Инженерно-географические исследования грунтов

Образцы (керн), извлеченные в процессе геологоразведочного бурения, изучаются в основном с точки зрения их состава, при инженерно-геологическом бурении в равной мере является важным состав поднятых образцов, их состояние и свойства.

Перечисленные особенности предъявляют к технологии бурения инженерно-геологических скважин дополнительные требования. В результате инженерно-геологического бурения необходимость определения показателей состава, состояния и свойств массива грунта определяет широкое применение грунтоносов для отбора монолитов, что совершенно нехарактерно для геологоразведочного бурения. Сравнительно небольшая глубина при инженерно-геологическом исследовании делает возможным применение здесь методов зондирования, которые принципиально не отличаются от бурения. При геологоразведочных работах эти методы практически не применяются.

Основными требованиями к скважинам инженерно-геологического назначения являются: 1) получение исчерпывающих сведений о геологическом и гидрогеологическом строении исследуемых территорий, 2) получение достаточных и достоверных данных о физико-механических свойствах грунтов, 3) обеспечение возможности производства опытных работ с должным качеством как в процессе, так и по окончании бурения.

К наиболее важным особенностям инженерно-геологических скважин могут быть отнесены следующие:

• небольшая глубина (определяется видом проектируемого сооружения и геологическими условиями);
• незначительное различие в диаметрах скважин; диаметр скважин определяется только видом и характером опробования;
• из скважин производится непрерывный отбор керна, при этом должен обеспечиваться 100%-ный выход керна;
• из скважин должен производится непрерывный или поинтервальный отбор образцов (монолитов) грунта со сложением, близким к природному;
• в скважинах проводятся различные опытные работы, которые по времени бывают более продолжительные, чем сам процесс бурения;
• по завершении работ в обязательном порядке должен производится тампонаж скважин с целью ликвидации искусственных каналов и пустот для циркуляции грунтовых вод;
• чрезвычайное разнообразие условий бурения скважин, разбросанность объектов изысканий.

Это особенности являются необходимыми исходными предпосылками при разработке специализированных технических средств, технологических приемов бурения и организации буровых работ.

Типовые конструкции инженерно-геологических скважин

Требования к конструкции инженерно-геологических скважин состоят в следующем:

1) конструкции скважин  должны отвечать современному  состоянию производства изысканий  и возможному их техническому  прогрессу. В частности, следует  учитывать более широкие применения  в изысканиях полевых методов, возможное совершенствование техники  и технологии отбора монолитов  за счет внедрения нормального  ряда грунтоносов, более широкое  использование каротажных методов, нового опытно-фильтрационного оборудования.

2) конструкции скважин  должны учитывать существующие  нормативно методические документы (стандарты, СНиПы, инструкции, указания и рекомендации). В соответствии с ГОСТ 12071-72 должны использоваться грунтоносы с внутренним диаметром не менее 90мм. Следовательно, диаметр скважин, предназначенных для отбора монолитов, должен быть не менее 127 мм. В соответствии с ГОСТ 12374-77 площадь штампа для испытаний грунтов статической нагрузкой должна быть равна 600см2. поэтому минимальный диаметр скважин для производства таких испытаний должен быть не менее 325мм.

3) конструкции скважин  должны учитывать современное  техническое оснащение изысканий  буровыми станками и другим  оборудованием.

4) конструкции скважин  должны учитывать возможность  применения прогрессивных способов  бурения.

Классификация буровых скважин

Основная задача классификации состоит в обоснованном и рациональном выделении таких групп скважин, которые требуют единых технических способов и средств для их проходки, методов и средств их опробования.

На выбор конструкции скважины, способа бурения, типа бурового станка, инструмента и режима проходки скважины решающее влияние оказывают следующие основные факторы:

• назначение буровых скважин;
• проектная глубина бурения;
• крепость пород и их устойчивость против обрушения стенок;
• географические условия проведения буровых работ.

Назначение буровых скважин.

По назначению скважины подразделяются на а) зондировочные, б) разведочные, в) гидрогеологические, г) специального назначения.

