МИНИСТЕРСТВОНАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ
ОГАСА
Контрольнаяробота
подисциплине «Инженерные изыскания»
Одесса2008 г.
Содержание
1. Методы разведочногобурения… 3
2.Геофизические работы… 12
3. Определение модуля деформацииудельного сцепления и угла внутреннего трения в полевых условиях по результатамдинамического зондирования… 15
3.1. Сущность метода… 15
3.2 Оборудование иприборы… 15
3.3 Подготовка киспытанию… 16
3.4 Проведение испытания… 17
3.5 Обработка результатов… 18
1. Методы разведочного буренияМощность слоя, м Грунты Условные обозначения Вид бурения Способ бурения 5 Скальная порода Вращательный колонковый С промывкой водой 4 Полускальная порода Вращательный колонковый С промывкой глинистым раствором 1 Дресва
Вращательный
шнековый
Ударно-канатный
С использованием
долота для
разрушения и
желонки для
извлечения 1 Песок
Вибрационный
Вращательный
шнековый
Ударно-канатный С использованием желонки 3 Ил Ударно-канатный С использованием желонки 4 Глина
Ударно-канатный
Колонковый (для
твердых глин) «Всухую» в обсадных трубах 2 Суглинок
Вращательный
шнековый
Ударно-канатный «Всухую» в обсадных трубах 3 Супесь
Вращательный
шнековый
Ударно-канатный «Всухую» в обсадных трубах
Бурение скважин выполняется для изучения геологического разреза,т.е. для выявления последовательности залегания пластов, их мощности состава,плотности, консистенции, влажности, водоносности, а также для отбора образцовпород и последующего испытания в лабораторных условиях. Для этой целиприменяется ручное и механическое бурение. Ручное бурение выполняютударно-вращательным или ударно-канатным способом. Механическое бурениеосуществляется вращательными, ударно-механическими и вибробуровыми установками.
Выбор способа бурения зависит от состава проходимых пород, отназначения и глубины бурения, от условий производства работ. При выборе способабурения особое внимание уделяется качеству отбираемых образцов пород иэкономической эффективности.
Вращательное шнековоебурение
Преимуществами шнекового способа являются: высокая механическаяскорость бурения в песчаных и глинистых грунтах, большой процент временичистого бурения (при шнековом бурении процесс проходки и выдача грунта наповерхность совмещаются), незначительные затраты времени намонтажно-демонтажные работы и вспомогательные операции, возможность отборакерна при использовании специального инструмента. Важным является также тообстоятельство, что в шнековом бурении используется промывочная жидкость.
Область эффективного использования шнекового способа ограниченанескальными грунтами (глинистыми и песчаными) Рациональной областью примененияэтого способа является проходка зондировочных и разведочных скважин в основномв пластичных и тугопластичных глинистых грунтах.
В комплект инструмента для шнекового бурения входят долота ишнеки. При шнековом бурении применяют двух- или трехперые ступенчатые долота, атакже долота типа РХ.
При проходке скважин кольцевым забоем используют специальные магазинныешнеки или шнеково-колонковые буры.
Винтовой способ бурения.
Винтовое бурение заключается в том, что шнековую колонну соспиральным долотом завинчивают в грунт на такую глубину, при которой её можнобудет извлечь без вращения из скважины. Его целесообразно использовать припроходке водоносных песков, глинистых грунтов скрытотекучей консистенции, илов,торфов и др.
При винтовом бурении скорость ввинчивания шнековой колонны в грунтдолжна составлять 75-100 об/мин. По мере погружения колонны в грунт еёнаращивают дополнительными шнеками. Каждый раз после погружения колонны на 0,3-0,4м бурение прекращают и приподнимают колонну на 2-Зсм. Если колонна поднимается,то можно продолжать бурение. Если же колонна не поднимается, её вывинчиваютсначала вручную, а затем поднимают лебедкой.
