Учебное пособие по геологии / 273_339

не ставится на забой готовой скважины, а завинчивается ниже забоя на 0,3–0,5 м в ненарушенную бурением песчано-глинис- тую породу, и затем уже производится его нагружение.

Штамповые испытания применяют также для оценки просадочности л¸ссовых отложений. После стабилизации осадок и при сохранении приложенной нагрузки производят замачивание основания путем подачи воды в шурф и поддержания ее на постоянном уровне до полного промачивания всей толщи просадочных грунтов. Замачивание вызывает перестройку структуры л¸ссового грунта и дополнительную осадку штампа — просадку. Опыт проводят до стабилизации процесса просадки — за условную стабилизацию принимают такое состояние, когда приращение просадки составляет менее 1 см за 10 дней. По полученным данным подсчитывают относительную просадочность.

Также можно определить просадочность мерзлых грунтов при оттаивании. В этом случае после предварительного нагружения штампа и затухания осадок производят искусственное оттаивание мерзлых грунтов путем их прогрева через предварительно пробуренные рядом со штампом скважины с установленными в них нагревателями. Опыт продолжают до стабилизации осадок, затем прикладывают несколько ступеней нагрузок для определения сжимаемости грунта после оттаивания.

19.2. Прессиометрические испытания грунтов

Для определения механических свойств грунтов нагружению можно подвергнуть не только забой скважины, как в слу- чае описанного выше испытания штампами, но и ее стенки. Достигается это при помощи прибора, получившего название прессиометр, который опускают в скважину на нужную глубину. Как и в штамповых опытах, прессиометрические испытания заклю- чаются в создании давления на грунт с замером возникающих при этом деформаций. Существует много конструкций прессиометров, отличающихся как способом нагружения стенок скважин (при помощи резиновых баллонов или металлических

294

штампов), так и методом замера деформаций (гидравлическим, пневматическим, электрическим или механическим).

Прессиометрические испытания применяют главным образом для определения механических свойств песчано-глинис- тых отложений, в том числе с содержанием крупнообломочного материала. Схема наиболее распространенного прессиометра для испытания таких пород показана на рис. 19.3. Прессиометр состоит из трех основных узлов: резинового баллона, устройства для создания и измерения давления в камерах и системы для измерения радиальных перемещений камеры. После опускания прессиометра в скважину, прибор заполняется водой (камеры, нагнетательные трубы, измерительные цилиндры). Нагрузка на стенки скважины создается путем передачи на воду давления сжатого воздуха или газа. Опущенный в скважину резиновый баллон состоит из трех камер, центральной — рабочей и крайних — вспомогательных. Деформации стенок скважины измеряют в центральной камере, роль вспомогательных камер — создать однородность цилиндрического поля напряжений вокруг рабо- чей камеры (давление во всех трех камерах одинаково). Нагрузку на стенки скважины прикладывают ступенями, выдерживая давление на каждой ступени до затухания деформаций. Предельное давление зависит от целей испытаний: для получения деформационных характеристик дают умеренные нагрузки в пределах прямой пропорциональности «давление—деформация», для определения прочностных характеристик нагружение грунта доводят до образования зон пластических деформаций и разрушения породы. О начале фазы разрушения грунта судят по незатухающей деформации, которая происходит без увеличения нагрузки. При этом следует учитывать технические возможности прессиометров, ограниченные как предельным давлением, так и допустимыми пределами растяжения оболочки камеры. По данным приращений давления и соответствующих им деформаций с учетом радиуса скважины вычисляют модуль деформации грунта; получены также формулы для подсчета прочностных характеристик.

295

Диаметры рабочей камеры прессиометров обычно составляют 76–127 мм, но существуют прессиометры и с диаметрами в несколько сотен миллиметров. Длина рабочей замеры должна быть не менее четырех диаметров скважины. Глубина опробования может достигать нескольких десятков метров.

Рис. 19.3. Схема прессиометра:

1 — баллон со сжатым газом; краны: нагнетания воды (2), остановки давления (3), выпускной (4), для подачи газа (5); 6 — нагнетательная труба; 7 — измерительный цилиндр; 8 — напорный шланг; рабочая (9) и вспомогательная (10) камеры

296

Преимущество прессиометрических исследований — в быстроте выполнения опытов. Недостаток — определение модуля деформации производится в горизонтальном направлении, что редко соответствует направлению приложения нагрузки от сооружения.

Наибольшийинтереспредставляютпрессиометрическиеиспытания слабых глинистых и обводненных песчаных отложений, из которых невозможен отбор образцов ненарушенной структуры для исследований в лабораторных условиях. Однако выполнение прессиометрических испытаний таких грунтов тоже затруднено, так как стенкискважинбеззакрепленияихобсаднымитрубаминедержатся.

Для преодоления этой трудности в последнее время разработаны и стали применяться самозабуривающиеся прессиометры, имеющие впереди камеры прессиометра буровой наконечник, которые возможно погрузить ниже забоя скважины и лопастные прессиометры, задавливаемые в ненарушенную бурением породу.

19.3. Определение прочности грунтов методом сдвига целиков

Испытания проводят в горных выработках на выделенных из породы целиках в условиях природного залегания пород — ненарушенной структуры и естественной влажности. Наиболее распространенными схемами проведения этих опытных работ являются: 1) сдвиг целиков по заданной плоскости и 2) обрушение грунтовых блоков.

Сдвиги целиков, заключенных в металлическую обойму, проводятся после обжатия их вертикальной нагрузкой. Сдвиговые усилия, так же как и вертикальную нагрузку создают гидравлическими домкратами (рис. 19.4). Увеличение сдвиговой нагрузки производят ступенями до момента непрерывного перемещения поршня сдвигового домкрата без увеличения горизонтального усилия. Для определения параметров прочности ϕ и С производят не менее трех сдвигов в идентичных породах, но при

297

разных вертикальных нагрузках. Обработка полученных данных ведется также как и для лабораторных испытаний (глава 15) — величины сцепления и угла внутреннего трения находят путем построения графика (рис. 15.2).

По второй схеме испытаний блок грунта нагружают с помощью одного домкрата. При этом в массиве породы так вырабатывают пространство для установки домкрата, чтобы скол (сдвиг) обрушаемого грунтового блока произошел в интересующем направлении (рис. 19.5). В результате таких опытов получа- ют характеристику суммарного сопротивления пород сдвигу.

Рис. 19.4. Схема установки для испытания на сдвиг целика породы в шурфе:

1 — целик; 2 — обойма; 3 — штамп; 4 — горизонтальный домкрат с динамометром; 5 — вертикальный домкрат с динамометром; 6 — плоская шариковая обойма; 7 — упорная балка;

8 — винтовые сваи

298

Полевые определения параметров сопротивления пород сдвигу являются более достоверными, чем лабораторные, но зна- чительно более трудоемкими. Другим преимуществом полевых испытаний является возможность проведения их в грунтах, из которых затруднен или невозможен отбор проб ненарушенного сложения для лабораторных исследований (слабые глинистые грунты, гравийно-галечные отложения и др.).

Рис. 19.5. Схема испытаний сопротивления сдвигу грунтов с расположением домкрата наклонно (а) и вертикально (б):

1 — плита; 2 — домкрат; 3 — плоскость сдвига

19.4. Испытания грунтов методом вращательного среза

Испытания проводят для определения прочностных характеристик главным образом глинистых отложений от мягкопластичной до текучей консистенции. Сущность метода заклю- чается в погружении на штангах ниже забоя скважины крестообразного лопастного наконечника (крыльчатка) и вращения его до разрушения грунта по цилиндрической поверхности с измерением углов поворота и приложенных крутящих моментов. Вращение производится медленно, около 0,2 град/с — такая скорость близка к скорости испытания пород на сдвиг в лабораторных условиях по методике быстрого сдвига.

299

19.5. Искиметрические испытания грунтов

Метод заключается в резании грунтов в стенках пробуренных буровых необсаженных скважин с помощью прибора — искиметра, оснащенного специальным режущим профилем. В ходе испытаний производят непрерывное измерение и запись самописцем сопротивления грунта резанию — усилия, затрачиваемого на преодоление сопротивления породы движущемуся в ней ножу.

Искиметр состоит из погружной части, спускоподъемного механизма и регистрирующей аппаратуры — две последние части устанавливаются над скважиной на поверхности Земли. Погружная часть выполнена в виде трубчатого корпуса, в прорезях которого расположены подпружинные ножи (рис. 19.8). В корпусе имеется измерительный преобразователь давления, связанный с регистрирующей аппаратурой кабелем. Существуют и другие конструкции искиметров, в которых сопротивление резанию измеряется динамометром.

