ЗОНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ГРУНТА Российский патент 1998 года по МПК G01N3/30 G01N3/48 E02D1/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам исследования прочностных свойств твердых материалов путем вдавливания наконечников испытательных устройств, и предназначено для использования в строительстве и горном деле для оперативного дистанционного определения физико-механических и прочностных свойств поверхностных слоев грунта в труднодоступных районах, при разведке залежей полезных ископаемых и под строительство. Изобретение может быть использовано при определении запасов и уровня грунтовых вод для водоснабжения в пустыне, получении океанографической и сейсмической информации о морском дне, перспективном на нефть и газ.

Одной из актуальных задач при проведении горных и геологоразведочных работ является определение физико-механических и прочностных свойств грунтов в труднодоступных по рельефу и проходимости районах: горы, ледники, дно озер и морей, пустыни и т.п. Для решения этой задачи используются специальные террадинамические зонды, дистанционно внедряемые в изучаемый массив и регистрирующие подлежащие исследованию характеристики слагающих пород.

Известны зонды различной конструкции.

Так, в [1] описано устройство для динамического зондирования грунтов, содержащее корпус из соосно расположенных полых штанг, основание, подпружиненный ударник, конический наконечник и указатели угла наклона и глубины внедрения.

Однако данный зонд не обладает автономностью, характеризуется относительно невысокой проникающей способностью и обеспечивает исследование свойств грунта на глубину, не превышающую лишь первые единицы метров.

Значительно большую глубину внедрения и существенно большую информативность обеспечивает зонд для автономного исследования свойств грунта [2] - прототип.

Зонд содержит высокопрочную заостренную носовую часть, выполненную в виде оживала, примыкающий к ней удлиненный корпус с размещенной внутри регистрирующей аппаратурой, отделяющийся хвостовик-стабилизатор с передающей аппаратурой и радиоантенной и узел проводной линии связи между регистрирующей и передающей аппаратурой.

Внедрение зонда в исследуемый грунт осуществляется за счет кинетической энергии, приобретаемой им при свободном падении после сбрасывания с самолета или вертолета. Скорость встречи с грунтом может достигать сотен метров в секунду. На начальном этапе внедрения происходит отделение от корпуса зонда хвостовика-стабилизатора. Хвостовик с передатчиком и антенной остается на поверхности. Корпус с заостренной носовой частью продолжает движение вглубь исследуемого массива. Разматывается кабель узла проводной линии связи. Регистрирующей аппаратурой, находящейся внутри корпуса, фиксируются характеристики грунта. Информация по кабелю передается на аппаратуру хвостовика и далее - через антенну в виде радиосигналов - на внешнюю приемную аппаратуру. Глубина внедрения, а следовательно, и толщина исследуемого массива достигают при этом десятков метров.

Однако при движении зонда в податливом грунте, типа песчаного или песчано-глинистого, вокруг корпуса образуется расширяющая от основания носовой части полость, близкая по форме к усеченному конусу. Корпус с грунтом не контактирует. Это приводит к поперечному вращению зонда внутри полости от различного рода механических возмущений на контактирующей с грунтом носовой части, возникающих при прохождении неоднородностей и границ раздела слагающих пластов. В результате происходит сильное искривление траектории движения, вплоть до выхода зонда на дневную поверхность. Глубина зондирования резко уменьшается, а в отдельных случаях, вследствие больших боковых перегрузок, наступает разрушение корпуса и внутренней аппаратуры с частичной или полной потерей информации. К тому же в зонде предусмотрена носовая часть лишь в виде заостренного оживала фиксированного удлинения, тогда как для решения определенных задач требуется носовая часть иной формы, например, в виде конуса или крестообразно соединенных пластин. Требуемые удлинения также могут быть различными.

Все это значительно понижает надежность использования зонда, особенно в мягких грунтах, и существенно ограничивает его эксплуатационные возможности.

Изобретение направлено на решение задачи по повышению надежности использования и расширению эксплуатационных возможностей зонда. Технический же результат при решении этой задачи выражается в предотвращении образования свободного пространства между корпусом зонда и грунтом в широком диапазоне типоразмеров и формы носовой части и повышении устойчивости его движения в исследуемом массиве.

Это достигается за счет того, что в зонде для исследования свойств грунта, содержащем носовую часть, примыкающий к ней удлиненный корпус с регистрирующей аппаратурой, отделяющийся хвостовик-стабилизатор с передающей радиаппаратурой и узел проводной линии связи, согласно изобретению, корпус выполнен в виде усеченного конуса с расширением в направлении от носовой части к хвостовику-стабилизатору с углом наклона образующей к оси зонда, определяемым выражением
,
где
η - угол наклона образующей (в градусах),
d - диаметр основания носовой части,
l - длина носовой части,
a₀, a₁, a₂, δ- - эмпирические константы, равные соответственно:
для конической носовой части: 0,900; - 0,667; 1,234; 0,050;
для оживальной носовой части: 1,134; - 0,622; 1,484; 0,073;
для носовой части в виде крестообразно соединенных пластин: 0,233; - 0,745; 1,133; 0,076.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения и прототипа позволил выявить новую совокупность существенных признаков, обусловленных изменением конструкции зонда. Таким образом, заявляемый объект отвечает критерию "НОВИЗНА".

На фиг. 1 изображен заявляемый зонд с расширяющимся корпусом в виде усеченного конуса; на фиг. 2 - полость, образующая в грунте в результате воздействия носовой части движущегося зонда; на фиг. 3 - 5 - характерные размеры носовых частей разных типов; на фиг. 6 - фотоотпечаток с рентгенограммы полости в песчано-глинистом грунте; на фиг. 7 - 9 - графики зависимости угла расширения полости от удлинения носовой части зонда.

