Стенд для исследования напряженного состояния керна рыхлых грунтов

(5)5 б 01 Й 3 РЕТЕНИЯ ПИСАНИ К АВТОРСКОМУ С ЬСТВУ ический ельство СС 49/00, 198 ЛЕДОВАН СИЯ КЕРНА(Я ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(2 1) 4792741/28 (22) 19.02.90 (46) 07,08.92. Бюл, М 71) Донецкий полите (72) И.В;Равилов (56) Авторское свиде М 1492041; кл, Е 21 В (54) СТЕНД ДЛЯ ИСС ЖЕННОГО СОСТОЯ ГРУНТОВ 2 (57) Изобретение относится к исследовани- ям процессов, йроисходящих в грунтовом массиве при отборе проб рыхлых грун 1 ов институт .- морскими колонковыми пробоотборниками.Целью изобретения является расширение СР номенклатуры исйыФуемйх грунтов путем 9,:" . обеспечения определениянапряженного ИЯ НАПРЯ- состояния не только однородных, но и сло- РЫХЛЫХ истых грунтов. Стенд содержит герметичную предназначенную"для заполнеиия1753337 грунтом емкость 8 с патрубком для подачи в нее рабочей жидкости, две коаксиально установленные с зазором и с воэможностью совместного осевого перемещения трубы 2 и 3, часть которых расположена в емкости 8, кольцевой нок 4,. герметично соединяющий расположенные в емкости 8 торцы труб 2 и 3, соединяющую другие торцы этих труб 2, 3 крышку 5, связанный к ней и установленный соосно трубам 2 и 3, силовозбудитель 27, сообщенный с полостьювнутреннейтрубы 3 сливной патрубок 6 идатчик 7 гидростатйческого давления рабочей жидкости в емкости 8, предназначенные для взаимодействия со слоями грунта установленными вдоль образующей на внутренней трубе 3 и расположенные в зазоре между трубами 2 и 3 датчики 12 давления, каждый из которых выполнен в виде закрепленного на трубе 3 полого корпуса с соосными отверстиями впротивоположных стенках, закрепленной на стенке, располо-. женной со стороны наружной. трубы 3, и перекрывающей ее отверстие мембраны,датчики ее деформации, расположенного в корпусе, делящего своей средней большей ступенью его полоСть на две части ступенчатого дифференциального плунжера, один торец меньшей ступени которого размещен в указанном отверстии и связан с мембраной, а торец второй меньшей ступени размещен в другом отверстии корпуса и предназначен для связи с испытуемым грунтом, и фильтра, площадь свободной поверхности большей ступени плунжера, обращенной к мембране, равна площади поверхноститорца второй меньшей ступени, о корпусе каждого датчика 12 выполнен канал, соединяющий полость внутренней трубы 3 с частью полости корпуса, расположенной со стороны мембраны, о которомразмещен фильтр датчика 12. 2 ил,Изобретение отйосится к гидромеханике, в частности к устройствам для исследования процессов, происходящих в грунтовом массиве при отборе проб рыхлых грунтов морскими колонковыми пробоот борниками,Известен стенд для исследования напряженного состбяния керна рыхлых грунтов, содержащий открытую емкость с исследуемым грунтом, колонковый снаряд, 10 трубу от слоя к слою носит скачкообразный характер, определить по обобщенному показателю напряженного состояния колонки пробы величину напряжений в каждом из слоев грунта, составляющих керн, невозможно.Целью изобретения является расширение номенклатуры испытуемых грунтов путем обеспечения определения напряженного состояния не только однородных, но и слоистых- включающий колонковую трубу с башмаком и крышкой; гидравлическийпривод, состоящий из насосной станции с манометром и гидроцилиндра, и лебедки с динамометром,грунтов.Указанная цель достигается тем, что в известном стенде для исследования напряженного состояния керна рыхлых грунтов,Известен стенд для исследования на содержащем герметичную предназначенсилоизмерителем; гидравлический привод две коаксиально установленные с зазором и перемещения колонкового набора,"состоя- с возможностью совместного осевого перещий иэ насосной станции и гидроцилиндра, 20 мещения трубы, часть которых расположена и герметичную емкость с исследуемым грун- в емкости кольцевой нож, герметично соетом и патрубком для подачи жидкости под диняющийрасположенные в емкости торцы давлением, Колонковый набор состоит из наружной трубы, жестко связанной" с кольтруб,соединяющую другие торцы этих труб крышку, связанный с ней и установленный цевым ножом и крышкой, и керноприемной 25 соосно трубам силовозбудитель, сообщентрубой, установленной с возможностью осевого перемещения и связанной с силоизмерителем.