Способ определения прочностных свойств грунта и устройство для определения прочностных свойств грунта Советский патент 1983 года по МПК E02D1/00 G01N3/24 

Изобретение относится к строител ству, в частности к инженерной геоло гии . Известен способ определения прочностных свойств грунта, состоящий 8 задавливании в грунт конуса-крыльчат кИ и вращении его с приложением осевой нагрузки с фиксацией максимального и минимального усилий 1 . Недостатком данного способа явля.ется то, что в нем не определяется и не учитывается дополнительное давл ние, нормальное к поверхности среза возникающее в момент среза за счет сил выталкивания грунта лопастями крыльчатки. Наиболее близким к изобретению является способ определения прочност ных свойств грунта, включающий погру жение полого корпус с крыльчаткой в грунт, приложение к корпусу с крыльчаткой различных по величине ступеней нормальных нагрузок, вращение корпуса с крыльчаткой при каждой ступени приложения нормальной нагрузки с измерением крутя1аих моментов, извлечение из грунта корпуса с крыльчаткой, определение трения металла корпуса и крыльчатки по гоун ту и определение удельного сцепления и угла внутреннего трения грунта 2 Недостатком указанного способа является производство среза в различ ных уровнях испытания, что может привести к существенным ошибкам при испытании неоднородных грунтов типсэ ленточных глин. Кроме того,, поправку на трение металла о грунт не замеряют непосредственно в забое скважины, а определяют по номограммам. Не учитывается также и не определяется поправка на слипание грунта с металлом корпуса и крыльчатки. Известно устройство для.определения прочностных свойств грунта, включающее наконечник, с лопастями пр1ямоу голь ной форма з . i Недостаток этого устройства заклю чается в том, что при производстве среза возникает дополнительное давление , нормальное к боковой поверхности срезаемого массива грунта, которое практически не поддается учету, так как зависит от прочностных характеристик грунта. Наиболее близким к изобретению является устройство для определения прочностных свойств грунта, содержащее штангу, полый корпус с крыльчаткой, установленный на нижнем конце штанги, приспособления для создания нормальной нагрузки на корпус с крыльчаткой и его вращения и измерительные приспособления 4 . Недостатком указанного устройства является сложность конструкции, вызванная необходимостью разельного задавливания в.грунт внутреннего кольца с крыльчаткой, внешнего кольца и разгрузочного ножа. Кроме того, наличие заостренных торцов внутрен.него и внешнего колец и крыльчатки создает дополнительное давление на грунт и трение, учесть которые не представляется возможным. Цель изобретения - повышение точности исследований. Указанная цель достигается тем, что в способе определения прочностных свойств грунта, включающем погружение полого корпуса с крыльчаткой в грунт, приложение к корпусу с крыльчаткой различных по величине ступеней нормальных нагрузок, вращение корпуса ,с крыльчаткой при каждой ступени приложения нормальной нагрузки с измерением крутящих моментов, извлечение из грунта корпуса с крыльчаткой, определение величин трения металла корпуса и крыльчатки по грунту и определение удельного сцепления и угла внутреннего трения грунта, приложение различных по величине ступеней нормальных нагрузок к корпусу с крыльчаткой производят в одном уровне среза, а после извлечения корпуса с крыльчаткой из грунта на поверхность среза опускают конус, изготовленный из того же металла и с одинаковой чистотой поверхности с корпусом и крыльчаткой, производят вращение конуса с измерением крутящих моментов в той же последовательности и с приложением тех же ступеней нормальной нагрузки, что и при вращении корпуса с крыльчаткой, а по величине крутящих моментов вращения конуса определяют величины слипания с грунтом и трения по грунту металла корпуса и крыльчатки. Указанная цель достигается также тем, что устройство для определения прочностных свойств грунта, содержащее штангу, полый корпус с крыльчаткой, установленный на нижнем конце штанги, приспособлениядля создания нормальной нагрузки на корпус с крыльчаткой и его вращения и измерительные приспособления, снабжено конусом, выполненным из одинакового с корпусом и крыльчаткой металла и с одинаковой частотой