Способ ударно-статического зондирования грунтов и устройство для его осуществления

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК ПАТЕНТУ Ф 4 Р Ф Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(76) Хрусталев Евгений Николаевич(54) СПОСОБ УДАРНО-СТАТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ГРУНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Использование: область инженерно-геологических изысканий в строительстве. Сущность изобретения: к зонду прикладывают продольные динамические нагрузки. Усилие статического зондиро -вания определяют на момент остановки зонда вгрунте по величине аккумулированной в амортизаторе нагрузки. Устройство содержит зонд с конусным наконечником. Амортизатор динамических нагрузок установлен между конусным рабочим нако(в) Ю 3 (и) 2001990 1(51)Е 01 О 300 нечником и нижним концом колонны наружных штанг Нижний конец колонны наружных штанг выполнен с грунтозацепом с направлением витков, противопопожным направлению свинчивания наружных штанг и внутренних стержней. Муфта трения устройства выполнена за одно целое и запод - лицо с конусным рабочим наконечником. На цилиндрической поверхности муфты трения выполнены продольные зубцы. Устройство содержит наковальню и груз, установленный с возможностью свободного перемещения. Устройство содержит моментомер вращения колонны внутренних стержней и деформометр ее продольного перемещения относительно колонны наружных штанг. 2 сп.ф-лы 4 ил.15 гп 55 Изобретение относится к инженерно- геологическим изысканиям в строительстве, конкретно - к способу и устройству для зондирования грунтового основания,Известен способ статического зондирования грунтов, заключающийся в ол, что непрерывно со скоростью не более 1 м/мин задавливают в грунт статической нагрузкой конусный рабочий наконечник посредством наращивания колонн штанг с замером глубины погружения конуса и величины задавливающего усилия до момента достижения предельных усилий на зонд, извлекают зонд из грунта и ведут обработку полученных данных.Несмотря на высокую точность статического зондирования в условиях естественного залегания грунтов, глубина погружения конусного рабочего наконечника ограничена силовыми возможностями задавливающих установок, несущей способностью грунта и их анкерных приспособлений, а также сопротивлением самого грунта внедрению зонда,Наиболее близким по технологическим операциям к предлагаемому решенио является способ динамического зондирования грунтов, заключающийся в том, что конусный рабочий наконечник забивают в грунт свободно падающим молотом под воздействием динамических нагрузок на колонну штанг, фиксируют глубину погружения эон. да от числа ударов молота за залог до момента резкого уменьшения величины его скорости погружения, извлекают зонд из грунта и ведут обработку полученных данных.Недостатком. динамического зондирования грунта является сложность установления точных корреляционных связей показателей динамического зондирования с физико-механическлм свойствами грунтов из-за изменчивости параметров, а также методики испытаний, характеризу;оцейся изменениями в соотношении между массами соударяемых элелентов за счет наращита. ния штанг заглубляемото зонда, возраста. нием по мере заглубления зонда трения боковой поверхности штанг о грунт потерями энергии удара на т 1 родоль ый изгиб штанг, их инерцию и упругость, на бытовое давление и т.д. - все это позволяет отнести способ испытания грунтов динамическим зондированием к сопутствующим методам, используемым при комплексных исследованиях, чаще в случаях, исключаюцих приме. нение метода статического погружения зондов.Известно устройство для статического зондирования грунтов, состоящее иэ зонда 10 15 20 25 30 :35 40 с конусным наконечником, муфтой трения и коотой совмещенных наружных штанг и внутренних стержней, погружного вдавливапщего ус 1 ройства и измерительного приспособления,Недостатком известного устройства для статического зондирования грунтов является его ограниченная воэможность глубинного исследования грунтового массива, которая определяется силовыми воэможностями погружных устройства, несущей способностью их анкерирующих приспособлении, высокой сопротивляемостью глубинных слоев грунта проникновения зондаНаиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство длч динамического зондирования грунтов, сос-,оящее иэ зонда с конусным рабочим аонечником, муфтой трения и свинчивавлой колонной штанг, ударного устройства в :.