ТИМОШЕНКО АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

Основной задачей инженерно-геологического бурения является изучение геологического разреза и отбор образцов грунта с целью выявления его состава, состояния и физико-механических свойств. Это определяет ряд специфических требований к опробованию в процессе сооружения скважин, которые существенно отличаются от предъявляемых при поиске и разведке полезных ископаемых.

При геологоразведочном бурении непосредственным объектом изучения является тело полезного ископаемого, мощность которого, как правило, во много раз меньше всей протяженности скважины. Для его проходки применяют специальный режим бурения. Бурение вне указанных пределов строго не регламентируется и может осуществляться без отбора керна. При инженерно-геологическом бурении специальный режим распространяется практически на всю скважину. С целью изучения геологического разреза по всей глубине отбирают керн, по которому определяют основные структурные, текстурные и прочие особенности грунта: последовательность в залегании слоев, мощность, положение контактов, наличие включений, гнезд, примазок, тонких прослоев, консистенцию и водоносность. Дополнительные инженерно-геологические показатели состояния и свойств массива горных пород: плотность, сцепление, угол внутреннего трения, модуль деформации, определяют по образцам ненарушенного строения — монолитам, для отбора которых необходимо применение специальных устройств, и результатам натурных геотехнических испытаний.

В соответствии c требованиями действующего ГОСТа 12071-84 "Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов" и получивших широкое распространение рекомендаций, разработанных Производственным и научно-исследовательским институтом по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИСом) совместно с ведущими организациями в области инженерных изысканий при отборе монолита не допускается нарушение сложения грунта. При отборе монолитов из скважин с помощью грунтоноса без применения специальных средств, исключающих трение между ним и монолитом, максимальная длина рейса для песчаных и пылевато-глинистых грунтов не должна превышать 0.7 м.

Грунтоносы должны обеспечивать отбор монолитов с природной влажностью диаметром, достаточным для вырезания образцов грунта с размерами, определяемыми имеющимся оборудованием для испытания грунта. В настоящее время минимальный диаметр компрессионных колец, используемых для проведения лабораторных испытаний, составляет 50 мм. При этом следует учитывать наличие нарушенной перифирийной зоны монолита, толщину которой принимают равной 10 мм для песчаных и пылевато-глиничтых грунтов с показателем текучести менее 0.75, 5 мм — для пылевато-глинистых грунтов при показатели текучести более 0.75.

Высота монолита должна быть не менее его диаметра. Для отбора монолитов при инженерно-геологических изысканиях используют следующие способы погружения грунтоносов: обуривающий, вдавливаемый, забивной и вибрационный. Большой объем экспериментальных исследований, выполненных в различных изыскательских институтах и организациях, позволил определить область применения приведенных способов погружения. Обуривающим грунтоносом производится отбор монолитов плотных и средней плотности песчаных грунтов, глинистых грунтов твердой и полутвердой консистенций. Вдавливаемый способ погружения грунтоноса применяется для отбора монолитов рыхлых песков, а также глинистых грунтов полутвердой, тугопластичной, мягкопластичной, текучепластичной и текучей консистенций. И, наконец, монолиты глин с коэффициентом пористости менее 1.1, суглинков — менее 0.9, супесей — менее 0.7 при показателе консистенции, непревышающем 0.75, рекомендуется отбирать посредством забивного и вибрационного грунтоносов.

Так как информативность является решающим фактором при оценке способа погружения грунтоноса, необходимо определиться с тем, какой способ: забивной или вибрационный, более предпочтителен для отбора проб нескальных грунтов при бурении скважин в морских условиях. Многочисленными отечественными и зарубежными исследованиями установлено, что при отборе монолитов из скважин любым способом происходит некоторое изменение не только внешнего состояния грунта, но и его физико-механических свойств. В работах отмечается, что на свойства грунта оказывает влияние очень большое число факторов, среди которых есть такие, которые связаны с параметрами способа погружения. Для устройств, реализующих энергию удара: вибрационных и забивных грунтоносов и пробоотборников, это прежде всего частота ударов.

Различными организациями проводились специальные исследования и сравнительные испытания для определения степени соответствия вибрационного и забивного способов погружения требованиям инженерной геологии.

При вибрационном бурении зондом диаметром 100 — 108 мм по данным Ленинградского института инженеров железнодорожного транспорта (ЛИИЖТ) грунт уплотняется от 0 до +0.3 г/см3. По данным НИИОСП, образцы уплотняются на 0.03 г/см3. МГРИ и Гидропроект отмечают, что грунт, наоборот, разуплотняется на 0.13 г/см3, а Ленинградский горный институт и Северо-Западное геологическое управление указывают, что разуплотнение не превышает 0.03 г/см3. При этом естественная влажность грунта не изменяется.

Характеризуя забивной способ отбора монолитов грунтоносами диаметром 100 мм Фундаментстрой отмечает, что наблюдается увеличение коэффициента пористости на 2 — 3 %. По данным ЛИИЖТ, уплотнения грунта по существу не происходит. Южгипроводхоз установил, что плотность грунта при забивном способе в среднем повышается на 7 — 9 %. Влажность образцов также не изменяется.

Анализ исследований процессов, связанных с отбором проб, показывает, что во многих случаях при вибрационном погружении механические свойства грунта претерпевают менее существенные изменения, чем физические . По мнению С.С.Сулакшина и И.Г.Шелковникова, рост частоты генерируемых ударов приводит к большему перераспределению жидкой и твердой фаз, а возможно и перераспределению легких и тяжелых элементов. На то, что при вибрационном способе элементы тяжелых фракций больше чем при забивном склонны к миграции обращает внимание В.С.Владиславлев и С.С.Хворостовский . Это объясняется тем, что при вибрационном погружении весь снаряд подвергается воздействию возмущающей силы как единое целое и как следствие этого оказывает влияние всей своей внутренней поверхностью на находящуюся в керноприемной трубе пробу. На принципе изменения положения тяжелых минералов и обогащении ими нижележащих слоев основано действие обогатительных устройств: концентрационных столов, отсадочных машин, виброконцентраторов.

Таким образом, из двух способов погружения пробоотборника в грунт более предпочтительным является низкочастотный (с частотой ударов не более 1 Гц) — забивной. Отбираемые из скважины с его помощью монолиты обеспечивают максимальное соответствие свойств грунта свойствам слоев геологического разреза.

Бурение инженерно-геологических скважин в морских условиях имеет существенное отличие от сухопутного вследствие прямой зависимости от гидро- и метеорологических факторов, что приводит к резкому удорожанию буровых работ. Поэтому имеет место тенденция максимального ускорения процесса сооружения скважины. Отечественный и зарубежный опыт геологоразведочного и инженерно-геологического бурения на море показывает, что наиболее производительным способом бурения глубоких скважин на континентальном шельфе морей и океанов является вращательный по технологии с использованием ССП. Наличие вертикальных перемещений плавоснования затрудняет процесс отбора проб и негативно сказывается на целостности получаемого монолита. Если большинство конструкций обуривающих и вдавливаемых грунтоносов и пробоотборников, широко применяемых как на суше, так и на море, позволяет без особых затруднений приспособить их под принятую технологию вращательного бурения морских скважин, то надежных устройств, реализующих забивной способ бурения, и используемых в условиях вертикальных перемещений плавоснования для получения представительной пробы, практически нет, и их разработка представляет собой актуальную задачу.

Учитывая требования, предъявляемые к опробованию, и особенности бурения морских инженерно-геологических скважин, можно сформулировать исходные требования, которые необходимо положить в основу при разработке принципиальной схемы забивного пробоотборника. Забивной пробоотборник должен: