Штампоустановка

Использование: для удержания распорной системы при нагружения штампа при испытании грунтов статическими нагрузками. Предлагаемое устройство выполнено единой конструкцией, использует распорный эффект при испытании грунтов статическими нагрузками в горных выработках круглого сечения (скважинах и шурфодудках). Распорный эффект осуществляется двумя уровнями распорных рычагов, расположенных в радиальных направлениях от центральной стойки к вертикальным упорным стойкам и накладным упорным сегментам и, благодаря геометрии формы, преобразует первоначальную форму цилиндра упорных сегментов в коническую, приобретая свойства анкера. Штампоустановка выполнена единой конструкцией, позволяющей перемещать и размещать ее в скважинах и шурфодудках без перемонтажа, в собранном состоянии, используя уменьшение веса и габаритов по сравнению с прототипом, а также возможность соотнести размеры распорных рычагов с заведомо определенными параметрами горной выработки круглого сечения: диаметр, параллельность стенок и центр забоя. Геометрия формы устройства допускает в качестве дополнения отдельную насадку на штамп в виде пробоотборника для предварительного отбора пробы грунта с места испытания (по необходимости), а также для углубления скважины, путем гидравлического давления в осевом направлении пробоотборника с использованием распорного эффекта устройства.

Все вышеуказанное позволило:

1. Создать технологически простое устройство для удержания распорной системы при нагружения штампа при испытании грунтов статическими нагрузками.

2. Максимально увеличить компактность оборудования.

3. Получить недорогой инструмент для опытных работ в строительной геологии.

4. Минимизировать цену эксплуатационного обслуживания монтажа и демонтажа штампоустановки.

5. Уменьшить вероятность травмирования.

6. При комплектации предлагаемого устройства дополнительными приспособлениями, его можно использоавать в качестве пробоотборника для отбора проб грунта с труднодоступного участка-забоя, и для углубления выработки.

Область техники.

Настоящее устройство относится к строительству и горному делу.

В комплекс изысканий под строительство и реконструкцию зданий и сооружений включают опытные работы по полевым испытаниям грунтов оснований. При этом метод штамповых испытаний является обязательным в практике инженерно-геологических изысканий согласно ГОСТ 20276-99.

Полевые испытания грунтов нагружаемым штампом являются наиболее надежным способом оценки их деформируемости. При исследованиях в шурфах применяются круглые жесткие штампы площадью 5000 см2, (реже - иные), а при исследованиях в буровых скважинах - аналогичные штампы площадью 600 см2. Их достаточно большие опорные площади требуют больших конечных усилий в опытах: при штампе площадью 5000 см2 и конечной ступени нагрузки 0,5 МПа общее усилие должно достигать 245 кН (25 т), а при штампе площадью 600 см2 и такой же конечной ступени нагрузки - около 30 кН (3 т). Это обусловливает массивность оборудования, сложность его монтажа, большие сечения диаметра опытных выработок, значительную стоимость, трудоемкость и продолжительность опыта (Фиг.2). Все это в определенной мере служит препятствием для широкого использования штамповых испытании в составе инженерно-геологических изысканий. Из-за указанных причин даже на крупных объектах изысканий делается немного штамповых испытаний, а уж на мелких вообще наблюдается тенденция обходиться без них, несмотря на требуемый нормами их обязательный минимум (три на объект или его секцию).

Наиболее достоверные данные могут быть получены при испытаниях опытных фундаментов с площадями равными площадями проектируемых фундаментов, но такие испытания проводятся в исключительных случаях вследствие их высокой стоимости, значительно меньшими (по сравнению с проектными) размерами. В России стандартными для испытаний в шурфах, котлованах, шахтах, штольнях и других горных выработках считаются жесткие, круглые, плоские (толщиной 12-15 мм) и глухие штампы площадью 2500, 5000, 10000 см2, а также штампы площадь штампа до 5000 см2, (диаметр - 79,8 см), а для испытаний в скважинах применяют круглые штампы площадью 600 см2 (диаметр 27,7 см).

Уровень техники

При испытаниях грунтов в скважинах штамп устанавливают в закрепленную обсадными трубами скважину диаметром 325 мм. Нагрузка на штамп передается через штанги, выходящие на поверхность. При испытании учитывается вес штанг и деформация - температурная и в результате нагрузки. Нагружение штампа осуществляется ступенями по 0.25-0.5 кг/см2. Осадка грунта под штампом регистрируется прогибомерами либо индикаторами, установленными неподвижно и доступными наблюдению, зацепленными со штампом нитью из нихрома-материала мало подверженного температурным деформациям. Осадка также может регистрироваться электронными приборами. Величины осадки могут быть выражены долями миллиметров, поэтому точность и надежность оборудования, включая положение штампа в процессе испытания, имеет большое значение.

Нагружение штампа в установках для испытания грунтов осуществляется при помощи гидравлических домкратов, пневматических камер, тарированным грузом через платформу, установленную непосредственно на штампе, упорную балку, зацепленную с винтовыми анкерными сваями, погруженными в грунт на глубину 2-3 м (Фиг.1, 2), либо через систему рычагов с упором в стенки шурфа.

