Патент на изобретение №2258113

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ГРУНТОВ НА СЖИМАЕМОСТЬ ВИНТОВЫМ ШТАМПОМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к инженерным изысканиям в строительстве и при реконструкции старых зданий и сооружений, преимущественно ускоренным методом с использованием винтового штампа. Технический результат – повышение надежности при погружении в грунт и извлечении из грунта устройства и повышение надежности получаемой информации. Устройство для испытания грунта на сжимаемость винтовым штампом включает погружаемую в грунт до отметки испытания завинчиваемую с помощью бурового станка полую колонну звеньев труб, соединенных с помощью резьбовых соединений и дополнительно штифтов, на нижнем из которых смонтированы с возможностью ограниченного осевого перемещения винтовой штамп с хвостовиком и винтовой репер с обоймой. В полость колонны труб пропущена до контакта с хвостовиком штампа вспомогательная штанга, оснащенная на нижнем конце датчиком нагрузки, взаимодействующим с обоймой репера, при этом датчики соединены с помощью кабеля с дневной поверхностью, а силовой гидроцилиндр установлен между валом вращателя станка и, через центратор с прорезью для вывода кабеля, верхним концом вспомогательной штанги. Каждое из звеньев труб колонны имеет на верхнем конце дополнительно в правой наружной резьбе левую внутреннюю резьбу, а на нижнем конце кольцевой внутренний упор, причем в полости каждого из звеньев свободно размещен полый ниппель, имеющий на нижнем конце ответную левую наружную резьбу и на верхнем ответный наружный кольцевой упор с гнездом, например, под торцовый ключ, для стягивания звеньев труб левой резьбой от раскручивания правой при вывинчивании штампа и репера, при этом обойму репера оснащают закрепленной на ее нижнем конце конической цангой, охватывающей пружинными лепестками хвостовик штампа, в полости которой размещен сальниковый уплотнитель. Винтовой штамп укреплен на хвостовике с помощью коаксиального соединения и срезаемого кольца, прочность которого на срез меньше других соединений хвостовика. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к испытаниям грунтов статической нагрузкой в условиях их естественного залегания с помощью винтового штампа при инженерных изысканиях в строительстве и при реконструкции старых зданий и сооружений.

Известен винтовой самоанкерящийся штамп для испытания статическими нагрузками слабых водонасыщенных глинистых грунтов [1]. Устройство состоит из двух соосно расположенных винтовых лопастей, одна из которых является винтовым штампом для передачи нагрузки на грунт, а другая – анкером для восприятия реактивных усилий. Нагрузка на штамп передается через колонну внутренних штанг, оснащенную на верхнем конце площадкой для установки гидродомкрата. Упором для домкрата служит жесткая рама, соединенная с помощью наружной колонны труб с анкером. Винтовые лопасти при этом погружают с помощью бурового станка. Осадку грунта под штампом определяют по измерению выдвижения штока домкрата, а нагрузку на штамп – по измерению давления в гидродомкрате.

Недостаток известного решения заключается в том, что оно не обеспечивает испытания плотных грунтов и имеет низкую точность измерения как нагрузки на штамп, так и осадки штампа из-за неучета трения колонн труб о грунт и между собой и их деформации при значительной глубине испытаний.

Известно устройство для испытания грунта винтовым штампом [2]. Устройство включает погружаемую в массив грунта с помощью бурового станка с приложением осевой нагрузки полую колонну труб, оснащенную на нижнем конце однолопастным винтовым штампом и винтовым анкером, смонтированными с возможностью взаимного осевого перемещения как штампа относительно анкера, так и анкера относительно колонны труб. Нагрузочное приспособление на штамп выполнено в виде силового гидроцилиндра, размещенного в полости хвостовика винтового штампа, упирающегося штоком в обойму винтового анкера. В полости колонны труб размещены также датчики линейных перемещений штампа относительно колонны труб, причем датчики и гидроцилиндр соединены с дневной поверхностью кабелем связи и гибким гидропроводом соответственно. Колонну труб перед началом испытаний поддергивают вверх для возможности осадки анкера и закрепляют на дневной поверхности.

Недостатком известного решения является то, что анкер, имеющий те же размеры, что и штамп, не может воспринимать значительных нагрузок, кроме этого не устранены трудности при нанизывании на кабель и гидропровод звеньев колонны труб при ее наращивании с последующим вращением колонны.

Наиболее близким техническим решением к изобретению по технической сути и общему количеству существенных признаков является устройство, реализующее способ [2].

