Abstract

Testul presuremeterului este un test de deformare a sarcinii controlat in situ care se efectuează pe peretele unui foraj folosind o sondă cilindrică expandată radial. Din citirile testului (variația volumului pe baza presiunii controlate), se poate obține o curbă de deformare plană - tensiune pentru sol.

ménard

De la prototipul inițial, presurometrul a fost în mod constant îmbunătățit în designul său, iar cea mai recentă versiune a presurometrului, numită „presurometru auto-controlat”, a fost dezvoltată pentru a aborda problemele repetabilității și acumulării aproximărilor într-un test. Acest aparat este complet automat și autonom și gestionează toate etapele testului conform instrucțiunilor operatorului. Presuremeterul auto-controlat simplifică procedura de lucru pentru operator, consolidează fiabilitatea rezultatelor și reduce timpul de configurare.

Prezenta lucrare descrie presurometrul autocontrolat și îl compară cu presurometrul manual. Prima parte a lucrării compară deficiențele presometrului manual și auto-controlat. În partea a doua, sunt prezentate și comentate rezultatele testelor celor două tipuri de presometru care au fost efectuate în condiții similare.

1. Introducere

Testul presuremeterului este un test de deformare a sarcinii controlat in situ care se efectuează pe peretele unui foraj folosind o sondă cilindrică expandată radial. Din citirile testului (variația volumului pe baza presiunii controlate), se poate obține o curbă de deformare plană - tensiune pentru sol.

Primul prototip de presuremeter a fost dezvoltat de Louis Ménard în ianuarie 1955. De atunci, presurometrul a fost în mod constant îmbunătățit în designul său.

Primul prototip de presuremeter, care se numește tipul A, constă dintr-o pompă manuală pentru injectarea de creșteri constante de apă și o sondă mare cu un diametru de 140 mm. După acest prim model, de-a lungul anilor, au fost proiectate mai multe prototipuri prin selectarea unor materiale mai bune pentru aplicarea presiunii, minimizarea aproximărilor și îmbunătățirea senzorului și a sistemului de înregistrare; adică Tipuri B, C, D, E, F, G etc. (Cassan 2005).

Presometrul de tip G se referă la dispozitive cu sonde cu celule imbricate. Notațiile vechi GA, GC utilizate în 1965-1966, corespund controlerelor de presiune-volum interschimbabile cu tipul G. Pentru aceste dispozitive, celulele de protecție sunt umflate cu aer comprimat. Presuremeterul GB are un design total diferit, caracterizat prin două celule de protecție umflate cu apă și prin două volumetre.

Din 1984, un presuremeter identic cu GA a fost pus în funcțiune, cu excepția faptului că nu există un manometru diferențial. Acesta din urmă este calculat de operator din presiunile măsurate de indicatoare de la celula de măsurare și celulele de protecție. În prezent, este cel mai utilizat presometru. Peste trei mii de presometre au fost construite și utilizate în tot cuvântul (peste o sută de țări).

Recent, au existat evoluții tehnologice, cum ar fi manometre care se conectează la circuit și permit lucrul cu achiziția automată de date (Geospad®). Acest sistem conține componente de înregistrare electrice conectate la senzori de presiune și volum.

Ultima generație de presometru urmărește evoluțiile tehnologice electronice și automate. Se numește „presurometru auto-controlat” și a fost dezvoltat pentru a aborda problemele repetabilității și acumulării de inexactități în test. Conform standardului ISO 22476-4, acest aparat este complet automat, autonom și gestionează toate etapele testului așa cum este preselectat de operator. Presometrul controlat automat simplifică procedura de lucru pentru operator, sporește fiabilitatea rezultatelor și reduce timpul de pregătire.

Prima parte a acestei lucrări descrie manualul și presometrele controlate automat. Cea de-a doua parte a prezentei lucrări prezintă procesul de corecție a pierderii de presiune furnizat de presurometrul auto-controlat. În cele din urmă, este prezentată și comentată o comparație între testele care au fost efectuate (in situ și în sol artificial) folosind cele două tipuri de presometru, în condiții similare.

2 Presometru manual Ménard –Tip G

Presometrul manual Ménard constă dintr-un CU (unitate de control), o tubulatură din plastic și o sondă cu 3 celule, care permit efectuarea testelor in situ conform standardelor ISO 22476-4 și ASTM D4719-07. Forajul este forat pentru a minimiza perturbarea peretelui și pentru a păstra diametrul găurii în conformitate cu dimensiunea selectată a sondei.

Presometru Ménard echipat cu computer unitate centrală (GeoBOX®) și instrument de achiziție centrală (Geospad®)

CU este format din dispozitive care permit reglarea presiunii aplicate și citirea schimbării volumului. Acesta include un volumetru de 800 cm 3 tub vizual pentru citirea schimbărilor de volum ale celulei de măsurare, regulatoare pentru presiunea principală și diferențială, manometre de la 0 la 25 bari și 0 la 60 bari atât pentru celulele de protecție, cât și pentru celulele de măsurare, și mai multe supape și conectori (Fig. 1).

