Устройство для комплексного зондирования грунтов

Изобретение относится к области строительства, а именно к устройствам для определения физико-механических свойств нескальных грунтов при проведении инженерно-геологических изысканий. Устройство для комплексного зондирования грунтов содержит корпус с конусным наконечником и продольными лопастями, датчик порового давления, установленный в герметичной полости корпуса, и преобразователь осевого усилия и крутящего момента, выполненный в виде двух струнных преобразователей, струны которых связаны с встроенным в корпус упругим элементом, а их электромагнитные головки посредством кабеля соединены с регистратором преобразователя. Струны преобразователей расположены в пересекающихся плоскостях, наклонных к продольной оси устройства под углами α и - α, а точки их закрепления в верхнем и нижнем горизонтальных сечениях упругого элемента симметричны относительно центров сечений упругого элемента. Технический результат состоит в повышении точности измерения крутящего момента. 2 ил.

 

Изобретение относится к области строительства, а именно к устройствам для определения физико-механических свойств нескальных грунтов при проведении инженерно-геологических изысканий.

Известно устройство для комплексного зондирования водонасыщенных грунтов, содержащее корпус с герметичной полостью, размещенные на нем конусный наконечник и продольные лопасти, датчик порового давления, установленный в герметичной полости, и приемные фильтры. При этом приемные фильтры расположены на лопастях и удалены от корпуса на расстояние не менее половины его диаметра и посредством каналов сообщены с герметической полостью, а герметичная полость, каналы и приемные фильтры заполнены вязкой несжимаемой жидкостью (SU 1649035 А1, МПК⁷ Е02D 1/00, 14.12.89).

Указанное устройство содержит струнный преобразователь для измерения порового давления в водонасыщенном грунте, показания которого регистрируют периодомером, который находится на дневной поверхности. Преобразователь связан с периодомером кабелем связи, расположенным в полостях буровых штанг. Крутящий момент при вращательном срезе грунта лопастной крыльчаткой и осевое усилие задавливания конусного наконечника задают нагрузочным приспособлением и измеряют механическими приборами, расположенными на дневной поверхности. Устройство позволяет с помощью одного зондирования (на одной скважине и каждом измерительном горизонте) измерять значения осевого усилия задавливания конусного наконечника, порового давления и крутящего момента и по известным методикам на основании данных этих измерений определять сопротивление пенетрации, сопротивление сдвигу, структурную прочность, модуль деформации и степень уплотнения.

Недостаток данного устройства - невысокая точность измерений осевого усилия задавливания и крутящего момента, поскольку в результатах измерений содержится существенная погрешность, обусловленная наличием сил трения грунта на буровой став. Эта погрешность носит неопределенный характер, зависящий от случайных факторов, например от перекоса штанг, вызывающих их изгиб. Кроме того, при измерении крутящего момента погрешность вносит вес бурового става.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство для комплексного зондирования грунтов, содержащее корпус с конусным наконечником и продольными лопастями, датчик порового давления, установленный в герметичной полости корпуса, и преобразователь осевого усилия и крутящего момента, выполненный в виде двух струн, связанных с встроенным в корпус упругим элементом и расположенных в плоскости, наклонной к продольной оси устройства, параллельно друг другу и симметрично относительно проекции этой оси на указанную плоскость, при этом струны посредством кабеля соединены с регистратором преобразователя (RU 2025559 С1, МПК⁷ Е02D 1/00, 20.07.93).

