Устройство для определения прочностных свойств почв в полевых условиях
Полезная модель относится к области исследования прочностных свойств твердых материалов, в частности почв (грунтов), и может быть использована при конструировании почвообрабатывающих машин, строительной и дорожной техники. Целью разработки полезной модели является повышение точности и достоверности результатов измерений при определении прочностных свойств почв в полевых условиях. Устройство для осуществления поставленной цели включает основание с опорами, которые служат для установки его в почвенный приямок. На основании установлены две вертикальные направляющие стойки, по которым перемещается в строго вертикальном направлении вначале отрезной цилиндр, а затем рабочий цилиндр, силовой рычажно-пружинный механизм, уровнемер. Рабочий цилиндр состоит из верхней, средней и нижней частей. Средняя часть скрепляется стяжкой, служащей для соединения частей рабочего цилиндра в одно целое, обеспечивая возможность формирования образца. К верхней части рабочего цилиндра вдоль его образующих жестко прикреплены направляющие втулки, обеспечивающие строго вертикальное перемещение цилиндра по направляющим стойкам. Устройство позволяет повысить точность результатов испытаний образцов почвы на растяжение и сжатие в полевых условиях. 1 незав. п.ф., 1 зав. п.ф., 2 ил.
Полезная модель относится к измерительной технике для использования в земледельческой механике при конструировании почвообрабатывающих машин и может быть применена для исследования прочностных свойств грунтов в естественных (полевых) условиях с ненарушенной структурой.
Известно устройство для определения прочности грунтов в лабораторных условиях (Лященко П.А., Денисенко В.В. Породы горные. Метод определения механических свойств глинистых пород при одном сжатии. ГОСТ 25447-85). С помощью устройства проводят опыт на образце в форме прямоугольного параллелепипеда, который сжимают или с непрерывно возрастающей силой, или с заданной скоростью продольной деформации образца при непрерывной регистрации продольной деформации образца, величины сжимающей силы и длин следов площадок скольжения, образующихся на гранях образца, и угла ее наклона, и рассчитывают прочность грунта, как среднее арифметическое группы значений предельного касательного напряжения, определенных по известной формуле.
Основным недостатком данного устройства является то, что специально сформированный образец имеет нарушенную структуру, отличающуюся от естественной, в которой грунт находится в природе, а также то, что способ неприменим
в полевых условиях. Изменение естественной структуры грунта оказывает непосредственное влияние на его деформационные и прочностные свойства. Устройство служит для определения прочности грунта только при деформации сжатия.
Известно также устройство для определения характеристик грунта при растяжении (А.П.Фомин, Н.М.Смуров и В.Н.Емельянов, Авторское свидетельство СССР №966149). Процесс определения характеристик грунта с помощью данного устройства заключается в изготовлении образца грунта непосредственно в рабочей камере в лабораторных условиях. Рабочая камера состоит из двух полуколец, внутри ее находится двухслойная цилиндрическая прокладка, воздействием на которую добиваются разрыва образца на две части, фиксируя при этом величину деформации и усилия.
Основным недостатком данного устройства является то, что при изготовлении образца в лабораторных условиях не обеспечивается соответствие полученной структуры - естественной, кроме того, устройство неприменимо в полевых условиях и позволяет определять прочность грунта только при деформации растяжения.
Целью разработки полезной модели является повышение точности и достоверности полученных результатов измерений при определении прочностных свойств почв в полевых условиях.
Указанная цель достигается тем, что устройство для определения прочностных свойств почв позволяет проводить формирование образца без нарушения его естественной структуры в полевых условиях, приложение к нему нагрузки, фиксацию
деформации и усилия с дальнейшим расчетом прочности образца по известным формулам. Сохранение естественной структуры достигается за счет того, что формирование образца проводится на ненарушенном слое почвы в два этапа: сначала с помощью отрезного, а затем с помощью рабочего цилиндров. Конструкция рабочего цилиндра состоит из верхней, средней и нижней частей и позволяет проводить испытания образца, как на растяжение, так и на сжатие.
Указанная цель достигается тем, что устройство включает основание с опорами, длина которых позволяет формировать образец высотой порядка 70...100 мм. На основании жестко закреплены две направляющие стойки, которые служат для строго вертикального перемещения вначале отрезного цилиндра, а затем рабочего цилиндра, при формировании образца. Длина и расположение направляющих стоек позволяет применить нагрузочную плиту, которая имеет жестко закрепленные нажимные рукоятки, служащие для ее перемещения под нагрузкой в вертикальной плоскости вниз при определении прочности почв на сжатие или вверх при определении прочности почв на растяжение, используя опорную пластину, которая фиксируется на направляющих стойках с помощью креплений.
