СПОСОБ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВ ПЛОСКИМ ШТАМПОМ В СКВАЖИНЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR TESTING SOILS WITH FLAT DIE IN WELL AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к инженерным изысканиям в строительстве и может быть использовано для определения деформационных и прочностных характеристик нескальных грунтов в скважине. Техническим результатом является увеличение глубин испытаний, возможность проведения испытаний в прочных грунтах полутвердой и твердой консистенции, а также возможность испытаний ниже уровня грунтовых вод.
2
Известен метод проведения штамповых испытаний плоским штампом площадью 5000 см [1]. Способ, реализующий метод, заключается в том, что испытания грунта осуществляются со дна котлованов или в горных выработках больших размеров. На предварительно зачищенную поверхность дна выработки устанавливается штамп, который затем нагружается ступенями с контролем его перемещений. Недостатком данного способа является небольшая глубина проведения испытания и его высокая стоимость, связанная с необходимостью проходки горных выработок большого размера и их креплением. Кроме этого отсутствует возможность проведения испытаний ниже уровня грунтовых вод без предварительного водопонижения.
2
Известен метод проведения испытаний грунтов винтовым штампом [1], [2]. Способ, реализующий данный метод, заключается в использовании для испытаний штампа в форме винтовой лопасти площадью 600 см, завинчиваемой в грунт с поверхности или из предварительно пробуренной скважины диаметром 325 мм. При этом, определение перемещений штампа осуществляется по перемещению верхнего участка колонны труб посредством датчиков перемещений. Данный способ обеспечивает также возможность проведения штамповых испытаний ниже уровня грунтовых вод и не требует предварительной зачистки поверхности грунта. К недостаткам данного способа следует отнести отсутствие возможности проведения испытаний в грунтах полутвердой и твердой консистенции, что обусловлено недостаточной жесткостью штампа, выполненного в форме винтовой лопасти, нарушением природной структуры природных грунтов при его завинчивании, а также необходимость введения расчетных поправок на собственную деформацию колонны труб при определении перемещений штампа.
2
Прототипом изобретения по существу решаемой задачи является способ испытания грунтов плоским штампом площадью 600 см [1]. Способ, реализующий данный метод, также как предыдущий аналог обеспечивает возможность проведения испытаний в скважинах, обсаженных трубами диаметром 325 мм, при этом благодаря более жесткой, плоской форме штампа обеспечивается возможность проведения испытаний прочных грунтов полутвердой и твердой консистенции. Нагружение штампа осуществляют через колонну труб с поверхности посредством домкрата, а перемещения регистрируют при помощи датчиков перемещений относительно верхнего участка колонны труб.
К недостаткам данного способа испытаний следует отнести необходимость предварительной зачистки забоя скважины специальным инструментом, что связанно с проведением дополнительных спускоподъемных операций. Это исключает возможность использования штампа на больших глубинах и ниже уровня воды, поскольку во время спускоподъемных операций может произойти нарушение поверхности забоя, как за счет изменения влажности грунта, так и за счет возможного попадания на забой фрагментов разрушенной породы. Другим недостатком указанного способа является необходимость ввода поправки на собственную деформацию колонны труб при определении величины перемещений штампа, что вносит дополнительную погрешность в результаты испытаний. Еще одним недостатком способа является погрешность в определении величины вертикальной нагрузки на штамп из-за возможного трения изгибающейся под действием нагрузки колонны труб о стенки скважины (в особенности при больших глубинах испытаний), и неточности в расчете дополнительной нагрузки от собственного веса колонны труб и нагрузочного устройства.
Решаемой технической задачей изобретения является повышение достоверности результатов испытаний, а также повышение глубины их проведения, включая возможность испытаний ниже уровня подземных вод.
Указанная задача в части способа решена за счет того, что предварительная зачистка забоя скважины осуществляется посредством самого штампа, снабженного зачистным устройством. Измерение вертикальной нагрузки на штамп осуществляется непосредственно над штампом, что исключает погрешности в определении нагрузки за счет трения колонны труб о стенки скважины. При этом автоматически учитывается и нагрузка от колонны труб, определяемая обычно из расчета [1]. Перемещение штампа под нагрузкой осуществляется посредством внутренней ненагруженной штанги, расположенной внутри колонны труб.
