Способ определения прочностных свойств грунта и устройство для определения прочностных свойств грунта

 

1. Способ определения прочиостных свойств грунта, включаюпий погружение полого корпуса с крьшьчатКОЙ в грунт, приложение к корпусу с крыльчаткой различных по величине ступеней нормальных нагрузок, вращение корпуса с крыльчаткой при кгикдой ступени приложения нормальной нагрузки с измерением крутящих моментов , извлечение из,грунта корпуса с крыльчаткой. Определение величин трения металла корпуса и крыльчатки по грунту и определение удельного сцепления и угла внутреннего трения грунта, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности исследований, приложение различных по величине ступеней нормальных нагрузок к корпусу с крыльчаткой производят в одном уровне среза, а после извлечения корпуса с крыльчаткой из грунта на поверхность среза опускают конус, изготовленный из материала и с одинаковой чистотой поверхности с корпусом и крУльчаткой, производят вращение конуса с измерением крутящих моментов в той же последовательности и с приложением тех же ступеней нормальной нагрузки , что и при вращении корпуса с (О крыльчаткой, а по величине крутящих моментов вращения конуса определяют величины слипания с грунтом и трения по грунту металла корпуса и крыльчатки. 2. Устройство для определения прочностных свойств грунта, содержащее штангу, полый корпус с крыльчаткой , установленный на нижнем конце штанги, приспособления для 00 создания нормальной нагрузки на оо ел корпус с крыльчаткой и его вращения и измерительные приспособления, отличающееся тем, что, оо с целью повышения точности исследований , оно снабжено конусом, выполненным из одинаковогц с корпусом и крыльчаткой металла и с одинаковой чистотой поверхности, корпус крьшьчатки выполнен в виде усеченного конуса, а торцы корпуса и крыльчатки выполнены плоскими.

tXW03 COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ и АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3320719/29-33 (22) 21.07.81 (46) 30.03.83. Бюл.. Р 12 (72) И.A. Гимпельсон и Г.П. Долгов (71) Ленинградский филиал Государственного проектно-изыскательского и научно-исследовательского института "Азропроект" "Ленаэропроект" (53) 624.131. 3(088.8) (56) 1. Казаков.П.П. и др. Установка для определениях прочностных характеристик грунтов. И., "Нефть и газ", 1976, 9 6, с. 79-81.

2. Методические указания по контролю прочностных характеристик грунтов земляного полотна в полевых условиях. М., ГИПРОДОРНИИ„ 1979.

3. Авторское свидетельство СССР

У 610911, кл. Е 02 0 1/00, 1978.

4. Авторское свидетель=тво СССР

У 485195, кл. Е 02 0 1/00, 1973. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ

СВОЙСТВ ГРУНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ГРУН"

TA. (57) 1. Способ определения прочностных свойств грунта, включающий погружение полого корпуса с крыльчат- кой в грунт, приложение к корпусу с крыльчаткой различных по величине ступеней нормальных нагрузок, вращение корпуса с крыльчаткой при каждой ступени приложения нормальной нагрузки с измерением крутящих моментов, извлечение из грунта корпуса с крыльчаткой, Определение величин трения металла корпуса и крыльчатки по грунту и определение удель„.SUÄÄ1008353 A

ЯЯ)Е 02 0 1 00 G 01 N 2 ного сцепления и угла внутреннего трения грунта, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности исследований, приложение различных по величине ступеней нормальных нагрузок к корпусу с крыльчаткой производят в одном уров" не среза, а после извлечения корпу" са с крыльчаткой иэ грунта на поверхность среза опускают конус, изготовленный иэ того же материала и с одинаковой чистотой поверхности с корпусом и крыльчаткой, производят вращение конуса с измерением крутящих моментов в той же последовательности и с приложением тех же ступеней нормальной нагрузки, что и при вращении корпуса c крыльчаткой, а по величине крутящих моментов вращения конуса определяют величины слипания с грунтом н трения по грунту металла корпуса и крыльчатки.

