Способ испытания грунтов статической нагрузкой и устройство для его осуществления

Изобретение относится к инженерным изысканиям в строительстве и при реконструкции старых зданий и сооружений в ускоренном режиме. Техническим результатом является обеспечение измерений нагрузки на рабочий орган и его осадки вблизи глубины испытаний грунта, а также сокращение сроков испытаний. Для этого в массив грунта с помощью бурового станка погружают до глубины испытаний путем завинчивания винтовой штамп в виде лопасти и одновременно винтовой анкер, смонтированные на нижнем конце полой колонны труб с возможностью их ограниченного осевого перемещения относительно друг друга и относительно колонны труб, неподвижно крепят верхний конец колонны труб к грунту с последующим приложением заданной ступени нагрузки на штамп и измерением осадки штампа через заданные интервалы времени до наступления условной стабилизации осадки грунта под штампом, после чего переходят на следующую ступень нагружения. Причем нагрузку на штамп и ее измерения, а также измерение осадки штампа осуществляют в непосредственном контакте со штампом нагрузочного приспособления и датчиков линейных перемещений с использованием канала обратной связи с дневной поверхностью. Согласно изобретению нагрузку на штамп с дневной поверхности прикладывают через технологическую полую штангу, пропускаемую через полость колонны труб перед началом испытаний, при этом штангу оснащают на нижнем конце датчиком нагрузки, взаимодействующим со штампом и датчиком линейных перемещений, взаимодействующим с анкером, используемым в качестве репера, а испытание грунта проводят в режиме задаваемых перемещений грунта под штампом путем условно мгновенного деформирования находящегося под штампом грунта равными для испытываемого вида грунта ступенями, а по достижении ступени деформирования измеряют изменение общих нагрузок на штамп и дополнительную осадку штампа через заданные интервалы времени. По достижении условной стабилизации нагрузки на одной ступени переходят на следующую ступень деформирования грунта, при этом в качестве критерия условной стабилизации нагрузки на каждой ступени принимают скорость изменения удельных давлений на грунт во времени. 2 н. и 3 з. п.ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к инженерно-геологическим изысканиям в строительстве и при реконструкции зданий и сооружений полевыми методами для определения деформационных и прочностных характеристик грунтов.

Известен способ определения деформационных характеристик грунтов при прессиометрических испытаниях в скважине [1]. Способ включает погружение в буровую скважину на заданную глубину испытания раздуваемого прессиометра, соединенного каналом обратной связи с дневной поверхностью, и проведение испытаний грунта путем принудительного деформирования грунта заданными ступенями с помощью расширения стенок прессиометра за счет подачи в его полость порций сжатого воздуха из резервной емкости, находящейся под избыточным давлением, а по достижении заданной ступени деформирования грунта измеряют изменение падения давления в прессиометре и дополнительную осадку грунта через заданные интервалы времени, причем по достижении условной стабилизации давления на одной ступени переходят на следующую ступень деформирования грунта, а по окончании испытаний результаты обрабатывают по величине конечных значений давления и деформации на каждой ступени испытаний по стандартной методике.

Недостатком известного решения является использование воздуха в качестве нагрузочного устройства и одновременно в качестве динамометра, т.к. из-за высокой сжимаемости воздух не позволяет достоверно измерить деформацию грунта.

Известен способ испытания грунтов винтовым штампом, реализуемый устройством [2]. Способ заключается в том, что в массив грунта с помощью зондировочно-бурового станка погружают на заданную глубину испытаний путем завинчивания с приложением минимально необходимой осевой нагрузки винтовой штамп в виде штанги с закрепленной на ее нижнем конце винтовой лопастью штампом, при этом деформацию грунта под штампом осуществляют одновременно с завинчиваем винтового штампа за счет использования винтовой лопасти с равномерно возрастающей толщиной снизу вверх, а после достижения глубины испытания штампом измеряют стабилизированное во времени давление грунта под штампом, оборудованными заподлицо с его нижней поверхностью тензодатчиками давления, соединенными кабелем связи с дневной поверхностью, а затем по известным значениям деформации грунта под каждым из датчиков и измеренным величинам давления под каждым из датчиков определяют расчетным путем модуль вертикальной деформации и другие показатели.

