Устройство для испытания грунтов

(53) 3 ПИСАНИЕ ИЗОБРГГ Кемитет Российскей Федерации пе патентам и таварвым знакам(Уб) Амарян Пено Самвелович(7) Использование: в инженерно-геологических изысканиях в строительстве и дпя определения деформационньи и щючностных характеристик грунтов с учетом переменных природных условий, состава и тукстуры грунтов. Сущность изобретению устройство содерВит сменные исполнительные органы секции обсадных труб, соединенные между собой ниппещвв имекхцими цпампы и направляющие паМ фиксаторц размещенные на подвеске исполнительного органа При этом наконечник ,сменного исполнительного органа может быль выполнен в виде многосекционной системы лопастных нрессиометров, фиксатор вьеолнен в виде захватов, система нагружения - в виде общей магистралц проходящей через каждый из прессиометров а система измерения - в виде датчиков перемещения, размещенных на прессиометрак Наконечник сменного исполнительного органа может быть выполнен в виде лородоразрушающего инструмента со шнеком и накопителем. Сменный исполнительный орган выполнен в виде секций нагревательных элементов дпя подогрева воды при испытаниях мерзлых грунтов. Иоюльзование изобретения позволяет повысить производительность труда за счет испытания одновременно на нескольких отметках повысить точность исследования за счет сохранения естественного аюжения и природного нэпряженного состоеия грунтового массива при бурении и испытании. 6 за-лы, 5 иа20 Изобретение относится к инженерно- геологическим изысканиям в строительстве и может быть использовано для определения деформационных и прочностных характеристик грунтов с учетом переменных природных условий.Известен прессиометр, содержащий трехкамерный резиновый цилиндр с пневмогидравлической системой нагружения и измерения при обьемном расширении,Недостатки этого прессиометра заключаются в возможности испытания грунтов лишь в свободных, необсаженных скважинах с устойчивыми стенками, а также на одной отметке, что снижает качество результатов опыта из-за нарушения в процессе бурения естественной структуры природного и напряженного состояния грунтового массива, а также производи, тельности труда.Известен лопастной прессиометр с жесткими штампами, рабочим органом, имеющим двутавровую Форму и механическую систему нагружения.Недрстатки лопастного прессиометрааналогичны недостаткам прессиометра с резиновой оболочкой, несмотря на конструктивные особенности, наличие жестких штампов и возможность испытания слабых грунтов в массиве,Наиболее. близким к изобретению является устройство для испытания грунтов, содержащее исполнительный орган, выполненный в виде наконечника с подвеской, систему нагружения и измерения. Ос новными недостатками его являются отсутствие условий для сохранения природного напряженного состояния грунта в процессе бурения, возможность лишь единичного испытания на одной отметке, ограниченная возможность испытания массива с учетом переменного его состояния по текстуре и температуре.Цель изобретения - сохранение простоты конструкции устройства, существенное повышение производительности труда, значительное сокращение трудоемкости и длительности проведения опыта за счет одновременного испытания на нескольких отметках при обеспечении условий испытания грунтов с сохранением естественного сложения и природного напряженного состояния грунтового массива как в процессе подготовки скважины, так и при непосредственном проведении испытаний; Оно одинаково эффективно может быть использовано в свободных скважинах без использования обсадных труб в грунтовом массиве, сложенном плотными разновидностями грунтов, в которых бурение скважин Ф 25 ЭО 35 40 50 55 влияет нэ природное напряженное состояние незначительно, Создание этих условий позволяет получить массовые и достоверные данные о деформационно-прочностных характеристиках грунтов, что в свою очередь обеспечивает надежность и выбор рациональных параметров фундаментов при снижении расхода и трудбемкости их возведения.