Способ полевого определения деформационных характеристик грунтов

Изобретение относится к инженерным изысканиям в строительстве и при реконструкции старых зданий и сооружений для ускоренного определения деформационных и прочностных характеристик нескальных грунтов в скважине. Техническим результатом является существенное сокращение сроков испытания нескальных грунтов в полевых условиях, при определении прочностных и деформационных характеристик. Для этого способ включает погружение в буровую скважину на заданную глубину испытаний штампа, закрепленного на нижнем конце колонны труб, и проведение испытаний грунта нагрузкой заданными ступенями с помощью штампа, измерение изменения удельной нагрузки на грунт с помощью динамометра, установленного перед началом испытаний, как и гидродомкрат между верхним концом колоны труб и жестким анкерным приспособлением на дневной поверхности, измерение осадки грунта под этой нагрузкой с интервалами времени заданными программой испытаний. При этом осадку грунта измеряют с помощью датчика линейных перемещений установленного на реперном приспособлении на дневной поверхности и взаимодействующего с колонной труб, переход на следующую заданную ступень при наступлении условной стабилизации и обработку результатов по стандартной методике. Причем штамп выполняют однолопастным винтовым и погружают на заданную глубину испытания путем завинчивания в забой буровой скважины. При этом гидродомкрат дополнительно оснащают ограничителем хода штока, причем нагрузку осуществляют до достижения заданной величины деформации путем фиксации положения корпуса гидродомкрата относительно анкерного приспособления, с последующей релаксацией напряжений грунта на каждой ступени испытания, а по мере увеличения дополнительных осадок грунта под штампом их уменьшают на каждой ступени, приближая их величину к заданной ступени деформирования, но не доходя до нее. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к инженерно-строительным изысканиям для определения деформационных и прочностных характеристик нескальных грунтов.

Известен способ определения характеристик вторичной консолидации слабых водонасыщенных глинистых грунтов в релаксационном приборе /1/. Способ заключается в том, что образец грунта помещают в компрессионный прибор, оснащенный на нижнем штампе датчиком перового давления, и посредством механического пресса через динамометр и верхний штамп принудительно сжимают образец грунта на ступень равную 2% от первоначальной высоты образца, после чего через заданные интервалы времени измеряют падение порового давления и общих усилий на образец, а также его дополнительных осадок под нагрузкой, затем по достижении условной стабилизации напряжений в образце, образец грунта снова деформируют на 2% и снова измеряют падение порового давления, падение общего усилия на образец и его дополнительную деформацию, причем по окончании испытаний по конечным результатам на каждой ступени строят графики зависимости в координатах «общее напряжение» - «поровое давление» по оси ординат и «время» в логорифмическом масштабе по оси абсцисс и по этому графику определяют остаточную деформацию грунтапосле полного падения в образце перового давления (т.е. вторичную консолидацию, которой обладают некоторые разновидности илистых и заторфованных грунтов).

Недостатком известного способа является то, что он не предусматривает ускоренного определения деформационных характеристик любых нескальных грунтов, тем более в полевых условиях.

Известен способ испытания грунтов винтовым штампом, реализуемый устройством /2/. Известный способ заключается в том, что в массив грунта с помощью бурового станка погружают на заданную глубину испытания путем завинчивания многовитковый винтовой штамп, имеющий увеличивающийся диаметр снизу вверх, закрепленный на нижнем конце колонны труб, причем деформирование грунта под штампом осуществляют одновременно с погружением винтового штампа за счет использования винтовой лопасти штампа переменной толщины, равномерно возрастающей снизу вверх этой лопасти, а по окончании погружения штампа на глубину испытания измеряют стабилизированное во времени давление грунта под штампом с помощью вмонтированных в лопасть винтового штампа заподлицо с ее нижней и верхней поверхностями датчиков давления, соединенных кабелем связи с дневной поверхностью, после чего по известным значениям деформации грунта под каждым из датчиков давления и измеренным значениям давления грунта под каждым из датчиков определяют по известной методике вертикальный модуль деформации. Одним из недостатков известного решения является размещение части датчиков давления на верхней поверхности лопасти штампа, т.к. грунт между витками защемлен и показания этих датчиков не могут считаться достоверными. Основным недостатком способа является то, что на нижнюю поверхность штампа можно разместить ограниченное количество датчиков (месдоз), величина ступеней деформирования грунта под которыми является фиксированной, что не позволяет варьировать программу испытания с возможностью задания различной величины ступеней деформирования при испытании любых грунтов.

Ближайшим из известных технических решений к изобретению по технической сути и общему количеству существенных признаков является способ штамповых испытаний грунтов /3/. Способ заключается в погружении в буровую скважину на заданную глубину испытаний штампа, закрепленного на нижнем конце колонны труб и проведении испытаний грунта нагрузкой заданными ступенями с помощью штампа, измерении изменения удельной нагрузки на грунт с помощью динамометра установленного перед началом испытаний, как и гидродомкрат между верхним концом колоны труб и жестким анкерным приспособлением на дневной поверхности, измерении осадки грунта под этой нагрузкой с интервалами времени, заданными программой испытаний, при этом осадку грунта измеряют с помощью датчика линейных перемещений, установленного на реперном приспособлении на дневной поверхности и взаимодействующего с колонной труб, переход на следующую заданную ступень при наступлении условной стабилизации и обработку результатов по стандартной методике.

