RU2556681C1

RU2556681C1 - Instrument for determination of deformations of soil frost boil

Info

Publication number: RU2556681C1
Application number: RU2014121241/15A
Authority: RU
Inventors: Александр Леонидович Невзоров; Алексей Анатольевич Коршунов; Сергей Владимирович Чуркин
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2015-07-10

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: instrument includes sleeves for test soil specimens, which consist of rings, a water tray, dies, heat insulation and temperature sensors. With that, sleeves are arranged on telescopic shells of different height, which are installed on the tray.

EFFECT: instrument allows improving reliable determination of deformation of frost boil.

3 dwg

Description

Изобретение относится к приборам для измерения деформаций морозного пучения грунта в лабораторных условиях.The invention relates to devices for measuring deformations of frost heaving in the laboratory.

Известен прибор для определения величины деформаций и сил морозного пучения грунта, включающий контейнер для грунта с перфорированным днищем и емкостью, в которой он установлен, теплоизоляционный кожух, тепловой элемент и измерительные приборы (а.с. СССР №746033, МПК E02D 1/60, 1980 - аналог).A known device for determining the magnitude of deformations and forces of frost heaving of the soil, including a soil container with a perforated bottom and the capacity in which it is installed, a heat-insulating casing, a thermal element and measuring instruments (AS USSR No. 746033, IPC E02D 1/60, 1980 - analogue).

Как известно, первичное пучение грунта, вызванное замерзанием воды, первоначально содержавшейся в грунте, невелико. Превалирующее значение имеет так называемое вторичное пучение, обусловленное замерзанием влаги, мигрирующей вверх - к фронту промерзания - из талой зоны [Невзоров А.Л. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах. М.: Изд-во ACB. 2000. - с. 63-65; Andersland О.В., Ladanyi В. Frozen ground engineering. Second edition. John Willey & Sons, Inc. 2004. - р. 36-39]. Конструкция прибора не позволяет определять деформации морозного пучения грунтов при различном положении уровня грунтовых вод. Подпитка промораживаемого образца производится при постоянном уровне воды, совпадающем с его нижним торцом.As you know, the primary heap of the soil caused by freezing of the water originally contained in the soil is small. Of primary importance is the so-called secondary heaving, due to the freezing of moisture migrating upward - to the freezing front - from the melt zone [A. Nevzorov. Foundations on seasonally freezing soils. M .: ACB Publishing House. 2000. - p. 63-65; Andersland O.V., Ladanyi V. Frozen ground engineering. Second edition. John Willey & Sons, Inc. 2004. - p. 36-39]. The design of the device does not allow to determine the deformation of frost heaving of soils at different positions of the groundwater level. The freezing sample is replenished at a constant water level, which coincides with its lower end.

Известен прибор для измерения деформаций морозного пучения грунта, включающий гильзу для образца грунта, составленную из колец, и основание с герметичной камерой для подачи воды (Патент 2474650, МПК E02D 1/00, 2011 - аналог). Для моделирования природных условий промерзания грунта в зависимости от положения уровня грунтовых вод в камере поддерживается давление ниже атмосферного.A known device for measuring deformations of frost heaving of the soil, including a sleeve for a soil sample made up of rings, and a base with a sealed chamber for supplying water (Patent 2474650, IPC E02D 1/00, 2011 - analogue). To simulate the natural conditions of soil freezing, depending on the position of the groundwater level in the chamber, a pressure below atmospheric is maintained.

