Способы оценки прочности лёссовых грунтов с помощью управляемой микроконтроллером машины для испытания образцов на разрыв
М.Н.Агапов, к.ф.Cм.н., доцент; Л.В. Куликова, д.т.н., профессор; А.В. Львов, аспирант; А.И. Тищенко, д.т.н., профессор, Алтайский ГТИ им. И.И. Ползунова
Лессовые грунты широко распространены и часто являются основанием для строящихся и находящихся в эксплуатации зданий и сооружений. Прочностные характеристики грунтов являются определяющим фактором надежности и долговечности строительных обьектов. Исследование прочностных характеристик грунтов под основаниями зданий и сооружений играет важную роль для прогнозирования и возможного продления сроков эксплуатации жилого фонда.
Важным количественным показателем энергетических признаков структуры лёссовых грунтов является величина силы сцепления между твердыми структурными элементами в единичном контакте. Такие силы получили название структурных связей [1], они являются результатом суммарного действия сил притяжения и отталкивания отдельных элементов структуры грунта.
На практике применяют различные методы определения прочности индивидуальных контактов в глинистых грунтах. Расчетный метод определения прочности индивидуальных контактов основан на знании величины макроскопической прочности структуры Pc и микроскопического параметра χ – число контактов в единице площади сечения разрушения. Средняя прочность индивидуального контакта P1 определяется по формуле:
Для заданного типа грунта, имеющего характерный размер частиц и прочность индивидуальных контактов, может быть оценена и макроскопическая прочность грунта. Существует ряд прецизионных методик по прямому измерению силы сцепления в контактах между твердыми телами, которые дают представления о величине структурных связей между глинистыми минеральными частицами [2, 3, 4].
Главную трудность при проведении экспериментов по прямому измерению сил сцепления в контактах представляет точная фиксация момента соприкосновения и разделения частиц микроскопических частиц, а также определения площади контакта после его разрушения. В работах [5, 6] были разработаны специальные устройства, позволяющие исследовать контактные взаимодействия непосредственно в камере образцов растрового электронного микроскопа. Расчетный метод имеет сравнительно невысокую точность, так как число контактов в единице площади сечения разрушения принимается по статистической зависимости среднего числа частиц в структуре грунта. Прямые методы измерения прочности индивидуального контакта требуют высокочувствительных установок, измерения часто производятся в растворах электролитов, что недопустимо при определении прочности индивидуального контакта образцов грунтов.
Для возможности массового применения метода определения прочности индивидуальных контактов и прочности грунта в целом экспериментальные методы должны быть достаточно простыми. Наиболее близким нам представляется метод, изложенный в ГОСТ 23409.7-78 «Пески формовочные, смеси, формовочные и стержневые. Методы определения прочности на сжатие, растяжение и изгиб».
Образец для измерения прочности образца на разрыв (рис.1) отбирается пробоотборником, образцы помещают в соответствующие приспособления прибора для определения прочности, проводится измерение, результаты фиксируют по показанию прибора.
В работе [7] были сформулированы общие требования, предъявляемые к разрабатываемому прибору определения прочности грунта на разрыв. В простейшем случае подобный прибор должен обеспечивать плавно нарастающее усилие, прикладываемое к образцу, исключая возможность подачи на образец неконтролируемого импульсного усилия, которое может приводить к разрушению образца даже при малых напряжениях на разрыв. Прибор должен с заданной точностью определять момент разрушения или деформации образца, и фиксировать величину действующего усилия в момент разрыва образца.
После разрушения может быть получен снимок поперечного сечения на растровом электронном микроскопе, по снимку определяется количества частиц и их распределение по размерам. Исследование образцов под электронным микроскопом не всегда возможно после разрушения их разрушения.
В работе [8] на основании этих общих требований была предложена практически реализуемая конструкция прибора, выделены его основные узлы и элементы, изготовлен макет прибора и проведены его испытания на образцах лёссовых грунтов. На конструкцию прибора получен патент [9]. Машина для испытания образцов грунта на разрыв, вид сбоку, показана на рис. 2.
Образец грунта помещается в нагружающее устройство, размещенное на станине 1. С одной стороны на образец попадает в подвижный захват 3, оснащенный подшипниками качения 4, с другой стороны находится неподвижный захват 5. Станина имеет регулирующие приспособления 2 для обеспечения ее горизонтальности.
