УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ГРУНТА

Полезная модель относится к области инженерных исследований в строительстве, в частности, к технике исследования свойств грунтов и может быть использована при возведении фундаментов зданий, опор линий электропередач, опор контактной сети, вышек сотовой связи, опор временных мостов, трубопроводов, причалов, шумозащитных экранов и других конструкций.
Актуальной проблемой, которую приходится решать при выборе конкретного фундамента, является исследование характеристик грунта на месте предстоящего строительства. При этом проведение полноценных геологических исследований - дело дорогостоящее и трудозатратное.
Предлагаемое устройство с помощью несложного оборудования позволяет быстро и эффективно оценить несущую способность грунта, в том числе, определить наличие в грунте просадочных слоев, обеспечив, таким образом, принятие решения об использовании соответствующего вида фундамента.
Известны способ и установка для исследования грунтов динамическим зондированием [см. заявку РФ на изобретение №2008125936, МПК E02D 1/00 (2006.01), заявл. 25.06.2008, опубл. 27.12.2009]. Установка для динамического зондирования грунта содержит зонд-разборную штангу с конусным наконечником, измерительную систему с датчиками, колонну соединительных штанг со средствами крепления штанг друг к другу, например, винт-гайка; ударное устройство в виде соединенных наковальни и направляющей с подвижным грузом-бойком, а также средства для извлечения зонда из грунта. Особенностью известной установки является то, что наконечник зонда состоит из конуса, снабженного глухим резьбовым отверстием, и тарированной, снабженной датчиками мездозы из прочного упругого материала в виде стакана с винтовым соосным концом, соответствующим отверстию конуса. На боковой поверхности стакана размещены во втулках-изоляторах контакты датчика измерения электрического сопротивления грунта. Внутри стакана установлены акселерометр-датчик измерения перемещения зонда и тензорезисторы, например, в виде тензометрического моста-датчика измерения деформации стенок стакана от лобового сопротивления грунта. Измерительная система с датчиками выполнена электронной, снабжена аккумуляторами и тремя нормирующими усилителями, из которых один связан с датчиком измерения электрического сопротивления грунта, другой - с акселерометром, третий - с тензорезисторами. Каждый из датчиков связан с отдельным АЦП сигналов для микропроцессора, который через радио приемопередающий модуль связан с блоком информации-управления, представляющим собой второй радио приемопередающий модуль, связанный через передаточный модуль с управляющим процессором. Элементы системы, кроме блока информации-управления, смонтированы в наконечнике и корпусе зонда, для чего в корпусе выполнены выборки, закрытые крышками, а измерительная система снабжена устройством для зарядки аккумуляторов. Установка может содержать ударное устройство, выполненное в виде скрепленных наковальни и направляющей с подвижным грузом-бойком. Наковальня выполнена в виде кованой пластины с ручками-выступами материала пластины, полученными при ковке. Установка может также содержать средства для извлечения зонда из грунта в виде механизмов зажима и подъема штанг с зондом. Механизм зажима штанги выполнен в виде корпуса с втулкой, которая снабжена отверстием для прохода штанги и на которой шарнирно закреплены тяги, связанные с расположенными в корпусе эксцентриками и элементами зажима штанги при ходе корпуса вверх. Механизм подъема зажатой штанги выполнен в виде шарнирно связанных опорной стойки и рычага с ручкой, взаимодействующего с зажимной втулкой, причем размещение механизма зажима на рычаге регулируется с возможностью изменения параметров подъема и зажима извлекаемой штанги. Элементы установки рассчитаны и выполнены в виде комплекта оборудования необходимой и достаточной прочности, массы и размеров. Так, например, все штанги могут быть выполнены в виде тонкостенных труб из высокопрочного материала, а корпус зонда выполнен из легкого и прочного алюминиевого сплава, с возможностью переноса установки вручную в труднодоступные точки зондирования. Однако известный способ и установка для исследования грунтов имеют целый ряд недостатков, заключающихся в следующем:
- громоздкость техники, необходимой для исследования грунта;
- сложность, а, следовательно, высокая стоимость измерительной аппаратуры, необходимой для исследования грунта.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство для исследования свойств грунта [см. полезную модель РФ №30768, МПК 7 E02D 1/00, заявл. 06.12.2002, опубл. 10.07.2003], состоящее из конусного пробойника, выполненного в виде полого цилиндрического стакана с конусным наконечником; ударника, состоящего из отдельных звеньев, связанных между собой с помощью резьбового соединения; утяжелителя, состоящего из одинаковых грузов, выполненных с возможностью установки и снятия их с ударника. Масса каждого звена ударника равна массе каждого груза утяжелителя. В нижней части ударника на самом нижнем его звене установлен с возможностью возвратно-поступательного движения конусный пробойник. Возвратно-поступательное перемещение ударника обеспечивается с помощью механизма, состоящего из лебедки с тросом.