Установка с упором в балку, зацепленную за винтовые анкерные сваи (Фиг.2), громоздка и трудоемка в монтаже, но не требует доставки на место испытаний строительных конструкций.

Установка с упором в грузовую платформу также громоздка и трудоемка в монтаже, но проста в техническом исполнении. Испытания такого типа могут быть проведены на строительной площадке, куда доставлены детали строительных конструкций (бетонные блоки и т.п.), которые могут быть применены в качестве упора.

Установка для нагружения штампа с упором в стенки шурфа, именуемая в производстве распорной системой, более сложна в монтаже и оборудовании, чем установка с винтовыми сваями, но ее применение в меньшей степени зависит от свойств, слагающих верхнюю часть разреза грунтов. Целесообразность ее применения очевидна, когда винтовые сваи не могут быть погружены вследствие высокой плотности грунтов.

Аналоги и прототипы.

Фиг.1. Схема установки для испытания грунтов статическими нагрузками в скважинах и шурфах, смонтированной на винтовых анкерных сваях, (ссылка engeco.ru>ispitanie_gruntov.php)

1 - штамп; 2 - обсадная труба; 3 - прогибомеры; 4 - упорная балка; 5 - винтовые анкерные сваи; 6 - домкрат; 7 - шток домкрата; 8 - крепление шурфа; 9 - маслонасос.

Вариант установки для испытания грунтов статическими нагрузками в скважинах и шурфах, смонтированной на винтовых анкерных сваях, выпускаемой ОАО "ПНИИИС".

(ссылка pniiis.ru>contentdlya_ispitaniya_gruntov.html)

Канатно-рычажные установки Уральского треста Инженерно-строительных изысканий: КРУ-600, КРУ-2500 и КРУ-5000

Распорная система.

Фиг.3. Схема установки для испытаний грунтов штампом с упором в стенки шурфа: (ссылка sgps.ru/articles/stamp1.htm).

1 - штамп; 6 - нагружающий гидравлический домкрат; 8 - деревянный щит; 9 - маслонасос. 10 - упорная траверса; 11 - вертикальная плоскость упорной траверсы. 12 - винтовые распоры упорной траверсы; 13 - вертикальные упорные стойки; 14 - горизонтальные распоры; 15 - распорные гидравлические домкраты.

В качестве прототипа наиболее близки к заявленной по геометрии формы установки для нагружения штампа с упором в стенки шурфа (Фиг.3), рассчитанные на применение их при испытаниях в шурфах на глубине 3-5 м штампом площадью 5000 см2 до предельного давления на фунт 0,5 МПа (5 кгс/см2). В рабочем положении оголовник нагружающего гидравлического домкрата (6) упирается снизу в центр упорной траверсы (10).

Раскрытие полезной модели.

Перед автором стояла задача создания малогабаритного, простого в изготовлении (технологически), недорогого устройства, обеспечивающего эффективное применение малыми эксплуатационными расходами.

Устройство именуется штампоустановкой с распорной системой, и конструктивно предназначено для самоустановления на центре забоя горной выработки круглого сечения и создания упора для нагружающего устройства, используя распорный эффект, при нагружении штампа площадью 600 см2 (диаметр 277 мм) при испытании грунтов в скважинах диаметром от 325 мм и при нагружении штампа площадью 5000 см2 (диаметр - 798 мм) при испытании грунтов в шурфодудках диаметром 900 мм. Распорная система состоит из центральной стойки (18) в качестве упора для нагружающего устройства, верхних (19) и нижних (20) распорных рычагов, вертикальных упорных стоек (13) и накладных упорных сегментов (27).

Дополнительная задача - удержание горизонтального и осевого положения штампа при нагружении.

Вторая дополнительная задача - сокращение объема горной выработки круглого сечения (скважины и шурфодудки) по сравнению с шурфами прямоугольного сечения. Скважина и шурфодудка более доступны для механической проходки, соблюдая при этом более качественную обработку стенок и забоя выработки.

Третья дополнительная задача - использование удерживающего эффекта распорной системы устройства для предварительного отбора пробы грунта (по необходимости) с труднодоступного участка горной выработки - забоя скважины или шурфодудки, а также для углубления скважины - путем присоединения к штампу насадки в виде пробоотборника.

В дальнейшем описании горная выработка круглого сечения именуется скважиной.

Для решения поставленной задачи и получения технического результата предлагается устройство, содержащее, как и аналоги, и прототип (Фиг.4), технические средства для создания упора при нагружения штампа при испытании грунтов. Устройство предполагает преобразование вертикальной плоскости упорной траверсы (11) в центральную стойку (18).

Фиг.4

Схема установки для испытаний грунтов штампом с упором в стенки шурфа прямоугольного сечения в двухмерной проекции.

11 - вертикальная плоскость упорной траверсы.

Геометрия формы прототипа, при обозначении элементов, несущих нагрузки, жирными линиями, приобретает вид контура, представленного на фиг.5. Кружками при этом обозначены точки приложения усилий. Горизонтальные распоры (14) с распорными домкратами (15) упираются в гнезда, выполненные в вертикальных упорных стойках (13), а винтовые распоры упорной траверсы (12) зацеплены с системой шарнирами (16).

