2. «Свайный эффект» при отборе проб грунта

При забивке грунтоносов, трубчатых свай, обсадных труб всегда сталкиваются с явлением, называемым «свайный эффект», если глубина погружения не ограничивается. Его сущность заключается в следующем – при забивке, например, стальной трубы в мягкий грунт (песок, суглинок) последний в виде столбика входит во внутреннее пространство трубы по мере ее углубки. Режущая торцовая часть трубы уплотняет и раздвигает породу, вырезая в ней колонку грунта, которая, увеличиваясь продвигается вверх заполняя внутреннее пространство. В некоторый момент силы сопротивления, препятствующие свободному вхождению грунта в трубу, возрастают на столько, что становятся по величине больше предела прочности породы в объемно-сжатом состоянии. В этот момент, последняя входящая в трубу порция породы раздавливается внутри трубы и образует в ее торце пробку, препятствующую дальнейшему продвижению грунта. С этого момента труба забивается как свая с поперечным сечением, соответствующим площади круга диаметром равным внешнему диаметру трубы. Порода раздвигается и уплотняется всем сечением трубы.

В случае отбора проб грунтоносом ударно-забивного действия это означает прекращение увеличения длины пробы и начало ее резкой деформации и искажения в нижней части. Дальнейшее погружение грунтоноса бесполезно для целей геологического опробования.

Таким образом, в случае отбора проб забивными снарядами момент возникновения «свайного эффекта» следует, по возможности, отдалять, обеспечивая, тем самым, более длинный керн. Последнее особенно важно в тех случаях, когда практически трудно попасть грунтоносом повторно в одну и ту же скважину.

При погружении грунтоноса, на столбик входящего внутрь него керна действуют:

1.Сила трения керна о внутренние стенки;

2.Сила веса столбика керна.

Силой сопротивления воды, выталкиваемой из внутреннего пространства грунтоноса, пренебрегают, так как ее величина при соответствующей конструкции верхнего клапана может быть сведена к минимуму, близкому к нулю.

Ниже (рис.2.1) представлена схема сил, действующих на керн при погружении грунтоноса.

Рис.2.1. Схема сил, действующих на керн при погружении грунтоноса:

1 – молоток, 2 – труба грунтоноса, 3 - башмак

На основании теории кулона действие грунта на внутреннюю поверхность трубы грунтоноса представляется как пассивное давление, определяемое величиной:

(2.1)

где P - сила, действующая на вертикальную полосу, шириной равной единице и длиной l внутренней поверхности грунтоноса; - плотность породы; l-глубина погружения грунтоноса; - угол внутреннего трения породы.

Тогда суммарная сила действия грунта на всю внутреннюю поверхность:

, (2.2)

где d-внутренний диаметр грунтоноса.

При этом динамика процесса не учитывается, так как скорости относительного перемещения грунтоноса и частиц грунта сравнительно невелики (2-4 м/сек) и не могут повлиять на прочность породы.

Так как направление действия грунта, выраженное величиной N , перпендикулярно любой элементарной площадке внутренней поверхности грунтоноса, то можно записать, что суммарная сила трения F, препятствующая вхождению керна внутрь трубы, равна:

, (2.3)

где f- коэффициент трения грунта о материал трубы грунтоноса.

Исходя из выражений (2.1) и (2.2), величину силы трения о внутренние стенки грунтоноса F можно записать в виде:

(2.4)

Собственный вес столбика керна Q рассчитывается как:

, (2.5)

где - плотность воды.

Тогда величина суммарной силы сопротивления вхождению керна в грунтонос S может быть вычислена:

S=Q+F. (2.6)

Давление р, которое испытывает грунт в плоскости торца грунтоноса :

. (2.7)

«Свайный эффект» возникает при условии р ≥ ( - предел прочности породы при всестороннем сжатии). Для получения керна необходимо, чтобы погружение грунтоноса происходило при сохранении неравенства р < и прекращалось при р = .

Предельное значение l, при котором р = :

. (2.8)

Корнями этого квадратного уравнения будут:

. (2.9)

Очевидно, что удовлетворяет решению только положительное значение l, то есть l₁.

Таким образом, погружение грунтоноса при условии не возникновения «свайного эффекта» может происходить на глубину:

; (2.10)

После преобразований:

. (2.11)

Из выражения (2.11) следует, что «свайный эффект» наступает позже при большем внутреннем диаметре грунтоноса и раньше в слабосвязанных грунтах при меньших значениях . Таким образом, данная формула может служить для расчета глубины забивки грунтоноса с целью получения представительной пробы. Анализ формулы показывает, что наступление «свайного эффекта» можно отдалить, увеличив тем самым длину керна, путем уменьшения трения грунта о внутреннюю поверхность керноприемной трубы и увеличения диаметра последней.