Прибор позволяет моделировать лишь положение уровня грунтовых вод на площадке строительства, тогда как интенсивность миграционного потока влаги к фронту промерзания зависит еще и от свойств грунта, залегающего выше уровня грунтовых вод - дисперсности, пористости и др. Кроме того, в основании могут присутствовать несколько слоев грунта, отличающихся по составу и свойствам.The device allows you to simulate only the position of the groundwater level at the construction site, while the intensity of the migration moisture flow to the freezing front also depends on the properties of the soil lying above the groundwater level - dispersion, porosity, etc. In addition, several soil layers may be present in the base differing in composition and properties.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для определения величины морозного пучения грунтов, включающее гильзы для образцов грунта, составленные из колец, штампы с грузами, поддон с водой, теплоизоляцию, датчики температуры и индикаторы перемещений (Свидетельство на полезную модель №25518, МПК E02D 1/00, 2002 - прототип). Устройство позволяет определять максимально возможную величину пучения, так как подпитка промораживаемых образцов осуществляется погружением их полностью или частично в воду. Конструкция устройства не позволяет моделировать природные условия промерзания грунта при различной глубине расположения уровня грунтовых вод.Closest to the proposed invention is a device for determining the amount of frost heaving of soils, including sleeves for soil samples made up of rings, dies with weights, a water tray, thermal insulation, temperature sensors and movement indicators (Utility Model Certificate No. 25518, IPC E02D 1 / 00, 2002 - prototype). The device allows you to determine the maximum possible amount of heaving, since the replenishment of the frozen samples is carried out by immersing them fully or partially in water. The design of the device does not allow simulating the natural conditions of soil freezing at different depths of the groundwater level.

Цель изобретения состоит в повышении достоверности получаемых результатов за счет обеспечения условий миграции влаги к фронту промерзания, идентичных основанию проектируемого сооружения.The purpose of the invention is to increase the reliability of the results by providing conditions for the migration of moisture to the freezing front, identical to the base of the designed structure.

Указанная цель достигается тем, что в приборе для определения деформаций морозного пучения грунта, включающем гильзы для образцов исследуемого грунта, составленные из колец, поддон с водой, штампы, теплоизоляцию и датчики температуры и перемещений, гильзы с образцами размещаются на стаканах различной высоты, установленных в поддоне, стаканы выполнены телескопическими, заполнены грунтом основания проектируемого сооружения и снабжены датчиками перемещений.This goal is achieved by the fact that in the device for determining deformations of frost heaving of the soil, including sleeves for samples of the investigated soil, made up of rings, a water tray, dies, thermal insulation and temperature and displacement sensors, sleeves with samples are placed on glasses of various heights installed in the pan, the glasses are made telescopic, filled with soil of the base of the designed structure and equipped with displacement sensors.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 дан разрез прибора, на фиг. 2 - разрез телескопического стакана с установленной на нем гильзой, а на фиг. 3 - общий вид прибора в собранном состоянии.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a sectional view of the device; FIG. 2 shows a section through a telescopic cup with a sleeve mounted on it, and in FIG. 3 - general view of the device in assembled condition.

Прибор содержит гильзы 1, стаканы различной высоты 2 с отверстиями 3, поддон 4 с крышкой 5, стойки 6 для крепления коромысел 7, теплоизоляцию 8, штампы 9, датчики температуры 10, 11, датчики линейного перемещения 12, 13 и силоизмерительный датчик 14.The device contains sleeves 1, glasses of various heights 2 with openings 3, a tray 4 with a cover 5, struts 6 for mounting the rocker arm 7, thermal insulation 8, dies 9, temperature sensors 10, 11, linear displacement sensors 12, 13, and load cell 14.

Гильзы 1 для образцов грунта I составленны из отдельных колец, имеющих возможность взаимного перемещения в вертикальном направлении. Гильзы размещены на верхних торцах стаканов различной высоты 2, заполненных грунтом II из основания проектируемого сооружения. Стаканы для обеспечения возможности сжатия грунта под нагрузкой или за счет усадки при миграции влаги к фронту промерзания и исключения влияния на результаты трения грунта о стенки выполнены телескопическими. Гильзы установлены в поддон с водой 4. Уровень воды в поддоне в ходе опыта поддерживается постоянным. Постоянной поддерживается и температура воды (нагревательный элемент на фиг. 1 не показан). Отверстия 3 в стенках стаканов служат для подачи воды в их внутреннюю полость.The sleeves 1 for soil samples I are composed of separate rings having the possibility of mutual movement in the vertical direction. Sleeves are placed on the upper ends of glasses of various heights 2, filled with soil II from the base of the designed structure. Glasses to ensure the possibility of soil compression under load or due to shrinkage during migration of moisture to the freezing front and to exclude the influence on the results of soil friction against the walls are made telescopic. The liners are installed in a water pan 4. The water level in the pan during the experiment is maintained constant. The water temperature is also kept constant (the heating element in Fig. 1 is not shown). The holes 3 in the walls of the glasses serve to supply water to their internal cavity.

