Устройство для комплексного зондирования грунтов

 

Использование: строительство и горная промышленность при определении физико-механических свойств грунтов в процессе инженерно-геологических изысканий. Сущность изобретения: устройство для зондирования содержит корпус с коническим наконечником и продольными лопастями, в которых расположены приемные фильтры и каналы датчика порового давления, размещенного внутри корпуса. Там же установлен преобразователь осевого усилия и крутящего момента, выполненный в виде двух струн, связанных с упругим элементом, встроенным в корпус. Струны наклонены к продольной оси устройства под углом 0<α<90 расположены параллельно и симметрично проекции этой оси на плоскость, в которой они размещены. 3 ил.

Изобретение относится к строительству и горному делу, а именно, к устройствам для определения физико-механических свойств грунтов при инженерных изысканиях.

Известно устройство для комплексного зондирования грунтов, содержащее три рабочих органа для измерения сопротивления грунта вдавливанию конического штампа (наконечника), трения о боковую поверхность погружающегося цилиндрического тела и сопротивления срезу вращающимся долотом с внешними продольными лопастями. Устройство имеет общие для всех рабочих органов набор буровых штанг и измерительную станцию, обслуживающую тензометрические динамометры. Каждый сменный рабочий орган снабжен отдельным промежуточным элементом, передающим только подлежащие измерению усилия, а именно осевые усилия при первых двух испытаниях и крутящий момент при определении сопротивления срезу [1].

Недостаток изобретения - невысокая точность и достоверность получаемой информации, т. к. в процессе зондирования с использованием данного устройства требуется извлечение штанг и замена рабочих органов на каждом горизонте. Это вносит дополнительные погрешности, а также существенно увеличивает время и трудоемкость испытаний, особенно при необходимости одновременного измерения порового давления. Кроме того, промежуточные элементы рабочих органов имеют сложную конструкцию и требуют высокой точности изготовления.

Ближайшим техническим решением к заявляемому является устройство для комплексного зондирования грунтов, содержащее корпус с коническим наконечником и продольными лопастями, датчик порового давления, установленный в герметической полости, и преобразователь осевого усилия и крутящего момента [2].

Указанное устройство позволяет с помощью одного зондирования (на одной скважине и каждом измерительном горизонте) определить комплекс показателей состояния грунта: осевое усилие, крутящий момент и величину порового давления и ряд расчетных показателей состояния и свойств грунта (сопротивление пенетрации, сопротивление сдвигу, структурную прочность, модуль деформации, степень уплотнения).

При использовании этого устройства измерения осевого усилия задавливания наконечника и крутящего момента, обусловленного вращением корпуса с коническим наконечником и продольными лопастями, производят преобразователями осевого усилия и крутящего момента, установленными на дневной поверхности. Поэтому на точность измерений этих показателей отрицательно влияют силы трения, возникающие при перемещениях бурового става относительно грунта, случайные паразитные сопротивления, например, при перекосах штанг, вызывающих изгибные деформации, сопутствующее осевое давление на рабочий орган, в частности, от веса штанг, при измерении крутящего момента.

Задачей изобретения является повышение точности измерения осевого усилия и крутящего момента и соответствующих расчетных параметров состояния и свойств грунтов в процессе одного зондирования и на каждом измерительном горизонте.

Указанная задача достигается тем, что в устройстве для комплексного зондирования грунтов, содержащем корпус с коническим наконечником и продольными лопастями, датчик порового давления, установленный в герметичной полости корпуса, преобразователь осевого усилия и крутящего момента выполнен в виде двух струн, связанных с встроенным в корпус упругим элементом и расположенных в плоскости, наклоненной 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, например, частотомером типа ПЦП.

