Стенд для исследования напряженного состояния керна рыхлых грунтов Советский патент 1992 года по МПК G01N3/00 

грунтом емкость 8 с патрубком для подачи в нее рабочей жидкости, две коаксиально установленные с зазором и с возможностью совместного осевого перемещения трубы 2 и 3, часть которых расположена в емкости 8, кольцевой нож 4, герметично соединяющий расположенные в емкости 8 торцы труб 2 и 3, соединяющую другие торцы этих труб 2, 3 крышку 5, связанный к ней и установленный соосно трубам 2 и 3, силовозбудитель 27, сообщенный с полостью внутренней трубы 3 сливной патрубок 6 и датчич 7 гидростатического давления рабочей жидкости в емкости 8, предназначенные для взаимодействия со слоями грунта установленными вдоль образующей на внутренней трубе 3 и расположенные в зазоре между трубами 2 и 3 датчики 12 давления, каждый из которых выполнен в виде закрепленного на трубе 3 полого корпуса с соосными отверстиями в противоположных стенках, закрепленной на стенке, расположенной со стороны наружной трубы 3, и перекрывающей ее отверстие мембраны, датчики ее деформации, расположенного в корпусе, делящего своей средней большей ступенью его полость на две части ступенчатого дифференциального плунжера один торец меньшей ступени которого размещен в указанном отверстии и связан с мембраной, а торец второй меньшей ступени размещен в другом отверстии корпуса и предназначен для связи с испытуемым грунтом, и фильтра, площадь свободной поверхности большей ступени плунжера, обращенной к мембране равна площади поверхности торца второй меньшей ступени в корпусе каждого датчика 12 выполнен канал, соединяющий полость внутренней трубы 3 с частью полости корпуса, расположенной со стороны мембраны в котором размещен фильтр датчика 12 2 ил

Изобретение относится к исследовани: ям процессов, происходящих в грунтовом массиве при отборе проб рыхлых грунюв морскими колонковыми пробоотборниками. Целью изобретения является расширение номенклатуры испытуемых грунтов путем обеспечения определения напряженного состояния не только однородных, но и слоистых грунтов. Стенд содержит герметичную предназначенную для заполнения СЛ CJ 00 СО х| Фиг.1

Изобретение относится к гидромеханике, в частности к устройствам для исследования процессов происходящих в грунтовом массиве при отборе проб рыхлых грунтов морскими колонковыми пробоотборниками

Известен стенд для исследования напряженного состояния керна рыхлых грунтов, содержащий открытую емкость с исследуемым грунтом, колонковый снаряд, включающий колонковую трубу с башмаком и крышкой, гидравлический привод, состоящий из насосной станции с манометром и гидроцилиндра и лебедки с динамометром

Известен стенд для исследования напряженного состояния керна рыхлых грунтов, содержащий колонковый набор с силоизмерителем, гидравлический привод перемещения колонкового набора, состоящий из насосной станции и гидроцилиндра, и герметичную емкость с исследуемым грунтом и патрубком для подачи жидкости под давлением Колонковый набор состоит из наружной трубы, жестко связанной с кольцевым ножом и крышкой, и керноприемной трубой, установленной с возможностью осевого перемещения и связанной с силоизмерителем.

Основным недостатком стенда является узкая номенклатура испытываемы4 грунтов, ограниченная однородными и изотропными породами Стенд позволяет получить лишь величину общей силы тренич керна о трубу, В переслаивающихся грунтах, где возрастание силы трения керна о

трубу от слоя к слою носит скачкообразный характер, определить по обобщенному показателю напряженного состояния колонки пробы величину напряжений в каждом из

слоев грунта, составляющих керн невозможно

Целью изобретения является расширение номенклатуры испытуемых грунтов путем обеспечения определения напряженного состояния не только однородных ноислоистых грунтов

Указанная цель достигается тем, что в известном стенде для исследования напряженного состояния керна рыхлых грунтов,