Поддон 4 сверху закрыт крышкой 5 с отверстиями для установки стаканов 2. На крышке закреплены стойки 6, служащие для крепления коромысел 7. Сверху на крышку 5 укладывается теплоизоляция 8. Теплоизоляция имеет переменную высоту и укладывается уступами, ее верх совпадает с верхом гильз 1. Между стенками стаканов 2 и теплоизоляцией остается зазор, достаточный для размещения датчиков линейного перемещения 13. К стенкам гильз 1 теплоизоляция прилегает с минимальным зазором. Сверху на образцы устанавливаются штампы 9.Pallet 4 is closed with a lid 5 on top with holes for installing glasses 2. Racks 6 are mounted on the lid, which are used to mount the rocker arms 7. Thermal insulation is laid on top of lid 5. Thermal insulation has a variable height and fits with ledges, its top coincides with the top of sleeves 1. the walls of the cups 2 and the thermal insulation remains a gap sufficient to accommodate the linear displacement sensors 13. To the walls of the sleeves 1 the thermal insulation is adjacent with a minimum clearance. Stamps 9 are installed on top of the samples.

Для регистрации результатов эксперимента служат датчики температуры 10, 11 и датчики линейного перемещения 12, 13. Датчики температуры 10 размещаются внутри образцов грунта I, исследуемых на пучение, и позволяют наблюдать за перемещением фронта промерзания. Они вводятся в образцы через отверстия в стенках гильзы, выполненные на стыках колец и на стыке нижнего кольца со стаканом. Датчик 11 служит для измерения температуры воды в поддоне 4. Датчики 12, закрепленные на коромыслах 7, регистрируют подъем поршней при пучении образцов. Датчики 13, представляющие собой конструкцию со встроенным подвижным штоком, закреплены на наружной поверхности телескопических стаканов 2, а их штоки опираются на верхние торцы нижерасположенных элементов стаканов. Указанные датчики регистрируют взаимное перемещение элементов стаканов, возникающее при сжатии под нагрузкой или усадке грунта в их внутренней полости.To record the results of the experiment, temperature sensors 10, 11 and linear displacement sensors 12, 13 are used. Temperature sensors 10 are placed inside soil samples I, studied for heaving, and allow observing the movement of the freezing front. They are introduced into the samples through holes in the walls of the sleeve, made at the joints of the rings and at the junction of the lower ring with the glass. The sensor 11 is used to measure the temperature of the water in the pan 4. Sensors 12, mounted on the rocker arms 7, record the rise of the pistons when the samples are heaving. The sensors 13, which are a structure with a built-in movable rod, are mounted on the outer surface of the telescopic glasses 2, and their rods are based on the upper ends of the lower elements of the glasses. These sensors detect the mutual movement of the elements of the glasses that occurs during compression under load or shrinkage of the soil in their internal cavity.

Работает прибор следующим образом.The device operates as follows.

Стаканы 2 заполняют грунтом II основания проектируемого сооружения и устанавливают в поддон с водой 4 через отверстия в его крышке 5. На стенках стаканов закрепляют датчики перемещений 13. На верхних торцах стаканов размещают гильзы 1 с образцами грунта I и через отверстия в стенках гильз в образцы вводят датчики температуры 10. На крышку поддона укладывают теплоизоляцию 8. Установив штампы 9, на стойках 6 закрепляют коромысла 7, к которым крепят датчики перемещений 12.The glasses 2 are filled with soil II of the base of the projected structure and installed in a water pan 4 through the holes in its cover 5. On the walls of the glasses, sensors 13 are mounted on the upper ends of the glasses. The shells 1 with soil samples I are placed and through the holes in the walls of the sleeves they are introduced temperature sensors 10. Heat insulation is laid on the pallet cover 8. By installing dies 9, the arms 7 are fixed on the posts 6, to which the displacement sensors 12 are attached.

В случае необходимости определения давления морозного пучения вместо датчика перемещений 12 между штампом 9 и коромыслом 7 может быть установлен силоизмерительный датчик 14 (фиг. 3).If it is necessary to determine the pressure of frost heaving instead of the displacement sensor 12 between the stamp 9 and the rocker 7 can be installed load sensor 14 (Fig. 3).