Недостаток известного решения заключается высокая продолжительность испытаний в связи с низкой жесткостью системы нагружения.

Технической задачей изобретения является существенное сокращение сроков испытания любых нескальных грунтов в полевых условиях винтовым штампом, при определении прочностных и деформационных характеристик.

Поставленная техническая задача в изобретении решена тем, что способ полевого определения деформационных характеристик грунтов, включает погружение в буровую скважину на заданную глубину испытаний штампа, закрепленного на нижнем конце колонны труб и проведение испытаний грунта нагрузкой заданными ступенями с помощью штампа, измерение изменения удельной нагрузки на грунт с помощью динамометра, установленного перед началом испытаний, как и гидродомкрат между верхним концом колоны труб и жестким анкерным приспособлением на дневной поверхности, измерение осадки грунта под этой нагрузкой с интервалами времени заданными программой испытаний, при этом осадку грунта измеряют с помощью датчика линейных перемещений, установленного на реперном приспособлении на дневной поверхности и взаимодействующего с колонной труб, переход на следующую заданную ступень при наступлении условной стабилизации и обработку результатов по стандартной методике. Причем штамп выполняют однолопастным винтовым и погружают на заданную глубину испытания путем завинчивания в забой буровой скважины. При этом гидродомкрат дополнительно оснащают ограничителем хода штока, причем нагрузку осуществляют до достижения заданной величины деформации путем фиксации положения корпуса гидродомкрата относительно анкерного приспособления, с последующей релаксацией напряжений грунта на каждой ступени, испытания, а по мере увеличения дополнительных осадок грунта под штампом их уменьшают на каждой ступени, приближая их величину к заданной ступени деформирования, но не доходя до нее. Дополнительные осадки грунта под штампом уменьшают на каждой ступени, приближая их величину к заданной ступени деформирования путем уменьшения давления в гидродомкрате. При достижении глубины погружения, равной 1,5-2,0 диаметра винтового штампа до отметки испытаний при его завинчивании, обеспечивают синхронизацию глубины погружения штампа за каждый его оборот с шагом винтовой лопасти штампа путем использования механизма «винтовая пара», винт которой на время допогружения штампа соединяют верхним концом с механизмом его завинчивания, а нижним - с верхним концом колонны труб, при этом гайку пары неподвижно соединяют с жестким анкерным приспособлением, а шаг «винтовой пары» принимают равным шагу винтового штампа.

Преимущество предлагаемого изобретения перед прототипом заключается в следующем:

- оно позволяет реализовать в полной мере метод релаксации напряжений при испытании любых грунтов винтовым штампом за счет обеспечения контроля и регулирования в процессе испытаний заданной величина ступеней деформирования грунта под штампом, что обеспечивает существенное сокращение времени проведения этих испытаний в полевых условиях;

- способ обеспечивает погружение винтового штампа в грунт на отметку испытаний с минимальным его нарушением и без образования щели под лопастью штампа, что гарантирует получение достоверной информации при испытании грунта.

На чертежах изображена одна из возможных схем устройства для реализации предлагаемого способа. На фиг.1 изображено устройство при допогружении винтового штампа с использованием синхронизирующего механизма «винтовая пара»; на фиг.2 показана верхняя часть устройства в момент завершения деформирования грунта на очередную ступень; на фиг.3 изображен пример построения графика зависимости «осадка-нагрузка» при испытании грунта методом релаксации напряжений.

На фиг.1 изображен однолопастной винтовой штамп 1 в процессе его допогружения, закрепленный на нижнем конце колонны труб 2 в забой скважины 3. Верхний конец колонны труб 2 соединен через переходник - центратор 4 с нижним концом винта 5 винтовой пары, верхний конец которого соединен с валом вращателя бурового станка, показано стрелкой М. Гайка 6 винтовой пары неподвижно соединена с нижним силовым поясом 7 жесткой шатровой фермы 8, соединенной с винтовыми анкерными сваями 9 и 10. Верхний конец винта 5 свободно пропущен через верхний пояс фермы 8 и соединен с вращателем бурового станка (не показано).

На фиг.2 показан верхний конец колонны труб 2 с центратором 4, на который установлены жесткий динамометр 11 и силовой гидроцилиндр 12, соединенный шлангом 13 с насосной станцией (не показано). Шток 14 гидроцилиндра упирается через верхний центратор 15 в верхний пояс фермы 8. Упор 16 после достижения очередной ступени деформирования опущен по резьбе 17 в нижнее положение до упора в нижнюю балку 7. Датчик линейных перемещений 18 установлен на репере 19 и упирается своим штоком в кронштейн 20, соединенный с центратором 4.

На фиг.3 изображен образец графика оформления результатов испытаний грунтов винтовым штампом методом релаксации напряжений (сплошной линией).