Назначение инженерно-геологических скважин, их диаметры и правила отбора образцов представлены в таблице.№1

 

 

 

Тип скважин по назначению	Диаметр скважины, мм	Назначение скважины	Цель отбора образцов и виды работ в скважинах	Правила отбора образцов при бурении
1	2	3	4	5
Зондировочные	33-127	Для предварительного изучения геологического разреза, для установления границ между нескальными и скальными грунтами, границ распространения насыпных и заторфованных грунтов, а также границ залегания мерзлых грунтов, для определения уровня грунтовых вод и др. Зондировочные скважины являются преобладающими на начальных этапах изысканий.	Ориентировочная геологическая документация. Опытные работы в скважинах, как правило, не производятся.	Образцы нарушенного сложения отбираются непрерывно или через определенные интервалы.
Разведочные	108-219	Для детального изучения геологического разреза.	Образец грунта (керн), извлекаемый из скважины, служит для определения всех особенностей геологического разреза: последовательности в залегании слоев грунта, их мощности и положения контактов, структурных и текстурных особенностей грунта (слоистость, отдельность, дисперсность, тип структуры, наличие примазок, гнезд, включений, тонких слабых прослоев), плотности и консистенции грунта. Производятся простые по трудоемкости и непродолжительные по времени инж.-геологические опытные работы.	Образцы нарушенного сложения отбираются непрерывно. Допускается отбор образцов через определенные интервалы (при большом числе скважин на площадке).
Технические	127-325	Технические скважины являются разновидностью разведочных. Основное их назначение заключается в отборе образцов грунта с ненарушенным природным сложением (отбор монолитов). К техническим также относятся скважины, в которых производятся трудоемкие и продолжительные по времени опытные работы (штамповые опыты, испытания на срез и др.).	Определение физико-механических свойств.	Монолиты отбираются по всему интервалу бурения либо с определенных участков. Опытные работы проводятся на предусмотренных заданием интервалах скважины.
Гидрогеологические	108-426	Для изучения геологического и гидрогеологического разреза, но главным образом для изучения фильтрационных свойств грунтов.	Ориентировочная геологическая документация. Опытные работы – в основном откачки, наливы, нагнетания воды, воздуха.	Образцы нарушенного сложения отбираются через определенные интервалы. Опытные работы производятся после окончания бурения скважины.
Специального назначения	600-2000	Для проведения специальных работ в скважинах, а также для обеспечения возможности спуска в них человека. К этой группе скважин относятся также выработки, характер опытных работ в которых требует использования специального оборудования или особой технологии для их проходки.	Определение физико-механических свойств грунтов. В скважинах данной группы чаще всего ставятся штамповые опыты, испытания на сдвиг, отбираются монолиты большого размера.	Правила отбора образцов определяются специальными требованиями.

 

 

Глубина скважин.

Проектная глубина скважин наряду с ее значением определяет тип и мощность выбираемого бурового станка, основные параметры бурового оборудования и инструмента, отчасти начальный диаметр скважины и др.

В соответствии с глубиной бурения скважины условно подразделяются:

• до 10 м (неглубокие);
• от 10 до 30 м (средней глубины);
• от 30 до 100 м (глубокие);
• свыше 100 м (весьма глубокие).

Особенности и область применения различных способов бурения скважин.

В таблице №2 приведен краткий перечень применяемых и перспективных механических способов бурения. Перечень дан с использованием терминологии, принятой при бурении инженерно-геологических скважин.

Код способа	Способы бурения	Особенности способа бурения
1	2	3
1	Колонковый	Вращательное бурение кольцевым забоем скважин малого диаметра в породах малой твердости последовательными углублениями, в основном твердосплавным породоразрушающим инструментом с низкой частотой вращения, с получением керна, с закреплением и без закрепления стенок обсадными трубами. Колонковый с призабойной циркуляцией – с выносом продуктов разрушения водой; колонковый с продувкой – с выносом продуктов разрушения воздухом.
2	Медленно-вращательный	Вращательное бурение скважин малого и большого диаметра в породах малой твердости сплошным забоем, рейсовыми углублениями, спиральными, ложковыми либо тарельчатыми бурами. Получение образцов в виде перемятых и перетертых комков грунта.
3	Шнековый	Бурение скважин малого диаметра одним рейсом с использованием долот. Стены не закрепляются обсадными трубами.
4	Винтовой	Вращательное бурение скважин малого и большого диаметра в породах малой твердости с весьма низкой частотой вращения снаряда и с применением спиральных буров.
5	Роторный	Вращательное бурение скважин малого и большого диаметра в породах любой твердости главным образом сплошным забоем одними рейсом с удалением продуктов разрушения прямым или обратным потоком промывочной жидкости, с использованием промывочного насоса, с получением образцов в виде шлама и (реже) керна.
6	Ударно-канатный	Бурение скважин малого и большого диаметра в породах любой твердости. Удаление продуктов разрушения механическим способом с помощью желонки, получение продуктов разрушения в виде шлама. Стенки, как правило закрепляются обсадными трубами.
7	Вибрационный	Бурение скважин малого диаметра в породах малой твердости без принудительного удаление продуктов разрушения, с получением образцов в виде керна.
8	Вдавливание	Бурение скважин малого диаметра в породах малой твердости кольцевым забоем без принудительного удаления продуктов разрушения и с получением образцов в виде керна
9	Статическое зондирование	То же, что и 8, но без отбора образцов.

