Современные научные исследования в дорожном и строительном производс

Аттестация, градуировка и поверка СИ широко использовались в приборостроении с начала ХХ в., когда большинство приборов были лабораторными. Начиная с 60-х гг. в СССР в области прикладной метрологии началась жесточайшая регламентация, число только государственных стандартов в специально организованной системе ГСИ (Государственной системе обеспечения единства измерений) исчислялось многими десятками. Основные понятия в этой области, определенную терминосистему на сегодня представляет действующий документ РМГ 29–99 Метрология. Термины и определения, который имеет статус нацио-

нального стандарта. Он пришел на смену широко известному ГОСТ 16263–70 того же названия. Важно, что некоторые широко употребляемые на практике термины запрещены в метрологии, и наоборот, некоторые обязательные метрологические термины не употребляются никем, кроме профессионалов-метрологов. Например, термин «испытания» в метрологии применяется в очень узком смысле – только в отношении обязательных испытаний, проводимых с целью утверждения типа средств измерений на государственном уровне, и сертификационных испытаний.

Рассмотрена проблематика определения метрологических характе-ристик свойств погрешностей (англ. error) независимо от того, осуществляется аттестация, сертификация либо поверка СИ; по-прежнему будем говорить обобщенно об испытаниях. Погрешность определяется как разность между выходным сигналом СИ и действительным значением измеряемой величины. При испытаниях есть две возможности:

1.Действительное значение заключено в устройстве, которое в метрологии называется мерой; это, например, мера массы, мера длины, но это может быть стенд или иная установка, воспроизводящая с высокой точностью физическую величину, например угловую скорость или линейное ускорение. Мера должна быть в несколько раз более точной, чем точность испытуемого СИ, при этом отличие выходного сигнала СИ от номинала меры приписывается именно испытуемому СИ. Процедура поверки по образцовой мере сводится к сравнению выходного сигнала СИ с номиналом меры. Если мерой является стенд, то к его точности предъявляются высокие требования по точности и стабильности, чтобы это было строго доказано, стенд должен пройти метрологическую аттестацию.

2.Стенд воспроизводит измеряемую величину (напряжение, ускорение

ит.д.) с недостаточной точностью, или же документированных доказательств высокой точности не имеется. Тогда параллельно с испытуемым СИ та же воспроизводимая величина измеряется установленным на том же стенде более точным, образцовым, или, как еще говорят, эталонным прибором, а разность приписывается испытуемому СИ как его погрешность. Такой способ называется поверкой по образцовому прибору, его идея близка к сравнительным испытаниям. В этих случаях вместо высоких требований к точности стендов формулируются высокие требования к эталонным, или образцовым приборам. От стенда требуется, чтобы он задавал измеряемую величину в определенном диапазоне.

331

После приобретения оператором определенных навыков в работе с программным обеспечением пульта управления значительно упрощаются все работы по проведению испытаний.

По результатам поверки, по тому, укладывается ли погрешность в установленное поле допуска, обычно принимается решение: «годен» или «негоден», как при контрольных испытаниях.

Однако в ответственных случаях при аттестации и поверке приходится детально разбираться в структуре погрешностей. Погрешности СИ обычно делятся на статические (постоянные при постоянной измеряемой величине) и динамические, изменяющиеся во времени, в первую очередь, вследствие изменений измеряемой величины. При статических измерениях погрешность разделяется на систематическую (повторяющуюся при повторных измерениях) и случайную составляющие. Случайная составляющая обычно задается дисперсией. Систематическая составляющая и дисперсия случайной составляющей могут изменяться от экземпляра к экземпляру и по диапазону; при испытаниях могут ставиться задачи изучения и нормирования этих зависимостей. Решения «годен» или «негоден» при поверке принимаются по результатам сравнения с допусками систематической

идисперсии случайной составляющей.

ВСССР была создана и несколько десятилетий эффективно действовала метрологическая служба, осуществлявшая метрологический надзор, основной функцией которого было проведение поверок всех средств измерений, исполь-

зуемых в различных организациях. Прибор, не прошедший поверку в установленный срок, при отсутствии документального свидетельства о проведенной поверке категорически признавался не годным к использованию, а если этот прибор использовался, результаты могли быть опротестованы. Неповеренные приборы можно было использовать, но только тогда, когда к достоверности результатов не предъявлялись жесткие требования, например, для собственных исследовательских испытаний или для учебных целей.