Кроме того, возможность одновременного испытания грунтов на разных уровнях по высоте обсадной колонны или свободной скважины, подготовки их к испытаниям, проведение испытаний с учетом переменных природных условий без дополнительного монтажа и демонтажа специального оборудования, позволяет решить задачу по существенному сокращению обьемов существующей многозвенной, сложной и трудоемкой технологии отбора, упаковки, транспортирования монолитов и их лабораторные испытания,Поставленная техническая задача решается тем, что устройство для испытаний грунтов, содержащее исполнительный орган, выполненный в виде наконечника с подвеской, систему нагружения и измерения, снабжено дополнительными органами, Фиксаторами и секциями обсадных труб, при этом дополнительные исполнительные органы выполнены сменными, секции обсадных труб соединены между собой в колонну с ниппелями, имеющими штампы и направляющие пазы, а фиксатор размещен на подвеске исполнительного органа; причем наконечник сменного исполнительного органа выполнен в виде мнагосекционной системь лопастных прессиометров, соединенных между собой электрогидрав- лической связью и оснащенных жесткими штампами, взаимодействующими со штамдами ниппелей обсадных труб, фиксатор выполнен в виде захватов, система нагружения - в виде общей магистрали, гтроходящей через каждый из прессиометров, а система измерения - в виде датчиков перемещения штампов, размещенных на каждом из поессиометров и соединенных электрической связью с многоканальным измерителем, кроме того, сменный исполнительный орган может быть выполнен в виде породоразрушающего инструмента со шнеком и накопителем, а фиксатор - в виде пары резьбовых втулок с упорным подшип-. риком, при этом шнек с породоразрушэющим инструментом соосно размещен в накопителе, шнек жестко соединены с подвеской исполнительного органа, накопитель- посредством подшипника, пара резьбовыр втулок установлена нэ подвеске испол 2002890нительного органа с возможностью взаимо- Другой исполнительный орган 17 имеет действия с колонной обсадных труб, при наконечник, выполненный в виде породоэтом накопитель выполнен в виде стакана с разрушающего инструмента 18 со шнеком раструбом, -шнек имеет. переменный диэ и накопителем 20, при этом шнек 19 жеметр по высоте, а породоразрушающий эле стко соединен с подвеской 21 исполнитель- мент выполнен регулируемым по диаметру ного органа 17, а накопитель 20 - подвижно, бурения. э также сменный исполнительный посредством подшипника 22, Фиксатор выорган может быть выполнен в виде секций полнен в виде пары резьбовых втулок 23, 24 нагревательных элементов для подогрева с упорным подшипником 25,воды при испытаниях мерзлых грунтов с 10 . Накопитвль 20 выполнен в видестаканэ раствплением, а при испытании просэдных 26 и раструба 27, а шнек 19 имеет перемен- грунтов с замачиванивм колонна обсадных ный диаметр по высоте. При бурении водотруб может быть выполнена в виде секций насыщенных песков и текучих глин перФорированных труб наквФтель 20 удерживает грунт от истечеТаким образом использование изобре ния вниз, обеспечивая рейсовое бурение с . тения кроме решения указанных задач по- извлечением грунта на поверхность, зволяет расширить диэпазой исследуемых Бурение плотных грунтов при наличии грунтов различной плотности, .расположен- рупнообломочного материала осуществляных в различных переменных условиях по ютпородоразрушающиминструментом 28 с влажности, температуре и текстуре,20 регулируемым диаметром бурения, достигаНа Фиг.изображена колонна обсад- емым наружного диаметра башмака 6, ныхтрубсо.атамповыминиппедями,общий При исследовании мерзлых грунтов вид; на Фиг. 2 - секция нагревательных эяе.- производят их предварительное растеплементов в обсадной трубе; общий.вид; на Фиг; ние.,для чего исейъзуют сменный исполни - исполйительный орган со сменным нзко тельный орган, выполненный в виде секций нвчником, выполненным ввиде.многосек- изнзгреаэтеаьных элементов 29, соединен.ционной прессиометрической подвески а нмх кабелем ЗО и размещенных внутри освободной буровой скважине, общий вид; юнны обсадных труб 1, которая при на Фиг, 4 - то же, в колоние обсадных труб испытаниях просэдочных грунтов с замачиобщий вид: на Фиг, 5 - . исполнвтвльный ор- Зо езнивм аьиелняется перфорированной.ган со сменным наконечником, выполнен- . Устройство работает следующим обрэн ым в виде породоразрувающбго.