (A. Nevzorov, City in the swamp / A.L. Nevzorov, A.V. Nikitin, A.V. Zaruchevnykh - Arkhangelsk , publishing house of NArFU, 2012. - 150 p.). This makes it impossible to use expensive and complex construction devices for such soils.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является прибор для компрессионных испытаний грунтов, включающий основание, рабочие кольца различного диаметра для образцов грунта, верхние и нижние перфорированные штампы, средства для создания вертикальной разгрузки и измерители деформации, емкость для заливки воды (Патент РФ №2045756, МПК G01N 3/00, E02D 1/00, 1995 - прототип).Closest to the proposed invention is a device for compression testing of soils, including a base, working rings of various diameters for soil samples, upper and lower perforated dies, means for creating vertical unloading and strain gauges, water filling tank (RF Patent No. 2045756, IPC G01N 3/00, E02D 1/00, 1995 - prototype).

Прибор имеет ограниченные возможности, поскольку позволяет определять только характеристики сжимаемости грунта. Для определения прочностных свойств используется другой прибор, например, прямого плоскостного среза.The device has limited capabilities, because it allows you to determine only the compressibility characteristics of the soil. To determine the strength properties, another device is used, for example, a direct planar cut.

Задачей изобретения является расширение возможностей прибора, с целью определения деформационных и прочностных свойств органических и органо-минеральных грунтов. Это достигается тем, что прибор, включающий гильзу для образца грунта, перфорированные днище и поршень и механизм нагружения поршня дополнительно снабжен плоским круглым штампом, расположенным в цилиндрической выемке, устроенной на поверхности поршня, контактирующей с образцом. Центр штампа может быть смещен относительно оси прибора или совпадать с ней. Усилие к штампу прикладывается с помощью второго механизма нагружения.The objective of the invention is to expand the capabilities of the device, in order to determine the deformation and strength properties of organic and organo-mineral soils. This is achieved by the fact that the device, including the sleeve for the soil sample, the perforated bottom and the piston and the piston loading mechanism, is additionally equipped with a flat round stamp located in a cylindrical recess located on the piston surface in contact with the sample. The center of the stamp can be offset relative to the axis of the device or coincide with it. The force is applied to the stamp using the second loading mechanism.

Конструкция прибора поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан разрез прибора в исходном состоянии, на фиг. 2 - разрез прибора после завершения этапа компрессионного загружения, на фиг. 3 - разрез прибора после достижения под штампом предельного давления, на фиг. 4, 5 - графики зависимости предельного давления от угла внутреннего трения φ и удельного сцепления с, на фиг. 6 - определение прочностных характеристик образца по результатам испытаний.The design of the device is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a section of the device in the initial state, FIG. 2 is a sectional view of the device after completion of the compression loading step; FIG. 3 is a sectional view of the device after reaching the maximum pressure under the stamp, in FIG. 4, 5 are graphs of the dependence of the ultimate pressure on the angle of internal friction φ and specific adhesion c, in FIG. 6 - determination of the strength characteristics of the sample according to the test results.

Прибор содержит гильзу 1, перфорированное днище 2, через которое дренируется поровая влага, камеру с водой 3 со сливным отверстием 4, перфорированный поршень 5, усилие на который создается механизмом нагружения 6 через центрирующий шарик 7, штамп 8, усилие к которому прикладывается с помощью второго механизма нагружения 9 через центрирующий шарик 10.The device contains a sleeve 1, a perforated bottom 2, through which pore moisture is drained, a water chamber 3 with a drain hole 4, a perforated piston 5, the force on which is created by the loading mechanism 6 through a centering ball 7, stamp 8, the force of which is applied using the second the loading mechanism 9 through the centering ball 10.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

На первом этапе испытаний проводится компрессионное сжатие образца (фиг. 2). С помощью механизма нагружения 6 на поршень 5 создается усилие и выполняются замеры деформаций образца (устройство для измерения деформаций не показано). Штамп, размещенный в выемке на нижней поверхности поршня, перемещается вместе с ним. По результатам испытаний на первом этапе определяют модуль деформации и коэффициент консолидации грунта.At the first stage of testing, compression compression of the sample is carried out (Fig. 2). Using the mechanism of loading 6 onto the piston 5, a force is created and deformations of the sample are measured (a device for measuring deformations is not shown). A stamp placed in a recess on the lower surface of the piston moves with it. According to the test results at the first stage, the deformation modulus and soil consolidation coefficient are determined.