а) б)
/>
/>
/>
Рис. 1.1. Конструкциядолота и шнеков
а — шнек (установкаУГБ-50А): 1 — труба; 2 — спираль; 3 — втулка; 4 — хвостовик; 5 — палецсоединительный; 6 — фиксатор;
б — трехперовое долото: 1- корпус; 2 — спираль; 3 — лопасть; 4 — резец.
Ударно-канатное бурениекольцевым забоем
При ударно-канатном бурении кольцевым забоем проходка скважиныпроизводится за счет сбрасывания на забой скважины или забивки в грунткольцевого наконечника, в результате чего грунт заполняет его внутреннююполость и извлекается на поверхность.
Данный способ бурения, по сравнению с другими, имеет рядпреимуществ:
— вполне удовлетворительное качество отбираемого керна;
— незначительные затраты мощностей на бурение при проходке скважинсравнительно большой глубины;
— малые затраты времени на спускоподъемные операции;
— возможность проходки скважин в несвязных грунтах буровыми наконечникамибольшого диаметра с одновременным или опережающим погружением обсадных труб;
— вертикальность скважины.
Технологические приемы проходки инженерно-геологических скважинпри ударно-канатном бурении кольцевым забоем зависят от глубины, начальногодиаметра скважины и свойств проходимых грунтов.
Бурение неглубоких (до 30 м) скважин производят забивнымистаканами, желонками и грунтоносами диаметром 89 и 168 мм. При этомрекомендуется использовать автоматический подъем и сбрасывание инструмента назабой.
Ударно-канатное бурение кольцевым забоем осуществляется забивнымспособом (без отрыва инструмента от забоя) и «клюющим».
Забивной способ.
Забивное бурение может быть использовано при проходке всехразновидностей связных глинистых грунтов. Основными технологическимипараметрами этого способа являются:
а) вес ударного патрона (в кг);
б) число ударов (в мин);
в) величина подъема ударного патрона (в м);
г) величина углубления наконечника (в м).
В зависимости от диаметра стакана вес ударного патрона долженнаходится в пределах 100-150 кг. Величина подъема ударного патрона обычнорегламентируется его конструкцией и равна 0,6-1 м. Число ударов забивногопатрона колеблется в пределах 20-25 уд/мин. Во избегание прихвата наконечникана забое рейсовое углубление ограничивают до 0,2-0,4 м.
В случае проходки неустойчивых глинистых и песчаных грунтовбурение ведется забивным способом с одновременным погружением обсадных трубпутем их расхаживания или вибрирования.
При помощи желонки, мы можем проходить песчаные, илистые грунты идресву. Желонка представляет собой стакан, в нижней части которого имеетсябашмачок с клапаном, который при подъеме закрывает отверстие для того, чтобыизвлекаемый грунт задерживался внутри стакана.
Для прохождения дресвы необходимо также использовать долото.Долото поднимают и сбрасывают в забой, разрушенную, измельченную породуизвлекают желонкой. Если порода слишком плотная, то необходимо увеличить силуудара долота, для чего увеличивают вес инструмента путем присоединения к немутяжелой ударной штанги. Она может быть цельной и составной. Нижняя часть долотаназывается лезвием, которое выполняется из цельного куска крепкой стали. Самкорпус состоит из более мягкой стали. Для работы с долотом необходимоиспользовать стальной трос. Во время бурения для округления скважины долотонеобходимо поворачивать на 15…200после каждого удара.
/>/>
Рис. 1.2. Схема работыударно-канатного станка
1 — буровой снаряд; 2 — инструментальный канат; 3 — шестерня привода ударного вала; 4 — кривошип; 5 — шатун; 6 — оттяжная рама.
Вращательное колонковое бурение.
Основными преимуществами колонкового бурения являются: возможностипроходки скважин почти во всех разновидностях горных пород, сравнительнобольшая глубина проходимых скважин, достаточно хорошо разработанная и освоеннаятехнология бурения, сравнительно небольшие мощности, затрачиваемые на бурение,возможность получения качественного керна.