Рис. 19.8. Схема погружной части искиметра:

1 — корпус; 2 — стержень; 3 — íîæè; 4 — òÿãè; 5 — преоб-

разователь давления; 6 — кабель к регистрирующей аппаратуре; 7 — обсадная труба; 8 — трос к лебедке

302

Исследованиям предшествует спуск на тросе погружной части искиметра в пробуренную скважину. При опускании ножи, которые внутренним концом шарнирно закреплены в корпусе, складываются, их режущая часть теперь направлена вверх, и они не препятствуют спуску снаряда. При подъеме (рабочий ход) ножи занимают горизонтальное положение и врезаются в породу. Сопротивление резанию передается на измерительный преобразователь давления. Поступающая от преобразователя информация на поверхности записывается — на ленте самописца вычерчи- вается непрерывный график «сопротивление резанию — глубина скважины». Снаряд поднимают обычно со скоростью 0,5–2 м/ мин, однако, как показали проведенные исследования в большом диапазоне скоростей, последняя практически не влияет на результаты испытаний.

Рассматриваемый метод применяется для исследования глинистых и песчаных отложений, которые могут содержать до 20–30 % прочного крупнообломочного материала. При встрече твердых прослоев или валунов, сопротивление резанию которых превышает предельное для искиметра значение, лезвия ножей отгибаются вниз, что обеспечивает прохождение снаряда.

По записям сопротивления грунта резанию, которое пропорционально прочности, можно подсчитать приблизительное значение сопротивления грунта сдвигу. Кроме того, используя график искиметрических испытаний, можно более детально рас- членить геологический разрез, чем это сделано по материалам бурения, и безусловно уточнить границы слоев. Большим преимуществом метода является испытание пород не в отдельных точках или на небольших интервалах, как это было при рассмотрении предыдущих методов определения механических свойств пород, а непрерывно по стволу скважины. Испытания к тому же проводятся быстро и с минимальными материальными затратами, но провести их можно только в породах, которые держат стенки скважины без обсадки.

303

20. Полевые методы определения фильтрационных свойств грунтов

Коэффициент фильтрации пород, как отмечалось в главе 10, имеет очень широкий диапазон значений; из многих пород нельзя отобрать представительную пробу для лабораторных определений (крупнообломочные, скальные, полускальные), в связи с этим только полевые методы определения его в условиях естественного залегания пород дают надежные результаты, к тому же позволяют установить фильтрационную неоднородность и анизотропию изучаемых массивов и толщ. Наиболее распространенными методами определения водопроницаемости пород являются откачки воды из скважин, нагнетания воды или воздуха в скважины, наливы воды в шурфы, а для установления сосредоточенных путей фильтрации и определения действительных скоростей подземных вод — наблюдения за распространением индикатора.

20.1. Откачки воды из скважин

Откачки воды из скважин применяются для определения фильтрационной способности обводненных пород любого состава и состояния и являются основным методом, так как позволяют непосредственно определять коэффициент фильтрации исследуемых пород. Откачки производят из специально пробуренных для этой цели скважин с заранее намеченными интервалами опробования, которые характеризуют типичные, реже аномальные условия изучаемого участка. Интервал опробования обычно включает тот или иной слой осадочной толщи (или часть его в случае большой мощности). При изучении водопроницаемости магматических и метаморфических пород интервал опробования стараются выбрать с однородной трещиноватостью. При необходимости, откачки могут быть проведены последовательно из нескольких интервалов, располагающихся по глубине скважины.

Для производства откачек из скальных и полускальных пород скважины бурят колонковым способом, при опробовании

304

рыхлых отложений — чаще всего ударно-канатным, реже вибрационным бурением. Замечено, что применение шнекового способа, при котором происходит затирка ствола скважины в процессе бурения, приводит к искажению получаемого коэффициента фильтрации пород в меньшую сторону. В рыхлых отложениях с неустойчивыми стенками скважин опробуемый интервал оборудуют фильтром. Наиболее распространенный фильтр представляет собой перфорированную стальную трубу, на которую намотана проволока, поверх которой натянута металлическая или пластмассовая сетка (рис. 20.1). Размер ячей сетки подбирают в зависимости от гранулометрического состава отложений таким образом, чтобы с одной стороны пропускать минимальное количество мелких частиц, с другой — не создавать ощутимого сопротивления входящей в него воды. Фильтровая колонна, имеющая меньший диаметр, чем обсадные трубы, которыми закреплена скважина в процессе бурения, опускается на забой скважины, при этом перфорированная (водоприемная) часть фильтра должна находиться в пределах опробываемого интервала. Нижняя часть фильтровой колонны выполняется из глухой трубы и представляет собой отстойник для накопления мелких частиц породы, прошедших с водой через фильтр, но не вынесенных током воды на поверхность. После установки фильтровой колонны глухие обсадные трубы приподнимают до верхней границы интервала опробования. Если сетка фильтра подобрана неудачно — слишком густая — и препятствует поступлению воды в скважину, снижение уровня воды в фильтровой колонне при откачке будет бó льшим по сравнению с реальным снижением в водоносном горизонте, что исказит подсчет коэффициента фильтрации в сторону его занижения. Чтобы избежать такой ошибки, к фильтровой колонне до спуска ее в скважину привязывают тонкую трубку с отверстиями — пьезометр. Поскольку пьезометр расположен с внешней стороны фильтра, уровень воды, измеренный в нем, покажет положение сниженного уровня воды в водоносном горизонте.