Электрически управляемый привод 6 нагружения создает линейно нарастающее усилие, которое передается на подвижный захват через тягу. В данном устройстве для фиксации момента разрыва использован индуктивный датчик 7, внутри которого на тяге закреплен ферромагнитный обьект. Управляющее усилие на привод 6 поступает из электронного блока, туда же заводится информация с выхода датчика перемещения 7.
Предложенный прибор для испытания образцов грунта на разрыв работает следующим образом. После установки образца грунта в подвижный 3 и неподвижный 5 захваты в блоке электроники фиксируется начальное положение подвижного захвата. После запуска процесса измерения электрически управляемый привод 6 создает линейно нарастающее усилие до момента разрыва образца. Момент разрыва фиксируется индуктивным датчиком 7 фиксации разрыва образца, величина действующего на момент разрыва усилия запоминается, сразу же после разрыва снимается усилие нагружения с подвижного захвата 3.
Описанный выше вариант прибора обеспечивает лишь линейно растущее усилие разрыва образца. На практике при исследовании прочностных характеристик грунта могут потребоваться более сложные параметры нагружения образца. Например, основания находящихся вблизи автомобильных и железных дорог обьектов подвергаются знакопеременным (вибрационным) нагрузкам, в этом случае детальное исследование может включать в себя определение прочности грунта при сочетании постоянной и переменной нагрузок. В зависимости от прогнозируемого спектрального состава нестационарного воздействия требуемая зависимость приложенного к образцу усилия от времени должна различаться. Для решения поставленной задачи электронный блок управления был дополнен системой на базе микроконтроллера PIC16F877 (MicroChip). Контроллер принимает из персонального компьютера по интерфейсу RS-232 набор данных, определяющих конкретный вид функции нагружения образца в зависимости от времени. Подготовка набора данных на персональном компьютере может вестись разными средствами, начиная от текстового редактора до пакетов типа MatLab, имеющего средства анализа и подготовки сложных функциональных зависимостей.
Современные однокристальные микроконтроллеры имеют достаточные для практических задач возможности по многоканальной обработке и формированию аналоговых сигналов. В частности, контроллер PIC16F877 имеет встроенный аналого-цифровой преобразователь, с помощью широтно-импульсной модуляции может формировать управляющий аналоговый сигнал. Схема включения контроллера в электронный блок прибора для измерения прочности грунта на разрыв показана на рис. 3.
Разработанная система на базе микроконтроллера позволяет существенно расширить возможности изучения поведения грунта под интересующими исследователя динамическими нагрузками, уточнить способы оценки прочности грунтов по результатам подобных измерений.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Сергеев Е.М. Грунтоведение. – М.: Изд-во МГУ,1983.
2. Дерягин Б.В.. Чураев Н.В.. Муллер В.П. Поверхностные силы. – М.: Наука. 1985.
3. Яминский В.В.. Пчелин В.А., Амелина Е.А. и др. Коагуляционные контакты в дисперсных системах. – М.: Химия. 1982.
4. Щукин Е.Д., Перцев Н.В., Осипов В.И. и др. Физико-химическая механика природных дисперсных систем. – М.: Изд-во МГУ, 1985.
5. Бабак В.Г., Козуб С.П., Соколов В.Н. и др. Методика прецизионного измерения энергии взаимодействия конденсированных тел в различных физико-химических условиях. – Изв. АН СССР, т.41. 1977.
6. Сергеев Е.М. Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород. – М.: Недра, 1984.
7. Тищенко А.И., Корнеев И.А., Агапов М.Н. Оценка прочности индивидуального контакта между твердыми структурными элементами лёссовых оснований зданий массовой серийной застройки. // Ползуновский вестник. – Барнаул, №1–2/2007.
8. Агапов М.Н., Корнеев И.А., Чепуштанов А.А. Прибор для определения прочности индивидуальных контактов между твердыми структурными элементами лёссовых грунтов. // Ползуновский вестник. –Барнаул, №1–2/2007
9. Машина для испытания образцов грунта на разрыв. Патент RU 2366922 C1, МПК G01N 3/08, E02D 1/00. 2007.