Проходка скважин колонковым способом осуществляетсятвердосплавным, дробовым и алмазным породоразрушающим инструментом.Твердосплавный породоразрушающий инструмент можно применять при проходкескважин в глинистых, песчаных и мерзлых грунтах, дробовой — при проходкескважин в скальных грунтах; алмазный — при проходке скважин в монолитныхскальных грунтах.
В зависимости от физико-механических свойств, проходимых грунтов иот глубины скважины, бурение колонковым способом может осуществляться «всухую»,с промывкой водой и солевыми охлажденными или глинистыми растворами, спродувкой сжатым воздухом, а также «безнасосным» способом.
Способ бурения с промывкой глинистым раствором и водой.
Промывка при бурении скважин производится для:
а) очистки забоя от разбуренной породы и выноса её на поверхность илив шламовую трубу;
б) охлаждения породоразрушающего инструмента;
в) закрепления неустойчивых стенок скважины.
Существует два основных способа промывки скважин: прямой иобратный.
При прямой промывке скважин жидкость насосом по нагнетательномушлангу подается к забою по бурильной колонне, охлаждает породоразрушающийинструмент, омывает забой и поднимается по кольцевому пространству междустенками скважины и колонной бурильных труб, транспортируя на поверхностьразбуренную породу.
После выхода из скважины промывочный раствор пропускают по системежелобов и отстойников для очистки его от частиц породы. Очищенный растворвторично нагнетается в скважину.
При обратной промывке раствор нагнетается к забою по кольцевомузазору между бурильной колонной и стенками скважины и поднимается к поверхностивместе с выбуренной породой внутри бурильных труб. В этом случае устье скважиныдолжно быть герметизировано и оборудовано специальным сальником, позволяющимколонне труб вращаться и иметь поступательное движение, но в тоже время непропускающим жидкость.
Раствор вследствие малого сечения бурильных труб поднимается сбольшой скоростью и быстро выносит на поверхность частицы породы. Однако такаяпромывка неприменима, если происходит поглощение промывочной жидкости. Внастоящее время при бурении применяется в основном прямая промывка, а длялучшего выноса разбуренной породы употребляются глинистые растворы.
При бурении твердосплавным инструментом мягких и рыхлых грунтовиспользуют ребристые коронки КР-1, КР-2, КР-4 и КР-5, обеспечивающие большойкольцевой зазор между стенками скважины и колонковым снарядом, которыйспособствует эффективному выносу разбуриваемой породы промывочной жидкостью.
При бурении мягких и рыхлых грунтов в качестве промывочнойжидкости применяют глинистый раствор со следующими параметрами:
Удельный вес 1,1…1,2 г/см3.
Вязкость 25…28 сек по СПВ-5.
Водоотдача 10…15 см3 за 30 мин.
Содержание песка не более 4%.
Заклинку керна производят путем «затирки всухую», для чегонеобходимо бурение последних 5…10 см вести без промывки. С цельюпредохранения бурового снаряда от зашламования следует применять промывочныйниппель, позволяющий осуществлять призабойную циркуляцию промывочной жидкостипосле заброски в него шарика.
Способ бурения «всухую».
При проходке полускальных, песчаных и глинистых грунтов колонковымспособом «всухую» в качестве бурового снаряда применяют колонковые трубы длиной1,5 м и диаметром 89, 108, 127, 146 и 168 мм с твердосплавными коронками типовМР-2НГТ (для полускальных грунтов) и КР (для песчаных и глинистых грунтов). Вотдельных случаях (при проходке легко буримых супесей, суглинков и т.д.)применяются колонковые трубы длиной 3,0 м.
Бурение колонковым способом «всухую» ведется укороченными рейсами(длина рейса в зависимости от буримости проходимых грунтов колеблется от 2,0 до2,5 м).
