Способ испытания грунтов винтовым штампом и устройство для его осуществления

Изобретения относятся к инженерно-строительным изысканиям для определения прочностных и деформационных характеристик нескальных грунтов. Техническим результатом является повышение достоверности получаемой информации и повышение производительности при определении прочностных и деформационных характеристик грунтов. Суть изобретения по способу и реализующему его устройству заключается в том, что с помощью бурового станка вращением завинчивают в массив грунта на глубину испытания с минимально необходимой вертикальной нагрузкой пустотелую колонну труб, оснащенную на нижнем конце винтовой лопастью-штампом с постоянным шагом и переменной толщиной лопасти, равномерно возрастающей снизу вверх и оснащенной заподлицо с ее нижней поверхностью датчиками давления, соединенными кабелем связи с дневной поверхностью, при этом модуль деформации определяют по известной методике по стабилизированному давлению, фиксируемому от каждого из датчиков после прекращения завинчивания штампа, и по известным значениям деформации под каждым из датчиков. Согласно изобретению, не доходя до глубины испытания грунта, синхронизируют, например, с помощью винтовой пары, величину отношения погружения h штампа за каждый оборот к его шагу а до величины, близкой, но не превышающей h/a≤1,0, а непосредственно перед остановкой погружения штампа фиксируют показания нестабилизированного давления грунта под каждым из датчиков. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретения относится к инженерно-строительным изысканиям и может быть использовано для определения деформационных и прочностных характеристик нескальных грунтов, преимущественно экспресс-методом.

Известны методы применения в практике инженерных изысканий расклинивающего дилатометра, например [1]. Способ, реализующий метод, заключается в том, что в массив грунта с помощью специально оборудованного станка задавливают закрепленный на нижнем конце штанги рабочий наконечник клиновидной формы с вмонтированным заподлицо в его боковую поверхность тензометрическим динамометром, соединенным кабелем с серийным регистратором на дневной поверхности. При этом измерение давления грунта по глубине производят либо по методике непрерывного погружения дилатометра через каждые 0,2 м (нестабилизированное давление, для предварительных исследований), либо по методике дискретного опробования с остановками (стабилизированное во времени давление). Последняя методика менее производительная, но более точная, и применяется на более поздних стадиях проектирования. При этом дилатометр погружают с постоянной скоростью 0,3-0,4 м/мин.

Недостатком известного способа является относительно небольшая деформация грунта под тензометрическим динамометром, что снижает точность получения модуля деформации, особенно в слабых грунтах, т.к. первую ступень графика нагрузка-осадка, построенного по результатам испытаний грунта, например при штамповых испытаниях, рекомендуется выбрасывать при построении условно линейного участка этого графика.

Известен способ испытания грунта винтовым штампом [2]. Способ включает погружение закрепленного на нижнем конце ствола винтового штампа в виде лопасти в массив грунта путем его завинчивания до отметки испытаний, приложение осевого давления на штамп и измерение его перемещения по ступеням нагружения. При достижении глубины погружения, равной 1,5-2,0 диаметрам штампа, до отметки испытаний, измеряют давление отпора на нижнюю поверхность штампа и одновременно прикладывают на лопасть разгружающее осевое давление, компенсирующее давление отпора в пределах величин от бытового до минимального измеренного давления. При этом нижнюю поверхность лопасти штампа предварительно оснащают заподлицо мессдозами тензометрического типа, соединенными кабелем с дневной поверхностью.

Известный способ обеспечивает сохранение ненарушенной структуры грунта под штампом. Недостатки способа заключаются в том, что он не предусматривает достаточно точной оценки линейных перемещений грунта под штампом при его нагружении, а также не устраняет необходимости нанизывания на кабель звеньев ствола при его наращивании, а также обратной операции при погрузке и транспортировке устройства.

Прототипом изобретения по существу решаемой задачи является способ испытания грунтов винтовым штампом, реализуемый устройством [3]. Известный способ заключается в том, что в массив грунта с помощью зондировочно-бурового станка погружают на заданную глубину испытаний путем завинчивания с одновременным приложением осевой нагрузки винтовой штамп в виде штанги со смонтированной на ее нижнем конце винтовой лопастью-штампом с постоянным шагом, при этом деформацию грунта под штампом осуществляют одновременно с его завинчиванием с использованием винтовой лопасти переменной толщины, равномерно возрастающей снизу вверх этой лопасти, а после окончания погружения винтового штампа на глубину испытания фиксируют стабилизированное во времени давление грунта под штампом с использованием тензодатчиков, вмонтированных в лопасть заподлицо с ее нижней поверхностью и соединенных кабелем с дневной поверхностью, а затем по известным значениям деформации грунта под каждым из датчиков давления и полученным значениям давления грунта под каждым из датчиков определяют по известной методике вертикальный модуль деформации грунта. По окончании испытаний грунта на одной заданной глубине заглубляют винтовой штамп на следующую глубину испытаний.