2. Устройство для определения прочностных свойств грунта, содержащее штангу, полый корпус с крыльчаткой, установленный на нижнем конце штанги, приспособления для создания нормальной нагрузки на корпус с крыльчаткой и его вращения и измерительные приспособления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности исследований, оно снабжено конусом, выполненным из одинакового с корпусом и крыльчаткой металла и с одинаковой чистотой поверхности, корпус крыльчатки выполнен в виде усеченного конуса, а торцы корпуса и крыльчатки выполнены плоскими.

1008353

Изобретение относится к строитель;, ству, в частности к инженерной геологии.

Известен способ определения прочностных свойств грунта, состоящий В задавливании в грунт конуса-крыльчатки и вращении его с приложением осевой нагрузки с фиксацией максимального и минимального усилий (1) .

Недостатком данного способа явля,ется то, что в нем не определяется и не учитывается дополнительное давление, нормальное к поверхности среза, возникающее в момент среза за счет сил выталкивания грунта лопастями крыльчатки. f5

Наиболее близким к изобретению является способ определения прочностных свойств грунта, включающий погружение полого корпуса r. крыльчаткой в грунт, приложение к корпусу с 20 крыльчаткой различных по величине ступеней нормальных нагрузок, вращение корпуса с крыльчаткой при каждой ступени приложения нормальной нагрузки с измерением крутящих моментов, извлечение из грунта корпуса с крыльчаткой, определение трения металла корпуса и крыльчатки по грунту и определение удельного сцепления и угла внутреннего трения грунта $2) .

Недостатком указанного способа является производство среза в различных уровнях испытания, что может привести к существенным ошибкам при испытании неоднородных грунтов типа ленточных глин.

Кроме того, поправку на трение металла о гру,нт не замеряют непосредственно в забое скважины, а определяют по номограммам. Не учитывается также и не определяется поправка 40 на слипание грунта с металлом корпуса и крыльчатки.

Известно устройство для определения прочностных свойств грунта, включающее наконечник с лопастями прямоугольной формы (3) . Недостаток этого устройства заключается в том, что при производстве среза возникает дополнительное давление, нормальное к боковой поверхности среэаемого массива грунта, которое практически не поддается учету, так как зависит от прочностных характеристик грунта.

Наиболее близким к изобретению является устройство для определения прочностных свойств грунта, содержащее штангу, полый корпус с крыльчаткой, установленный на нижнем конце штанги, приспособления для созда- 60 ния нормальной нагрузки на корпус с крыльчаткой и его вращения и измерительные приспособления (43 .

Недостатком указанного устройства является сложность конструкции, выз- 65 ваниая необходимостью разельного эадавливания в. грунт внутреннего кольца с крыльчаткой, внешнего кольца и разгрузочного ножа. КрОме того, наличие заостренных торцов внутреннего и внешнего колец и крыльчатки создает дополнительное давление на грунт и трение, учесть которые не представляется возможным.

Цель изобретения — повышение точностИ исследований.

Указанная цель достигается тем, что в способе определения прочностных свойств грунта, включающем погружение полого корпуса с крыльчаткой в грунт, приложение к корпусу с крыльчаткой различных по величине ступеней нормальных нагрузок, вращение корпуса .с крыльчаткой при каждой ступени приложения нормальной нагрузки с измерением крутящих моментов, извлечение из грунта корпуса с крылъчаткой, определение величин трения металла корпуса и крыльчатки по грунту и определение удельного сцепления и угла внутреннего трения грунта, приложение различных по величине ступеней нормальных нагрузок к корпусу с крыльчаткой производят в одном уровне среза, а после извлечения корпуса с крыльчаткой из грунта на поверхность среза опускают конус, изготовленный из тоro же металла и с одинаковой чистотой поверхности с корпусом и крыльчаткой, производят вращение конуса с измерением крутящих моментов в той же последовательности и с приложением тех же ступеней нормальной нагрузки, что и при вращении корпуса с крыльчаткой, а по величине крутящих моментов вращения конуса определяют величины слипания с грунтом и трения по грунту металла корпуса и крыльчатки.