зом;,,инструмента, размещенного в колонне об- Восле предварительной проходки лидисэдныхтруб. : . рующей скважины глубиной около 1,5 м вУстройствододержитколоннуобсэдных 35 нвв ощскэют две обсадные трубы 1 с ниптруб 1, состоящих из Секций, соединенных. пелем 2 и через пару резьбовых втулок 23, между собой ниппелями 2, оснащенными 24 исполнительный орган 17, выполненный штампами 3, установленными герметично в аиде породорэзрувающего инструмента через упругий элемент 4. Нзаерхнвм нэпе со енеком 19 и накопителем 20 и с поле имеются направляющие пазы 5, э нз тор мощьа буровой. установки осуществляют це нижнего ниппеля - башмак 6. Сменныйбурение,в щюцвссв которого подвеска 21, исполнительный орган 7 имеет наконечник, выполненная в аиде колонны бурового инсвыполненный в виде многосвкционной.сис- трументз, погружается до заданной отметки темы лопастных прессиометрови подвеску . массива совместно с колонной обсадных 8, Каждый прессиометр системы содержит 4 труб 1.8 мягкихгрунтахинеплотныхпесках корпус 9 с подвижными жесткими атзмпа- торец башмака 6 опережает нижнюю режуми 10, датчиком перемваения 11 и негру- щую плоскость породорззрушающего инстэочным возвратно-ограничительным, румента 18 на величину Ь, исключая приспособлением 12. Лопастные прессио- сводообраэовзние или оплывание грунта метры соединены между собой электрогид при его извлечении. Величину Ь устанавлиравяической связью 13, Фиксатор выполнен . вают с помощью регулирования втулок 23.в виде захватов 14 и установлен на подвескв 24, В плотных грунтах из-зэ больших сопро,8 исполнительногооргана 7, Система нагру- тивлений погружению в массив башмака б жения выполнена в виде общеймагистрали величину й уменьшают с помощью регули. совмещенной с подвеской 8, 13 и кабе рования втулок 23, 24, обеспечивая норлем. проходящей через каждый иэпрессио- мэльный процесс совместного погружения метров, а система измереНия - в виде колонн обсадных труб 1 и исполнительного . датчиков 11 перемещения, соединенных органа 17. В грунтах плотных и с крупными электрической связью 15 с многоканальным включениями используют породоразрушаизмерителем 16. ющий инструмент 28 с регулируемым диа 200289010 30 метром бурения, достигающим наружного диаметра башмака б. Благодаря указанным возможностям после извлечения из обсадных труб 1 исполнительного органа 17 грунтовый массив сохраняет свое природное напряженное состояние, так как обсадная труба 1 и сам процесс бурения исключают возможность оплывания, размягчения или сводообразования, что существенно повышает качество и точность результатов самих испытаний грунта на деформацию и прочность.Процесс бурения и погружения колонйы обсадных труб 1 целесообразно осуществлять.на полную или возможно большую глубину исследуемого грунтового массива путем последующих наращиваний обеих кодонн 1, 17 и извлечения разрушенного грунта на поверхность, При достижении . максимально возможной глубины бурения и обсаживания скважины извлекают исполнительйый орган 17. Для проведения испытаний опускают исполнительный орган 7 на подвеске 8 с многосекционной прессиомет рической системой в обсадную трубу 1 на глубину, 6 лизкую к направляющим пазам 5. . При вхождении последнего прессиометра в зону верхнего ниппеяя 2 захваты 14 автоматически ориентируются в направляющих пазах б, при этом штампы 1 О прессиометров устанавливаются найротив штампов 3 ниппелей 2, так как расстояьия между прессиометрами и штампами ниппелей совпадают, после чего дальнейшее опускание прессиометра прекращается, что указывает на возможность проведения опыта. При йодаче давления во все прессиометры исполнительного органа 7 по единой, магистрали 15 происходит раздвижение штампов 10 прессиометров; которые взаимодействуют со штампами 3 ниппелей 2, выдвигая их в грунтовый массив. При этом благодаря жесткой системе штампов прессиометра строго обеспечивается плоскопараллельное движение штампов 10 прессиометра вместе со штампами 3 ниппелей 2, исключая возможные перекосы штампов 3 из-за наличия в грунте твердых включений и различной плотности. В процессе опытасо ступенчатым или непрерывным нагружением фиксируют перемещение штампов 3 и 10 датчиками перемещений 11, вмонтированными и каждый прессиометр с помощью стандартной многоканальной электронной системы 16 через кабель 15, что дает возможность по этим параметрам определить характеристику деформируемости грунта - модуль его деформации по стандартной методике. Доведя опыт ро значений деформаций, соответствующих разрушению грунта, определяют прочностные его характеристики, .пользуясь теми же известными рекомендациями.