Способ определения прочностных свойств грунта и устройство для определения прочностных свойств грунта

Изобретение относится к строитель;,ству, в частности к инженерной геологии.Известен способ определения прочностных свойств грунта, состоящий Взадавливании в грунт конуса-крыльчатки и вращении его с приложением осевой нагрузки с фиксацией максимального и минимального усилий 1 .Недостатком данного способа явля,ется то, что в нем не определяется 10и не учитывается дополнительное давление, нормальное к поверхности среза,возникающее в момент среза за счетсил выталкивания грунта лопастямикрыльчатки. 15Наиболее близким к изобретениюявляется способ определения прочностных свойств грунта, включающий погружение полого корпуса с крыльчаткойв грунт, приложение к корпусу с 20крыльчаткой различных по величинеступеней нормальных нагрузок, вращение корпуса с крыльчаткой при каждой ступени приложения нормальнойнагрузки с измерением крутящих моментов, извлечение из грунта корпуса с крыльчаткой, определение тренияметалла корпуса и крыльчатки по грунту и определение удельного сцепленияи угла внутреннего трения грунта 2 .Недостатком указанного способаявляется производство среза в различных уровнях испытания, что можетпривести к существенным ошибкам прииспытании неоднородных грунтов типаленточных глин.35Кроме того, поправку на трениеметалла о грунт не замеряют непосредственно в забое скважины, а определяют по номограммам. Не учитывается также и не опоеделяется поправка 40на слипание грунта с металлом корпуса и крыльчатки,Известно устройство для.определения прочностных свойств грунта,включающее наконечник с лопастями д 5прямоугольной формы 13 .Недостаток этого устройства заключается в том, что при производствесреза возникает дополнительное давление, нормальное к боковой поверхности среэаемого массива грунта,которое практически не поддаетсяучету, так как зависит от прочностных характеристик грунта.Наиболее близким к изобретению является устройство для определения прочностных свойств грунта, содержащее штангу, полый корпус с крыльчаткой, установленный на нижнем конце штанги, приспособления для созда ния нормальной нагрузки на корпус с крыльчаткой и его вращения и измерительные приспособления 4 Д .Недостатком указанного устройства является сложность конструкции, выз ваниая необходимостью разельного эадавливания в, грунт внутреннего кольца с крыльчаткой, внешнего кольца и разгрузочного ножа. КрОме того,наличие заостренных торцов внутреннего и внешнего колец и крыльчатки создает дополнительное давление на грунт и трение, учесть которые не представляется возможным.Цель изобретения - повышение точностИ исследований.Указанная цель достигается тем, что в способе определения прочностных свойств грунта, включающем погружение полого корпуса с крыльчаткой в грунт, приложение к корпусу с крыльчаткой различных по величинеступеней нормальных нагрузок, вращение корпуса ,с крыльчаткой при каждой ступени приложения нормальной нагрузки с измерением крутящих моментов, извлечение из грунта корпуса с крылъчаткой, определение величин трения металла корпуса и крыльчатки по грунту и определение удельного сцепления и угла внутреннеготрения грунта, приложение различныхпо величине ступеней нормальных нагрузок к корпусу с крыльчаткой производят в одном уровне среза, апосле извлечения корпуса с крыльчаткой из грунта на поверхность срезаопускают конус, изготовленный из того же металла и с одинаковой чистотой поверхности с корпусом и крыльчаткой, производят вращение конуса с измерением крутящих моментов втой же последовательности и с приложением тех же ступеней 1 нормальнойнагрузки, что и при вращении корпусас крыльчаткой, а по величине крутящих моментов вращения конуса определяют величины слипания с грунтом и трения по грунту металла корпуса и крыльчатки,Указанная цель достигается также тем,что устройство для определения прочностных свойств грунта, содержащее штангу, полый корпус с крыльчаткой, установленный на нижнем конце штанги, приспособления для создания нормальной нагрузки на корпус с крыльчаткой и его вращения и иэмерительные приспособления, снабжено конусом,выполненным из одинакового с корпусом и крыльчаткой металла и с одинаковой частотой поверхности, корпус крыльчатки выполнен в виде усеченного конуса, а торцы корпуса и крыльчатки выполнены плоскими.