Способ и устройство для определения сил трения и модуля сдвига грунтов в полевых условиях

Изобретение относится к средствам инженерно-геологических изысканий и предназначено для оценки свойств грунтов вращательным срезом в зонах предполагаемого строительства. Способ определения сопротивления грунта вращательному срезу состоит в погружении закручиванием породоразрушающей лидирующей крыльчатки, расположенной на шнековой колонне, с помощью силового механизма в грунт до заданной глубины с дальнейшим осевым задавливанием и проворотом по заданной программе на заданный угол с замером крутящего момента, осевого усилия, угла поворота и вертикального перемещения. Измерение силовых факторов производят датчиками, расположенными на единой силовой базе в нижнем полом звене шнековой колонны, несущей крыльчатку. Передачу сигнала на управляющий компьютер по беспроводной связи производят непрерывно в процессе испытаний, как и передачу данных по вертикальному перемещению и углу поворота крыльчатки и обрабатывают в режиме реального времени с помощью программ, основанных на известных решениях механики грунтов и теории упругости. Технический результат состоит в повышении точности производимых измерений силовых параметров, сведении их в единый центр управления и вычислении характеристик грунтов в реальном режиме времени, повышении механических возможностей и объема снимаемых при одном забуривании измеряемых параметров. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемые способ определения прочностных и деформационных свойств грунтов и устройство для его реализации относятся к технике инженерно-геологических изысканий и могут применяться для оценки сопротивления грунтов вращательному срезу в зонах предполагаемого строительства.

Известны способы и устройства для оценки свойств грунтов при статическом давлении инструмента [1], при сдвиговых деформациях [2]. При этом не создается комплексной нагрузки и, следовательно, отсутствует достоверная информация о сдвиговых свойствах грунта.

Известен [3] способ испытания грунта на сдвиг, заключающийся в завинчивании в грунт совместной колонны наружных и внутренних штанг с возможностью их относительного вращения. На заданной глубине проворачивается от тарированной пружины внутренняя штанга, обеспечивая срез порции грунта с записью крутящего момента, передаваемого от силового привода.

Недостатком этого способа является значительная погрешность измерения крутящего момента из-за взаимного трения колонн труб и ограниченная глубина погружения.

Близким аналогом предлагаемого способа по существу решаемой задачи является способ оценки механических свойств грунта, описанный в [4]. При этом способе и устройстве лидирующую крыльчатку, смонтированную на полой колонне штанг, погружают в грунт с помощью силового механизма на заданную глубину, осуществляют вращательный срез с фиксацией при этом сигнала от датчика крутящего момента блоком регистрации в процессе среза. При задавливании на следующую глубину процесс повторяется. Ограниченная глубина испытания без предварительного разбуривания и недостаточная точность измерения силовых факторов являются недостатками данного способа.

Ближайшим прототипом предлагаемых способа и устройства является способ определения сопротивления грунта вращательному срезу и устройство для его осуществления [5].

Этот способ включает следующие действия - внедрение закручиванием лидирующей, установленной на шнековой колонне штанг, крыльчатки в исследуемый грунт с помощью силового механизма до заданной глубины, вертикальное задавливание и срез грунта с измерением крутящего момента и угла поворота с помощью встроенного в полый нижний отсек штанги регистратора. После обратного проворачивания колонны производят забуривание на следующий заданный уровень с повторением действий. По окончании цикла испытаний производят выемку регистратора и считывают полученные параметры.

Недостатками описанного способа являются недостаточная точность замера усилия вдавливания, невозможность в реальном масштабе времени получать расчетные характеристики грунта, отсутствие данных о температуре и ускорении колебаний грунта в зоне испытаний.

Устройство прототипа состоит из буровой установки, выставленной на триггеры в качестве силового механизма, взаимодействующего со шнековой колонной штанг, оснащенной внизу породоразрушающей лидирующей крыльчаткой, соединенной с колонной через полый концевой отсек, в котором расположены датчик крутящего момента и регистратор, показания с которого снимают после выемки штанги. Угол поворота и вертикальное усилие замеряют внешними датчиками.

