АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТЫ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ

Субботин А.И.

ORCID: 0000-0002-6765-6317, кандидат технических наук,

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова,

АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТЫ ОСНОВАНИЙ И ФУНДАМЕНТОВ

Аннотация

Рассмотрена современная технология автоматизации экспериментальных исследований фундаментов на моделях с помощью программно-измерительного комплекса автоматизированной системы научных исследований, позволяющая получать оперативную информацию в реальном масштабе времени. Описана структура программно-измерительного комплекса, основные этапы формирования исходных данных с момента градуировки используемых тензоизмерительных датчиков и схемы проведения эксперимента на модели фундаментов, до расшифровки полученных в результате экспериментальных исследований данных. Представлены примеры графического представления результатов исследований в виде изолиний напряжений в основании модели фундамента.

Ключевые слова: эксперимент, модель фундамента, тензометрический датчик, измерительное оборудование, напряжения, деформации.

Subbotin A.I.

¹ORCID: 0000-0002-6765-6317, PhD in Engineering,

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI),

AUTOMATION OF EXPERIMENTAL RESEARCH OF BASEMENTS AND FOUNDATIONS OPERATION

Abstract

The modern technology of automation of experimental studies of foundations on models with the help of a software-measuring complex of the automated scientific research system is considered, which makes it possible to obtain real-time operational information. The structure of the program-measuring complex, the main stages of the formation of the initial data from the moment of grading of the used strain gauges,  the scheme of carrying out the experiment on the foundation model, before deciphering the data obtained as a result of the experimental studies, are described. Examples of a graphical representation of research results in the form of stress isolines in the basement of the foundation model are presented.

Keywords: experiment, foundation model, strain gauge, measuring equipment, stress, deformations.

Результаты теоретических исследований, гипотезы и теории нуждаются в особой проверке, которая возможна при проведении экспериментальных исследований. Особое место в геотехнике и фундаментостроении, даже в условиях современного развития численного моделирования, занимают экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования, несмотря на трудоемкость и затратность способов изучения поведения грунтов оснований и фундаментов, остаются самыми достоверными.

Проведение экспериментальных исследований всегда имело приоритетный характер при рассмотрении поведения оснований фундаментов, так как преследуют несколько целей. Главной целью таких исследований является создание на модели реальной картины взаимодействия сооружения и грунтового массива. После этого можно говорить, что полученные данные в результате эксперимента о напряженно-деформированном состоянии (НДС) основания, являются отражением процессов, протекающих в основании сооружения.

Техника экспериментальных исследований сложна еще и тем, что она производится или на натурном объекте, или на модели. В любом случае, получение какой-либо информации связано с большими затратами по устройству объекта или изготовлению модели, применением дорогостоящих приборов и материалов, выбором технологии и средства проведения и обработки результатов эксперимента. Напряжения и деформации, возникающие в основании фундаментов, это сложный физико-механический процесс, исследование которого является источником получения достоверной информации о поведении основания под нагрузкой. Именно поэтому результаты экспериментальных исследований так скрупулезно изучаются исследователями, так как являются ценнейшим банком данных.

Необходимость получения информации о поведении грунтов основания фундаментов в различных геологических условиях повлекла за собой дальнейшее развитие и совершенствование методики и техники экспериментальных исследований, привлечение современной информационной поддержки.

Информационное моделирование работы грунтов оснований фундаментов при проведении экспериментальных исследований позволяет разработать четкую концепцию и устранить неопределенности при подготовке эксперимента, наполнить банк исходными данными и систематизировать этапы проведения эксперимента.

Впервые методология информационного моделирования как совокупность методов моделирования, отражающих свойства объекта в целях реализации задач исследования, проектирования, возведения и функционирования объекта предложена Ю.Н. Мурзенко [1]. Им широко и полно были раскрыты все аспекты информационного моделирования [2]. В работе отмечалось, что отражение свойств реального объекта несколькими методами моделирования является способом снятия неопределенности в оценке его свойств, что обеспечивает увеличение количества и улучшение качества информации. Общим результатом является более полная мера соответствия свойств модели и свойств реального объекта.