Поверки средств измерений классифицируются по видам. Первичная поверка выполняется при выпуске средства измерения из производства, после ремонта или при поступлении из-за границы. Периодическая поверка выполняется через определенные межповерочные интервалы, которые устанавливаются нормативными документами. При необходимости предусматриваются внеочередные

иинспекционные поверки. Были установлены и другие виды поверок.

Вметрологии была создана иерархическая система, в каждой области измерений существовали так называемые поверочные схемы, которые предусматривали определенную дисциплину. Поверочная схема, в соответствии с ГОСТ 16263–70, определяется как нормативный документ, устанавливающий соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы физической величины от эталона к рабочим средствам измерений. Однако практически понятие поверочной схемы распространяется и на материальные объекты, рабочие средства измерений, эталоны и поверочные установки. В настоящее время пове-

332

рочные схемы могут быть государственными (их мало) или так называемыми локальными, автономными, в масштабах отрасли, региона или даже конкретного предприятия. Поверочные схемы были придуманы для многих видов измерений,

кконцу 80-х гг. часть их была полностью реализована.

Вконце 80-х гг. в области измерения геометрических величин существовали и функционировали важные для машиностроения государственные поверочные схемы для средств измерения плоских углов, длин, отклонений от прямолинейности, плоскостности, круглости, шероховатости, толщины покрытий и т.д. В области механических измерений функционировали государственные поверочные схемы для средств измерения твердости в различных шкалах, сил, крутящих моментов, ускорений (в том числе вибрационных), линейных деформаций. Из перечисления видно, что государственными повероч-

ными схемами были охвачены немногие виды измерений, выполняемых в машиностроении и приборостроении, причем выбор видов из общего числа возможных кажется несистематичным. Это объясняется наличием в системе Госстандарта коллективов, способных прорабатывать определенные темы.

Во главе каждой государственной поверочной схемы стоит единственный, национальный или первичный эталон как самый точный из аттестованных, по нему поверяются рассредоточенные по регионам средства измерений первого уровня (они ранее назывались образцовыми первого разряда, но теперь их тоже называют эталонами), далее, ниже, следуют образцовые средства второго разряда, которые могут быть уже во многих крупных организациях, и т.д. Отметим, что слово «эталон» французского происхождения, на английский язык это переводят как standard, еще усиливая таким образом многозначность этого термина.

В самом низу поверочной схемы располагаются так называемые рабочие средства измерений, которые только и используются в практических измерениях. Переход вниз по уровням поверочных схем, который в метрологии принято называть передачей размера единицы физической величины (метра, килограмма, вольта и т.п.) всегда связан с потерями точности при каждом переходе сверху вниз; эти потери, выражаемые в повышении уровней погрешностей, например, в 1,5 или 2 раза при каждом переходе регламентируются. На самой верхней ступени нужно тщательно аттестовывать эталоны сами по себе (более высоких ступеней нет).

Многие эталоны вместе с государственными поверочными схемами утверждены государственными стандартами. Мнение, что первичные национальные эталоны – очень точные, самые точные в мире или в стране, не всегда справедливо. Например, в области ударов и вибраций достаточно давно были утверждены государственные специальные эталоны и поверочные схемы для средств измерения ускорений при ударном движении, для средств измерения виброперемещений, виброскоростей и виброускорений. Погрешности эталонных установок в этих областях имели порядок одного или нескольких процентов, в то время как ряд фирм выпускали измерительные приборы с гораздо более высокими точно-

333

стными показателями. Однако эталоны отличаются тем, что их заявленные показатели в максимальной степени гарантируются строго обоснованными процедурами аттестации и, когда это возможно, сличением с зарубежными национальными эталонами.

Операции поверки требуют оплаты услуг владельцем средств измерений; это явилось основной причиной того, что с началом реформ в 90-х гг. нормальное функционирование государственной метрологической службы в части проведения поверок практически прекратилось. Положение еще осложнилось тем, что общая в масштабах СССР система обеспечения единства измерений развалилась, в частности, потому, что некоторые эталоны оказались за рубежами России, а межгосударственное сотрудничество не вышло на требуемый уровень. Во многих организациях метрологические службы сократились или исчезли вообще. Однако в тех организациях, в которых гарантирование точности результатов измерений действительно важно (в первую очередь это относится к измерениям в области безопасности жизнедеятельности), метрологические службы выполняют функции поверки. Наряду с этим возросла роль локальных поверочных схем.

