Устройство вращательно-статического зондирования грунта

САН ИЗО К ПАТЕН СР Оз Комитет Россиискои Федерации по патентам и товарным знакам(4 В) 30.12.93 Бюл. Йя 4 Т 76) Хрусталев Евгений Николаевич(И) Использование: область комплексных инженерно-геологических изысканий в целях строительства методом вращательного среза и статического зондирования Сущность изобретения устройство содержит комбинированный рабочий наконечник-конус с втулкой и лопастный наконечник схвостовиком. Наконечник через отключающее.приспособление соединен с колонной составныхштанг. Лопастный наконечник размещен ниже конуса на расстоянии не менее 1,5 - 2,0 диаметра основания конуса. Углы при вершине конуса, скоса и(51) 5 Е 02 Р 1 00 заточки лопастного наконечника и хвостовика выполнены равными, Нагрузочное приспособление содержит узел замера параметров крутящего момента в виде кронштейна Кронштейн установлен вСквозной прорези корпуса с рукоятками и стаканом. В полости стакана с возможностью продольного перемещения установлена шлицевая втулка с уступом. Шлицевая втулка проходит через шлицевое отверстие в кронштейне и связана с колонной штанг разъемной вилкой. Нагрузочное приспособление содержит узел замера осевых нагрузок в виде динамометрической пружины сжатия, установленной в стакане между корпусом и уступом на шлицевой втулке. Измерительное приспособление выполнено в виде деформометров и линейной шкалы с йониусом, подвижно установленным в прорези. 2 зп.ф-лы, 5 ил.Изобретение относится к области комплексных инженерно-геологических изысканий в целях строительства и служит для исследования преимущественно слабых грунтов методом вращательного среза и статического зондирования.Известно устройство статического зондирования грунта, включающее составную штангу с конусным наконечником и отклю чающим приспособлением для осуществления их относительного продольного перемещения, нагрузочное устройство в виде корпуса с рукоятками, взаимодействующего через динамометрическую пружину 15 сжатия с втулкой, закрепленной на штанге с возможностью продольного перемещения, и измерительное приспособление в виде деформометра динамометрической пружины 1), 20Недостатком известного устройства являются ограниченные функциональные воз- . можности, связанные с определением в массиве только параметров статического зондирования грунта и величины трения по 25 боковой поверхности колонны штанг.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для испытания грунта вращательным сре зом, включающее составную штангу с лопастным наконечником и отключающим приспособлением для осуществления их относительного вращения и продольного перемещения, нагрузочное устройство в виде Э 5 корпуса с рукоятками, взаимодействующего через упор одной из них с плоской динамо- метрической пружиной,.закрепленной на кронштейне втулки, установленной в корпусе с воэможностью вращения вокруг своей щ 50 55 оси и закрепленной на составной штанге с возможностью продольного перемещения, измерительное приспособление в виде деформометра прогиба динамометрической плоской пружины, причем штанга с крыльчатым наконечником соединена шлицевым соединением, входящим в зацепление в крайнем положении 2,Недостатком известного устройства являются ограниченные функциональные возможности, связанные с определением в массиве только параметров вращательного среза и.невозможностью комплексного исследования свойств грунта в одной точке.