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности при завинчивании и вывинчивании штампа и репера, а также повышение достоверности получаемой информации за счет исключения возможности заклинивания штампа относительно репера.

Поставленная задача решена тем, что устройство для испытания грунта винтовым штампом, включающее погружаемую в массив грунта завинчиванием с приложением минимально необходимой осевой нагрузки с помощью бурового станка полую колонну труб, состоящую из состыкованных с помощью резьбового соединения и дополнительно штифтов звеньев от развинчивания при обратном вращении, на нижнем из которых смонтированы винтовой штамп с хвостовиком и винтовой репер с обоймой с возможностью ограниченного осевого перемещения штампа относительно репера и репера относительно колонны нижнего звена, причем силовой гидроцилиндр размещен между валом вращателя бурового станка, выставленного на триггеры, и переходником-центратором, установленным на верхний конец вспомогательной полой штанги, пропущенной в полость колонны труб до упора в хвостовик штампа, пропущенным в полость обоймы репера и соединенным через образованное в нем окно с обоймой с помощью пальца, при этом вспомогательная штанга оснащена размещенными в ее полости на нижнем конце датчиком нагрузки на штамп, взаимодействующим с хвостовиком штампа, и датчиком линейных перемещений штампа, взаимодействующим подвижным подпружиненным штоком с пальцем, закрепленным на обойме репера, при этом датчики соединены с дневной поверхностью кабелем обратной связи, пропущенным через прорезь, образованную в переходнике-центраторе, согласно изобретению, каждое из звеньев труб имеет на верхнем конце дополнительно к правой наружной резьбе левую внутреннюю резьбу, а на нижнем конце за внутренней правой резьбой имеет кольцевой внутренний упор, причем до соединения каждого из звеньев колонны труб с другим звеном в его полости свободно размещен полый ниппель, имеющий на нижнем конце ответную левую резьбу, а на верхнем конце ответный кольцевой наружный упор для дополнительного стягивания звеньев труб от их раскручивания при вывинчивании штампа, при этом обойму репера оснащают закрепленной на ней конической цангой, охватывающей пружинными лепестками хвостовик штампа, в полость которой помещен сальниковый уплотнитель.

Винтовой штамп закреплен на нижнем конце хвостовика с помощью цилиндрического коаксиального соединения и срезаемого пальца, имеющего на срез прочность, меньшую других сечений хвостовика.

Преимущества предлагаемого изобретения заключаются в следующем:

– устройство обеспечивает образование полости в наружной колонне труб для беспрепятственного нагружения штампа через технологическую штангу;

– устройство обеспечивает проведение измерений нагрузки на штамп и измерение его осадки вблизи глубины испытаний грунта, что существенно повышает надежность получаемых результатов;

– цанговое уплотнение с сальником подвижного хвостовика штампа позволяет без извлечения из массива грунта штампа проводить испытание грунта на других глубинах, а также после каждого испытания возвращать штамп относительно репера в крайнее верхнее положение, исключая возможность заклинивания хвостовика штампа в результате попадания песка в зазор между хвостовиком и обоймой (явление экструзии). Это обеспечивается обратным вращением винтового штампа вместе с колонной труб без возможности подъема колонны вместе со штампом (при неподвижном в осевом направлении вращателе станка);

– устройство позволяет проводить испытания грунта как стандартным методом, заданными ступенями нагрузки на штамп с измерением осадки на каждой ступени до наступления ее стабилизации, так и в ускоренном режиме, методом релаксации напряжений грунта, путем ступенчатого деформирования грунта с измерением изменения нагрузки на грунт до ее стабилизации.

Важно отметить, что продолжительность испытаний ускоренным методом предлагаемым устройством укладывается в одну рабочую смену практически для любых грунтов.

На фиг.1-6 в схематичной форме показано: фиг.1 – общий вид; фиг.2 – сечение А-А на фиг.1; фиг.3 – сечение Б-Б на фиг.2; фиг.4 – сечение В-В на фиг.2; фиг.5 – контровочное соединение звеньев колонны труб; фиг.6 – сечение Г-Г на фиг.5.