Недостатком известного способа является то, что в нем предусмотрено ограниченное оборудованием число ступеней деформирования грунта и не предусмотрена возможность варьирования величины этих ступеней, что необходимо при испытании любых разновидностей грунтов с неодинаковой величиной ступеней деформирования.

Прототипом изобретения в части способа по технической сути и общему количеству существенных признаков является способ испытания грунтов винтовым штампом, реализованный устройством [3]. Способ заключается в том, что в массив грунта с помощью бурового станка погружают путем завинчивания с приложением осевой нагрузки полой колонны труб, оснащенной на нижнем конце винтовой лопастью-штампом и винтовым анкером, с возможностью их ограниченного осевого перемещения как относительно друг друга, так и относительно колоны труб, а после погружения штампа на глубину испытания грунта верхний конец колонны труб жестко крепят к анкерному приспособлению и проводят испытания грунта путем приложения к штампу нагрузок заданными ступенями нагружения с измерением осадок грунта под штампом на каждой ступени через заданные интервалы времени до наступления условной стабилизации осадки, а по завершении одной ступени нагружения переходят на следующую ступень нагружения, причем нагрузочное приспособление в виде силового гидроцилиндра размещают в полости колонны труб в контакте со штампом и одновременно с анкером, а величину перемещений грунта под штампом определяют по разности перемещений штампа относительно анкера и анкера относительно колонны труб с помощью датчиков линейных перемещений, соединенных, как и нагрузочное приспособление, каналом обратной связи с дневной поверхностью.

Известное решение имеет ряд преимуществ перед другими известными решениями, т.к. в нем приложение нагрузки на штамп и измерение осадок штампа производят непосредственно на глубине испытания грунта.

Недостатком прототипа является большая продолжительность испытаний грунтов и необходимость прокладки через всю колонну труб кабеля и гидромагистрали с учетом вращения колонны труб.

Технической задачей изобретения является существенное сокращение сроков испытания любых нескальных грунтов в полевых условиях винтовым штампом и упрощение технологии подготовки проведения испытаний.

Поставленная техническая задача изобретения в части способа решена тем, что способ испытания грунтов статической нагрузкой, включающий погружение в грунт до отметки испытаний путем завинчивания винтового штампа в виде лопасти и одновременно винтового анкера, смонтированных на нижнем конце полой колонны труб с возможностью ограниченного осевого перемещения анкера и штампа как относительно друг друга, так и относительно колонны труб, неподвижное крепление верхнего конца колоны труб к грунту с последующим приложением заданной ступени нагрузки на штамп и измерением осадки штампа через заданные интервалы времени до наступления условной стабилизации осадки грунта под штампом, после чего переходят на следующую ступень нагружения, причем нагрузку на штамп и ее измерение, а также измерение осадки штампа относительно репера осуществляют в непосредственном контакте со штампом, при этом нагрузочное приспособление и датчики линейных перемещений соединяют каналом обратной связи с дневной поверхностью, согласно изобретению нагрузку на штамп прикладывают через технологическую полую штангу, пропускаемую через полость колонны труб перед началом испытаний, при этом штангу оснащают на нижнем конце датчиком нагрузки, взаимодействующим со штампом, и датчиком линейных перемещений, взаимодействующим с анкером, используемым в качестве репера, а испытания грунта проводят в режиме задаваемых перемещений грунта под штампом, путем принудительного условно-мгновенного деформирования залегающего под штампом грунта равными для испытываемого вида грунта ступенями, а по достижении ступени деформирования измеряют изменение общих нагрузок на штамп и дополнительную осадку штампа с заданными интервалами времени, а затем, по достижении условной стабилизации нагрузки на одной ступени, переходят на следующую ступень деформирования грунта, при этом в качестве критерия условной стабилизации нагрузки на каждой ступени принимают скорость изменения удельных нагрузок на грунт во времени. По мере увеличения дополнительных осадок грунта под штампом сверх заданных программой испытаний для каждого вида грунта на каждой ступени деформирования, возникающих в результате релаксации напряжений в грунте под нагрузкой, нагрузку на штамп уменьшают, приближая величину осадки грунта на каждой ступени к заданной программой испытаний величине, но не доходя до нее. Величину ступеней деформирования грунта, интервалы времени измерений падения нагрузки на штамп и осадки штампа, а также величину критерия стабилизации нагрузки на ступенях деформирования для каждого вида грунта при составлении программы испытаний принимают по результатам предварительных параллельных испытаний тех же грунтов стандартным методом и методом задаваемых перемещений по сходимости графиков зависимости “осадка-нагрузка”, принимая стандартный график за эталонный.

