УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ТОРОСОВ И СТАМУХ НА ВСЮ ИХ ТОЛЩИНУ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к измерению силы или механического напряжения с помощью гидравлических или пневматических средств. Устройство может быть использовано при определении прочности ледовых образований (торосов и стамух), а также при моделировании воздействия ровного льда на цилиндрическую опору в натурных условиях при строительстве ледостойких сооружений в замерзающих морях.
Известны прессиометр Менарда Л. и прессиометрический комплекс Д-76 НИИОСП Госстроя СССР, имеющие стальной цилиндрический 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 [1, 2]. Недостатком прессиометров является невозможность определения прочности льда без разрыва резиновой оболочки, замена которой требует много времени и является нештатной ситуацией; использование сжатого газа в качестве рабочего вещества повышает опасность проведения работ. Характеристика прочности, которая получается при разрыве оболочки, не является полной и относится только к поверхностной прочности. Применение данного устройства в дискретной среде, состоящей из обломков льда, невозможно из-за разрыва оболочки при неравномерном нагружении стенок скважины, имеющей пустоты между ледяными обломками, формирующими ледяное образование.
Известен гидравлический зонд-индентор (borehole jack) [3] для определения характеристик прочности льда в скважинах, который представляет собой гидроцилиндр с выдвижным штоком, на котором закреплен индентор, вырезанный 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 рукавом высокого давления, при этом происходит выдвижение штока с индентором и внедрение в стенку скважины как индентора, так и противоположной опорной части гидроцилиндра. При этом диаметр индентора и
опорной части цилиндра невелики (около 10 см), поэтому применять его в дискретной среде (парус и киль тороса или стамухи) затруднительно, т.к. попадая между ледяными обломками, устройство зафиксирует нулевую прочность.
Известно также устройство для измерения характеристик прочности льда и ледовых образований [4], взятое за прототип, в котором опора в виде сегмента цилиндра превышает площадь индентора более чем в десять раз. При этом индентор изготовлен съемным, что позволяет использовать инденторы разной площади и расширить область применения устройства.
Недостатком устройства является ограниченные возможности увеличения площади индентора при использовании одного гидроцилиндра и определенного диаметра скважины, в которой проводятся испытания.
В основу настоящего изобретения положено решение технической задачи, позволяющее повысить надежность, полноту и качество получаемых характеристик прочности в дискретных средах, таких как торосы и стамухи.
Это достигается тем, что опора и индентор устройства, с целью плотного прилегания к скважине, выполнены в виде сегментов цилиндра, с радиусом, совпадающим с радиусом скважины, в которой проводятся испытания, а площадь индентора увеличена за счет увеличения высоты цилиндрического сегмента индентора. При этом площади сегментов опоры и индентора совпадают. Высоты опоры и индентора должна быть не менее одного метра, т.к. толщины обломков льда, которые формируют торосы и стамухи в замерзающих морях, перспективных для строительства гидротехнических сооружений, распределяются, в основном, в пределах 15-70 см [5]. Поэтому такая высота устройства позволяет перекрыть, по крайней мере, два обломка льда. При значительном увеличении площади индентора, по сравнению с прототипом, необходимо увеличить мощность устройства за счет увеличения количества рабочих гидроцилиндров. Для индентора цилиндрической формы и высотой один метр необходимо 4 гидроцилиндра, чтобы осуществить разрушение льда с постоянной скоростью внедрения в лед. Кроме того, для того, чтобы исключить перекосы устройства при подаче гидравлической жидкости в рабочие камеры гидроцилиндров из-за неравномерности нагружения индентора при его внедрении в лед, рабочие камеры гидроцилиндров соединены одним общим каналом, который просверлен в опоре и к нему подключается один подающий рукав высокого давления, что обеспечивает одновременную автоматически сбалансированную подачу гидравлической жидкости во все рабочие камеры устройства. При этом опора для гидроцилиндров является жесткой обоймой, в которую они заделаны. Второй канал также просверлен в опоре и соединяет все камеры обратного хода штоков гидроцилиндров, что стабилизирует обратный ход индентора.
На фиг.1 представлено схематическое изображение устройства для измерения характеристик прочности торосов и стамух на всю их толщину. Устройство включает в себя опору 1 и индентор 2. На опоре 1 винтами с помощью разрезных колец и фланцев закреплены четыре цилиндра 3. На штоках 4 по центрирующей посадке вставляется индентор 2. Кроме того, в опоре просверлены два канала А и Б, которые соединяют рабочие камеры гидроцилиндров А и камеры обратного хода штоков Б. Отверстия А и Б служат для подключения шлангов высокого давления для подвода рабочей жидкости в поршневую и штоковую части цилиндров.
На фиг.2 показана схема функционирования устройства
Работа устройства осуществляется следующим образом (фиг.2). Гидрозонд с опорой 1 и индентором 2 опускается в скважину 7, пробуренную в торосе или стамухе 8. Через подводящий рукав 5 высокого давления в рабочие камеры гидроцилиндров подается гидравлическая жидкость, штоки с индентором 2 выдвигаются, происходит прилегание поверхности индентора и опоры к стенке скважины, далее происходит их внедрение в лед. После проведения замера давления в рукаве 5 рабочая жидкость по второму рукаву высокого давления 6 подается в штоковые камеры гидроцилиндров, которые вместе с индентором 2 втягиваются обратно. После возвращения индентора в исходное состояние устройство опускается на следующий уровень в скважине и испытание повторяется. После прохода с заданной последовательностью испытаний скважины по всей глубине устройство извлекается на поверхность, и испытания завершаются.
Увеличение площади индентора в виде сегмента цилиндра за счет увеличения его высоты до одного метра и мощности устройства за счет увеличения количества гидроцилиндров до четырех позволяет проводить испытания прочности таких дискретных сред, как торосы и стамухи в замерзающих морях. При этом, чтобы стабилизировать и синхронизировать работу устройства гидроцилиндры жестко заделаны в опоре, рабочие и штоковые камеры гидроцилиндров, в которые поступает гидравлическая жидкость, соединены общими каналами, просверленными в опоре устройства, а индентор в виде сегмента цилиндра крепится к штокам гидроцилиндров устройства. Применение опоры и индентора, превышающих характерные размеры обломков льда, формирующих торосы и стамухи, позволяет проводить испытания прочности в дискретных средах и получать достоверные результаты При этом испытания в скважинах можно проводить от поверхности ледовых образований на всю их толщину с перекрытием и получать наиболее полное представление о прочности ледовых образований.
Использованные источники
1. Menard L. Dispositiv d etude de la deformation sous charge dum milien homogene. №1234956 E21B COI, 1960.
2. Инструкция по эксплуатации. Прессиометрический комплекс Д-76. составитель с.н. сн НИИОСП Госстроя СССР, к.т.н. Пригожий 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.
4. Смирнов В.Н., Шушлебин А.И., Яцкевич А.А. Патент на полезную модель №65224
h
5. Mironov Ye. U., Porubayev V.S. Structural peculiarities of ice features on the offshore of the Caspian Sea of Okhotsk and the Pechora Sea. - Proceedings of the 18 International Conf. on POAC 05, Potsdam, USA, June 26-30, 2005.