СПОСОБ УДАРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ГРУНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR SOIL IMPACT PROBING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области инженерно-геологических изысканий в полевых условиях для строительства и при реконструкции старых зданий и сооружений ускоренным методом, в частности к способам и устройствам для определения физико-механических свойств грунтов методом ударного зондирования.
Известен способ испытания грунтов динамическим зондированием для определения динамического сопротивления грунта погружению зонда, а также при ударно-вибрационном зондировании [1]. Настоящий международный стандарт введен в действие с 1 января 2002 г. в замен ГОСТ 19912-81 и ГОСТ 20069-81.
Способ распространяется на испытание дисперсных природных, техногенных и мерзлых грунтов, состав и состояние которых позволяют производить непрерывное внедрение зонда в грунт ударным и ударно-вибрационным методами при содержании частиц крупнее 10 мм не более 40% по массе для динамического и ударно-вибрационного методов зондирования.
Известный способ содержит рекомендации по параметрам используемого оборудования, таблицы и формулы для обработки полученных результатов, а также предусматривает применение нестандартного оборудования (в частности, при проведении работ в стесненных условиях застройки) при наличии данных сопоставительных испытаний на стандартном оборудовании.
Недостаток известного способа испытаний грунтов заключается в том, что он не предусматривает учета потери энергии удара на сопротивление боковому трению буровой колонны штанг о грунт по мере удлинения колонны. Другой недостаток заключается в том, что он не предусматривает механизации при подъеме ударного механизма и при подсчете ударов молота за залог в см, а также при определении скорости погружения зонда при ударно-вибрационном зондировании в м/с.
Известен способ динамического зондирования грунта, реализуемый устройством [2]. Способ заключается в определении характеристик грунта путем воздействия на него ударами поочередно поднимаемого на заданную высоту и сбрасываемого тарированного груза. Сначала на верхней балке, соединяющей вертикальные направляющие, установленные на жесткое неподвижное основание, вывешивают и фиксируют в верхнем положении ударный механизм, включающий наковальню, соединенную с возможностью вращения с нижним концом центрирующего направляющего стержня, имеющего на верхнем конце ограничитель подъема молота, причем стержень пропущен сквозь подвижный относительно него молот, взаимодействующий со стержнем при его вращении с помощью шариково-винтового соединения и шарикового замка. При этом молот дополнительно центрируют с помощью роликов, смонтированных на его боковой поверхности и обкатывающих вертикальные направляющие, а верхний конец стержня соединяют с механизмом вращения, после чего под наковальню соосно ей подводят и устанавливают в центратор наконечник зонда, расфиксируют ударный механизм, опускают его до контакта наковальни с зондом и жестко их соединяют между собой, а затем путем вращения центрирующего стержня поднимают молот до взаимодействия шарикового замка с ограничителем подъема молота и сбрасывают молот на наковальню. После взаимодействия замка с наковальней снова сцепляют молот с центрирующим стержнем для подъема молота для очередного удара до полной забивки первого звена зонда, а затем поднимают ударный механизм и фиксируют его к верхней балке, наращивают зонд следующим звеном и производят испытание грунта по известной методике.
Недостатки известного способа заключаются в том, что при получении измерений их достоверность снижается из-за сложности учета трения по боковой поверхности по всей длине зонда о грунт, не поддаются также учету потери энергии в ударном импульсе, пришедшем на наконечник при значительной длине зонда, а также сохраняется трудоемкая операция по подсчету количества ударов за каждый залог, равный 10 см.
Известен способ заглубления устройства для образования скважин в грунте [3].
Способ предназначен преимущественно для исследования физико-механических свойств грунтов. Сущность способа заключается в совершении попеременного нанесения ударов по лидирующему заостренному рабочему наконечнику с помощью ударного механизма, размещенного в полости корпуса устройства, с последующим допогружением корпуса вслед за наконечником с использованием подвижной динамической опоры и автономного привода - редуктора, размещенных внутри корпуса.
Недостатки известного способа заключаются в том, что он не предусматривает технических средств и операций по подсчету количества ударов за залог, либо скорости погружения наконечника за залог, а также не обеспечивает однонаправленного вертикального перемещения устройства в целом, так как не предусматривает направляющих.
Прототипом изобретения по существу решаемой задачи и по общему количеству существенных признаков в части способа является способ для исследования физико-механических свойств грунта динамическим зондированием, реализуемый устройством [4].
