СПОСОБ ВИНТОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ГРУНТОВ В МАССИВЕ В ПРОЦЕССЕ ШНЕКОВОГО БУРЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2016 года по МПК E02D1/02 G01N33/24 

Предлагаемое изобретение относиться к области строительства, в частности к технике и технологии исследования физико-механических свойств грунтов в естественных условиях их залегания.

Известен способ испытания грунтов в природных условиях, включающий вращение внедренного в грунт спирального зонда без его осевого перемещения с измерением срезающего момента (Авторское свидетельство СССР 243931, кл. 42к, 28 84с, 1/00, 1968).

Недостатками известного способа являются низкая точность получаемых результатов из-за косвенного определения сопротивления грунта срезу через вращающий момент, технологическая сложность процесса испытаний, необходимость бурения опытной скважины, дискретность полученной информации.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности исследований, упрощение технологического процесса испытания и получение непрерывности получаемой информации в пределах всей исследуемой толщи при шнековом бурении.

Поставленная задача достигается тем, что в процессе шнекового бурения измеряются прямые показатели: срезающие усилия, а также усилия трения в грунте, фиксируемые в осевом направлении при изменении шага реборды в переделах одного витка в сторону увеличения, а затем в сторону уменьшения в пределах следующего витка в шнековой колонне. Для упрощения расчетов шаг срезающего сегмента шнека может приниматься в два раза больше шага лидерной лопасти, а шаг сегмента шнека для замеров трения в грунте принимается равным шагу лидерной лопасти. Транспортировка и вынос срезанного грунта без возможного уплотнения в пределах измерительных сегментов обеспечивается шнековой колонной с шагом больше шага лидерной лопасти. Для отбора малодеформированного грунта и послойного описания шнековая колонна изготавливается с шагом, равным шагу сегмента лидера.

Процесс забуривания шнековой колонны происходит в следующих режимах: величина подачи каретки вращателя буровой установки будет равна шагу забуривающего наконечника за один оборот вращателя. Данные режимы позволят измерять срезающие усилия и усилия трения грунта в осевом направлении непрерывно, со снятием отсчетов по заданной программе. Удобнее всего снимать отсчеты за один оборот шнека.

В процессе бурения на сегментах будут возникать также касательные усилия, основная составляющая которых будет трение грунта о плоскость реборды. Для измерения касательного усилия имеется возможность установить датчик измерения крутящего момента. В предлагаемом устройстве эти усилия лучше не принимать в расчет ввиду сложных теоретических расчетов. В перспективе трение грунта о реборду можно снизить, используя специальные смазывающие составы или антифрикционные накладки.

Одно из устройств, предложенное для получения непрерывности прочностных характеристик и повышения эффективности испытаний, включает шнековую колонну (1), соединенную жестко с забуривающим спиральным зондом, который выполнен по оси составным из двух частей, лидерной лопасти (2) и направляющей полой втулки (5) и снабжен выше двумя дополнительными промежуточными секциями (3) и (4). Секции, в свою очередь, смонтированы на втулке (5) с возможностью осевого перемещения и жестко связаны через стержни с цифровыми датчиками силы: (6) регистрирующим осевое усилие среза и (7) регистрирующим усилие трения, расположенными в пределах промежуточных секций, при этом первая от лидера (2) спиральная лопасть промежуточной секции на срез (3) выполнена с углом наклона, превышающим угол наклона забуривающего спирального зонда, а спиральная лопасть 2-й промежуточной секции для замера трения грунта (4) выполнена с углом наклона, равным углу наклона лидерной лопасти (2). Для обеспечения возможности отбора образцов грунта и избегания уплотнения грунта в процессе испытаний верхняя секция спирального зонда выполнена с ребордой, имеющей шаг, превышающий шаг лидерной лопасти. Сигналы, поступающие от цифровых датчиков силы: (6) регистрирующего осевое усилие среза и (7) регистрирующего усилие трения, передаются по грузонесущему кабелю (8), пропущенному внутри шнековой колонны, к блоку сбора информации (9) через интерфейс (13) на удаленный компьютер (14). Крутящий момент на спиральный зонд передается от вращателя привода (12) буровой через переходник (11).