Известно устройство для испытания грунта статической нагрузкой, реализуемое способом [4]. Устройство включает полую шнековую колонну труб, оснащенную на нижнем конце винтовым штампом, установленным с возможностью осевого перемещения без углового поворота относительно колонны, буровой станок для передачи вращения и минимально необходимой вертикальной нагрузки на колонну труб, вспомогательную технологическую внутреннюю штангу для приложения опытной нагрузки на штамп, нагрузочное, реперное и измерительные приспособления.

Недостаток известного устройства заключается в низкой точности измерения осадки грунта под штампом на значительной глубине испытаний и неучете потерь опытной нагрузки на штамп от сил трения при изгибе вспомогательной штанги, что неизбежно при значительной глубине испытаний при значительной нагрузке.

Прототипом предлагаемого устройства для реализации способа по технической сути является устройство для испытания грунта статической нагрузкой [3]. Устройство включает погружаемую в грунт на глубину испытания вращением от бурового станка полую колонну, оснащенную на нижнем конце винтовым анкером с полой обоймой и винтовым штампом с хвостовиком, пропущенным коаксиально в полость обоймы анкера с возможностью ограниченного осевого перемещения штампа и анкера относительно друг друга и относительно колонны труб, а также силовой гидроцилиндр, размещенный в полости колонны труб, контактирующий корпусом с хвостовиком штампа и штоком с обоймой, анкера и датчики линейных перемещений для измерения перемещения штампа относительно анкера и анкера относительно колонны труб, используемой в качестве репера, причем датчики линейных перемещений и гидроцилиндр соединены во время испытаний грунта с дневной поверхностью каналами обратной связи, а верхний конец колонны труб соединен с анкерным приспособлением, при этом лопасть анкера и лопасть штампа имеют одинаковый шаг.

Недостаток известного устройства заключается в том, что оно не позволяет реализовывать способ испытания грунтов в режиме задаваемых перемещений, т.к. при релаксации напряжений в грунте за счет повышенного давления в гидромагистрали и гидроцилиндре произойдут дополнительные осадки штампа и грунта соответственно. Другой недостаток заключается в низкой технологичности каналов связи.

Технической задачей изобретения в части устройства является обеспечение реализации способа по ускоренному испытанию любых грунтов в режиме задаваемых перемещений, а также обеспечение возможности испытания грунтов стандартным методом с измерением данных непосредственно на глубине испытания.

