УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ГРУНТОВ

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для изучения физических свойств связных (глинистых) и несвязных (песчаных) грунтов при исследовании геологического строения и технологического состояния массива вокруг строящихся и эксплуатируемых горных выработок геофизическими методами. Изобретение можно также использовать при изучении физических свойств грунтов оснований сооружений, автомобильных и железных дорог, насыпей и выемок.
Известны устройства для измерений электрических свойств, в частности удельного электросопротивления горных пород, предусматривающие последующие или параллельные механические испытания образцов с определением их прочностных, деформационных, плотностных характеристик.
Например, известно устройство для измерения удельного электросопротивления твердых горных пород двухэлектродным методом (см. Кобранова В.Н. Физические свойства горных пород. - М: Гостоптехиздат, 1962. - С.210-211). Установка содержит две крышки с вмонтированными в них электродами, прижимаемые к торцам исследуемого образца и подсоединяемые к измерительному мосту. По измеряемому мостом электрическому сопротивлению R образца, его длине l и площади поперечного сечения S рассчитывают удельное электросопротивление горной породы
Недостатки данного устройства состоят в следующем.
Оно пригодно только для твердых горных пород, поскольку предполагает, что образец имеет правильную геометрическую форму (цилиндр или параллелепипед), не деформируется и не разрушается при прижатии электродов.
Связные и несвязные грунты имеют низкую прочность при сжатии (менее 1 МПа), поэтому образцы грунтов, как правило, отбирают специальными цилиндрическими металлическими гильзами с острыми краями. При извлечении (выдавливании) грунта из породоотборных гильз и приложении к нему минимальных нагрузок происходит деформирование и разрушение образца.
Кроме того, данное устройство не обеспечивает высокой точности измерений ρ, поскольку не предусматривает фиксированного расположения измерительных электродов (возможна их непараллельность), отстройки от влияния токов утечки по поверхности образца и падения напряжения в приэлектродных областях.
Повышение точности измерений обеспечивается применением дополнительных элементов.
в
В частности, применение специального охранного кольца позволяет заземлять поверхностные токи и устранять тем самым их влияние на измерение электросопротивления породы, а установка дополнительных электродов напряжения на боковых гранях образца - отстроиться от падения напряжения в зоне контакта с токовыми электродами (см. Пархоменко Э.И. Электрические свойства горных пород. - М.: Наука, 1956. - С.55-58). Следует отметить, что грунты (глины, суглинки, супеси и др.) в естественном состоянии имеют высокие значения пористости (m=0,1-0,4) и влагонасыщенности порового пространства (К=0,2-1), поэтому их удельное электросопротивление изменяется в диапазоне ρ=1-100 Ом·м. По этой причине влияние токов утечки пренебрежимо мало. При прижатии токовых электродов происходит выдавливание влаги из приэлектродных областей, что обеспечивает низкие значения переходных электросопротивлений в зоне токовых электродов.
Таким образом, принципиальными недостатками описанных аналогов, реализующих двухэлектродную схему измерений, являются следующие: невозможность последующих или параллельных механических испытаний
образцов грунтов; неточность установки измерительных электродов и нестабильность геометрических параметров образца.
Частично устраняет недостатки аналогов применение специальных ячеек из диэлектрического материала. Известны, например, разборные ячейки кубической формы с установленными на боковых гранях пластинчатыми электродами для исследования электрических свойств цементно-песчаных смесей при их увлажнении и твердении (см. Хямяляйнен В.А., Простов С.М., Сыркин П.С. Геоэлектрический контроль разрушения и инъекционного упрочнения горных пород. - М.: Недра, 1996 - С.30-31). Установка электродов на стенках ячейки, имеющей фиксированную форму, способствует повышению точности измерений. Применение данного устройства позволяет после электрофизических измерений произвести отбор образцов с помощью стандартных породоотборных гильз диаметром 40-60 мм и изучить их механические характеристики.
