title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Приборы кручения для испытания глинистых грунтов

Приборы кручения для испытания глинистых грунтов

Ниже рассматриваются приборы кручения кольцевых и сплошных плоских образцов, позволяющие исследовать прочностные и деформационные свойства глинистых грунтов природного и нарушенного сложений при простом сдвиге в разных их состояниях (под действием различных уплотняющих нагрузок), а также учитывать влияние самых различных факторов. Они позволяют также исследовать релаксацию касательных напряжений в глинистых грунтах. Рассматриваемые приборы широко использованы автором книги и многими другими специалистами при реологических исследованиях глинистых грунтов.
Прибор кручения кольцевых образцов НИС Гидропроекта. Для испытания образцов на простой сдвиг при кручении кольцевых образцов прибор одиоплоскостного кольцевого среза НИС Гидропроекта (наружный диаметр образца 101 мм, внутренний — 50 мм, высота 24 мм), который схематически изображен на рис. 95,а, автором книги несколько переделан. Указанная переделка относится только к видоизменению головки срезывателя прибора (рис. 97) и заключается в том, что соприкасающиеся с кольцевым образцом грунта внутренняя и наружная стенки верхней и нижней обойм срезаны и заменены набором защитных колец из органического стекла или латуни (см. рис. 95,6) толщиной от 1 до 3,5 мм, свободно перемещающихся относительно друг друга. Для уменьшения трения между защитными кольцами последние покрывают смазочным маслом. С той же целью можно между защитными кольцами оставить небольшой зазор, а также уменьшить площадь их соприкасания. Для защиты образца от потери влаги защитные кольца покрывают толстым слоем тавота или технического вазелина, а к горизонтальным поверхностям подводят воду. Когда испытание ведется без предварительного водонасыщения образца — при сохранении начальной (природной) влажности, верхний и нижний кольцевые штампы изолируют.

Уплотняющая нагрузка, создаваемая секторным рычажным прессом, прикладывается к образцу через верхний перфорированный кольцевой штамп. Кручение образца осуществляется механизмом кручения, а деформации сдвига замеряют одним прогибомером Максимова марки № 6 (ПАО-6) конструкции ЛИСИ.
Небольшое конструктивное изменение, внесенное автором книги в прибор кольцевого среза, привело к существенному изменению напряженно-деформированного состояния испытываемого образца. Оно устранило вредное влияние трения закручиваемого образца о боковые стенки на деформацию сдвига (кручения), обеспечило полную передачу крутящих моментов на образец, свободное скашивание (кручение) последнего по всей высоте при полном соблюдении условия парности касательных напряжений и фиксацию деформации сдвига в строго определенной зоне.
Описанный прибор кручения кольцевых образцов стал прототипом для создания самого большого прибора талого типа Главным институтом горного дела ПНР в 1970 г и прибора кручения плоских сплошных образцов автором книги. В 1973 г. указанный выше конструктивный элемент защиты закручиваемого образца с набором колец был использован. И. Йошими и X. Ox Ока, в J976 г. Г.И. Тер-Степаняном при создании приборов кручения кольцевых образцов собственной конструкции.
Прибор Главного института горного дела ПНР (авторы Дж. Квитек и И. Глинко) предназначен для закручивания тонкостенных кольцевых образцов с наружным диаметром 34 см, внутренним диаметром 26 см, высотой до 8 см. Прибор И. Йошими и X. Ox Ока, который имеет три модификации, предназначен для испытания на кручение тонкостенных образцов песчаных грунтов наружным диаметром 24 см, внутренним диаметром 19,2 см (толщина стенки кольца 2,4 см), высотой от 2 до 2,4 см как при статическом, так и вибрационном (циклическом) нагружении — в условиях крутильных колебаний. Прибор Г.И. Тер-Степаняна в литературе не описан. Известно, что на нем можно испытывать толстостенные образцы внешним диаметром 12,5 см, внутренним диаметром 8,5 см, высотой 1,5 см.
Прибор модели М-5 конструкции С.Р. Месчяна (рис. 98) отличается от прибора кручения кольцевых образцов НИС Гидропроекта (см. рис. 95 б и 97) тем, что на нем можно испытать сплошные плоские и неплоские образцы диаметром d=101 мм при высоте h=1,5/4,0 см и более. При испытании сплошных образцов существенно упрощается их изготовление, в несколько раз уменьшаются силы трения грунта о защитные кольца, возникающие при его предварительном уплотнении, существенно снижается степень нарушения природной структуры.
Как и в модернизированном автором книги приборе НИС Гидропроекта, в приборе М-5 образец грунта снаружи окружен набором защитных колец, которые препятствуют его боковому расширению при уплотнении, а при кручении свободно перемещаются относительно друг друга, не препятствуя деформации сдвига (кручения). Этот прибор имеет весьма простую конструкцию и удобен для определения прочностных и реологических характеристик глинистых грунтов в любом их состоянии при простом (квазичистом) сдвиге под действием нормальных (уплотняющих) нагрузок до 2,5 МПа.
Прибор М-5 состоит из станины, двухъярусной замкнутой рамы, рабочего стакана, механизма кручения, винтового привода или рычажного пресса для создания вертикальных нагрузок и измерительных приборов для замера деформаций уплотнения и кручения (сдвига).
Станина состоит из четырех опорных ножей 1, рамы 3 и плиты 5, которая приводится в горизонтальное положение при помощи подъемных винтов, вмонтированных в опорных ножках. На станине прибора при помощи двух винтов 46 смонтирована двухъярусная замкнутая рама. Нижний ригель 45 рамы служит основанием для рабочего стакана, промежуточный — 14 является опорой механизма кручения, а верхний ригель 16, в который вмонтирован винтовой привод 20 с маховиком 19, служит опорой как для рычажного пресса (см. ниже), так и динамометра 23. Строго параллельное расположение ригелей достигнуто при помощи вкладышей-трубок 15, 24 и 33, внутри которых проходят ввинченные в нижний ригель винты 18 и 21. Последние при помощи зажимных гаек 17 прочно соединяют все элементы рамы.

