RU1795098C - Способ изучени деформационных свойств скальных массивов и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Использование: исследование дефор- мируемости и прочности массивов скальных пород при изыскательских работах. Сущность изобретени : на поверхности пуансонов многокомпонентного прессиометра устанавливают в несколько р дов преобразователи нагрузки. Размещают прессио- метр в скважине. В полость прессиометра подают под давлением рабочую жидкость. Перемещающиес  пуансоны создают нагрузку на стенки скважины. Измер ют перемещение каждого пуансона и нагрузки в отдельных точках их поверхности. По полученным данным определ ют модули деформаций в различных точках контура скважины. По значени м модулей деформаций вы вл ют местоположение участков кавернозности, трещиноватости и пропла- стков пород различной прочности. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относитс  к изыскательным работам при строительстве объектов энергетики или других сооружений, св занных р изучением деформируемое™ и прочности массивов скальных и полускальных пород по всей зоне сооружений с помощью прессиометрии геолого-разведочных скважин .

Известны стандартные испытани  керна , собранного с мест проведени  опытов. Эти испытани , определ ющие петрографический состав породы, ее проницаемость, пористость и крепость, не позвол ют судить о деформируемое™ и прочности массивов, вмещающих эти породы..

Известен способ изучени  деформаци- онных свойств скальных массивов, включающий циклическое нагружение стенок

скважины посредством пуансонов многокомпонентного прессиометра, измерение перемещений пуансонов и давлени  в гидросистеме , по которым определ ют деформационные свойства массива.

Дан.ный способ  вл етс  наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату .

Способ осуществл ют устройством дл  определени  деформационных свойств скальных массивов, включающим корпус, установленные в нем пуансоны, эластичные камеры, сопр женные с пуансонами, и преобразователи линейного перемещени  пуансонов .

Этот способ позвол ет получать усредненные значени  деформационных свойств

XI

О

ел о о

00

массива без учета наличи  пропластков породы под пуансоном, их залегани , твердости и трещиноватости.

Целью изобретени   вл етс  повышение информативности способа и повышени  точности измерений за счет вы влени  трещиноватости, кавернообразности и наличи  пропластков породы различной крепости .;

Указанна  цель достигаетс  техниче- ,ским решением, представл ющим собой но- в.ый способ изуч ени  деформационных свойств скальных массивов, включающим циклическое нагружение стенок скважины посредством пуансонов многокомпонентного прессиометра, измерение перемещений пуансонов и давлени  в гидросистеме, по которым определ ют деформационные свойства массива, осуществление которого обуславливаетс  применением устройства определенной новой конструкции.

Изобретенный способ отличаетс  от известного способа тем, что дополнительно измер ют значени  давлени  на отдельных измерительных участках рабочей поверхности пуансонов, по которым устанавливают наличие и месторасположение местной кавернообразности, повышенной трещиноватости пород или пропластка породы меньшей прочности.

Изобретенный способ отличаетс  от известного способа также тем, что прессио- метр дискретно перемещают по глубине скважины и дискретно поворачивают на рассто ни , не превышающие рассто ний между измерительными участками поверхности пуансонов.

Такой способ может быть осуществлен устройством новой конструкции дл  определени  свойств скальных массивов, включающим корпус, установленные в нем пуансоны, эластичные камеры, сопр женные с пуансонами, преобразователи линейного перемещени  пуансонов.

Отличие устройства, позвол ющего осуществить новый способ, состоит в том, что на внешней поверхности пуансонов выполнены продольные пазы, а преобразователи нагрузки размещены в несколько р дов и жестко закреплены в пазах, при этом наружные поверхности преобразователей нагрузки изолированы друг от друга и имеют общий с пуансонами центр и одинаковый радиус кривизны.

На фиг. 1 изображено устройство с двум  взаимон.езэвисимыми парами пуансо- . нов; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1, установка на пуансонах преобразователей нагрузки; на фиг. 3 - выносной элемент на

фиг. 2, конструкци  преобразовател  нагрузки .

Прессиометр включает капсулу 1, состо щую из корпуса 2, с верхней 3 и нижней 4

крышками, систему трубопровода 5, эластичные камеры 6, сообщенные с трубопроводом , выдвижные пуансоны 7, смонтированные в пазах корпуса 2 с возможностью радиального перемещени , первичные преобразователи перемещени  пуансона 8, первичные преобразователи нагрузки 9, жестко расположенные в пазах 10, 11, 12 пуансона, коммуникационную св зь, ее разъем, электронные приборы (на черте5 жах не показаны), упругие элементы 13 и 14 в виде колец, вставленных в кольцевые расточки корпуса и пуансонов в их верхней и нижней част х.