Многочисленные экспериментальные исследования, проведенные на кафедре «Промышленное, гражданское строительство, геотехника и фундаментостроение» ЮРГТУ(НПИ), подчинялись определенной методике проведения эксперимента в зависимости от типа моделируемого фундамента [2-8]. Она объединила законы и принципы моделирования и позволяла изучить закономерности изменения НДС основания и моделей фундаментов в процессе нагружения от малых до предельных по прочности основания нагрузок. Экспериментальные исследования проводились на моделях фундаментов с использование уникальных приборов дистанционного измерения, защищенных авторскими свидетельствами и патентами. Эксперименты проводились в лаборатории «оснований и фундаментов» кафедры ПГСГиФ на испытательной машине МФ-1 конструкции Ю.Н. Мурзенко.

С целью развития накопленного опыта в автоматизации экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния конструкций и грунтовых оснований электротензорезистивным методом [9] и наработанных систем информационного обеспечения проведения опытов [10] разработана программа «Система обработки тензометрических измерений» («СОТИ») (рис.1). Программный продукт внедрен в лаборатории ЮРГТУ(НПИ) кафедры ПГСГиФ.

Методика исследований предусматривает использование вторичной измерительной техники и различных тензометрических датчиков для изучения необходимых параметров НДС конструкций или их систем. В лабораторных условиях помимо тензометрического оборудования, необходимы модели изучаемых конструкций и основания, нагрузочное устройство, градировочное оборудование для датчиков и устройство сопряжения тензометрического оборудования с компьютером.

СОТИ (Система обработки тензометрических измерений) позволяет объединить все элементы лаборатории и этапы эксперимента, и дает возможность проведения экспериментов в реальном масштабе времени с автоматизированным анализом результатов.

Рис. 1 – Интерфейс программы «СОТИ»

Методика экспериментальных исследований с использованием Системы обработки тензометрических измерений включает следующие этапы:

1. Создание базы приборов.
2. Тарировка приборов.
3. Создание схемы эксперимента.
4. Проведение эксперимента.
5. Анализ результатов.
6. Документирование и создание отчета.

На первом этапе экспериментальных исследований необходимо создать базу приборов, в которую должно входить все первичное тензометрическое измерительное оборудование, используемое в эксперименте. Для этого в программе имеется справочник приборов, в который вносят номера датчиков, указывают их основные характеристики, тип и модель. Таким образом, все первичное оборудование классифицируется.

Следующим этапом является тарировка датчиков. Программа позволяет вести одновременную тарировку пяти приборов.

Окно тарировки содержит основные характеристики прибора, согласно номенклатуре, занесенной в справочнике приборов, а по окончании тарировки результаты в табличном и графическом виде (рис. 2).

Рис. 2 – Окно «Тарировка»

Данные по тарировке датчиков необходимы для расшифровки и анализа результатов измерений, полученных при эксперименте.

Следующий этап – создание схемы эксперимента, предполагает подготовку схемы расположения датчиков, создание списка используемых в данном эксперименте датчиков, указание положения сечений по которым будут строиться эпюры и изополя при анализе результатов эксперимента (рис. 3).

Рис. 3 – Окно «Создание схемы эксперимента»

Окно «Создание схемы эксперимента» содержит 5 основных полей: схема эксперимента, компоненты схемы, панель управления визуализацией и панель управления и перехода в режим проведения эксперимента, документирования.

После создания схемы эксперимента необходимо подготовить все оборудование к проведению эксперимента. Установить датчики согласно схемам эксперимента, установить модель фундамента, привести нагружающие устройства в рабочее положение, установить другое измерительное оборудование (прогибомеры, мессуры) (рис. 4).

Рис. 4 – Подготовка эксперимента: а) установка модели; б) подключение датчиков; в) установка датчиков

Проведение экспериментальных исследований выполняется на следующем этапе программного комплекса с помощью соответствующего окна (рис. 5). Окно "Проведение эксперимента" содержит протокол измерений на каждом этапе исследований (этапе нагружения) и общий протокол измерений, который заполняется для каждого этапа. Данные этапы фиксируется с заданными параметрами: усилия, времени проведения и названия.

Рис. 5 – Окно «Проведение эксперимента»

Анализ результатов производится в соответствующей вкладке, запускаемой из подменю «Работа». Окно анализа результатов (рис. 6) содержит результаты измерений и обработки данных измерений, информацию по приборам, используемых в рассматриваемом эксперименте, и графические окна для вывода эпюр и изолиний (план, вид спереди, вид слева).