Основным недостатком стенда являетный с полостью внутренней трубы сливной патрубок и датчик гидростатического давления рабочей жидкости в емкости, он снабжен предназначенными для ся узкая номенклатура испытываемых грун взаимодействия со слоями грунта установленными вдоль образующей на внутренней трубе и расположенными в зазоре между трубами датчиками давления, каждый из которых выполнен в виде закрепленного на тов, ограниченная однородными и изотропными породами. Стенд позволяет получить лишь величину общей силы трения керна о трубу, В переслаивающихся грунтах, где возрастание силы трения керна о 35 трубе полого корпуса с соосными отверстипряженного состояния керна рыхлых трун- ную для заполнения грунтом емкость с паттов, содержащий колонковый набор срубкам для подачи о нее рабочей жидкости,7, и выполнен фильтр 18, представпяк 1 щий обой полость, заполненную мелким грави. м и сообщенную каналом 19 с полостью нутренней трубы 3. Одна меньшая ступень 5 дифференциального плунжера 14 устаовлена в отверстии. корпуса 13, сообщающемся с полостью внутренней трубы 3, а торая ступень 16 - в отверстии корпуса 13, ерекрытом мембраной 20, Большая стуень. 17 дифференциального плунжера 14 аэмещена в полости корпуса 13, участок 21 оторой со стороны мембраны 20 соединен аналом 22 с фильтром 18, Кроме того плоадь торца меньшей ступени 15 плунжера 4, выступающей в полость внутренней труы 3, выполнена равной площади кольцевой оверхности большей ступени 17 плунжера 4, обращенной к мембране 20.В центре мембраны 20 (в области макимальных деформаций) наклеены полупроодниковые тензорезисторы 23, кл ючен н ые последовательно и образуюие два плеча полумоста, Тензорезисторы 3 всех датчиков 12 давления соединены роводами 24 с усилителем 25.Для эадавливания колонкового снаряда 1 в грунт применен гидравлический привод, ключающий насосную станцию 26 и гидроилиндр 27,Для регистрации и запйси показаний атчика 7 гидростатического давления и енэорезисторов 23 использована установка 28,Исследования напряженного состояний керна рыхлых грунтов производят следующим образом.Собранный колонковый снаряд 1 опускают через отверстие уплотнения 9 в емкость 8 с исследуемым переслаивающимся грунтом и, не. доходя до верхней поверхности грунта кольцевым ножом 4 колонкового снаряда 1, открывают вентиль 11 нагнетательной линии 10. Жидкость из нагметательной линии 10 начинает поступать в емкость 8 и поднимается по внутренней трубе 3 до уровня сливйого патрубка 6.Далее колонковый снаряд 1 опускаютдо уровня грунта в емкости 8, включают насосную станцию 26 гидравлического привода и гидроцилиндром 27 через крышку 5 производят вдавливание наружной 2 и внутренней 3 труб с кольцевым ножом 4 в груне. Одновременно вентилем 11 нагнетательной линии 10 производят регулировку необходимого давления жидкости внутри емкости 8, моделирующего гидростатическое давление.За счет создаваемой разности между гидростатическим давлением и давлением жидкости над керном в колонке грунта в ями в противоположных стенках, эакрепленной на стенке, расположенной со сторо- сны наружной трубы, и перекрывающей ее еотверстие мембраны, датчика ее деформа-вции, расположенного в корпусе, делящего 40 1своей средней большей ступенью его полость на две части ступенчатого дифферен- дциального плунжера, один торец меньшей вступени которого размещен о указанном от- иверстии и связан с мембраной, а торец вто ирой меньшей ступени размещен в другом ротверстии корпуса и предназначен для свя- кзи с испытуемым грунтом, и фильтра, плб- кщадь свободной поверхности большей щступени плунжера, обращенной к мембра 1не, равна площади поверхности торцавто-: брой меньшей ступени, в корпусе каждого идатчика выполнен канал, соединяющий по- . 