Поставленная техническая задача в части устройства решена тем, что устройство для реализации предлагаемого способа, включающее погружаемую в грунт на глубину испытания вращением от бурового станка с приложением минимально необходимой осевой нагрузки полую колонну труб, оснащенную на нижнем конце винтовым анкером, закрепленным на полой обойме, и винтовым штампом, закрепленным на хвостовике, пропущенным коаксиально в полость обоймы анкера с возможностью ограниченного осевого перемещения штампа и анкера относительно друг друга и относительно колонны труб, а также нагрузочное приспособление в виде силового гидроцилиндра, взаимодействующего со штампом и одновременно с анкером, и датчики линейных перемещений для измерения перемещений штампа относительно репера, причем датчики линейных перемещений и гидроцилиндр соединены во время испытаний каналами обратной связи с дневной поверхностью, согласно изобретению нагрузочное приспособление выполнено в виде технологической полой штанги, пропускаемой перед началом испытаний грунта в полость колонны труб до контакта ее нижним концом с хвостовиком штампа и силового гидроцилиндра, установленного между верхним концом полой штанги и вращателем бурового станка, выставленного предварительно на триггеры и используемого в качестве анкера, причем нижний конец штанги оснащен тензометрическим датчиком нагрузки, взаимодействующим с хвостовиком штампа и датчиком линейных перемещений, взаимодействующим своим выступающим из штанги подвижным штоком с обоймой анкера, используемого в качестве репера, при этом датчик нагрузки и датчик линейных перемещений соединены каналом обратной связи с дневной поверхностью. Анкер выполнен с толщиной винтовой лопасти, превышающей толщину лопасти штампа, а между гидроцилиндром и вспомогательной штангой размещен переходник-центратор, имеющий вертикальную прорезь для вывода кабеля связи.

Преимущества предлагаемого изобретения заключаются в следующем:

- способ и устройство позволяют реализовать метод релаксации напряжений при испытании любых нескальных грунтов, что существенно сокращает сроки испытания: глинистых грунтов более чем в 3 раза; суглинков до трех раз; песчаных грунтов в два и более раз;

- устройство позволяет с использованием того же оборудования проводить контрольные и параллельные испытания грунтов стандартным методом;

- способ и устройство обеспечивают проведение измерения нагрузок на штамп и его осадок непосредственно на глубине испытаний грунтов с исключением влияния на точность измерений промежуточных длинномерных элементов конструкции, что гарантирует достоверность получаемых данных.

На фиг.1 схематично изображен комплект оборудования, реализующий предлагаемый способ и устройство, общий вид; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.2; на фиг.4 - сечение В-В на фиг.2.

На фиг.1 показан буровой станок 7, выставленный на триггеры 2, оснащенный поворотной мачтой 3 с подвижным вдоль мачты с помощью гидроцилиндров станка вращателем 4 с выходным валом 5. Буровой станок 1 может быть при необходимости дополнительно соединен с отдельно отстоящей анкерной сваей посредством троса, перекинутого через блок мачты 3 и взаимодействующего с лебедкой бурового станка 1 (не показано). Вал 5 вращателя станка опирается о шток 6 силового гидроцилиндра 7, который через центрирующий переходник 8 соединен с внутренней технологической штангой 9, размещенной в полости колонны труб 10 и оснащенной на нижнем конце винтовым анкером-репером 11, закрепленным на обойме 12, а также винтовым штампом 13, закрепленным на хвостовике 14. Колонна труб 10 может быть сцентрирована с помощью приспособления 15, имеющего ролики и закрепленного к грунту, гидроцилиндр 7 подключен к управляющей насосной станции (не показано) с помощью гидрошланга 16, а через прорезь в переходнике 8 пропущен кабель связи 17 к регистрирующей аппаратуре (не показано).

На фиг.2 показано соединение хвостовика 14 через сквозное окно 18 с обоймой 12 репера с помощью пальца 19, а также обоймы 12 через сквозные вертикальные прорези 20 с колонной труб 10 с помощью штифтов 21 с возможностью осевого перемещения штампа 13 относительно репера 11 и репера 11 относительно колонны труб 10. Технологическая внутренняя штанга 9 нижним концом 22 опирается в хвостовик 14, а подвижный подпружиненный шток 23 датчика линейных перемещений 24 опирается через центральное отверстие в хвостовике 14 в палец 19.