идв свободно падающего груза и наковальни, опорной рамы с направляющими стойками и излерительного устройства.,Недостатком известного устройства для динамического зондирования грунтов является сложность установления точных корреляционных связей показателей динамиче кого зондирования с физико-механическими свойствами грунтов из-за гибкости и неустойчивос 1 и колонны штанг, по ерь энергии удара на стыках секций штант в колонне, на преодолевание инерции колонны штанг, упругости зонда эа счет трения боковой поверхности зонда о грунт, преодоления влияния бытового давления, иэ-за изменчивости соотношения масс соударяемых элементов за счет увеличения в процессе погружения массы штанг. Технический результат - высокая точость динамического зондирования при сати веком вдавливании конусного рабочего накое ника и минимальных нарушениях естест;енной структуры грунта - по способу ударно-статического зондирования грунтов, заключающемуся в погружении ко.усого рабочего наконечника зонда в массив до отказа грунта под воздействием динамических нагрузок на колонну штанг, залере глубины погружения конусного рабочего наконечника и параметров силового воздействия на него, обработке полученных данных достигается тем, что при динамическом погружении тормозят отскок колонны штанг от забоя грунта, а усилие статического вдавливания конусного рабочего наконечника Определяют после амортизации динамической нагрузки в момент его установки в грунте45 55 Новым по отношению к прототипу в предлагаемом способе является то, что при динамическом погружении тормозят отскок колонны штанг от забоя грунта, а усилие статического вдавливания конусного рабочего наконечника определяют после амортизации динамической нагрузки в момент его остановки в грунте.Исследование известных в науке и технике решений показало, что при динамическом зондировании грунтов операций по торможению отскока колонны штанг от забоя грунта при их динамическом погружении и определению усилия статического вдавливания конусного рабочего наконеч. ника после амортизации динамического воздействия на штанги в момент остановки конус ного рабочего наконечника в грунте не быпо обнаружено.Был найден способ погружения рабочего наконечника релаксометра, заключающийся в том, что рабочий наконечник релаксометра погружают в грунт статическим вдавливанием путем воздействия на колонну штанг динамической нагрузкой и ее амортизации перед рабочим наконечником,Однако в известном способе погружения релаксометра не производят торможение штанг в грунте, в результате чего может происходить отскок штанги от рабочего наконечника, и погружение последнего в массив происходить не будет. Если в известном способе амортизацию динамических нагрузок от колонны штанг перед рабочим наконечником производят для эффективного глубинного погружения релаксометра, то впредлагаемом способе амортизацию динамических нагрузок производят для снятия их воздействия на нарушение естественной структуры грунта перед конусным наконечником и для повышения замеряемых параметров сопротивления грунта погружению рабочего наконечника. Таким образом, если в известном способе амортизацию динамических нагрузок производят для эффективного глубинного погружения рабочего наконечника, то в предлагаемом способе амортизацию динамических нагрузок производят для повышения точности замеряемых в процессе погружения рабочего наконечника параметров грунта с минимально нарушаемой структурой,Это свидетельствует о том, что заявленное решение, содержащее всю приведенную совокупность приЗнаков, соответствует критерию "изобретательский уровень", Повышение точности динамического зондирования путем статического вдавливания конусного рабочего наконечника при минимальных нарушениях естественной структу 5 10 15 20 25 30 35 40 ры грунта достигается торможением отскока колонны штанг от забоя грунта (или рабочего конусного наконечника) при ее динамическом погружении в массив, ч 1 о позволяет нагружать рабочий конусный нако нечник статической нагрузкой, замер которой производят в отличие от прототипа и аналогов в момент остановки рабочего наконечника в грунте после снятия динамического воздействия на колонну штанг. При этом происходит уравновешивание сопротивления грунта внедрению конусного рабочего наконечника силой упругости, например, тарированной динамометрической пружиной сжатия