Стандартами и традицией допускаются такие виды поверки, как комплектная (СИ целиком) и поэлементная (по частям). При поэлементной поверке испытываются определенные части СИ (например, датчик, промежуточный преобразователь, АЦП, вычислитель). Комплектная поверка сама по себе хороша тем, что в результате ее проведения получаются сведения об объекте в целом, что в конечном счете и нужно для потребителя. Но она не всегда возможна.

Нередко имеет место глубокое естественное разделение, например, когда средство измерения представляет собой измерительно-вычислительный комплекс, включающий переменную по составу совокупность большого числа датчиков, сигналы которых через преобразователи по независимым каналам или по общим шинам поступают на входы компьютера. Испытания, с одной стороны, датчиков, с другой стороны – компьютера целесообразно проводить отдельно. При поэлементной поверке нужно сводить в единый показатель экспериментально определяемые показатели точности отдельных составных частей.

В качестве примера приводится описание разработанного и сконструированного на кафедре «Строительство дорог и организация движения» Саратовского государственного технического университета лабораторного стенда, позволяющего моделировать процесс износа горизонтальной дорожной разметки движением транспорта в реальных условиях эксплуатации и получать воспроизводимые показатели свойств. Конструкционные особенности установки позволяют проводить опыты при различном контактном давлении на образец дорожного покрытия с нанесенной на него линией разметки, в различном температурном диапазоне (от 0 до 80 ºС), прогнозировать фактический срок службы горизонтальной дорожной разметки в конкретных определенных условиях эксплуатации (интенсивность движения автомобилей, тип дорожного покрытия, наличие шероховатых поверхностных слоев, условия содержания автомобильной дороги и др.).

334

ЧИСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ОПТИМАЛЬНОЙ ГЛУБИНЫ ЗАЛОЖЕНИЯ ГЕОИМПЛАНТАТНОЙ КОНСТРУКЦИИ

Л.В. Янковский, А.Д. Орлов

Пермский государственный технический университет, Россия

Для решения проблемы закрепления оснований сооружений автодорожной инфраструктуры, а также объектов повышенной опасности нефтегазового комплекса, нами предлагается создавать под подошвой в основании геоимплантатную конструкцию, состоящую из горизонтальных и параллельных друг другу геоимплантатов (армоэлементов) с зоной уплотнения вокруг них, которая возникает в процессе изготовления геоимплантат.

Геоимплантатную конструкцию изготовляют различными методами. Наиболее приемлемый с точки зрения экономичности и ресурсосбережения – метод продавливания, осуществляемый способом статического задавливания геоимплантатов гидродомкратами [1]. Интересен также метод изготовления геоимплантат с помощью современных установок горизонтально-направлен- ного бурения и забивкой маломощными пневмопробойниками.

Численные исследования НДС основания были проведены путем решения плоской задачи МКЭ для расчетной модели (рис. 1) данного устройства в упругопластической постановке [2, 3].

Геоимплантатная конструкция представляет собой усиленный слой грунта в основании фундамента, состоящий из армоэлементов (собственно геоимплантат) и зоны уплотненного грунта вокруг них, которая возникает в процессе изготовления геоимплантат.

Для проведения численного эксперимента были выбраны следующие грунтовые условия. Грунт – суглинок с модулем деформации E от 5 до 10 МПа, удельным весом γ = 18,4 кН/м3, коэффициент Пуассона υ = 0,35 и число пластичности JL = 0,6. Размеры расчетной схемы: ширина фундамента b = 2 м; толщина слоя усиления или диаметр армирующих элементов (геоимплантат) h в диапазоне 0,15÷0,25 м; глубина заложения армоэлемента z в диапазоне 0,5÷2,5h; вылет усиленного слоя за обрез фундамента ƒ в диапазоне 0,5÷1,5b; глубина заложения фундамента d = 0,75b или 1,5 м. Данные соотношения позволяют решать задачу в общем виде.

