Специальная часть. Отбор образцов ненарушенного сложения при инженерно-геологическом бурении

Геологическая документация и отбор образцов из скважин

К числу наиболее важных задач проходки буровых скважин при инженерных изысканиях относятся изучение геологического разреза и определение физико-механических свойств грунтов.

Образцы, отбираемые для изучения геологического разреза, должны отображать все текстурные особенности грунта: последовательность в залегании слоев, мощность слоев и положение контактов; наличие включений, гнезд, примазок, тонких прослоев (особенно слабых грунтов); консистенцию и водоносность грунта и т.д. Основным методом изучения таких образцов в полевых условиях является визуальный. Материалом для изучения является извлекаемый из скважины керн, перемятые комки грунта, в отдельных случаях шлам.

Образцы (монолиты), отбираемые для изучения физико-механических свойств грунта, должны обеспечивать максимальное соответствие их свойств слоев, из которых эти образцы отбирают. Основным методом оценки монолитов является выполняемый с высокой точностью лабораторный анализ.

Для отбора образцов первого типа могут быть использованы все известные способы бурения скважин: вибрационный, ударно-канатный (кольцевым забоем), колонковый, шнековый, ручной ударно-вращательный. В качестве бурового инструмента применяют колонковые трубы, зонды, стаканы, шнеки и т.д. Диаметр скважины колеблется в широких пределах: от 35 до 219 мм и более. Ограничений проходки за рейс не устанавливается, за исключением тех случаев, когда получение достоверных данных о строении геологического разреза затруднено.

Для отбора образцов второго типа (монолитов) применяют специальные устройства-грунтоносы. Размеры отбираемых монолитов, способы и режимы погружения грунтоносов строго регламентированы.

Вопросы информативности различных способов бурения инженерно-геологических скважин

При бурении скважин для геологической документации необходимо обеспечить максимальный выход и максимальную сохранность керна. Высокий процент выхода керна может быть получен в результате использования соответствующих способов бурения, специальных породоразрушающих инструментов и рациональной технологии бурения.

Инженерные изыскания в большинстве случаев требуют непрерывного отбора керна по всему интервалу бурения. Поэтому основным способом проходки скважин на изысканиях является бурение кольцевым забоем.

Основными показателями инженерно-геологической информативности способов бурения применительно к описанию геологического разреза являются точность и представительность.

Под точностью отражения геологического разреза понимается точность фиксации глубины залегания контактов слоев грунта при описании разреза по керну (шламу и т.д.), полученному при использовании какого-либо способа бурения по сравнению с эталонным (истинным) геологическим разрезом, полученным, например, по шурфу, естественному или искусственному обнажению и т.д. Таким образом, для оценки способа бурения по точности в обязательном порядке необходимо располагать эталонным геологическим разрезом и разрезом, полученным по керну при использовании данного способа.

Под представительностью понимается достаточно полное и точное описание по керну текстурных и структурных особенностей грунта. В качестве меры представительности может служить условная точность визуальной оценки природных свойств грунта в массиве по керну, полученному при бурении.

В настоящее время методики оценки точности способов бурения инженерно-геологических скважин не существует.

Из всех способов проходки инженерно-геологических скважин наиболее высокой точностью обладает вибрационный способ. Это было определено на основании опытно-полевых исследований, выполненных Л. И. Куником. Ударно-канатный кольцевым забоем (забивной) и колонковый «всухую» способы по точности близки между собой, однако оба они уступают вибрационному. Несколько более низкие значения среднеквадратичных ошибок и показателя неполноты отражения разреза дают основание считать, что ударно-канатный способ более точен, чем колонковый. Медленновращательное и шнековое рейсовое бурение по точности существенно уступают ударно-канатному и колонковому. Более предпочтительным из них является медленновращательный способ. Шнековый поточный способ, даже при соблюдении всех необходимых требований к правилам геологической документации, обеспечивает весьма низкую точность отражения разреза.

Помимо того, что керн, извлекаемый при бурении инженерно-геологических скважин должен обеспечивать высокую точность фиксации контактов, он также должен иметь объем, достаточный для качественного (представительного) описания разреза.

Очевидно, что размер керна определяется его диаметром. Чем меньше диаметр керна, тем труднее дать соответствующее природному описание разреза, особенно в части отражения таких его особенностей как оценка количества гнезд, примазок, конкреций, включений крупнообломочного материала и т.д.