амортизатора, которую легко замерить. Амортизация динамических нагрузок перед конусным рабочим наконечником от колонны штанг позволяет сохранить ненарушен ность естественной структуры грунта в зоне испытания и тем самым повысить точность замеряемых параметров сопротивления грунта статическому зондированию массива,Технический результат по устройству ударно-статического зондирования грунтов, содержащему зонд с конусным рабочим наконечником и муфтой трвиия. свинчиваемую колонну совмещенных наружных штанг и внутренних стержней, наковальню, закрепленную на колонне наружных штанг, свободно падающий груз, измерительное приспособление, достигается тем, что между конусным рабочим наконечником и нижним концом колонны наружных штанг установлен амортизатор динамических нагрузок в виде динамометрической тарированной пружины сжатия, нижний конец наружных штан выполнен с грунтоэацепом в виде реэьбовой навивки с направлением витков, противоположным направлению их свинчивания, муфта трения выполнена эа одной целое с конусным рабочим наконечником заподлицо с ним в виде задней цилиндрической поверхности с продольными зубцами и жестко связана с вращающейся колонной внутренних стержней, а измерительное приспособление снабжено сменными моментомером вращения колонны внутренних стержней и деформометром ее продольного перемещения относительно колонны наружных штанг,Размещение между конусным рабочим наконечником и нижним концом колоннынаружных штанг амортизатора динамических нагрузок в виде динамометрической тарированной пружины сжатия, выполнение нижнего конца колонны наружных штанг с грунтозацепом в виде резьбовой навивки с направлением витков, противоположным направлению их свинчивания, а2001990 Это свидетельствует о том, что заявленное техническое решение, содержащее всю приведенную совокупность признаков, соответствует критерию "изобретательский уровень".Повышение точности динамического зондирования путем статического вдавливания конусного рабочего наконечника при минимальных нарушениях естественной муфты трения за одно целое с конусным рабочим наконечником эаподлицо с ним в виде задней цилиндрической поверхности с продольными зубцами и жестко связанной с вращающейся колонной внутренних стрежней, является новым по отношению к прототипу, Снабжение измерительного приспособления сменными моментомером вращения колонны внутренних стрежней и деформометром ее продольного перемещения относительно колонны наружных штанг также является отличием от прототипа,Исследование известных в науке и технике решений показало. что зондов динамического зондирования грунтов, в которых между конусным рабочим наконечником и нижним концом колонны наружных штанг установлен амортизатор динамических нагрузок в виде динамометрической тарированной пружины сжатия, нижний конец колонны наружных штанг выполнен с грунтозацепом в виде резьбовой навивки с направлением витков, противоположным направлению их свинчивания, муфта трения выполнена за одно целое с конусным рабочим наконечником заподлицо с ним в виде задней цилиндрической поверхности с продольными зубцами и жестко связана с вращающеся колонной внутренних стрежней, а измерительное приспособление снабженосменными моментомером вращения колонны внутренних стержней и деформометром ее продольного перемещения относительно колонны наружных штанг, не было обнаружено,Было найдено устройство-релаксометр, в котором также между рабочим наконечником и нижним концом колонны наружных штанг был установлен амортизатор в виде пружины сжатия. 10 структуры грунта достигается размещением между нижним концом колонны наружных штанг и конусным рабочим наконечником амортизатора динамических нагрузок, что позволяет устранять при динамическом погружении зоНда нарушения естественной структуры грунта под конусом рабочего наконечника путем снятия с последнего динамических нагрузок и его статического вдавливания в грунт, как при статическом зондировании. Выполнение амортизатора в иде динамометрической тарированной пружины сжатия позволяет по величине ее сжатия в момент остановки воздействия динамометрических нагрузок и остановки перемещения конуса рабочего наконечника в 20 25 грунте судить о величине сопротивления грунта статическому зондированию конусом. Выполнение нижнего конца колонны наружных штанг с грунтоэацепом позволяет чстранить в грунте при погружении зонда 30 отскок колонны наружных штанг от конуса и повышает