Sonda este protejată în totalitate de un capac de cauciuc (diferite tipuri în funcție de rigiditatea solului), care este umflat de un gaz în cele 2 celule de protecție și de apă în celula de măsurare. Presiunile aplicate ale diferitelor celule sunt controlate de regulatorul diferențial pentru a asigura o deformare cilindrică de-a lungul celulei de măsurare și pentru a evita orice stare adversă la graniță. Sursa de presiune este furnizată printr-o butelie de azot extern.

Presometrul poate fi echipat cu instrumente de sistem care permit afișarea instantanee a rezultatelor testelor printr-un computer central (GeoBOX®) și instrumente de achiziție centrală de date (Geospad®). Permite înregistrarea automată a datelor de testare și a condițiilor specifice de testare și vizualizarea evoluției datelor în timpul testului. Presiunea celulei de măsurare, presiunea diferențială, variația volumelor, numărul de trepte și timpul sunt afișate în timpul efectuării testului. Înregistrările se efectuează automat după 0, 15, 30 și 60 s cu o precizie optimizată: 0,10 cm 3 pe volum și 10 kPa pe presiuni (în conformitate cu procedura B din ISO 22476-4).

Instrumentul de achiziție (Geospad®), integrat în presometrul Ménard, este o cutie impermeabilă, care include 2 senzori de presiune de la 0 la 100 bari și un senzor cu ultrasunete pentru volum.

Pentru efectuarea testului, se găsește o gaură de foraj pentru a minimiza perturbarea peretelui și pentru a menține diametrul cavității în conformitate cu dimensiunea sondei. Sonda este coborâtă în gaură până la adâncimea de testare necesară și presiunea este aplicată cu trepte egale. Presiunea și volumul sunt citite de la unitatea de control. De îndată ce sonda este coborâtă în gaură până la adâncimea de testare necesară, operatorul poate începe testul prin creșteri de presiune cu unitatea de control.

2.1 Presometru autocontrolat Ménard (Geopac®)

Principalele diferențe dintre presurometrul auto-controlat și presurometrul manual este metoda de aplicare a presiunii și a volumului și măsurarea acestora.

Presurizarea celulei de protecție se realizează printr-o modulare a azotului gazos dintr-un cilindru extern folosind un regulator de presiune de control și seturi de electrovalve. Se iau în considerare două intervale de presiune: 0 până la 7 bari cu un interval de precizie de 0,01 bari și 7 până la 100 de bari cu un interval de precizie de 0,1 bari.

Presurizarea apei în celula de măsurare se realizează folosind unelte electromecanice constând dintr-un motor electric de curent continuu de 24 V și un reductor cu un cuplu normal de 24 N/m, o cutie de viteze cu raport ridicat cu un tren de transmisie cu etapă epicicloidă, un cuplu cu șurub cu bilă, un transmițător de forță de împingere, un piston de etanșare care transmite presiunea etc. Controlul electronic permite variația puterii asociate cu motorul electric pentru a comanda viteza utilizând un codificator incremental cu rezoluție mică.

Partea mecanică a presuremetrului auto-controlat permite transformarea energiei electrice în presiunea de lucru aplicată pe circuitul de apă.

Testele de performanță, analiza operațiunilor și aprobarea modelului (electric și mecanic) au fost efectuate și certificate de o organizație națională independentă CETIM (Centre Technique des Industries Mécaniques, Franța) în 2010.

Presometru controlat automat (GéoPAC®)

Când se efectuează testul, operatorul înregistrează parametrii inițiali și condițiile specifice în unitatea de control, cum ar fi numărul găurilor, adâncimea testului, presiunea din prima etapă etc. De îndată ce sonda este coborâtă în gaură până la adâncimea de testare necesară, unitatea de control poate începe testul. Toate secvențele întregului proces de testare standard sunt, de asemenea, automatizate: pierderi de presiune, pierderi de volum, creșteri de presiune și setări de pași de presiune. Pe parcursul întregului proces, computerul unității de control arată monitorizarea testului propriu-zis pe ecran (progresie, vizualizare a rezultatelor în timp real, grafic liniar etc.). Operatorul poate opri sau modifica progresul testului de la unitatea de control în orice moment.

Presometrul autocontrolat poate măsura volumul și respectiv presiunea cu precizia de 0,05 cm 3 și 0,025 bari.