Тензодатчик нагрузки 25 обеспечивает измерение нагрузки, передаваемой через нижний конец 22 штанги 9 на хвостовик 14.

На фиг.3 показано соединение от углового проворота верхнего конца обоймы 12 относительно колонны труб 10 с помощью внутреннего и наружного шестигранника соответственно.

На фиг.4 показано соединение верхнего конца хвостовика 14 от углового проворота с обоймой 12 также с помощью шестигранного соединения. Узлы уплотнения условно не показаны.

На изображенном на фиг.1-4 устройстве, реализующем предлагаемый способ, работы по подготовке и испытанию грунтов осуществляют следующим образом. При необходимости прикладывания к штампу значительных нагрузок (более 50 кН) сначала с помощью бурового станка 1 завинчивают в грунт (вертикально или наклонно) отдельно отстоящий винтовой анкер (на фиг.1 не показано). Затем станок отгоняют и выставляют вал 5 его вращателя 4 над точкой испытания, после чего станок выставляют на триггеры 2. После этого первое звено колонны труб 10 с винтовым штампом 13 и винтовым репером 11 присоединяют с помощью переходника к валу 5 вращателя 4 и вращением с приложением минимально необходимой вертикальной нагрузки от гидроцилиндров станка погружают в массив грунта. Периодически наращивая колонну труб 10, штамп 13 погружают на глубину испытания и центрируют верхний конец колонны 10 посредством приспособления 15. Затем в полость колонны труб 10 опускают технологическую штангу 9 до упора в хвостовик 14 штампа 13, выводят кабель 17 через прорезь в переходнике 8 и подключают кабель к регистрирующей аппаратуре. Убедившись по показаниям датчика линейных перемещений 24, что штамп 13 имеет запас хода для испытаний (т.е. определяют положение пальца 19 относительно верхнего края окна 18). После этого на центрирующий переходник 8 устанавливают гидроцилиндр 7 и подключают его с помощью гидрошланга 16 к напорной станции с измерителем давления (не показано).

Затем подводят вал 5 вращателя к штоку 6 гидроцилиндра, фиксируют их и прикладывают нагрузку на штамп 13 через штангу 9 путем поднятия давления в гидроцилиндре 7 согласно заданной программы испытаний с учетом веса штанги 9, переходника 8 и гидроцилиндра 7.

К настоящему времени автором разработана техническая документация и изготовлен опытный образец устройства, реализующего предлагаемый способ. Испытание образца по полной программе намечено на конец 2004 г. Изобретение предполагает автоматизацию всех основных операций, в частности обработку информации в процессе проведения испытаний с возможностью оперативного корректирования хода испытания.

Предлагаемое изобретение обладает новизной, имеет ряд перечисленных преимуществ перед известными решениями, отвечает критерию промышленной применимости в условиях массового строительства и при реконструкции старых зданий и сооружений и соответствует современному уровню техники и, следовательно, по мнению автора, может быть защищено патентом РФ.

При необходимости автор может предоставить в экспертизу дополнительные материалы, в том числе акты испытаний, по мере их поступления.

Источники информации:

1. Авторское свидетельство СССР, №1086066, М. кл. Е 02 D 1/00; G 001 №3/10, Б.И. №14, 1983.

2. Авторское свидетельство СССР, №1680869, М. кл. Е 02 D 1/00; Б.И. N36, 1991.

3. Авторское свидетельство СССР, №1381245, М. кл. Е 02 D 1/00; Б.И. №10 от 1988. (Прототип по способу и по устройству).

4. Авторское свидетельство СССР, №1214839, М. кл. Е 02 D 1/00; Б.И. №8, 1986.