Каких-либо конкретных требований к диаметру инженерно-геологических скважин при их бурении для описания геологического разреза существующими нормативными документами не установлено. Имеются лишь косвенные указания. Так ГОСТ 12071-72 требует, чтобы диаметр монолитов, отбираемых для оценки физико-механических свойств грунта, был не менее 90 мм. Практикой изысканий установлено, что диаметр зондировочных скважин должен быть не менее 60 мм (при бурении переносимыми мотобурами), разведочных – не менее 108 мм.

Рассмотрим представительность керна применительно к наиболее распространенным на изысканиях диаметрам скважин 60-219 мм. Рассмотрение будет относится лишь к способам, обеспечивающим получение керна в виде столбика грунта (вибрационный, ударно-канатный кольцевым забоем, колонковый, шнековый кольцевым забоем).

Задача о представительности решалась проведением исследованием исследований на модели. Процесс решения сводился к следующему:

1. постановка задачи в соответствии с целями бурения;

2. выбор (построение модели);

3. решение задачи на модели;

4. инженерно-геологическая интерпретация;

Формулируем инженерно-геологическую задачу. Предположим, что какой-либо массив грунта содержит в себе включения, свойства которых резко отличаются от свойств вмещающих грунтов. Этими включениями могут быть крупнообломочный материал, конкреции, гнезда и т.д. Наличие включений в массиве характеризуется их содержанием (по объему), которое имеет случайное распределение. В процессе бурения это содержание оценивается по извлекаемому керну. Требуется определить, как влияет диаметр на оценку содержания. Так как содержание распределено в массиве случайно, то его количественной оценкой по керну будет среднеарифметическое значение, определенное по ряду частных значений для конкретного диаметра породоразрушающего инструмента. В качестве меры характеризующей возможный разброс индивидуальных значений, может служить среднеквадратичное отклонение.

Исходя из принципов лабораторного моделирования геологических объектов, сформулированных М.В. Гзовским, была разработана физическая модель массива грунта, представляющая собой мелкозернистый песок, содержащий определенное задаваемое количество гравия диаметром 5-7 мм. Смесь размещалась в лотке (0,80*0,50*0,45). Породоразрушающий инструмент моделировался кольцами диаметром 60, 89, 127 и 219 мм.

Задача эксперимента на модели сводилась к определению содержания гравия в песке по пробам грунта, взятым из колец, и последующему сопоставлению полученного содержания с истинным.

Эксперимент проводился следующим образом. В лоток с песком с заданной концентрацией гравия погружались кольца на глубину 0,2 м. Извлекаемый из кольца песок просеивался через сито с диаметром отверстий 2 мм, после чего измерялось количество гравия, содержащегося в кольце. По этому количеству вычислялось содержание гравия в единице объема песка. Таким образом, были получены индивидуальные значения содержания для кольца каждого диаметра при каждом конкретном погружении. После очередного погружения песок с гравием возвращался в лоток и тщательно перемешивался.

Было проведено три серии испытаний для всех четырех колец при содержании гравия, равном 0,12; 3,00 и 10,00%. Каждым кольцом в одной серии испытаний смесь из лотка отбиралась 50 раз. В результате было получено 12 выборок значений содержания гравия по 50 членов в каждой выборке.

После чего результаты обрабатывались и из полученных результатов были сделаны следующие выводы:

1. среднее значение содержания приближается к истинному по мере увеличения кольца, но не достигает его даже при диаметре 219 мм.

2. величина среднеквадратичной ошибки уменьшается при увеличении диаметра кольца;

3. истинное значение содержания во всех случаях находится в допустимых пределах;

4. коэффициент вариации уменьшается для всех случайных значений с увеличением диаметра кольца;

5. наиболее резкое изменение статистических показателей наблюдается при переходе от диаметра 60 мм к диаметру 89 мм;

Принцип подобия модели природному массиву позволяет интерпретировать полученные данные с точки зрения инженерной геологии. Керн диаметром 60 мм обладает низкой представительной способностью. Если принять в качестве надежной величины представительности значение 0,9, то минимальный диаметр, в основном обеспечивающий эту представительность, равен 89 мм. При малых содержаниях (1,5%) достигнуть высокой степени представительности можно лишь при диаметрах бурения свыше 219 мм.