Таким образом, при использовании известного устройства для исследования грунта необходимо сложное дорогостоящее оборудование и квалифицированная рабочая сила для его монтажа. Необходимо также обеспечить возвратно-поступательное движение рабочего инструмента (ударника). Значительную сложность представляет также необходимость соблюдения энергии единичного удара с увеличением глубины пенетрации, то есть по всему разрезу на площадке изысканий. Это необходимо для того, чтобы в дальнейшем сравнивать свойства слоев между собой, а также с эталонами, установленными ранее. Процесс обработки результатов исследования представляет собой также достаточно сложную процедуру: она заключается в определении числа ударов, затраченных на единицу длины погружения конусного пробойника, исходя из которого, определяется динамическое сопротивление, которое позволяет охарактеризовать слои разреза по составу и состоянию.
К недостаткам известного устройства следует также отнести большие временные затраты на исследование, вследствие чего повышается его стоимость, а также необходимость извлечения с глубины конусного пробойника, что также может представлять собой серьезную проблему.
Задачей предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции устройства при одновременном сокращении временных и стоимостных затрат на исследование грунта.
Для решения указанных задач предлагается устройство для исследования грунта, которое, как и наиболее близкое к нему устройство, выбранное в качестве ближайшего аналога, включает элемент для внедрения в грунт, содержащий конусный наконечник.
Особенностью предлагаемого устройства для исследования грунта, отличающей его от известного устройства, выбранного в качестве ближайшего аналога, является то, что элемент для внедрения в грунт выполнен в виде винтовой сваи, оснащенной рычагами для завинчивания, надетыми на установленный в технологическом отверстии сваи стержень. Один из рычагов при этом соединен с устройством для измерения крутящего момента.
Устройство для измерения крутящего момента может представлять собой блок контроля предельного усилия.
Выполненный в виде винтовой сваи элемент для внедрения в грунт может быть оснащен дополнительными сегментами, предназначенными для удлинения основного элемента и возможности исследовать грунт на большой глубине.
Блок контроля предельного усилия может состоять из наружного и внутреннего корпусов, соединенных пружиной, двух колец, закрепленных на противоположных стенках наружного и внутреннего корпусов, и метки, нанесенной на внутреннем корпусе, появление которой сигнализирует о достижении предельного усилия.
Для исследования свойств плотных грунтов рычаги для завинчивания винтовой сваи могут быть выполнены усиленными и состоять из двух, жестко соединенных между собой и расположенных под углом друг относительно друга, планок разной длины, соединенных дополнительной планкой-укосиной, при этом длина «L» одной из планок составляет (4-8)×l, где l - длина меньшей из планок.
Угол, под которым соединены планки, находится в диапазоне (100 -170)°, при этом дополнительная планка-укосина образует с каждой из планок равные углы.
Технический результат, достигнутый в предлагаемой полезной модели, получен за счет следующего.
В отличие от ближайшего аналога, содержащего:
- ударник, состоящий из нескольких отдельных звеньев, связанных между собой с помощью резьбового соединения;
- конусный пробойник, оснащенный специальным механизмом, состоящим из лебедки с тросом, обеспечивающим пробойнику возвратно-поступательное движение;
- утяжелитель, состоящий из нескольких одинаковых грузов, выполненных с возможностью установки и снятия их с ударника, в предлагаемой полезной модели удалось отказаться от использования всех перечисленных выше узлов. Это существенно упростило конструкцию устройства для исследования свойств грунта, снизило не только трудоемкость его изготовления, а также значительно уменьшило трудозатраты, связанные с проведением работ по исследованию грунта. В результате существенно уменьшилась и общая стоимость проведения исследования грунта в целом.
В отличие от ближайшего аналога, в котором исследование, основанное на необходимости соблюдения энергии единичного удара с увеличением глубины пенетрации, а также и сам процесс обработки полученных результатов является очень сложной процедурой, исследование грунта с помощью заявляемого устройства заключается в единственной простейшей процедуре, а именно, в измерении крутящего момента, которое осуществляется либо с помощью выпускаемого отечественной промышленностью динамометра ДПУ-20-2, либо с помощью предложенного в данной заявке блока контроля предельного усилия (см. п.2 и п.4 формулы полезной модели, а также фиг.3).