Поскольку авторам не известны технические решения, содержащие приведенные выше признаки, правомочно считать, что данное предложение обладает «существенными отличиями».

На фигуре 1 изображен общий вид устройства для испытания грунтов на срез, реализующего предложенный способ испытания грунтов при винтовом зондировании.

На фигуре 2 показан процесс срезания грунта при испытании.

Процесс испытания происходит следующим образом (фиг. 2). При одном обороте вращателя (12) зонд перемещается в грунт (I) на шаг лопасти лидера (2), на следующем обороте вращателя с той же подачей каретки грунт (II) попадает на секцию (3) с шагом лопасти больше шага лопасти лидера (Позиция 1). За счет увеличения шага лопасти первого промежуточного происходит срезание грунта и перемещение его в осевом направлении на разницу шагов. При следующем обороте вращателя срезанный грунт (II) попадает в промежуточную секцию (4) с шагом лопасти, равным шагу лопасти лидера, в результате чего срезанный грунт (III) возвращается на прежнее место (Позиция 2). Усилия, возникающие при этом, фиксируются датчиками силы: (6) регистрирующим осевое усилие среза и (7) регистрирующим усилие трения.

На фигуре 3 показан один из вариантов устройства для испытания грунтов в процессе зондирования.

Устройство содержит спиральный зонд, состоящий из краевых секций - шнековой колонны (1) и лидерной лопасти (2), а также двух промежуточных секций (3) и (4), сидящих на направляющей втулке (5), с возможностью перемещения в осевом направлении и связанных жестко с датчиками силы: (6) регистрирующим осевое усилие среза и (7) регистрирующим усилие трения, которые в свою очередь связаны через грузонесущий кабель (8) с блоком сбора информации, а шнековая колонна через опорную скобу (10) и переходник (11) связана с вращателем (12) буровой установки (фиг. 1).

Угол наклона промежуточной секции (3) для замера срезающего усилия превышает угол наклона лидерной лопасти (2) в предлагаемом устройстве в 2 раза, а угол наклона лопасти промежуточной секции (4) для замера трения срезанного грунта по грунту. В свою очередь угол наклона лопастей шнековой колонны (1), обеспечивающих вынос грунта на поверхность, больше угла наклона забуривающей секции.

Испытание в массиве в соответствии с предложенным способом с помощью описанного устройства осуществляется следующим образом. При внедрении устройства в грунтовый массив лидерная лопасть через шнековую колонну ввинчивается в грунтовый массив без его нарушения. По мере дальнейшего внедрения устройства происходит срез грунта спиральной лопастью промежуточной секции по цилиндрической поверхности, ограниченной окружностью спиральной лопасти и длиной срезающей секции. Срез грунта происходит вследствие разницы угла наклона спиральной лопасти лидера и первой промежуточной (срезающей) секции (в данном устройстве в 2 раза). В процессе дальнейшего внедрения зонда срезанный грунт поступает во вторую промежуточную секцию (для замера трения грунта о грунт). В пределах этой секции за счет уменьшения угла наклона лопасти до угла наклона лопасти лидерной секции срезанный грунт возвращается в исходное положение. Усилия, возникающие в промежуточных секциях, передаются на датчики силы, которые передают информацию через грузонесущий кабель на блок сбора информации. Дальнейшее внедрение зонда обеспечивает непрерывное получение информации и вынос грунта на поверхность для изучения и отбора проб при увеличенном шаге и вынос грунта на поверхность для изучения и отбора проб при увеличенном шаге по сравнению с лидером шнековой колонны. Для получения грунта с меньшими нарушениями шнековая колонна изготавливается с шагом лопасти лидера, в этом случае грунт, заключенный между витками спиральной лопасти и шнековой колонны, описывается визуально и отбирается после извлечения устройства.

Подобная система измерения осевого усилия при срезе грунта и перемещение срезанного фунта в прежнее положение обеспечивает возможность прямого определения срезающего усилия и усилия трения в противоположность косвенному расчетному методу определения при измерении вращающего момента. Это позволяет значительно повысить точность исследования грунтов.

Помимо вертикального расчленения массива по изменению значения срезающего усилия, на основании полученных данных в любой точке грунтового массива могут быть определены сдвиговые характеристики грунта с использованием известных формул.