Таким образом, в инженерно-геологической практике при бурении песчаных грунтов диаметр скважин рекомендуется выбирать не менее 89 мм.

Основные рекомендации по повышению точности и представительности состоят в следующее. Прежде всего, необходимо стремиться к максимально возможному увеличению длины рейса.

Среди применяемых способов бурения кольцевым забоем наилучшее качество инженерно-геологической документации обеспечивает вибрационный метод, этому свидетельствуют работы таких исследователей как В.М. Гуменского, М.Г. Ефремова и др. Поэтому при вибробурении какие-либо ограничения для проходки за рейс, времени вибрирования и т.д. практически не устанавливается.

Для повышения точности определения геологических данных при вибробурении необходимо выполнять следующие работы:

1. длительность вибрирования инструмента не должна превышать 2 мин при бурении в песчаных грунтах и 3-4 мин – в глинистых грунтах;

2. погружение зонда следует прекращать, если скорость бурения значительно снизилась по сравнению с первоначальной;

3. для бурения следует использовать зонды диаметром не менее 108 мм (исключение 89 мм);

4. длина рейса не должна превышать: в обводненных песках и супесях 2 м; в суглинках и глинах 1-2 м; в полутвердых грунтах 0,3-0,5 м; при забуривании – 0,5 – 1м вне зависимости от грунтов и скорости бурения;

5. следует прекращать бурение если скорость снизилась до 0,02 м/мин;

Удовлетворительное качество керна обеспечивает и ударно-канатный способ бурения кольцевым забоем. Диаметр стаканов для этого способа не должен быть меньше 89 мм, длина рейса – меньше 0,5 м. Для бурения слабоустойчивых грунтов следует применять стаканы с клапанами. Особенно рекомендуется использовать разъемные стаканы, обеспечивающие возможность осмотра всей поверхности керна без его разрушения. При равных условиях применение в составе инструмента более тяжелых ударных штанг и забивных патронов обеспечивает лучшее качество получаемых образцов грунта.

При бурении колонковым способом «всухую» диаметр скважин не должен быть меньше 89 мм, длина рейса – меньше 0,7-0,8 м. При бурении с промывкой для повышения выхода керна необходимо уменьшать длину рейса, ограничивать расход промывочной жидкости, применять двойные колонковые трубы и бурить с внутренней циркуляцией промывочной жидкости.

Поскольку медленновращательное и шнековое способы бурения не обеспечивают нужной точности, но всё же, необходимо иметь ввиду, что применяя данные способы, нужно следить за правильностью рабочей документации скважины.

При всех способах бурения качество геологической документации можно значительно повысить, если в процессе проходки скважин использовать геофизические методы, полевые методы определения свойств грунта, фотографирование и осмотр стенок скважин и т.д.

Отбор монолитов

В изыскательной практике для отбора монолитов используют следующие способы погружения грунтоносов: забивной (многократными ударами и одним ударом), вдавливаемый, обуривающий, вибрационный и вращательный. Способ погружения грунтоносов во многом зависит от типа тех станков, которые применяются для бурения скважин.

Были проведены многочисленные исследования, которые позволили установить рациональную область применения грунтоносов и основные режимные параметры внедрения их в грунт. Внутренний диаметр грунтоносов для отбора монолитов грунтов должен быть не менее 94 мм при высоте не менее одного и более двух метров.

Обуривающие грунтоносы следует применять для отбора монолитов плотных и средней плотности песчаных грунтов, глинистых грунтов твердой и полутвердой консистенции, плотных заторфованных грунтов с корнями растений. Он должен быть оборудован невращающимся стаканом. Скорость вращения грунтоноса при отборе монолита не должна превышать 60 об/мин, осевая нагрузка на грунтонос – не более 100 кгс.

Монолиты глинистых грунтов полутвердой и тугопластичной консистенции отбирают с помощью тонкостенных цилиндрических грунтоносов с заостренными снаружи нижним краем, погружаемых способом вдавливания со скоростью не более 2м/мин. Монолиты рыхлых песчаных грунтов, глинистых грунтов мягкопластичной, текучепластичной и текучей консистенции, разложившихся торфов отбирают с помощью грунтоносов, погружаемых способом вдавливания со скоростью не более 0,5 м/мин.