Фиг.5

1 - штамп; 6 - нагружающий гидравлический домкрат; 11 - вертикальная плоскость упорной траверсы; 12 - винтовые распоры упорной траверсы; 13 - вертикальные упорные стойки; 14 - горизонтальные распоры; 15 - распорные гидравлические домкраты; 16 - шарнирные зацепления.

Первым отличием от прототипа, именуемого в производстве распорной системой (Фиг.3), является преобразование горизонтальных распоров (14) в верхние распорные рычаги (19), (Фиг.6), приводимые в действие домкратом через посредство вертикальных плоскостей упорной траверсы (11), продленными вверх до шарнирного зацепления (16) с верхними распорными рычагами, а также преобразование винтовых распоров упорной траверсы (12) в нижние распорные рычаги (20). В полученной схеме обозначились два уровня распорных рычагов, повторяемых по схеме-прототипу (Фиг.3) в двух параллельных плоскостях (Фиг.7).

Несмотря на разные углы наклона, оба уровня принуждаются к распорному эффекту одним домкратом

Вторым отличием от прототипа является перерасположение двух приведенных параллельных плоскостей в перекрестное взаимно перпендикулярное, с центральной осью симметрии, проходящей вертикально через центр каждой из двух плоскостей (Фиг.8) и конструктивно представленной центральной стойкой(18).

В пространственном представлении схема получает объемную геометрическую форму (Фиг.9), доступную для использования в скважине.

При размещении распорной системы на забое скважины для точной установки штампа по центру забоя наряду с соблюдением соосности штампа, скважины и всей системы требуется удержание всех распорных рычагов и вертикальных упорных стоек в состоянии радиальной симметрии.

Третьим отличием от прототипа является включение в описываемую систему штанг (21), удерживающих все элементы системы в состоянии радиальной симметрии. (Фиг.10). Штанги шарнирными зацеплениями соединяют верхние обрезы вертикальных упорных стоек с ползуном (24), свободно скользящим по вертикальному штоку (23). Прототипом вертикального штока с ползуном является конструкция дождевого зонта.

Фиг.10

1 - штамп; 6 - нагружающий гидравлический домкрат; 16 - шарнирные зацепления; 18 - центральная стойка; 19 - верхние распорные рычаги; 20 - нижние распорные рычаги; 21 - штанги; 23 - вертикальный шток; 24 - ползун; 30 - фланец.

Приведенная в формате двухмерной проекции с обозначением элементов, несущих нагрузки, жирными линиями, и шарнирных зацеплений - кружками, схема приобретает вид, представленный фиг.11.

Фиг.11

1 - штамп; 6 - нагружающий гидравлический домкрат; 16 - шарнирные зацепления; 18 - центральная стойка; 19 - верхние распорные рычаги; 20 - нижние распорные рычаги; 21 - штанги; 23 - вертикальный шток; 24 - ползун; 30 - фланец.

Для соблюдения соосности штампа с вертикальным штоком (23) и со всей системой, а также для удержания штампа в горизонтальном положении при испытании в скважине в конструкцию включена труба (22), (Фиг.12), жестко соосно соединяющая штамп с вертикальным штоком. В трубе выполнены продольные прорези (25) для вывода и свободного перемещения распорных рычагов. Труба соосно соединена со штампом при помощи сварки, и с вертикальным штоком - фланцевым соединением на болтах.

Фиг.12

1 - штамп; 22 - труба; 23 - вертикальный шток; 25 - продольные прорези; 30 - фланцы.

В трубе непосредственно над штампом соосно размещен нагружающее устройство - гидравлический домкрат, на который установлена центральная стойка с возможностью свободного вертикального перемещения внутри трубы. Центральная стойка зацеплена шарнирными соединениями с двумя уровнями распорных рычагов - верхними (19), и нижними (20), расположенных в положении радиальной симметрии (Фиг.13). Выводы распорных рычагов в свою очередь зацеплены шарнирными соединениями с вертикальными упорными стойками (13).

Фиг.13

1 - штамп; 6 - нагружающий гидравлический домкрат; 13 - вертикальные упорные стойки; 16 - шарнирные зацепления; 18 - центральная стойка; 19 - верхние распорные рычаги; 20 - нижние распорные рычаги; 21 - штанги; 22 - труба; 23 - вертикальный шток; 24 - ползун, 25 - продольные прорези; 30 - фланцы.

Радиальную симметрию при любом положении вертикальных упорных стоек принуждают удерживать штанги (21), зацепленные шарнирными соединениями за верхние срезы вертикальных упорных стоек,

Перемещение и погружение в скважину штампоустановки с распорной системой, собраной в единую конструкцию при помощи болтов и шарнирных зацеплений, происходит при зацеплении ползуна с гибким соединением (цепью). Удерживающие рычаги - штанги, - зацепленные на шарнирах за верхние срезы вертикальных упорных стоек, принуждают последние под весом конструкции распорной системы и всего устройства сходиться к центру, уменьшая габариты системы (Фиг.14) и позволяя конструкции при погружении беспрепятственно достигать забоя скважины. Упорные стойки при этом берут на себя роль центратора, используя вертикальные стенки скважины в качестве направляющих.