Пунктирной линией приведен (в качестве примера) график, полученный при параллельных испытаниях стандартным методом.

На выноске 1 линией параллельной оси абсцисс показана точка а*, к которой рекомендуется приближаться при сбрасывании (уменьшении) дополнительных осадок грунта на каждой ступени испытания сверх заданной программой.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом:

С помощью бурового станка проходят ствол скважины диаметром, превышающим диаметр винтового штампа на глубину, меньшую на 30-50 см отметки испытаний грунта. При необходимости скважину обсаживают. Затем винтовой штамп 1 с колонной труб 2 опускают на забой скважины, завинчивают анкерные сваи 9 и 10, соединяют их с нижним поясом 7 фермы и крепят к нему верхний пояс, что в совокупности и составляет ферму 8. После этого к верхнему концу колонны труб 2 крепят переходник - центратор 4, соединяют его с нижним концом винта 5 винтовой пары и неподвижно крепят гайку 6 пары к нижнему поясу 7 фермы, а верхний конец винта 5 соединяют с вращателем бурового станка. С помощью вращателя допогружают штамп 1 до отметки испытаний, а затем отсоединяют винт 5 и гайку 6 и на центратор 4 устанавливают жесткий динамометр 11 и гидроцилиндр 12 с упором его штока 14 в верхний пояс фермы 8 через верхний центратор 15. После этого подключают гидроцилиндр 12 к насосной станции (не показано) через напорный шланг 13, а на репер 19 устанавливают датчик линейных перемещений 18 и упирают его шток в кронштейн 20, закрепленный на центраторе 4. После этого повышают давление в гидроцилиндре до достижения первой заданной программой испытаний ступени деформирования грунта под штампом. Если согласно программе испытаний дополнительную осадку грунта сбрасывают, то упор 16 по резьбе 17 свинчивают в нижнее положение до упора в нижнюю балку 7. После достижения очередной ступени стабилизации нагрузки переходят на следующую ступень деформирования грунта и проводят испытания согласно программе. Все измерения и их фиксацию проводят либо вручную, либо в автоматическом режиме, для чего используют специальное оборудование. Предлагаемое изобретение обладает новизной, предусматривает высокий технический уровень и получение надежной информации за счет наличия отличительных признаков в совокупности с известными и решает поставленную задачу - существенное сокращение сроков испытания любых нескальных грунтов в полевых условиях, а также имеет промышленную применимость, а следовательно, по мнению авторов может быть защищено Патентом РФ.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Абелев М.Ю. Строительство промышленных и гражданских сооружений на слабых водонасыщенных грунтах. М., Стройиздат, 1983 г., с.30-33.

2. Авторское свидетельство СССР № 1680869 М. кл. Е 02 D 1/00, Б.И. №36, 1991 г.

3. Авторское свидетельство СССР, №1742414, М. кл. Е 02 D 1/00, Б.И. №23, 1992 г. (Прототип).

1. Способ полевого определения деформационных характеристик грунтов, включающий погружение в буровую скважину на заданную глубину испытаний штампа, закрепленного на нижнем конце колонны труб, и проведение испытаний грунта нагрузкой заданными ступенями с помощью штампа, измерение изменения удельной нагрузки на грунт с помощью динамометра, установленного перед началом испытаний, как и гидродомкрат между верхним концом колоны труб и жестким анкерным приспособлением на дневной поверхности, измерение осадки грунта под этой нагрузкой с интервалами времени, заданными программой испытаний, при этом осадку грунта измеряют с помощью датчика линейных перемещений, установленного на реперном приспособлении на дневной поверхности и взаимодействующего с колонной труб, переход на следующую заданную ступень при наступлении условной стабилизации и обработку результатов по стандартной методике, отличающийся тем, что штамп выполняют однолопастным винтовым и погружают на заданную глубину испытания путем завинчивания в забой буровой скважины, при этом гидродомкрат дополнительно оснащают ограничителем хода штока, причем нагрузку осуществляют до достижения заданной величины деформации путем фиксации положения корпуса гидродомкрата относительно анкерного приспособления с последующей релаксацией напряжений грунта на каждой ступени испытания, а по мере увеличения дополнительных осадок грунта под штампом их уменьшают на каждой ступени, приближая их величину к заданной ступени деформирования, но не доходя до нее.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительные осадки грунта под штампом уменьшают на каждой ступени, приближая их величину к заданной ступени деформирования путем уменьшения давления в гидродомкрате.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при достижении глубины погружения, равной 1,5-2,0 диаметра винтового штампа до отметки испытаний при его завинчивании, обеспечивают синхронизацию глубины погружения штампа за каждый его оборот с шагом винтовой лопасти штампа путем использования механизма «винтовая пара», винт которой на время допогружения штампа соединяют верхним концом с механизмом его завинчивания, а нижним с верхним концом колонны труб, при этом гайку пары неподвижно соединяют с жестким анкерным приспособлением, а шаг «винтовой пары» принимают равным шагу винтового штампа.