После завершения компрессионных испытаний включается второй механизм нагружения 9 и штамп 8 начинает вдавливаться в образец грунта (см. фиг. 3). При этом давление под поршнем 5 с помощью механизма нагружения 6 поддерживается неизменным, при этом положение поршня не зафиксировано, он может перемещаться вверх или вниз. Нагрузка на штамп постепенно увеличивается до достижения предельного значения. Этот момент определяется по графику зависимости осадки штампа от давления под ним. Давление, называемое предельным, соответствует переходу грунта в третью фазу напряженного состояния - фазу выпора (Мангушев Р.А. Механика грунтов / Р.А. Мангушев, В.Д. Карлов, И.И. Сахаров - АСВ, 2009. - стр. 115-117).After the completion of the compression tests, the second loading mechanism 9 is turned on and the stamp 8 begins to be pressed into the soil sample (see Fig. 3). In this case, the pressure under the piston 5 by means of the loading mechanism 6 is maintained unchanged, while the position of the piston is not fixed, it can move up or down. The load on the stamp is gradually increased until the limit value is reached. This moment is determined by the graph of the deposition of the stamp on the pressure under it. The pressure, called the limiting one, corresponds to the transition of the soil to the third phase of the stress state - the upstream phase (Mangushev R.A. Soil mechanics / R.A. Mangushev, V.D. Karlov, II Sakharov - DIA, 2009. - p. 115-117).

Для определения угла внутреннего трения и удельного сцепления требуется выполнить испытания, как минимум, двух образцов при различных значениях нагрузки под поршнем. Предварительно выполняется численное моделирование работы прибора, например, с помощью конечноэлементного вычислительного комплекса Plaxis.To determine the angle of internal friction and specific adhesion, it is required to perform tests of at least two samples at different values of the load under the piston. Numerical modeling of the device’s operation is preliminarily performed, for example, using the Plaxis finite element computing complex.

По данным моделирования при заданных значениях давления под поршнем, например, q₁ и q₂, строятся графики предельного давления в зависимости от комбинации значений угла внутреннего трения φ и удельного сцепления с (фиг. 4, 5).According to the simulation data for given pressure values under the piston, for example, q ₁ and q ₂ , the graphs of the ultimate pressure are plotted depending on the combination of the values of the angle of internal friction φ and specific adhesion with (Fig. 4, 5).

Если испытания первого образца показали, что при давлении под поршнем q₁ предельное давление составило, например, р₄, а при испытаниях второго при давлении под поршнем q₂ предельное давление составило р₅, то значения φ и с можно определить по пересечению соответствующих графиков (фиг. 6).If the tests of the first sample showed that at the pressure under the piston q _{1 the} ultimate pressure was, for example, p ₄ , and when testing the second at the pressure under the piston q _{2 the} ultimate pressure was p ₅ , then the values of φ and c can be determined from the intersection of the corresponding graphs ( Fig. 6).

Предлагаемый прибор позволяет определять как деформационные, так и прочностные свойства органических и органо-минеральных грунтов. В зависимости от продолжительности проведения компрессионного сжатия, прочностные характеристики можно определять в условиях консолидированно-дренированных и неконсолидированно-недренированных испытаний. Определение характеристик грунта по результатам численного моделирования лабораторных экспериментов позволяет учесть все факторы, влияющие на результаты измерений, а значит, повысить точность определения свойств.The proposed device allows you to determine both the deformation and strength properties of organic and organo-mineral soils. Depending on the duration of the compression compression, the strength characteristics can be determined in conditions of consolidated-drained and unconsolidated-undrained tests. Determining the characteristics of the soil by the results of numerical modeling of laboratory experiments allows you to take into account all the factors affecting the measurement results, and therefore, to increase the accuracy of determining the properties.

Claims

A device for determining the deformation and strength properties of soil, mainly peat, including a sleeve for a soil sample, a perforated bottom and a piston, a piston loading mechanism, characterized in that it is equipped with a stamp whose diameter is smaller than the diameter of the piston located in a cylindrical recess on the lower surface of the piston and stamp loading mechanism.