Способ определения прочности грунтов испытанием кернов вращательным срезом
Владельцы патента RU 2636512:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной механики Российской академии наук (ИПРИМ РАН) (RU)
Изобретение относится к области строительства, в частности к способам проведения геомеханических испытаний. Способ включает бурение скважины, внедрение в испытываемый грунт лопастей крыльчатки, создание в испытываемом грунте радиальных сжимающих напряжений, постоянных в течение опыта, приложение к лопастям крыльчатки ступенчато-возрастающего крутящего момента, фиксацию максимального крутящего момента, вызывающего предельные сдвиговые касательные окружные напряжения, повторение опыта на аналогичном участке при другом уровне сжимающих радиальных напряжений и определение по парам значений сжимающих и сдвигающих напряжений параметров прочности грунта - угла внутреннего трения и удельного сцепления, причем испытание производится в извлеченном из скважины керне, при этом радиальные сжимающие напряжения создаются путем обжатия боковой поверхности керна, а лопастная крыльчатка внедряется по центру испытываемого керна. Достигается расширение диапазона измеряемых параметров, повышение точности определения и ускорение испытаний. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области строительства, в частности к способам проведения геомеханических испытаний.
Известны способы определения прочностных свойств грунтов методом вращательного среза. Технология таких испытаний регламентируется нормативной литературой. В частности, известен аналог предлагаемого: в ГОСТ 21719-80 (ГОСТ 20276) описывается технология проведения полевых испытаний в скважинах методом вращательного среза трех видов:
• методом вращательного среза (лопастной крыльчаткой);
• методом кольцевого среза;
• методом поступательного среза.
Метод вращательного среза лопастной крыльчаткой реализуется следующим образом. В забой скважины внедряется (залавливается) лопастная крыльчатка. К ней через штангу прикладывается ступенчато возрастающий крутящий момент, под действием которого, после достижения сдвигающих напряжений предела прочности грунта, происходит сдвиг по цилиндрической поверхности. По величине максимального крутящего момента (Мкр.) для связных грунтов, обладающих малым углом внутреннего трения, определяют значение удельного сцепления (с):
где h - высота крыльчатки; d - диаметр крыльчатки.
Метод используется для определения сцепления глинистых грунтов, обладающих малым значением угла внутреннего трения, для определения структурной прочности грунта (по отношению максимального крутящего момента к остаточному) и для оценки пространственной изменчивости грунтов.
Таким образом, в аналоге осуществляют:
бурение скважины, внедрение в испытываемый грунт лопастей крыльчатки, приложение к лопастям крыльчатки ступенчато-возрастающего крутящего момента, фиксацию максимального крутящего момента, вызывающего предельные сдвиговые касательные окружные напряжения, и определение по величине крутящего момента параметра прочности грунта, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.
Основными недостатками данного метода являются значительная погрешность при определении удельного сцепления (с) и невозможность определения при таких испытаниях значений угла внутреннего трения (ϕ).
Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является метод кольцевого среза (по ГОСТ 20276).
Сущность метода заключается в том, что в пробуренную скважину помещают устройство, позволяющее создавать изнутри скважины на ее стенки радиальные сжимающие напряжения (σг). Устройство снабжено вертикальными ребрами, которые под нагрузкой внедряются в стенки скважины. Создав на стенки скважины определенный уровень сжимаемых напряжений (σr)=const, к ребрам, внедренным в грунт, через обойму и штангу прикладывают ступенчато возрастающий крутящий момент (Мкр.).
После достижения предела прочности под действием крутящего момента происходит сдвиг грунта по цилиндрической (кольцевой) поверхности. По максимальному значению крутящего момента определяют предельные касательные напряжения при заданном уровне радиальных (нормальных) напряжений (σr(1)):
где d - диаметр скважины; m - толщина лопасти, внедренной в грунт.
После этого опыт повторяют на другом аналогичном участке скважины при другом уровне постоянных радиальных сжимающих напряжениях (σr(2)) до достижения среза при максимальном крутящем моменте Мкр.(2):
По полученным парам значений (τпр(1); σr(1)) и (τпр(2); σr(2)) определяют угол внутреннего трения грунта (ϕ) и удельное сцепление (с) из выражения (закон Кулона):
Для получения более точных результатов и возможности их осреднения рекомендуется проводить несколько испытаний при различном значении радиальных сжимающих напряжениях (σr).
Таким образом, в прототипе осуществляют бурение скважины, внедрение в испытываемый грунт лопастей крыльчатки, создание в испытываемом грунте радиальных сжимающих напряжений, постоянных в течение опыта, приложение к лопастям крыльчатки ступенчато-возрастающего крутящего момента, фиксацию максимального крутящего момента, вызывающего предельные сдвиговые касательные окружные напряжения, повторение опыта на аналогичном участке при другом уровне сжимающих радиальных напряжений и определение по парам значений сжимающих и сдвигающих напряжений параметров прочности грунта угла внутреннего трения и удельного сцепления, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.