Недостатками этого устройства являются низкая точность обеспечения силовых факторов при задавливании и провороте крыльчатки, ограниченная глубина погружения, необходимость вынимать штангу для снятия результатов и отсутствие единого, обрабатывающего все входящие данные измерений, центра.

Техническая задача предлагаемых способа и устройства состоит в повышении точности производимых измерений силовых параметров, сведения их в единый центр управления и вычисления характеристик грунтов в реальном режиме времени, повышения механических возможностей и объема снимаемых при одном забуривании измеряемых параметров.

Решение поставленной технической задачи в части способа достигается тем, что с помощью выставленного на триггеры бурового станка, находящуюся на конце шнековой колонны штанг лидирующую крыльчатку залавливают и вращают в грунте с приложением замеряемых датчиком осевой силы и крутящего момента, на заданной глубине производят: срез грунта с замером угла поворота крыльчатки, измерение усилия задавливания крыльчатки, температуру грунта, ускорение колебаний грунта при этом связанный с пультом управления компьютер по программе на основе решений механики грунтов и теории упругости вычисляет характеристики грунта в режиме реального времени. Например, модуль сдвига, коэффициент Пуассона, недренированную прочность грунта и др.

В части устройства введены следующие изменения. Для надежного и более точного исследования свойств грунтов шнековую колонну погружают на заданную глубину, а затем при помощи расположенного сверху сервопривода в нижнем полом отсеке колонны шнеков вертикально залавливают крыльчатку в грунт ниже забоя скважины, а срез грунта выполняют вторым сервоприводом нижнего расположения путем вращения крыльчатки с заданной скоростью вращения. Программа испытания и обработки результатов заложена в управляющий компьютер, куда поступают сигналы по беспроводной связи от регистратора, расположенного в нижнем полом отсеке колонны шнеков, также как и датчик осевого усилия и крутящего момента, расположенный на одной силовой базе. В этом же полом звене колонны шнеков установлены термопара, трехкоординатный акселерометр, усилитель сигналов с датчиков и аналого-цифровой преобразователь входящие в состав регистратора, блок питания и передающая антенна. Для повышения ресурса крыльчатка оснащена твердосплавными зубьями.

Предложенный порядок операций при оценке сопротивления грунта вращательному срезу и введенные в устройство изменения позволяют:

- с большой точностью с помощью двух сервоприводов производить вертикальное задавливание крыльчатки и ее поворот за счет их расположения в нижнем полом отсеке колонны шнеков;

- за счет бесконтактной связи регистратора с управляющим компьютером передавать замеряемые параметры мгновенно и производить длительные испытания не поднимая колонну;

- за счет введенной в компьютер программы обработки всех параметров (осевого усилия, крутящего момента, угла поворота крыльчатки, вертикального перемещения колонны шнеков, температуры, угла отклонения колонны шнеков от вертикали, ускорения колебаний) на основе известных решений механики грунтов получать характеристики грунтов в масштабе реального времени;

- повысить ресурс крыльчатки за счет модернизации ее конструкции путем введения твердосплавных зубьев;

- учесть реальную температуру грунта в зоне исследования за счет установки термопары в нижнем полом отсеке колонны шнеков;

- измерять угол наклона шнековой колонны, скорость продольных и поперечных волн за счет установки трехкоординатного акселерометра в нижнем полом отсеке колонны шнеков.

Схема устройства приведена на Фиг. 1.