эффективность внедрения последнего в массив, Выполнение грунтоэацепа в виде реэьбовой навивки с направлением витков, противоположным направлению свинчивания колонны наружных штанг, способствует самоэатяжке реэьбовых замков штанг в колонне по мере ее погружения под воздействием динамических нагрузок (что не наблюдается при ди 35 40 намическом зондировании грунтов известными зондами) и, как следствие способствует эффективности зондирования Однако, если в известном релаксометре амортизатор служит для глубинного погружения рабочего наконечника под воздействием внешних динамических нагрузок в режиме статического вдавливания для эффективного преодолевания сил трения грунта по боковой поверхности колонны наружных штанг, что в предлагаемом решении амортизатор служит как для устранения влияния динамических нагрузок от колонны штанг на конусный рабочий наконечник и нарушенности структуры грунта в зоне исследований в процессе погружения зонда, так и для замера параметров статического зондирования грунта при остановке конус- ного рабочего наконечника в грунте и прегрунта на большую глубину, эамеряемую с большей точностью, Выполнение муфты трения эа одно целое с конусным рабочим наконечником, т.е, когда амортизатор также установлен перед колонной динамически нагруженных наружных штанг, также способствуе дифференцированному точному замеру по глубине сопротивления ненарушенного грунта по боковой поверхности зонда, Выполнение муфты трения заподлицо с конусом рабочего наконечника в виде задней цилиндрической поверхности с про 45 50 55 дольными зубьями и ее жесткая связь с вращающейся колонной внутренних стрежней способствуют при их совместном погружекращении действия динамических нагрузок по величине сжатия динамометрической та- нии определению общего сопротивления рированной пружины амортизатора, грунта погружению зонда под лобовой по 2001990 10верхностью конуса и боковой поверхности муфты трения, а при вращении муфты трения колонной внутренних стержней - определению отдельно сопротивления грунта по боковой поверхности зонда, разделяя тем самым параметры зондирования и определяя лобовое сопротивление грунта статическому зондированию, Снабжение измерительною приспособления сменными моментомером вращения колонны внутренних стержней и деформометром ее продольного перемещения относительно колонны наружных штанг и способствует этому раздельному замеру параметров сопротивлениягрунта по боковой поверхности зонда и общего сопротивления грунта погружению зонда,На фиг,1 показан общий вид устройства ударно-статического зондирования грунтов, совмещенный с графиком тарировэния его динамометрической пружины сжатия; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг,З - общий вид измерительного приспособления с моментомером; на фиг.4 - вид Б на фиг,З.Устройство ударно-статического зондирования грунтов содержит зонд 1 с конусом рабочего наконечника, выполненного за одно целое и заподлицо с цилиндрической поверхностью муфты 3 трения, оснащенной продольными зубцами 4, Конус 2 связан с вращающейся колонной внутренних стержней 5, совмещенной с колонной наружных штанг 6, Нижний конец наружных штанг 6 выполнен с резьбовой навивкой 7, направление витков которой противоположно направлению свинчивания наружных штанг 6, Между корпусом 2 и колонной наружных штанг 6 установлен амортизатор в виде динэмометрической пружины 8 сжатия, упирающийся в упорный подшипник 9, Погружное устройство выполнено в виде свободно падающего груза 10 с наковальней 11, закрепленной на колонне наружных штанг б посредством вильчатого соединения 12, Измерительное приспособление выполнено сменным в виде деформометра 13, закрепленного на стакане 14, установленном на верхнем конце колонны наружных штанг 6 и упирающимся индикаторной нож кой 15 в верхний торец внутренних стрежней 5, а также в виде съемного моментомера 16, выполненного из вращающейся рукоятки 17 с деформометром 18. Моментомер 16 закреплен на верхнем конце колонны внут ренних стрежней 5 посредством вильчатого соединения 19 с рычагом 20. На моментомере 16 установлена динамометрическая плоская пружина 21, контактирующая с одной стороны с индикаторной ножкой 22 деформометра 18, а с другой стороны - с упором 23 рычага 20.