Способ измерения in situ характеристик почвы при ее замачивании (варианты) и устройство для его осуществления

 

Использование: в области инженерной геологии при исследовании механических свойств набухающих почв. Сущность: способ измерения in situ характеристик почвы при замачивании заключается в погружении расширяющегося зонда в скважину, выполненную в почве, создании начального давления на почву, равного величине природного (P₀) и подаче в почву жидкости для замачивания. Согласно первому варианту подачу жидкости осуществляют под давлением в несколько метров столба этой жидкости. После замачивания почвы повышают давление на почву путем регулирования объема зонда V=const до насыщения почвы жидкостью. По разности конечного (Р_k) и начального (Р₀) давлений рассчитывают давление набухания δP_н. Затем уменьшают Р_k до Р₀ путем регулирования V зонда от начального (V₀ ) до конечного (V_k). По их разности рассчитывают объем расширения почвы при набухании δV_н. Согласно второму варианту изобретения после подачи жидкости в почву производят регулирование давления (Р), создаваемого зондом на почву, поддерживая P= P₀= const, путем уменьшения V зонда от V₀ до V_k до насыщения почвы жидкостью. Затем определяют δV_н=V_o-V_к. После чего определяют δP_н путем повышения Р₀ до Р_к, регулируя V зонда от V₀ до V₀. δP_н=P_к-P_o. В качестве жидкости для замачивания используют воду. Устройство для реализации способа содержит расширяющийся зонд со средствами для создания радиального давления, подачи жидкости в почву и измерения V и Р. Зонд выполнен по меньшей мере из двух частей, имеющих независимые средства для регулирования и измерения радиального давления. Одна из независимо расширяющихся частей зонда связана со средством для подачи жидкости в почву под давлением. Части зонда могут быть наложены друг на друга. Также зонд может быть выполнен из четырех расширяющихся секторов, противоположно соединенных попарно для проведения измерений в одном и том же слое. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области исследования механических свойств почвы in situ и может быть использовано при определении способности почвы к набуханию перед строительством на ней зданий и сооружений.

Известен способ исследования механических свойств почв, in situ, заключающийся в погружении прессиометрического зонда в скважину, образованную в почве, приложении на почву радиального давления, измерении напряжений и расчете по полученным данным характеристик механических свойств почв, и прессиометр для осуществления способа, содержащий зонд с камерой, расширяющейся под давлением, подаваемой в нее жидкости, приспособления для создания давления и измерения объема камеры /1/.

Известные способ и устройство не позволяют исследовать свойства почвы при ее замачивании.

Наиболее близким к предложенному изобретению является способ измерения in situ характеристик почвы при ее замачивании, включающий введение в скважину, выполненную в исследуемой почве, расширяющегося зонда, имеющего средства для регулирования давления, подаваемого на почву, и средстве подачи жидкости в почву вокруг зонда, создание на почву зондом радиального начального давления, равного величине природного давления, и подачу в почву, охватывающую по меньшей мере часть зонда, жидкости для замачивания почвы и устройство для измерения in situ характеристик почвы при ее замачивании, содержащее расширяющийся зонд, средства для его введения и расширения в почве, средства для регулирования и измерения радиального давления, действующего на почву посредством зонда и средство для подачи жидкости по меньшей мере в часть почвы, охватывающей зонд, для ее замачивания /2/.

Однако, известные способ и устройство не позволяют определить механические характеристики почвы при ее набухании.

Технической задачей изобретения является определение давления набухания и величины свободного расширения почвы при набухании.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения in situ характеристик почвы при ее замачивании, включающем введение в скважину, выполненную в исследуемой почве, расширяющегося зонда, имеющего средства для регулирования давления, подаваемого на почву, и средства подачи жидкости в почву вокруг зонда, создание на почву давления, равного величине природного давления, и подачу в почву, охватывающую по меньшей мере часть зонда, жидкости для замачивания почвы, согласно одному варианту, подачу жидкости осуществляют под давлением, соответствующим нескольким метрам столба этой жидкости, после подачи жидкости производят повышение начального давления, создаваемого зондом на почву, путем регулирования объема зонда, поддерживая его постоянным до момента насыщения почвы жидкостью, который определяют по началу изменения объема зонда вместе с давлением, измеряют конечное давление и рассчитывают давление набухания по разности измеренных величин, конечного и начального давлений, а также тем, что после определения давления набухания уменьшают достигнутое конечное давление на почву до достижения его начальной величины путем регулирования объема зонда, измеряют величину конечного объема и рассчитывают величину свободного расширения почвы при набухании по разности начального и конечного объема зонда, при этом в качестве жидкости, которую подают в почву, используют воду.