На фиг.1 показан буровой станок 1, выставленный на триггеры 2, оснащенный поворотной мачтой 3 с подвижным вдоль мачты с помощью гидроцилиндров станка вращателем 4 с выходным валом 5. Буровой станок может быть при необходимости дополнительно соединен с отдельно отстоящей анкерной сваей 6 посредством троса 7, перекинутого через блок мачты 3 и взаимодействующего с лебедкой станка (не показано). Вал 5 вращателя станка соединен со штоком 8 силового гидроцилиндра 9, который через центрирующий переходник 10 опирается о технологическую внутреннюю штангу 11, пропущенную в полость колонны труб, состоящей из отдельных звеньев 12, имеющих одинаковую длину. Нижнее звено 13 колонны труб оснащено винтовым репером 14 закрепленным на обойме 15, и винтовым штампом 16, закрепленным на хвостовике 17, пропущенным в полость обоймы 15. Винтовой репер 14 имеет толщину лопасти больше, чем толщина лопасти штампа 16. Гидроцилиндр 9 подключен к управляемой насосной станции (не показано) с помощью гидрошланга 18, а через прорезь 19 в переходнике 10 пропущен кабель связи 20, соединяющий датчик нагрузки на штамп и датчик линейных перемещений штампа относительно репера, размещенные в нижнем конце технологической штанги 11, с дневной поверхностью (датчики не показаны). Колонна труб вывешена на раме 21 с помощью хомута 22 и сцентрирована роликами 23.

На фиг.2 (сечение А-А на фиг.1) показано расположение и взаимодействие хвостовика 17 штампа 16 с обоймой 15 репера 14, обоймы 15 с нижним звеном 13 колонны труб 12 и нижнего конца 24 технологической штанги 11 с хвостовиком 17 штампа. Выступающий из штанги 17 подпружиненный подвижный шток 25 датчика линейных перемещений упирается в палец 26, пропущенный сквозь окно 25, образованное в хвостовике 17, и закрепленный концами в стенках обоймы 15. Обойма 15 репера соединена с нижним звеном 13 колонны труб 12 с помощью штифтов 28, закрепленных в стенках звена 13 и пропущенных сквозь прорези 29, образованные в обойме 15. На нижнем конце обоймы 15 установлена на резьбе коническая цанга 30, имеющая прорези 31, охватывающая хвостовик 17. Цанга дополнительно соединена винтами 32 с обоймой 15. Полость между цангой 30 и хвостовиком 17 заполнена сальниковой набивкой 33.

На фиг.3 (сечение Б-Б на фиг.2) показано подвижное в осевом направлении и исключающее угловой проворот шестигранное соединение верхнего конца обоймы 15 репера со звеном 13.

На фиг.4 (сечение В-В на фиг.2) показано подвижное в осевом направлении соединение, без углового поворота, верхнего конца хвостовика 17 относительно обоймы 15.

На фиг.5 показано соединение звеньев 12 труб, верхний конец 36 каждого из которых имеет наружную правую резьбу и внутреннюю левую. Нижний конец 37 каждого из звеньев 12 труб имеет внутреннюю правую резьбу и выше ее кольцевой упор 38. После стягивания звеньев 12 правой резьбой, эти звенья дополнительно стягивают левой резьбой с помощью полого ниппеля 39, свободно размещенного в полости каждого звена 12, с использованием технологического торцевого ключа 40. Ниппель 39 имеет на нижнем конце левую наружную резьбу и на верхнем – наружный кольцевой выступ 41. В выступе 41 образовано шестигранное гнездо для взаимодействия с ответным шестигранником 42, образованным на нижнем конце торцового ключа 40. Торцовый ключ имеет удлиненную форму и ручку 43 на верхнем конце.

На фиг.6 (сечение Г-Г на фиг.5) показан вид сверху на шестигранное соединение торцового ключа 40 с ниппелем 39.

На изображенном на фиг.1-6 устройстве работы по подготовке и испытанию грунтов осуществляют следующим образом: при необходимости прикладывания к штампу значительных нагрузок (более 50 кН), сначала с помощью бурового станка 1 завинчивают в грунт (вертикально или наклонно) отдельно стоящий винтовой анкер 6. Затем станок отгоняют и выставляют вал 5 его вращателя 4 над точкой испытания, после чего станок выставляют на триггеры 2. После этого первое звено 13 колонны труб 12 с винтовым штампом 16 и винтовым репером 14 присоединяют с помощью переходника к валу 5 вращателя 4 и его вращением с приложением минимально необходимой вертикальной нагрузки от гидроцилиндров станка погружают это звено в массив грунта. Периодически наращивая колонну труб 12 очередными звеньями, сначала соединяя их с помощью правой резьбы, а затем с использованием полых ниппелей 39 и торцового удлиненного ключа 40 контрят с помощью левой резьбы и погружают штамп до глубины испытания грунта. Затем в полость колонны труб 12 через полости в ниппелях 39 опускают технологическую штангу 11 до упора ее нижнего конца 24 в верхний торец хвостовика 17.

