Стенд для моделирования процесса деформирования грунта вокруг расширяющейся скважины
TEST BENCH FOR SIMULATION OF THE SOIL DEFORMATION PROCESS AROUND THE EXPANDING WELL

Изобретение относится к исследованиям процесса деформации и может быть использовано для моделирования процесса деформирования уплотняемого грунта вокруг расширяющейся под давлением скважины, изучения взаимодействия уплотняемого грунта с вытесняемым его пластичным веществом, разработки уплотняющих веществ, тестирования технологий упрочнения грунтов.
Известно устройство для компрессионных испытаний дисперсных материалов по авт. св. СССР №1704018, кл. G01N 3/10, опубл. в БИ №1, 1992 г. Оно содержит платформу с камерой для образца, перфорированный штамп, установленный в камере с возможностью осевого перемещения, излучатели и приемники ультразвуковых колебаний, установленные на отверстиях образующей камеры, траверсу, связанную с платформой, и тензодатчики. Штамп выполнен в виде стакана, обращенного дном к платформе. Устройство снабжено поршнем, установленным в стакане и связанным с траверсой посредством регулировочного винта, эластичной оболочкой, прикрепленной к обращенной к дну стакана поверхности поршня и источником гидравлического давления, сообщенным с полостью стакана между оболочкой и поршнем.
Это устройство не предназначено для деформирования образца в радиальных относительно его оси направлениях. Поэтому его использование для моделирования процесса деформирования грунта вокруг расширяющейся под давлением скважины неэффективно.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для моделирования процесса деформирования грунта вокруг расширяющейся скважины по патенту РФ №2273891, кл. G09B 23/40, G01N 3/10, E02D 1/00, опубл. 10.04.2006 г. Оно включает подстилающий слой из листовой вакуумной резины в виде круга и верхний слой из испытуемого материала, расположенные на диске, и устройство для нагружения подстилающего слоя. Подстилающий слой закреплен стягивающим обручем по периферии металлического диска с центральным отверстием, который снабжен проточкой с установленным в ней второпластовым кольцом. Устройство для нагружения подстилающего слоя состоит из цилиндрического стакана, металлической шайбы и стягивающего винта, расположенных в нижней части стакана. Подстилающий слой защемлен по центру между металлической шайбой и дном цилиндрического стакана с помощью стягивающего винта, а цилиндрический стакан установлен с возможностью перемещения по вертикали.
В этом устройстве деформация испытуемого материала происходит в основном под действием растягивающих усилий. При этом испытываемый материал не сжимается и, следовательно, не уплотняется. Поэтому его использование для моделирования процесса деформирования уплотняемого грунта вокруг расширяющейся скважины малоэффективно. Кроме этого его нельзя использовать для изучения взаимодействия грунта с вытесняющим его уплотняющим веществом.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности стенда за счет моделирования процесса деформации грунта в радиальных относительно оси расширяющейся скважины направлениях давлением внедряемого в грунт уплотняющего вещества.
Задача решается тем, что в стенде для моделирования процесса деформирования грунта вокруг расширяющейся скважины, включающем слой из испытуемого материала, расположенного на первом диске с центральным отверстием, и нагружающее устройство, согласно техническому решению на поверхности испытуемого материала уложен второй диск, а нагружающее устройство закреплено в центральном отверстии первого диска и выполнено с возможностью нагнетания уплотняющего вещества в испытуемый материал.
Такое техническое решение позволяет моделировать реальный процесс изменения характеристик грунтов нагнетаемыми в них через скважины уплотняющими веществами. Второй диск, уложенный на поверхности испытуемого материала, имитирует воздействие веса грунта, расположенного выше места, в котором происходит расширение скважины. Величину силы воздействия верхнего диска на испытуемый материал можно варьировать в больших пределах, например, его весом, дополнительным грузом, прессом на одноосное сжатие и т.д. Нагружающее устройство, закрепленное в центральном отверстии первого диска и выполненное с возможностью нагнетания уплотняющего вещества, позволяет воздействовать на испытуемый материал в радиальных относительно оси центрального отверстия направлениях. Это аналогично тому, как в реальных условиях уплотняющий материал воздействует на стенки расширяющейся скважины. Таким образом, стенд обеспечивает моделирование процесса деформации грунта в радиальных относительно оси скважины направлениях давлением внедряемого в грунт уплотняющего вещества, что повышает его эффективность.
Целесообразно нагружающее устройство выполнить из двух болтов, при этом в первом из них выполнить сквозное осевое отверстие с резьбой, в которое вкрутить второй болт. Это обеспечивает создание давления в уплотняющем веществе, достаточное для проведения моделирования, наиболее простыми техническими средствами, что снижает затраты на изготовление стенда, повышая тем самым его эффективность.
Целесообразно первый диск с центральным отверстием скрепить со вторым диском стягивающими болтами с гайками, затягивание которых выполнить ключом, снабженным динамометром. Это позволяет задавать исходное усилие прижатия к испытуемому материалу второго диска без дополнительных механизмов и фиксировать расстояние между первым и вторым дисками, что увеличивает достоверность моделирования реального процесса воздействия на грунт при расширении скважины и, следовательно, повышает эффективность стенда.
Целесообразно второй диск выполнить из прозрачного материала. Это позволяет визуально наблюдать за моделируемым процессом, что повышает эффективность стенда.
Целесообразно на плоскую поверхность второго диска нанести метрическую сетку. Это обеспечивает определение размеров и формы зон, занятых испытуемым материалом и уплотняющим материалом, без дополнительных средств измерения длины, что повышает эффективность стенда.