305

них во время откачки фиксируют формирование воронки депрессии. Кроме обобщенной характеристики водопроницаемости изучаемой толщи пород, получаемой по откачиваемой скважине, при кустовой откачке можно подсчитать коэффициенты фильтрации для отдельных ее участков, располагающихся между наблюдательными скважинами. Кроме того, при кустовой откачке исключаются погрешности, свойственные откачкам из одиноч- ных скважин, связанные с возможностью возникновения турбулентного режима движения воды вблизи водоприемной скважины и с необходимостью принимать при расчетах приблизительное значение радиуса влияния.

20.2. Нагнетания воды в скважины

Нагнетания воды в скважины являются самым распространенным методом изучения водопроницаемости скальных и полускальных пород, опробованию могут подвергаться как обводненные, так и необводненные толщи. Нагнетания выполняются значительно быстрее, чем откачки, с их помощью можно изучать зоны аэрации, где откачку провести нельзя, но по их результатам можно получить лишь характеристику относительной водопроницаемости пород — удельное водопоглощение, под которым понимают значение поглощения воды в литрах в минуту на 1 м длины опробуемого интервала скважины, относимое к напору 1 м. Удельное водопоглощение рассчитывают по формуле:

ãäå q — удельное водопоглощение, л/мин . ì2; Q — ðàñ-

ход нагнетаемой воды, л/мин; l — длина интервала опробования, м; h — действующий напор в интервале, м.

Чтобы произвести опытное нагнетание, необходимо изолировать опробуемый интервал от остального ствола скважины — это достигается при помощи специального устройства — тампона. Существуют тампоны ординарные — отсекают нужный

308

интервал скважины сверху- и двойные, позволяющие ограни- чить интересующий интервал и сверху, и снизу. Предпочтение отдают ординарным тампонам, качество изоляции которых легко проконтролировать. Обычно выполняют позонные нагнетания в процессе бурения разведочных скважин. Воду нагнетают до получения установившегося расхода при заданном напоре.

Для подсчета удельного водопоглощения необходимо измерить давление, при котором вода входит в породы опробуемого интервала, и расход нагнетаемой воды, для чего в оборудование опыта включают манометр и водомер (рис. 20.3). Для получения сравнимых результатов длина интервалов опробования принята равной 5 м. Для установления фильтрационной способности пород нагнетания воды проводят с напором, равным 10 м, для определения фильтрационной устойчивости пород или рыхлого заполнителя трещин в скальном массиве применяют нагнетания при больших напорах (100 м). Установить факт влияния гидравлического воздействия на породы при большом напоре позволяет проведение нагнетаний последовательно при трех ступенях напора: 10, 100 и снова 10 м. Если расход нагнетаемой воды на третьей ступени возрос по сравнению с таковым на первой — значит, в массиве произошли необратимые деформации — это может быть уплотнение пород, раскрытие трещин, перенос рыхлого заполнителя по трещинам и др.

Для получения по результатам опытных нагнетаний — удельным водопоглощениям ориентировочных величин коэффициентов фильтрации устанавливают переходный коэффициент, который определяют на основании проведения нагнетаний и откачек на одних и тех же интервалах скважин, не переставляя тампона. Совмещенные опыты могут также в какой-то мере оценить влияние зашламования ствола скважины, которое происходит при бурении, на получаемые значения удельных водопоглащений при нагнетаниях. Выборочно, в характерных местах, проводят нагнетание, затем откачку и снова нагнетание. Сравнение результатов нагнетаний до и после откачки позволяет установить очи- щение от шлама околоствольного пространства в результате проведения откачки, если таковое произошло.

309