Собранный прибор помещают в холодильную камеру и выдерживают при температуре +1…+3°C несколько суток до выравнивания температуры деталей прибора, грунта и воды в поддоне. После укладки теплоизоляции у стенок и под днищем поддона (на чертежах теплоизоляция не показана) в холодильной камере задают отрицательную температуру. Начинается промораживание образца грунта I. Температура воды в поддоне 4 в ходе опыта поддерживается положительной. Благодаря теплоизоляции стенок гильзы фронт промерзания в образце перемещается сверху вниз. Благодаря хорошей теплопроводности стаканов 2, изготовленных из металла, и конвекции воздуха в зазорах между стаканами и теплоизоляцией 8 в заполняющем стаканы грунте II сохраняется положительная температура.The assembled device is placed in a refrigerator and kept at a temperature of + 1 ... + 3 ° C for several days until the temperature of the parts of the device, soil and water in the pan equalize. After laying the thermal insulation at the walls and under the bottom of the pallet (thermal insulation is not shown in the drawings), a negative temperature is set in the refrigerator chamber. The freezing of the soil sample I begins. The temperature of the water in the pan 4 during the experiment is maintained positive. Thanks to the thermal insulation of the liner walls, the freezing front in the sample moves from top to bottom. Due to the good thermal conductivity of the cups 2 made of metal and the convection of air in the gaps between the cups and the insulation 8, a positive temperature is maintained in the soil filling the cups II.

За перемещением фронта промерзания следят с помощью датчиков температуры 10. В случае необходимости для обеспечения заданного темпа промерзания изменяют температуру в холодильной камере.The movement of the freezing front is monitored using temperature sensors 10. If necessary, the temperature in the refrigerating chamber is changed to ensure a given freezing rate.

Датчики перемещений 12 регистрируют вызванный пучением образцов подъем штампов 9, а датчики 13 - изменение высоты стаканов 2, обусловленное сжатием или усадкой грунта внутри них.The displacement sensors 12 record the rise of the dies 9 caused by the heaving of the samples, and the sensors 13 - the change in the height of the glasses 2, due to compression or shrinkage of the soil inside them.

Согласно ГОСТ 28622-2012 «Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости», условием завершения эксперимента является промораживание образца высотой 150 мм на глубину 100 мм. Исходя из этого условием завершения эксперимента можно считать промораживание образца примерно на 2/3 высоты гильзы 1.According to GOST 28622-2012 "Soils. Laboratory method for determining the degree of heaving ”, the condition for completing the experiment is to freeze a sample 150 mm high to a depth of 100 mm. Based on this, the condition for completing the experiment can be considered as freezing the sample by approximately 2/3 of the height of the sleeve 1.

Прибор благодаря размещению гильз с образцами на стаканах различной высоты, заполненных грунтом основания, обеспечивает условия миграции влаги к фронту промерзания, идентичные основанию проектируемого сооружения. В ходе лабораторных экспериментов может определяться зависимость деформаций пучения от глубины залегания уровня грунтовых вод и замеряется усадка грунта в немерзлой зоне. Тем самым повышается достоверность получаемых результатов экспериментов.Due to the placement of thermowells with samples on glasses of various heights filled with base soil, the device provides conditions for moisture migration to the freezing front, identical to the base of the designed structure. During laboratory experiments, the dependence of heaving deformations on the depth of the groundwater level can be determined and soil shrinkage in the non-frozen zone can be measured. This increases the reliability of the obtained experimental results.

Claims

Прибор для определения деформаций морозного пучения грунта, включающий гильзы для образцов исследуемого грунта, составленные из колец, штампы, поддон с водой, теплоизоляцию и датчики температуры, отличающийся тем, что гильзы для образцов размещены на стаканах различной высоты, установленных в поддоне, а стаканы выполнены телескопическими. A device for determining deformations of frost heaving of the soil, including sleeves for samples of the studied soil, made up of rings, dies, a tray with water, thermal insulation and temperature sensors, characterized in that the sleeves for samples are placed on glasses of different heights installed in the tray, and the glasses are made telescopic.