335

Рис. 1. Расчетная схема геоимплантатной конструкции: 1 – ленточный фундамент; 2 – зона уплотнения;

3 – геоимплантат (армоэлемент)

Представляет интерес то, как в условиях упругопластической задачи зарождаются в основании под нагрузкой зоны пластического деформирования и как на этот процесс влияет на размещение под подошвой фундамента геоимплантатной конструкции.

Для решения были выбраны средние значения из диапазона размеров расчетной схемы: b – ширина фундамента; ƒ = b; h = 0,1b; z = 0,5h. Нагрузка прикладывалась пятью ступенями и для каждой ступени определялась осадка. На конечно-элементной сетке, описывающей основание фундамента, находились и строились элементы, работающие пластически, а также разорванные, не выдержавшие нагрузки (рис. 2).

Для грунта с E = 5МПа зарождение пластических зон произошло сразу после первой ступени нагружения, а на второй ступени достигло максимума (рис. 2, а). На третьей ступени итерационный процесс стал несходящимся, т.к. большое количество элементов разорвалось.

В аналогичном основании (при E = 5 МПа) с усилением зоны под подошвой фундамента геоимплантатной конструкцией пластические деформации появились лишь на третьей ступени (рис. 2, б). Рост их продолжался до пятой (последней) ступени, но разрывов элементов так и не наступило, хотя зоны пластики охватили почти 45 % основания и осадка достигла 0,125b. Итерационный процесс при этом был сходящийся. Аналогично проведено решение для грунта с E = 7,5 и 10 МПа, только результаты были еще лучше.

Таким образом, при армированном основании выявляется значительное уменьшение зон пластического деформирования, чем объясняется значительное уменьшение осадок.

336

аб

Рис. 2. Развитие зон пластического деформирования в основании фундамента при Е = 5 МПа: а – без усиления при нагрузке

р= 0,1 МПа; б – с усиления геоимплантат при нагрузке

р= 0,15 МПа;1 – упругие элементы; 2 – пластические элементы

Для определения параметров h, ƒ и z оптимального усиления, сначала был проведен эксперимент по определению оптимальной глубины z залегания армоэлемента 3 с учетом зоны уплотнения 2 (см. рис. 1). Решение проводим в общем виде. Вылет ƒ и толщина слоя h не будут влиять на этот параметр, следовательно, выбираем для исследованияследующие размеры: b = 2 м; ƒ = b; h = 0,15 м.

Глубина залегания рассчитывалась на трех уровнях: а) непосредственно под подошвой фундамента zа = 0,5h; б) средний уровень zб = 1,5h ;

в) нижний уровень zв = 2,5h.

Рис. 3. Осадка фундамента в зависимости от глубины залегания геоимплантат при E = 5 МПа: а – zа = 0,5h;

б – zб = 1,5h; в – zв = 2,5h; г – без усиления

337

Попутно сравнивалась осадка основания фундамента под нагрузкой без усиленного слоя грунта. Для модуля деформации E = 5 МПа результаты представлены на рис. 3.

Как видно, оптимальной глубиной заложения является zа, т.е. непосредственно под подошвой фундамента без грунтовой прослойки. Графики зависимости глубины залегания z усиленного слоя во всех случаях аналогичны как для E = 7,5 МПа, так и для E = 10 МПа, только результаты еще лучше.

Таким образом, размещение геоимплантат в основании по глубине должно быть как можно ближе к подошве фундамента. В зависимости от грунтовых условий определяют оптимальные параметры геоимплантат слоя усиления с помощью разработанного инженерного расчета [3].

Список литературы

1.Способ усиления основания ленточных фундаментов при реконструкции зданий и сооружений: пат. 2032024 Рос. Федерация / А.А. Бартоломей, Л.В. Янковский. Бюл. №9, 27.03.95.

2.Bartolomey A.A., Yankovski L.V. Strip foundations bases anchoring method in reconstruction // XIII International Conference on Soil Mechanics and Foundation

Engineering, New Delhi, 1994.

3. Янковский Л.В. Разработка метода закрепления оснований ленточных фундаментов при реконструкции: дис. … канд. техн. наук. – Пермь, 1991. – 178 с.

