RU2642977C1

RU2642977C1 - Sensor for measurement of normal stresses in soils

Info

Publication number: RU2642977C1
Application number: RU2017112681A
Authority: RU
Inventors: Мария Алексеевна Авдушева; Александр Леонидович Невзоров
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2018-01-29

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: sensor includes a housing made of thin elastic material with electrodes and artificial soil prepared from natural soil placed in the internal cavity by replacing one of the solid particles fraction with a powder of an electrically conductive substance of the same dimensions. The artificial soil is compacted to achieve a porosity coefficient equal to the porosity coefficient of the enclosing soil. Stresses that arise at the structures base cause compression and, as a consequence, an increase in the electrical conductivity of the artificial soil in the sensor cavity. Based on the results of electrical conductivity measurements, the values of stresses are determined using the previously obtained calibration curve.

EFFECT: sensor design eliminates distortion of the investigated stressed state due to the concentration of stresses in the enclosing soil.

2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения нормальных напряжений в грунтах.The present invention relates to measuring technique and is intended for measuring normal stresses in soils.

Нормальные напряжения измеряют с помощью плоских датчиков, помещаемых в заданную точку грунтового основания. Датчики ориентируют таким образом, чтобы нормаль к их плоскости совпадала с направлением измеряемых напряжений. Наибольшее распространение получили жесткие датчики, или месдозы мембранного типа, в которых регистрация деформаций мембраны осуществляется с помощью тензодатчиков, струн, пъезокристаллов и т.п. (B.C. Punmia, Ashok Kumar Jain, Arun Kumar Jain. Soil Mechanics and Foundations. - Laxmi Publications 2005, p. 875-880).Normal stresses are measured using flat sensors placed at a given point in the soil base. The sensors are oriented so that the normal to their plane coincides with the direction of the measured voltages. The most widely used are rigid sensors, or membrane type mesoses, in which registration of membrane deformations is carried out using strain gauges, strings, piezocrystals, etc. (B.C. Punmia, Ashok Kumar Jain, Arun Kumar Jain. Soil Mechanics and Foundations. - Laxmi Publications 2005, p. 875-880).

Основным недостатком таких устройств является искажение напряженного состояния основания из-за отличия деформаций датчика от деформаций грунта при равных напряжениях, что приводит к концентрации напряжений в грунте вокруг датчика (J. Dunnicliff, G.E. Green. Geotechnical Instrumentation for Monitoring Field Performance. - A Wiley-Interscience Publication, 1988, p. 168-169).The main disadvantage of such devices is the distortion of the stress state of the base due to the difference in the deformation of the sensor from the deformation of the soil at equal stresses, which leads to a concentration of stresses in the soil around the sensor (J. Dunnicliff, GE Green. Geotechnical Instrumentation for Monitoring Field Performance. - A Wiley- Interscience Publication, 1988, p. 168-169).

Попытки снизить влияние рассматриваемого фактора за счет уменьшения толщины датчика приводят к усложнению его конструкции и, как результат, к снижению надежности и повышению стоимости устройства. У идеального датчика, исключающего концентрацию напряжений, деформативность, а именно зависимость деформаций от действующих напряжений, должна совпадать с деформативностью вмещающего его грунта. Снизить концентрацию напряжений в грунте можно за счет применения так называемых эластичных датчиков (Ашрабов А.А., Раупов Ч.С. Экспериментальные методы и средства проведения инженерных испытаний. - Ташкентский институт инженеров железнодорожного транспорта, 2007 г.).Attempts to reduce the influence of the factor under consideration by reducing the thickness of the sensor complicate its design and, as a result, reduce reliability and increase the cost of the device. For an ideal sensor, excluding stress concentration, deformability, namely, the dependence of deformations on acting stresses, should coincide with the deformability of the soil containing it. It is possible to reduce the stress concentration in the soil through the use of so-called elastic sensors (Ashrabov A.A., Raupov C.S. Experimental methods and means of conducting engineering tests. - Tashkent Institute of Railway Engineers, 2007).

Известен датчик давления, содержащий корпус в виде диска из эластичного материала с внутренней полостью, заполненной веществом-наполнителем, в качестве которого используется малосжимаемая жидкость, внутри жидкости размещен измеритель давления (Патент РФ №1840407, МПК G01L 11/00, 2006 - прототип). Недостатком датчика является сохраняющееся отличие деформационных характеристик датчика и вмещающего его грунта.A known pressure sensor containing a housing in the form of a disk of elastic material with an internal cavity filled with a filler substance, which is used as an incompressible liquid, a pressure meter is placed inside the liquid (RF Patent No. 1840407, IPC G01L 11/00, 2006 - prototype). The disadvantage of the sensor is the persistent difference in the deformation characteristics of the sensor and the soil containing it.