Параметры бурения устанавливают следующие: скорость вращенияинструмента 80…150 об/мин, давление на забой — 300-600 кг.
/>
Рис. 1.3. Схемаколонкового бурения: 1 – керн; 2 – коронка; 3 – трубка колонковая; 4 – трубыбурильные.
Вибрационное бурение.
Основано на внедрении в породу кольцевого наконечника — виброзонда. Виброзонд представляет собой трубу диаметром 40…200 мм, длиной0,5…3 м; по всей длине труба имеет одну или несколько прорезей для очисткизонда от породы; нижний конец трубы снабжен кольцом с острой режущей гранью.Внедрение в грунт такого наконечника происходит благодаря тому, что поддействием вибрации зонда в очень сильной степени ослабевает лобовое и боковоесопротивление грунта и зонд под действием собственного веса и веса вибраторапогружается в грунт. В качестве забойного инструмента также может использоватьсягрунтонос — для получения проб грунта не нарушенной структуры и желонка — дляпроходки малосвязанных сыпучих пород, плывунов и водонасыщенных пород.Вибробурение относится к перспективным методам, обладает высокойпроизводительностью, может применяться при проходке глин, суглинков, супесей,песков, гравелисто-галечниковых грунтов. Выгоднейшая глубина бурения этимспособом 15-20 м. Виброметод дает возможность отобрать, образцы грунта сненарушенной структурой, но затрудняет фиксацию уровня подземных вод.
2. Геофизические работы
Геофизические методы используют при инженерно-геологических исследованияхсостава и свойств пород и геологических явлений, как правило, приинженерно-геологической съемке. Наиболее широкое применение в практикеизысканий нашли следующие методы: электрические, сейсмические, радиационные,магнитные, термометрические.
Геофизические методы существенно ускоряют и повышают качество и точностьинженерно-геологической съемки. Эти методы используют для изучения вестественных условиях процессов и явлений, происходящих в горных породах, атакже для изучения физико-механических свойств горных пород, распределения этихсвойств в пространстве и изменения их во времени.
Электроразведкаосновывается на изучении условий прохожденияэлектрического тока в различных грунтах. При этом используются либоестественные, либо искусственные электромагнитные поля. Поскольку одним изосновных параметров горной породы является ее удельное электрическоесопротивление, то, измеряя его, можно получить геоэлектрический разрез, которыйимеет прямую однозначную связь с геологическим.
С помощью электроразведки производят уточнение геологического разреза присъемке, определяют мощность водоносных пластов и глубину водоупоров, мощностьвыветрелой зоны у скальных пород, положение древних речных долин, полостей и воронокв закарстованных породах, устанавливают положение трещиноватых зон итектонических разломов, определяют границы и свойства многолетних мерзлых пород.
Сейсмическая разведкаоснована на наблюдениях за скоростью распространения упругих волн в земнойкоре, вызванных искусственными сотрясениями (взрывами, ударами). В результатевзрыва в грунте возникают упругие волны – продольные и поперечные. Скорость распространенияупругих волн в грунтах зависит от их минерального состава, структуры,трещиноватости, влажности и т. п. В песках, например, скорость колеблется от0,2 до 1,5 км/с, в глинах 1-3 км/с, в известняках 3-6 км/с, во влажной породескорость больше, чем в сухой породе. Характер и скорость распространенияупругих волн наблюдают на поверхности земли специальными приборами –сейсмоприемниками, располагаемыми по прямым – профилям. Если линия профиляпроходит через точку взрыва, тогда профиль называют продольным, если онарасполагается произвольно по отношению к нему – поперечным.
Применение методов ядерной физики при инженерно-геологическихисследованиях основано на измерении интенсивности естественных и искусственныхизлучений. Для изучения таких важных свойств пород, как влажность и плотность,применяют радиационные методы, основанные на измерении поглощающей способностигорных пород при прохождении различных излучений.