2
Известно устройство для испытания грунта статической нагрузкой, представляющее собой винтовой штамп площадью 600 см, погружаемый в грунт путем закручивания в грунт с поверхности или с забоя скважины [2].
Данное устройство обеспечивает возможность проведения испытаний грунтов без предварительной зачистки забоя ниже уровня грунтовых вод. К недостаткам данного устройства следует отнести невозможность испытаний глинистых грунтов полутвердой и твердой консистенции. Это обусловлено конструктивными особенностями данного устройства. Попытки закручивать штамп в прочные грунты приводят к деформации лопасти и ее разрушению.
2
Прототипом устройства по существу решаемой задачи является плоский штамп площадью 600 см или штамп III типа [2], опускаемый на забой скважины посредством колонны труб с передачей давления на него вертикальной нагрузки через указанные трубы с поверхности, при этом осадки штампа фиксируются при помощи датчиков перемещений, закрепленных в верхней части колонны труб. К недостаткам данного устройства следует отнести необходимость предварительной зачистки забоя скважины перед испытанием при помощи специального зачистного устройства, предварительно опускаемого на забой скважины и затем извлекаемого на поверхность перед опусканием штампа. В результате подъема зачистного устройства на дно скважины могут упасть фрагменты грунтового материала, что отражается на результатах испытаний. Вероятность нарушения забоя скважины в результате спускоподъемных операций повышается с ростом глубины скважины. При испытаниях грунтов в обводненных скважинах продолжительное время контакта поверхности зачищенного грунта с водой в процессе спускоподъемных операций может привести к разуплотнению грунта за счет его набухания, что исключает возможность проведения испытаний ниже уровня грунтовых вод. Кроме этого крепление датчиков перемещений к верхней части колонны труб, через которую производится нагружение штампа, приводит к необходимости введения поправки на собственную деформацию колонны. Введение такой поправки снижает достоверность определения осадки штампа и отражается на конечных результатах испытаний.
Решить данные проблемы позволяет конструкция плоского штампа, с зачистным устройством, включающим корпус с щелевыми отверстиями и встроенными ножами, которые расположены таким образом, чтобы при вращении штампа по часовой стрелке срезался верхний слой грунта и поступал во внутреннюю часть корпуса, а при вращении штампа против часовой стрелки, ножи задвигаются, образуя плоское днище. Штамп с указанным зачистным устройством монтируется на колонне труб, нижняя секция которой снабжена упорным фланцем, смонтированным с возможностью осевого перемещения по направляющим в пределах имеющихся зазоров, а с верхним фланцем секции жестко соединены датчик силы и измерительная внутренняя полая штанга, через которую протянут кабель датчика силы, при этом на верхним конце внутренней штанги установлена втулка, фиксируемая резьбовыми стержнями, проходящими через продольные прорези колонны труб, и на выступающих концах которых установлены датчики перемещения, а в качестве реперной системы для датчиков использован фланец обсадной колонны.
Пример оборудования, обеспечивающего реализацию способа в части измерения вертикальной нагрузки на штамп и его перемещения представлен на фигуре 1.
Штамп, монтируется на колонне труб (фиг. 1), которая состоит из промежуточных секций 1, нижней секции 2 и верхней 3.
Нижняя секция снабжена упорным фланцем 4, смонтированным с возможностью осевого перемещения по направляющим 5 в пределах зазоров «А» и «Б». С верхним фланцем секции 3 жестко соединены датчик силы 6 и измерительная трубчатая штанга 7, через внутреннюю полость которой протянут кабель 8 датчика силы. Для удобства монтажа штанга 7 выполнена из отдельных секций.
На верхнем конце штанги устанавливается втулка 9, фиксируемая резьбовыми стержнями 10, проходящими через продольные прорези секции 3. На выступающих концах стержней 10 установлены датчики перемещения 11. В качестве реперной системы для датчиков использован фланец обсадной колонны 12. Колонна труб вверху заканчивается поддомкратной плитой 13.
Благодаря зазору «А» обеспечивается передача нагрузки на штамп через датчик силы 6.
При подъеме и опускании колонны датчик силы 6 приподнят над фланцем 4 на величину зазора «Б» и полностью разгружен. Фланец 4 может самостоятельно выполнять роль плоского штампа. Кроме этого к нему может быть прикреплен винтовой штамп или штамп, снабженный зачистным устройством.