Ожидаемый технический результат- упрощение конструкции при расширении функциональных возможностей и повышение производительности при высокой точности комплексных исследований грунта в одной точке и на одном инженерно-геологическом горизонте - в предлагаемом устройстве вращател ьно-статического зондирования грунта, содержащем рабочий лопастный наХонечник с хвостовиком, составную штангу, связанную с хвостовиком лопастного наконечника через отключающее приспособление в виде разьемного соединения для их относительного вращения и продольного перемещения, нагрузочное приспособление в виде корпуса с рукоятками, закрепленного на штанге с возможностью продольного перемещения, узла замера параметров крутящего момента с плоской динамометрической пружиной, контактирующей с упором рукоятки, и кронштейна, установленного в корпусе с возможностью вращения вокруг оси штанги, и измерительное приспособление в виде деформометра прогиба плоской пружины. достигается тем, что рабочий наконечник "снабжен полым конусом с втулкой, подвижно установленной в полости отключающего приспособления с возможностью относительного вращения и продольного перемещения, в полости конуса и его втулки подвижно установлен хвостовик лопастного наконечника с возможностью относительного вращения и продольного перемещения, лопастный наконечник размещен ниже конуса на расстоянии не менее 1,5 б -2 б, где б. - диаметр основания конуса, а нагрузочное приспособление оснащено узлом замера осевых нагрузок на весь рабочий наконечник в виде шлицевой втулки с уступом, закрепленной на штанге посредством разъемного соединения и соосно установленной в корпусе с возможностью относительного продольного перемещения в шлицевом отверстии кронштейна, а также динамометрической пружины сжатия, установленной между уступом шлицевой втулки . и корпусом, причем корпус оснащен стаканом с линейной шкалой замера величины поджатия пружины сжатия и дополнительным деформометром ее сжатия, а углы при . вершине конуса, хвостовика и углы заточки лидирующих кромок и скоса лопастей рабочего наконечника выполнены равными,Снабжение нагрузочного приспособления шлицевой втулкой, закрепленной на штанге и связанной с кронштейном через подвижное шлицевое соединение, установка между уступом шлицевой втулки и корпусом динамометрической пружины сжатия, снабжение пружины сжатия деформометром, а корпуса стаканом с линейной шкалой замера величины поджатия пружины сжатия является новым по отношению к прото 2005129типу. Снабжение рабочего наконечника полым конусом с втулкой, подвижно установленной в полости отключающего приспособления, установка хвостовика лопастного наконечника с возможностью продольного перемещения и относительного вращения в полости втулки конуса. размещение лопастного накснечника ниже конуса на расстоянии не менее чем 1,5 бб, где б - диаметр основания конуса, заточка под одним углом вершины конуса, лопастного наконечника и его хвостовика являются отличием от прототипа,При исследовании известных в науке и технике решений совмещение лопастного наконечника с конусом с одинаковым углом при вершинах для производства в одной точке массива на одном уровне вращательного среза и статического зондирования грунта таким образом, чтобы они отстояли друг от друга при лидирующем положении лопастного наконечника на расстоянии 1,5 б - 2 б от конуса с диаметром основания б и минимально влияли на показания друг друга при минимальной нарушенности естественной структуры исследуемого грунта, не было обнаружено. Не обнаружены нагрузочное устройство и измерительные при-. способления для передачи на грунт и замера в одной точке массива момента вращательного среза и осевой нагрузки с высокой точностью и разделением определяемых параметров грунта. В то же время известные совмещенные конусы с лопастными наконечниками оказывают влияние на показания друг друга, а именно, когда конус расположен перед, или конус находится на уровне лопастей наконечника, или конус расположен за лопастным наконечником на расстоянии менее 1,5 б - 2,0 б. В этих случаях производят переуплотнение грунта в зоне вращательного среза и получают неудовлетворительные результаты опытов.