Указанная цель достигается также тем, что устройство для определения прочностных свойств грунта, содержащее штангу, полый корпус с крыльчаткой, установленный на нижнем конце штанги, приспособления для создания нормальной нагрузки на корпус с крыльчаткой и его вращения и иэмерительные приспособления, снабжено конусом, выполненным из одинакового с корпусом и крыльчаткой металла и с одинаковой частотой поверхности, корпус крыльчатки выполнен в виде усеченного конуса, а торцы корпуса и крыльчатки выполнены плоскими.

На фиг. 1 изображено устройство для определения прочностных свойств грунта, общий вид; на фиг. 2 — раэрез корпуса с крыльчаткой, вид сверху и сечение A-A; на фиг. 3 — конус; на фиг. 4 — торцовые поверхности корпуса и крыльчатки„ на фиг. 5

1ОО8353 график для определения коэффициента трения конуса о грунт; на фиг. б графи к для о предел е ни я коэффициента внутреннего трения грунта.

Устройство для определения прочностных свойств грунта состоит из штанги 1 (фиг. 1), на нижний конец которой навинчен корпус 2 с крыльчаткой 3 (фиг. 2) или конус 4 (фиг. 3), В верхней части штанги крепится приспособление для создания нормальной нагрузки на корпус с крыльчаткой, например грузовая платформа 5, на которую помещен набор грузов 6.

На верхнем конце штанги крепится приспособление для создания вращения, например силовой 7 и поворотный 8 рычаги, между которыми помещается измерительное приспособление, например динамометр 9.

Для выхода защемленного воздуха в днище корпуса 2 выполнены отверстия 10. Для соединения корпуса 2 со штангой корпус 2 снабжен хвостовиком 11. Конус 4 (фиг. 3) снабжен хвостовиком 12 для соединения со штангой 1 (фиг. 1).

Способ определения прочностных свойств грунта осуществляется следующим образом.

На защищенный забой скважины на штанге 1 (фиг. 1) опускают корпус 2 с крыльчаткой 3 (фиг. 2). Корпус 2 задавливают в грунт на высоту крыльчатки. При помощи грузов б (фиг. 1)., помещенных на грузовую платформу 5, создают первую ступень нормальной нагрузки, при которой в случае консолидированного среза делают выдержКу

При помощи поворотного 8 и силового 7 рычагов производят первоначальное вращение корпуса 2 с крыльчаткой. 3 и фиксируют IIo динамометру 9 две величины вращающей силы: одну максимальную, соответствующую первому максимальному крутящему моменту а Вторую - минимальную соот— ветствующую установившемуся крутящему моменту И„„„;, В случае необходимости определения структурного сцепления и сцепления связности после выдержки грунта (обычно в течение 15 мин) при первой ступени нормальной Нагрузки производят повторное вращение с определением максимального И „и минимального И „„, крутящих моментов. Затем создают вторую ступень нормальной нагрузки и производят вращение корпуса 2 с крыльчаткой 3 с фиксацией по динамометру величины вращающей силы, соответствующей установившемуся крутящему моменту И щ,, В случае необходимости определения структурного сцепления и сцепле ния связности делают выдержку грунМ = F L где И вЂ” крутящий момент;

F - величина вращающей силы, приложенной к приспособлению для создания вращения; плечо вращающей силы, расстояние от оси вращения до точки приложения силы.

Величину удельного слипания с грунтом металла корпуса и крыльчатки определяют по формуле и

Л I пД ,«он где И; так и И о" - соответственно максимаЛь пйн ный и минимальный (уста50 новившийся) крутящие моменты, полученные прн вращении конуса под нормальной нагрузкой;

n — количество ступеней нор55 . мальной нагрузки;

Д вЂ” постоянная конуса, вычисляемая по формуле

2 л 3 д = — у» н R °

60 где и - радиус основания конуса

Л - удельное слипание металла корпуса и крыльчаткн с грун" том; номер ступени нормальной

65 нагрузки.