Пазы 10, 11, 12, располагаемые р дами

0 вдоль образующих рабочей поверхности пуансона , могут иметь форму ласточкиного хвоста, служащую дл  установки в пазах преобразователей нагрузки и,элементов 15, 16, изолирующих измерительные элементы

5 друг от друга.

В пазы вставл етс  заданное количество преобразователей нагрузки и элементов, их изолирующих, а фиксаци  преобразователей от продольного перемещени  в пазах

0 достигаетс , например, с помощью крайних элементов 15, закрепл емых винтами 17 в резьбовых отверсти х пуансона. Длина пре- .образователей и элементов 15, 16, должна быть такой, чтобы исключить осевые зазоры

5 между ними после закреплени  элементов 15. Дл  этого может быть использован набор разнотолщинных прокладок, устанавливаемый между элементами 15 и р дом расположенным преобразователем, или

0 размещением винтрв 17 на продольных пазах крайних элементов,

Перемещению преобразователей в поперечном направлении преп тствуют стенки пазов пуансона,. ...

5 Преобразователь нагрузки может иметь различное конструктивное исполнение, завис щее от способа замеров (тензометриче- ский, индуктивный или др.). На чертежах представлен тёнзометрический первичный

0 преобразователь, Конструкци  его измерительного элемента зависит от вида измер емой деформации (например, сжатие, раст жение, изгиб). На фиг. 2 и 3 показан измерительный элемент 18 в форме балки

5 изгиба. Наружна  поверхность 19 элемента представл ет собой часть цилиндрической поверхности, имеющей общий центр и радиус кривизны Р с наружной поверхностью пуансона, Боковые поверхности 20 и 21 по форме и размерам повтор ют паз в пуансоне . Внутри элемента выбраны пазы 22 и 23. На стенках 24 и 25 элемента монтируютс  тенэорезисторы 26, а коммуникационные провода размещаютс  внутри паза 22. Паз 23 предусмотрен дл  повышени  чувствительности элемента к измер емой изгибающей нагрузке при нагружении породы.

Все датчики перемещени  и давлени  короткими экранированными лини ми св зи подключены к герметизированному разъему , установленному на верхней крышке корпуса. Герметизированный разъем линий экранированной обратной св зи подсоеди- к электронным приборам, установленным вне скважины на поверхности. Предусмотрено измерение значений перемещени  верха и низа пуансона, дл  чего первичные преобразователи перемещени  установлены встречно с двух сторон пуансона ,

Прессиометр перед работой собирают в следующей последовательности.

В пазы пуансона вставл ют и закрепл ют на винтах крайние верхние (или нижние) разделительные элементы, устанавливают в лаз;ы пуансона собранные первичные преобразователи давлени  поочередно с разделительными элементами, закрепл ют в лазах крайние нижние (верхние) раздели- элементы. Подвижные концы каждого первичного преобразовател  перемещений сообщают с пуансоном, а неподвижные закрепл ют в корпусе, Пуансоны фиксируютс  в корпусе устройства упругими кольцами. На верхней крышке монтируетс  разъем, к которому подключаютс  короткие линии св зи с преобразовател ми . Верхн   и нижн   крышки прессиометра закрепл ютс  на корпусе. Монтируетс  трубопроводна  лини  прессиометра, и к электрическому разъему посредством экранированной кабельной линии св зи подсоедин ютс  электронные приборы, расположенные на поверхности.

Способ изучени  деформационных свойств скальных массивов прессиомет- рией скважины осуществл етс  следующим образом.

При подаче давлени  в трубопровод эластичные камеры раздвигаютс  и под их воздействием каждый пуансон выдвигаетс  из корпуса, перемещени  его замер ютс  первичными преобразовател ми, электрические сигналы которых подаютс  через усилители к регистрирующим и показывающим приборам, в том числе двухкоординат- ному прибору, а при необходимости и на ЭВМ.

С использованием полученных замеров по известным соотношени м определ ютс 

модули деформации и сдвига массива, коэффициент Пуассона, анизотропии и т.д.