Согласно другому варианту задача решается тем, что в известном способе подачу жидкости осуществляют под давлением, соответствующим нескольким метрам столба этой жидкости, после подачи жидкости производят регулирование давления, создаваемого зондом на почву, поддерживая его постоянным, равным начальному путем уменьшения объема зонда до момента насыщения почвы жидкостью, который определяют по началу изменения давления вместе с объемом, измеряют величину конечного объема зонда и рассчитывают величину свободного расширения почвы при набухании по разности величин, начального и конечного объемов зонда, а также тем, что после определения величины свободного расширения при набухании повышают начальное давление на почву путем регулирования объема зонда до момента достижения его первоначальной величины, измеряют величину конечного давления и рассчитывают давление набухания по разности величин конечного и начального давлений на почву, при этом в качестве жидкости, которую подают в почву используют воду.

Кроме того, задача решается тем, что в устройстве для измерения in situ характеристик почвы при ее замачивании, содержащем расширяющийся зонд, средства для его введения и расширения в почве, средства для регулирования и измерения радиального давления, действующего на почву посредством зонда, и средство для подачи жидкости по меньшей мере в часть почвы, охватывающей зонд для ее замачивания, согласно изобретению, зонд выполнен по меньшей мере из двух частей, расширяющихся независимо друг от друга с независимыми средствами регулирования и измерения радиального давления, причем одна из них соединена со средством для подачи жидкости в почву под давлением для проведения измерения давления набухания почвы одновременно с замачиванием, а также тем, что зонд выполнен из двух наложенных расширяющихся зондов и кроме того тем, что зонд может быть выполнен по меньшей мере из четырех расширяющихся секторов, противоположно соединенных попарно для проведения измерений в одном и том же слое почвы.

На фиг.1 представлены кривые изменения объема /V/ и давления /Р/ в расширяющем зонде, на фиг.2 общий вид устройства в разрезе, на фиг.3 и 4 - упрощенный вид в перспективе зонда соответственно из двух наложенных расширяющихся частей и из четырех расширяющихся секторов, на фиг.5 и 6 вид сверху в плане деформации почвы зондом с четырьмя секторами.

В результате испытаний по измеренным данным строят кривые 1,2,3, давление объем /фиг.1/. Устройство для осуществления способа содержит опору 4, зонд 5 с ударной головкой 6, серией штанг 7 со средством бурения 8. Зонд 5 с помощью трубопроводов 9 соединен с резервуаром 10, содержащем какую-либо жидкость 11 и посредством трубопроводов 12 с измерительной аппаратурой 13 /фиг.2/. Зонд 5 может состоять из двух расширяющихся независимо друг от друга частей 14 и 15 /фиг.3/, нижняя часть 15 которого соединена трубопроводом 9 с резервуаром 10 для подачи жидкости 11 через двойную стенку 16 в почву. Зонд 5 может состоять также из двух частей, расширяющихся независимо друг от друга, из которых каждая часть раздвоена так, что зонд состоит из по меньшей мере четырех секторов, 17,18,19,20 /фиг.4/, соединенных противоположно по два и работающих в одном и том же слое почвы 21, в массиве которой выполнена буровая скважина 22 для размещения устройства. Секторы 17-20 соединены с измерительной аппаратурой 13, а сектора 18, 20 дополнительно соединены с резервуаром 10 для подачи через двойную стенку 16 жидкости 11 в окружающую почву 21. На фиг.5 и 6 представлены изобары 23, 24, показывающие характер распределения давления вокруг 4-секционного зонда.