По достижении штампом центра забоя происходит самоустановление устройства, при котором ослабление удерживающей цепи позволяет упорным сегментам, зацепленным через посредство вертикальных упорных стоек с распорными рычагами, штангами, ползуном и вертикальным штоком, самостоятельно под собственным весом прилегать к стенкам скважины в соответствии с радиальной геометрией зацеплений элементов устройства и принять рабочее положение (Фиг.15).

При нагнетании давления шток домкрата поднимает центральную стойку, принуждая распорные рычаги изменять углы наклона, и создавать распорный эффект. Разница в размерах нижних и верхних распорных рычагов принуждает нижние срезы наружных упорных стоек раздвигаться быстрее верхних, при этом общая первоначальная геометрическая форма цилиндра распорной системы стремиться к форме конуса, приобретая свойства анкера (Фиг.16).

Возможность монтажа предъявленной штампоустановки независимо от размеров шурфа прямоугольного сечения, а лишь применительно к диаметру шурфодудки (900 мм) или скважины (325 мм), позволяет отказаться от ручной регулировки винтовых распоров, заменив ее заданными размерами распорных рычагов.

При обозначении элементов конструкции штампоустановки с распорной системой контурами фигур применительно к выполнению устройства, схема штампоустановки получает вид, приведенный нафиг.17.

Фиг.17

1 - штамп; 6 - нагружающий гидравлический домкрат; 13 - вертикальные упорные стойки; 16 - шарнирные зацепления; 18 - центральная стойка; 19 - верхние распорные рычаги; 20 - нижние распорные рычаги; 21 - штанги; 22 - труба; 23 - вертикальный шток; 24 - ползун.

Действующая модель, выполненная по приведенной схеме, позволяет производить перемещение и погружение штампоустановки с распорной системой в скважину, размещение на забое и создание распорного эффекта для удержания системы при нагнетании давления, в последовательности, приведенной на фигурах 18; 19; 20.

Осуществление полезной модели

Выполнение устройства в варианте реальной действующей модели в уменьшенном масштабе заключается в выборе элементов конструкции и последовательном монтаже, приведенном на фиг.21 -41. Наиболее часто повторяемый в конструкции материал для выполнения элементов -металлический уголок 30 мм. (Фиг.21).

Фиг.21

26 - металлический уголок 30 мм; 27 - металлический уголок 35 мм; 28 - отверстия - гнезда для шарнирных зацеплений; 29 ~ отверстия для креплений.

На фиг.22 показаны исходные элементы, с которых начинается монтаж центральной стойки.

Фиг.22

19 - верхний распорный рычаг; 20 - нижний распорный рычаг; 31 - штифты.

Последовательное присоединение к исходному элементу других подобных элементов, включая распорные рычаги (19, 20), обозначенное в последовательных рисунках на фиг.22, 23, 24, 25, 26, 27, заканчивается выполнением центральной стойки (18), зацепленной шарнирными соединениями с четырьмя верхними (19) и четырьмя нижними (20) распорными рычагами.

Распорные рычаги представляют собой стальные пластины, имеющие толщину, достаточную для свободного перемещения в пределах, ограниченных наружными полками металлических уголков 30 мм. В приведенном выполнении при толщине полок уголков 5 мм эта толщина составляет 9 мм. Геометрия формы рычагов в целях повышения прочности приближается к форме эллипса, допуская вращение рычагов только в пределах, необходимых для размещения конструкции в скважине и осуществления распорного эффекта. Шарнирные соединения выполняются штифтами (31) из стали повышенной прочности, запрессованными в тело рычага, и при монтаже размещенными в отверстиях-гнездах, просверленных в полках уголков в соответствии с рисунками, с возможностью свободного вращения рычагов вокруг штифтов, в пределах плоскости, ограниченной наружными полками уголков (Фиг.27).

Фиг.27

18 - центральная стойка; 19 - верхние распорные рычаги; 20 - нижние распорные рычаги.

Выполненная конструкция помещается в трубу (22) с продольными прорезями (25), поверх предварительно размещенного в ней и соосно установленного на штамп нагружающего гидравлического домкрата (6), (Фиг.28).

Фиг.28

1 - штамп; 6 - нагружающий гидравлический домкрат; 18 - центральная стойка; 22 - труба; 25 - продольные прорези. 30 - фланец; 32 - отверстие в трубе для присоединения шланга высокого давления к домкрату.

Распорные рычаги при этом располагаются в продольных прорезях трубы с возможностью свободного перемещения вдоль прорезей в пределах вращения вокруг шарнирных зацеплений. (Фиг.29).

Фиг.29

1 - штамп; 19 - верхние распорные рычаги; 20 - нижние распорные рычаги; 22 - труба; 23 - вертикальный шток; 30 - фланцы; 35 - строповочная скоба.

Сверху труба закрывается фланцем с приваренным к нему по центру вертикальным штоком, и привинчивается болтами и гайками к фланцу трубы, обеспечивая таким образом жесткость самой трубы, и соединения «труба - шток» (Фиг.30). Вертикальный шток представляет собой отрезок стального профиля квадратного сечения 10×10 мм с навинченной сверху строповочной скобой (35).

Следующий этап выполнения конструкции - монтаж ползуна на вертикальном штоке и монтаж вертикальных упорных стоек на распорных рычагах и штангах. Штанги выполнены по подобию распорных рычагов. Элементы ползуна и вертикальных упорных стоек, выполненные из уголков 30 мм, соединяются между собой в положении и последовательности, обозначенных на фиг.30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, с заключением между ними штанг (21), распорных рычагов (19. 20) и стальных прокладок толщиной 10 мм (33), позволяющих штангам свободное вращение в пределах шарнирных зацеплений, а вертикальным упорным стойкам - сохранение радиальной симметрии при любых положениях штанг и распорных рычагов.

Фиг.30

1 - штамп; 19 - верхние распорные рычаги; 20 нижние распорные рычаги; 21 - штанга; 26 - металлический уголок 30 мм; 28 - отверстия - гнезда для шарнирных зацеплений; 29 - отверстия для креплений; 33 - стальные прокладки.

Фиг.3

1 - штамп; 19 - верхние распорные рычаги; 20 нижние распорные рычаги; 21 - штанги; 22 - труба; 26 " металлический уголок 30 мм; 28 - отверстия - гнезда для шарнирных зацеплений; 29 - отверстия для креплений; 33 - стальные прокладки.

Фиг.34

1 - штамп; 21 - штанги; 26 - металлический уголок 30 мм; 28 - отверстия - гнезда для шарнирных зацеплений; 29 - отверстия для креплений; 33 - стальные прокладки.

Фиг.37

1 - штамп; 13 - вертикальные упорные стойки; 24 - ползун.

Фиг.38

1 - штамп;

26 - металлический уголок 30 мм; 28 - отверстия - гнезда для шарнирных зацеплений; 29 - отверстия для креплений. 33 - стальные прокладки.

По окончании монтажа вертикальных упорных стоек последние дополняются накладными упорными сегментами, (для скважины 325 мм - вырезанными из трубы диаметром 325 мм, с толщиной стенок 7 мм, по форме прямоугольника. расположенного в продольном направлении трубы) (Фиг.39).

Фиг.39

1- штамп; 13 - упорные стойки; 34 - упорные сегменты.

Назначение упорных сегментов - упорядочить и обеспечить равномерное распределение нагрузки упорных стоек на стенки скважины диаметром 325 мм при нагружении штампа.

Окончательный внешний вид устройства с присоединенным маслонасосом, представлен на фиг.40.

Фиг.40

9 - маслонасос; 17 - шланг высокого давления.

Внешний вид устройства с присоединенным маслонасосом, подготовленного к погружению в скважину 325 мм, представлен на фиг.41.

Технический результат

Технический результат - удержание распорной системы при нагружении штампа - осуществляется при условии достаточного сцепления упорных сегментов с поверхностью грунтовых стенок скважины. В отличие от плоских поверхностей шурфов прямоугольного сечения, обрабатываемых вручную и, вследствие этого, необеспеченных качеством обработки и достаточно полным контактом вертикальных упорных стоек с грунтом, круглое сечение скважины, пройденой механическим способом, а также возможность соблюдения радиальной симметрии обеспечивает более полное совпадение поверхности стенок с упорными сегментами и. следовательно, более плотный контакт. Сцепление упорных сегментов с грунтом зависит также от угла наклона направления приложения усилия распорных рычагов к вертикальным упорным стойкам. Во избежание выпора распорной системы из скважины под воздействием давления штока домкрата соотношения размеров верхних и нижних распорных рычагов и диаметра скважины при вертикальном положении упорных стоек должны обеспечить угол между противоположными верхними распорными рычагами не менее 170 градусов, между противоположными нижними распорными рычагами - 140-150 градусов, в противном случае возникает вероятность выпора распорной системы из скважины. Приведенные величины углов наклона позволяют использовать трение между упорными сегментами и грунтовой стенкой скважины в качестве первоначального зацепления для дальнейшего осуществления распорного эффекта с учетом увеличения деформации грунта под давлением упорных сегментов. При этом разница в размерах верхних и нижних распорных рычагов принуждает первоначальную форму цилиндра устройства стремиться к конусу, приобретая свойства анкера.

Действующая модель устройства, именуемого штампоустановкой с распорной системой, весом 25 кг, диаметром штампа 160 мм и площадью штампа 200 см2 была выполнена в 2010 г. (Фиг.42) и испытана в полевых условиях на глубине 1 м. с возможностью наблюдения за динамикой работы устройства (Фиг.43, 44, 45, 46).

Накладные упорные сегменты для облегчения конструкции временно были заменены накладными скобами. В качестве нагружающего гидродомкрата в трубе размещен гидроцилиндр прямого действия (Сорокин DW 136) грузоподъемностью 10 т, ход штока 101 мм, диаметр штока 40 мм. (ссылка http://www.vseinstrumenti.ru/s).

Ошибка в расчетах при выборе диаметра скважины принудила к испытанию устройства без накладных скоб и к временной фиксации ползуна на вертикальном штоке на начальный момент нагружения для предотвращения выпора распорной системы до зацепления вертикальных упорных стоек с грунтовыми стенками скважины.

Устройство с подсоединенным шлангом маслонасоса было размещено на забое скважины диаметром 200 мм. Часть шланга, примыкающая к гидроцилиндру, была размещена в скважине в положении, исключающем его защемление элементами конструкции. Устройство нагружалось до разрушения целика грунта, выразившегося в появлении радиально расположенных вокруг устья скважины на поверхности земли трещин. (Фиг.44). После испытания по извлечении устройства из скважины цепью, зацепленной за ползун, (Фиг.45, 46) обнаружилась незначительная поперечная деформация вертикальных упорных стоек, вызванная ошибками в расчете соотношений размеров и углов наклона распорных рычагов и диаметра скважины. Расчет требовал не только установления оптимальной геометрии положения распорных рычагов для осуществления распорного эффекта, не допускающего выпора системы из скважины, но и учета увеличения деформации фунта под вертикальными упорными стойками в динамике работы устройства, включая упорядочивание мелких неровностей стенок выработки, В результате увеличения деформации грунта угол между верхними противоположными распорными рычагами стремится к 180 градусам, ограничивая дальнейший распор верхних распорных рычагов. При этом дальнейший подъем центральной стойки сводит верхние обрезы вертикальных упорных стоек к центру, распределяя нагрузку распора и удержания системы только на нижние рычаги.

Деформация вертикальных упорных стоек не повлияла на положительный результат испытания - удержание распорной системы при нагружении штампа (фото на фиг.44), а также на дальнейшее использование устройства.

По результату испытания сложилось представление о втором варианте устройства, приведенном на фиг.47, 48, 49, 50, 51. Во втором варианте ползун (24) (Фиг.47), размещается внутри трубы (22) над центральной стойкой (18), в положении жесткого зацепления с нижним обрезом вертикального штока (23). Ползун с вертикальным штоком получает возможность свободного продольного перемещения в пределах участка трубы между верхним обрезом центраьной стойки и верхним фланцем (30), при этом верхняя часть вертикального штока пропущена через отверстие в верхнем фланце и трубу квадратного сечения (36), приваренную сверху по центру верхнего фланца. Труба (36) служит в качестве направляющей для вертикального штока, а также для зацепления системы при необходимости двухкратного поворота установленного на забое штампа, в соответствии с ГОСТ 20276-99, до прилегания упорных сегментов к стенкам скважины. На фиг.47 штамп дополнен отсоединяющимся пробоотборником (38).

Фиг.47

1 - штамп; 6 - нагружающий гидравлический домкрат; 13 - вертикальные упорные стойки; 16 - шарнирные зацепления; 18 - центральная стойка; 19 - верхние распорные рычаги; 20 - нижние распорные рычаги; 21 - штанги; 22 - труба; 23 -вертикальный шток; 24 - ползун; 30 - фланцы; 36 - труба квадратного сечения; 37 - сошки; 38 - дополнительная насадка на штамп - пробоотборник.

Перемещение и погружение устройства в скважину производится вручную либо несложным подъемным устройством через посредство цепи, зацепленной со строповочным кольцом, закрепленным на верхнем конце вертикального штока (Фиг.51). Поскольку во втором варианте вертикальный шток является подвижным, при зацеплении со строповочным кольцом и перемещении вся конструкция штампоустанвки под собственным весом опускается до положения «повисания» на ползуне, жестко и неподвижно зацепленным с вертикальным штоком. При этом штанги (21), зацепленные с ползуном, принуждают вертикальные упорные стойки под собственным весом сходиться к центру, уменьшая габариты конструкции (Фиг.48). По достижении штампом забоя скважины вертикальный шток продолжает опускаться до самоустановления системы путем прилегания упорных сегментов, к вертикальным стенкам скважины и принятия рабочего положения (Фиг.49). При нагружении штампа шток домкрата выдвигается и вместе с центральной стойкой принуждает все распорные рычаги к распорному эффекту (Фиг.50). Положение распорных рычагов и вертикальных упорных стоек во взаимодействии с грунтовыми стенками скважины для наглядности повторено на фиг.51.

Преимущество второго варианта в том, что в случае недостаточно качественной обработки стенок скважины и, в результате, невозможности достаточно плотного прилегания упорных сегментов к стенкам скважины исполнитель имеет возможность дополнительным пригружением вертикального штока принудить прилегание упорных сегментов к стенкам скважины.

Второе преимущество заключается в возможности более точного центрирования штампа относительно забоя скважины путем предварительного временного нагружения штампа до достижения забоя. При этом вертикальные упорные стойки, прилегая неплотно к стенкам скважины, берут на себя роль центратора.