Данное устройство позволяет перенести место измерения осевого усилия и крутящего момента с дневной поверхности непосредственно на измерительный горизонт, что частично устраняет указанные недостатки его предшественника. Устройство путем задавливания погружают в массив грунта на заданный измерительный горизонт. На этом горизонте с помощью двух струнных преобразователей измеряют усилие задавливания и усредняют их показания, что, с одной стороны, позволяет исключить погрешность, обусловленную сопутствующим изгибом зонда (поскольку струны преобразователей расположены диаметрально противоположно и соответственно фиксируют деформации разных знаков). С другой стороны, усреднение снижает погрешность результата измерения (по сравнению с измерением одним преобразователем) в 1,4 раза. Далее на дневной поверхности к буровому ставу прикладывают крутящий момент для осуществления вращательного среза грунта лопастной крыльчаткой. Струнные преобразователи при этом измеряют только ту часть приложенного к буровому ставу крутящего момента, которая непосредственно связана с сопротивлением вращению лопастей в грунте. Расположение струнных преобразователей на упругом (трубчатом) элементе устройства приводит к тому, что при измерении крутящего момента они фиксируют деформации разных знаков. Соответственно усреднение их показаний предполагается по модулю. В заключение измеряют поровое давление в грунте.

Данное устройство, выбранное в качестве прототипа, имеет существенный недостаток: невысокую точность измерений крутящего момента, связанную с наличием сопутствующих изгибных деформаций в процессе измерения крутящего момента, заключающийся в принципиально неправильном расположении струн преобразователей на упругом элементе устройства. Величины изгибных деформаций струн соизмеримы (а в некоторых случаях даже превышают) их деформации от измеряемого крутящего момента, а величина и направление момента, изгибающего зонд, к тому же изменяются в процессе осуществления вращательного среза. Это объясняется тем, что упругий измерительный элемент - часть корпуса, выполненная в виде тонкостенной трубы, фактически является участком с наименьшей изгибной жесткостью по высоте зонда. Учитывая, что практически диаметрально расположенные на упругом элементе струны преобразователя как при изгибе, так и при кручении упругого элемента зонда фиксируют деформации разных знаков, определить величину крутящего момента при неизвестном изгибающем моменте в общем случае можно только с существенной погрешностью.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является повышение точности измерения крутящего момента с помощью устройства для комплексного зондирования грунтов.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для комплексного зондирования грунтов, содержащим корпус с конусным наконечником и продольными лопастями, датчик порового давления, установленный в герметичной полости корпуса, и преобразователь осевого усилия и крутящего момента, выполненный в виде двух струнных преобразователей, струны которых связаны с встроенным в корпус упругим элементом, а их электромагнитные головки посредством кабеля соединены с регистратором преобразователя, струны преобразователей расположены в пересекающихся плоскостях, наклонных к продольной оси устройства под углами α и - α(0°<α<90°), а точки их закрепления в верхнем и нижнем горизонтальных сечениях упругого элемента симметричны относительно центров сечений упругого элемента.

Заявленное изобретение представлено на фиг.1, 2, где фиг.1 - общий вид устройства в продольном разрезе, фиг.2 - схема упругого измерительного элемента в изометрической проекции в виде отрезка (патрубка) тонкостенной цилиндрической трубы длиной h и внешним R₁ и внутренним R₂ радиусами с встроенными в нем струнами.

Устройство состоит из корпуса с конусным наконечником 1, продольными лопастями 2 и внутренней полостью корпуса для установки в ее нижней части преобразователя порового давления 3, а в верхней части, где корпус выполнен в виде упругого элемента 4, - двухфункционального преобразователя осевого усилия и крутящего момента, состоящего из двух струнных преобразователей, которые, в свою очередь, включают струны 5 и 6 и электромагнитные головки 7 и 8. Струны 5 и 6 жестко связаны с упругим элементом 4 и расположены в двух пересекающихся плоскостях, наклонных к продольной оси устройства под углами α и - α(0°<α<90°), а точки их закрепления в верхнем и нижнем горизонтальных сечениях упругого элемента - симметрично относительно центров этих сечений. Электромагнитные головки преобразователя порового давления 3 (отдельной позицией не показан) и преобразователя осевого усилия и крутящего момента 7 и 8 подключены с помощью кабелей связи 9 с регистратором, находящимся на дневной поверхности (не показан). Приемные фильтры поровой воды 10 выполнены в виде заполненных пористым камнем прямоугольных выточек в лопастях 2, которые каналами 11 гидравлически связаны с чувствительным элементом (мембраной) преобразователя порового давления 3. Приемные фильтры 10 и каналы 11 заполнены вязкой несжимаемой жидкостью, например техническим вазелином. Устройство, соединенное с буровым ставом, кинематически связано с нагрузочным приспособлением, расположенным на дневной поверхности и служащим для задания осевого усилия и крутящего момента (буровой став и нагрузочное приспособление на фиг.1 не показаны).