Целесообразно между первым и вторым дисками установить упругое кольцо по периметру зоны нахождения испытуемого материала. Это кольцо имитирует реакцию грунтового массива на расширение скважины, что позволяет включать в модель не всю зону влияния скважины, т.е. делать модель меньших размеров, что снижает затраты на моделирование и, следовательно, повышает эффективность стенда.
Целесообразно вдоль внутренней поверхности упругого кольца выполнить канавку. Благодаря этому, упругое кольцо по отношению испытуемого материала проявляет свойство манжеты, исключающей проникновение частиц испытуемого материала за пределы упругого кольца. В результате повышается достоверность моделирования, так как в этом случае объем испытуемого материала в пределах упругого кольца оказывается неизменным, и стенд становится более эффективным.
Целесообразно в центре второго диска со стороны нагнетания уплотняющего вещества установить датчик давления. Это обеспечивает получения количественных оценок режима нагнетания уплотняющего вещества, что повышает эффективность стенда из-за возможности более успешной разработки методики ведения работ в реальных условиях.
Целесообразно стенд снабдить видеокамерой. Это позволяет многократно наблюдать, например, на мониторе за одним и тем же процессом и более детально выявлять его особенности, что повышает эффективность стенда.
Сущность технического решения поясняется примером реализации стенда для моделирования процесса деформирования грунта вокруг расширяющейся скважины и чертежами фиг. 1, 2.
На фиг. 1 показана схема стенда для моделирования процесса деформирования грунта вокруг расширяющейся скважины, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
Стенд (фиг. 1 и 2) включает слой из испытуемого материала 1 (далее - материал 1), расположенного на первом диске 2 (далее - диск 2) с центральным отверстием 3 (далее - отверстие 3), и нагружающее устройство, например, выполненное из двух болтов 4 и 5. В первом болте 4 (далее - болт 4) выполнено сквозное осевое отверстие 6 с резьбой (на фиг. 1 не обозначена), в которое вкручен второй болт 5 (далее - болт 5). На поверхности материала 1 уложен второй диск 7 (далее - диск 7). Нагружающее устройство закреплено в отверстии 3 диска 2, например, резьбовым соединением (на фиг. 1 не обозначено), и выполнено с возможностью нагнетания уплотняющего вещества 8 (далее - вещество 8) в материал 1. Диск 2 скреплен с диском 7 стягивающими болтами 9 (далее - болты 9) с гайками 10 (резьбовое соединение болтов 9 с гайками 10 на фиг. 1 не показано), затягивание которых выполнено ключом, снабженным динамометром (на фиг. 1 не показано). Диск 7 выполнен из прозрачного материала. На плоскую поверхность диска 7 нанесена метрическая сетка (на фиг. 1 не показана). Между дисками 2 и 7 установлено упругое кольцо 11 (далее - кольцо 11) по периметру зоны нахождения материала 1. Вдоль внутренней поверхности кольца 11 выполнена канавка 12. В центре диска 7 со стороны нагнетания вещества 8 установлен датчик давления 13 (далее - датчик 13). Для вывода кабеля 14 от датчика 13 в диске 7 выполнено соответствующее отверстие 15. Стенд снабжен видеокамерой (на фиг. 1 не показана).
Работа стенда осуществляется следующим образом.
На поверхности диска 2 устанавливают кольцо 11, симметрично отверстию 3. Внутри кольца 11 на диске 2 располагают материал 1. В отверстии 3 закрепляют (вкручивают) нагружающее устройство, заполненное веществом 8. На поверхность материала 1 укладывают диск 7 с установленным в его центре со стороны нагнетания вещества 8 датчиком 13. Диск 2 скрепляют с диском 7 болтами 9 с гайками 10. Закручивание гаек 10 осуществляют до заданной величины момента вращения. Вкручивают болт 5 в болт 4, нагнетая тем самым вещество 8 в материал 1. Проводят видеосъемку и наблюдают за моделированием процесса деформирования грунта вокруг расширяющейся скважины.
В качестве вещества 8 предполагается использовать пластилин, который не продавливается через резьбовое соединение болтов 4 и 5 при давлениях, превышающих десятки МПа. Поэтому дополнительных уплотнений в нагружающем устройстве не требуется. Отметим, что с помощью установленного в стенде нагружающего устройства можно в материал 1 нагнетать и обычную жидкость, например, с целью оценки ее проникающей способности в материал 1. Для этого зазоры резьбовых соединений нагружающего устройства с диском 2 и болтов 4 и 5 нужно заполнять пластилином в качестве герметика.
В качестве датчика 13 предполагается использовать тензометрический преобразователь типа ДД. Он работает как измеритель удельной силы (силы на пластину фиксированной площади), из-за чего способен измерять давление в воздействующем на него веществе 8.
Стенд разработан для тестирования и развития технологии укрепления грунтов внедрением в них веществ 8, образующих фигуры различных размеров и форм и затем с течением времени приобретающих требуемые механические свойства, обеспечивающие высокую устойчивость возводимым сооружениям к различным внешним воздействиям, например, землетрясениям, сезонным изменениям температур, ветровой нагрузке.
Необходимость создания стенда обусловлена тем, что процесс взаимодействия вещества 8 и материала 1 является многопараметрическим с нелинейными связями между параметрами. Такие процессы не поддаются математическому описанию с использованием известных законов гидравлики и механики горных пород. Предварительные эксперименты показывают возможность моделирования на стенде процесса деформирования материала 1 и после окончания подачи вещества 8, длительность которого исчисляется часами и даже сутками.