 

Колонковое бурение – наиболее широко распространенный способ проходки скважин. Основным преимуществом такого вида бурения являются универсальность (возможность проходки скважин почти во всех разновидностях горных пород), возможность получения керна с незначительными нарушениями природного сложения грунта, сравнительно большие глубины бурения, хорошая освоенность технологии. Существенные недостатки – малый диаметр скважин.

Медленновращательное бурение. Сущность его состоит в том, что скважина углубляется инструментом режущего типа путем срезания с забоя сплошной стружки. Способ бурения отличается простотой технологии.

Шнековое бурение. Особенность способа состоит в том, что процессы углубления скважины и продуктов разрушения совмещены. Преимущества: высокая механическая скорость, сравнительно большой диаметр скважин, не нужна вода для промывки.

Винтовое бурение. Применяется редко. Сущность состоит том, что винтовой породоразрушающий инструмент завинчивается в грунт, а затем извлекается на поверхность. При этом размещенный на лопастях инструмента грунт срезается по боковым поверхностям. Способ может использоваться только в рыхлых и мягких грунтах.

Роторное бурение. Применяется только для бурения гидрогеологических скважин на воду, позволяет бурить скважины любого диаметра на любую глубину.

Ударно-канатное бурение. Отличается простотой технологии, высокой производительностью (до 15м/смену и более). Недостатки метода: невозможность проходки скважин в скальных грунтах, малая длина рейса, невозможность отбора качественных монолитов.

Вибрационный метод бурения. Наиболее производительный метод (до 50-70 м/смену). Вибрационное бурение обеспечивает проведение качественной геологической документации исследуемого разреза.

Рекомендации по рациональному использованию различных способов бурения.

Вид и способ бурения следует выбирать в зависимости от свойств проходимых грунтов, назначения и глубины скважины, а также условий производства инженерных изысканий. Выбранный способ бурения должен обеспечивать удовлетворительное качество инженерно-геологической информации и грунтах и достаточно высокую производительность.

При незначительных объемах буровых работ следует ориентироваться на универсальные способы, которые обеспечивают бурение скважин в большинстве разновидностей грунтов. При наличие больших объемов работ примерно в однотипных условиях следует выбирать такие способы, которые обладают высокой производительностью (вибрационный, пневмоударный, вибрационно-вращательный).

Роторный и ударно-канатный способы бурения следует применять только при бурении гидрогеологических скважин.

Общие положения о геологической документации и отборе образцов при проведении буровых работ.

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 отражать все структурные, текстурные и прочие особенности грунта: последовательность в залегании слоев, мощность слоев и положение контактов, наличие включений, гнезд, примазок, тонких прослоев, консистенцию и водоносность грунтов.

Основным методом изучения таких образцов в полевых условиях является визуальный. При этом используются лупа, нож, кислота. Материалом для изучения является извлекаемый и скважин керн, перемятые комки грунта, в отдельных случаях шлам.

Физико-механические свойства грунта определяются по отбираемым из скважин монолитам и с помощью опытных работ в скважинах.

Отбираемые из скважин монолиты должны обеспечивать максимальное соответствие их свойств свойствам слоев, из которых эти образцы отбирают. Основным методом оценки монолитов является выполняемый с высокой точностью лабораторный анализ.

Для отбора образцов с целью геологической документации могут быть использованы практически все способы бурения, которые обеспечивают получение керна или перемятых комков грунта. В качестве бурового инструмента применят колонковые трубы, зонды, стаканы, шнеки, спиральные и ложковые буры. Чаще всего используются скважины диаметром 108-168 мм.

Для отбора монолитов используются специальные устройства – грунтоносы. Размеры отбираемых монолитов, способы и режимы погружения строго регламентированы. Процесс отбора монолита – специальная операция и она не может быть отнесена к процессу углубления скважин.

В изыскательских организациях Украины скважины для геологической документации составляют 60-70 %, технические скважины – не более 30-40 %.

 

1.2 СТАТИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ

Статическое зондирование является одним из наиболее эффективных методов исследования грунтов в условиях их естественного залегания.

В соответствии с ГОСТ 20069 – 74 метод статического зондирования в сочетании с другими видами инженерно-геологических исследований (динамическое и ударно-вибрационное зондирования) следует применять для определения:

• инженерно-геологических элементов (мощности, границы распространения грунтов различного состава и состояния);
• однородности грунтов по площади и глубине;
• глубины залегания кровли скальных и крупнообломочных грунтов;
• приближенной количественной оценки характеристик свойств грунтов (плотность, угол внутреннего трения, модуль деформации);
• сопротивления грунта под сваей по ее боковой поверхности;
• степени уплотнения и упрочнения во времени искусственно сложенных грунтов.