Кроме того, в прототипе радиальная сжимающая и касательная сдвигающая нагрузки передаются изнутри скважины на окружающий скважину массив грунта, который и подвергается испытаниям.
Недостатком данного способа является сложность технической реализации. Изнутри скважины сложно создать значительную радиальную нагрузку из-за ее малого размера и трудности размещения в ней мощных нагрузочных устройств. Кроме того, в нормативной литературе при определении радиальных сжимающих напряжений (σr) имеется некоторая некорректность. Поскольку сдвиг осуществляется по цилиндрической поверхности диаметром D=d0+2m, а радиальное давление осуществляется изнутри, то в соответствии с классическим решением задачи Лямэ величина этих напряжений будет меньше, чем на внутренней поверхности скважины за счет рассеивания напряжений. Однако последнее замечание не является принципиальным, так как напряжения в плоскости сдвига легко вычислить, используя известное решение данной задачи.
Предлагаемый способ в определенном смысле сочетает положительные стороны двух вышеописанных методов, а именно простоту технической реализации и возможность в полевых условиях быстро и надежно определить раздельно угол внутреннего трения (ϕ) и удельное сцепления грунта (с). Способ предназначен для испытания кернов дисперсных связных грунтов (суглинков и глин), извлеченных из скважины, с показателем консистенции I<0.75.
Итак, для преодоления недостатков известного способа предложен способ определения прочности грунтов вращательным срезом, включающий бурение скважины, внедрение в испытываемый грунт лопастей крыльчатки, создание в испытываемом грунте радиальных сжимающих напряжений, постоянных в течение опыта, приложение к лопастям крыльчатки ступенчато-возрастающего крутящего момента, фиксацию максимального крутящего момента, вызывающего предельные сдвиговые касательные окружные напряжения, повторение опыта на аналогичном участке при другом уровне сжимающих радиальных напряжений и определение по парам значений сжимающих и сдвигающих напряжений параметров прочности грунта - угла внутреннего трения и удельного сцепления, что совпадает с существенными признаками прототипа.
При этом испытание производится в извлеченном из скважины керне, при этом радиальные сжимающие напряжения создаются путем обжатия боковой поверхности керна, а лопастная крыльчатка внедряется по центру испытываемого керна.
Способ реализуется следующим образом:
Извлеченный из скважины керн грунта помещают в металлическую цилиндрическую обойму с внутренним диаметром, равным диаметру керна.
Обойма разделена на три сектора с центральными углами, равными 180°, 90°, 90°. Большой сектор (180°) неподвижно закреплен на станине, а два малых сектора (90°) имеют возможность радиальных перемещений. Сектора неподвижно фиксируют, керн грунта по торцам подрезают так, чтобы весь керн оказался внутри обоймы, после чего в центр оси керна внедряют (залавливают) лопастную крыльчатку. Далее, с помощью вращения нагрузочных винтов в гайках, закрепленных на раме, к цилиндрической боковой поверхности керна через подвижные малые сектора (90°) прикладывается радиальная сжимающая нагрузка. Величина нагрузки регистрируется с помощью датчиков давления (месдоз), установленных между подшипниками вращения на концах нагрузочных винтов и сектором. В результате этого в цилиндрическом образце (керне) в каждой его точке возникают одинаковые радиальные сжимающие напряжения, которые в течение всего опыта поддерживают постоянными (σr(1)).
В качестве другого варианта радиальную сжимающую нагрузку можно создавать с помощью эластичной камеры-оболочки, наполненной жидкостью, куда помещается керн. Сама оболочка, внутренняя полость которой соединена с насосом для создания давления, помещается вместе с керном в жесткую трубу. То есть радиальные нагрузки передаются как в прессиометре.
После этого к внедренной в грунт крыльчатке через шток прикладывают ступенчато возрастающий крутящий момент (Мкр). От действия крутящего момента по цилиндрической поверхности с радиусом, равным ширине лопасти крыльчатки, возникают тангенциальные (окружные) сдвигающие напряжения (τ). После достижения этими напряжениями предела прочности грунта на сдвиг (τпр(1)) при заданном уровне радиальных сжимающих напряжений (σr(1)) происходит поворот крыльчатки (срез грунта). Максимальный крутящий момент фиксируют и по нему определяют максимальное сдвигающее напряжение (τпр(1)) из выражения (3).
Затем опыт повторяют на аналогичном керне, но уже при другом уровне радиальных сжимаемых напряжений (σr(2)). Также как и в вышеописанном способе, по полученным из двух опытов парам значений (σr(1); τпр(1)) и (σr(2); τпр(2)) из выражения (4) определяют параметры прочности грунта - угол внутреннего трения (ср) и удельное сцепление (с).
Список чертежей:
Фиг. 1. Схема реализации способа.