40 та при второй ступени нормальной нагрузки и производят повторное вра-, щение с определением максимального

И „и минимального Ищ „крутящих

«% я моментов.

Аналогично работе при второй ступени нормальной нагрузки опыт повторяют несколько раз при различных ступенях нормальной нагрузки с определением крутящих моментов, после чего корпус 2 с крыльчаткой 3 извлекают из скважины, а иа полученную поверхность среза на штанге 1 опус" кают конус 4 (фиг. 3). При помощи грузов б (фиг. 1), помещенных на гру15 зовую платформу 5, создают первую ступень нормальной нагрузки.

При.помощи поворотного 8 и силового 7 рычагов производят вращение конуса 4 (фиг. 3) с определением максимального И" и минимального (установившегося) M „„ крутящих моментов.

При отсутствии слипания между металлом и грунтом максимальный крутящий момент не определяют.

Опыт повторяют столько же раз и при тех же ступенях нормальных нагрузок, что и при вращении корпуса с крыльчаткой.

Результаты опытов обрабатывают следующим образом: крутящие моменты рассчитывают по формуле

XOObaS3 по фор= ш=ллЕ 6, — (Е б„), где

Величину удельного сцепления грунта С вычисляют по формуле г1 „— и„.;„— л л

С

В

I где и;„„„„ и И вЂ” соответственно макси1 П) 1 Н мальный и минимальный крутящие моменты, полученные при вращении кор- О пуса с крыльчаткой под первой ступенью нормаль" ной нагрузки;

A и  — постоянные крыпьчатки, определяемые по форму- 35 лам

A =Д cls эл

В = Ц rds

sa где ds — бесконечно малый элемент поверхности;

r — расстояние бесконечно малого элемента поверхности от

Оси вращения;

S — торцовые поверхности кор1 пуса и крыльчатки;

S — поверхность среза без тор2. цовых поверхностей корпуса и крыльчатки.

ЗО

Указанные формулы справедливы для вычислений постоянных крыльчатки с любым количеством лопастей и. в частности, для четырехлопастной крыльчатки после интегрирования принимают вид: 35 н

3 4 2 н 2 ь 2 нг(3

4 и 11, ٠— Ен ; — ", = — -В

Пояснение величин, входящих в формулы, дано на фиг. 4, где й, - внешний радиус корпуса; й2 — внутренний радиус корпуса;45

2d - толщина лопастей крыльчатки; центр вращения корпуса и крыль ч ат ки;

О, Е, F — - точки,, ограничивающие один 50 из четырех ранозначных секторов поверхности среза;

H — точка, находящаяся на пересечении линии, проведенной через середину торцо- 55 вой.поверхности лопасти, и окружности, проведенной

Из точки О радиусом й2, постоянный угол ВОН

arcstn 31, 60

stn

12 й2

Удельное сопротивление грунта вращению конуса ". г" при нормальной нагрузке определяют муле 4

М" "

- кОн гги11

"1 — A где г1" " — минимальный (установив1н1111 шийся) крутящий момент при вращении конуса под нормальной нагрузкой;

Д вЂ” постоянная конуса.

Коэффициент трения конуса о грунт

Ккон определяют как угловой коэффициент прямой, проведенной через точки Р1 (61, 1 ";0 ) способом наименьших квадратов или другим известным способом. При расчете способом наименьших квадратов вычисления проводят по формулам кон 4 г "; кон,"-,кон

=1 1=1 1=1 где 6; — удельная нормальная нагрузка на грунт, передаваемая конусом;

n — количество ступеней нормальных нагрузок.