содержащем герметичную предназначенную для заполнения грунтом емкость с патрубком для подачи в нее рабочей жидкости, две коаксиально установленные с зазором и с возможностью совместного осевого перемещения трубы, часть которых расположена в емкости кольцевой нож, герметично соединяющий расположенные в емкости торцы труб, соединяющую другие торцы этих труб крышку, связанный с ней и установленный

соосно трубам силовозбудитель, сообщенный с полостью внутренней трубы сливной патрубок и датчик гидростатического давления рабочей жидкости в емкости он снабженпредназначеннымидля

взаимодействия со слоями грунта установленными вдоль образующей на внутренней трубе и расположенными в зазоре между трубами датчиками давления, каждый из которых выполнен в виде закрепленного на

трубе полого корпуса с соосными отверстиями в противоположных стенках, закрепленной на стенке, расположенной со стороны наружной трубы, и перекрывающей ее отверстие мембраны, датчика ее деформации, расположенного в корпусе, делящего своей средней большей ступенью его полость на две части ступенчатого дифференциального плунжера, один торец меньшей ступени которого размещен в указанном отверстии и связан с мембраной, а торец второй меньшей ступени размещен в другом отверстии корпуса и предназначен для связи с испытуемым грунтом, и фильтра, площадь свободной поверхности большей ступени плунжера, обращенной к мембране, равна площади поверхности торца второй меньшей ступени, в корпусе каждого датчика выполнен канал, соединяющий полость внутренней трубы с частью полости корпуса, расположенной со стороны мембраны, в котором размещен фильтр этого датчика.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство; на фиг.2 - конструкция датчика давления, предназначенного для определения скелетных напряжений грунта.

Стенд для исследования напряженного состояния керна рыхлых грунтов содержит колонковый снаряд 1, выполненный в виде наружной 2 и внутренней 3 труб, соединенных снизу с кольцевым ножом 4, а сверху - с крышкой 5 (фиг.1). Внутренняя труба 3 снабжена сливным патрубком б, сообщающим полость внутренней трубы 3 с атмосферой, а наружная труба 2-е датчиком 7 гидростатического давления, установленным на уровне сливного патрубка 6 внутренней трубы 3

Емкость 8 с исследуемым переслаивающимся грунтом установлена под колонковым снарядом 1 и выполнена, благодаря уплотнению 9 по наружному периметру колонкового снаряда 1, герметичной. Кроме того, она соединена с нагнетательной линией 10с вентилем 11 и сообщена с датчиком 7 гидростатического давления.

В зазоре между наружной 2 и внутренней 3 трубами, на каждом из интервалов, соответствующих интервалам слоев грунта в емкости 8, установлен датчик 12 давления, предназначенный для определения скелетных (эффективных) напряжений грунта, Он выполнен в виде полого корпуса 13с соос- ными отверстиями в противоположных стенках, прикрепленного (например, сваркой) к внутренней трубе 3 (фиг.2). В корпусе 13 датчика 12 давления установлен дифференциальный плунжер 14, состоящий из двух меньших ступеней 15 и 16 и одной размещенной между ними большей ступени

17, и выполнен фильтр 18, представляющий собой полость, заполненную мелким грави ем и сообщенную каналом 19 с полостью внутренней трубы 3. Одна меньшая ступень

0 15 дифференциального плунжера 14 уста- новпена в отверстии корпуса 13, сообщающемся с полостью внутренней трубы 3. а вторая ступень 16 - в отверстии корпуса 13, перекрытом мембраной 20, Большая сту5 пень 17 дифференциального плунжера 14 размещена в полости корпуса 13, участок 21 которой со стороны мембраны 20 соединен каналом 22 с фильтром 18. Кроме того площадь Торца меньшей ступени 15 плунжера

0 14, выступающей в полость внутренней трубы 3. выполнена равной площади кольцевой поверхности большей ступени 17 плунжера 14, обращенной к мембране 20.

