УДК 69.058.5+69.058.2

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В ГРУНТАХ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ

Лашова Светлана Сергеевна
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
магистр

Аннотация
Рассматривается вопрос измерения напряжений и деформаций в грунтах при полевых изысканиях, анализируется изученность вопроса, приводятся современные методы и способы определения напряжений и деформаций в грунте.

Ключевые слова: грунт, деформации, месдоза, напряжения, полевые испытания, тензодатчик, тензорезистор.


MEASUREMENT OF STRESSES AND STRAINS IN THE SOIL IN THE FIELD

Lashova Svetlana Sergeevna
Perm National Research Polytechnic University
Master

Abstract
The question of how to measure the stresses and strains in the soil in the field of studies, analyzes, examines the modern methods and techniques for the determination of stresses and strains in the soil.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Лашова С.С. Измерение напряжений и деформаций в грунтах в полевых условиях // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 11 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/11/74531 (дата обращения: 03.06.2017).

Под действием внешних сил или от собственного веса в грунтах возникают напряжения и деформации. Их изучение, а также своевременный мониторинг, необходимы для различных расчетов, таких как: расчет деформации (осадка и перемещение грунтового массива), оценка прочности, устойчивости грунтов и давления на ограждения и близлежащие конструкции.

Область измерения напряжений и деформаций в лабораторных условиях достаточно хорошо изучена, ассортимент оборудования отличается высоким многообразием. Существующие приборы позволяют осуществить все необходимые измерения, получить точный, а, главное, быстрый результат. Наблюдение за напряжениями и деформациями грунта в полевых условиях значительно усложняется за счет невозможности применения лабораторных приборов, методов измерения. В ходе работы над статьей был произведен анализ изученности данного вопроса, результаты представлены ниже.

Измерение напряжений в полевых условиях осуществляется двумя способами – косвенным и прямым. При косвенных измерениях руководствуются сравнением параметров самого грунта до и после опытов, например, производится оценка компрессионных зависимостей грунта, сравнивается объемный вес и т. д. При прямом способе используют специальные измерительные приборы, погружаемые непосредственно в грунт.

Большинство методик определения напряжений и деформаций при расчете осадок заимствованы из теории упругости механики сплошной среды. Но так как грунт это дискретное многофазное тело, то измерение напряжений возможно по тем или другим проявлениям напряженного состояния, обычно по деформациям, которые напряженное состояние вызывает в конкретном, предварительно проградуированном, измерительном устройстве. Такой экспериментальный подход всегда сопровождается погрешностями измерений, связанными с недостаточностью сведений о взаимодействии измерительного устройства со средой.

В свое время вопросом измерения напряжений занимался советский ученый, кандидат технических наук Голли А.В. Он доработал и усовершенствовал существующую методику измерения деформаций с помощью месдоз – датчиков давления на грунт. Он также установил величины погрешности измерений месдозами при проведении опытов в песке и глине в зависимости от влажности (консистенции) исследуемого грунта. Согласно его опытам, погрешность измерений обратно пропорциональна консистенции глины. [1].

В соавторстве с другими советскими учеными Голли запатентовал несколько изобретений, упрощающих измерение напряжений и деформаций в грунтах. Основной целью изобретений является расширение функциональных возможностей и повышение точности измерений, а также сокращение трудозатрат при испытаниях [2,3].

Вопросом измерения напряжений в грунте от кратковременных нагрузок занимались такие советские ученые, как Рыков Г.В., Скобеев А.М. В своей монографии они привели результаты исследования, проводимого в двух направлениях: экспериментальное, заключающееся в создании измерительных устройств и разработке методики экспериментов; а также теоретическое направление, суть которого заключалась в изучении погрешностей измерений, зависящих от взаимодействия измерительных приборов со средой. [4].

С развитием тензометрии популярность применения тензорезисторов и тензодатчиков в приборах измерения напряжений резко возросла, все больше ученых стали посвящать научные труды данному вопросу. Такие ученые, как Баранов Д.С., Чудновский А.Ф., Стумбур В.К., Илисавский Ю.В.  занимались изучением и совершенствованием полупроводниковых тензорезисторов. [5,6,7]

В ходе научной  работы Смыслов И.И. в соавторстве с Раевским Н.П., Павловой Т.Т.изобрели и усовершенствовали новый тип тензорезисторов – кремниевые дендритные. Применение данного типа резисторов позволило получать более точные результаты в силу малой чувствительности кремния к колебанию температуры в массиве. Эти же ученые занимались разработкой тензорезисторов из дендрита германия, отличающихся сравнительно низкой стоимостью, но при этом обладающие пониженной механической прочностью.[8,9]

В настоящее время все большую популярность завоевывают оптоволоконные тензодатчики, обладающие большой надежностью, стабильностью, долговечностью и помехоустойчивостью. Применение таких датчиков позволило значительно ускорить время замеров, сократило ожидание результатов, так как измерения полностью автоматизированы, больше нет необходимости вручную пересчитывать результаты, производить тарировку приборов.