Был найден рабочий наконечник для совмещения испытания в одной точке массйеа грунта методом динамйческого зондирования и вращательного среза, в котором конусный наконечник также расположен частично за лидирующим лопастным наконечником 3),Однако в известном техническом решении конус и лопастный наконечник на 1/3 высоты конуса совмещены, что приводит в процессе динамического погружения зонда к существенному переуплотнению грунта в зоне испытания егб вращательным срезом. Было найдено и универсальное нэгрузочное устройство для раздельного и совместного нагружения грунта черезкомбинированный рабочий наконечник уси 5 лием статического вдавливания конуса и моментом вращательного среза лопастями,выполненный в виде корчуса с рукоятками,установленного на шлицевой втулке с возможностью продольного перемещения и10 сжатия динамометрической пружины сжатия, размещенной между ними, а также линейной шкалой замера величины сжатияпружины, служащей в качестве измерительного приспособления 4,Однако известное нагрузочное устройство не может работать в условиях сильноразнящейся плотности грунта по глубинеисследуемого массива, так как в нем отсутствует механизм предварительного поджатия динэмометрической пружины сжатиядля замера параметров более плотных грунтов, а деформометр часового типа имеет ограниченный ход индикаторной ножки,25 рассчитанный у деформометра "ИЧ" на10 мм. Реечно-шестеренчатый механизм замера крутящего момента сложен по конструкции, имеет пары трения и более сложенв тэрировке, Изготовление устройства бо 30 лее сложное и требует более высокой квалификации работников.Это свидетельствует о том, что заявленное решение, содержащее всю приведенную совокупность признаков, отвечает35 критерию "изобретательский уровень",Технический результат-упрощение конструкции при расширении функциональных4воэможностей и повышение производительности при высокой точности комплекс 40 ных исследований грунта в одной тачке и наодном инженерно-геологическом горизонтегрунтового массива - основывается на том,что, во-первых, рабочий наконечник выполнен комбинированным и составленным иэ45 стандартных лопастного наконечника и конуса,.совмещенных таким образом, что лидирующее расположение первого нарасстоянии 1,5 б - 2,0 б от второго, где б -диаметр основания конуса, не сказываетсяна результатах замеров параметров грунтас каждого из них. Этому способствует и то,что крыльчатый наконечник по диаметрупочти вписывается в диаметр конуса, а углызаточки крылок иих скоса и угол заточкихвостовика крыльчатого наконечника равныуглу при вершине конуса, Расстояние 1,5 б - 2,0 б выбрано из условия отсутствия влияния эоны уплотнения грунта перед конусом. на показания крыльчатого наконечника для Ф2005129 7 8диапазона плотностей от слабых до средней конце через отключающее приспособление плотности грунтов, в которые может быть 2 с комбинированным рабочим наконечнизадавлен этот рабочий наконечник. Выпол- ком в виде конуса 3 и лопастного наконечнение крыльчатого наконечника и конуса с ника 4, хвостовик 5 которого с исключением взаимного влияния на пере возможностью вращения и продольного пеамещения друг друга и с отключающим их ремещения подвижно установлен в сквозпоочередно устройством позволяет повы- ном отверстии 6 конуса 3. Лопастный . сить точность исследований засчет учета наконечник 4 размещен ниже конуса 3 на влияния трения грунта о штанги на показа- расстоянии не менее 1,5 б - 2,0 б, где б - ния вращательного среза и статического 10 диаметр основания конуса 3, а угол а при зондирования. Во-вторых, нагрузочное при- вершине конуса 3, угол ф при вершине хвоспособление, содержащее в себе узлы заме- стовйка 5,.углы у заточки лидирующих крора параметров статического зондирования .мак и угол О скоса лопастей наконечника 4 и вращательного среза, выполнено до пре- выполнены равными, Отключающее придела простым по конструкциии в эксплуата- способление 2 выполнено из полого переции при высокой точности замеряемых ходника 7 с перемычкой 8 и уступом 9, величин. Это достигается тем, чтоузел заме-совмещенного с втулкой 10 конуса 3, буртик ра крутящего момента и узел замера осевых, 11 которой упирается в перемычку 8 и кото- нагрузок установлены в корпусе на подвиж рая установлена в полости 12 переходника ном шлицевом соединении одной втулки, 7 с возможностью продольного перемещезакрепленной на штанге с воэможностью, ния