В устройстве использован силовой рычажно-пружинный механизм с записывающим устройством, который позволяет получить диаграмму зависимости деформации от приложенного усилия до момента разрушения образца.
На фиг.1 представлен общий вид устройства для определения прочностных свойств почв в полевых условиях, на фиг.2 (а) - отрезной цилиндр, на фиг.2 (б) представлен рабочий цилиндр.
Устройство (фиг.1) состоит из основания 1 с опорами 2, которые служат для установки его в почвенный приямок в горизонтальном положении, что контролируется уровнемером 3. На основании 1 установлены две вертикальные направляющие стойки 4, по которым перемещаются в строго вертикальном направлении отрезной цилиндр 5 или рабочий цилиндр 6, а также силовой рычажно-пружинный механизм 7 с записывающим устройством 8. Отрезной цилиндр 5 имеет диаметр на 40 мм больше, чем рабочий цилиндр 6 для качественного формирования образца почвенного слоя. Рабочий цилиндр 6 состоит из верхней 9, средней 10, и нижней 11 частей. Средняя часть 10 является разборной и скрепляется стяжкой 12, при помощи замка 13. Стяжка 12 одновременно служит для соединения верхней 9 и нижней 11 частей рабочего цилиндра 6 в одно целое, что обеспечивает возможность формирования образца с ненарушенной структурой. Верхняя часть 9 рабочего цилиндра 6 имеет две направляющие втулки, жестко закрепленные на его внешней стороне с целью обеспечения строго вертикального перемещения рабочего цилиндра 6 по направляющим стойкам 4, и поддерживается пружинами 14 для устранения воздействия сжимающей нагрузки, которая создается рабочим цилиндром 6 за счет собственной силы тяжести. В верхней части рабочий цилиндр 6 имеет радиальное отверстие 15 для крепления силового рычажно-пружинного механизма 7, силовым элементом которого являются пружины 16 известной жесткости, и имеет радиальную прорезь, которая является направляющей для отрезной пластины 17. Отрезная пластина 17 служит для выравнивания торца сформированного образца почвы и является промежуточным звеном
для передачи нагрузки при испытаниях на сжатие. Нижняя часть 11 рабочего цилиндра 6 служит для формирования образца почвы.
Устройство (фиг.1), для испытаний на растяжение снабжено опорной пластиной 18, с жестко закрепленными на ней направляющими втулками 19, которые имеют возможность фиксации на направляющих стойках 4 с помощью креплений 20. Опорная пластина 18 имеет отверстие 21 для крепления силового рычажно-пружинного механизма 7 при испытании образца почвы на растяжение.
Использование предлагаемой конструкции разборного рабочего цилиндра позволяет формировать образец почвы с ненарушенной структурой, что увеличивает уровень достоверности полученных результатов при проведении испытаний образца почвы, как на растяжение, так и на сжатие.
Силовой рычажно-пружинный механизм 7 с записывающим устройством 8 регистрирует на миллиметровой бумаге 22 диаграмму зависимости деформации образца от усилия, создаваемого нагрузочной плитой 23, до момента разрушения образца, что позволяет проводить последующую обработку полученного результата испытания.
Для стабилизации полученных результатов при определении прочностных свойств почв внутренний диаметр рабочего цилиндра 6 (d paб.) должен быть не менее 60 мм. Для снижения краевого эффекта, возникающего при вдавливании рабочего цилиндра 6, отрезной цилиндр 5 имеет внутренний диаметр
d=dраб. +b,
где dpaб. - внутренний диаметр рабочего цилиндра;
b - припуск на снижение краевого эффекта, (b=40 мм).
Устройство (фиг.1) для определения прочностных свойств почв в полевых условиях работает следующим образом.