При этом подпружиненный шток 25 датчика линейных перемещений, размещенный в полости штанги 24, упрется в палец 26 и по наземному прибору, соединенному с кабелем 20, определят положение штампа (т.е. запас его хода, необходимого для проведения испытаний). Если запаса хода штампа недостаточно для проведения испытаний, наружную колонну труб 12 соединяют с помощью переходника, имеющего прорезь для кабеля, с валом вращателя станка и дают один или несколько левых оборотов колонне труб 12 без возможности ее подъема. Винтовой штамп при этом переместится в крайнее верхнее положение (кабель при этом намотается на колонну). Затем правым вращением допогружают штамп вместе с колонной труб 12. После этого отсоединяют технологический переходник и на внутреннюю штангу 11 устанавливают центратор 10 и гидроцилиндр 9, шток 8 которого соединяют с валом 5 вращателя, а гидрошланг 17 гидроцилиндра 9 с насосной станцией. Испытания грунта проводят согласно программы испытаний либо по стандартной методике, либо по методу релаксации напряжений грунта, т.к. измерения нагрузки на штамп и его осадки регистрируют без возможных искажений. Устройство позволяет также проводить испытания в заданной очередности. По окончании испытаний грунта на одной глубине переходят на следующую глубину испытаний.

К настоящему времени автором разработана техническая документация и изготовлен опытный образец устройства, реализующего предлагаемый способ. Испытание образца по полной программе намечено на конец 2004 г. Изобретение предполагает автоматизацию всех основных операций, в частности, обработку информации в процессе проведения испытаний с возможностью оперативного корректирования хода испытания.

Предлагаемое изобретение обладает новизной, имеет ряд перечисленных преимуществ перед известными решениями, отвечает критерию промышленной применимости в условиях массового строительства и при реконструкции старых зданий и сооружений и соответствует современному уровню техники и, следовательно, по мнению автора, может быть защищено патентом Р.Ф.

При необходимости автор может предоставить в экспертизу дополнительные материалы, в том числе акты испытаний, по мере их поступления.

Источники информации

1. Винтовой самоанкерящийся штамп для испытания статическими нагрузками слабых водонасыщенных грунтов. Проспект ВДНХ Тематическая выставка «Инженерные изыскания в строительстве». Москва, 1981.

2. Авторское свидетельство СССР 31381245, кл. E 02 D 1/00, 1988.

Формула изобретения

1. Устройство для испытания грунтов на сжимаемость винтовым штампом, характеризующееся тем, что оно включает погружаемую в массив грунта завинчиванием с приложением осевой нагрузки с помощью бурового станка полую колонну труб, состоящую из состыкованных с помощью резьбовых соединений и штифтов звеньев от развинчивания при обратном вращении, на нижнем из которых смонтированы винтовой штамп с хвостовиком и винтовой репер с обоймой с возможностью ограниченного осевого перемещения штампа относительно репера и репера относительно нижнего звена, причем силовой гидроцилиндр размещен между валом вращателя бурового станка, выставленного на триггеры, и переходником-центратором, установленным на верхний конец вспомогательной полой штанги, размещенной в полости колонны труб до упора в хвостовик штампа, размещенный в полости обоймы репера и соединенный через образованное в нем окно с обоймой с помощью пальца, при этом вспомогательная штанга оснащена размещенными в ее полости на нижнем конце датчиком нагрузки на штамп, взаимодействующим с хвостовиком штампа, и датчиком линейных перемещений штампа, взаимодействующим с подвижным подпружиненным штоком с пальцем, закрепленным на обойме репера, при этом датчики соединены с дневной поверхностью кабелем обратной связи, пропущенным через прорезь, образованную в переходнике-центраторе, при этом каждое из звеньев труб имеет на верхнем конце дополнительно к правой наружной резьбе левую внутреннюю резьбу, а на нижнем конце выше внутренней правой резьбы имеет кольцевой внутренний упор, причем до соединения каждого из звеньев колонны труб с другим звеном в его полости свободно размещен полый ниппель, имеющий на нижнем конце ответную левую резьбу, а на верхнем конце ответный кольцевой наружный упор для дополнительного стягивания звеньев труб от их раскручивания при вывинчивании штампа, при этом обойму репера оснащают закрепленной на ее нижнем конце конической цангой, охватывающей пружинными лепестками хвостовик штампа, в полости которой размещен сальниковый уплотнитель.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что винтовой штамп закреплен на нижнем конце хвостовика с помощью коаксиального соединения и срезаемого в случае заклинивания винтового штампа пальца, при этом прочность пальца на срез меньше прочности других сечений хвостовика.

РИСУНКИ