Зонд (фиг. 1) состоит из носовой части 1, расширяющегося под углом η к продольной оси и содержащего регистрирующую аппаратуру корпуса 2, несущего передающую аппаратуру и узел проводной линии связи отделяющегося хвостовика-стабилизатора 3 с радиоантенно 4.

Работает зонд следующим образом.

Над исследуемой территорией срабатывают зонд с самолета или вертолета. Под действием силы тяжести зонд разгоняется до скорости в сотни метров в секунду и внедряется в грунт нормально к его поверхности. Отделяется хвостовик-стабилизатор. Корпус с регистрирующей аппаратурой движется в глубь. Разматывается кабель узла проводной линии связи. Регистрируются параметры грунта. Информация передается на внешнюю приемную аппаратуру.

При внедрении зонда в исследуемый массив, в результате инерционного движения грунта 5 в стороны под действием импульса силы, получаемого от взаимодействия с носовой частью 1, происходит образование в грунте полости 6 (фиг. 2). Полость имеет вид, близкий к усеченному конусу с углом полураствора η . На фиг. 6 приведен фотоотпечаток с характерной рентгенограммы процесса внедрения зонда, демонстрирующий факт образования такой полости.

Величина η зависит от формы и отношения l/d носовой части. В зависимости от конкретного назначения и условий применения зонда носовой части может придаваться разная форма. Например, коническая носовая часть обеспечивает повышенную устойчивость, но имеет большое лобовое сопротивление. Оживальная носовая часть имеет меньшее лобовое сопротивление, но уступает по устойчивости. Носовая часть в виде крестообразно соединенных пластин обеспечивает хорошую устойчивость и малое лобовое сопротивление, но имеет небольшой полезный объем.

Размеры l и d для конической носовой части, оживальной носовой части и носовой части в виде крестообразно соединенных пластин показаны соответственно на фиг. 3 - 5.

На фиг. 6 - 8 даны в том же соответствии полученные заявителем экспериментальные зависимости угла η от отношения l/d для этих трех типов носовых частей. Зависимости получены путем аппроксимации по методу наименьших квадратов большого количества экспериментальных данных показанной функцией вида
,
Аппроксимирующие кривые по критерию F Фишера с уровнем значимости 0,05 адекватно описывают экспериментальные данные, т.е. выбранный вид функции правильно описывает экспериментальные результаты. Среднеквадратичные погрешности кривых составляют:
для конической носовой части ±0,050;
для оживальной носовой части ±0,073;
для носовой части в виде крестообразно соединенных пластин ±0,076.

Значения коэффициентов соответственно равны:
a₀=0,900;
a₁=-0,667;
a₂=1,234;
a₀=1,134;
a₁=-0,622;
a₂=1,484;
a₀=0,233;
a₁=-0,745;
a₂=1,133.

Исходя из полученных экспериментальных результатов и предлагается зонд с расширяющимся корпусом в виде усеченного конуса, угол наклона образующей которого определяется в зависимости от формы и отношения l/d носовой части по вышеприведенной формуле. Форма корпуса при этом повторяет геометрию полости в грунте, образующейся при движении зонда. Корпус находится в постоянном контакте с грунтом, что уменьшает возможность разворота зонда и потери им устойчивости. Глубина внедрения возрастает.

По сравнению с известными техническими решениями аналогичного назначения заявляемый зонд обладает более высокими эксплуатационными характеристиками и обеспечивает более полную и качественную регистрацию параметров исследуемого грунта. Использование данного зонда значительно повышает эффективность исследований и делает процесс зондирования грунта более отвечающим условиям высоких технологий.

Использованная литература.

1. Авт. св. СССР 1102849, E 02 D 1/00, 1983.

Копылов В.Е., Бурение?...Интересно!, М.: Недра, 1981, с. 95 - 99 - прототип.

Использование в строительстве и горном деле для дистанционного определения физико-механических и прочностных свойств грунтов. Зонд содержит носовую часть, корпус с регистрирущей аппаратурой, отделяющийся хвостовик-стабилизатор с передающей радиоаппаратурой и узел проводной линии связи. Корпус выполнен в виде усеченного конуса, расширяющегося в направлении от носовой части к хвостовику-стабилизатору. Угол наклона образующей конуса к оси зонда определяется по формуле, в которую входят эмпирические константы, зависящие от формы носовой части, и отношение длины носовой части к диаметру ее основания. Форма корпуса повторяет форму полости в грунте, образующейся при внедрении зонда. благодаря этому повышается устойчивость движения зонда в грунте. 9 ил.

Зонд для исследования свойств грунта, содержащий носовую часть, примыкающий к ней удлиненный корпус с регистрирующей аппаратурой, отделяющийся хвостовик-стабилизатор с передающей радиоаппаратурой и узел проводной линии связи, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде усеченного конуса с расширением в направлении от носовой части к хвостовику-стабилизатору с углом наклона образующей к оси зонда, определяемым выражением

где η - угол наклона образующей, град.;
d - диаметр основания носовой части;
l - длина носовой части;
а₀, а₁, а₂ σ - эмпирические константы, равные: для конической носовой части 0,900; -0667; 1,234; 0,050; для оживальной носовой части 1,134; -0,622; 1,484; 0,073; для носовой части в виде крестообразно соединенных пластин 0,233; -0,745; 1,133; 0,076.