УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЧНОСТИ РОВНОГО ЛЬДА И ЛЕДОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к измерению силы или механического напряжения с помощью гидравлических или пневматических средств. Устройство может быть использовано при определении характеристик прочности ровного льда и ледовых образований в натурных условиях при строительстве ледостойких сооружений в замерзающих морях.
Известны прессиометр Л.Менарда [1] и прессиометрический комплекс Д-76 НИИ-ОСП Госстроя СССР [2], имеющие цилиндрический стальной зонд, окруженный резиновой оболочкой, который опускается в скважину, пробуренную в грунте. Определение основных механических характеристик грунтов в разведочных скважинах обеспечивается нагружением стенки скважины на ограниченном участке гидростатическим давлением и измерением деформации грунта под нагрузкой. Нагрузка создается давлением сжатого газа и передается через рабочую жидкость, заполняющую полость зонда.
Недостатком указанных прессиометров является невозможность определения прочности льда без разрыва резиновой оболочки, замена которой занимает значительное время, что снижает производительность труда при проведении измерений. Характеристика прочности, которая получается при разрыве оболочки, не является полной и относится только к поверхностной прочности самой оболочки.
Известен также гидравлический зонд-индентор (borehole jack) [3], взятый за прототип, который используется для определения характеристик прочности льда в скважинах и представляет собой гидроцилиндр с выдвижным штоком, на котором закреплен индентор в виде круга, вырезанного из стенки цилиндра. При этом радиус кривизны индентора совпадает с радиусом скважины, что обеспечивает плотное прилегание индентора к стенке скважины. Противоположная опорная часть гидроцилиндра также выполнена с радиусом кривизны, совпадающим с радиусом скважины. Площадь опорной части и площадь индентора равны. При проведении испытаний рабочая жидкость закачивается в поршневую часть гидроцилиндра через рукав высокого давления, при этом происходит выдвижение штока с индентором
и внедрение в стенку скважины как индентора, так и противоположной опорной части гидроцилиндра.
Недостатком указанного устройства являются частые перекосы устройства при проведении испытаний, вызванные внедрением гидроцилиндра в стенку скважины как со стороны индентора, так и со стороны опорной части, что ведет к искажению информации о характеристиках ледового покрова. Внедрение устройства в обе стороны уменьшает в два раза глубину внедрения индентора в стенки скважины, что не дает возможность получить полную характеристику разрушения льда и снижает качество получаемой информации. Кроме того, возможно застревание гидроцилиндра со стороны опорной части во льду даже при втянутом штоке, что затрудняет извлечение устройства из скважины.
Целью настоящей полезной модели является повышение надежности работы устройства и повышение качества и полноты получаемых характеристик прочности льда.
Указанная цель достигается тем, что опорная часть устройства, выполнена в виде сегмента цилиндра с радиусом, совпадающим с радиусом скважины, в которой проводятся испытания. Такое техническое решение приводит к плотному прилеганию опоры к стенке скважины и устраняет перекос устройства. При этом опорная часть изготовляется с площадью поверхности, превышающей площадь индентора в несколько (не менее десяти [4]) раз. Указанное техническое решение обеспечивает устойчивую работу устройства без перекосов и увеличивает количество испытаний в каждой скважине за счет поворота устройства на одном уровне, а также обеспечивает увеличение глубины внедрения индентора в стенку скважины в два раза [4] по сравнению с прототипом, что повышает качество и количество получаемых характеристик прочности льда. Кроме того, не происходит застревания гидроцилиндра во льду. Инденторы изготовлены съемными и разной площади, что позволяет учитывать состояние льда при испытаниях.
На фиг.1 представлено схематическое изображение устройства для измерения характеристик прочности льда и ледовых образований. Устройство включает в себя опору 1, на которой винтами с помощью разрезного кольца 2 и фланца 3 закреплен цилиндр 4 с крышкой 8. Съемные инденторы 6 вставлены в шток 5 и крепятся к нему винтом 7. Устройство также содержит отверстия 9 и 10 для подключения рукавов высокого давления для подвода рабочей жидкости, соответственно, в поршневую и штоковую части цилиндра.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Гидроцилиндр 4 с опорой 1 и индентором 6 опускается в скважину, пробуренную во льду; через подводящий шланг высокого давления через отверстие 9 в поршневую часть цилиндра подается рабочая жидкость,
шток с индентором 6 выдвигаются, происходит прилегание поверхности индентора и опоры 1 к стенке скважины, далее происходит внедрение индентора 6 в лед. После проведения испытания рабочая жидкость по второму шлангу высокого давления через отверстие 10 подается в штоковую часть цилиндра, при этом отверстие 9 соединяется со сливом. Шток с индентором 6 втягиваются обратно в цилиндр 4, и устройство извлекается из скважины.
Введение в известное устройство опоры по площади, превышающей площадь индентора более чем в десять раз и выполненной в виде сегмента цилиндра, обеспечивает устойчивую работу в скважине, не допуская перекосов во время испытаний. При этом можно увеличить количество испытаний в одной скважине за счет разворота устройства на каждом уровне скважины в три раза и тем самым увеличить производительность труда при снижении трудоемкости. Кроме того, опора обеспечивает внедрение индентора без внедрения самой опоры в лед, что в два раза увеличивает глубину внедрения индентора в стенку скважины по сравнению с прототипом. Это дает возможность получить более полные сведения о характеристиках прочности льда. Применение съемных инденторов разной площади позволяет учитывать состояние льда (например, его температуру, раздробленность и т.п.) для получения более точных данных о его характеристиках прочности при меньших энергозатратах.
Макет предлагаемого устройства для определения характеристик прочности ровного льда и ледовых образований был испытан на ледовом покрове Каспийского моря и Обской губы и показал достижение заявляемого эффекта [4].
Источники информации:
1. Menard L. Dispositiv d'etude de la deformation sous charge d'um milien homogene. №1234956 E21 в C01, 1960.
2. Инструкция по эксплуатации. Прессиометрический комплекс Д-76 составитель с.н.сн НИИОСП Госстроя СССР, к.т.н. Пригожин Е.С. (А.с. №403854, 3.03.1971). Москва 1973.
3. Masterson D.M. Interpretation of insitu borehole ice strength measurement tests. IAHR. Ice Symposium. 1992. Banff. Alberta, p.802-815.
th
4. Kovalev S.M., Korostelev V.G., Nikitin V.A., Smirnov V.N., Shushlebin A.I. Application of a borehole jack for determining the local strenght of fresh and sea ice. 17 International Symposium on Ice. Saint Petersburg, Russia, 21-25 June 2004. International Association of Hydraulic Engineering and Research.