Устройство для определения деформационных и прочностных свойств скальных массивов Советский патент 1993 года по МПК E02D1/00 

Изобретение относится к изыскательским работам при строительстве объектов энергетики или других сооружений с изучением дефррмируемости и прочности массивов скальных и полусхальных пород (по всей зоне сооружений) с помощью геолого-разведочных скважин.

Целью изобретения является повышение точности определения деформационных и прочностных свойств скальных массивов.

На фиг.1 представлен прессиометр в скважине перед началом исследований; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, прессиометр в скважине перед началом исследований; на фиг.З - выносной элемент 1 на фиг.2 (кернодержатель с кернами); на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.З; на фиг.5 - перемещение упругого элемента при перемещении пуансона; на фиг.6 - электронная схема измерений перемещения пуансона и давления жидкости в трубопроводе.

Прёсссиометр 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 и давления 9, сообщенного с трубопроводом врезным

ю

00

Јь СО

to

рубкрм 10, коммуникационную связь, ее разъем, электронные приборы (на чертеже не показаны, электрическая схема измерения дана на фиг.б), упругие элементы 11 и 12 в виде колец, вставленных в кольцевые расточки корпуса и пуансонов в их верхней и нижней частях.

В сегменте корпуса капсулы выполнен продольный паз 13 со стенкой 14 и каналом 15 от пуансона в паз. В пазе установлен первичный тензометрический преобразователь 8 с упругим элементом в виде плоской балки 16с продольной осью симметрии, параллельной продольной плоскости симметрии пуансона. Один конец балки жестко закреплен в корпусе капсулы с помощью винта 17 и шайбы 18, а другой-беззазорно установлен между соосными кернами 19 и 20 кернодержателя 21, причем конец балки имеет возможность проскальзывать между ними в продольной плоскости симметрии балки. Кернодержатель через канал в стенке жестко связан с пуансоном с помощью винтов 22, с целью герметизации конца ба- лочки, пропущенного через керны (и самих кернов) предусматриваются прокладки 23,

24,25.

С целью регулирования 0-левого зазора установки балочки между кернами, один из них 19 - может быть неподвижным, а другой

- 20 - перемещается в резьбе кернодержателя,.

Возможны другие конструктивные решения исполнения кернодержателя с кернами и способов крепления его в пуансоне, а неподвижного конца ба лочки в корпусе капсулы. При отсутствии агрессивной жидкости в скважине подвижный конец балочки можно не защищать от коррозии.

На балочку вблизи ее жестко закрепленного конца монтируется полный тензорези- стивный мост 26. Мост от воздействия жидкости в скважине предохраняется покрытием эластичной мастикой, состоящей, например, из пчелиного воска, канифоли, веретенного масла и технического вазелина, а от попадания частиц породы или шлама крышкой 28. ,.

Все датчики перемещения и давления {первичный тензометрический преобразователь давления (P/VP) короткими экранированными линиями связи подключены к герметизированному разъему R (фиг.б), установленному на верхней крышке корпуса (на фигЛ условно не показан).

Герметизированный разъем линией экранированной обратной связи подсоединяется к электронным приборам, установленным вне скважины, на поверхности. Предусмотрено измерения значений перемещения верха и низа пуансона, для чего продольные пазы и каналы 13, 15, 27 и 29 в стенке корпуса капсулы выполнены с двух сторон от пуансона, а первичные преобразователи перемещения установлены встречно, причем кернодержатель одного преобразователя соединен с верхом пуансона, а другой - с его низом. Канал 29, аналогичный каналу 15, но зеркально

0 относительно него расположенный, на чертежах не показан.

