Способ определения сопротивления грунта вращательному срезу и устройство для его осуществления

Изобретение относится к инженерно-геологическим изысканиям и может быть использовано для определения сопротивления грунта вращательному срезу. Устройство включает силовой механизм вращения и осевой нагрузки в виде выставленного на триггеры бурового станка, взаимодействующего со шнековой колонной штанг, на нижнем звене которой смонтирована лидирующая крыльчатка, имеющая хвостовик, размещенный в полости нижнего звена колонны штанг, датчик крутящего момента и соединенное с ним регистрирующее приспособление. Хвостовик лидирующей крыльчатки имеет возможность поворота относительно шнековой колонны штанг на угол, ограниченный максимальным углом поворота упругого элемента датчика крутящего момента. Упругий элемент выполнен в виде торсиона, взаимодействующего с хвостовиком посредством шлицевого соединения. В способе погружают крыльчатку в массив грунта путем вращения колонны штанг с приложением осевой нагрузки, используя крыльчатку в качестве породоразрушающего инструмента и образуя скважину. Не доходя до глубины испытания на величину, превышающую высоту крыльчатки, ее погружение прекращают. После этого дозадавливают крыльчатку вместе с колонной штанг без вращения до заданной глубины испытания и осуществляют обратное вращение колонны для среза грунта. Изобретения направлены на повышение надежности испытаний и повышение информативности при испытании грунтов в сложных условиях. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к инженерно-геологическим изысканиям в строительстве и при реконструкции старых зданий и сооружений для определения прочностных характеристик преимущественно слабых и водонасыщенных грунтов ускоренным методом.

Известен способ испытания грунтов на сдвиг в массиве, реализованный устройством [1]. Способ заключается в завинчивании в грунт установленного на нижнем конце штанги винтового штампа, оснащенного на нижней поверхности сдвиговыми пластинами. При этом при вращении винтового штампа с помощью винтового домкрата, домкрат жестко соединяют со штангой и производят сдвиг грунта, крутящий момент которого измеряют сдвигомером, а давление грунта под штампом при статическом испытании измеряют с помощью динамометра, при этом винтовой домкрат устанавливают на штангу свободно и упирают в анкерную систему.

Недостатком известного решения является нарушение грунта под штампом первой сдвиговой пластиной при вращении штампа и низкой за счет этого точности получаемой информации.

Известен способ испытания грунта статической нагрузкой [2]. Он заключается в том, что с помощью бурового станка, обеспечивающего передачу минимально необходимой вертикальной нагрузки и вращения, внедряют в грунт пустотелую шнековую колонну труб, оснащенную на нижнем конце подвижным в осевом направлении винтовым штампом и лидирующим буровым долотом с образованием ствола скважины меньшего диаметра, чем диаметр винтового штампа. При достижении заданной глубины испытания буровой станок отключают от шнековой колонны труб и через вспомогательную внутреннюю штангу прикладывают на штамп опытную нагрузку, а затем после окончания испытаний на одной глубине к шнековой колонне снова подключают буровой станок и погружают винтовой штамп на следующую заданную глубину для испытания грунта статической нагрузкой.

Недостатком известного способа является то, что он не предусматривает получение прочностных характеристик грунтов.

Известен способ испытания грунта на сдвиг, реализуемый устройством [3]. Способ заключается в погружении завинчиванием в грунт совмещенной колонны наружных и внутренних штанг, установленных с возможностью относительного вращения, наружная из которых снабжена винтовой лопастью на нижнем конце, а внутренняя - лидирующей крыльчаткой. При достижении заданной глубины испытания посредством силового механизма на крыльчатку с помощью тарированной пружины передают через внутреннюю штангу крутящий момент, который сдвигает грунт с одновременной фиксацией сдвигающего момента с помощью самописца, размещенного на верхнем конце внутренней штанги.

Недостатком известного решения является низкая информативность из-за неучета трения наружных и внутренних штанг, а также ограниченная глубина проведения испытаний в массиве.

Ближайшим аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения в части способа по существу решаемой задачи является способ определения механических характеристик грунтов [4]. Способ включает погружение крыльчатки, смонтированной на полой колонне штанг и являющейся лидирующей, в массив ненарушенного грунта с помощью силового механизма, прекращения погружения крыльчатки при достижении заданной глубины, осуществление вращательного среза с одновременной фиксацией сдвигающего момента среза с использованием датчиков крутящего момента и регистрирующего приспособления и продолжение погружения крыльчатки до следующей заданной глубины.