1. Способ испытания грунтов статической нагрузкой, включающий погружение в грунт до глубины испытаний путем завинчивания винтового штампа в виде лопасти и одновременно винтового анкера, смонтированных на нижнем конце полой колонны труб с возможностью их ограниченного осевого перемещения относительно друг друга и относительно колонны труб, неподвижное крепление верхнего конца колонны труб к грунту с последующим приложением заданной ступени нагрузки на штамп и измерением осадки штампа через заданные интервалы времени до наступления условной стабилизации осадки грунта под штампом, после чего переходят на следующую ступень нагружения, причем нагрузку на штамп и ее измерения, а также измерение осадки штампа осуществляют в непосредственном контакте со штампом с использованием канала обратной связи с дневной поверхностью, отличающийся тем, что нагрузку на штамп прикладывают с дневной поверхности через технологическую полую штангу, пропускаемую через полость колонны труб перед началом испытаний, при этом штангу оснащают на нижнем конце датчиком нагрузки, взаимодействующим со штампом, и датчиком линейных перемещений, взаимодействующим с анкером, который используют в качестве репера, а испытание грунта проводят в режиме задаваемых перемещений грунта под штампом путем условно-мгновенного деформирования находящегося под штампом грунта равными для испытуемого вида грунта ступенями, а по достижении ступени деформирования измеряют изменение общих нагрузок на штамп и дополнительную осадку штампа через заданные интервалы времени, а затем по достижении условной стабилизации нагрузки на одной ступени переходят на следующую ступень деформирования грунта, при этом в качестве критерия условной стабилизации нагрузки на каждой ступени принимают скорость изменения удельных нагрузок на грунт во времени.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что по мере увеличения дополнительных осадок грунта под штампом сверх заданных программой испытаний на каждой ступени деформирования, возникающих в результате релаксации напряжений в грунте под нагрузкой, нагрузку на штамп уменьшают до приближения общей осадки грунта под штампом на каждой ступени к заданной программой испытаний, но не доходя до нее, при этом график зависимости “осадка - нагрузка” строят по конечным значениям осадки штампа и нагрузки на штамп на каждой ступени.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что величину ступеней деформирования грунта, интервалы времени между измерениями падения нагрузки на штамп и осадки штампа, а также величину критерия стабилизации нагрузки на ступенях деформирования для различных видов грунтов при составлении программы испытаний принимают по результатам предварительных параллельных испытаний тех же грунтов стандартным методом и методом задаваемых перемещений по сходимости графиков зависимости “осадка - нагрузка”, принимая график, полученный при стандартном методе испытаний, за эталонный.

4. Устройство для испытания грунтов статической нагрузкой для реализации способа по пп.1-3, включающее погружаемую в грунт путем вращения с помощью бурового станка колонну труб, оснащенную на нижнем конце винтовым анкером, закрепленным на полой обойме, и винтовым штампом, закрепленным на хвостовике, пропущенным в полость обоймы анкера с возможностью ограниченного осевого перемещения штампа и анкера относительно друг друга и относительно колонны труб, а также нагрузочное приспособление в виде силового гидроцилиндра, взаимодействующего со штампом, и одновременно с анкером, и датчиков линейных перемещений для измерения перемещений штампа относительно репера, причем датчики линейных перемещений и гидроцилиндр соединены во время испытаний каналами обратной связи с дневной поверхностью, отличающееся тем, что нагрузочное приспособление выполнено в виде технологической полой штанги, пропускаемой перед началом испытания грунта в полость колонны труб до контакта ее нижнего конца с хвостовиком штампа, и силового гидроцилиндра, установленного между верхним концом технологической штанги и вращателем бурового станка, выставленного предварительно на триггеры, при этом нижний конец штанги оснащен тензометрическим датчиком нагрузки, взаимодействующим с хвостовиком штампа, и датчиком линейных перемещений, взаимодействующим своим выступающим из штанги подвижным штоком с обоймой анкера, используемого в качестве репера, а датчик нагрузки и датчик линейных перемещений соединены каналом обратной связи с дневной поверхностью.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что толщина лопасти анкера превышает толщину лопасти штампа, а между гидроцилиндром и технологической штангой установлен центратор, имеющий вертикальную прорезь для вывода кабеля связи.