поверхности, корпус крыльчатки выполнен в виде усеченного конуса, а торцы корпуса и крыльчатки выполнены плоскими. На фиг. 1 изображено устройство для определения прочностных свойств грунта, общий вид; на фиг. 2 - разрез корпуса с крыльчаткой, вид сверху, и сечение А-А-, на фиг. 3 - конус; на фиг. 4 - торцовые поверхности корпуса и крЕлльчатки; на фиг. 5 график для определения коэффициента трения конуса о грунт} на фиг, 6 график для определения коэффициента внутреннего трения грунта. Устройство для определения прочностных свойств грунта состоит из . штанги 1 (фиг. 1), на нижний конец которой навинчен корпус 2 с крыльчаткой 3 (фиг. 2) или конус 4 (фиг. В верхней части штанги крепится приспособление для создания нормальной нагрузки на корпус с крыльчаткой например грузовая платформа 5, на которую помещен набор грузов 6. На верхнем конце штанги крепится приспособление для создания вращения, например силовой 7 и поворотный 8 рычаги, между которыми помещается измерительное приспособление например динамометр 9. Для выхода защемленного воздуха в днище корпуса 2 выполнены отверстия 10. Для соединения корпуса 2 со штангой корпус 2 снабжен хвостовиком 11. Конус 4 (фиг. 3) снабжен хвостовиком 1-2 для соединения со ш-тангой 1 (фиг. 1). Способ определения прочностных свойств грунта осуществляется следую щим образом. На защищенный забой скбажины на штанге 1 (фиг. 1) опускают корпус 2 с крыл.ьчаткой 3 (фиг. 2). Корпус 2 задавливают в грунт на высоту крыльчатки. При помощи грузов 6 (фиг. 1) помещенных на грузовую платформу S, создают первую ступень нормеипьной нагрузки, при которой в случае консолидированного среза делают выдерж ку. При помощи поворотного 8 и силов го 7 рычагов производят первоначаль ное вращение корпуса 2 с крыльчаткой. 3 и фиксируют по динамометру 9 две величины вращающей силы: одну максимальную, соответствующую перво му максимальному крутящему моменту itnax вторую - минимальную, соответствующую установившемуся крутяще му моменту В случае необходимости определения структурного сцепления и сцепле ния связности после выдержки грунта (обычно в течение 15 мин) при перво ступени нормальной нагрузки произво дят повторное вращение с определени ем максимального М и минимального М;,;) крутящих моментов. Затем создают вторую ступень нор мальной нагрузки и производят враще ние корпуса 2 с крыльчаткой 3 с фик сацией по динамометру величины вращающей силы, соответствующей устано вившемуся крутящему моменту М „,1 , В случае необходимости определения структурного сцепления и сцепле ния связности делают выдержку грунта при второй ступени нормальной нагрузки и производят повторное вра-, щение с определением максимального ZiTia минимального м крутящих моментов. Аналогично работе при второй ступени нормальной нагрузки опыт повторяют несколько раз при различных ступенях нормальной нагрузки с определением крутящих моментов, прсгле чего корпус 2 с крыльчаткой 3 извлекают из скважины, а на полученную поверхность среза на штанге 1 опускают конус 4 (фиг. 3). При помощи грузов б (фиг. 1), помещенных на грузовую платформу 5, создают первую ступень нормальной нагрузки. . При. помощи поворотного 8 и силового 7 рычагов производят, вращение конуса 4 (фиг. 3) с определением максимального ., и минимального Ч КОН (установившегося) М, крутящих моментов. При отсутствии слипания между металлом и грунтом максиМсШьный Крутящий момент не определяют. Опыт повторяют столько же раз и при тех же ступенях нормальных нагрузок, что и при вращении корпуса с крыльчаткой. Результаты опытов обрабатывают -. следующим образом: крутящие моменты рассчитывают по формуле М FL , крутящий момент; F - величина вращающей силы, приложенной к приспособлению для создания вращения; L - плечо вращающей силы, расстояние от оси вращения до точки приложения силы. Величину удельного слипания с грунтом металла корпуса и крыльчатки определяют по формуле п 5-/,u,ow ион ч .. кон где М,гиах « mSn соответственно максимальный и минимальный (установившийся) крутящие моменты, полученные при вращении конуса под нормгшьной нагрузкой; п - количество ступеней нормальной нагрузки; Д - постоянная конуса, вычисляемая по формуле д где ft - радиус основания конуса Л - удельное слипание (оеталла корпуса и крыльчатки с грунтом;- номер ступени нормальной нагрузки.