Способ осуществляют следующим образом.

После установки зонда 5 в буровой скважине 22 в заданном месте со значениями давления и объема /P₀, V₀/, соответствующими этой точке /точна А на фиг. 1/, в почву, охватывающую по меньшей мере часть зонда подают жидкость, которая пропитывает почву под небольшой нагрузкой, соответствующей нескольким метрам столба этой жидкости.

Согласно первому варианту способа после подачи жидкости или одновременно производят повышение P₀ путем поддержания объема зонда V₀ постоянным до момента насыщения почвы жидкостью, что соответствует прямой АВ на фиг.1 с координатами V₀, P_k. В точке В объем V может увеличиваться одновременно с увеличением Р, в результате чего может быть построена кривая 2, соответствующая фазе расширения зонда после набухания насыщаемого участка почвы. Разность давлений, измеренная между точками В и А, соответствует в этом случае давлению набухания δP_н т.е.δP_н=P_к-P_o. Далее, для проведения измерения в одной точке после достижения Р_k сбрасывают давление в зонде, проходя кривую 2 или 3 /фиг. 1/ до получения начального давления Р₀ путем регулирования объема зонда, возвращаясь в точку с координатами P₀, V_k, для которой измеряют V_k.

По измеренным данным рассчитывают величину свободного расширения почвы при набухании δV_н по разности (V₀ V_k). В качестве жидкости в почву могут подавать воду.

Согласно другому варианту способа после подачи жидкости или одновременно производят регулирование давления, поддерживая его постоянным, равным Р₀, уменьшая объем зонда до насыщения почвы жидкостью, что соответствует участку АС на фиг.1, т.е. до точки С, в которой давление может уменьшаться вместе с объемом в соответствии с кривой 3 на фиг.1. Кривая 3, если ее продолжить повторно, повысив давление и объем, должна совпасть с кривой 2 и пройти через точку В.

Разность объемов, измеренных между точками А и С соответствует δV_н=V_o-V_к.

После определения δV_н повышают Р₀ путем регулирования объема зонда до достижения объема, равного V₀, что соответствует точке В на фиг.1, измеряют величину конечного давления Р_k, а давление набухания δP_н рассчитывают, как разность между Р_k и Р₀. В качестве жидкости для подачи в почву используют воду.

Устройство для реализации вариантов способа работает следующим образом.

На поверхности почвы 21 устанавливают опору 4 и монтируют средство бурения 8 для выполнения буровой скважины 22 заданной глубины.

Зонд 5 опускают в скважину посредством серии штанг 7 на глубину проведения измерений. В камеру зонда 5 подают жидкость для расширения объема и создания давления на окружающую почву 21 и жидкость 11, например воду для пропитки или замачивания по меньшей мере части почвы 21 вокруг зонда 5. Конструкция зонда, изображенного на фиг.3, позволяет одновременно производить измерение нормального давления и давления набухания соответственно независимо расширяющимися частями 14 и 15. Нижнюю часть 15 соединяют с измерительной аппаратурой 13 и с резервуаром 10 для жидкости 11, которая подается в почву 21 через двойную стенку 16, охватывающую всю или часть нижней части 15 зонда по ее периферии. Внутренняя герметичная стенка нижней части 15 зонда служит для передачи давления, а наружная пористая стенка 16, содержащая отверстия, не создает никакого паразитного давления, способного повлиять на измерения при насыщении почвы жидкостью.

Конструкция зонда, изображенная на фиг.4, также позволяет производить одновременно измерения нормальных давлений и измерение δP_н и δV_н при замачивании почвы через двойные стенки 16, попарно соединенных секторов 16 и 20, сообщенных с резервуаром 10 для жидкости 11 посредством трубопровода 9.

На фиг.5 показана пара секторов 18 и 20 после подачи жидкости в почву в положении точки С на фиг. 1, а пара секторов 17 и 19 находятся в положении нормального давления почвы 21, т.е. в точке А по фиг.1. Следовательно, первая изобара 23 соответствует давлению Р₀, а разность объема, измеряемая между парой секторов /17-19/ и /18-20/ показывает величину свободного расширения почвы (V_k- V₀).