Фиг. 2. Схема устройства для определения прочности грунтов методом вращательного среза лопастной крыльчаткой, где использованы обозначения:
1 - керн грунта; 2 - крыльчатка, внедренная в грунт по центру керна; 3 - ограничители с перфорацией; 4 - силовая рама; 5 - нагружающие винты; 6 - измеритель момента; 7 - площадка; 8 - компенсатор вращения; 9 - упор винта с тензодатчиками; 10 - неподвижная часть формы; 11 - подвижная часть формы.
Фиг. 3. Прибор для определения прочности грунтов методом вращательного среза лопастной крыльчаткой и процесс испытания керна, где:
а) общий вид прибора;
б) подготовленный образец (керн) грунта для проведения испытаний;
в) испытанный образец (керн) грунта.
На фиг. 1 изображена схема реализации способа.
На фиг. 2 изображена схема прибора для испытания кернов грунта по предлагаемому способу.
На фиг. 3 (фото) изображен экспериментальный прибор для испытаний грунта по предлагаемому способу и технология проведения опыта.
Покажем, что требуемый технический результат достигается за счет существенных отличий предлагаемого устройства.
То, что в предлагаемом способе испытание производится в извлеченном из скважины керне, при этом радиальные сжимающие напряжения создаются путем обжатия боковой поверхности керна, а лопастная крыльчатка внедряется по центру испытываемого керна, обеспечивает повышение точности испытаний, упрощает техническую реализацию по следующим причинам:
• в прототипе нагружение сжимающей радиальной нагрузкой производится изнутри скважины, что создает неоднородное напряженное состояние в массиве испытываемого грунта, поскольку радиальные напряжения с увеличением расстояния от центра скважины убывают. В предлагаемом же способе керн нагружается снаружи, в результате чего в каждой точке образца возникают одинаковые по величине радиальные сжимающие напряжения. Это существенно повышает точность испытаний;
• в прототипе срез грунта осуществляется не только по цилиндрической, но еще и по кольцевой поверхности по краям ребер, внедренных в грунт. В предлагаемом способе при длине крыльчатки, равной длине керна, срез осуществляется строго по цилиндрической поверхности, что также повышает точность испытаний;
• в прототипе значительно сложнее осуществить испытания по схеме консолидировано-дренированного среза. В предлагаемом устройстве при наличии перфорации в нагрузочных сегментах консолидация под действием сжимающей радиальной нагрузки наступает значительно быстрее.
Дополнительные преимущества перед аналогом и прототипом также заключаются в следующем:
• способ значительно проще в технической реализации, поскольку размеры нагрузочного устройства не ограничены малыми размерами скважины. Это позволяет создавать большие нагрузки и испытывать керн практически в любом диапазоне сжимающих нагрузок, в то время как в прототипе технически сложно создать большие нагрузки, что снижает точность испытаний и диапазон использования метода;
• способ легко реализовать непосредственно на стройплощадке, сразу после отбора кернов. При таком способе возможно осуществить визуальный осмотр керна, с целью выявления его структуры, текстуры и возможных дефектов и включений, быстро и просто определить основные физические характеристики грунта - удельный вес (путем взвешивания керна правильной геометрической формы), природную влажность и др. Все это повышает сопоставимость испытаний и позволяет более обоснованно подобрать образец-близнец для повторных испытаний. В прототипе это сделать не представляется возможным;
• поскольку нагружение образца касательной нагрузкой осуществляется такой же лопастной крыльчаткой, данный способ хорошо может дополнять результаты массовых испытаний методом вращательного среза (лопастной крыльчаткой) в скважинах и является с ним полностью сопоставимым, поскольку в грунте реализуется идентичное напряженное состояние.
Изготовленное пробное экспериментальное оборудование для технической реализации предлагаемого способа показало работоспособность, простоту подготовки и технологичность проведения экспериментов.
Результаты экспериментов на двух видах грунта (мягкопластичном суглинке и полутвердой юрской глине) по предлагаемому методу сравнивались с результатами опытов на стандартном полевом сдвиговом приборе ВСВ-25 и показали хорошую сходимость.
1. Способ определения прочности грунтов вращательным срезом, включающий бурение скважины, внедрение в испытываемый грунт лопастей крыльчатки, создание в испытываемом грунте радиальных сжимающих напряжений, постоянных в течение опыта, приложение к лопастям крыльчатки ступенчато-возрастающего крутящего момента, фиксацию максимального крутящего момента, вызывающего предельные сдвиговые касательные окружные напряжения, повторение опыта на аналогичном участке при другом уровне сжимающих радиальных напряжений и определение по парам значений сжимающих и сдвигающих напряжений параметров прочности грунта - угла внутреннего трения и удельного сцепления, отличающийся тем, что испытание производится в извлеченном из скважины керне, при этом радиальные сжимающие напряжения создаются путем обжатия боковой поверхности керна, а лопастная крыльчатка внедряется по центру испытываемого керна.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длина крыльчатки равна длине керна.