Величину удельного сцепления грунта С вычисляют по формуле

Ktpiax - - Лу где соответственно максимальный и минимальный крутявше моменты, полу ченные при вращении кор пуса с крыльчаткой под первой ступенью нормал ной нагрузки А и В - постоянные крыльчатки, определяемые по формуламгде ds - бесконечно малый элемент поверхности; г - расстояние бесконечно мало го элемента поверхности от оси вращения; 5 - торцовые поверхности корпуса и крыльчатки; 5л - поверхность среза без торцовых поверхностей корпуса и крыльчатки. , Указанные формулы справедливы дл вычислений постоянных крыльчатки с любым количеством лопастей и, в час ности, для. четыре хлопает ной крыльча ки после интегрирования принимают вид: ЦЬаГгР,) COSfii Ы6 Jgin 2 2sif.. -1е.чЬ), Пояснение величин, входящих в фо мулы, дано на фиг, 4, гд R - внешний радиус корпуса; R2 - внутренний радиус корпус 2d - толщина лопастей крыльчат ки ; .О - центр вращения корпуса и крыльчатки; D, Е, F - точки, ограничивающие оди из четырех ранозначных секторов поверхности срез Н - точка, находящаяся на пересечении линии, проведен ной через середину торцовой. поверхности лопасти, и окружности, проведенной 43 точки О радиусом i, - постоянный угол ООН arcsln (J,, In (i, Удельное сопротивление грунта вращению конуса li при нормальной нагрузке определяют муле,