и относительного вращения, Хвостовик относительного продольного перемещения, 5 лопастного наконечника 4 свободно проВсе это позволяет в одной точке на одном ходит через отверстие в перемычке 8 пере- инженерно-геологическом горизонте одно ходника 7, выполнен на верхнем торце с еременно производить замер параметров выступающим буртиком 13 и кулачками 14, статического зондирования и при повороте взаимодействующими с ответными пазами устройства вокруг своей оси замер момен- и кулачками 15 в глухой полости 16 переходтов вращательного среза грунта комплекс- ника 7, и установлен в полости 16 с возмож,ным рабочим наконечником с 30 ностью продольного перемещения и Фиксированным разделением замеряемых относительного вращения.параметров грунта, при этом Вдвое возра- На верхнем конце составной штанги 1 с стает производительность исследОваний, возможностью продольного перемещения Установив требуемую вевечииу йоджатия закреплено посредством разъемного соеДидийамометрической пружины сжатия узла 35 нения в виде вилки 17 нагрузочное приспоээмерэосевых нагрузок для исследуемого в собление, выполненное в виде полого процессе зондирования данной плотности корпуса 18 со стаканом 19 и рукоятками 20.грунта, Можно с высаай точностьюиссле- одна из которых снабжена упором 21, кондоеать более или менее аотнйа грунты в . тактирукицимсо свободным концом плоэадаижах диапазонах поджатия пружины, 40 ской динамометрической пружины 22, ДаМиеительный деформометр, установ- консольно закрепленной на корпусе 18.леннйй между корпусом и нижним концом Узел замера параметров крутящего момен- втулки динамометрической пружины сжа- та состоит из кронштейна 23, установленнотия,свысокойточностьюпозволяетвзадан- го на шлицевой втулке 24 посредством ном интервале передаваемой на штанги 45. подвижного шлицевого соединения с воз. осевой нагрузки определять параметры ста- можностью свободного продольного перетическогозондирования грунта, а линейная мещения и в сквозном проеме 25 корпуса 18 шкала на стакане корпуса регистрирует ве- между бронзовыми вкладышами 26 с возличину предварительного поджатия пружи- можностью свободного вращения. Кроншны сжатия для определенного диапазона 50 тейн 23 . посредством упора 27 плотностй исследуемого грунта. взаимодействует через центр плоской динаНа фиг.1 показан общий вид описывае- мометрической пружины 22 с индикаторноймого устройства, совмещенный с разрезом; ножкой деформометра 28, закрепленного на фиг,2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - на рукоятке 20 с упором 21 посредством разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - разрез В-В фиксирующего винта 29. Узел замера осена фиг. 1; на фиг.5 - разрез Г-Г на фиг,1. вых нагрузок нагрузочного приспособленияУстройство вращательно.статического выполнен в виде установленной на шлицезондирования грунта состоит из колонны вой втулке 24 между ее уступом 30 и дном составных штанг 1, связанной на нижнем стакана 19 корпуса 18 динамометрическойпружины сжатия 31, Шлицевая втулка выполнена на верхнем конце с резьбовым участком, на котором с помощью двух резьбовых гаек 32 закреплен фиксатор 33 для крепления деформометра 34 сжатия динамометрической пружины сжатия 31, установленный на втулке 24 посредством шлицевого соединения с возможностью продольного перемещения, и с помощью реэьбовой гайки 35 зафиксирован корпус 36 раэьемного соединения посредством вилки 17 шлицевой втулки 24 со штангой 1. Стакан 19 корпуса 18 выполнен с линейной шкалой 37 вдоль прорези 38, в которой с возможностью продольного перемещения установлен самотормозящийся подвижный нониус 39, упирающийся в уступ 30 шлицевой втулки 24,Устройство вращательно-статического зондирования грунта работает следующим образом, Посредством рукояток 20 вручную задавливают в массив грунта комбинированный рабочий наконечник-конус 3 и лопастный наконечник 4 и производят замер параметров, статического зондирования грунта - общее сопротивление 0 грунта статическому