Способ заключается в поочередном заглублении в массив грунта с помощью ударов молотом одного звена зонда динамического зондирования, помещенного в полость направляющей в виде полой шнековой колонны звеньев труб, оснащенной снизу буровой коронкой с центральным отверстием, через которое предварительно пропускают направляющую штангу зонда с закрепленными на верхнем конце наголовником и центрирующей штангой, на нижнем конце которой закрепляют лидирующий конический наконечник, после чего центрирующую штангу пропускают сквозь центральное отверстие в молоте с возможностью его свободного падения в полости колонны, при этом используют стандартное подъемно-сбрасывающее приспособление, опускаемое на тросе с помощью лебедки бурового станка в полость шнековой колонны до отметки захвата молота, и поднимают его на необходимую высоту, где происходит высвобождение молота для свободного падения и удара по наголовнику, а после полного заглубления звена зонда в грунт динамическое зондирование прекращают, поднимают подъемно-сбрасывающее приспособление на дневную поверхность, наращивают шнековую колонну труб одним звеном, равным по длине заглубляемой длине зонда, и допогружают в грунт шнековую колонну на длину одного звена вращением с помощью вращателя бурового станка, после чего снова опускают подъемно-сбрасывающее приспособление в полость шнековой колонны и начинают новый цикл зондирования. По достижении заданной глубины зондирования подъемно-сбрасывающее приспособление вместе с молотом извлекают на дневную поверхность и путем вращения с использованием вращателя и гидравлики бурового станка извлекают шнековую колонну труб из грунта, поочередно отсоединяя звенья колонны. В процессе зондирования используют составной зонд, состоящий из чередующихся элементов из электропроводного и диэлектрического материалов, соединенных жестко между собой, длина которых равна залогу, равному, например, 10 сантиметрам, а в коронку предварительно монтируют измерительное приспособление, фиксирующее количество ударов за каждый залог. Информацию о количестве ударов за каждый залог считывают по окончании испытаний после извлечения устройства из грунта и по полученным результатам по известной методике определяют заданные физико-механические характеристики грунта.
Недостатками известного способа являются трудоемкость при ручном управлении по подъему и сбрасыванию молота, а также невозможность оперативной оценки количества ударов за залог в процессе зондирования, когда из-за высокой плотности грунта процесс зондирования необходимо прекращать из-за возможности поломки оборудования.
Решаемой технической задачей изобретения в части способа является уменьшение трудоемкости процесса зондирования с забоя скважины за счет обеспечения автоматической работы ударного механизма с привязкой к каждому залогу погружения зонда, равному, например, 10 см, повышение надежности и достоверности получаемой информации за счет обеспечения надежности измерения параметров процесса ударного зондирования, а также обеспечения возможности оперативного контроля за процессом зондирования.
Поставленная техническая задача изобретения в части способа решена тем, что способ ударного зондирования грунтов включает погружение однозвенного зонда с забоя скважины путем нанесения ударов с помощью ударного механизма по наголовнику зонда, размещаемых в полости направляющей в виде колонны звеньев труб, через центральное отверстие на нижнем конце которой предварительно пропускают нижний конец зонда с наголовником и оснащают его конусным лидирующим рабочим наконечником, причем ударный механизм взаимодействует посредством троса с лебедкой бурового станка на дневной поверхности, а после погружения звена зонда ударный механизм извлекают с помощью троса и лебедки бурового станка на дневную поверхность, наращивают колонну труб одним звеном, равным по длине погружаемой длине зонда, а затем допогружают колонну путем ее вращения с помощью вращателя бурового станка, опускают на тросе ударный механизм в полость колонны и повторяют процесс заглубления зонда до заданной глубины зондирования, а результаты зондирования фиксируют с помощью измерительных приборов с последующей их интерпретацией после извлечения устройства из грунта, согласно изобретению в качестве ударного механизма используют стандартный пневмоударник, который дополнительно соединяют с помощью пневмонапорного шланга с пневмокомпрессором на дневной поверхности, при этом скорость погружения зонда за каждый залог измеряют путем фиксирования на закрепленном на неподвижном репере автоматическом регистраторе скорости перемещения инвентарной линейки с разметкой величин залога, периодически закрепляемой на тросе пневмоударника перед началом каждого цикла зондирования, причем линейка оснащена на верхнем конце конечным выключателем для выключения пневмокомпрессора при контакте выключателя с верхним концом колонны, при этом нижний конец линейки крепят на тросе пневмоударника на уровне среза верхнего конца колонны, причем информацию с регистратора скорости погружения линейки считывают и обрабатывают с помощью компьютера либо в процессе зондирования, либо по его завершении, с учетом энергетических параметров пневмоударника, параметров используемого оборудования, а также с учетом результатов параллельных испытаний данного вида грунтов стандартным методом на стандартном оборудовании, при этом в качестве направляющей используют шнековую колонну труб с буровым долотом на нижнем конце или колонну обсадных труб, а допогружение колонны обсадных труб осуществляют путем ударов по ее верхнему концу с помощью пневмоударника после его извлечения из колонны труб с использованием инвентарного подбабника, предварительно закрепляемого на верхнем конце колонны труб, а извлечение колонны обсадных труб из грунта, при их «прихватке», осуществляют путем изменения направления ударов пневмоударником вверх с использованием дополнительного наголовника, закрепляемого на верхнем конце обсадной колонны и имеющего в верхней части заушину с отверстием для ее крепления посредством инвентарного пальца к вилке, закрепляемой на нижнем конце реверсивного пневмоударника, удерживаемого на тросе лебедки, а после «срыва» колонны с «прихватки» извлечение ее из грунта осуществляют с помощью лебедки и гидравлики бурового станка, поочередно отсоединяя одно звено колонны, с последующим повторением всех операций до полного извлечения устройства из грунта.