На фиг. 1 изображено устройство для определения прочностных свойств грунта, общий вид; на фиг, 2 - раэрез корпуса с крыльчаткой, вид сверху и сечение А-А; на фиг, 3 - конус; на фиг. 4 - торцовые поверхности корпуса и крыльчатки на фиг. 5график для определения коэффициентатрения конуса о грунт; ва фиг, бграфик для определения коэффициентавнутреннего трения грунта,Устройство для определения прочностных свойств грунта состоит изштанги 1 (Фиг. 1), на нижний конецкоторой навинчен корпус 2 с крыльчаткой 3 (фиг.2) или конус 4 (Фиг. 3)В верхней части штанги крепитсяприспособление для создания нормальной нагрузки на корпус с крыльчаткой,например грузовая платформа 5, накоторую помещен набор грузов 6.На верхнем конце штанги крепится приспособление для создания вращения, например силовой 7 и поворотный 8 рычаги, между которыми помещается измерительное приспособление,например динамометр 9.Для выхода защемленного воздухав днище корпуса 2 выполнены отверстия 10. Для соединения корпуса 2 соштангой корпус 2 снабжен хвостовиком 11. Конус 4 (фиг. 3) снабженхвостовиком 12 для соединения соштангой 1 (фиг. 1).Способ определения прочностныхсвойств грунта осуществляется следующим образом.На защищенный забой скважины наштанге 1 (фиг. 1) опускают корпус 2с крыльчаткой 3 (фиг, 2). Корпус 2задавливают в грунт на высоту крыльчатки, При помощи грузов б (фиг. 1).,помещенных на грузовую платформусоздают первую ступень нормальнойнагрузки, при которой в случае консолидированного среза делают выдержКу,При помощи поворотного 8 и силового 7 рычагов производят первоначальное вращение корпуса 2 с крыльчаткой. 3 и фиксируют по динамометру 9две величины вращающей силы: однумаксимальную, соответствующую первому максимальному крутящему моментувторую -минимальную, соответствующую установившемуся крутящему моменту И;,В случае необходимости определения структурного сцепления и сцепления связности после выдержки грунта(обычно в течение 15 мин) при первойступени нормальной Нагрузки производят повторное вращение с определением максимального М и минимального М, крутящих моментов.Затем создают вторую ступень нормальной нагрузки и производят вращение корпуса 2 с крыльчаткой 3 с Фиксацией по динамометру величины вращающей силы, соответствующей установившемуся крутящему моменту МП 1 В случае необходимости определения структурного сцепления и сцепле ния связности делают выдержку грун где М - крутящий момент;Г - величина вращающей силы,приложенной к приспособленийдля создания вращения;плечо вращающей силы, расстояние от оси вращения доточки приложения силы,Величину удельного слипания сгрунтом металла корпуса и крыльчат"ки определяют по формулев45ЛпД,онгде М;щри М"о" - соответственно максимаЛьюИный и минимальный (уста"50 новившийся) крутящие моменты, полученные прн вра.щении конуса под нормаль"ной нагрузкой;и - количество ступеней нор 55 . мальной нагрузки;Д - постоянная конуса, вычисляемая по формуле2 л 3д: - у н Й60 где й - радиус основания конусагЛ - удельное слипание металлакорпуса и крыльчаткн с грун"том;номер ступени нормальной65нагрузки. 40 та при второй ступени нормальнойнагрузки и производят повторное вра-,щение с определением максимальногоМ и минимального М, крутящихс я 4 пмоментов.