зондированию, которое включает лобовое сопротивление Р грунта проникновению рабочего наконечника и сопротивление о грунта трению о боковую поверхность рабочего наконечника, отключающего приспособления 2 и штанг 1, при этом усилив О через штанги 1, замкнутые посредством вилки 17 на шлицевой втулке 24, передается на динамометрическую пружину сжатия 31, сжимаемую корпусом 18 усилием рукояток 20. При сжатии пружины 31 уступ 30 шлицевой втулки перемещает нониус 39 па линейной шкале 37 стакана 19 корпусе 18 и производится грубый фиксированный отсчет деформации 1 пружины 31, в те же время точные замеры величины И производятся по деформометру 34, индикаторная ножка которого опускается при сжатии пружины 31 и перемещении корпуса 18 нагруэочного приспособления вдоль шлицевой втулки 24. Производят статическое зондирование путем поинтервального погружения рабочего наконечника и замера соответствующих величин О. После снятия отсчета по , деформометру 34 рукоятками 20 через заданные интервалы глубины производят вращательный срез трунта лопастным наконечником 4 и замер параметров общего крутящего момента Мо по показаниям деформометра 28. При этом реакция грунта на момент вращательного среза Мср и трения грунта о штанги Мтр передается.на лопастный наконечник.4 и через его хвостовик 5 и кулачковое соединение 14, 15 отключающего приспособления 2 на штанги 1 и через вилку 17 на шлицевую втулку 24 нагруэочно го приспособления. Далее реактивный момент через шлицы втулки 24 передается нашлицы кронштейна 23, упор 27 которого соответствующее окружное усилие передает на плоскую динамометрическую пружину 10 22, вызывая ее прогиб 12 в средней части иперемещение индикаторной ножки деФормометра 28.Яалее производят поддергиванив посредством рукояток 20 колонны составных штанг 1 с переходником 7 отключающего приспособления при неподвижном рабочем наконечнике до момента выхода из зацепления кулачкового соединения 14, 15 лопастного наконечника 4 и полного выдвижения иэ полости 12 переходника 7 втулки 10 конуса 3, вращают колонну составных штанг 1 с отключенным лопастным наконечником 4 и конусом 3 и замеряют по деформометру 28 25 момент Мтр для преодоления трения грунтао штанги с отключающим приспособлением.После этого посредством рукояток 20 производят осевое вдавливание колонны составных штанг 1 с отключающим приспособлением в 30 грунт до момента включения кулачкового соединения 14, 15 и входа втулки 10 конуса 3 в полость 12 переходника 7 и замеряют по деформометру 34 величину ц трения грунта о боковую поверхность щтанг 1, рабочего на конечника и отключающего приспособления, Величины О, о, Мо и Мтр определяют по соответствующий тарировочным зависимостям из показаний соответствующих деформометров 34 и 28 узлов замера осевых 40 нагрузок и параметров крутящего моментанагрузочного приспособления, а механические параметры грунта по известным зависимостям рассчитывают, определив параметры Мср=Мо-Мтр и Р - 0 - ц.45 Далее производят погружение рабочегонаконечника и грунт на следующую глубинумассива и цикл измерений повторяется до предельной глубины зондирования.В процессе статического зондированиякак под конусом 3, так и под лопастным наконечником грунт отклоняется от вертикальной оси в сторону под одним и тем же стандартным углом а =ф = у = О = 60, 55 при этом лидирующее расйоложение лопастного наконечника 4 перед конусом 3 ввидумалой толщины лопастей Ипочти их равногодиаметра с диаметром конуса не сказывается на результатах.