Таким образом, предложенное простое устройство, состоящее из винтовой сваи с завинчивающими рычагами: стандартными или усиленными (см. пункты 5 и 6 формулы полезной модели), дополненное блоком контроля предельного усилия, также имеющим простую, а, следовательно, надежную конструкцию (см. п.4 формулы полезной модели), позволяет отказаться от громоздкой строительной техники и сложной процедуры обработки результатов, полученных при исследовании грунта, присущих ближайшему аналогу.
Признак, касающийся оснащения винтовой сваи дополнительными сегментами (см. п.3 формулы полезной модели), обеспечивает возможность, в случае необходимости, например, при исследовании свойств слабых грунтов, удлинения винтовой сваи.
Кроме того, в заявляемой полезной модели (см. п.5 и 6 формулы) предусматривается конструкция усиленного рычага для завинчивания винтовой сваи, что также положительно сказывается на решении задач, поставленных при создании предлагаемой полезной модели.
Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.
Ниже описаны конкретные примеры реализации предлагаемой полезной модели.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых представлены:
на фиг.1 - предлагаемое устройство для исследования грунта (общий вид);
на фиг.2 - предлагаемое устройство со сваей, оснащенной дополнительным сегментом и устройством для измерения крутящего момента, выполненным в виде блока контроля предельного усилия (см. п.3 формулы полезной модели);
на фиг.3 - блок контроля предельного усилия (общий вид);
на фиг.4 - предлагаемое устройство для исследования свойств грунта с усиленными завинчивающими рычагами;
на фиг.5 - усиленный завинчивающий рычаг.
Ниже описаны конкретные примеры реализации предлагаемой полезной модели.
Устройство для исследования свойств грунта (см. фиг.1) состоит из элемента для внедрения в грунт, представляющего собой винтовую сваю 1 многократного использования. В технологическое отверстие винтовой сваи 1 установлен стержень 2, на который надеваются рычаги 3. На конце одного из рычагов 3 на заданном расстоянии от оси вращения сваи присоединяется устройство 4, с помощью которого в процессе завинчивания измеряется усилие. Рычаги 3 служат для завинчивания винтовой сваи 1 в грунт 5. Для измерения усилия завинчивания могут быть использованы динамометры общего назначения серии ДНУ, предназначенные для измерения статических, растягивающих усилий, например, динамометр ДПУ-20-2, ГОСТ 8.401-80, завод изготовитель ООО «Машприбор», г.Краснодар, РФ), либо блок 6 контроля предельного усилия, конструкция которого представлена на фиг.3.
На блоке 6 контроля предельного усилия устанавливается величина усилия, необходимая для определения глубины грунта с заданными несущими свойствами. Блок 6 контроля предельного усилия (см. фиг.3) состоит из:
- наружного корпуса 8;
- внутреннего корпуса 9;
- пружины 10;
- двух колец 11 и 12, предназначенных для приложения нагрузки и закрепленных на противоположных сторонах наружного и внутреннего корпусов 8 и 9. На внутреннем корпусе 9 находится метка 13, сигнализирующая о достижении требуемого усилия.
Приведенный пример относится к исследованиям плотных грунтов.
В другом примере для проведения исследования свойств слабых грунтов (см. фиг.2) к винтовой свае 1 присоединяют дополнительный сегмент 7. Как и в первом примере, в технологическое отверстие винтовой сваи 1 устанавливается стержень 2, на который надеваются рычаги 3, с помощью которых в грунт 5 завинчивается свая 1. Конец одного из рычагов 3 присоединяют к динамометру 4 либо блоку 6 контроля предельного усилия.
Для исследования плотных грунтов предпочтительно использование усиленных завинчивающих рычагов 14 (см. фиг.4). Конструкция такого рычага представлена на фиг.5, на которой позициями обозначены:
- первая планка (большей длины) 15;
- вторая планка (меньшей длины) 16;
- укосина 17.
Ниже приведены дополнительные данные, изложенные в пунктах 5 и 6 формулы, относящиеся к диапазонам размеров усиленных рычагов заявляемой полезной модели.
Длина «l» меньшей из планок (см. поз.15, фиг.5) зависит от длины стержня 2 и обычно составляет 400-500 мм. При L>8×l минимальная длина большей из планок (см. поз.16, фиг.5) составляет 3200 мм, поэтому L>8×l использовать непрактично (требуется более длинный транспорт для доставки). При длине «L» большей из планок, равной 4×l, и l=500 мм, возможен компактный рычаг L=2000 мм. При L<4×l рычаг получается укороченным, при этом для создания необходимого крутящего момента потребуется больше усилий, что в свою очередь, может привести к тому, что придется увеличивать число монтажников для исследования грунта.