338

РЕЗУЛЬТАТЫ КРУПНОМАСШТАБНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ОСНОВАНИЯ, УСИЛЕННОГО ГЕОИМПЛАНТАТНОЙ КОНСТРУКЦИЕЙ

Л.В. Янковский, А.Д. Орлов

Пермский государственный технический университет, Россия

Решению жилищной проблемы в России традиционно уделяется большое внимание. Наряду с новым строительством ведутся работы по реконструкции старого жилого фонда с использованием традиционных и новых облегченных строительных материалов. Как правило, эти строения, в основном трех- и пятиэтажные, возведенные на ленточных фундаментах, находятся на территориях с уже развитой инфраструктурой в центре городов. Однако возрастание нагрузок на основания фундаментов ведет в некоторых случаях к необходимости увеличения их несущей способности. Это часто происходит и по причине неуправляемого процесса подъема уровня грунтовых вод, что неминуемо приводит к ухудшению свойств грунтов оснований. Поэтому в ряде случаев без усиления оснований фундаментов не обойтись.

Существует много специальных способов закрепления оснований, но они не отвечают новым повышенным требованиям к экологии и использованию ресурсосберегающих технологий. Основными их недостатками являются технологическая сложность, большая стоимость специального оборудования, наличие трудоемких ручных работ внутри здания, ограничения применения по грунтовым условиям, аглавное – загрязнение окружающей среды специальными вяжущими материалами. Существенный недостаток всех способов – невозможность закрепления основания фундаментов, находящихся внутри здания, без вскрытия первого этажа и отселения жильцов, крайняя затрудненностьработ в подвальных помещениях.

Для решения проблемы закрепления оснований ленточных фундаментов и подобных сооружений автодорожной инфраструктуры мы предлагаем создавать под подошвой геоимплантатную конструкцию, состоящую из горизонтальных и параллельных друг другу геоимплантатов (армоэлементов) с зоной уплотнения вокруг них, которая возникает в процессе изготовления геоимплантат [1].

Армоэлементы изготовляются методом продавливания. Геоимплантаты статически внедряются гидродомкратами. Армоэлементы задавливаются готовыми секциями в основание под подошву фундамента из технологических приямков, выкапываемых небольшими захватками вдоль здания по 5–10 м длиной, 3–5 м шириной и глубиной 1,5–2 м [2]. Если это невозможно, то скважины изготовляют машинами горизонтально направленного бурения (ГНБ).

339

Численные исследования усиленного слоя грунта (геоимплантатной конструкции) проводились путем решения плоской задачи МКЭ для расчетной модели данного устройства в упругопластической постановке и подтверждались проведением нескольких натурных маломасштабных и крупномасштабных экспериментов.

Крупномасштабный эксперимент проводился с целью проверки пригодности предложенной модели, используемой при численном решении в инженерных расчетах [3].

Для решения этого вопроса была выбрана площадка со следующими грунтовыми условиями: до глубины 0,5 м основание представляет собой суглинок с показателем текучести JL = 0,5 с небольшими глинистыми участками, затем до глубины 2 м происходит плавный переход от суглинка к супеси. В целом можно говорить об относительной однородности свойств основания до 2 м, далее залегают пески. Поэтому при определении грунтовых условий было произведено усреднение грунтовых характеристик в активной зоне от действия экспериментальных моделей фундаментов: плотность грунта ρ= 1,8 г/см3, плотность скелета ρs = 2,71 г/см3; влажность ω = 19,3 %; коэффициент пористости е = 0,80; сцепление с=18 кПа; угол внутреннего трения φ = 170; модуль деформации Е = 10 МПа. Так как необходимо было сравнить поведение предложенной в численном эксперименте модели устройства усиления и среды основания, весь крупномасштабный эксперимент был построен аналогично тому, как происходит счет по программе, т.е. было сделано 5 ступеней нагрузки, начиная с 0,05 МПа и до 0,25 МПа (рис. 1).

Рис. 1. Площадка для проведения крупномасштабного эксперимента

Ширина модели фундамента b, таким образом, была равной 25 см. Отношение ширины к длине ленточного фундамента b/L равно 1:10,8. Это позволяет говорить о том, что данная модель действительно является лентой для математических расчетов. Две модели ленточного фундамента укладывались на расстоя-

340