На фиг.6 пара секторов 18 и 20, показанных после подачи жидкости в почву 21, приведена к тому же объему, что и сектора 17, 19, следовательно с общей периферией зонда в форме круга. Таким образом все сектора соответствуют объему участка, восстановленного в своем исходном положении до бурения скважины 22. Сектора 17, 19 всегда находятся в положении нормального давления в точке А на фиг.1, т.е. при Р Р₀, а сектора 18, 20 находятся в точке В на фиг.1, т. е. при Р Р_k.

Таким образом, первая изобара 23 соответствует давлению Р₀, а вторая 24, давлению Р_k, а разность этих давлений является давлением набухания δP_н.

Формула изобретения

1. Способ измерения in situ характеристик почвы при ее замачивании, включающий введение в скважину, выполненную в исследуемой почве, расширяющегося зонда, имеющего средство для регулирования давления, подаваемого на почву, и средство подачи жидкости в почву вокруг зонда, создание на почву зондом радиального начального давления, равного величине природного давления, и подачу в почву, охватывающую по меньшей мере часть зонда, жидкости для замачивания почвы, отличающийся тем, что подачу жидкости осуществляют под давлением, соответствующим нескольким метрам столба этой жидкости, после подачи жидкости производят повышение начального давления, создаваемого зондом на почву, путен регулирования объема зонда, поддерживая его постоянным до момента насыщения почвы жидкостью, который определяют по началу изменения объема зонда вместе с давлением, измеряют конечное давление и рассчитывают давление набухания по разности измеренных величин конечного и начального давления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после определения давления набухания уменьшают достигнутое конечное давление на почву до достижения им начальной величины путем регулирования объема зонда, измеряют величину конечного объема и рассчитывают величину свободного расширения почвы при набухании по разности величин начального и конечного объемов зонда.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости, которую подают в почву, используют воду.

4. Способ измерения in situ характеристик почвы при ее замачивании, включающий введение в скважину, выполненную в исследуемой почве, расширяющегося зонда, имеющего средство для регулирования давления, подаваемого на почву, и средство для подачи жидкости в почву вокруг зонда, создание на почву зондом радиального начального давления, равного величине природного давления, и подачу в почву, охватывающую по меньшей мере часть зонда, жидкости для замачивания почвы, отличающийся тем, что подачу жидкости осуществляют под давлением, соответствующим нескольким метрам столба этой жидкости, после подачи жидкости производят регулирование давления, создаваемого зондом на почву, поддерживая его постоянным, равным начальному, путем уменьшения объема зонда до момента насыщения почвы жидкостью, который определяют по началу изменения давления вместе с объемом, измеряют величину конечного объема зонда и рассчитывают величину свободного расширения почвы при набуханий по разности величин начального и конечного объемов зонда.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что после определения величины свободного расширения при набухании повышают начальное давление на почву путем регулирования объема зонда до момента достижения им первоначальной величины, измеряют величину конечного давления и рассчитывают давление набухания по разности величин конечного и начального давления на почву.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в качестве жидкости, которую подают в почву, используют воду.

7. Устройство для измерения in situ характеристик почвы при ее замачивании, содержащее расширяющийся зонд, средства для его введения и расширения в почве, средства для регулирования и измерения радиального давления, действующего на почву посредством зонда, и средство для подачи жидкости по меньшей мере в часть почвы, охватывающей зонд, для ее замачивания, отличающееся тем, что зонд выполнен по меньшей мере из двух частей, расширяющихся независимо одна от другой, с независимыми средствами регулирования и измерения радиального давления, причем одна из них соединена со средством для подачи жидкости в почву под давлением для проведения измерения давления набухания почвы одновременно с замачиванием.2 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что зонд выполнен из двух наложенных расширяющихся зондов.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что зонд выполнен по меньшей мере из четырех расширяющихся секторов, противоположно соединенных попарно для проведения измерений в одном и том же слое почвы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6