Где Тср и Ттр - сопротивление грунта срезу и трению,

Рср - общее срезающее усилие,

Ртр - общее усилие трения,

D - диаметр спиральной лопасти срезающей секции зонда,

hcp и hтр - высота поверхности среза и поверхности трения, равные длине срезаемой секции спирального зонда.

Применение предложенного способа испытания грунтов в массиве исключает необходимость поинтервального испытания с периодическими остановками спирального зонда. Это упрощает технологический процесс, позволяет исключить вспомогательные операции (особенно наиболее трудоемкие по бурению опытной скважины), а также обеспечивает непрерывное получение информации на всю глубину залегания исследуемых грунтов. Помимо снижения трудоемкости и повышения производительности предложенный способ позволяет существенно повысить точность исследований за счет прямого измерения срезающего усилия.

Предложенная технология испытаний может найти эффективное применение при инженерных изысканиях в строительстве и оперативном геотехническом контроле оснований, сооружаемых на намывных и насыпных грунтах.

Изобретение относится к области промышленного и гражданского строительства и может быть использовано в технике и технологии исследования физико-механических свойств грунтов в естественных условиях. Техническим результатом является упрощение технологического процесса испытаний и обеспечение непрерывного получения информации на всю глубину залегания исследуемых грунтов. Предложен способ испытания грунтов в массиве, включающий определение сопротивления срезу за счет непрерывного перемещения спирального зонда, скорость которого ограничивают до величины шага спирали лидера за один оборот шнековой колонны. При этом значение сопротивления срезу определяют по величине осевого усилия, создаваемого первой промежуточной секцией с шагом лопасти больше шага лидерной лопасти. Кроме того, способ может содержать этап, на котором трение срезанного грунта о грунт измеряются при перемещении срезанного грунта в прежнее положение второй промежуточной секцией с шагом лопасти, равным шагу лидерной лопасти. Предложено также устройство для испытания грунтов в массиве, включающее спиральный зонд, жестко соединенный со шнековой колонной. При этом спиральный зонд выполнен по длине составным из двух частей и снабжен двумя дополнительными промежуточными секциями, смонтированными на полой втулке, с возможностью относительного осевого перемещения и жестко связанными с датчиками силы. Сигналы с указанных датчиков поступают по грузонесущему кабелю к блоку сбора информации. При этом спиральная лопасть первой промежуточной секции выполнена с углом наклона, превышающим угол наклона спиральной лопасти лидера, а спиральная лопасть второй промежуточной секции выполнена с углом наклона, равным углу наклона спиральной лопасти лидера. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ испытания грунтов в массиве, включающий определение сопротивления срезу, отличающийся тем, что определение сопротивления срезу осуществляют за счет непрерывного перемещения спирального зонда, скорость которого ограничивают до величины шага спирали лидера за один оборот шнековой колонны, значение сопротивления срезу определяют по величине осевого усилия, создаваемого первой промежуточной секцией с шагом лопасти больше шага лидерной лопасти.

2. Способ испытания в массиве по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности, трение срезанного грунта о грунт измеряется при перемещении срезанного грунта в прежнее положение второй промежуточной секцией с шагом лопасти, равным шагу лидерной лопасти.

3. Устройство для испытания грунтов в массиве, включающее спиральный зонд, жестко соединенный со шнековой колонной, отличающееся тем, что, с целью обеспечения непрерывности, повышения точности и эффективности испытаний, спиральный зонд выполнен по длине составным из двух частей и снабжен двумя дополнительными промежуточными секциями, смонтированными на полой втулке, с возможностью относительного осевого перемещения и жестко связанными с датчиками силы, сигналы от которых поступают по грузонесущему кабелю к блоку сбора информации, при этом спиральная лопасть первой промежуточной секции выполнена с углом наклона, превышающим угол наклона спиральной лопасти лидера, а спиральная лопасть второй промежуточной секции выполнена с углом наклона, равным углу наклона спиральной лопасти лидера.

4. Устройство для зондирования грунтов в массиве по п. 3, отличающееся тем, что, с целью обеспечения выноса грунта на поверхность и отбора образцов грунта в процессе испытаний, верхняя часть спирального зонда может быть выполнена в виде шнековой колонны с шагом, большим шага лопасти лидера.