Фиг.2 наглядно демонстрирует предложенное расположение струн на упругом элементе и достижение технического результата благодаря такому расположению.

Для простоты условно считаем нижний торец упругого элемента защемленным. К верхнему торцу приложена нагрузка: либо продольная сила Р_z либо крутящий момент M_z, действующий против часовой стрелки. Точки закрепления струны 5 А и С и струны 6 В и D расположены соответственно в нижнем и верхнем горизонтальных сечениях на окружностях радиуса r. Справа от вертикальной оси Z в сечении плоскости abcd, наклонной к оси Z под углом а, расположена струна 5 (АС), а слева от оси Z в сечении плоскости efgk, наклонной к оси Z под углом - α, расположена струна 6 (BD). Под действием осевой силы P_z упругий элемент сжимается на величину Δh, точки А и В своего начального положения не меняют, струны 5 (АС) и 6 (BD) сжимаются, переходя в положения АС′′ и BD′′. Под действием крутящего момента М_z поперечное сечение свободного торца упругого элемента скручивается относительно защемленного торца на угол β, точки А и В своего начального положения не меняют, струны 5 (АС) и 6 (BD) сжимаются, переходя в положения АС′ и BD′.

Устройство для комплексного зондирования грунтов работает следующим образом. Устройство путем задавливания нагрузочным приспособлением погружают в заданную точку грунтового массива. В процессе задавливания двумя струнными преобразователями двухфункционального преобразователя (5, 6, 7, 8) измеряют возникшие в них деформации, которые в общем случае являются суммами деформаций сжатия от действия измеряемой осевой силы Р_z и равными по модулю сжимающими и растягивающими деформациями от действия сопутствующего изгибающего момента. При одинаковой чувствительности струнных преобразователей к деформациям растяжения-сжатия (настраиваются в процессе изготовления устройства) усреднение их показаний позволяет исключить погрешности результата измерения Р_z, обусловленные сопутствующим изгибом зонда. Затем с помощью нагрузочного приспособления к буровому ставу на дневной поверхности прикладывают крутящий момент и со скоростью поворота устройства порядка 0,01 радиана в секунду производят вращательный срез, в процессе которого одновременно двумя струнными преобразователями двухфункционального преобразователя (5, 6, 7, 8) неоднократно последовательно измеряют возникающие в них суммарные деформации, которые в общем случае являются суммами деформаций сжатия от действия измеряемого крутящего момента М_z, сопутствующих деформаций сжатия от веса бурового става и сопутствующими равными по модулю сжимающими и растягивающими деформациями от действия сопутствующего изгибающего момента. Усреднение показаний двух струнных преобразователей позволяет исключить погрешности результата измерения M_z, обусловленные сопутствующим изгибом зонда. Усредненный результат уменьшают на величину ранее определенных сжимающих деформаций от веса бурового става (т.е. деформаций при отсутствии приложения к устройству крутящего момента М_z и осевой силы Р_z). В заключение измеряют поровое давление в грунте преобразователем порового давления 3.

Устройство для комплексного зондирования грунтов, содержащее корпус с конусным наконечником и продольными лопастями, датчик порового давления, установленный в герметичной полости корпуса, и преобразователь осевого усилия и крутящего момента, выполненный в виде двух струнных преобразователей, струны которых связаны с встроенным в корпус упругим элементом, а их электромагнитные головки посредством кабеля соединены с регистратором преобразователя, отличающееся тем, что струны преобразователей расположены в пересекающихся плоскостях, наклонных к продольной оси устройства под углами α и - α, а точки их закрепления в верхнем и нижнем горизонтальных сечениях упругого элемента симметричны относительно центров сечений упругого элемента.