Недостатком известного способа является ограниченная глубина проведения испытаний в массиве без предварительного разбуривания скважины.

Технической задачей изобретения является повышение информативности при испытании грунтов в сложных инженерно-геологических условиях, повышение надежности и увеличение глубины испытаний.

Решение поставленной технической задачи в части способа достигается тем, что в способе определения сопротивления грунта вращательному срезу, включающем погружение крыльчатки, смонтированной на колонне штанг и являющейся лидирующей, в массив грунта с помощью силового механизма, прекращение погружения крыльчатки при достижении ею заданной глубины, осуществление вращательного среза грунта и продолжение погружения крыльчатки до следующей заданной глубины, согласно изобретению, в качестве силового механизма используют выставленный на триггеры буровой станок, крыльчатку в массив грунта погружают путем вращения с приложением осевой нагрузки колонны штанг, выполненной в виде шнековой колонны штанг, с расположенными в полости ее нижнего звена датчиком крутящего момента, регистрирующим приспособлением и хвостовиком крыльчатки, который устанавливают с возможностью углового поворота относительно колонны штанг, величину которого ограничивают максимальным углом поворота упругого элемента датчика крутящего момента, взаимодействующего с хвостовиком крыльчатки, при погружении крыльчатки с вращением одновременно образуют скважину, причем крыльчатку используют в качестве породоразрушающего инструмента, погружение крыльчатки прекращают, не доходя до глубины испытания на величину, превышающую высоту крыльчатки, после чего дозадавливают крыльчатку вместе с колонной штанг без вращения до заданной глубины испытания и осуществляют обратное вращение колонны для среза грунта. Результаты проведенных испытаний считывают после извлечения из грунта колонны штанг путем подключения к регистрирующему приспособлению.

Известно устройство для испытания грунта статической нагрузкой, реализуемое способом [2]. Устройство включает полую шнековую колонну труб, оснащенную на нижнем конце лидирующим буровым долотом и винтовым штампом с хвостовиком, пропущенным во внутрь шнековой колонны и установленным с возможностью осевого перемещения без углового поворота относительно шнековой колонны, буровой станок для передачи необходимой вертикальной нагрузки, а также для образования с помощью шнековой колонны труб ствола скважины меньшего диаметра, чем диаметр винтового штампа, вспомогательную внутреннюю штангу для приложения опытной нагрузки на штамп, нагрузочное, анкерное, реперное и измерительные приспособления.

Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет определять прочностных характеристик грунта.

Известна установка для определения сопротивления грунта сдвигу [3]. Установка включает головку с самописцем, набор внутренних и внешних полых штанг, крыльчатку, закрепленную на конце нижнего звена внутренних штанг и винтовую лопасть, закрепленную на конце нижнего звена наружных штанг, при этом крутящий момент на крыльчатку передается через тарированную пружину, а величина деформации этой пружины при сдвиге грунта фиксируется самописцем.

Недостаток известного устройства заключается в том, что он не учитывает поправку на трение при вращении внутренней штанги относительно внешней, что при их значительной длине вносит неучтенную ошибку при измерении момента сдвига и ограниченная глубина испытаний без предварительного разбуривания скважины.

Прототипом изобретения в части устройства по сути решаемой задачи и общему количеству существенных признаков является устройство, реализующее способ определения сопротивления грунта вращательному срезу [4]. Устройство включает силовой механизм вращения и осевой нагрузки, лидирующую крыльчатку, смонтированную на полой колонне труб, взаимодействующей с силовым механизмом, датчик крутящего момента и регистрирующее приспособление.

Недостатком прототипа является ограниченная глубина проведения испытаний без поэтапного разбуривания скважины.

Решаемой задачей изобретения в части устройства является та же задача, что и в части способа.