лл ° л кон

S где М. - минимальный (установившийся) крутящий момент при вращении конуса под нормальной нагрузкой; Д - постоянная конуса. Коэффициент трения конуса о грунт определяют как угловой коэффициент прямой, проведенной через точки (jf , t К ) способом наименьших квадратов или другим известным способом. При расчете способом наименьших квадратов вычисления проводят по формулам V ° г Ш -.tij ..Ей.), .- |Л-1Ь.Г, где 6 - удельная нормальная нагрузка на грунт, передаваемая конусом; п - количество ступеней нормальных нагрузок. При графическом определении коэффициента трения конуса после вычисления всех значений .удельного сопротивления грунта вращению конуса с , соответствующих разным ступеням нормальных нагрузок на грунт, передаваемых конусом, в прямоугольной равномасштабной системе координат наносят точки (6 , ), откладывая по оси абсцисс значения о( , а по оси ординат значения (фиг. 5). Через эти точки на плоскости проводят прямую с учетом правил графического осреднения. Тангенс угла оС этой прямой будет являться угловым ее коэффициентом, который равен коэффициенту трения конуса о грунт К , т.е. tgoC , тангенс угла « (tgot) может быть определе н из прямоугольного треугольника АВС или через значение угла оС, , величина которого мо жет быть измерена непосредственно на чертеже. Удельная сила трения грунта о грунт t при вращении крыльчатки с корпусом под удельной нормальной нагрузкой определяется по формуле.. лКР ,nr- К .СР,- а (. . -, Ifle - минимальный (установившийся) крутящий момент при вращении крыльчатки с корпусом под i-и ступенью удельной нормальной нагрузки (j( ; А и В - постоянные крыльчатки. Коэффициент внутреннего трения грунта tg tp определяют как угловой коэффициент , проведенной через точки Q {6-,11 ) способом наи меньших квадратов или. другим извест ным способом. При расчете способом наименьших квадратов вычисления проводят по формулам (nbr.i,.r.ii,)i ,f, ; Ol 1. где d- - удельная нормальная нагруз ка на грунт; п.- количество ступеней нормал ной нагрузки. Угол внутреннего--трения грунта (р определяют по формуле tf arctacp При графическом определении коэф фициента внутреннего трения Грунта tgCf, после вычисления всех значений удельной силы трения грунта о грунт , соответствующих разным удельным нормальным нагрузкам на грунт , в прямоугольной разномасштабной системе координат наносят точки QI (6, ), откладывая по оси абсцисс значения , а по оси ординат - значения с f (фиг. 6). Через эти точки на плоскости приводят прямую с учетом правил гра фического осреднения. Угол cf , обра зованный этой прямой с осью абсцисс, равен углу внутреннего трения грунта ср и может быть измерен непос редственно по чертежу. Тангенс этог угла Cf является одновременно и угло вым коэффициентом проведенной прямо и коэффициентом внутреннего трения грунта tgqj, и может быть определен через значения угла cjp или из прямоугольного треугольника ABC (фиг. б) В случае необходимости определения структурного сцепления грунта CCT и сцепления связности грунта их значения определяют по формулам F - та х та ч . по формулам t (Mimax- iniin-AA) / 5 ст - СВ С - удельное сцепление грунта; и В - постоянные крыльчатки; Л - удельное слипание металла корпуса и крыльчатки с грунтом; i - номер ступени нормальной нагрузки; п - количество ступеней нормальной нагрузки; ( - максимальный крутящий момент при вращении корпуса с крыльчаткой при первой ступени нормальной нагрузки; максимальный крутящий момент при повторном вращении корпуса с крыльчаткой при i-й ступени нормальной нагрузки; М - - максимальнь крутящий момент при повторном вращении корпуса с крыльчаткой при первой ступени нормаль ной нагрузки; И - минимальный {установив шийся) крутящий момент при вращении корпуса с крыльчаткой при i-й ступени нормальной нагрузки Один из вариантов устройства ет следующие параметры, мм Диаметр основания конического корпуса 60 Диаметр днища корпуса 50 Высота корпуса15 Высота крыльчатки 10 Толщина стенок корпуса и крыльчатки. 2 Диаметр отверстий для выхода защемленного воздуха2 Диаметр основания конуса 60 Угол при основании конуса составт 45°. Постоянные характеристики крыльки и конуса имеют следующие знаия, А 13,711; В - 42,838; 56,549.

/ / in

X

г

la.

1. Способ определения прочиостных свойств грунта, включаюпий погружение полого корпуса с крьшьчатКОЙ в грунт, приложение к корпусу с крыльчаткой различных по величине ступеней нормальных нагрузок, вращение корпуса с крыльчаткой при кгикдой ступени приложения нормальной нагрузки с измерением крутящих моментов, извлечение из,грунта корпуса с крыльчаткой. Определение величин трения металла корпуса и крыльчатки по грунту и определение удельного сцепления и угла внутреннего трения грунта, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности исследований, приложение различных по величине ступеней нормальных нагрузок к корпусу с крыльчаткой производят в одном уровне среза, а после извлечения корпуса с крыльчаткой из грунта на поверхность среза опускают конус, изготовленный из материала и с одинаковой чистотой поверхности с корпусом и крУльчаткой, производят вращение конуса с измерением крутящих моментов в той же последовательности и с приложением тех же ступеней нормальной нагрузки, что и при вращении корпуса с (О крыльчаткой, а по величине крутящих моментов вращения конуса определяют величины слипания с грунтом и трения по грунту металла корпуса и крыльчатки. 2. Устройство для определения прочностных свойств грунта, содержащее штангу, полый корпус с крыльчаткой, установленный на нижнем конце штанги, приспособления для 00 создания нормальной нагрузки на оо ел корпус с крыльчаткой и его вращения и измерительные приспособления, отличающееся тем, что, оо с целью повышения точности исследований, оно снабжено конусом, выполненным из одинаковогц с корпусом и крыльчаткой металла и с одинаковой чистотой поверхности, корпус крьшьчатки выполнен в виде усеченного конуса, а торцы корпуса и крыльчатки выполнены плоскими.

(риг. 1