Недостаток известного устройства заключается в трудоемкости испытаний, поскольку для заполнения измерительной ячейки требуется большой объем грунта, а для последующих механических испытаний обязателен повторный отбор проб из ячейки.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство для испытаний образцов горных пород в виде кернов (см. патент РФ №2223400 "Устройство для изучения физических свойств образцов горных пород" МПК 7 Е 21 С 39/00; Заявл. 07.12.2002; Опубл. 02.10.2004). Устройство включает камеру из изолирующего материала, эластичную оболочку, гидравлическую систему нагружения боковой поверхности образца, подвижный торцевой электрод и неподвижную втулку, выполняющую роль второго токового электрода. Образец помещаем в камеру, имеющую внутренний диаметр, соответствующий диаметру керна, его поверхность изолирована эластичной оболочкой. Устройство обеспечивает возможность регулировать давление на боковую поверхность образца и его торцы, т.е. реализовать режим объемных механических испытаний. При этом торцевые
электроды, прижимаясь к образцу, реализуют двухэлектродную схему измерений и определение ρ по формуле (1).
Принимаем описанное устройство за прототип.
Недостатки прототипа состоят в следующем.
1. Поскольку подвижный и неподвижный электроды установлены на торцевых втулках и перемещаются вместе с ними в процессе испытаний, то происходит дополнительное изменение измеряемой величины и увеличение погрешности измерений.
2. Устройство предполагает перемещение исследуемого образца из грунтоотборной гильзы в камеру, что повышает трудоемкость измерений.
3. Основными механическими характеристиками грунтов являются прочностные (сцепление, коэффициент внутреннего трения) и деформационные (коэффициент сжимаемости, модуль общей деформации), определяемые по результатам сдвиговых и компрессионных испытаний на соответствующих стандартных установках. Устройство-прототип не обеспечивает режимов сдвиговых и компрессионных испытаний грунтов. Оно не позволяет также извлекать образец и помещать его в стандартные установки, так как грунт содержится в эластичной оболочке, при перемещении из которой, например поршнем произойдет неизбежное изменение формы и структуры образца. Таким образом, не обеспечивается идентичность условий электрических и последующих механических испытаний, что снижает точность измерений.
Задача изобретения - повышение точности измерения удельного электросопротивления связных и несвязных грунтов за счет фиксированного расположения измерительных электродов, обеспечение идентичности условий последующих сдвиговых и компрессионных испытаний, а так же снижение трудоемкости измерений за счет того, что образец грунта при измерениях остается помещенным в грунтоотборную гильзу.
Решение указанных задач достигается тем, что в известном устройстве, включающем камеру, два измерительных электрода и измерительную
схему, согласно изобретению, дополнительно установлена цилиндрическая подвижная втулка, изготовленная из диэлектрика и содержащая токосъемные контакты, в качестве камеры и первого измерительного электрода применена полая стальная цилиндрическая грунтоотборная гильза с внешним диаметром, равным внутреннему диаметру подвижной втулки, второй измерительный электрод выполнен в виде заостренной иглы диаметром 0,2-0,4 мм и длиной, равной высоте образца, жестко закрепленной на подвижной втулке по ее оси, причем втулка установлена на гильзу с содержащимся в ней грунтом, отобранным из массива методом режущего кольца, с возможностью поступательного перемещения до упора, с внедрением в грунт иглы-электрода по оси гильзы.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 приведена схема устройства, включающая грунтоотборную гильзу 1, грунт 2, подвижную втулку 3, прижимной груз 4; иглу-электрод 5; соединительные провода 6; токосъемные контакты 7, основание 8.
На фиг.2 и 3 показаны схемы подключения устройства У к измерительным элементам: генератору Г, амперметру РА, вольтметру PV, мосту переменного тока М.
На фиг.4 представлены графики тарировочных зависимостей для определения удельного электросопротивления грунта ρ по результатам измерений параметров I и ΔU при применении схемы на фиг.2.
Грунтоотборная гильза 1 с помещенным в ней грунтом 2, установленная на основание 8, образует емкость. Внутренняя поверхность гильзы 1, контактирующая с грунтом, образует цилиндрический токоподводящий электрод. Подвижная втулка 3 с токосъемными контактами 7 припаянным к ним соединительным проводом 6 обеспечивает подвод электрического тока к боковой грани образца 2. Закрепленная на подвижной втулке 3 игла-электрод 5 с припаянным к ней соединительным проводом 6 обеспечивает подвод электрического тока к центральной части образца. Провода 6 подключены к генератору Г, амперметру РА и вольтметру PV (фиг.2) или мосту
переменного тока М (фиг.3), реализуя 2-электродную схему измерений. Прижимной груз 4 фиксирует положение втулки 3 относительно гильзы 1.