Во-первых, используемая в качестве вещества-наполнителя жидкость считается несжимаемой при действующих в основаниях зданий напряжениях (Далматов Б.И. и др. Механика грунтов. Ч. 1. Основы геотехники в строительстве. - М.: Издательство АСВ, 2000. - Стр. 43).Firstly, the fluid used as a filler substance is considered incompressible at the voltages existing in the foundations of buildings (Dalmatov B.I. et al. Soil mechanics. Part 1. Fundamentals of geotechnics in construction. - M.: Publishing House ASV, 2000. - Page 43).

Во-вторых, у эластичного или упругого материала корпуса зависимость между напряжениями и деформациями линейная, тогда как у грунтов этой зависимости свойственна существенная нелинейность. Поэтому датчик будет давать достоверные результаты измерений лишь в определенном интервале напряжений.Secondly, in an elastic or elastic body material, the relationship between stresses and strains is linear, while in soils of this dependence a significant non-linearity is characteristic. Therefore, the sensor will give reliable measurement results only in a certain voltage range.

В-третьих, для закладки в различные грунты придется подбирать материалы для изготовления корпуса датчика с соответствующими свойствами. Так, например, характерные значения модуля деформации ила составляют 2…5 МПа, а песка 30…40 МПа, то есть имеет место отличие от 6 до 20 раз (Заручевных И.Ю., Невзоров А.Л. Механика грунтов в схемах и таблицах: учебное пособие. - М.: Издательство АСВ, 2015. - Стр. 20).Thirdly, for laying in various soils, you will have to select materials for the manufacture of the sensor housing with the appropriate properties. So, for example, the characteristic values of the sludge deformation modulus are 2 ... 5 MPa, and sand 30 ... 40 MPa, that is, there is a difference from 6 to 20 times (Zaruchevnykh I.Yu., Nevzorov A.L. Soil mechanics in diagrams and tables : study guide. - M.: Publishing house ASV, 2015. - P. 20).

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение достоверности измерения напряжений в грунтах. Технический результат заключается в полном совпадении деформационных характеристик вещества-наполнителя и вмещающего датчика природного грунта. Указанный технический результат достигается тем, что в датчике, содержащем плоский корпус из тонкого эластичного материала с внутренней полостью, в полости размещают искусственный грунт, приготовленный из природного грунта, в котором располагается датчик, путем замены одной из фракций твердых частиц порошком электропроводного материала тех же размеров, а в искусственном грунте размещают электроды.The problem to which the invention is directed, is to increase the reliability of measuring stresses in soils. The technical result consists in the complete coincidence of the deformation characteristics of the filler substance and the enclosing sensor of natural soil. The specified technical result is achieved by the fact that in the sensor containing a flat body of thin elastic material with an internal cavity, artificial soil made from natural soil in which the sensor is located is placed in the cavity by replacing one of the fractions of solid particles with a powder of electrically conductive material of the same size , and in artificial soil place electrodes.

На фиг. 1 представлен разрез датчика, а на фиг. 2 - вид сверху.In FIG. 1 is a sectional view of a sensor, and FIG. 2 is a plan view.

Датчик включает корпус из тонкого эластичного материала 1. Во внутренней полости корпуса размещен искусственный грунт 2, приготовленный из природного грунта, в котором будет располагаться датчик, путем замены одной из фракций твердых частиц порошком электропроводного вещества, например, магнетита, железа, никеля, с теми же размерами частиц. Внутри искусственного грунта размещаются одна или несколько пар электродов 3, соединенных линией связи 4.The sensor includes a housing made of thin elastic material 1. In the internal cavity of the housing there is artificial soil 2 made from natural soil in which the sensor will be located by replacing one of the fractions of solid particles with a powder of an electrically conductive substance, for example, magnetite, iron, nickel, with those same particle sizes. Inside the artificial soil are one or more pairs of electrodes 3 connected by a communication line 4.

Искусственный грунт в полости при подготовке датчика следует уплотнять до достижения значения коэффициента пористости, равного коэффициенту пористости природного грунта, вмещающего датчик. Корпус датчика имеет перфорацию 5 по внешнему контуру для обеспечения отвода воды или воздуха при деформировании искусственного грунта в его полости.Artificial soil in the cavity during the preparation of the sensor should be compacted to achieve a value of the porosity coefficient equal to the porosity coefficient of the natural soil containing the sensor. The sensor housing has a perforation 5 along the outer contour to ensure the removal of water or air during deformation of artificial soil in its cavity.

Датчик располагается на выровненной поверхности грунта, соединяется с измерительными приборами и засыпается грунтом.The sensor is located on a leveled soil surface, connected to measuring instruments and filled with soil.