При определении прочностных свойств почв на сжатие устанавливают устройство в подготовленный почвенный приямок на глубину исследуемого почвенного слоя. Регулируют горизонтальное положение основания 1 путем вдавливания опор 2 в почву, контролируют правильность положения по уровнемеру 3. Для получения образца почвы предварительно формируют заготовку из почвенного слоя, для чего устанавливают на направляющие стойки 4 отрезной цилиндр 5 и, вдавливая в почву на глубину по заранее установленной на нем метке, получают заготовку. Очищают почву вокруг отрезного цилиндра 5 и снимают его. Устанавливают на направляющие стойки 4 пружины 14, предварительно собранный рабочий цилиндр 6, пружины 16 силового рычажно-пружинного механизма 7 и нагрузочную плиту 23, посредством которой вдавливают рабочий цилиндр 6 на глубину 90 мм по метке на цилиндре. Для регистрации диаграммы зависимости деформации образца от усилия, устанавливают рычажно-пружинный механизм 7 с записывающим устройством 8, соединяя его одним концом с верхней частью рабочего цилиндра 6, а другим - с нагрузочной плитой 23. После установки рычажно-пружинного механизма 7, с помощью записывающего устройства 8 отмечают на миллиметровой бумаге 22 начало отсчета. Очищают почву вокруг рабочего цилиндра б на глубину расположения его нижней части 11. Внедряют отрезную пластину 17 в прорезь верхней части 9 рабочего цилиндра 6 и открывают стяжку 12 при ослаблении замка 13. После открытия стяжки 12, которая соединяет верхнюю 9 и нижнюю 11 части, разбирают среднюю часть 10 рабочего цилиндра 6 и получают
сформированный образец, к которому прикладывают сжимающую нагрузку посредством нагрузочной плиты 23. При воздействии нагрузочной плиты 23, посредством силового рычажно-пружинного механизма 7 и записывающего устройства 8 регистрируют деформацию и усилие до полного разрушения образца почвы с дальнейшим расчетом его прочности на сжатие по известным формулам.
При определении прочностных свойств почв на растяжение, устанавливают устройство в подготовленный почвенный приямок на глубину исследуемого почвенного слоя. Регулируют горизонтальное положение основания 1 путем вдавливания опор 2 в почву, контролируя правильность положения по уровнемеру 3. Для получения образца почвы предварительно формируют заготовку из почвенного слоя, для чего устанавливают на направляющие стойки 4 отрезной цилиндр 5 и, вдавливая в почву на глубину по заранее установленной на нем метке, получают заготовку. После получения заготовки очищают почву вокруг отрезного цилиндра 5 и снимают его. Устанавливают на направляющие стойки 4 пружины 14, нагрузочную плиту 23, жестко соединенную с предварительно собранным рабочим цилиндром 6. Вдавливают рабочий цилиндр 6 на глубину 90 мм по метке на цилиндре. Для регистрации диаграммы зависимости деформации образца от усилия, устанавливают на направляющие стойки 4 пружины 16, рычажно-пружинный механизм 7 с записывающим устройством 8, соединяя его одним концом с нагрузочной плитой 23, а другим - с опорной пластиной 18. Опорная пластина 18, с жестко закрепленными на ней направляющими втулками 19, имеет возможность фиксации на направляющих стойках 4 с помощью креплений 20. После подготовки к началу проведения испытания образца почвы, с помощью записывающего устройства
8 на миллиметровой бумаге 22, отмечают начало отсчета. Очищают почву вокруг рабочего цилиндра 6 на глубину расположения его нижней части 11. Внедряют отрезную пластину 17 в прорезь верхней части рабочего цилиндра 6 и открывают стяжку 12 при ослаблении замка 13. После открытия стяжки 12, которая соединяет верхнюю 9 и нижнюю 11 части, снимают среднюю часть 10 рабочего цилиндра 6 и получают сформированный образец, к которому прикладывают растягивающую нагрузку посредством воздействия нагрузочной плиты 23. Сформированный образец удерживается в верхней части 9 рабочего цилиндра 6 за счет сил трения между боковой поверхностью почвенного образца и внутренней поверхностью рабочего цилиндра 6. При воздействии нагрузочной плиты 23, посредством силового рычажно-пружинного механизма 7 и записывающего устройства 8 регистрируют деформацию и усилие до полного разрушения образца почвы с дальнейшим расчетом его прочности на растяжение по известным формулам.
Использование полезной модели при определении прочностных свойств почв в полевых условиях позволит повысить достоверность получения данных, качество проектирования и расчета рабочих органов почвообрабатывающих машин, а также может быть применено при исследовании прочностных свойств грунтов при последующем конструировании рабочих органов строительной и дорожной техники.
1. Устройство для определения прочностных свойств почв в полевых условиях, включающее основание с опорами и силовой рычажно-пружинный механизм, отличающееся тем, что устройство включает направляющие стойки для строго вертикального перемещения вначале отрезного цилиндра, а затем сменного рабочего цилиндра, состоящего из верхней, средней (разборной) и нижней частей, скрепленных стяжкой, уровнемер для обеспечения горизонтального положения основания и позволяет испытывать образцы почвы на растяжение и сжатие, без нарушения естественной структуры почвы.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочий цилиндр, формирующий образец, для повышения информативности может иметь различный внутренний диаметр в зависимости от типа почв, гранулометрического состава и исходного состояния: 60, 80 или 100 мм.