На рис. 7-9 представлены экспериментальные данные изолиний нормальных вертикальных напряжений в основании модели фундамента на различных этапах нагружения полученные с помощью графического приложения программного комплекса "СОТИ".

Рис. 6 – Окно «Анализ результатов эксперимента»

Рис. 7 – Изолинии нормальных вертикальных напряжений в основании модели фундамента при давлении по подошве 1 кг/см²

Рис. 8 – Изолинии нормальных вертикальных напряжений в основании модели фундамента при давлении по подошве 2 кг/см²

Рис. 9 – Изолинии нормальных вертикальных напряжений в основании модели фундамента при давлении по подошве 3,3 кг/см²

В случае, если в ходе проведения экспериментов появляются некорректные данные, связанные с повреждением датчика или отсутствием сигнала, которые влияют на правильность полученных результатов, в программе реализована возможность корректировки результатов эксперимента.

Редактор позволяет выполнить анализ раннее выполненных исследований, результаты которых хранятся в базе данных, и воспроизвести эпюры и изополя для анализа напряжено-деформированного состояния испытуемой модели.

На последнем этапе программа помогает формировать отчет по проведенным исследованиям с помощью функции «документирования». Все результаты исследований экспортируются в HTML- файл в виде таблиц, схем и графических объектов.

Программа «СОТИ» в комплексе с системой научных исследований оснований и фундаментов на моделях прошла положительное тестирование при проведении экспериментов в лаборатории кафедры ПГСГиФ ЮРГТУ (НПИ).

Внедрение автоматизации в экспериментальные исследования позволяет оптимизировать все их этапы, сократить время анализа результатов и математической обработки данных. К тому же в условиях натурного эксперимента автоматизация позволяет создавать системы геотехнического мониторинга.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Мурзенко Ю.Н. Инженерные сооружения природоохранных комплексов и информационное моделирование их взаимодействия с грунтовым массивом/Мурзенко Ю.Н., Абуханов А.З, Субботин А.И. и др.; Учебное пособие: Южно-Российск. гос. –техн. ун-т. Новочеркасск, 1999.‑ 58с.
2. Мурзенко Ю.Н. Основные принципы моделирования совместной работы фундаментов и песчаного основания / Ю.Н. Мурзенко // Экспериментальные исследования инженерных сооружений: Материалы ко II симпозиуму (Ленинград, сентябрь, 1969 г.). – Новочеркасск, 1969. – С.85-93.
3. Мурзенко Ю.Н. Экспериментально-теоретические исследования силового взаимодействия фундаментов и песчаного основания : дисс. ... докт. техн наук : 05.23.02 : ‑ Новочеркасск, 1972.‑ 576 c.
4. Мурзенко Ю.Н. Экспериментальные исследования тензора деформаций и тензора напряжений по оси круглого штампа на песчаном основании / Мурзенко Ю.Н., Галашев Ю.В., Дыба В.П. // Напряженно-деформированное состояние оснований и фундаментов: Межвуз. сб.- Новочеркасск, 1977.- C. 23-27.
5. Субботин А.И. Работа оснований ограниченной распределительной способности : дис. …канд. техн. наук : 05.23.17; 05.23.02 : ‑ Ростов-н/Д, 1995.‑ 221с.
6. Ревенко В.В. Экспериментальные исследования напряженного состояния песчаного основания под круглым штампом: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. ‑ Новочеркасск, 1981.- 20 c.
7. Субботин А.И. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния основания фундаментов больших площадей / Субботин А.И. // Фундаментальная наука и технологии - перспективные разработки: материалы междунар. науч.-практ. конф., г. Москва, 22-23 мая 2013 г. ‑ № 2.- С. 4-9.
8. Шматков В.В. Распределение напряжений в упругой полуплоскости ограниченной распределительной способности при действии полубесконечных нагрузок / Шматков В.В., Субботин А.И. // Исследования и разработки по компьютерному проектированию фундаментов и оснований.- Новочеркасск, 1990.- C. 35 ‑ 42.
9. Краснояруженский Л.В. Методика автоматизированного экспериментального изучения деформаций в массиве песчаного основания / Краснояруженский Л.В., Луценко А.К. / Исследования и разработки по компьютерному проектированию фундаментов и оснований. Новочеркасск, 1990.- C. 111-115.
10. Шматков В.В. Информационное моделирование в исследованиях фундаментов и оснований/Шматков В.В., Скибин Г.М., Субботин А.И. и др.; Информационная технология в архитектуре: Тез. докл. Рос. науч. конф. Ростов-на-Дону, 1993.‑ С. 22 - 23.