Возникающие в грунте напряжения вызывают сжатие искусственного грунта в полости датчика, благодаря чему изменяется его электрическая проводимость. Измерив эту характеристику искусственного грунта, с помощью градуировочной зависимости его электрической проводимости от давления, полученной при характерной для основания температуре, находят значение нормальных напряжений, действующих в массиве грунта в месте установки датчика.The stresses arising in the soil cause compression of the artificial soil in the sensor cavity, due to which its electrical conductivity changes. By measuring this characteristic of artificial soil, using the calibration dependence of its electrical conductivity on the pressure obtained at the temperature characteristic of the base, find the value of normal stresses acting in the soil mass at the sensor installation site.

Известно, что "электропроводность грунтов в известной степени зависит от внешнего давления, передаваемого на грунт: с увеличением давления наблюдается повышение электропроводности", что объясняется уменьшением пористости и увеличением площади контактов между частицами. Интервал характерных значений электропроводности грунтов составляет 0,01…0,1 См/м (Сергеев Е.М., Голодковская Г.А., Зиангиров Р.С., Осипов В.И., Трофимов В.Т Грунтоведение. - М.: Издательство МГУ, 1983. - Стр. 125).It is known that "the electrical conductivity of soils to a certain extent depends on the external pressure transmitted to the soil: with an increase in pressure, an increase in electrical conductivity is observed", which is explained by a decrease in porosity and an increase in the area of contacts between particles. The interval of characteristic values of the electrical conductivity of soils is 0.01 ... 0.1 S / m (Sergeev E.M., Golodkovskaya G.A., Ziangirov R.S., Osipov V.I., Trofimov V.T. Soil science. - M. : Publishing House of Moscow State University, 1983. - Page 125).

Известна аналогичная зависимость электропроводности порошков электропроводных материалов от давления. Отличие состоит лишь в существенно больших, по сравнению с грунтами, значениях электропроводности. Так, в интервале давления от 10 до 25 МПа у порошка железа она изменяется от 10 до 110 См/м, а у порошка никеля при тех же значениях давления - от 3000 до 7000 См/м (Mamuniya Ye.P., Zois Н., Apekis L., Lebedev E.V. Influence of pressure on the electrical conductivity of metal powders used as fillers in polymer composites. - Powder Technology, 2004, p. 49-55). Для порошка магнетита с размерами частиц 1…3 мкм электропроводность увеличивается от 0,5 до 22,3 См/м при росте давления от 0,7 до 7 МПа (Sancaktar Е., Dilsiz N. Pressure-dependent conductivity behavior of various particles for conductive adhesive applications. - Journal of Adhesion Science and Technology, 2012).A similar dependence of the electrical conductivity of powders of electrically conductive materials on pressure is known. The difference is only in significantly larger, compared to soils, values of electrical conductivity. So, in the pressure range from 10 to 25 MPa, for iron powder it varies from 10 to 110 S / m, and for nickel powder at the same pressure values, from 3000 to 7000 S / m (Mamuniya Ye.P., Zois N. , Apekis L., Lebedev EV Influence of pressure on the electrical conductivity of metal powders used as fillers in polymer composites. - Powder Technology, 2004, p. 49-55). For magnetite powder with particle sizes of 1 ... 3 μm, the electrical conductivity increases from 0.5 to 22.3 S / m with an increase in pressure from 0.7 to 7 MPa (Sancaktar E., Dilsiz N. Pressure-dependent conductivity behavior of various particles for conductive adhesive applications. - Journal of Adhesion Science and Technology, 2012).

Путем приготовления искусственного грунта, состоящего из природного грунта, в котором предполагается установка датчика, и порошка электропроводного материала, можно добиться нужных значений электропроводности, соответствующих, например, возможностям измерительной аппаратуры.By preparing artificial soil, consisting of natural soil, in which the sensor is supposed to be installed, and a powder of electrically conductive material, it is possible to achieve the required conductivity values corresponding, for example, to the capabilities of the measuring equipment.

Конструкция датчика исключает концентрацию напряжений в грунте вокруг него из-за полного совпадения деформационных характеристик искусственного грунта в его полости и вмещающего датчик природного грунта. Благодаря тому, что толщина стенок корпуса из эластичного материала во много раз меньше высоты датчика, влияние стенок на результат измерений несущественно.The design of the sensor eliminates the concentration of stresses in the soil around it due to the complete coincidence of the deformation characteristics of artificial soil in its cavity and the natural soil containing the sensor. Due to the fact that the wall thickness of the body of elastic material is many times smaller than the height of the sensor, the influence of the walls on the measurement result is negligible.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить достоверность измерения напряжений в грунтах.Thus, the present invention improves the reliability of measuring stresses in soils.

Claims

A sensor for measuring normal stresses in soils, including a housing made of thin elastic material with an internal cavity occupied by a filler substance, characterized in that the filler substance is artificial soil made from the natural soil in which the sensor is located by replacing one of the solid fractions particles of a powder of conductive material with the same particle sizes, and electrodes are placed inside the filler material.