2.2 Principiul măsurării pierderii de presiune

Pierderea de presiune la un test de presometru este legată de dimensiunile tubului și de debitul circuitului lichidului. Pentru presurometrul clasic Ménard, reglarea se efectuează de obicei după test. Doar un presurometru autocontrolat este capabil să corecteze instantaneu măsurătorile luând în considerare reglarea pierderii de presiune. Reglarea măsurătorilor de presiune depinde de creșterea presiunii între două etape. În această fază, presiunea ar trebui să crească la următoarea creștere într-un timp optim care nu depășește 20 s cu o presiune diferențială adecvată între circuitele de lichid și gaz.

Presiunea diferențială din sondă nu poate fi bazată pe supraestimarea presiunii lichidului atunci când pierderea de presiune nu este luată în considerare în timpul testului. Într-adevăr, la cea mai apropiată presiune hidrostatică, pentru o presiune diferențială țintă de 0,1 MPa și cu o pierdere de presiune de 0,2 MPa, presiunea diferențială reală în sondă este apoi -0,1 MPa. Reglarea presiunii suferă o perturbare puternică în jurul presiunii țintă. Această reglare tinde să scadă debitul atunci când presiunea măsurată este aproape de punctul stabilit, dar reducerea debitului determină o scădere a presiunii măsurate (Arsonnet și colab. 2013).

Controlul răspunde la această reducere aplicând din nou debitul, care se traduce printr-un fenomen de oscilație care merge până când circuitul hidraulic este excitat (Arsonnet și colab. 2013).

În cazul fluării în anumite niveluri (în expansiunea fazei sondei), reglarea debitului în circuitul lichid este necesară pentru a menține presiunea constantă. Acest debit creează o pierdere de presiune, care se adaugă la presiunea sondei și are ca rezultat supraestimarea presiunii de către senzor. Principala consecință în timpul procesului este că presiunea diferențială în sondă nu este respectată din cauza supraestimării presiunii lichidului și nivelul de presurizare nu se face la o presiune mai mică care variază în funcție de debitul instantaneu injectat în această fază. Acest rezultat este mai evident într-un test de calibrare în care fluajul este maxim și poate provoca oscilații intense în testele cu tuburi lungi.

Pierderea de presiune în funcție de debitul pentru diferite lungimi de tuburi (l = 25, 33, 50, 100 m) (de la Arsonnet și colab. 2013)

Prin urmare, testul presuremeter necesită întotdeauna un volum minim de lichid care trebuie injectat la începutul testului și înainte ca sonda să intre în contact cu peretele găurii forate. Presometrul autocontrolat constă dintr-o procedură de identificare automată care calculează instantaneu coeficienții pierderii de presiune din circuitul hidraulic. Această procedură, denumită „procedura de calibrare a pierderii de presiune”, se efectuează automat fără intervenția operatorului la începutul testului, pe baza controlului debitului hidraulic.

Mai multe puncte „presiune/debit” sunt măsurate la debituri diferite după stabilizarea circuitului hidraulic (Fig. 3). Aceste puncte sunt apoi utilizate pentru a caracteriza pierderile de presiune prin calcularea coeficienților funcției lor reprezentative. Această funcție este utilizată pentru a corecta măsurătorile de presiune ale circuitului lichid în funcție de debitul instantaneu.

Această soluție, care a fost dezvoltată exclusiv de APAGEO pentru presometrul autocontrolat GéoPAC®, are multe avantaje și este de mare interes. De fapt, este integrat în test și rulează perfect la pornire fără a afecta progresul testului în sine. Pierderea de presiune acoperă întregul circuit de lichid. Precizia nivelurilor de presiune a solului care reprezintă o anumită fluare este semnificativ îmbunătățită în cazul testelor între începutul fluajului și sfârșitul eșecului, care cresc în repetabilitate și precizie. Fenomenele oscilatorii sunt complet atenuate și controlate, iar reglarea automată devine mai eficientă și mai precisă.

Pierderea de presiune ΔP în funcție de lungimea tubului

Rigiditatea presuremetrului auto-controlat este definită ca raportul dintre presiunea aplicată și volumul injectat corespunzător. Volumul injectat este important la presiuni scăzute (câteva zeci de cm 3); întrucât, la presiune ridicată, volumul injectat este foarte mic (mai puțin de un cm 3). Un algoritm a fost dezvoltat pentru a controla volumul injectat în orice moment și pentru a compensa variația presiunii.

Câștigul (definit ca raportul dintre tensiune și presiune) este adaptat astfel încât procesul de control crește odată cu scăderea erorilor pentru a comanda rotirea motorului chiar și pentru abateri mici. Este, de asemenea, implicat un algoritm adaptiv de control al poziției. O sincronizare suplimentară este, de asemenea, implementată pentru a menține o diferență constantă de presiune între presiunile de gaz și lichide.

Variația volumului în funcție de pierderea de presiune

2.3 Test efectuat pe teren artificial

Fotografie a unui teren artificial care a fost folosit pentru testare

Test efectuat pe teren artificial

Rezistență la sol pentru 600 cm 3 din volum (bare)