Список литературы на английском языке / References in English

1. 1. Murzenko Yu. N. Inzhenernyye sooruzheniya prirodookhrannykh kompleksov i informatsionnoye modelirovaniye ikh vzaimodeystviya s gruntovym massivom [Engineering Structures of Nature Protection Complexes and Information Modeling of Their Interaction with Soil Body] / Murzenko Yu.N., Abukhanov A.Z., Subbotin A.I. et al; Textbook: South-Russian. State–techn. un-t. Novocherkassk, 1999. 58p. [In Russian]
2. Murzenko Yu.N. Osnovnyye printsipy modelirovaniya sovmestnoy raboty fundamentov i peschanogo osnovaniya [Basic Principles of Modeling Joint Operation of Foundations and Sand Base] / Yu.N. Murzenko // Experimental research of engineering structures: Materials for the II Symposium (Leningrad, September, 1969). – Novocherkassk, 1969. – P.85-93. [In Russian]
3. Murzenko Yu.N. Eksperimental'no-teoreticheskiye issledovaniya silovogo vzaimodeystviya fundamentov i peschanogo osnovaniya [Experimental-theoretical Studies of Force Interaction of Foundations and Sand Base]: Thesis of PhD in Engineering: 05.23.02: Novocherkassk, 1972. 576 p. [In Russian]
4. Murzenko Yu.N. Eksperimental'nyye issledovaniya tenzora deformatsiy i tenzora napryazheniy po osi kruglogo shtampa na peschanom osnovanii [Experimental Studies of Strain Tensor and Stress Tensor along Axis of Circular Stamp on Sand Base] / Murzenko Yu.N., Galashev Yu.V., Dyba V.P. // Stress-strain state of foundations and foundations: Interuniversity. col. – Novocherkassk, 1977. – P. 23-27. [In Russian]
5. Subbotin A.I. Rabota osnovaniy ogranichennoy raspredelitel'noy sposobnosti [Operation of Bases of limited Distribution Ability]: Thesis of PhD in Engineering: 05.23.17; 05.23.02: Rostov-n/d, 1995. 221p. [In Russian]
6. Revenko V.V. Eksperimental'nyye issledovaniya napryazhennogo sostoyaniya peschanogo osnovaniya pod kruglym shtampom [Experimental Studies of Stressed State of Sand Base under Round Die]: Abstract of PhD in Engineering. Novocherkassk, 1981. – 20 p. [In Russian]
7. Subbotin A.I. Eksperimental'nyye issledovaniya napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya osnovaniya fundamentov bol'shikh ploshchadey [Experimental Studies of Stress-strain State of Foundations of Large Areas] / Subbotin A.I. // Fundamental science and technology – perspective developments: Proceedings of the international scientific-practical Conf., Moscow, May 22-23, 2013 No. 2. – P. 4-9. [In Russian]
8. Shmatkov V.V. Raspredeleniye napryazheniy v uprugoy poluploskosti ogranichennoy raspredelitel'noy sposobnosti pri deystvii polubeskonechnykh nagruzok [Stress Distribution in Elastic Half-plane of Limited Distribution Capacity under Action of Semi-infinite Loads] / Shmatkov V.V., Subbotin A.I. // Research and development on computer design of foundations and foundations .- Novocherkassk, 1990. – P. 35–42. [In Russian]
9. Krasnoyaruzhensky L.V. Metodika avtomatizirovannogo eksperimental'nogo izucheniya deformatsiy v massive peschanogo osnovaniya [Method of Automated Experimental Study of Deformations in Array of Sandy Bases] / Krasnoyaruzhensky L.V., Lutsenko A.K. / Research and Development on Computer Design of Basements and Foundations. Novocherkassk, 1990. – P. 111-115. [In Russian]
10. Shmatkov V.V. Informatsionnoye modelirovaniye v issledovaniyakh fundamentov i osnovaniy [Informational Modeling in Studies of Foundations and Basements] / Shmatkov V.V., Skibin G.M., Subbotin A.I. et al; Information technology in architecture: Proc. of reports at Scientific conference in Rostov-on-Don, 1993. p. 22–23. [In Russian]