Например, модуль деформации - Е находитс  по формуле:

5 Ра давление в активной компоненте гидросистемы;

Ua - радиальное перемещение пуансо10 на (внедрение в породу точки, лежащей на контактной поверхности пуансона, в плоскости его симметрии);

V - коэффициент условий нагружени  активной компоненты, мен ющийс  в диа15 пазоне 0,1-0,5 в зависимости от значени  коэффициента Пуассона породы и угла контакта пуансона с породой, в свою очередь завис щего от значений перемещени  (внедрени ) пуансона в породу.

0 Подставл   в формулу фактические значени  Ра в гидросистеме и на отдельных измерительных участках пуансона, а также измеренное значение Ua, принима , что пуансон  вл етс  жестким телом и все величи5 ны перемещени  его точек, лежащих на одной вертикальной оси, одинаковы, определ ютс  модули деформации породы под пуансоном и на измерительных участках, центры которых расположены в вертикаль0 . ной плоскости симметрии пуансона.

Перемещени  центров измерительных участков, расположенных на равном рассто нии от вертикальной плоскости симметрии пуансона, наход тс  аналитически или по

5 номограммам по известным рассто ни м этих центров от указанной плоскости и определенным в процессе исследований значени м фактического диаметра скважины и перемещени  точек пуансона в плоскости

0 его симметрии.

Модули деформации породы под этими участками определ ютс  по той же формуле подстановкой значений нагруженности их измерительных участков и найденных по вы5 шеуказанному способу перемещений.

Сопоставл   значени  найденных модулей деформации под пуансоном и на его измерительных участках, вы вл ютс  трещиноватость, кавернообразность, на0 личие пропластков породы различной крепости .

Так о наличии каверны под измерительным участком пуансона свидетельствует малое (по сравнению с остальными участками)

5 или даже нулевое значение модул  деформации .

Одинаковые или близкие значение модулей деформации пород под участками, расположенными на одной окружности пуансона , могут быть признаком горизонтального залегани  породы или ее однородности , особенно, если модули деформации участков, расположенных на других окружност х пуансонов, равны или близки между собой.

Если значени  модулей деформации одних измерительных участков больше, а других меньше, чем модуль деформации породы под пуансоном, это может означать . наличие пропластков пород разной прочности или трещиноватость их.

С целью установлени  наличи  и месторасположени  местной кавернообразности, повышенной трещиноватости пород или пропластка пород меньшей прочности выбираютс  шаги перемещени  пуансона по окружности скважины и ее глубине, соответственно дискретно перемещают прессиометр и провод т замеры. Перемещение как по окружности, так и глубине скважины производ т на рассто ни , не превышающие рассто ни  между измерительными участками поверхности пуансонов. Первоначально перемещение производ т на величину, равную половине шага - рассто нию между центрами измерительных участков пуансона (по вертикали и окружности). В случае большого разброса значений модулей деформации на измерительных участках пуансона провод т дополнительные перемещени  на величину, меньшую половины шага, или по окружности скважины - на угол, равный половине угла между ос ми пуансонов.

П р и м е р 1. Устройство (фиг, 1, 2, 3) выполнено на базе прессиометрического комплекса 2КГД-130М с двум  активными компонентами, перемещени  пуансонов замер ютс  первичными преобразовател ми, расположенными встречно друг к другу с противоположных сторон каждого пуансона . На контактной поверхности пуансонов измерительные участки оснащены измерительными элементами - первичными преобразовател ми нагрузки, расположенными относительно вертикали в два р да по три элемента в каждом р ду, Наружные поверхности преобразователей нагрузки имеют общий с пуансонами центр и радиус кривизны .

Рассто ние между центрами измерительных участков по окружности составл ло 40 мм, а рассто ние между центрами участков по вертикали - 110 мм. Показатели модулей деформации элементов, расположенных в одном вертикальном р ду, на пу- .ансоне, дл  удобства обозначены цифрами 1, 2, 3, а на противоположном - 4, 5, 6. Индексом а обозначен первый элемент,

0

0

5

в - левый элемент на одной окружности пуансона.

Способ позволил отбивать границы и положение в пространстве прослоек пород

мощностью до 10 см. На фиг. 4 изображено положение (сто нка) прессиометра в скважине диаметром 132 мм, пробуренной в породах , представленных песчаниками и просло ми аргиллитов,

0 Модуль деформации пород под пуансоном на этой сто нке составл л 70-90 х кгс/см2.

Значени  модулей деформации породы измерительных участков Eai, Ebi, Еаз, Еьз,

5 Еае, Еье примерно равны между собой и составл ли 90-100-Ю 3 кгс/см , в то врем  как Еа2, ЕЬ2, Еа4, Е 4 мен лись в диапазоне 30-40-10 3 кгс/см2, a Eas, Ebs- 60-70-10 3 кгс/см2.