Третье преимущество заключается в выполнении верхних и нижних распорных рычагов с клиновидными выступами, расположенными на наружных торцах рычагов, с возможностью самостоятельного контактирования с грунтовой стенкой скважины. Прототипом клиновидного выступа является сельскохозяйственная соха. Клиновидные выступы, в дальнейшем описании именуемые сошками (37), (поскольку через посредство распорных рычагов служат для упора в грунт), выдвигаются с поворотом распорных рычагов через прорези за пределы внешних поверхностей упорных сегментов на расстояние от 0 до 10 мм, в момент прилегания последних к стенкам скважины упираются в стенки и при нагружении штампа вдавливаются в грунт и создают дополнительное препятствие выпору, принуждая распорные рычаги к повороту и созданию распорного эффекта. При извлечении штампоустановки из скважины сошки извлекаются из стенок скважины с обратным поворотом распорных рычагов и сведением к центру вертикальных упорных стоек. Геометрия формы сошки может быть выражена трехгранной пирамидой, своим клиновидным основанием приваренная к наружному торцу распорного рычага, при этом наименьшая грань пирамиды является продолжением плоскости верхней кромки распорного рычага, либо выполнена из дюбельного гвоздя, приваренного шляпкой к наружному торцу распорного рычага. Держащая сила сошек нерасчитана на удержание распорной системы при нагружении штампа, а лишь на усиление первоначального зацепления упорных сегментов с грунтовыми стенками скважины с последующим распором.

Геометрия формы устройства допускает в качестве дополнения отдельную насадку на штамп в виде пробоотборника (38) для предварительного отбора пробы грунта с места испытания (по необходимости), а также для углубления скважины, путем гидравлического давления в осевом направлении пробоотборника с использованием распорного эффекта.

Часть нагнетательного шланга, примыкающая к гидроцилиндру, может быть заменена маслопроводной трубкой, размещенной внутри трубы с прорезями в продольном направлении до выхода через отверстие в верхнем фланце для соединения со шлангом.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана схема установки для испытания грунтов статическими нагрузками в скважинах и шурфах, смонтированной на винтовых анкерных сваях.

На фиг.2 показано фото полевого испытания грунтов штампом S=5000 см2 по схеме установки для испытания грунтов статическими нагрузками в шурфах, смонтированной на винтовых анкерных сваях.

На фиг.3 показана схема установки для испытаний грунтов штампом с упором в стенки шурфа в горной выработке прямоугольного сечения - шурфе.

На фиг.4 показана схема установки для испытаний грунтов штампом с упором в стенки шурфа в двухмерной проекции.

На фиг.5 показана схема установки для испытаний грунтов штампом с упором в стенки шурфа в двухмерной проекции с обозначением элементов, несущих нафузки, жирными линиями. Кружками обозначены точки приложения усилий.

На фиг.6 показано преобразование горизонтальных распоров (6) в распорные рычаги (19).

На фиг.7 показано расположение упорных рычагов и вертикальных стоек в двух параллельных плоскостях.

На фиг.8 показано перерасположение двух приведенных параллельных плоскостей в перекрестное взаимно перпендикулярное с центральной осью симметрии, проходящей вертикально через центр каждой из двух плоскостей.

На фиг.9 показана схема объемной геометрической формы, полученной в результате преобразований распорной системы - прототипа.

На фиг.10 показана схема размещения объемной геометрической формы, полученной в результате преобразований распорной системы, на забой шурфодудки.

На фиг.11 показана На фиг.11 показана схема двухмерной проекции устройства с выделением элементов, несущих нагрузки, жирными линиями, и шарнирных зацеплений - кружками

На фиг.12 показана труба с продольными прорезями, жестко соосно соединяющая штамп с вертикальным штоком.

На фиг.13 показана схема двухмерной проекции устройства с обозначением элементов, несущих нагрузки, жирными линиями, и шарнирных зацеплений - кружками, и труба, соединяющая штамп с вертикальным штоком.

На фиг.14 показана схема перемещения и погружения в шурфодудку распорной системы.

На фиг.15 показана схема размещения распорной системы на забое шурфодудки.

На фиг.16 показана схема положения устройства распорной системы при нагнетании давления и создания распорного эффекта.

На фиг.17 показана схема штампоустановки с распорной системой с обозначениями элементов конструкции контурами фигур применительно к выполнению устройства.

На фиг.18 показана схема положения элементов конструкции распорной системы при перемещении и погружении штампоустановки в скважину диаметром 325 мм.

На фиг.19 показана схема положения элементов конструкции распорной системы при размещении штампоустановки на забое скважины диаметром 325 мм.

На фиг.20 показана схема положения элементов конструкции распорной системы штампоустановки, размещенной на забое скважины диаметром 325 мм, при нагнетании давления и создании распорного эффекта.

На фиг.21 показано начало монтажа центральной стойки.

На фиг.22 показано последовательное присоединение к исходному элементу - уголку - других подобных уголков, а также распорных рычагов.

На фиг.23 показано продолжение монтажа центральной стойки.

На фиг.24 показано продолжение монтажа центральной стойки.

На фиг.25 показано продолжение монтажа центральной стойки.

На фиг.26 показано продолжение монтажа центральной стойки.

На фиг.27 показано окончание монтажа центральной стойки.

На фиг.28 показано начало размещения нагружающего гидравлического домкрата и центральной стойки в трубе с продольными прорезями.

На фиг.29 показано начало присоединения фланца с вертикальным штоком к фланцу трубы с продольными прорезями, с размещенными внутри домкратом и центральной стойкой.

На фиг.30 показано окончание присоединения фланца с вертикальным штоком к фланцу трубы с продольными прорезями и начало монтажа ползуна со штангами на вертикальном штоке.