Способ ударно-статического зонд.;рования грунтов реализуется следующим об разом,Зонд 1 в собранном виде вертикальноустанавливают над точкой исследования грунтового массива, На наружной штанге б закрепляют посредством вильчатого соеди нения 12 наковальню 11 и путем ударов поднимаемого груза 10 производят забивку зонда 1 в грунт, При этом, воспринимая динамическую нагрузку и аккумулируя ее в энергию сжатия пружины 8, амортизатор 15 передает на конус 2 от наружных штанг бстатическую нагрузку Р, которую определяют по величинесжатия динамометрической пружины 8, регистрируемой деформометром 13 эа счет перемещения его 20 индикаторной ножки 15 выдвигаемой колонной внутренних стержней 5, из тарировочной зависимости Р = К 1, где К- коэффициент жесткости пружины; Отскок колонны наружных штанг 6 при ударах от 25 грунта предотвращает резьбовая навивка 7на ее нижнем конце, выполняющая функцию анкера. Поинтервально на заданных отметках по глубине грунтового массива замеряют величину трения грунта по боко вой пов.рхности муфты 3 трения, для чегоснимают деформометр 13 и нэ верхнем конце внутренних стержней 5 посредством вильчатого соединения 19 устанавливают моментомер 16, вращают рукоятку 17 и сни мают показания деформометра 18, по которым из тарировочной зависимости величины прогиба плоской пружины 21 от нагрузки судят о крутящем моменте М на муфте 3 трения при ее вращении и о величи не сцепления грунта при его срезе зубцами4 по цилиндрической поверхности, После поинтервального испытания грунта на заданных глубинах производят извлечение зонда и обработку полученных данных.45 Предлагаемый способ и устройствоударно-статического зондирования грунтов позволяют в реальных условиях существенно повысить точность и информативность метода динамического зондирования. Тру доээтраты на получение информации остатическом зондировании грунта предложенным способом снижаются при глубинных исследованиях более плотных по сложению массивов грунтов на 50-70 о.5 Устройство для ударно-статического зондирования просто в конструкции и изготовлении, выполняется в портативном варианте и удобно в эксплуатации в условиях, труднодоступных для мобильной техники изысканий,Статическое зондирование возможно2001990 12 эффективно использовать в стесненных местах реконструируемых сооружений при обследовании грунтовых оснований под фундаментами в подвальных условиях. Особенно эффективно предложенное решение при исследовании слабых грунтов в условиях речных и морских акваторий. Формула изобретен ия 1, Способ ударно-статического зондирования грунтов, включающий погружение конусного рабочего наконечника зонда в массив до отказа грунта под воздействием динамических нагрузок на колонну штанг, замер глубины погружения конусного рабочего наконечника и параметров силового воздействия и обработку полученных данных, отличающийся тем, что при динамическом погружении зонда тормозят отскок колонны штанг от забоя грунта, а усилие статического вдавливания конусного рабочего наконечника определяют после амортизации динамической нагрузки в момент его остановки в грунте.2. Устройство для ударно-статического зондирования грунтов, содержащее зонд с конусным рабочим наконечником. муфту трения, колонну совмещенных наружныхштанг и внутренних стержней, наковальню, закрепленную на колонне наружных штанг, груз, установленный с возможно(56) ГОСТ 20069-74. Грунты, Метод полевогоиспытания статическим зондированием, М.:Иэд.-во стандартов, 1974, с. 2-4. 5 ГОСТ 19912-81, Грунты. Метод полевого испытания динамическим зондированием. М,; Изд,-во стандартов, 1981, с,2 - 5. 1 стью свободного перемещения, измерительные приспособления, отличающеесятем, что устройство снабжено амортизатором динамических нагрузок в виде динамометричес кой тарировай ной пружины15 сжатия, моментомером вращения колоннывнутренних стержней и деформометром еепродольного перемещения относительноколонны наружных штанг, нижний конецколонны наружных штанг выполнен с грун 20 тоэацепом в виде резьбовой навивки с направлением витков, противоположнымнаправлению их свинчивания, муфта трения выполнена зв одно целое с конуснымрабочим наконечником заподлицо с ним и25 с продольными зубцами на ее цилиндрической поверхности и жестко связана с колонной внутренних стержней.установленной с возможностью вращения,при этом амортизатор динамических на 0 груэок установлен между конусным рабочим наконечником и нижним концомколонны наружных штанг, 20019902001990 Составитель Е.ХрусталевТехред М,Моргентал Корректор С,Юск Реда Т.Лошкар каэ 315 Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5