Известно устройство для образования скважин в грунте [3]. Устройство предназначено преимущественно для исследования физико-механических свойств грунтов. Оно включает корпус с размещенными в его полости с возможностью осевого перемещения: однозвенный зонд с рабочим лидирующим наконечником и подбабником, механизм динамического нагружения зонда и корпуса устройства для их заглубления в грунт, а также электромеханический привод и источник питания.
Устройство позволяет производить ударное зондирование грунта с забоя скважины и допогружать корпус устройства одним механизмом посредством чередующихся ударов по зонду и по корпусу устройства.
Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает вертикального заглубления зонда, так как не имеет направляющей. Другим недостатком является то, что оно не предусматривает технических средств для измерения и фиксирования результатов процесса погружения зонда.
Прототипом изобретения в части устройства, так же как и в части способа, является устройство для исследования физико-механических свойств грунта динамическим зондированием [4]. Устройство включает однозвенный зонд с наголовником и лидирующим коническим рабочим наконечником, молот, а также подъемно-сбрасывающее приспособление, размещаемые с возможностью осевого перемещения в полости направляющей, выполненной в виде шнековой колонны труб с закрепленным на ее нижнем конце буровым долотом, имеющей центральное отверстие для пропускания сквозь него однозвенного зонда и измерительные приспособления, смонтированные в зонде и в буровой коронке. Подъемно-сбрасывающее приспособление взаимодействует посредством троса с лебедкой бурового станка, а погружение и извлечение шнековой колонны обеспечивается с помощью вращателя бурового станка.
Недостатками известного устройства являются отсутствие механизации при проведении спуско-подъемных операций с ударным механизмом и невозможность с помощью его технических средств оперативного контроля за измеряемыми параметрами в процессе погружения зонда в грунт за залог.
Решаемой технической задачей изобретения в части устройства, так же как и способа, является обеспечение автоматического погружения зонда с забоя скважины, а также обеспечение возможности контроля за полной информацией, получаемой при каждом цикле погружения зонда в грунт.
Решение поставленной задачи в части устройства достигается тем, что устройство ударного зондирования грунтов, реализующее способ по п.1, включает однозвенный зонд, оснащенный наголовником и лидирующим коническим рабочим наконечником, а также ударный механизм, размещенные с возможностью осевого перемещения в полости направляющей, выполненной в виде колонны труб, имеющей на нижнем конце центральное отверстие с пропущенной сквозь него центрирующей штангой однозвенного зонда, измерительные приспособления и вспомогательное наземное оборудование, причем ударный механизм взаимодействует посредством троса с лебедкой бурового станка на дневной поверхности, а колонна труб при допогружении и при извлечении взаимодействует с вращателем бурового станка, согласно изобретению ударный механизм выполнен в виде стандартного пневмоударника, соединенного посредством пневмонапорного шланга с пневмокомпрессором на дневной поверхности, при этом измерительные приспособления выполнены в виде инвентарной съемной линейки с отметкой длин принятых залогов погружения зонда, периодически закрепляемой перед началом каждого цикла зондирования на тросе нижним концом на уровне верхнего конца колонны труб и автоматического регистратора скорости погружения линейки, закрепляемого на неподвижном репере с возможностью считывания информации с регистратора при помощи компьютера, как в процессе зондирования, так и после его завершения, при этом ударная поверхность наголовника выполнена сопряженной с ударной поверхностью пневмоударника, а наголовник зонда и пневмоударник на их боковой поверхности оснащены обкатывающими внутреннюю поверхность колонны труб роликами, причем в качестве направляющей используют шнековую колонну или колонну обсадных труб, при этом колонна обсадных труб выполнена с закрепленным на ее нижнем конце лидирующим коническим наконечником, имеющим центральное отверстие и оснащенным грязесъемником для пропускания сквозь них центрирующей штанги зонда, причем грязесъемник выполнен в виде конической цанги с набором пружинных пластин, размещенных с зазором одна относительно другой на ее конической поверхности и с наружной резьбой на ее цилиндрической поверхности для соединения цанги с ответным резьбовым отверстием, образованным в коническом наконечнике колонны труб, причем в полости, образованной между цангой и штангой зонда, размещена сальниковая набивка, а на верхнем конце обсадных труб предусмотрен инвентарный наголовник для осуществления дозабивки колонны труб с использованием пневмоударника после окончания очередного цикла зондирования и имеется сменный наголовник в виде фрезерного резьбового наконечника с вертикальной заушиной с отверстием для соединения ее посредством инвентарного пальца со съемной вилкой, закрепляемой к нижнему концу пневмоударника для извлечения колонны труб из грунта для ее «срыва» при ее «прихватке», с последующим использованием гидравлики и лебедки бурового станка.