Устройство перед работой собирают в такой последовательности: подвижный конец упругой балочки каждого первичного

5 преобразователя перемещений встраивают между кернами кернодержателя и с помощью подвижного керна устанавливают нулевой зазор. Неподвижный конец балочки с помощью набора прокладок 30 и

0 винта закрепляют в корпусе. Кернодержатель пропускают в канал в стенке корпуса и закрепляют на пуансоне. Набор прокладок служит для установки балочки с предварительным прогибом, чтобы разделить на две

5 части диапазон угла прогиба и повысить точность измерений за счет наиболее полного использования свойств малых углов. При максимально выдвинутом пуансоне и полностью убранном 8 корпус отклонения по0 движного конца балочки в обе стороны от .среднего промежуточного положения (нейтрального) должны быть примерно одинаковыми. Когда балочка не подвергается изгибу угол между осевыми линиями балочки и кер5 нов составляет 90°.

Таким образом, при отсутствии давле- . ния жидкости втрубопровбде пуансон находится полностью в корпусе, а подвижный пуансон балочки отогнут на максимальную

0 величину. Пуансоны фиксируются в корпусе с помощью упругих колец. На верхней крышке монтируются первичные преобразователи давления и разъем, к которому подключаются короткие линии связи с пре5 образователями. Верхняя и нижняя крышки прессиометра закрепляются на корпусе. Монтируется трубопроводная линия прессиометра (с учетом глубины прессиометрии) и .к разъему с помощью экранированной кабель0 ной связи подсоединяются электронные приборы, расположенные на поверхности. Определение деформационных и прочностных свойств скальных массивов заключается в .непрерывном поэтапном повышении

5 давления жидкости в гидросистеме и соответствующие перемещения пуансонрв, контролируемые по электрическим сигналам первичных преобразователей, в процессе которого определяют диаметр скважины, сминают шероховатости на стенках массива, производят его прессиометрию, снижают давление под таким же контролем, причем измерение перемещения пуансожэв на этапах производится при разных коэффициентах усиления сигналов, определяют зависимости изучаемых параметров массива.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При подаче давления в гидросистему эластичные камеры раздвигаются и под их воздействием каждый пуансон выходит из корпуса капсулы, перемещая при этом кер- нодержатель(или два кернодержателя, если их два - по одному с каждой стороны пуансона) и находящийся между кернами подвижный конец балочки. В процессе перемещения подвижного конца балочки от начального до нейтрального положения усилие изгиба балочки приходится на верхний керн, а при дальнейшем перемещении балочки (от ее нейтрального положения до конечного внедрения пуансона в массив) - на нижний керн. Сигналы оттензомоста балочек каждого пуансона компоненты dei/Vei; (деформация верхнего и нижнего конца балочек одного пуансона) и бвгЛ/ва: (деформация верхнего и нижнего конца балочек, связанных с диаметрально расположенным пуансоном этой же компоненты) с помощью коротких коммуникационных экранированных линий подаются на разъем и далее - на сумматор, аттенюатор, измерительные усилители постоянного тока с переменным коэффициентом передачи к регистрирующим и показывающим приборам, в том числе двухкоординатному прибору, а при необходимости и на ЭВМ.

Сигналы преобразователя давления в гидравлической системе через разъем и усилитель постоянного тока подаются на двух- координатный потенциометр и ЭВМ. Давление в гидравлической системе при выдвижении пуансонов сравнительно невелико, так как оно реализуется в основном на дёформа цию эластичных камер и подсоединений в трубопроводе внутри прессиомет- ра. Резкое увеличение давления свидетельствует, что пуансоны достигли стенки скважины.

Диаметр скважины равен сумме перемещений пуансонов и расстояния между ними в собранном прессиометре.

В момент начала роста давления, соответствующего началу внедрения пуансонов в породу после смятия неровностей на стенке скважины, в противофазу с источником питания моста подаются компенсирующие сигналы, равные по величине имеющимся.

и увеличивается коэффициент усиления усилителей, соответственно меняется диапазон измерения перемещений.

Давление в трубопроводе прессиометра постепенно повышают в соответствии с программой прессиометрии, затем пуансоны разгружают и нагружают несколько раз, добиваясь получения достоверной зависимости деформации породы от усилия, дейст0 вующего на нее. Полученные зависимости обрабатывают для определения необходимых параметров деформируемое™ и прочности массива.