Окончив первую серию опытов, извлекают прессиометрическую систему, производят последующее бурение с обсаживанием, углубляясь на новую заданную глубину, и осуществляют новую серию опытов с изложенной выше последовательностью.Изобретение позволяет проводить одновременно несколько опытов по высоте колонны обсадных труб 1 в зависимости от количества в секции прессиометров и взаимодействующих с ними ниппелей 2. При необходимости более частого опробования грунтового массива достаточно поднятия колонны обсадных труб 1 на полуторную высоту штампов 3, что обеспечивает испытание всей толщи практически непрерывно.Многосекционная прессиометрическэя система может быть использована для испытания грунтов в свободной, не обсаженной скважине с устойчивыми стенками без спуска-подьемных операций и йспользования работы захватов 14, которые предварительно убираются и фиксируются в своих направляющих,Испытания мерзлых грунтов с оттаива. нием проводят следующим образом. Пробурив скважину в мерзлом грунте на полную глубину обследования, свободно опускают ц нее колонну обсадных труб 1 со шамповыми ниппелями 2, заполняют ее водой. и с помощью опущенных в нее секций нагревательных элементов 29 прогревают жидкость до заданной температуры, выдерживая ее до полного растепления грунтовой зоны вокруг колонны обсадных труб 1, После этого приступают к испытаниям грунтов с помощью лопастнь 1 х прессиометров через штампы 3 ниппелей 2 с описанной выае последовательностью, Для оценки свойств грунтов в мерзлом состоянии процесс испытаний осуществляют перед растеплением в свободной скважине без использования колонны обсьдных труб, применяя дополнительные накладки, устанавливаемые на штампы 9, 10.Методику испытания мерзлых грунтов с растеплением используют также для оценки механических свойств просад.грунтов с замачиванием, применяя при этом перфорированные обсадные трубы, позволяющие теплой воде ускорено проникать в затрубную грунтовую зону. После водонасыщения этой зоны осуществляют испытания замоченного просадочного грунта с той же по2002890 следовательностью, Толщину просадочного грунта предварительно испытывают в сухом, не замоченном состоянии в свободной скважине с целью сопоставления данных по деформируемости и прочности до и после 5 замачивания. 3, Устройство по п.1, отличающеесятем, что наконечник сменного исполнительного органа выполнен в виде пародоразрушающего инструмента со шнеком инакопителем, а фиксатор - в виде парырезь 65 вых втулок с упорным подшипни 15 ком, при этом шнек соосно размещен в накопителе и жестка соединен с подвескойисполнительного органа, а накопительпосредством подшипника, причем парарезьбовых втулок установлена на подвеска20 исполнительного органа с возможностьювзаимодействия с колонной обсадныхтруб.4. Устройство по п.З, отличающеесятем, что накопитель выполнен в виде стакана с раструбом, а шнек имеет переменный диаметр по высоте.5. Устройство по п,З, отличающеесятем, что породоразрушающий элемент выЗО,полнен регулируемым по диаметру бурения,6. Устройство по п,1, отличающеесятем, что сменный исполнительный органвыполнен в виде секций нагревательныхЗ 5 элементов для подогрева воды при испыта ниях мерзлых грунтов с растеплением.7, Устройство по п,6, отличающееся:тем, что колонна обсадных труб для испы 40 тания просадочных грунтов выполнена изсекций перфорированных труб,Формула изобретения1, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВ, содержащее исполнительный орган, выполненный в виде наконечника с подвеской, систему нагружения и измерения, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными исполнительными органами, фиксаторами и секциями обсадных труб, при этом дополнительные исполнительные органы выполнены сменными, секции обсадных труб соединены между собой в колонну ниппелями, имеющйми штампы и направляющие пазы, а фиксатор размещен на подвеске исполнительного органа..2. Устройство по п,1, отличающееся тем, что наконечник сменного исполнительного органа выполнен в виде много- секционной системы лопастных прессиометров, соединенных между собой электрогидравлической связью и оснащенных жесткими штампами, взаимодействующими со штампами ниппелей обсадных труб, фиксатор выполнен в виде захватов, система нагружения - в виде общей магистрали, проходящей через каждый из пуессиометров, а система измерения в виде датчиков перемещения штампов, размещенных на каждом из прессиометров и соединенных электрической связью с многоканальным измерителем.