Заявленный в п.6 формулы диапазон углов, под которыми соединены планки 15, 16, образующие рычаг, и положение укосины (см. поз.17, фиг.5) относительно планок, образуют оптимальный вариант конструкции, так как позволяют прилагать максимальное усилие и в том случае, когда вершина сваи находится на высоте 3000-3500 мм, и когда вершина сваи находится на уровне грунта. При выходе за верхние пределы интервалов заявленных параметров рычаг становится практически прямым и неудобным для завинчивания высоких свай. Отклонение заявленных интервалов в меньшую сторону не создает никаких преимуществ, а только уменьшает расстояние от оси сваи до точки приложения усилия, то есть уменьшает момент при завинчивании.
Работа устройства для исследования свойств грунта состоит из двух этапов и заключается в следующем.
Этап 1. Определение реакции грунта
крут
крут
крут
Перед установкой винтовой сваи 1 в грунт в том месте, где необходимо завинтить сваю, лопатой роется приямок, то есть небольшое углубление конической формы, на глубину 20-30 см. Приямок предназначен для того, чтобы режущая кромка лопасти винтовой сваи 1 сразу же вошла в контакт с грунтом. Бригада монтажников (2-3 человека) завинчивает в грунт сваю многократного использования, представляющую собой винтовую сваю 1 с дополнительным сегментом 7 (см. фиг.2). Для этого в технологическое отверстие сваи 1 устанавливается стержень 2, на который надеваются рычаги 3. В процессе завинчивания винтовой сваи 1 с помощью устройства для измерения крутящего момента 4 (например, промышленного динамометра ДПУ-20-2) осуществляется контроль крутящего момента (М). Бели величина М не достигла требуемой величины, то пристыковывается еще один дополнительный сегмент 7. В результате получаем график зависимости М от глубины погружения сваи, который позволяет оценить изменение несущей способности в зависимости от глубины погружения сваи.
крут
Для свайных фундаментов, состоящих из винтовых свай, можно заранее рассчитать требуемый М, который обеспечит заданную несущую способность сваи.
Существует экспериментально подтвержденная связь несущей способности сваи с усилием при ее завинчивании, выражаемая следующей формулой:
где: Р - величина предельной несущей способности винтовой сваи на сжимающую или выдергивающую нагрузки;
кр
М - величина крутящего момента, требуемая для завинчивания сваи на определенную глубину;
i
k - коэффициент сопротивления сваи при ее завинчивании.
Приведенная формула известна из литературы [см. В.Н.Железков. Винтовые сваи в энергетической и других отраслях строительства. Санкт-Петербург, Издательский дом «ПРАГМА», 2004, с.64].
Таким образом, достижение требуемой несущей способности можно гарантировать при достижении некоторого заранее рассчитанного крутящего момента.
кр
В рассмотренном примере закручивание проводится до достижения требуемого М, который контролируется при помощи блока 6 контроля предельного усилия, представленного на фиг.3. На внутреннем корпусе 9 находится метка 13, сигнализирующая о достижении требуемого усилия. Когда пружина 10 растягивается до появления метки 13, завинчивание прекращается. Вместо метки 13 могут использоваться другие приспособления: например, контакты, которые замыкают цепь и включают световой или звуковой сигнал.
Этап 2. Проверка мощности (толщины несущего слоя), на который будет опираться свая.
Данный этап актуален для свайных фундаментов.
Кроме определения глубины, на которую будет передаваться нагрузка от фундамента, необходимо, чтобы слой грунта, воспринимающий нагрузку, был достаточной толщины во избежание осадки сваи.
кр
Для этого этапа должна быть использована свая многократного использования, имеющая большую длину, но меньший диаметр. В технологическое отверстие винтовой сваи 1 вставляется стержень 2, устанавливаются рычаги, свая завинчивается, при этом, в случае необходимости, пристыковывается дополнительный сегмент 7 для удлинения ствола, завинчивание сваи продолжается на глубину не менее, чем на 80-100 см ниже, чем была завинчена первая свая. Для упрощения этой задачи свая может быть завинчена в шурф, оставшийся после вывинчивания первой сваи. Если происходит поступательное увеличение М, свая вывинчивается. Приямок засыпается.
Приведенные примеры не должны рассматриваться в качестве ограничения объема патентных притязаний предложенной полезной модели. Для любого специалиста в данной области техники понятно, что есть возможность внести множество изменений в описанную выше конструкцию без отхода от существенных признаков полезной модели, заявленных в формуле.
Таким образом, предлагаемое устройство для исследования свойств грунта отличается, по сравнению с ближайшим аналогом, простотой, компактностью и надежностью конструкции. Устройство экономично, не требует больших материальных затрат при его изготовлении и специальных навыков при его использовании в полевых условиях.