исследований иэ-эа незначительной нарушенности естественной2005129 12 структуры грунта за крыльчатым наконечником и учета этого влияния за счет снятияпоказаний сопротивления грунта вдавливанию самих лопастей рабочего наконечника,В процессе вращательного среза конус 53 за счет сил трения остается неподвижнымв грунте, а влияние нарушенности грунтаперед конусом в процессе статического зондирования не сказывается на показания вращательного среза грунта, находящегося в 10плоскости среза на расстоянии 1,5 б - 2,0 бниже конуса 3,Таким образом, предложенное устройство вращательно-статического зондирования при высокой точности замеряемыхпараметров грунта позволяет производитьв одной точке и на одном инженерно-геологическом горизонте комплексные исследо-,;вания, повышая их производительность 2вдвое за счет устранения повторных операций по передавливанию раздельно рабочихнаконечников - конуса и лопастей крыльчатки. Предложенное лидирующее расположение лопастей перед конусом рабочего 25наконечника на расстоянии 1,5 б - 2,0 бпозволяет впервые с высокой точностьюразделить параметры статического зондирования и вращательного среза грунта ненарушенной структуры. Конструкция 30 Формула изобретения1. УСТРОЙСТВО ВРАЩАТЕЛЬНО-СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ГРУНТА,содержащее лопастной наконечник с хвостовиком, составную штангу, связанную с хвостовиком через отключающее приспособление в виде разьемного соединения их относительного вращения и продольно го перемещения, нагрузочное приспособление в виде корпуса с рукоятками, закрепленного на штанге с возможностью продольного перемещения, узла замера параметров крутящего момента с плоской 45 динамометрической пружиной, контактирующей с упором одной из рукояток, и кронштейна, установленного в корпусе с возможностью вращения вокруг оси штанги, и измерительное приспособление в ви де деформометра прогиба плоской динамометрической пружины, отличающееся тем, что лопастной рабочий наконеч-. ник снабжен полым конусом со втулкой, подвижно установленной в полости отклю чающего приспособления с возможностью относительного вращения и продольного перемещения, в полости конуса и его втулки подвижно установлен хвостовик лопастного наконечника с возможностью устройства при расширении его функциональных возможностей по сравнению с аналогами. значительно упростилась за счет использования общей шлицевой втул и для двух узлов нагруэочного приспособления и общего отключающего приспособления для комбинированного рабочего наконечника. Изготовление устройства возможно на базе любых механическьа мастерских м не вызывает производственных трудностей, Устройство удобно в эксплуатации. Тарировка приоора проста, а измерительные приспособления легко поддаются метрологическим поверкам.Опытные образцы предлагаемого устройства,изготовлены и успешно прошли испытания в условиях заболоченной местности.(56) 1. Амарян Л.С. Прочность и деформируемость торфяных грунтов. М.: Недра, 1969, с.89-90.2; Авторское свидетельство СССР М 218503, кл. 6 01 й 3/24, 1968 (прототип).3. Авторское свидетельство СССР 3 Ф 909005, кл, Е 02 О 1/00, 1979.4. Авторское Свидетельство СССР ЬВ 1537751, кл. Е 02 О 1/00, 1988. относиТельного вращения и продольного .перемещения, лопастной наконечник размещен ниже конуса на расстоянии не менее (1,5 - 2,0)б, где б - диаметр основания конуса, а нагрузочное приспособление оснащено .узлом замера осевых нагрузок в виде шлицевой втулки с уступом. закрепленной на штанге посредством раэьемного соединения и соосно установленной в корпусе с возможностью относительного продольного перемещения, кронштейн связан с втулкой посредством подвижного шлицевого соединения, а между уступом втулки и корпусом установлена динамометрическая пружина Сжатия.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шлицевая втулка выполнена с резьбовой навивкой на шлицах и свинчена с двумя гайками, между которыми с внешней стороны корпуса с возможностью продольного относительного перемещения на шлицах установлен фиксатор с деформометром динамометрической пружины сжатия, причем корпус оснащен стаканом с продольной прорезью и линейной шкалой замера величины поджатия динамометрической пружины сжатия и сэмотормоозя 13 2005129щимся нониусом, установленным в прорези стакана с возможностью продольного перемещения и упирающимся в уступ шлицевой втулки,3, Устройство по п.1, отличающеесятем, что углы при вершине конуса, хвостовика и углы заточки и скоса лопастного на конечника равны,