1лость внутренней трубы с частью полостикорпуса, расположенной со стороны мемб сраны, в котором размещен фильтр этого вдатчика, вНа Фиг.1 изображено предлагаемое ус- щтройство, на фиг,2 - конструкция датчика 2давления, предназначенного для определе- пния скелетных напряжений грунта,Стенд для исследования напряженногосостояния керна рыхлых грунтов содержит вколонковый снаряд 1, выполненный в виде цнаружной 2 и внутренней 3 труб, соединенных сйиэу с кольцевым ножом 4, а сверху - . дс крышкой 5 (фиг,1). Внутренняя труба 3 тснабжена сливным патрубком 6, сообщающим полость внутренней трубы 3 с атмосферой, а наружная труба 2 - с датчиком 7 10гидростатического давления, установленным на уровне сливного патрубка 6 внутренней трубы 3,Емкость 8 с исследуемым переслаиваю-щимся грунтом установлена под колонковым снарядом 1 и выполнена, благодаряуплотнению 9 по наружному периметру колонкового снаряда 1, герметичной, Крометого, она соединена с нагнетательной линией 10 с вентилем 11 и сообщена с датчиком 7 гидростатического давления,В зазоре между наружной 2 и внутренней 3 трубами, на каждом из интервалов.соответствующих интервалам слоев грунтав емкости 8, установлен датчик 12 давления, 25предназначенный для определения скелетных (эффективных) напряжений грунта. Онвыполнен в виде полого корпуса 13 с соосными отверстиями в противоположныхстенках, прйкрепленного (например, сваркой) к внутренйей трубе 3(фиг.2). В корпуса13 датчика 12 давления установлен диффе-ренциальный плунжер 14, состоящий издвух меньших ступеней 15 и 16 и однойраамешеннон между ними большей ступени Збполости внутренней трубы 3 возникает вос- зультате возникающих деформаций тензоходящий фильтрационный поток жидкости, резисторов 23 меняется их сопротивление и.оказывающий фильтрационное давление на следовательно, перепад напряжений, Выминеральный скелет грунта. Фильтрацион- ходное напряжение с полумоста каждого изный приток жидкости в пространство над 5 и датчиков после усилителя 25 регистрирукерном отводится через сливной патрубок 6 ется установкой 28.внутренней трубы 3. По величине изменения перейадов наВеличина создаваемой разности давле- пряжений с тензореэисторов 23 рассчитываний регистрируется датчиком 7 гидростати- ются известным образом силовыеческого давления, установка которого на 10 воздействия на каждую мембрану 20 датчинаружной трубе 2 на уровне сливного пат- ков 12, обусловленные скелетными напряжерубка 6 на его показания. Предварительное ниями грунта, Далее, исходя из площадизаполнение внутренней трубы 3 жидкостью:торца меньшей ступени 15 дифференциальдо уровня сливного патрубка 6 исключает ного плунжера 14, рассчитывают боковые эфзависимость показаний датчика 7 гидроста фективные напряжения огрунта итического давления от фильтрационного определяютскелетныенапряжения гудейпритока жидкости в полость внутренней . ствующие пооси колонки керна (на горизонтрубы 3,.- тальной площадке) и связанные с боковымиПо мере увеличения глубинывнедрения напряжениями ов следующей зависимостью:колонкового снаряда 1 в исследуемый грунт 20 гтв = ло;возникают и нарастают силы трения керна где ,", - коэффициент боково огде ". - коэффициент окового давления,о стенки внутренней трубы 3, обусловливая зависящий от типа грузависящий от типа грунтов,возрастание напряженного состояния мате- В Результате исследорезультате исследований напряженногориала керна. При этом на меньшую ступень состояния керна рыхлых грунтов на предлага 15 дифференциального плунжера 14, высту емом стенде определяют скелетные напряжепающУювполостьвнУтреннейтРУбы 3,дейст- ния в каждом из слое е ения в каждом из слоев переслаивающегосявуют боковые эффективные напРяжения" Ов массива грунта соотве уюв массива грунта, соответствующие определен(на вертикальной площадке) минерального ному перепадумежду гидростатическим дав скелета грунта и давление поровой жидкости лением и давлением налением и давлением над керном,(нейтральное давление), Поскольку канал 19 30 регистрируемому по сигналу датчика 7 устагравийного фильтра 18 и меньшая ступень 15 новкой 28,дифференциального плунжера 14 расположе- Предлагаемый стенд может быть исны практически на одномуровне(это решается пользован также с целью совершенствоваконструктивно), то такоеже нейтральное дав- ния технологии и робоотбора донныхление, которое действует на меньшую ступень 35 переслаивающихся грунтов с бпереслаивающихся г нтов с о ратной про 15 плунхера 14,передается черезкаал 22 на мывкой, Для этого в процессе внедренияучасток 21 полости, в которой установлена колонкового снаряда 1 в емкость 8 подбирабольшаяступень 17 дифференциальногоплун- ются такие параметры обратной пром в.