Преимущество предлагаемого изобретения перед прототипом заключается в том, что оно позволяет:
- в части способа реализовать в полной мере метод ударного зондирования с забоя скважины с исключением потерь ударного импульса на преодоление сопротивления грунта по боковой поверхности штанг зонда с исключением трудоемких спуско-подъемных ручных операций и необходимости фиксирования вручную количества ударов за каждый залог;
- использовать высокопроизводительное стандартное оборудование в сочетании с использованием современных методов, а также современных технических средств надежного и быстрого фиксирования и обработки получаемых данных при ударном зондировании грунтов;
- счетчиком ударов по времени погружения зонда определять, с использованием компьютера, какое количество ударов за один залог (задаваемый программой), равный, например, 10 см, произведено пневмоударником (согласно известной частоте ударов по паспортным характеристикам пневмоударника). Если количество ударов за залог превышает их критическое количество, заданное программой (например, 60 ударов за 10 см), компрессор автоматически отключается и зондирование прекращается. Скорость погружения зонда определяется по осредненным результатам замеров времени, затрачиваемого на погружение зонда за каждый залог.
Указанные существенные признаки изобретения в целом обеспечивают высокую производительность при минимальных затратах ручного труда и высокое качество получаемой информации при минимальных сроках производства работ по ударному зондированию.
На чертежах изображены две из возможных схем устройства для реализации предлагаемого способа. На фиг.1 изображено устройство при погружении зонда с помощью пневмоударника с использованием шнековой колонны труб в качестве направляющей (наземное оборудование, а также измерительные приспособления не показаны); на фиг.2 показана верхняя часть устройства при допогружении направляющей, выполненной в виде колонны обсадных труб с использованием пневмоударника; на фиг.3 показан процесс извлечения колонны обсадных труб из грунта с использованием пневмоударника; на фиг.4 показана схема грязесъемника с уплотнением штанги зонда.
На фиг.1 изображен зонд ударного зондирования, включающий центрирующую штангу 1, конический рабочий наконечник 2 и наголовник 3, имеющий сопряженную форму ударной поверхности 4 с формой ударной поверхности нижнего конца пневмоударника 5, опускаемого на тросе 6 и соединенного пневмонапорным шлангом 7 с пневмокомпрессором на дневной поверхности (не показано) и опускаемого на тросе в полость направляющей 8, выполненной в виде шнековой колонны звеньев труб 9. На нижнем конце колонны смонтировано буровое долото 10 со сквозным отверстием 11 для пропускания сквозь него штанги 1 зонда, в которой предусмотрено уплотнение 12. На боковой поверхности наголовника 3 и на боковой поверхности пневмоударника 5 смонтированы обкатывающие внутреннюю поверхность направляющей 7 ролики 13 и 14 соответственно.
На фиг.2 изображен верхний конец направляющей в виде колонны обсадных труб 15 при ее допогружении с наголовником 16 на ее верхнем конце, имеющим сопряженную форму ударной поверхности 4 с формой ударной поверхности нижнего конца пневмоударника 5. Наземное оборудование условно не показано.
На фиг.3 изображен верхний конец колонны обсадных труб 15 в процессе его извлечения из грунта. Колонна труб 15 дополнительно оснащена наголовником 17, имеющим вертикальную заушину 18 с отверстием для ее соединения с помощью инвентарного пальца с вилкой 19, которую закрепляют с помощью хомута на нижнем конце реверсивного пневмоударника 5 перед извлечением колонны труб 15 из грунта, преимущественно для «срыва» колонны при ее «прихвате».