0 Значени  полученных модулей свидетельствуют о наличии пропластков пород различной прочности, причем породы залегают наклонно относительно оси скважины. Дл  определени  мощности пропластков и

5 угла их залегани  пуансон опускаетс  в скважину на 55 мм (половина шага между вертикальными элементами) и повтор етс  циклическое нагружение породы. При этом получены новые значени  модулей напр 0 жени :

E1e1«E1Y«E1b4«E1a2 E1l 2« Еа5

Е1аЗ

ЕЬ5 60-70- 103 кгс/см2. гЕ1Ьз«Е.1а5«Е1Ь5«Еа1

Е1а

«Ebi Еаа €ьз «90-100 -10 3 кгс/см2 5Еье« 90-100 кгс/см2.

Ч,«Е1Ь4 Е1аб«Е1Ьб 30-40-10 3 кгс/см2.

Таким образом установлено, что на сто нке 9 м скважину пересекают прослои песчаников и аргиллитов, мощность каждого из которых составл ет около 10 см. Модуль деформации песчаника около 90-100, аргиллитов - 30-40-10 3 кгс/см2, а в зоне пересечени  пластов песчаника и аргиллита 5 П0д центром измерительного участка - 60- 70-10 3 к гс/см2.

Опуска  прессиометр в скважину еще на 30 мм можно отбить границы (и угол за-. легани ) пропластков с точностью до 10 мм.

П р и м е р 2, Модуль деформации пород скважины, сложенной аргиллитами, под пуансоном -20-35-10 3 кгс/см2, а под измерительными элементами 1, 3, 4, 6-Ei, Ез, Е4, / Ее 30-40-10 3 кгс/см2, под элементами 2 и 5- Е2иЕ5«0-15-10 3кгс/см2.

Показатели элементов 2 и 5 свидетельствуют о наличии каверн в зоне их расположени . Поворачива  прессиометр по окружности скважины последовательно на

угол, эквивалентный смещению центров измерительных элементов на 20. 30 мм, а после него при необходимости на угол 15, 30,45° определ етс  прот женность и количество каверн по окружности скважины (на данной сто нке), а перемеща  прессиометр в скважине на рассто ни , не превышающие рассто ний между измерительными участками на поверхности пуансонов, определ ют контуры каверн по высоте.

Использование описанных способов и устройства позвол ет определить деформационные свойства массива с большей точностью измерений за счет вы влени  трещиноватости , кавернообразности и наличи  пропластков породы различной крепости 5 благодар  дополнительным измерени м значений давлени  на отдельных участках рабочей поверхности пуансонов, перемещени  пуансонов по окружности скважины и ее глубине, рассто ние, не превышающие 0 рассто ний между измерительными участками пуансонов.

Claims (3)

1. Способ изучени  деформационных свойств скальных массивов, включающий циклическое нагружение стенок скважины посредством пуансонов многокомпонентного прессиометра, измерение перемещений пуансонов и давлени  в гидросистеме, по которым определ ют деформационные свойства массива, отличающийс  тем, что, с целью повышени  информативности путем вы влени  трещиноватости, кавернообразности и наличи  пропластков породы различной крепости, дополнительно измер ют значени  давлени  на отдельных измерительных участках рабочей поверхности пуансонов, по которым устанавливают наличие и месторасположение местной кавернообразности, повышенной трещиноватости пород или пропластка породы меньшей прочности.

2. Способ по п. 1, отличающийс  тем, что с целью повышени  точности, прессиометр дискретно перемещают по глубине скважины и дискретно поворачивают на рассто ни , не превышающие рассто ни  между измерительными участками поверхности пуансонов.

3. Устройство дл  изучени  деформационных свойств скальных массивов, включающее корпус, установленные в нем пуансоны, эластичные камеры, сопр женные с пуансонами и преобразователи линейного перемещени  пуансонов, о т л и ч- а ю щ е   тем, что, с целью повышени  точности измерений, устройство снабжено преобразовател ми нагрузки, на внешней поверхности пуансонов выполнены продольные пазы, а преобразователи нагрузки размещены в несколько р дов и жестко закреплены в пазах, при этом наружные поверхности преобразователей нагрузки изолированы одна от другой и имеют общий с пуансонами центр и одинаковый радиус кривизны.

фаа1

Заказ 413Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., 4/5