В центре мембраны 20 (в области мак5 симальных деформаций) наклеены полупро- водниковые тензорезисторы 23, включенные последовательно и образующие два плеча полумоста, Тензорезисторы 23 всех датчиков 12 давления соединены проводами 24 с усилителем 25.

Для задавливания колонкового снаряда 1 в грунт применен гидравлический привод, включающий насосную станцию 26 и гидроцилиндр 27.

Для регистрации и записи показаний

датчика 7 гидростатического давления и тензорезисторов 23 использована установка 28.

Исследования напряженного состояния

0 керна рыхлых грунтов производят следующим образом.

Собранный колонковый снаряд 1 опу- екают через отверстие уплотнения 9 в емкость 8 с исследуемым переслаивающимся

5 грунтом и, не доходя до верхней поверхности грунта кольцевым ножом 4 колонкового снаряда 1, открывают вентиль 11 нагнетательной линии 10. Жидкость из нашетат ль- ной линии 10 начинает поступать в емкость

0 8 и поднимается по внутренней трубе 3 до уровня сливного патрубка 6.

Далее колонковый снаряд 1 опускают до уровня грунта в емкости 8, включают насосную станцию 26 гидравлического привода и

5 гидроцилиндром 27 через крышку 5 производят вдавливание наружной 2 и внутренней 3 труб с кольцевым ножом 4 в грунт. Одновременно вентилем 11 нагнетательной линии 10 производят регулировку необходи0 мого давления жидкости внутри емкости 8, моделирующего гидростатическое давление.

За счет создаваемой разности между гидростатическим давлением и давлением

5 жидкости над керном в колонке грунта в

полости внутренней трубы 3 возникает восходящий фильтрационный поток жидкости, оказывающий фильтрационное давление на минеральный скелет грунта. Фильтрационный приток жидкости в пространство над керном отводится через сливной патрубок 6 внутренней трубы 3.

Величина создаваемой разности давлений регистрируется датчиком 7 гидростатического давления, установка которого на наружной трубе 2 на уровне сливного патрубка 6 на его показания. Предварительное заполнение внутренней трубы 3 жидкостью до уровня сливного патрубка 6 исключает зависимость показаний датчика 7 гидроста- тического давления от фильтрационного притока жидкости в полость внутренней трубы 3.

По мере увеличения глубины внедрения колонкового снаряда 1 в исследуемый грунт возникают и нарастают силы трения керна о стенки внутренней трубы 3, обусловливая возрастание напряженного состояния материала керна. При этом на меньшую ступень 15 дифференциального плунжера 14, высту- пающую в полость внутренней трубы 3, действуют боковые эффективные напряжения оь (на вертикальной площадке) минерального скелета грунта и давление поровой жидкости (нейтральное давление) Поскольку канал 19 гравийного фильтра 18 и меньшая ступень 15 дифференциального плунжера 14 расположены практически на одном уровне (это решается конструктивно), то такое же нейтральное дав ление, которое действует на меньшую ступень 15 плунжера 14, передается через канал 22 на участок 21 полости, в которой установлена большая ступень 17дифференциального плунжера 14. Так как площадь кольцевой поверхности большей ступени 17 плунжера 14, обращенной к мембране 20, выполнена равной площади торца меньшей ступени 15 дифференциального плунжера 14, то усилия, обусловленные нейтральным давлением жидкости на плунжер 14 со стороны полости внутренней трубы 3 и участка 21 полости корпуса 13, взаимно погашаются. В результате дифференциальный плунжер 14 воспринимает только боковые эффективные напряжения OB грунта.

Под действием усилия, обусловленного этими напряжениями, плунжер 14 смещается относительно корпуса 13 датчика 12 и оказывает второй меньшей ступенью 16 давление на мембрану 20, которая в результате проги- бается. Подпитываемые по проводу 24 постоянным (или переменным) током и наклейные на мембрану 20 тензорезисторы 23 также испытывают механические напряжения. В результате возникающих деформаций тензо- резисторов 23 меняется их сопротивление и, следовательно, перепад напряжений Выходное напряжение с полумоста каждого из п датчиков после усилителя 25 регистрируется установкой 28.

