Способ определения параметров полости в грунте Советский патент 1992 года по МПК E02D1/00 G01F17/00 

Изобретение относится к метрологической оценке подземных полостей естественного и искусственного происхождения при инженерных изысканиях и строительстве, а также технологических емкостей в отраслях транспортировки и хранения газов, жидкостей и сыпучих материалов.

Известен способ определения объема некоторой части подземной полости, вскрытой скважиной, оборудованной внешней и внутренней трубами, путем нагнетания в нее через межтрубное пространство жидкости, вычисление ее относительно й сжимаемости по данным об изменении в ней давления, нагнетания другой более легкой жидкости или газа и измерения изменения давления в первой жидкости по мере перемещения поверхности раздела двух сред сверху-вниз. По замеренным величинам вычисляют объем части полости и площадь ее горизонтальных сечений, на разной глубине, что позволяет оценить размеры полости (1).

Недостатками способа являются его неприменимость к негерметичным полостям и невозможность определения объема тех частей полости, которые расположены выше нижнего края внешней и ниже нижнего края внутренней трубы.

Известен также усовершенствованный гидропневматический метод замера внутренних объемов (2), включающий размещение в полости подающего устройства, окруженного эластичной мембраной, и приведения его в контакт с внутренними стенками полости путем введения через подающее устройство определенного обье VI

О

со ел а

VI

ма жидкости, который и определяет замеряемый объем полости.

Однако этот способ и аппаратура для его осуществления относится только к открытым полостям малого размера с его помощью нельзя оценить размеры полости, а использование для расширения эластичной мембраны жидкости может резко снизить точность результата даже при ее капельной утечке.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ контроля плотности крупнообломочных грунтов (3), включающий образование лунки, взвешивание извлеченного из нее грунта, создание давления, измерение объема газа в эластичной оболочке, размещенной в лунке, и определение объема газа в эластичной оболочке, размещенной вне лунки, путем измерения размеров эластичной оболочки и расчет плотности грунта по полученным данным.

Недостаток способа - невозможность определения объема замкнутых подземных полостей.

Цель изобретения - расширение диапазона использования за счет определения объема и номинальных размеров замкнутых подземных полостей, в том числе содержащих жидкость.

Указанная цель достигается тем, что в способе, включающем размещение в полости эластичной камеры, заполнение ее газом до касания стенок полости, измерение размеров заполненной газом эластичной камеры и объема газа и расчет по полученным данным объема полости, бурят сквэж,и- ну с поверхности земли до полости, перед помещением эластичной камеры в полость через скважину ее оснащают датчиками деформаций после заполнения камеры газом измеряют максимальное приращение периметра одного из сечений камеры по датчикам, а объем и номинальные размеры полости определяют по формулам:

V

VoPc

0,32 Д,

h . 18.8V (3,14d0+A):

,2

где Vo - объем закачиваемого в полость газа, м3

Ро - давление закачиваемого в полость газа, МПа

Р - давление установившееся в камере внутри полости, МПа

d -номинальный диаметр полости, м do - начальный диаметр камеры, м

Д- приращение экватора сфероида,

рассчитываемое как сумма максимальных деформаций по периметру одного сечения, м

h - номинальная высота полости, м

V - объем полости, м3.

Для определения параметров полости, содержащей жидкость,осуществляют бурение дополнительной скважины с поверхности до полости для выхода жидкости,

вытесняемой из полости при расширении эластичной камеры.

На фиг. 1 показана схема реализации способа (вертикальный разрез); на фиг. 2 - сечение по А-А.

Пример осуществления способа.

Покажем на примере оценки заполненной воде и карстовой полости 1 в грунтовом массиве 2 при выполнении инженерных изысканий,

Оборудование для реализации способа включает буровую установку, воздушный насос (компрессор) 3, манометр А, расходомер воздуха 5, эластичную камеру 6 в форме шара с датчиками деформаций 7, комплект

обсадных труб 8 с возможностью пропуска внутри них эластичной камеры 6, измерительный комплекс 9.