Магнитные методы основаны на измерении особенностей магнитного поля Землии магнитных свойств горных пород. Магнитные свойства массивов горных породрезко изменяются в зонах тектонических разломов и трещиноватости, а также взонах геодинамической нестабильности горных пород. По данным магнитной разведкиустанавливают генезис и состав пород.
Термометрические методы нашли широкое применение при изучении криогенныхфизико-геологических процессов и явлений в районах многолетней мерзлоты.
В практике инженерных изысканий для решения практических задач инженернойгеологии часто приходится использовать сразу несколько принципиально различныхгеофизических методов. Применение комплекса геофизических методов являетсявесьма эффективным средством для однозначного решения задач по изучению свойствпород и инженерно-геологических процессов. В настоящее время происходитинтенсивное развитие и внедрение геофизических методов в практику инженерногеологических изысканий и исследований.
3. Определение модулядеформации удельного сцепления и угла внутреннего трения в полевых условиях порезультатам динамического зондирования
Динамическое зондирование — процесс погружения зонда в грунтпод действием ударной нагрузки (ударное зондирование) или ударно-вибрационнойнагрузки (ударно-вибрационное зондирование) с измерением показателей сопротивлениягрунта внедрению зонда.3.1.Сущность метода
3.1.1 Испытание грунта методомдинамического зондирования проводят с помощью специальной установки,обеспечивающей внедрение зонда ударным или ударно-вибрационным способом.
3.1.2 При динамическом зондированииизмеряют: глубину погружения зонда h от определенного числа ударов молота(залога) при ударном зондировании; скорость погружения зонда v приударно-вибрационном зондировании.
По данным измерений вычисляютусловное динамическое сопротивление грунта погружению зонда р_d.3.2Оборудование и приборы
3.2.1 В состав установки дляиспытания грунта динамическим зондированием должны входить: зонд (набор штанг иконический наконечник); ударное устройство для погружения зонда (молот иливибромолот); опорно-анкерное устройство (рама с направляющими стойками); устройствадля измерения глубины погружения зонда или скорости погружения зонда.
3.2.2 В зависимости от значенийнеобходимой удельной энергии зондирования в различных грунтовых условиях идиапазона измеряемого условного динамического сопротивления грунта установкиподразделяют в соответствии с таблицей 2.
Таблица 2
Тип установки
Удельная энергия зондирования А, Н/см
Условное динамическое сопротивление грунта р_d, МПа Легкая 280 До 0,7 включительно Средняя 1120 Св.0,7 до 17,5 включительно Тяжелая 2800 Св.17,5
Примечания
1. Предварительное определение условного динамического
сопротивления грунта для выбора типа установки производят по фондовым материалам, данным испытаний в первых точках зондирования или по данным бурения.
2. При испытании грунтов в стесненных условиях возможно применение
малогабаритных установок при наличии данных сопоставительных испытаний на стандартных установках.
3.2.3 Ударное устройство должноотвечать требованиям, приведенным в таблице 3.
Таблица 3Характеристика оборудования Ударное зондирование установкой Ударно-вибрационное зондирование легкой средней тяжелой Масса молота (вибромолота), кг 30 60 120 350 Высота падения молота, см 40 80 100 – Максимальный ход ударной части, см – – – 13,5 Момент массы дебалансов, кг х см – – – 200 Частота ударов, уд/мин 20 — 50 15 — 30 15 — 30 300 — 1200 3.3Подготовка к испытанию
3.3.1 Подготовку к работе установкидля испытания грунта динамическим зондированием выполняют в соответствии стребованиями инструкции по ее эксплуатации.
3.3.2 При необходимости проверяютпрямолинейность штанг и степень износа наконечника в соответствии с 5.2.4.
3.3.3 Отклонение мачты установки отвертикали не должно превышать 2.3.4Проведение испытания
3.4.1 Динамическое зондированиеследует выполнять непрерывной забивкой зонда в грунт свободно падающим молотомили вибромолотом, соблюдая порядок операций, предусмотренный инструкцией поэксплуатации установки.