Недостаток известного решения в части способа заключается в том, что способ не предусматривает достаточно точного контроля за величиной осадки грунта под штампом до начала испытаний при значительной глубине испытаний грунта, т.к., по сути, лопасть штампа переменной толщины в известном решении является свернутым в винт дилатометром с несколькими датчикам, который достаточно чувствителен к вертикальным перемещениям за счет упругого отпора грунта и особенно к зазорам между грунтом и рабочей поверхностью штампа.

Другой недостаток известного решения заключается в необходимости нанизывания на кабель звеньев колонны труб и их транспортировка вместе с кабелем.

Решаемой технической задачей изобретения является повышение достоверности получаемой информации и одновременно повышение производительности при определении прочностных и деформационных характеристик нескальных грунтов.

Указанная задача в части способа решена за счет того, что способ испытания грунтов винтовым штампом, заключающийся в том, что в массив грунта с помощью бурового станка погружают на заданную глубину испытаний путем завинчивания с одновременным приложением осевой нагрузки винтовой штамп в виде колонны труб с закрепленной на ее нижнем конце винтовой лопастью-штампом с постоянным шагом, при этом деформацию грунта под штампом осуществляют одновременно с его завинчиванием за счет использования винтовой лопасти переменной толщины, равномерно возрастающей снизу вверх этой лопасти, а по окончании погружения штампа на глубину испытания фиксируют стабилизированное во времени давление грунта под штампом с использованием тензодатчиков, вмонтированных в лопасть штампа заподлицо с ее нижней поверхностью и соединенных кабелем с дневной поверхностью, а по окончании испытаний погружают штамп на следующую заданную глубину испытания, причем по известным значениям деформации грунта под каждым из датчиков давления и полученным значениям давления грунта под каждым из датчиков определяют по известной методике вертикальный модуль деформации грунта, согласно изобретению, не доходя до глубины испытания грунта на величину, превышающую шаг винтовой лопасти штампа, синхронизируют, например, с помощью винтовой пары, величину отношения глубины погружения винтовой лопасти h за каждый оборот ее завинчивания к шагу а винтовой лопасти до величины этого отношения, близкой, но не превышающей h/a≤1,0, а при достижении глубины испытания, непосредственно перед прекращением погружения винтового штампа, фиксируют показания нестабилизированного давления грунта, после чего прекращают погружение штампа и проводят испытания грунта по известной стабилизированной методике. После остановки погружения штампа, спустя 5-10 сек, фиксируют первые показания датчиков с одновременным включением секундомера, а затем снимают подряд три показания датчиков с интервалами по 2 минуты с момента включения секундомера. Перед подключением к колонне труб синхронизирующего механизма, с помощью, например, электромагнитной ловушки, которую опускают на технологическом кабеле в полость колонны труб, захватывают верхний конец скрученного в спираль кабеля связи, вытягивают его на дневную поверхность и соединяют с регистрирующим прибором, а по окончании испытаний грунта на одной глубине кабель связи снова погружают в полость колонны труб.

Известно устройство для испытания грунта статической нагрузкой [4]. Устройство включает полую колонну труб, оснащенную на нижнем конце винтовым анкером и винтовым штампом с возможностью их относительного осевого перемещения, а также датчики и каналы связи с дневной поверхностью для измерения линейных перемещений и создания нагрузки на винтовой штамп, анкерное, реперное, измерительное и силовое оборудование.

Недостатками известного решения является низкая точность измерения осадки грунта под штампом по ступеням нагружения и необходимость нанизывания звеньев колонны труб на кабель.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением в части устройства является устройство для исследования деформационных свойств грунтов [3]. Устройство включает специально оборудованную буровую установку для вращения и создания осевого усилия, колонну труб, оснащенную винтовой лопастью на ее нижнем конце, выполненной по спирали с возрастающим снизу вверх диаметром и толщиной лопасти и постоянным шагом витков по высоте, датчики давления, установленные заподлицо на нижней и верхней поверхностях лопасти, кабель связи и измерительное приспособление, при этом датчики давления установлены от витка к витку по спирали за пределами кромки реборды нижележащей лопасти, а кромка реборды выполнена с обоюдоострой заточкой под углом 13-25°.

Одним из недостатков известного решения является то, что оно не предусматривает контроля за фактической величиной погружения винтовой лопасти штампа за каждый оборот лопасти вблизи глубины испытания грунта и соответствия этого погружения шагу винтовой лопасти, что не позволяет получить достоверной информации. Другой недостаток заключается в необходимости нанизывания всех звеньев колонны труб на кабель.