Сам по себе такой датчик не может измерять напряжение и деформации, так как он лишь регистрирует деформации, обработка происходит в приборе-регистраторе, следовательно, тензодатчик необходимо поместить в какой-то прибор, например, месдозу, и затем уже погрузить в грунт.

В существующих межгосударственных стандартах ГОСТ 19912-2012 и ГОСТ 20276-2012 описаны методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости грунтов, установлены требования, предъявляемые к ним.

Настоящие ГОСТы приводят следующие методы определения: статическое зондирование, динамическое зондирование [10], испытания штампом, испытания радиальным прессиометром, испытания прессиометром с секторным приложением нагрузки, испытания лопастным прессиометром,  испытания плоским дилатометром, срез целиков грунта, вращательный срез – для дисперсных грунтов, испытания горячим штампом – для мерзлых грунтов. [11]

Болдырев Г.Г. в своей работе доказал на практике, что самым популярным на сегодняшний день является метод статического зондирования, отличающийся широкой применимостью, низкой стоимостью, быстротой исследований, большого объема информации. Остальные методы в силу различных причин потеряли популярность [12].

Одним из новаторских методов измерения деформации является метод фотограмметрии или фотофиксации, суть которого заключается в изучении фотографических снимков, сделанных непосредственно в месте измерения деформаций. В интересующем месте устанавливается ряд меток, проводится фотофиксация положения каждой из них, специальная обрабатывающая программа присваивает им определенные координаты. После некоторого воздействия на исследуемый грунт, либо по прошествии определенного времени, производится очередная фотофиксация. Обрабатывающее ПО сравнивает положение контрольных меток до воздействия и после, и на основе этого анализа делает вывод о произошедших деформациях. Сравнение результатов, полученных методом фотограмметрии и любым стандартным методом показало, что погрешность измерения первым способом мала, следовательно, данный способ может быть применим для определения деформаций в грунте.

Резюмируя вышеизложенное, кратко перечислим методы и средства определения напряжений и деформаций в грунтах

Методы:

  • статическое зондирование;
  • динамическое зондирование;
  • испытания штампом;
  • испытания радиальным прессиометром;
  • испытания прессиометром с секторным приложением нагрузки;
  • испытания лопастным прессиометром;
  • испытания плоским дилатометром;
  • срез целиков грунта;
  • вращательный срез;
  • испытания горячим штампом.

Приборы и оборудование:

  • месдозы, служащие для измерения нормальных и касательных напряжений, также используются для замера силы давления и трения грунта по фундаменту. На данный момент существует большое количество вариаций месдоз, различающихся как по материалу и конструкции, так и по назначению (измерение напряжений в непосредственно в грунте или в точке контакта грунта/фундамента);
  • датчики 3D тензометрии, нашли широкое применение при оценке напряжений в сваях под пробной нагрузкой; в бетонных стенах; в сооружениях из стали;
  • датчики порового давления, поропьезометры, исследующие напряжение, передаваемое водой в порах;
  • тензорезисторный закладной датчик ТЗБ, предназначенный для замера деформаций и напряжений в конструкциях из бетона или железобетона.

Библиографический список
  1. Голли А.В. Методика измерения напряжений и деформаций в грунтах // Л.: ЛИСИ, 1984. – 53 с.
  2. Патент SU 1339196 А1. Устройство для измерения напряжений в грунтах. Голли А.В., Пронев Л,К, Сотников С.Н., Шашкин А.Г.  ЛИСИ, 1978.-5.
  3. Патент SU 1523637 А1. Устройство для измерения напряжений и деформаций в массиве грунта. Голли А.В., Д.В. Белов, ЛИСИ, 1989. -3 с.
  4. Рыков Г.В., Скобеев А.М. Измерение напряжений в грунтах при кратковременных нагрузках. М: Наука, 1978 г, -168 с.
  5. Баранов Д.С. Электронная тензометрическая установка для одновременного наблюдения за двенадцатью процессами.  - “Известия ВУЗов, Строительство и архитектура”, 1958, № 3,с. 151-157.
  6.  Стумбур В.К., Чудновский А.Ф. Полупроводниковый почвенный тензометр.Инженерно-физический журнал. 1963, № 4, с. 101-104.
  7. Илисавский Ю.В. Полупроводниковые тензометры.  Л.: ЛДНТП, 1963, 41 с.
  8. Смыслов И.И. Полупроводниковые тензодатчики из дендритов германия для измерения механических параметров машин.  Автореферат диссертации кандидата технических наук, М.: Изд. НШМАШ, 1965, 20 с.
  9. Раевский Н.П., Павлова Т.Т., Смыслов И.И. Кремниевый дендритный тензорезистор. ПСУ, 1968, №12, с. 47-48.
  10. ГОСТ 19912-2012. Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием. М: 2013
  11. ГОСТ 20276-2012. Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости. М: 2013.
  12. Болдырев Г.Г. Cравнение методов лабораторных и полевых испытаний грунтов. Пенза, НПП «Геотек».


Все статьи автора «Лашова Светлана Сергеевна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: