Способ изучения деформационных свойств скальных массивов и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к изыскательным работам при строительстве объектов энергетики или других сооружений, связанных р изучением деформируемое™ и прочности массивов скальных и полускальных пород по всей зоне сооружений с помощью прессиометрии геолого-разведочных скважин.

Известны стандартные испытания керна, собранного с мест проведения опытов. Эти испытания, определяющие петрографический состав породы, ее проницаемость, пористость и крепость, не позволяют судить о деформируемое™ и прочности массивов, вмещающих эти породы..

Известен способ изучения деформаци- онных свойств скальных массивов, включающий циклическое нагружение стенок

скважины посредством пуансонов многокомпонентного прессиометра, измерение перемещений пуансонов и давления в гидросистеме, по которым определяют деформационные свойства массива.

Дан.ный способ является наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату.

Способ осуществляют устройством для определения деформационных свойств скальных массивов, включающим корпус, установленные в нем пуансоны, эластичные камеры, сопряженные с пуансонами, и преобразователи линейного перемещения пуансонов.

Этот способ позволяет получать усредненные значения деформационных свойств

XI

О

ел о о

00

массива без учета наличия пропластков породы под пуансоном, их залегания, твердости и трещиноватости.

Целью изобретения является повышение информативности способа и повышения точности измерений за счет выявления трещиноватости, кавернообразности и наличия пропластков породы различной крепости.;

Указанная цель достигается техниче- ,ским решением, представляющим собой но- в.ый способ изуч ения деформационных свойств скальных массивов, включающим циклическое нагружение стенок скважины посредством пуансонов многокомпонентного прессиометра, измерение перемещений пуансонов и давления в гидросистеме, по которым определяют деформационные свойства массива, осуществление которого обуславливается применением устройства определенной новой конструкции.

Изобретенный способ отличается от известного способа тем, что дополнительно измеряют значения давления на отдельных измерительных участках рабочей поверхности пуансонов, по которым устанавливают наличие и месторасположение местной кавернообразности, повышенной трещиноватости пород или пропластка породы меньшей прочности.

Изобретенный способ отличается от известного способа также тем, что прессио- метр дискретно перемещают по глубине скважины и дискретно поворачивают на расстояния, не превышающие расстояний между измерительными участками поверхности пуансонов.

Такой способ может быть осуществлен устройством новой конструкции для определения свойств скальных массивов, включающим корпус, установленные в нем пуансоны, эластичные камеры, сопряженные с пуансонами, преобразователи линейного перемещения пуансонов.

Отличие устройства, позволяющего осуществить новый способ, состоит в том, что на внешней поверхности пуансонов выполнены продольные пазы, а преобразователи нагрузки размещены в несколько рядов и жестко закреплены в пазах, при этом наружные поверхности преобразователей нагрузки изолированы друг от друга и имеют общий с пуансонами центр и одинаковый радиус кривизны.

На фиг. 1 изображено устройство с двумя взаимон.езэвисимыми парами пуансо- . нов; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1, установка на пуансонах преобразователей нагрузки; на фиг. 3 - выносной элемент на

фиг. 2, конструкция преобразователя нагрузки.

Прессиометр включает капсулу 1, состоящую из корпуса 2, с верхней 3 и нижней 4

крышками, систему трубопровода 5, эластичные камеры 6, сообщенные с трубопроводом, выдвижные пуансоны 7, смонтированные в пазах корпуса 2 с возможностью радиального перемещения, первичные преобразователи перемещения пуансона 8, первичные преобразователи нагрузки 9, жестко расположенные в пазах 10, 11, 12 пуансона, коммуникационную связь, ее разъем, электронные приборы (на черте5 жах не показаны), упругие элементы 13 и 14 в виде колец, вставленных в кольцевые расточки корпуса и пуансонов в их верхней и нижней частях.

Пазы 10, 11, 12, располагаемые рядами

0 вдоль образующих рабочей поверхности пуансона, могут иметь форму ласточкиного хвоста, служащую для установки в пазах преобразователей нагрузки и,элементов 15, 16, изолирующих измерительные элементы

5 друг от друга.

В пазы вставляется заданное количество преобразователей нагрузки и элементов, их изолирующих, а фиксация преобразователей от продольного перемещения в пазах

0 достигается, например, с помощью крайних элементов 15, закрепляемых винтами 17 в резьбовых отверстиях пуансона. Длина пре- .образователей и элементов 15, 16, должна быть такой, чтобы исключить осевые зазоры

5 между ними после закрепления элементов 15. Для этого может быть использован набор разнотолщинных прокладок, устанавливаемый между элементами 15 и рядом расположенным преобразователем, или

0 размещением винтрв 17 на продольных пазах крайних элементов,

Перемещению преобразователей в поперечном направлении препятствуют стенки пазов пуансона,. ...

5 Преобразователь нагрузки может иметь различное конструктивное исполнение, зависящее от способа замеров (тензометриче- ский, индуктивный или др.). На чертежах представлен тёнзометрический первичный

0 преобразователь, Конструкция его измерительного элемента зависит от вида измеряемой деформации (например, сжатие, растяжение, изгиб). На фиг. 2 и 3 показан измерительный элемент 18 в форме балки

5 изгиба. Наружная поверхность 19 элемента представляет собой часть цилиндрической поверхности, имеющей общий центр и радиус кривизны Р с наружной поверхностью пуансона, Боковые поверхности 20 и 21 по форме и размерам повторяют паз в пуансоне. Внутри элемента выбраны пазы 22 и 23. На стенках 24 и 25 элемента монтируются тенэорезисторы 26, а коммуникационные провода размещаются внутри паза 22. Паз 23 предусмотрен для повышения чувствительности элемента к измеряемой изгибающей нагрузке при нагружении породы.

Все датчики перемещения и давления короткими экранированными линиями связи подключены к герметизированному разъему, установленному на верхней крышке корпуса. Герметизированный разъем линий экранированной обратной связи подсоеди- к электронным приборам, установленным вне скважины на поверхности. Предусмотрено измерение значений перемещения верха и низа пуансона, для чего первичные преобразователи перемещения установлены встречно с двух сторон пуансона,

Прессиометр перед работой собирают в следующей последовательности.

В пазы пуансона вставляют и закрепляют на винтах крайние верхние (или нижние) разделительные элементы, устанавливают в лаз;ы пуансона собранные первичные преобразователи давления поочередно с разделительными элементами, закрепляют в лазах крайние нижние (верхние) раздели- элементы. Подвижные концы каждого первичного преобразователя перемещений сообщают с пуансоном, а неподвижные закрепляют в корпусе, Пуансоны фиксируются в корпусе устройства упругими кольцами. На верхней крышке монтируется разъем, к которому подключаются короткие линии связи с преобразователями. Верхняя и нижняя крышки прессиометра закрепляются на корпусе. Монтируется трубопроводная линия прессиометра, и к электрическому разъему посредством экранированной кабельной линии связи подсоединяются электронные приборы, расположенные на поверхности.

Способ изучения деформационных свойств скальных массивов прессиомет- рией скважины осуществляется следующим образом.

При подаче давления в трубопровод эластичные камеры раздвигаются и под их воздействием каждый пуансон выдвигается из корпуса, перемещения его замеряются первичными преобразователями, электрические сигналы которых подаются через усилители к регистрирующим и показывающим приборам, в том числе двухкоординат- ному прибору, а при необходимости и на ЭВМ.

С использованием полученных замеров по известным соотношениям определяются

модули деформации и сдвига массива, коэффициент Пуассона, анизотропии и т.д.

Например, модуль деформации - Е находится по формуле:

5 Ра давление в активной компоненте гидросистемы;

Ua - радиальное перемещение пуансо10 на (внедрение в породу точки, лежащей на контактной поверхности пуансона, в плоскости его симметрии);

V - коэффициент условий нагружения активной компоненты, меняющийся в диа15 пазоне 0,1-0,5 в зависимости от значения коэффициента Пуассона породы и угла контакта пуансона с породой, в свою очередь зависящего от значений перемещения (внедрения) пуансона в породу.

0 Подставляя в формулу фактические значения Ра в гидросистеме и на отдельных измерительных участках пуансона, а также измеренное значение Ua, принимая, что пуансон является жестким телом и все величи5 ны перемещения его точек, лежащих на одной вертикальной оси, одинаковы, определяются модули деформации породы под пуансоном и на измерительных участках, центры которых расположены в вертикаль0. ной плоскости симметрии пуансона.

Перемещения центров измерительных участков, расположенных на равном расстоянии от вертикальной плоскости симметрии пуансона, находятся аналитически или по

5 номограммам по известным расстояниям этих центров от указанной плоскости и определенным в процессе исследований значениям фактического диаметра скважины и перемещения точек пуансона в плоскости

0 его симметрии.

Модули деформации породы под этими участками определяются по той же формуле подстановкой значений нагруженности их измерительных участков и найденных по вы5 шеуказанному способу перемещений.

Сопоставляя значения найденных модулей деформации под пуансоном и на его измерительных участках, выявляются трещиноватость, кавернообразность, на0 личие пропластков породы различной крепости.

Так о наличии каверны под измерительным участком пуансона свидетельствует малое (по сравнению с остальными участками)

5 или даже нулевое значение модуля деформации.

Одинаковые или близкие значение модулей деформации пород под участками, расположенными на одной окружности пуансона, могут быть признаком горизонтального залегания породы или ее однородности, особенно, если модули деформации участков, расположенных на других окружностях пуансонов, равны или близки между собой.

Если значения модулей деформации одних измерительных участков больше, а других меньше, чем модуль деформации породы под пуансоном, это может означать . наличие пропластков пород разной прочности или трещиноватость их.

С целью установления наличия и месторасположения местной кавернообразности, повышенной трещиноватости пород или пропластка пород меньшей прочности выбираются шаги перемещения пуансона по окружности скважины и ее глубине, соответственно дискретно перемещают прессиометр и проводят замеры. Перемещение как по окружности, так и глубине скважины производят на расстояния, не превышающие расстояния между измерительными участками поверхности пуансонов. Первоначально перемещение производят на величину, равную половине шага - расстоянию между центрами измерительных участков пуансона (по вертикали и окружности). В случае большого разброса значений модулей деформации на измерительных участках пуансона проводят дополнительные перемещения на величину, меньшую половины шага, или по окружности скважины - на угол, равный половине угла между осями пуансонов.

П р и м е р 1. Устройство (фиг, 1, 2, 3) выполнено на базе прессиометрического комплекса 2КГД-130М с двумя активными компонентами, перемещения пуансонов замеряются первичными преобразователями, расположенными встречно друг к другу с противоположных сторон каждого пуансона. На контактной поверхности пуансонов измерительные участки оснащены измерительными элементами - первичными преобразователями нагрузки, расположенными относительно вертикали в два ряда по три элемента в каждом ряду, Наружные поверхности преобразователей нагрузки имеют общий с пуансонами центр и радиус кривизны.

Расстояние между центрами измерительных участков по окружности составляло 40 мм, а расстояние между центрами участков по вертикали - 110 мм. Показатели модулей деформации элементов, расположенных в одном вертикальном ряду, на пу- .ансоне, для удобства обозначены цифрами 1, 2, 3, а на противоположном - 4, 5, 6. Индексом а обозначен первый элемент,

0

0

5

в - левый элемент на одной окружности пуансона.

Способ позволил отбивать границы и положение в пространстве прослоек пород

мощностью до 10 см. На фиг. 4 изображено положение (стоянка) прессиометра в скважине диаметром 132 мм, пробуренной в породах, представленных песчаниками и прослоями аргиллитов,

0 Модуль деформации пород под пуансоном на этой стоянке составлял 70-90 х кгс/см2.

Значения модулей деформации породы измерительных участков Eai, Ebi, Еаз, Еьз,

5 Еае, Еье примерно равны между собой и составляли 90-100-Ю 3 кгс/см , в то время как Еа2, ЕЬ2, Еа4, Е 4 менялись в диапазоне 30-40-10 3 кгс/см2, a Eas, Ebs- 60-70-10 3 кгс/см2.

0 Значения полученных модулей свидетельствуют о наличии пропластков пород различной прочности, причем породы залегают наклонно относительно оси скважины. Для определения мощности пропластков и

5 угла их залегания пуансон опускается в скважину на 55 мм (половина шага между вертикальными элементами) и повторяется циклическое нагружение породы. При этом получены новые значения модулей напря0 жения:

E1e1«E1Y«E1b4«E1a2 E1l 2« Еа5

Е1аЗ

ЕЬ5 60-70- 103 кгс/см2. гЕ1Ьз«Е.1а5«Е1Ь5«Еа1

Е1а

«Ebi Еаа €ьз «90-100 -10 3 кгс/см2 5Еье« 90-100 кгс/см2.

Ч,«Е1Ь4 Е1аб«Е1Ьб 30-40-10 3 кгс/см2.

Таким образом установлено, что на стоянке 9 м скважину пересекают прослои песчаников и аргиллитов, мощность каждого из которых составляет около 10 см. Модуль деформации песчаника около 90-100, аргиллитов - 30-40-10 3 кгс/см2, а в зоне пересечения пластов песчаника и аргиллита 5 П0д центром измерительного участка - 60- 70-10 3 к гс/см2.

Опуская прессиометр в скважину еще на 30 мм можно отбить границы (и угол за-. легания) пропластков с точностью до 10 мм.

П р и м е р 2, Модуль деформации пород скважины, сложенной аргиллитами, под пуансоном -20-35-10 3 кгс/см2, а под измерительными элементами 1, 3, 4, 6-Ei, Ез, Е4, / Ее 30-40-10 3 кгс/см2, под элементами 2 и 5- Е2иЕ5«0-15-10 3кгс/см2.

Показатели элементов 2 и 5 свидетельствуют о наличии каверн в зоне их расположения. Поворачивая прессиометр по окружности скважины последовательно на

угол, эквивалентный смещению центров измерительных элементов на 20. 30 мм, а после него при необходимости на угол 15, 30,45° определяется протяженность и количество каверн по окружности скважины (на данной стоянке), а перемещая прессиометр в скважине на расстояния, не превышающие расстояний между измерительными участками на поверхности пуансонов, определяют контуры каверн по высоте.

Использование описанных способов и устройства позволяет определить деформационные свойства массива с большей точностью измерений за счет выявления трещиноватости, кавернообразности и наличия пропластков породы различной крепости 5 благодаря дополнительным измерениям значений давления на отдельных участках рабочей поверхности пуансонов, перемещения пуансонов по окружности скважины и ее глубине, расстояние, не превышающие 0 расстояний между измерительными участками пуансонов.

Использование: исследование дефор- мируемости и прочности массивов скальных пород при изыскательских работах. Сущность изобретения: на поверхности пуансонов многокомпонентного прессиометра устанавливают в несколько рядов преобразователи нагрузки. Размещают прессио- метр в скважине. В полость прессиометра подают под давлением рабочую жидкость. Перемещающиеся пуансоны создают нагрузку на стенки скважины. Измеряют перемещение каждого пуансона и нагрузки в отдельных точках их поверхности. По полученным данным определяют модули деформаций в различных точках контура скважины. По значениям модулей деформаций выявляют местоположение участков кавернозности, трещиноватости и пропла- стков пород различной прочности. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Формула изобретения

фаа1

Заказ 413Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5