Рабочий стакан, в котором осуществляется предварительное уплотнение и закручивание образца грунта, состоит из нижней неподвижной обоймы-днища 37, в которую помещен неподвижный нижний рифленый перфорированный диск-фильтр 36. Неподвижность (в смысле кручения) днища и нижнего диска-фильтра обеспечивается двумя парами шпилек 55 и 56, которые входят в гнезда на дне нижней обоймы и фильтра. Для подачи воды в днище имеются диаметрально расположенные штуцеры 58. Образец грунта, окруженный защитными кольцами 35, помещают на нижнем фильтре 36. Уплотнение и закручивание образца осуществляется верхним штампом-фильтром 34.
Созданная винтовым приводом вертикальная уплотняющая нагрузка передается на верхний штамп и образец грунта через стальной шарик 22, динамометр 23, шарикоподшипник качения 25, шток-шпиндель 32, входящий в направляющую 54 верхнего штампа, Нижний конец штока-шпинделя, который может свободно перемещаться по вертикали через направляющую 27, входит в прорез верхнего штампа 34.
Для создания вертикальной нагрузки вместо винтового привода используется также рычажный пресс (рис. 99), который монтируется на верхнем ригеле рамы 4 при помощи опорного винта 1. Рычаг 3 уравновешивается противовесом 2. Созданная грузом 10 нагрузка передается на шток-шпиндель 9 через стойку 5, стальной шарик 6, переходник 7 и шарикоподшипник 8.