Реализация предлагаемого способа с помощью разработанного устройства выполняется следующим образом. Буровая установка [1] обеспечивает внедрение в грунт шнековой колонны с нижним полым звеном [2], несущим внизу породоразрушающую крыльчатку, оснащенную зубьями [3]. В этом полом звене на едином силовом основании смонтированы датчик осевого усилия и крутящего момента [4], сервопривод [5], термопара и трехкоординатный акселерометр [6], регистратор [7] связанный через передающую антенну [8] с приемной антенной [9] управляющего и обрабатывающего компьютера [10]. При достижении буровым станком заданной глубины (не доходя на высоту крыльчатки до места исследования) включается сервопривод [5], который, при измерении заглубления датчиком перемещения [11], задавливает крыльчатку на заданную глубину с измерением усилия задавливания датчиком [4]. После чего сервопривод [5] обеспечивает левый проворот и срез грунта с заданной скорость вращения и измерением параметров зондирования крутящего момента, скорости вращения, температуры грунта, угол отклонения колонны шнеков от вертикали, скорость поперечных и продольных волн в зоне головного отсека шнековой колонны.

После проведения измерений на заданной глубине колонну опускают на следующий уровень с повторением операции по замеру параметров зондирования. Используя их компьютер в реальном режиме времени, в конце каждого этапа измерений, выдает рассчитанные характеристики грунта.

Преимуществами предлагаемого способа и устройства для его реализации являются надежность и точность измеряемых параметров, длительный срок эксплуатации без подъема колонны наверх, оперативность получения расчетных характеристик в более широком спектре, что позволяет всесторонне оценивать свойства грунтов в зоне исследования.

Предлагаемые способ и устройство существенно отличаются от известных, оперативно, широко и надежно решают задачу оценки свойств грунтов, отвечают требованиям современной техники и технологии, могут найти применение в инженерных изысканиях и, по мнению авторов, могут быть защищены патентом РФ.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1019054, М, кл. Е 02 D1/00 от 1983 г.

2. Авторское свидетельство СССР №1214839, М, кл. Е02 D1/00 от 1982 г.

3. Авторское свидетельство СССР №276472, М кл. G0 11 1/00 от 1970 г.

4. Авторское свидетельство СССР №1726643, М кл. Е 02 D1/00 от 1992 г.

5. Патент РФ RU 2295606, С1Е02 D 1/00 от 2005 г.

1. Способ определения сопротивления грунта вращательному срезу состоит в погружении закручиванием породоразрушающей лидирующей крыльчатки, расположенной на шнековой колонне, с помощью силового механизма в грунт до заданной глубины с дальнейшим осевым задавливанием и проворотом по заданной программе на заданный угол с замером крутящего момента, осевого усилия, угла поворота и вертикального перемещения, отличающийся тем, что измерение силовых факторов производят датчиками, расположенными на единой силовой базе в нижнем полом звене шнековой колонны, несущей крыльчатку, причем передача сигнала на управляющий компьютер по беспроводной связи производится непрерывно в процессе испытаний, как и передача данных по вертикальному перемещению и углу поворота крыльчатки и обрабатывается в режиме реального времени с помощью программ, основанных на известных решениях механики грунтов и теории упругости.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что производят измерения температуры и ускорения колебаний грунта с помощью встроенных в нижнем полом звене шнековой колонны термопар и трехкоординатного акселерометра.

3. Устройство для определения сопротивления грунта вращательному срезу, состоящее из механизма вращения в виде бурового станка, выставленного на триггеры, с шнековой колонной, оканчивающейся лидирующей породоразрушающей крыльчаткой, укрепленной на нижнем полом звене шнековой колонны, отличающееся тем, что в полом звене шнековой колонны смонтированы на едином силовом основании датчик осевого усилия и крутящего момента, датчик угла поворота крыльчатки, термопара, трехкоординатный акселерометр, блок питания и регистратор с антенной, связанный радиосвязью с антенной управляющего компьютера, на который поступают сигналы с регистратора.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что осевое задавливание и круговой срез выполняют с помощью сервопривода, установленного в нижнем полом звене шнековой колонны штанг.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что установка снабжена управляющим компьютером, рассчитывающим характеристики исследуемого грунта в режиме реального времени.

6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что крыльчатка имеет форму четырехлопастного долота с зубьями.