Решаемой задачей в части устройства, так же как и в части способа, является повышение достоверности получаемой информации и повышение производительности при определении прочностных и деформационных характеристик нескальных грунтов.

Решение этой технической задачи в части устройства достигается тем, что устройство для испытания грунтов винтовым штампом, реализующее способ, включающее пустотелую колонну труб, оснащенную на нижнем конце винтовой лопастью с постоянным шагом по высоте и возрастающей снизу вверх толщиной лопасти, установленными заподлицо с ее нижней поверхностью датчиками давления, соединенными кабелем связи с измерительным приспособлением на дневной поверхности, а также буровой станок, обеспечивающий вращение колонны труб и передачу на нее осевого усилия посредством гидроцилиндров станка, анкерное и измерительное оборудование, согласно изобретению, между валом вращателя станка, предварительно выставленного на триггеры и заанкеренного, и колонной труб установлена винтовая пара, винт которой верхним концом соединен с валом вращателя, а нижним, имеющим вертикальную прорезь для пропускания кабеля, соединен с помощью быстроразъемного соединения с верхним концом колонны труб, причем гайка винтовой пары поочередно зафиксирована либо на винте пары в его верхней части без их относительного вращения, либо неподвижно на кронштейне, выполненном в виде ползуна, устанавливаемого на заданной высоте с возможностью его фиксации на мачте станка. Кабель связи свернут в спираль, размещенную в нижнем звене колонны труб, при этом верхний конец кабеля оснащен центрирующим его подпружиненным распорным фонарем, взаимодействующим со стенками колонны труб и электроразъемом с герметичной заглушкой, взаимодействующей при необходимости подъема кабеля на дневную поверхность с электромагнитной ловушкой, опускаемой на технологическом кабеле в полость колонны труб.

На чертеже схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ на этапе проведения испытаний грунта.

На чертеже показан буровой станок 1, выставленный на триггеры 2, оснащенный поворотной мачтой 3 с подвижным вдоль мачты с помощью гидроцилиндров станка (не показано) вращателем 4 с выходным валом 5. Вал 5 вращателя соединен с верхним концом силового винта 6 винтовой пары. На винт 6 завинчена силовая гайка 7 винтовой пары, соединенная с кронштейном 8, оснащенным откидными шарнирными упорами 9, зафиксированным в одном из возможных положений к мачте 3. Нижний конец винта 6 имеет прорезь 10 для вывода кабеля 11 и соединен, например, с помощью вилки 12 с верхним концом 13 колонны труб 14. На нижнем конце колонны труб закреплена винтовая лопасть 75 штампа с возрастающей снизу вверх толщиной лопасти. В лопасти размещены заподлицо с ее нижней поверхностью датчики давления, например, мессдозы 16, соединенные с кабелем 11.

Способ с помощью устройства осуществляют следующим образом.

На первом этапе погружения винтового штампа в массив грунта (либо в забой скважины при плотных грунтах) к колонне труб 14 с помощью вращателя 4 станка через винт 6 передают крутящий момент и осевую вертикальную силу с помощью гидроцилиндров станка. При этом гайка 7 зафиксирована на верхнем конце винта 6 и вращается вместе с ним.

После погружения одного звена колонны труб 14 ее отсоединяют от винта 6, поднимают вращатель станка с винтом 6 вверх и наращивают очередным звеном колонну труб.

На втором этапе, при подходе винтовой лопасти к глубине испытания грунта, в полость колонны труб 14 опускают электромагнит на технологическом кабеле с тросиком (не показано) до соприкосновения электромагнита с заглушкой разъема кабеля 11, оснащенной сердечником из магнитомягкого материала, подключают к электромагниту батарею питания и вытягивают конец кабеля 11 с разъемом из колонны труб. Затем соединяют колонну труб 14 с нижним концом винта 6, имеющего прорезь 10 для вывода кабеля 11, с помощью вилки 12. Затем гайку 7 винтовой пары расфиксируют от винта 6, свинчивают ее до контакта со сдвинутыми шарнирными упорами 9 кронштейна 8 и крепят к ним гайку 7. После этого соединяют свободный конец кабеля 11 с регистратором и дозавинчивают винтовой штамп до заданной глубины испытания грунта.

При достижении глубины испытания грунта, непосредственно перед остановкой погружения штампа, фиксируют показания нестабилизированного давления грунта, а сразу после прекращения погружения штампа проводят испытания по стабилизированной методике.