Механизм кручения (см. рис. 98) состоит из диска 30 диаметром 20 см, подвешенного на направляющей штока-шпинделя при помощи соединительного кольца 28 через шарикоподшипник качения 29. Соединительное кольцо закреплено на диске 30 четырьми болтами 51, а направляющая — на промежуточном ригеле 14 соединительной гайкой 26. Шток-шпиндель проходит через отверстие в центре диска.
Крутящий момент создается парой тяг 9, помещенных в канавке диска и закрепленных на нем болтами 52. Тяги перекинуты через ролики 11 кронштейнов 12 и закреплены на балочке 41 болтом 39. К последней подвешены грузовые поддоны 42 с грузом 44 при помощи тяг 43, гайки 38 и переходников 40. В центре роликов 11 просверлены отверстия, где помещены посаженные на пальцах 10 шарикоподшипники. Кронштейны 12 закреплены на ригеле рамы 14 гайками 13.
Созданный механизмом кручения крутящий момент передается на шток-шпиндель через шпонку 31, которая вместе с ним может свободно перемещаться в канавке, выточенной на поверхности внутреннего отверстия диска кручения. Крутящий момент от шпонки штока-шпинделя передается верхнему штампу и образцу грунта через прорезь, выполненную в центре верхнего штампа.
Вертикальная деформация образца грунта замеряется одним индикатором часового типа (мессурой) 50, который закреплен на держателе 49 винтом 48. Держатель мессуры крепится на штоке-шпинделе винтом 53. Ножка индикатора 50 опирается на нижний ригель 45 рамы через удлинитель 47.
Деформация сдвига (кручения) замеряется одним прогибомером системы Максимова № 6 (ПАО-6) 8, закрепленным на нижнем ригеле 45 рамы при помощи кронштейна 7 и гайки 6. Деформация кручения образца (верхнего штампа) передается на про-гибомер проволокой 4 диаметром 0,4 мм. Один конец проволоки закреплен на верхнем штампе винтом 57, а на другом конце подвешен груз 2 массой в 1 кг.
Тарировкой прибора можно определить:
1) истинную величину вертикальной нагрузки, передаваемой на образец от винтового привода (см. рис. 98) или рычажного пресса (см. рис. 99). Она определяется тарировкой штока-шпинделя, перемещающегося по направляющей. Установлено, что сила трения штока-шпинделя о направляющую очень мала и ею можно пренебречь;
2) силу трения, возникающую между образцом и набором защитных колец в процессе предварительного уплотнения по методу, применяемому при компрессионных испытаниях грунтов;
3) истинные значения передаваемых на образец грунта крутящих моментов.
Тарировка механизма кручения является наиболее ответственной и технически сложной. Для исключения ошибок при тарировке механизма кручения крутящие моменты определяются на месте их передачи на образец грунта, т. е. на нижнем конце штока-шпинделя. Для этого верхний штамп 34, вместе с направляющим 54 (см. рис. 98) заменяется планкой 3 (рис. 100), в центре которой имеется переходник 4 с прорезью, куда входит нижний конец штока-шпинделя 10.
Планка 3 двумя концами опирается на динамометры 2 и 11. Последние, в свою очередь, опираются на стойки 1 и 12 рамы. Крутящий момент, создаваемый механизмом кручения, через прорезь переходника 4 передается на планку 3, а от нее к динамометрам.
Возникающие в механизме кручения силы трения в значительной степени обусловлены трением в шарикоподшипнике качения 25 (см. рис. 98). Величина этого трения зависит от вертикальной нагрузки. Поэтому тарировку механизма кручения следует проводить при различных значениях вертикальной нагрузки на шарикоподшипник.
Для тарировки механизма кручения с учетом величины вертикальной нагрузки расположение шарикоподшипника следует несколько изменить. Нижний рифленый диск (см. рис. 98) следует заменить гладким, а шарикоподшипник поместить между планкой и гладким диском (см. рис. 100). Это позволит отказаться от ручного винтового привода и рычажного пресса, осуществив загружение при помощи специального загрузочного устройства с непосредственной передачей нагрузки на шток-шпиндель и через него на шарикоподшипник 13 (см. рис. 100). В случае создания вертикальной нагрузки винтовым приводом возникла бы необходимость включения в систему тарировки второго шарикоподшипника.

Загрузочное устройство (см. рис. 100) состоит из штока 5, проходящего через направляющую 6, вмонтированную в верхней плите 9 рамы. На конце штока-шпинделя расположена грузовая платформа 7 с грузом 8.
Результаты тарировки механизма кручения представляют в виде таблиц или графиков. При этом количество тарировочных кривых механизма кручения каждого прибора равно числу вертикальных нагрузок.
Зная показания динамометров (значения опорных реакций R1 и R2) и их расстояния d1 и d2 от центра вращения планки, можно определить величину крутящего момента, передаваемого непосредственно на образец грунта от штока-шпинделя.
Прибор предварительного уплотнения М-6 (рис. 101). В целях экономии времени на подготовку образцов к испытанию на кручение (на что зачастую уходит несколько месяцев) можно их предварительное уплотнение осуществить на приборе предварительного уплотнения М-6, состоящем из рамы, рабочего стакана и направляющего со штоком, передающего на образец грунта нагрузку от рычажного пресса.
Рама состоит из нижнего 19 и верхнего 10 ригелей. Их строго параллельное расположение достигается вкладышами-трубками 2, внутри которых проходят ввинченные в нижний ригель 19 винты 11. При помощи зажимных гаек 12 эти винты прочно соединяют между собой все элементы рамы.
На нижний ригель рамы ставится обойма-днище 18 рабочего стакана, который центрируется шпилькой 21. В центре верхнего ригеля с помощью соединительной гайки 3 вмонтирована направляющая 9 штока 4, которая входит в переходник 13 верхнего штампа 14 рабочего стакана и через этот штамп передает уплотняющую нагрузку на образец грунта, помещенный на нижнем рифленом фильтре 16 внутри защитных колец 15. Положение фильтра 16 фиксируется шпильками 17, а деформация уплотнения образца замеряется мессурой, закрепленной на ножке держателя 8 винтом 6. Держатель крепится на штоке при помощи установочного винта 5; 1 — винт для закрепления проволоки прогибомера.
Предварительное уплотнение образцов можно осуществить, как с сохранением природной влажности, так и под водой — после предварительного водонасыщения. В последнем случае образец насыщается водой через штуцер 22 и верхний перфорированный штамп 14. Для защиты образца от высыхания в процессе уплотнения защитные кольца покрывают тавотом или техническим вазелином.
Уплотняющая нагрузка, создаваемая расположенным над рамой рычажным прессом, передается на шток 4 через стальной шарик 7.
В заключение отметим, что прибор М-5 снабжен дополнительным рабочим стаканом и штампами, которые позволяют испытывать как кольцевые, так и сплошные образцы диаметром до 20 см.

title-icon Подобные новости