Практика геология

Продолжение таблицы 23

III.2.4. Прессиометрические испытания грунтов

Сущность метода. Испытание грунта радиальным прессиометром проводят непосредственно в скважинах для определения модуля деформации Е, а также ориентировочных значений удельного сцепления С и угла внутреннего трения φ.

Прессиометр – прибор для определения прочности и сжимаемости (деформируемости) грунтов в стенках буровой скважины путём нагнетания жидкости или газа в камеру зонда с эластичными стенками, передающую давление на грунт (Рис.47).

181

Метод применяется для песков, глинистых, органо-минеральных и органических грунтов. Возможно использование метода и для испытания скальных грунтов от мягких до средней крепости.

Модуль деформации определяют по результатам нагружения грунта горизонтальной нагрузкой в стенках скважины. Измерение перемещений оболочки зонда осуществляют путём измерения объёма жидкости (газа), расходуемой на расширение камеры зонда, или путём непосредственного измерения радиуса или длины окружности камеры зонда в отдельных точках дистанционными датчиками.

Рис.47. Схема испытания грунта радиальным прессиометром

Преимущества метода перед штамповыми испытаниями. При производстве испытаний прессиометром отпадает необходимость в трудоёмких работах по бурению скважин большого диаметра и в том числе работ по очистке забоя от шлама. Нет острой необходимости в использовании попеременно в одной скважине испытательной установки и бурового оборудования для дальнейшего её бурения. Однако следует учитывать, что при прессиометрических испытаниях всё же рекомендуется прекратить бурение скважины на отметке прессиометрического испытания, а после его проведения, углубить скважину до отметки следующего испытания. Такой порядок проведения испытаний обеспечивает лучшую сохранность природного сложения пород в стенках скважины, чем в случае, когда испытания проводят в

182

пробуренной скважине, поднимая прессиометр последовательно от забоя к устью.

Недостатки метода. Модуль деформации определяется в направлении, перпендикулярном к обычному направлению действия нагрузки, что недопустимо при породах с анизотропными свойствами. Если породы в стенках скважины неустойчивые, то практически проводить испытания в скважине очень трудно. Следует также отметить, что испытываться прессиометром может только слой, имеющий мощность не менее 1,5 высоты рабочей камеры прессиометра, а значит, мощность такого испытываемого слоя грунта должна быть не менее чем 0,3 м … 2 м (в зависимости от используемого оборудования).

Оборудование. При испытании грунта применяют следующее оборудование и способы проходки скважин, обеспечивающие сохранение природного напряженного состояния грунта:

-самозабуривающиеся прессиометры;

-бурение скважин под защитой тяжёлых растворов;

-проходку участка скважины, на котором будут производиться испытания, с помощью подвижной колонны обсадных труб.

В грунтах, обеспечивающих устойчивость стенок скважины, допускается проведение испытаний без сохранения природного напряжённого состояния. При этом обязательным является сохранение природного сложения грунтов. Поэтому проходка скважин на интервале испытаний осуществляется вдавливающим способом кольцевым забоем с помощью тонкостенного бурового цилиндрического наконечника (грунтонос). Этим достигается двойной положительный эффект – отбирают монолит грунта на отметке испытаний и хорошо сохраняется грунт в стенках испытуемой скважины. Диаметр скважин не должен превышать диаметр зонда прессиометра более чем на 10 мм.

В состав установки для испытания грунта радиальным прессиометром (Рис.48) должны входить:

-зонд, имеющий эластичные стенки и состоящий из рабочей и вспомогательной камер;

-устройство для создания и измерения давления в рабочей камере зонда;

-устройство для измерения радиальных перемещений оболочки зонда.

183

Рис.48. Схема прессиометра и его составные элементы:

А – зонд; Б – устройство создания и измерения давления в рабочей камере зонда; В – устройство для измерения радиальных перемещений оболочки зонда. 1 – газовый баллон; 2 – редуктор; 3 – манометр; 4 – измерительный цилиндр; 5

– кран-тройник; 6 – бачок; 7 – шланги; 8 – вспомогательные камеры; 9 – рабочая камера.

Существуют гидравлические и пневмоэлектрические прессиометры. Давление в их рабочей камере создаётся за счёт нагнетания сжатого воздуха или газа (используется, например, углекислота или азот) в полую камеру или за счет заполнения ее водой.