Устранение указанных недостатков прототипа решается тем, что в устройстве для определения сопротивления грунта вращательному срезу, включающем силовой механизм вращения и осевой нагрузки, лидирующую крыльчатку, смонтированную на нижнем звене колонны штанг, и датчик крутящего момента, согласно изобретению, колонна штанг выполнена в виде шнековой колонны штанг, устройство снабжено регистрирующим приспособлением, соединенным с датчиком крутящего момента, и хвостовиком лидирующей крыльчатки, размещенным в полости нижнего звена шнековой колонны штанг с возможностью ограниченного угла поворота относительно шнековой колонны штанг, равного величине максимального угла поворота упругого элемента датчика крутящего момента, при этом упругий элемент выполнен в виде торсиона, взаимодействующего с хвостовиком лидирующей крыльчатки с помощью шлицевого соединения, указанным силовым механизмом является выставленный на триггеры буровой станок, взаимодействующий со шнековой колонной штанг, причем лидирующая крыльчатка служит одновременно в качестве породоразрушающего инструмента при ее вращении вместе со шнековой колонной штанг при ее погружении. Хвостовик крыльчатки пропущен через разжимную цангу конической формы, закрепленную на нижнем конце нижнего звена шнековой колонны штанг, снабженной в ее полости сальниковым уплотнителем, а угол поворота хвостовика крыльчатки относительно нижнего звена шнековой колонны штанг ограничен посредством шлицевого соединения, ширина пазов которого, образованных на нижнем звене, превышает толщину выступов, образованных на хвостовике, при этом крыльчатка соединена с хвостовиком посредством цилиндрического соединения и срезаемого при заклинивании крыльчатки пальца, а хвостовик установлен в подшипниках.

Предложенное наличие операций и порядок их выполнения в способе, а также наличие элементов и их взаимодействие в устройстве позволяют погружать крыльчатку в грунт на значительную заданную глубину в защищенном от попадания грунта в подвижные элементы виде, дозадавливать до глубины испытаний и производить вращательный срез с высокой производительностью. При этом обеспечивается получение достоверной информации с исключением влияния на результаты испытания промежуточных элементов устройства, т.е. непосредственно на глубине испытания без необходимости регулярного протягивания кабеля связи через звенья колонны штанг, что в совокупности позволяет решить поставленную техническую задачу.

На фиг.1 схематично изображено устройство в разрезе.

На фиг.2 показано сечение А-А на фиг 1.

Устройство включает буровой станок, выставленный на триггеры (на фиг.1 не показано), передающий вращение и осевую нагрузку на шнековую колонну 1, состоящую из соединяемых между собой штанг 2, в полости нижнего звена 3 колонны 1 размещен хвостовик 4 в подшипниках 5 и 6, между которыми установлена распорная трубка 7. Хвостовик 4 имеет на верхнем конце резьбу и закреплен в подшипниках гайкой 8, а на нижнем конце хвостовика закреплена крыльчатка 9, являющаяся одновременно породоразрушающим инструментом. Крыльчатка установлена на хвостовике с помощью цилиндрического соединения 10 и срезаемого при заклинивании крыльчатки пальца 11. Хвостовик 4 соединен с нижним звеном 3 колонны 1 с помощью шлицевого соединения с возможностью ограниченного угла поворота относительно нижнего звена 3 за счет более широких пазов 12 в звене 3, чем выступы 13 на хвостовике 4. Хвостовик 3 в нижней части защищен от попадания грунта в подвижные элементы конической разжимной цангой 14, соединенной с нижним звеном 3 на резьбе 15 и штифтах (не показано), с размещенной в полости цанги защитной шайбой 16 и сальниковым уплотнителем 17. В полости звена 3 смонтировано регистрирующее приспособление 18 и датчик крутящего момента 19, взаимодействующий посредством упругого элемента в виде торсиона 20 с хвостовиком 4 с помощью шлицевого соединения. Регистрирующее приспособление имеет герметичный штекер (не показано) для считывания информации при извлечении устройства из грунта.

На фиг.2, сечение А-А, показан хвостовик 4 с выступающими шлицами 13, пропущенный сквозь нижнее звено 3, в котором образованы пазы 12, ширина которых превышает ширину выступов шлицов 13.

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом: с помощью бурового станка, выставленного на триггеры правым вращением с периодическими возвратно поступательными движениями для выноса грунта, погружают шнековую колонну труб с лидирующей крыльчаткой, являющейся при вращении породоразрушающим инструментом. Не доходя до глубины испытания на величину, превышающую высоту крыльчатки, вращение прекращают и осевым усилием задавливают крыльчатку вместе с шнековой колонной до глубины испытания. Затем левым вращением производят вращательный срез. При этом хвостовик своими выступами-шлицами по мере возрастания сопротивления грунта и скручивания торсиона, являющимся упругим элементом датчика крутящего момента, выбирает люфт в пазах, образованных в нижнем звене шнековой колонны. Величина люфта в пазах рассчитана на максимальную прочность испытываемого грунта скручивающего торсион с некоторым запасом. По окончании испытаний правым вращением шнековой колонны погружают крыльчатку на следующую глубину испытания. Информацию с регистрирующего устройства считывают после извлечения колонны труб с крыльчаткой из грунта. Для этого достаточно ввести штекер автономного прибора в герметичное гнездо регистратора.