Аналогично работе при второй ступени нормальной нагрузки опыт повторяют несколько раз при различныхступенях нормальной нагрузки с определением крутящих моментов, после 10 чего корпус 2 с крыльчаткой 3 извлекают из скважины, а иа полученнуюповерхность среза на штанге 1 опус"кают конус 4 (Фиг. 3). При помощигрузов б (фиг. 1), помещенных на гру зовую платформу 5, создают первуюступень нормальной нагрузки.При.помощи поворотного 8 и силового 7 рычагов производят вращениеконуса 4 (Фиг. 3) с определениеммаксимального М,, и минимального(установившегося) М,крутящихмоментов.При отсутствии слипания между металлом и грунтом максимальный крутящий момент не определяют.Опыт повторяют столько же рази при тех же ступенях нормальныхнагрузок, что и при вращении корпусас крыльчаткой.Результаты опытов обрабатываютследующим образом: крутящие моментырассчитывают по формулеОО 8353 по Форш=ллл. Б, - (Е б 1,где Величину удельного сцеплениягрунта С вычисляют по Формуле йх - И и;1 п - Лф ЛСВФ где И;, и И - соответственно макси)1 н мальный и минимальный крутящие моменты, полученные при вращении кор- О пуса с крыльчаткой под первой ступенью нормаль" ной нагрузки; А и В - постоянные крыпьчатки, определяемые по форму лам Л =Д гдеэл В = Ц где,5 где д - бесконечно малый элементповерхности; г - расстояние бесконечно малого элемента поверхности от оси вращения;25 5 - торцовые поверхности корпуса и крыльчатки; 5 - поверхность среза без тор- .2 цовых поверхностей корпуса и крыльчатки.ЗОУказанные формулы справедливы для вычислений постоянных крыльчатки с любым количеством лопастей и, в частности, для четырехлопастной крыльчатки после интегрирования принимают вид: 35 344 а ф 11, 4 О а, Пояснение величин, входящих в Формулы, дано на Фиг. 4, где й, - внешний радиус корпуса; В - внутренний радиус корпуса;45 2 с 1 - толщина лопастей крыльчатки; . 9 - центр вращения корпуса икрыль ч ат ки; О, Е, Г - точки, ограничивающие один 5 О из четырех ранозначных секторов поверхности среза; Н - точка, находящаяся на пересечении линии, проведенной через середину торцо вой поверхности лопасти, и окружности, проведеннойИз точки О радиусом й; постоянный угол ВОН =агсв 1 о 3, 60 51 ПЮВУдельное сопротивление грунтавращению конуса ск" при нормальной нагрузке определяютмулелМ конконсто нд где И - минимальный (установив 1 ю 1 ишийся) крутящий момент при вращении конуса под нормальной нагрузкой;Д - постоянная конуса.Коэффициент трения конуса о грунт Ккон определяют как угловой коэффициент прямой, проведенной через точки Р ( б",о" ) способом наименьших квадратов или другим известным способом. При расчете способом наименьших квадратов вычисления проводят по Формулам кон 1,", кон," л,кон н1=1 1:1 где 6; - удельная нормальная нагрузка на грунт, передаваемая конусом;и - количество ступеней нормальных нагрузок.При графическом определении коэффициента трения конуса Кк после вычисления всех значений, удельногосопротивления грунта вращению конуса к , соответствующих разнымступеням нормальных нагрузок нагрунт, передаваемых конусом, в прямоугольной равномасштабной системекоординат наносят точки Р ( б), откладывая по оси абсциссзйачения 6;, а по оси ординатзначения ь"о" (Фиг. 5). Через этиточки на плоскости проводят прямуюс учетом правил графического осреднения. Тангенс угла ос этой прямойбудет являться угловым ее коэффициентом, который равен коэФФициенту трения конуса о грунт Ккон Ф т,е,йули = Ккон, тангенс угла К (с 9 и)может быть определен иэ прямоугольного треугольника АВС или через значение угла А , величина которого может быть измерена непосредственнона чертеже,Удельная сила трения грунта огрунт ю Г при вращении крыльчаткис корпусом под удельной нормальнойнагрузкой определяется по формулеАкР И 1 пд К О 1 Лкон г.Вгде И;., - минимальный (установившийся) крутящий моментпри вращении крыльчаткис корпусом под 1-й ступенью удельной нормальной нагрузки 6;А и В - постоянные крыльчатки.1008353екаэ 2288/40 Тираж ВН ИИПодписно филиал ПОП фйатент",гУжгород,уектиа