На фиг.4 изображен съемный грязесъемник 20, закрепленный на лидирующем коническом наконечнике 21 обсадной колонны труб 15 с помощью резьбового соединения 22. На внутренней цилиндрической части грязесъемника образованы кольцевые канавки 23. Нижняя коническая часть 24 грязесъемника выполнена из набора пружинных пластин 24, плотно прилегающих к поверхности штанги 1 и имеющих между собой узкие прорези 25. Полость грязесъемника, прилегающая к штанге зонда 1, заполнена уплотняющей сальниковой набивкой 26.
Устройство для ударного зондирования, реализующее способ, работает следующим образом.
После монтажа устройства образуют скважину в грунте глубиной около одного метра, опускают устройство на забой скважины, опускают в полость колонны пневмоударник, после чего закрепляют на тросе инвентарную линейку с концевым выключателем пневмокомпрессора, монтируют неподвижно регистратор скорости ее перемещения так, чтобы нижняя часть линейки, расположенная на уровне верхнего среза шнековой (либо обсадной) колонны труб, попадала в фокус регистратора скорости и включают его, а затем включают пневмокомпрессор и подают давление в пневмоударник. После заглубления зонда на его рабочую длину/глубину срабатывает концевой выключатель при контакте с верхним концом колонны труб и выключает пневмокомпрессор, а затем выключают работу регистратора скорости. Средняя скорость погружения зонда с помощью, например, серийно выпускаемого реверсионного пневмопробойника ИП-4605А для пробивания сквозных, глухих, наклонных и вертикальных скважин (диаметр 95 мм, длина 1,5 м, энергия удара 110 дж.), который входит в полость шнековых и обсадных труб с наружным диаметром 127 мм, составляет ≈400 мм/мин. В комплект пневмопробойника ИП-4605А входят также пневмонапорный шланг и пневмокомпрессор с электроприводом.
По окончании одного цикла заглубления зонда пневмоударник извлекают из полости колонны труб, линейку демонтируют, наращивают колонну труб одним звеном и допогружают ее в грунт на глубину одного звена. При этом, в случае использования в качестве направляющей шнековой колонны труб, ее заглубляют путем вращения с помощью вращателя бурового станка. В случае использования в качестве направляющей обсадной колонны труб ее допогружают либо путем задавливания с помощью гидравлики бурового станка (в слабых грунтах, либо на начальных этапах на малых глубинах), либо с использованием инвентарного наголовника и пневмоударника, удерживая его на весу с помощью троса лебедки бурового станка.
По окончании допогружения колонны труб пневмоударник опускают в полость колонны, монтируют к тросу линейку, включают регистратор скорости и продолжают ударное зондирование по описанному способу до заданной глубины с повторением всех операций. При этом порядок считывания информации с регистратора скорости на компьютер определяет либо буровой мастер, либо сопровождающий работы инженер-геолог согласно программе испытаний грунта.
Извлечение колонны труб из грунта вместе с зондом осуществляют в обратном ее заглублению порядке: шнековую колонну извлекают путем ее вращения с помощью бурового станка с одновременным приложением осевого усилия с использованием гидроцилиндров бурового станка, а обсадную колонну труб извлекают путем комбинированного применения реверсивного пневмоударника с использованием дополнительного наголовника с серьгой для соединения ее с помощью быстросъемного пальца с вилкой, закрепляемой на нижнем конце реверсионного пневмоударника, преимущественно для «срыва» колонны, а также с помощью гидравлики и лебедки бурового станка, когда для этого достаточно их усилия.
Предлагаемое изобретение предусматривает высокий технический уровень автоматизации и измерительной техники, а также высокую производительность и получение надежной информации за счет наличия существенных отличительных признаков в совокупности с известными решениями, а также решает поставленную задачу - обеспечить ударное зондирование грунта с забоя скважины с минимальными затратами ручного труда, существенным сокращением сроков испытания любых нескальных грунтов в полевых условиях и имеет промышленную применимость, а следовательно, по мнению авторов, может быть защищено Патентом РФ.
Источники информации
1. Международный стандарт ГОСТ 19912-2001 "Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием".
2. А.с. СССР по заявке 1869462/29-33 от 11.01.1973.
3. Патент RU №2049853, МПК Е02D 1/00, 1994.
4. А.с. СССР №434293 М.Кл. E02D 1/00, G01N 3/48 от 1974 (Прототип по способу и по устройству).