Преимуществами предлагаемого способа и устройства является надежность получаемой информации, так как измерения производятся без помех непосредственно на глубине испытаний, без неучтенного влияния промежуточных элементов, а также возможность проводить испытания на значительной глубине без извлечения устройства из грунта и дополнительного разбуривания.

Предлагаемые способ и устройство имеют существенное отличие от известных решений, решают поставленную задачу, отвечают критерию промышленной применимости и найдут широкое применение в инженерных изысканиях, следовательно, по мнению заявителя, могут быть защищены Патентом РФ.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1019054, М. кл. Е 02 Д 1/00, от 1983 г.

2. Авторское свидетельство СССР №1214839, М. кл. Е 02 Д 1/00, от 1992 г.

3. Авторское свидетельство СССР №276472, М. кл. G 01 l 1/00, от 1970 г.

4. Авторское свидетельство СССР №1726643, М. кл. Е 02 Д 1/00, от 1992 г. (прототип по способу и по устройству).

1. Способ определения сопротивления грунта вращательному срезу, включающий погружение крыльчатки, смонтированной на колонне штанг и являющейся лидирующей, в массив грунта с помощью силового механизма, прекращение погружения крыльчатки при достижении ею заданной глубины, осуществление вращательного среза грунта и продолжение погружения крыльчатки до следующей заданной глубины, отличающийся тем, что в качестве силового механизма используют выставленный на триггеры буровой станок, крыльчатку в массив грунта погружают путем вращения с приложением осевой нагрузки колонны штанг, выполненной в виде шнековой колонны штанг, с расположенными в полости ее нижнего звена датчиком крутящего момента, регистрирующим приспособлением и хвостовиком крыльчатки, который устанавливают с возможностью углового поворота относительно колонны штанг, величину которого ограничивают максимальным углом поворота упругого элемента датчика крутящего момента, взаимодействующего с хвостовиком крыльчатки, при погружении крыльчатки с вращением одновременно образуют скважину, причем крыльчатку используют в качестве породоразрушающего инструмента, погружение крыльчатки прекращают, не доходя до глубины испытания на величину, превышающую высоту крыльчатки, после чего дозадавливают крыльчатку вместе с колонной штанг без вращения до заданной глубины испытания и осуществляют обратное вращение колонны для среза грунта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что результаты проведенных испытаний считывают после извлечения из грунта колонны штанг путем подключения к регистрирующему приспособлению.

3. Устройство для определения сопротивления грунта вращательному срезу, включающее силовой механизм вращения и осевой нагрузки, лидирующую крыльчатку, смонтированную на нижнем звене колонны штанг, и датчик крутящего момента, отличающееся тем, что колонна штанг выполнена в виде шнековой колонны штанг, устройство снабжено регистрирующим приспособлением, соединенным с датчиком крутящего момента, и хвостовиком лидирующей крыльчатки, размещенным в полости нижнего звена шнековой колонны штанг с возможностью ограниченного угла поворота относительно шнековой колонны штанг, равного величине максимального угла поворота упругого элемента датчика крутящего момента, при этом упругий элемент выполнен в виде торсиона, взаимодействующего с хвостовиком лидирующей крыльчатки с помощью шлицевого соединения, указанным силовым механизмом является выставленный на триггеры буровой станок, взаимодействующий со шнековой колонной штанг, причем лидирующая крыльчатка служит одновременно в качестве породоразрушающего инструмента при ее вращении вместе со шнековой колонной штанг при ее погружении.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что хвостовик крыльчатки пропущен через разжимную цангу конической формы, закрепленную на нижнем конце нижнего звена шнековой колонны штанг, снабженной в ее полости сальниковым уплотнителем, а угол поворота хвостовика крыльчатки относительно нижнего звена шнековой колонны штанг ограничен посредством шлицевого соединения, ширина пазов которого, образованных на нижнем звене, превышает толщину выступов, образованных на хвостовике, при этом крыльчатка соединена с хвостовиком посредством цилиндрического соединения и срезаемого при заклинивании крыльчатки пальца, а хвостовик установлен в подшипниках.