На фиг.33 показано продолжение монтажа ползуна со штангами на вертикальном штоке и начало монтажа вертикальных упорных стоек.

На фиг.34 показано продолжение монтажа ползуна со штангами на вертикальном штоке и продолжение монтажа вертикальных упорных стоек на распорных рычагах и штангах.

На фиг.35 показано продолжение монтажа ползуна со штангами на вертикальном штоке и продолжение монтажа вертикальных упорных стоек на распорных рычагах и штангах.

На фиг.36 показано продолжение монтажа ползуна со штангами на вертикальном штоке и продолжение монтажа вертикальных упорных стоек на распорных рычагах и штангах.

На фиг.37 показано окончание монтажа ползуна со штангами на вертикальном штоке и продолжение монтажа вертикальных упорных стоек на распорных рычагах и штангах.

На фиг.38 показано продолжение монтажа вертикальных упорных стоек на распорных рычагах и штангах.

На фиг.39 показано окончание монтажа вертикальных упорных стоек на распорных рычагах и штангах и начало монтажа накладных упорных сегментов.

На фиг.40 показан окончательный внешний вид штампоустановки с присоединенным маслонасосом.

На фиг.41 показан внешний вид штампоустановки с присоединенным маслонасосом, подготовленной к погружению в скважину 325 мм.

На фиг.42 показан показано фото действующей модели штампоустановки с присоединенным маслонасосом.

На фиг.43 показано фото в момент погружения и размещения действующей модели штампоустановки в скважину глубиной 1 м.

На фиг.44 показано фото с изображением манометра давления на маслонасосе, подтверждающего момент нагружения штампа.

На фиг.45 показано фото извлечения действующей модели штампоустановки из скважины после испытания конструкции на удержание при нагружении штампа.

На фиг.46 показано фото с изображением состояния действующей модели штампоустановки после испытания конструкции на удержание при нагружении штампа.

На фиг.47 показана схема второго варианта штампоустановки с дополнительной насадкой на штамп пробоотборника.

На фиг.48 показана схема второго варианта положения элементов конструкции распорной системы перед погружением штампоустановки на забой скважины 325 мм.

На фиг.49 показана схема второго варианта положения элементов конструкции распорной системы штампоустановки перед нагруженном штампа.

На фиг.50 показана схема второго варианта положения элементов конструкции распорной системы штампоустановки в момент нагружения штампа.

На фиг.51 показаны схемы трех последовательных положений элементов конструкции распорной системы штампоустановки во взаимодействии с грунтовыми стенками скважины.

Под номером 1 показан штамп.

Под номером 2 показана обсадная труба.

Под номером 3 показаны прогибомеры.

Под номером 4 показана упорная балка.

Под номером 5 показаны анкерные сваи.

Под номером 6 показан нагружающий гидравлический домкрат.

Под номером 7 показан шток домкрата.

Под номером 8 показано крепление шурфа.

Под номером 9 показан маслонасос.

Под номером 10 показана упорная траверса. Под номером 11 показана вертикальная плоскость упорной траверсы. Под номером 12 показаны винтовые распоры упорной траверсы. Под номером 13 показаны вертикальные упорные стойки. Под номером 14 показаны горизонтальные распоры. Под номером 15 показаны распорные гидравлические домкраты. Под номером 16 показаны шарнирные зацепления. Подномером 17 показан шланг высокого давления. Под номером 18 показана центральная стойка. Под номером 19 показаны верхние распорные рычаги. Под номером 20 показаны нижние распорные рычаги. Под номером 21 показаны штанги. Под номером 22 показана труба с продольными прорезями. Под номером 23 показан вертикальный шток. Подномером 24 показан ползун. Под номером 25 показаны продольные прорези. Под номером 26 показан металлический уголок 30 мм. Под номером 27 показан металлический уголок 35 мм. Под номером 28 показаны отверстия - гнезда для шарнирных зацеплений. Под номером 29 показаны отверстия для креплений. Под номером 30 показаны фланцы. Подномером 31 показаны штифты.

Под номером 29 показаны отверстия для креплений. Под номером 30 показаны фланцы.

Под номером 31 показаны штифты.

Под номером 32 показано отверстие в трубе для присоединения шланга высокого давления к домкрату.

Под номером 33 показаны стальные прокладки.

Под номером 34 показаны упорные сегменты.

Под номером 35 показана строповочная скоба.

Под номером 36 показана труба квадратного сечения.

Под номером 37 показана сошка.

Под номером 38 показан пробоотборник.

1. Штампоустановка с распорной системой, отличающаяся тем, что выполнена единой самоустанавливающейся конструкцией, включающей штамп для испытания грунтов, средство для нагружения штампа и распорную систему, обеспечивающую центрированное и горизонтальное размещение штампа на забое горной выработки и упор при нагружении штампа.

2. Штампоустановка с распорной системой по п.1, отличающаяся тем, что геометрия формы устройства допускает в качестве дополнения отдельную насадку на штамп в виде пробоотборника для предварительного отбора пробы грунта с места испытания, а также для углубления горной выработки путем гидравлического давления в осевом направлении пробоотборника с использованием распорного эффекта устройства.