Выполнение преобразователя осевого усилия и крутящего момента 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, позволяет, по сравнению с прототипом, перенести место отбора информации с дневной поверхности непосредственно на измерительный горизонт. При этом при измерении осевого усилия (сопротивления пенетрации) точность измерений повышается за счет учета веса штанг и одновременного исключения ошибки, вызванной дополнительной осевой нагрузкой, обусловленной, например, трением штанг о стенки скважины, и при измерении крутящего момента (сопротивление грунта срезу) - за счет фиксации только той части этого момента, которая соответствует сопротивлению вращения продольных лопастей в грунте.

Предложенное выполнение преобразователя обеспечивает одновременную регистрацию осевого усилия и крутящего момента одним и тем же упругим элементом без извлечения штанг из массива с фиксацией сжатия двумя струнами при определении осевого усилия и фиксацией одной струной деформации сжатия и другой - растяжения при определении крутящего момента, что позволяет при определении осевого усилия исключить ошибки, обусловленные сопутствующими изгибами и перекосами штанг, а при определении крутящего момента исключить при последующей обработке результатов измерений ошибку, вызванную сопутствующей осевой нагрузкой, например, от веса штанг.

На фиг.1 показан общий вид устройства в продольном разрезе; на фиг.2 и 3 - продольный и поперечный разрезы преобразователя осевого усилия и крутящего момента.

Устройство состоит из корпуса 1 с коническим наконечником 2 и продольными лопастями 3, в которых выполнены приемные фильтры 4 и каналы 5, датчика порового давления 6, например, мембранного типа, установленного внутри корпуса 1, и преобразователя осевого усилия и крутящего момента. Внутренняя полость корпуса 1, приемные фильтры 4 и каналы 5 заполнены вязкой несжимаемой жидкостью, например, техническим вазелином. Преобразователь выполнен в виде двух струн 7, жестко связанных с упругим элементом 8 (см. фиг.2) и подключенных посредством кабеля 9 к регистратору (на фиг. не показан). При этом упругий элемент выполнен, например, в виде тонкостенного металлического цилиндра, встроенного в корпус 1, а две струны расположены в плоскости, наклонной к продольной оси устройства под углом α, равным 0^о < α< 90^о, параллельно друг другу и симметрично относительно проекции этой оси на указанную плоскость (см. фиг.2). Конкретный выбор угла α определяется расчетным путем, исходя из стремления к равенству деформаций струн 7 от осевого усилия и крутящего момента при максимальных значениях этих показателей. Датчик порового давления соединен кабелем с регистратором. Корпус 1 через упругий элемент 8 соединен с буровой штангой - буровым ставом, который кинематически связан с нагрузочным приспособлением (на фиг. не показан) для передачи ему осевого усилия и крутящего момента.

Устройство для комплексного зондирования грунтов работает следующим образом.

Устройство путем задавливания погружают на заданную глубину грунтового массива. В процессе задавливания фиксируют деформации сжатия упругого элемента 8 посредством двух струн 7, соединенных через кабель с регистратором преобразователя. Далее к буровому ставу 11 прикладывают крутящий момент и производят срез грунта лопастями 3, при этом одна из струн фиксирует деформации сжатия, а другая - растяжения. По указанным деформациям определяют крутящий момент, соответствующий сопротивлению вращения лопастей, после чего измеряют поровое давление.

Предложенное устройство для комплексного зондирования грунтов обеспечивает автоматическое усреднение показаний преобразователя деформаций (для крутящего момента - по модулю) и измерение различных нагрузок одним и тем же преобразователем.

Таким образом, полученная информация о величинах усилия задавливания, крутящего момента и порового давления на измерительном горизонте позволяет по известным аналитическим зависимостям определять следующий комплекс показателей состояния и свойств грунта: сопротивление пенетрации, сопротивление сдвигу, структурную прочность, модуль деформации, степень уплотнения.

Измерение и определение этих показателей на следующем измерительном горизонте производят аналогично.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ГРУНТОВ, содержащее корпус с конусным наконечником и продольными лопастями, датчик парового давления, установленный в герметичной полости корпуса и преобразователь осевого усилия и крутящего момента, отличающееся тем, что преобразователь осевого усилия и крутящего момента выполнен 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3