При графическом определении коэффициента трения конуса К г после вычисления всех значений, удельного сопротивления грунта вращению конуса "„Он, соответствующих разным ступеням нормальных нагрузок на грунт, передаваемых конусом, в прямоугольной равномасштабной системе координат наносят точки P . (б„

), откладывая по оси абсцисс зйачения 6;, а по оси ординат значения "ь"„.о" (фиг. 5). Через эти точки на плоскости проводят прямую с учетом правил графического осреднения. Тангенс угла 1к. этой прямой будет являться угловым ее коэффициентом, который равен коэффициенту трения конуса о грунт Ккон Ф т.е.

tg6, = К"о", тангенс угла гК (tga) может быть определен иэ прямоугольного треугольника ABC или через значение угла d., величина которого мо жет быть измерена непосредственно на чертеже.

Удельная сила трения грунта о грунт г.. при вращении крыльчатки

1 с корпусом под удельной нормальной нагрузкой определяется по формуле

11 i гп гг— кон г.

1 В где г ;)н — минимальный (установившийся) крутящий момент при вращении крыльчатки с корпусом под i-й ступенью удельной нормальной нагрузки 6;

A и  — постоянные крыльчатки.

1008353

Коэффициент внутреннего трения грунта tg (p определяют как угловой коэффициент прямой, проведенной че-. рез точки Q „ (Q,, "р ) способом наименьших квадратов или другим известным способом.

При расчете способом наименьших квадратов вычисления проводят по формулам и

t(

2 " 2 »пХ. 6„ ф 6„)

1=1 <=1 где 6„ — удельная йормальная нагруз- 15 ка на грунт; и . — количество ступеней нормальной нагрузки.

Угол внутреннего. трения "рунта( определяют по формуле

30 (= arcana

СВ

При графическом определении коэффициента внутреннего трения Грунта

rgb, после вычисления всех значений удельной силы трения грунта о грунт лКР соответствующих разным удельййм нормальным нагрузкам на грунт б„, в прямоугольной равномасштабной сйстеме координат наносят точки 30 (б„, („. ), откладывая по оси кр абсцисс значения б;, а по оси ординат — значения р (фиг. 6).

Через эти точки на плоскости проводят прямую с учетом правил гра- 35 фического осреднения. Угол g, образованный этой прямой с осью абсцисс, равен углу внутреннего трения грунта С и может быть измерен непосредственно по чертежу. Тангенс этогО 40 угла (является одновременно и угло.вым коэффициентом проведенной прямой и коэффициентом внутреннего трения грунта tgy, и может быть определен через значения угла (p или из прямоугольного треугольника ABC (фиг. 6).

В случае необходимости определения структурного сцепления грунта

С и сцепления связности грунта С их значения определяют по формулам

" max — > и В

Диаметр днища корпуса

Высота корпуса

Высота крыльчатки

Толщина стенок корпуса и крыльчатки

Диаметр отверстий для выхода защемленного воздуха

Диаметр основания конуса 60

Угол при основании конуса составляет 45

Постоянные характеристики крыльчатки и конуса имеют следующие значения, см : A = 13,711; В 42,838;

Д 56,549. или по формулам

tl

Х (М,.„,-м;,.;и-i a)

Ссь т ьЬ

С,.- С ССВ где С - удельное сцеплениЪ .грунта;

A и В - постоянные крыльчатки;

Л - удельное слипание металла корпуса и крыльчатки с грунтом, i — номер ступени нормальной нагрузки; о - количество ступеней нормальной нагрузки;

И ° Π— максимальный крутящий момент при вращении корпуса с крыльчаткой при первой ступени нормальной нагрузки;

И щ „- максимальный крутящий мо-. мент при повторном враще« нии корпуса с крыльчаткой при i-й ступени нормальной нагрузки;

М „ - максимальный крутящий момент при повторном вращении корпуса с крыльчаткой при первой ступени нормаль» ной нагрузки; й(„ „ — минимальный (установив. шийся) крутящий момент при вращении корпуса с крыльчаткой при i-й ступени нормальной нагрузки

Один из вариантов устройства имеет следующие параметры, мм: диаметр основания конического корпуса

xooeass (Ди8. 1

1008353 фие.5

T дю/,с

4ф

ВНИИПИ Заказ 2288/40 Тираж 671 Подписное

Филиал ПНП "Патент",г..Ужгород,ул.Проектная,4