Для отбора монолитов глинистых грунтов мягкопластичной консистенции используют грунтоносы с частично перекрываемым входным отверстием; рыхлых песчаных грунтов, глинистых грунтов текучепластичной и текучей консистенций, разложившихся торфов – грунтоносы с полностью перекрываемым входным отверстием.

Внутренний диаметр башмаков вдавливаемых, забивных, вибрационных и обуривающих грунтоносов должен быть на 1-3 мм меньше внутреннего диаметра корпуса или грунтоприемной гильзы.

Вращательные грунтоносы (одинарные и двойные колонковые трубы) применяют для отбора монолитов из скальных, полускальных и мерзлых грунтов. В последнем случае должно сохраняться мерзлое состояние грунта.

Отбор монолитов с помощью породоразрушающих инструментов, которыми углубляется скважина, не допускается.

Классификация и типы грунтоносов, применяемых при инженерно-геологическом бурении

Все существующие грунтоносы подразделяются:

1. по способу погружения: на вдавливаемые, забивные, вибрационные, обуривающие и вращательные;

2. по способу удержания монолита в грунтоносе: на грунтоносы без затворных устройств, с затворными устройствами и вакуумные грунтоносы;

3. по конструкции затворных (подрезающих) устройств в башмаке: грунтоносы с затворами проволочного, лепесткового, пружинного, ножевого, диафрагмового, секторного или эластичного типов;

4. по типу устройства, в которое поступает монолит: на грунтоносы без керноприемной гильзы, грунтоносы с неподвижной керноприемной гильзы и грунтоносы с подвижной керноприемной гильзой, передвигающейся вместе с монолитом внутрь грунтоноса;

5. по способу предохранения монолита от продольных деформаций: на грунтоносы без предохраняющих устройств и поршневые грунтоносы;

Помимо указанного, грунтоносы могут также подразделяться по способу сборки и разборки, способу извлечения монолита, способу удаления шлама с забоя и т.д. Кроме грунтоносов, предназначенных для отбора монолитов из забоя буровых скважин, имеется большая группа грунтоносов для отбора монолитов из стенок скважины, из горных выработок, дна водоема и т.д.

При использовании такой классификации необходимо различать два понятия: способ погружения грунтоноса и конструкцию грунтоноса по способу погружения. Обычно грунтоносы создаются для определенного способа погружения и имеют в связи с этим специфическую конструкцию, но есть грунтоносы, которые могут погружаться в грунт различными способами (ГК-3).

При забивном способе грунтонос погружается при помощи динамического (ударного) воздействия на него, среди которого различают два вида: одноударный и многократноударный. В первом случае грунтонос погружается на необходимую величину за один удар, во втором – через серию ударов.

При вибрационном способе грунтонос погружается в результате вибрации и действия веса вибропогружателя и бурильных труб. Различают чисто вибрационное погружение и виброударное погружение грунтоносов.

Сущность обуривающего способа отбора монолитов состоит в том, что при помощи башмака, оборудованного специальной фрезой, производится обуривание керна, который поступает в невращающуюся гильзу и трением о стенки либо затворным устройством удерживается в грунтоносе. Обуривающие грунтоносы подразделяются на две группы: в первой невращающаяся гильза опережает фрезу башмака, во второй, наоборот, фреза опережает невращающуюся гильзу. Разновидностью обуривающих грунтоносов являются грунтоносы, завинчиваемые в грунт.

При вращательном способе керноприемная гильза грунтоноса вращается вместе с башмаком. Условно к грунтоносам вращательного типа могут быть отнесены двойные колонковые трубы, а также те грунтоносы, в которых удержание керноприемной гильзы от вращения не обеспечивается.

В грунтоносах без затворных устройств монолит в процессе его извлечения из скважины удерживается от выпадения трением о стенки и созданием в верхней полости вакуума. Вакуум создается устройством в грунтоносах клапанов. Такие грунтоносы могут быть использованы только при отборе монолитов из связных глинистых грунтов.

В слабосвязанных грунтах монолиты отбираются только грунтоносами с затворными устройствами. В несвязанных грунтах монолиты отбираются с использованием специальных методов и специальных устройств.

Многие грунтоносы оборудуются специальной керноприемной гильзой. Гильза выполняется из тонкой стали, пропитанного картона, пластмассы и т.д. Основное назначение гильзы – предохранить монолит от деформаций а процессе его извлечения из грунтоноса и транспортирования в лабораторию.