184

Измерение радиальных перемещений оболочки рабочей камеры может осуществляться путём измерения объёма жидкости, расходуемой на расширение оболочки (гидравлический прессиометр, Рис.49а), или путём непосредственного измерения радиуса или длины окружности рабочей камеры зонда в отдельных точках дистанционными датчиками (первичными преобразователями) (пневмоэлектрический прессиометр, Рис.49б).

Гидравлические прессиометры просты и надёжны в эксплуатации, но неудобны для работы в холодное время года.

Пневмоэлектрические прессиометры более компактны, но и более сложны с точки зрения измерения радиальных перемещений. Они могут применяться как в летних так и в зимних условиях. Эти прессиометры не имеют жёсткой связи с поверхностью и поэтому могут широко применяться при изысканиях на море с плавучих установок в условиях колебаний уровня воды.

Рис.49. Схема разновидностей прессиометров:

а – гидравлический; б – пневмоэлектрический; 1 – резиновая оболочка зонда; 2 – колонна соединительных труб для подачи воды в резиновую оболочку зонда; 3 – водоизмерительные трубки; 4 – первичные преобразователи (пьезодатчики); 5 – гибкий шланг для подачи сжатого газа в резиновую оболочку зонда; 6 – кабель; 7 – прибор для снятия показаний с пьезодатчиков.

185

Рис.50. Изобары для σz в массиве пород вокруг камер прессиометра: А – рабочая камера; Б – вспомогательные камеры

Трехкамерная конструкция зонда обеспечивает симметрию и однородность цилиндрического поля напряжений, возникающего вокруг рабочей камеры (Рис.50). В процессе испытаний во всех трёх камерах создаётся одинаковое давление, но о деформациях пород судят по изменению объёма только рабочей камеры.

186

Подготовка к испытанию. В скважину устанавливают зонд. В зонде прессиометра создают давление, равное напряжению σ zg,0 нормальное напряжение от собственного веса грунта на отметке испытания. После установки зонда на отметке испытания необходимо смонтировать устройства для создания и измерения давления в камере зонда и измерения перемещения оболочки зонда.

Проведение испытания. В камере зонда создают давление ступенями по 0,025 МПа до момента соприкосновения оболочки зонда со стенками скважины, а далее — ступенями, указанными в таблицах 24-26. Предельное давление устанавливается программой изысканий в зависимости от цели испытаний.

Таблица 24 Условия проведения компрессионных испытаний в крупнообломочных

и песчаных грунтах.

*При коэффициенте пористости е > 1,1 время условной стабилизации увеличивается на 1 ч.

187

Таблица 26 Условия проведения компрессионных испытаний в просадочных

и органо-минеральных грунтах.

При бурении скважины на отметке проведения испытаний в журнал испытания заносят характеристику пород, отражающую для связных пород консистенцию, а для несвязных пород плотность сложения. По этим данным в дальнейшем определяется величина приращения давления при переходе с одной ступени нагрузки на другую.

При определении давления на стенку скважины в случае применения гидравлических прессиометров независимо от обводнённости скважины необходимо к измеренному манометром давлению добавлять гидростатическое давление столба жидкости в гидромагистрали прессиометра.

Каждую ступень давления выдерживают до условной стабилизации деформации грунта. При испытаниях для определения модуля деформации за критерий условной стабилизации деформации принимают скорость увеличения радиуса скважины, не превышающую 0,1 мм за время, указанное в таблице 27.

Таблица 27 Критерии условной стабилизации деформаций грунта при

прессиометрических испытаниях.

Отсчёты по приборам для измерения деформаций на каждой ступени давления производят согласно таблице 28.

Таблица 28 Рекомендуемое время измерения деформаций грунта при

прессиометрических испытаниях.

Обработка результатов

По данным испытаний строят график зависимости перемещения стенки скважины от горизонтального давления r = f(р) (Рис.51)

Рекомендуемый масштаб графика:

по горизонтали: 20 мм —0,1 МПа для давления р;

по вертикали: 5 мм — 1 мм для перемещения стенки скважины Δr.

Рис.51. График Δr = f (p): 1 — линейная часть графика; 2 — осредняющая прямая

189