3.4.2 Перерывы в забивке зондадопускаются только для наращивания штанг зонда.
3.4.3 При ударном зондированииследует фиксировать глубину погружения зонда h от определенного числа ударовмолота (залога), а при ударно-вибрационном зондировании следует производитьавтоматическую запись скорости погружения зонда v.
3.4.4 Число ударов в залоге приударном зондировании следует принимать в зависимости от состава и состояниягрунтов в пределах 1-20 ударов, исходя из глубины погружения зонда за залог 10-15см, определяемой с точностью ± 0,5 см.
Примечание. По специальному заданию допускаетсяфиксировать число ударов при погружении зонда на определенный интервал глубины(например, на 10 см).
3.4.5 В процессе зондированиянеобходимо осуществлять постоянный контроль за вертикальностью погружениязонда.
При наращивании звеньев колонну штангповорачивают вокруг оси по часовой стрелке с помощью штангового ключа.Сопротивление повороту штанг, возникающее в результате трения штанг о грунт,при крутящем моменте до 15 кН х см следует учитывать при обработке результатовиспытания по 6.5.2. В случае значительного сопротивления повороту колонны штанг(при крутящем моменте более 15 кН х см), вызванного искривлением скважины, зондизвлекают из грунта и повторяют испытание в новой точке зондирования нарасстоянии 2-3 м от прежней.
3.4.6 Испытание заканчивают последостижения заданной глубины погружения зонда или в случае резкого уменьшенияскорости погружения зонда (менее 2-3 см за 10 ударов или менее 1 см/с). Поокончании испытания зонд извлекают из грунта, а скважину тампонируют.
3.4.7 Регистрацию результатовиспытания производят в журнале испытания (приложение Б) или на диаграммнойленте.3.5Обработка результатов
3.5.1 По данным измерений, полученныхв процессе испытания, вычисляют условное динамическое сопротивление грунта p_d.
3.5.2 При испытании ударным способомзначение p_d, МПа, определяют по формуле
/>, (1)
где, А — удельная энергиязондирования, Н/см, определяемая по таблице 2 в зависимости от типа установки;
К — коэффициент учета потерь энергиипри ударе молота о наковальню и 1 на упругие деформации штанг, определяемый по таблице4 в зависимости от типа установки и глубины погружения зонда;
К — коэффициент учета потерь энергии натрение штанг о грунт, 2 определяемый в зависимости от усилия при поворотештанг.
При крутящем моменте менее 5 кН х смК2 = 1; от 5 до 15 кН х см К2 определяют опытным путем порезультатам двух параллельных испытаний ударным зондированием, одно из которыхпроизводят обычным способом, а другое в разбуриваемой интервалами скважине. Приотсутствии таких данных допускается для ориентировочных расчетов приниматьзначения К2 по приложению Д;
n — число ударов молота в залоге;
h — глубина погружения зонда зазалог, см.
Таблица 4Глубина погружения зонда, м
Коэффициент K1 при установке легкой средней тяжелой Св.0,5 до 1,5 включительно 0,49 0,62 0,72 ” 1,5 ” 4,0 ” 0,43 0,56 0,64 ” 4,0 ” 8,0 ” 0.37 0,48 0,57 ” 8,0 ” 12,0 ” 0,32 0,42 0,51 ” 12,0 ” 16,0 ” 0,28 0,37 0,46 ” 16,0 ” 20,0 ” 0,25 0,34 0,42
3.5.3 При испытанииударно-вибрационным способом значение p_d определяют в соответствии сприложением Е.
3.5.4 По вычисленным значениям p_dстроят ступенчатый график изменения условного динамического сопротивлениягрунта по глубине погружения зонда (приложение Ж). На графике выделяютинтервалы, на которых осредняют значения p_d.