Для возможности проведения испытаний без дополнительных спускоподъемных операций по предварительной зачистке и подготовке забоя скважины к фланцу 4 крепится штамп, снабженный зачистным устройством. В нижнюю плоскость штампа встроены ножи, перед которыми расположены щелевые отверстия для удаления срезанного грунта. Ножи могут быть стационарно закреплены или выдвигаться. Во втором варианте подвижные ножи выдвигаются в процессе зачистки забоя и задвигаются назад, перед началом испытания перекрывая щелевые отверстия. Ножи располагают под углом к поверхности забоя скважины таким образом, что их выдвижение происходит автоматически под собственным весом и воздействием на них срезаемого грунта при вращении колонны труб вместе со штампом и, наоборот - при вращении штампа в другую сторону ножи задвигаются.
Пример выполнения штампа с зачистным устройством представлен на фигурах 2, 3, 4 и 5.
Штамп с зачистным устройством (фиг. 2) состоит из корпуса 2, жестко соединенного с фланцем 3, в центральном отверстии которого установлена, с возможностью поворота, ось с упорным диском 4.
На верхней части оси, на шпонке смонтирован вращатель 5, закрепленный торцевой шайбой 6.
Вращатель, соединенный болтами с фланцем нижней секции колонны труб 1, снабжен двумя пальцами 7, входящими в дугообразные пазы 8 (фиг. 3) фланца 3.
Дно корпуса 2 выполнено с двумя проемами (фиг. 4), приоткрываемыми и закрываемыми заподлицо с торцом корпуса двумя ножами 9, смонтированными на стержнях 10, которые могут вертикально перемещаться во втулках корпуса. Колпачковые гайки 12 (фиг. 1) фиксируют положение ножей 9 в приоткрытом положении, обеспечивая выбранный размер щелевых отверстий.
В упорном диске 4 имеются два отверстия 13 (фиг. 3).
Зачистка забоя скважины осуществляется при вращении колонны труб по часовой стрелке. При этом колпачковые гайки упираются в диск 4, ножи 9, находясь в нижнем положении, зачищают забой, а грунт через приоткрытые щелевые отверстия попадает внутрь корпуса 2. В конце зачистки для придания забою ровной горизонтальной поверхности последние два-три оборота штампа делают при вертикально зафиксированной (вывешенной) колонне труб.
После зачистки забоя, оставаясь в вывешенном состоянии, колонну труб поворачивают на четверть оборота против часовой стрелки. При этом корпус штампа за счет контакта ножей с поверхностью забоя остается неподвижным, а упорный диск, поворачиваясь вместе с вращателем относительно корпуса, благодаря дугообразным пазам фланца 3, занимает положение, при котором два его отверстия 13 оказываются напротив колпачковых гаек 12, последние при опускании штампа на забой заходят в эти отверстия, позволяя ножам закрыть проемы дна. Дно корпуса становится сплошным и плоским (фиг. 5), штамп готов к испытанию грунта на зачищенном забое скважин.
Конструкция штампа, объединяющая все отличительные признаки предлагаемого изобретения, представлена на фиг. 6.
Оснащение штампа зачистным устройством исключает необходимость операций по спуску и подъему буровой колонны для замены бурового инструмента на специальный зачистной инструмент, сокращает время испытаний, обеспечивает возможность проведения испытаний прочных глинистых грунтов полутвердой и твердой консистенции, включая испытания под водой, а также исключает нарушение поверхности грунта, перед испытанием.
Установка датчика силы непосредственно над штампом повышает достоверность задания напряжений, действующих в плоскости штампа.
Измерение перемещений штампа посредством внутренней ненагруженной полой штанги исключает необходимость введения расчетной поправки, учитывающей собственные деформации колонны, что также повышает достоверность и надежность результатов испытаний.
Предлагаемые способ и устройство обеспечивают возможность испытания грунтов на больших глубинах в широком диапазоне грунтовых условий и повышают достоверность получаемых результатов.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 20276-99 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости, Москва, 1999 г.
2. Рекомендации по определению деформационных характеристик нескальных грунтов в полевых условиях с применением винтового штампа, Л.Г. Мариупольский, С.-М. К. Хубаев, НИИОСП, ПЭМ ВНИИИС Госстроя СССР, Москва, 1985 г., 22 с.