Предлагаемый способ и реализующее его устройство позволяют оперативно получать при каждом испытании на одной глубине по 5 значений от каждого из датчиков: одно текущее значение (нестабилизированное), для которого по формуле получают текущую величину модуля деформации, и 4 значения для вычисления стабилизированных величин модуля деформации грунтов, для чего используют при обработке результатов метод аналитической экстраполяции затухающих ветвей экспоненциальных функций по полученным из опыта значениям в момент времени t_i(i=0,1,2,3). При этом неизвестные параметры функций, а также стабилизированные значения модуля деформации Е при t→∞ вычисляются в процессе камеральной обработки материалов с помощью ЭВМ по известной программе. При этом стабилизация глубины погружения штампа перед испытаниями грунта обеспечивает достоверность получаемых результатов, а возможность подключения кабеля только перед измерениями исключает необходимость нанизывания на кабель звеньев труб.

Предлагаемый способ и реализующее его устройство позволяют определять прочностные и деформационные характеристики нескальных грунтов с высокой производительностью, полученные при этом результаты обладают высокой достоверностью, имеют промышленную применимость и, следовательно, могут быть защищены патентом Р.Ф.

Источники информации

1. Методика применения расклинивающего дилатометра в практике инженерных изысканий. ГОССТРОЙ РСФСР, НПО “СТРОЙИЗЫСКАНИЯ”, ПНИИИС. Москва, 1990, 45 с.

2. Авторское свидетельство СССР №1717719, М.кл Е 02 D 1/00 от 1992 г.

3. Авторское свидетельство СССР №1680869, М.кл. Е 02 D 1/00 от 1991 г. (прототип по способу и устройству).

4. Авторское свидетельство СССР №1381245, М.кл. Е 02 D 1/00 от 1988 г.

1. Способ испытания грунтов винтовым штампом, заключающийся в том, что в массив грунта с помощью бурового станка погружают на заданную глубину испытания путем завинчивания с одновременным приложением осевой силы винтовой штамп в виде колонны труб с закрепленной на ее нижнем конце винтовой лопастью, имеющей постоянный шаг и переменную толщину, равномерно возрастающую снизу вверх, а по окончании погружения штампа на глубину испытания фиксируют стабилизированное во времени давление грунта под штампом с использованием тензодатчиков, вмонтированных в лопасть штампа заподлицо с ее нижней поверхностью и соединенных кабелем с ее дневной поверхностью, при этом вертикальный модуль деформации грунта определяют по полученным значениям давления грунта под каждым из датчиков и по известным значениям деформации грунта под каждым из датчиков давления, отличающийся тем, что, не доходя до глубины испытания грунта на величину, превышающую шаг винтовой лопасти, синхронизируют отношение величины осевого погружения h этой лопасти за каждый оборот ее завинчивания к ее шагу а до величины этого отношения, близкой, но не превышающей h/a≤1,0, а при достижении глубины испытания непосредственно перед остановкой погружения штампа фиксируют показания нестабилизированного давления грунта, прекращают погружение штампа и проводят испытания грунта по стабилизированной методике.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после остановки погружения штампа в грунт, спустя 5-10 с, фиксируют первые показания датчиков с одновременным включением секундомера, а затем снимают подряд три показания датчиков с интервалами по 2 мин с момента включения секундомера.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед подключением к колонне труб синхронизирующего механизма с помощью, например, электромагнитной ловушки, которую опускают на технологическом кабеле в полость колонны труб, захватывают верхний конец скрученного в спираль кабеля связи, вытягивают на дневную поверхность и соединяют с регистрирующим прибором, а по окончании испытаний на одной глубине кабель связи снова погружают в полость колонны труб.

4. Устройство для реализации способа по пп.1 и 2, включающее пустотелую колонну труб с винтовой лопастью на ее нижнем конце, выполненную с постоянным шагом по высоте и возрастающей снизу вверх толщиной лопасти, с установленными заподлицо с ее нижней поверхностью датчиками давления, соединенными кабелями связи с дневной поверхностью, а также буровой станок, обеспечивающий вращение колонны труб и передачу на нее осевого усилия посредством гидроцилиндров станка, и измерительное оборудование, отличающееся тем, что между валом вращателя станка, предварительно выставленного на триггеры и заанкеренного, и колонной труб установлена винтовая пара, винт которой верхним концом соединен с валом вращателя, а нижним, имеющим вертикальную прорезь для пропускания через нее кабеля, соединен с помощью быстроразъемного соединения с верхним концом колонны труб, причем гайка винтовой пары поочередно зафиксирована либо на винте пары в его верхней части без их относительного вращения, либо неподвижно на кронштейне, выполненном в виде ползуна, установленного с возможностью его фиксации на заданной высоте на мачте станка.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что кабель связи, свернутый в спираль, размещен в нижнем звене колонны труб, при этом верхний конец кабеля оснащен центрирующим его подпружиненным распорным фонарем, взаимодействующим со стенками колонны труб и разъемом с герметичной заглушкой, взаимодействующей при необходимости подъема кабеля на дневную поверхность с электромагнитной ловушкой, опускаемой на технологическом кабеле в полость колонны труб.