Осуществляют способ следующим образом. В массиве 2 буровой установкой над

предполагаемой полостью 1 бурят скважину 10 до вхох дения ее в свод полости 1 и закрепляют обсадными трубами 8. Обнаружив в полости 1 воду, бурят рядом со скважиной Юскважину 11. Нагнетают в полость 1 через

скважину 10 воздух для ориентировочной оценки объема. Подбирают из набора разновеликих эластичных камер камеру требуемого объема и опускают ее через обсадную колонну 8 скважины 10 в полость 1. Надувают камеру 6 через шланг 12 воздухом до касания стенок полости 1. Об этом свидетельствует рост давления воздуха в камере 6, фиксируемый манометром 4, при неизменности показаний датчиков деформаций

7 на измерительном комплексе 9. Датчики желательно крепить в камере 6 по типу сетки на глобусе - вдоль экватора и по меридиану.

Зная объем V0 и давление Р0 закачанного в полость газа, принимая массу и температуру газа постоянными, замеряют манометром на верхнем торце обсадки давление газа Р в системе полость-обсадка и вычисляют объем полости /за оычетом обьема внутри обсадки V0e на основе закона Бойля-Мариоттэ по формуле

Vn

V0 Ро

-V06

ttd2h

По датчикам деформаций, закрепленным на поверхности эластичной камеры (например, вдоль периметра большого горизонтального круга камеры с начальным диаметром do при атмосферном давлении) замеряют приращение экватора сфероида А

А л d - п do л (d - do)

d - номинальный диаметр полости (большой окружности оболочки под давлением газа Р).

Исходя априори из формулы полости в виде сфероида, наиболее часто встречающейся у карстовых полостей практически и отвечающей вертикальному воздействию реагента от точечного источника теоретически, - вычисляем на основе ф-лы (2) номи- ный диаметр d полости

d d0+ do +0,32 А,

Jit

(3)

а на основе ф-лы (1) с учетом ф-лы (3) номинальную высоту полости в вершине

h 67TV

18,8 Vn

(7rcfe+A)2 ()2

Способ прост в исполнении, не требует специального оборудования, допустим при реконструкции и в условиях плотной застройки. Важными достоинствами способа являются экологическая чистота и возможность оценки полостей в трещиноватых массивах.

Формула изобретения 1. Способ определения параметров полости в грунте, включающий размещение в

10

15

полости эластичной камеры, заполнение ее газом до касания стенок полости, измерение размеров заполненной газом эластичной камеры, давления и объема газа и расчет по полученным данным объема полости, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона использования за счет определения объема и номинальных размеров замкнутых подземных полостей, предварительно бурят скважину с поверхности земли до полости, перед помещением эластичной камеры в полость через скважину ее оснащают датчиками деформаций, после заполнения камеры газом измеряют максимальное приращение периметра одного из сечений камеры по датчикам, а объем и номинальные размеры полости определяют по формулам

20

V

,УоРо

0,32 Д

25

h

18,8V

(3,14d0+A)2

30

35

40

45

где V0 - объем закачиваемого в полость газа, м3;

Ро давление закачиваемого в полость газа, МПа;

Р - давление, установившееся в камере внутри полости, МПа;

d - номинальный диаметр полости,.м;

do - начальный диаметр камеры, м; А - приращение экватора сфероида, рассчитываемое как сумма максимальных деформаций по периметру одного сечения камеры, м;

h - номинальная высота полости, м;

V - объем полости, м3.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что, с целью определения параметров1 полости, содержащей жидкость, осуществляют бурение дополнительной скважины с поверхности до полости для выхода жидкости, вытесняемой при расширении эластичной камеры.

/

/

Использование: при инженерных изысканиях в строительстве для оценки подземных полостей естественного и искусственного происхождения. Сущность: при определении параметров полости в грунте помещают в нее через пробуренную скважину эластичную камеру диаметром d0, оснащенную датчиками деформаций, заполняют ее газом объемом V0 и давлением Р0 до касания стенок полости и измеряют установившееся давление Р и максимальное приращение периметра одного из сечений камеры ( Д) с помощью датчиков. По измеренным данным определяют объем V и номинальные размеры - высоту h и диаметр полости d по формулам: V V0Po/P: ,32A,,8/(3,14oV- А)2. При определении параметров полости, содержащей жидкость, бурят скважину до полости для ее выхода под действием расширяющейся камеры. 2 ил. « Ј

U

10

T т

. . :. / . ;; .«.,«..«..л

- -r« «..

V-: -d

ФИР. I

c./

A-A . V.. / /.

, , . . :.« / , .

-

V/4..... .

TS

I