Замеры непосредственного перемеще5 ния пуансонов с помощью первичных преобразователей обеспечивают следующие преимущества:

исключают влияние на результаты замеров температуры окружающей среды, а так0 же разности температуры в скважине и на поверхности; обеспечивают высокую точность самих замеров (погрешность измерений очень мала, как видно из расчетных данных таблицы).

5 Преимущество встречно установленных .первичных преобразователей заключается в следующем:

дается дополнительная информация о конфигурации скважины (на участке стоян0 ки, соответственно по глубине скважины), уточняется деформируемость как всего массива пород, так и отдельных пропластков его слагающих на основании зависимостей перемещения от нагружения породы под

5 верхней и нижней частями каждого пуансона на стоянке и по глубине скважины, использование в расчетах прочностных характеристик массива усредненных перемещений верхнего и нижнего концов диа0 метрально расположенных пуансонов ближе к фактическому перемещению, чем перемещение центра симметрии пуансона, определяемого экспериментально-аналитическим Способом у прототипа.

5 Установка первичного преобразователя давления на капсуле прессиометра (вблизи пуансона) устраняет погрешности измерений от возможного различия температуры в скважине и на поверхности, а также позво-.

0 ляет снизить погрешности замера нагрузки на пуансоны в зависимости от значения температуры в скважине.

Другим преимуществом использования первичных преобразователей является сни5 жение трудоёмкости тарирования их показателей и повышение точности самого тарирования.

Получаемая информация о деформируе- мости массива при различных значениях его нагружения (регистрирующих приборов.

двухкоординатных потенциометров или ЭВМ) служит основанием для принятия.решения о повторном нагружёнйи (разгрузке) массива при том или ином значении давления, достаточности полученных результатов, целесообразности перемены места стоянки и других решений в процессе проведения исследований. :

Ф о р м у л а изо б р ё т е н и я 1. Устройство для определения деформационных и прочностных свойств скальных массивов, содержащее капсулу с диаметрально противоположными пазами, в которых установлены взаимонезависимые пэры пуансонов, нагружающие приспособления в виде эластичных камер, напорный трубопровод и командно-измерительный щит, о т л и ч а ю Щ е е с я тем, что, с целью повышения точности определения деформационных и прочностных свойств, устройство снабжено первичными тензо- метричёскими преобразователями давления и перемещения, кернодержатёлями с кернами, в капсуле дополнительно выполнены продольные пазы с выступами и поперечные пазы, при этом каждый

тензометрический преобразователь перемещения одним концом жестко установлен на выступе продольного паза, а другим концом - без зазора между кернами кернодер- жзтеля с возможностью проскальзывания

по его продольной оси, кернодержатель установлен в поперечном пазу капсулы и жестко связан с пуансоном, первичные TeH3dMetpM4ecKHe преобразователи давления и перемещения посредством электричёскйх коммуникаций соединены с командно-измерительным щитом, причем преобразователи Давления установлены на напорном трубопроводе.

2. Устройство по п.1, о т л и ч a to щ.е ес я тем, что тензометрические преобразователи перемещения каждого пуансона противоположно направлены относительно друг друга.

. , Составитель Г. Перлов Редактор Л. Павлова Техред М. Моргентал. Корректор Е. Папп

Заказ 755Тираж Подписное

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

Производственно-издателиский комбинат Патент, г. Ужгород. ул.Гагарина, 101

Использование: изыскательские работы при строительстве объектов энергетики или других сооружений, изучение деформируемости и прочности массивов скальных и полускальных пород с помощью геологоразведочных скважин. Сущность изобретения: устройство содержит капсулу с диаметрально противоположными и продольными с выступами и поперечными пазами. Взаимонезависимые пары пуансонов установлены в противолежащих пазах капсулы. Нагружающее приспособление выполнено в виде эластичных камер. Устройство содержит первичные тензомет- рические преобразователи давления и перемещения и кернодержатели с кернами. Первичные тензометрические преобразователи давления и перемещения посредством электрических коммуникаций соединены с командно-измерительным щитом. 1 з.п. ф- лы, 6 ил. ел