жера . ак как площадь кольцевой поверхно- (разность между гидростатическим давлеж 14.Тсти большей ступени 17 плунжера 14, 40 нйемидавлениемжидкостинадкерномилиобращенной к мембране 20, выполнена рав- расход восходящего фильтрационного потоной площади торца меньшей ступени 15 ка), которые обеспечивали бы, с одной стодифференциального плунжера 14, то уси- роны, минимальное напряженноелия, обусловленные нейтральным давлени- состояние слоев грунта, а с другой - исклюем жидкости на плунжер 14 со стороны 45 чали выносчастиц грунта восходящим потополости внутренней трубы 3 и участка 21 ком жидкости или пульпообразованиеполости корпуса 13, взаимно погашаются. В кернового материала,результате дифференциальный плунжер 14 Таким образом предлагаемый стенд повоспринимаеттолькобоковыеэффективные зволяет исследовать напряженное состоянапряжения ов гР . Я Ов гРУнта, 50 ние керна донных переслаивающихсяПод действием усилия, обусловлениого грунтов при наличии восходящего фильтраэтими напряжениями, плунжер 14 смещается ционного потока жидкости в колонке пробы.относительно корпуса 13 датчика 12 и оказы- Поскольку стенд обеспечивает при этом ис. вает второй меньшей ступенью 16 давление следование массива, представленного одна мембрану 20, которая в результате проги нородными породами, то, следовательно,вдается.Подпитываемыепопроводу 24 посто- расширяется номенклатура испытуемыхянным (или переменным) током и накленные грунтов.на мембрану 20 тензорезисторы 23 также ис- Использование предлагаемого стендапытывают механические напряжения. В Ре- позволяет исследовать и отработать технорректор А. Ворович аз 2762 ВНИИП Тираж Подписйое И Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Уж арине, 101 логию пробоотбора донных переслаиваю- установленными вдоль образующей на щихся отложений с обратной промывкой, внутренней трубе и расположенными в зачто, в конечном итоге, повышает эффектив- зоре между трубами датчиками давления, ность бурения мелких подводных скважин, каждый из которых выполнен в видезакрепа также пробоотбора на море. 5 ленного на трубе полого корпуса с соосныф о р м у л а и з о б р е т е н и я ми отверстиями в противоположных Стенд для исследования напряженного стенках, закрепленной на стенке, располосостояния керна рыхлых грунтов, содержа- женной со стороны наружной трубы и перещий герметичнуюпредназначеннуюдля за- крывающей ее отверстие мембраны, полнения грунтом емкость с патрубком для 10 датчика ее деформации, расположенного в подачи в нее рабочей жидкости, две коакси-корпусе, делящего своей средней большей ально установленные с зазором и с возмбж- ступенью его полость на две частиступенчаностью совместного осевого перемещения. того дифференциальнОго плунжера, один трубы, части которых расположены в емко- торец меньшей ступени которого размеЩен сти, кольцевой нож, герметично соединяю в указанном огверстйи и связан с мембращий расположенные в емкости торцы труб, ной, а торец торой меньшей ступени размесоединяющую другие торцы этих труб . щен в другом отверстии корйуса и крышку. связанный с йей и установленный. предназначендлясвязисиспытуемымгрунсоосно трубам силовозбудитель, сообщен- " том, и фильтра, площадь свободной поверхный с полостью внутренней трубы сливной 20 ности большей ступени плунжера, патрубок и датчик гидростатического давле-" обращенной к мембрайе, равна площадй . ния рабочей жидкости в емкости, о т л и ч а- поверхности торца второй меньшей ступею щ и й с я тем, что. с целью расширения ни, в корпусе каждого датчика выполнен номенклатуры испытуемых грунтов путемканал. соединяющий полость вйутренней обеспечения определения напряженного 25 трубы с частью полости корпуса, располосостояния йе только однородных, но и сло-. женной со стороны мембраны, в котором истых грунтов, он снабжен предназначен- размещен фильтрэтогодатчика.ными для взаимодействия со слоями грунта,