Основой устройства является грунтоотборная гильза 1 (фиг.1), которая представляет собой стальное кольцо с острыми краями, оно имеет высоту h=25-50 мм и диаметр d=50-70 мм. Предполагается применение стандартных колец (гильз), например из комплекта полевой лаборатории ПЛЛ-2. Грунт отбирают методом режущего кольца (см. Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных испытаний. - Л.: Недра, 1990 - С.111-112): кольцо погружают в грунт, срезая ножом излишки грунта, а затем срезают торцевые поверхности. Таким образом, структура и механические свойства образца, помещенного в гильзу, не отличаются от параметров массива. Гильзу 1 с грунтом 2 устанавливают на основание 8. Вторым основным элементом устройства является подвижная втулка 3, состоящая из круглой пластины из непроводящего материала, к которой жестко прикреплены цилиндрическая боковая пластина с токосъемными контактами 7 и игла-электрод 5. Электрод 5 представляет собой заостренную иглу с диаметром 0,2-0,4 мм, расположенную по оси втулки 3. К электроду 5 и токосъемному контакту 7 припаяны соединительные провода 6.
При диаметре иглы-электрода меньше 0,2 мм возможно ее деформирование. При диаметре, большем 0,4 мм, погрешность измерений для грунтов с размером зерна более 0,4 мм будет возрастать за счет излишнего воздействия на образец.
При подготовке к измерениям втулку 3 перемещают поступательно сверху вниз по направляющей внешней поверхности грунтоотборной гильзы 1. При упоре в поверхность образца 2 электрод 5 полностью пронизывает образец. На пластину втулки 3 устанавливают прижимной груз 4, обеспечивая строго фиксированное расположение электродов 1 и 5.
Измерения реализуют с помощью измерительной схемы, причем возможны два варианта.
Основной является схема с генератором Г, амперметром РА и вольтметром PV (схема "омметра") (фиг.2). Применяют генератор с рабочей частотой ƒ=0,1-10 кГц, измеряют ток I, пропускаемый через образец и падение напряжения ΔU. По другому варианту измерения производят мостом переменного тока П (фиг.3), определяя непосредственно электросопротивление R. Обе схемы за счет применения переменного тока позволяют устранить влияние поляризации электродов.
Поскольку сочетание кольцевого и стержневого электродов является принципиально новым, приводим вывод расчетной формулы устройства. Принимаем начало отсчета радиальной координаты r в точке О на оси симметрии устройства. Так как линии тока ориентированны по радиальным лучам, для элементарного кольца радиуса r, толщиной dr с высотой h элементарное значение электросопротивления dR составит
dR=2πrhpdr.
Полное электросопротивление образца
откуда
Для последующих сдвиговых или компрессионных испытаний образец грунта перемещением поршня выдавливают из грунтоотборного кольца в цилиндр стандартной установки для механических испытаний.
Преимущества заявленного устройства перед прототипом состоят в следующем.
1. Устройство обеспечивает более точную установку измерительных электродов, причем их расположение не зависит от нагрузки на образец. Это повышает точность измерений электросопротивления грунтов.
2. При электрофизических измерениях образец остается помещенным
в грунтоотборную гильзу (кольцо), являющуюся основным составным элементом устройства. Поскольку требуемый объем грунта минимален и его не следует перемещать в другие емкости, трудоемкость исследований снижается.
3. При электрофизических измерениях механические свойства основной части образца не изменяются. Осевое отверстие от внедрения иглы-электрода имеет незначительный диаметр. Наблюдения показывают, что при перемещении образца из гильзы поршнем за счет проявления пластических свойств связных и несвязных грунтов это отверстие полностью заполняется. Этим обеспечивается идентичность последующих сдвиговых или компрессионных испытаний образцов грунта на стандартных установках.
Таким образом, заявленное устройство обеспечивает повышение точности измерений, снижение их трудоемкости и идентичность условий последующих испытаний по сравнению с прототипом.