По величине изменения перепадов напряжений с тензорезисторов 23 рассчитываются известным образом силовые воздействия на каждую мембрану 20 датчиков 12, обусловленные скелетными напряжениями грунта. Далее, исходя из площади торца меньшей ступени 15 дифференциального плунжера 14, рассчитывают боковые эффективные напряжения оа грунта и определяют скелетные напряжения а, .действующие по оси колонки керна (на горизонтальной площадке) и связанные с боковыми напряжениями оь следующей зависимостью

Г7В (f) 7r

где (ft - коэффициент бокового давления, зависящий от типа грунтов

В результате исследований напряженного состояния керна рыхлых грунтов на предлагаемом стенде определяют скелетные напряжения в каждом из слоев переслаивающегося массива грунта, соответствующие определенному перепаду между гидростатическим давлением и давлением над керном, регистрируемому по сигналу датчика 7 установкой 28.

Предлагаемый стенд может быть использован также с целью совершенствования технологии пробоотбора донных переслаивающихся грунтов с обратной промывкой. Для этого в процессе внедрения колонкового снаряда 1 в емкость 8 подбираются такие параметры обратной промывки (разность между гидростатическим давлением и давлением жидкости над керном или расход восходящего фильтрационного потока) которые обеспечивали бы, с одной стороны, минимальное напряженное состояние слоев грунта, а с другой - исключали вынос частиц грунта восходящим потоком жидкости или пульпообразование кернового материала.

Таким образом предлагаемый стенд позволяет исследовать напряженное состояние керна донных переслаивающихся грунтов при наличии восходящего фильтрационного потока жидкости в колонке пробы. Поскольку стенд обеспечивает при этом исследование массива, представленного однородными породами, то, следовательно, расширяется номенклатура испытуемых грунтов.

Использование предлагаемого стенда позволяет исследовать и отработать технологию пробоотбора донных переслаивающихся отложений с обратной промывкой, что, в конечном итоге, повышает эффективность бурения мелких подводных скважин, а также пробоотбора на море

Формула изобретения Стенд для исследования напряженного состояния керна рыхлых грунтов, содержащий герметичную предназначенную для заполнения грунтом емкость с патрубком для подачи в нее рабочей жидкости, две коакси- ально установленные с зазором и с возможностью совместного осевого перемещения трубы, части которых расположены в емкости, кольцевой нож, герметично соединяю- щий расположенные в емкости торцы труб, соединяющую другие торцы этих труб крышку, связанный с ней и установленный соосно трубам силовозбудитель, сообщенный с полостью внутренней трубы сливной патрубок и датчик гидростатического давления рабочей жидкости в емкости, отличающийся тем, что. с целью расширения номенклатуры испытуемых грунтов путем обеспечения определения напряженного состояния не только однородных, но и слоистых грунтов, он снабжен предназначен ными для взаимодействия со слоями грунта.

J П 21

13

установленными вдоль образующей на внутренней трубе и расположенными в зазоре между трубами датчиками давления, каждый из которых выполнен в виде закрепленного на трубе полого корпуса с соосны- ми отверстиями в противоположных стенках, закрепленной на стенке, расположенной со стороны наружной трубы и пере- крывающей ее отверстие мембраны, датчика ее деформации, расположенного в корпусе, делящего своей средней большей ступенью его полость на две части ступенчатого дифференциального плунжера, один торец меньшей ступени которого размещен в указанном отверстий и связан с мембраной, а торец торой меньшей ступени разме- щен в другом отверстии корпуса и предназначен для связи с испытуемым грунтом, и фильтра, площадь свободной поверхности большей ступени плунжера, обращенной к мембране, равна площади поверхности торца второй меньшей ступени, в корпусе каждого датчика выполнен канал, соединяющий полость Внутренней трубы с частью полости корпуса, расположенной со стороны мембраны, в котором размещен фильтр этого датчика. ч