В настоящее время одним из наиболее популярных методов исследования свойств грунтов в полевых условиях стал метод статического зондирования. Метод успешно применяется при проведении инженерно-геологических исследований, как в России, так и за рубежом. Основным достоинством данного метода является простота и производительность испытаний. К недостаткам можно отнести сложность или невозможность испытаний в «жестких» грунтах и сложность интерпретации данных измерений вследствие использования корреляционных зависимостей. Поэтому данный метод используется чаще всего для выделения слоев природных дисперсных грунтов и определения некоторых механических характеристик преимущественно песчаных грунтов. Как правило, корреляционные связи находятся из результатов модельных испытаний на стенде и в приборах трехосного сжатия.
В последние годы инструменты зондирования были значительно усовершенствованы — внедрены беспроводные системы передачи данных измерений на поверхность грунта, системы непрерывного наращивания штанг, контроль технического состояния зонда и др., однако остались проблемы, связанные с ограниченностью ресурсов и риском потери дорогих зондов. Специалисты с большим опытом изыскательских работ все чаще вспоминают о буровом зондировании.
В 1989 году специалисты ПНИИИС впервые отказались использовать статическое и динамическое зондирование и предложили новый метод — «буровое зондирование». По результатам бурового зондирования производилось расчленение грунтовой толщи на отдельные слои, правомерность выделения которых была подтверждена отбором монолитов из скважин.
Метод бурового зондирования обладает рядом преимуществ перед другими методами полевых испытаний грунтов, в том числе и перед методом статического зондирования.
К основным преимуществам метода следует отнести:
- высокую производительность (скорость погружения до 3 м/мин.);
- большую глубину зондирования (до 100 м);
- высокую защищенность средств измерения — датчики не погружаются в грунт и не страдают от столкновения с твердыми включениями (щебень, галька, обломки бетона);
- высокую защищенность средств измерения позволяют проводить зондирование в акваториях;
- отсутствие необходимости применять буровые станки с большой массой;
- возможность исследования не только дисперсных, но и скальных и мерзлых грунтов.
Технические средства
Современные технологии — компьютеры, микропроцессоры, лазерная дальнометрия и беспроводная связь позволяют реализовать преимущества метода бурового зондирования в виде информационно-измерительной системы, предназначенной для оснащения буровых установок и измерения:
- момента вращения;
- вертикального усилия на буровой инструмент;
- частоты вращения;
- скорости погружения.
Методика испытаний
Установка для бурового зондирования включает в себя транспортное средство, мачту, вращатель, буровую колонну, бурильное долото, информационно-измерительную систему. В точке исследования свойств грунтов устанавливают транспортное средство, производят подъем мачты, на которой установлен вращатель, хвостовик узла датчиков вставляется в патрон бурового станка, и соединяется с хвостовиком бурового шнека, на нижней части которого закреплено бурильное долото (буровой инструмент). Лазерный дальномер и отражатель закрепляются на мачте. Затем включаются компьютер и автономные источники питания лазерного дальномера и измерительного устройства, после чего начинают процесс бурения скважины.
Бурение скважины производится с постоянной частотой вращения бурового инструмента. В процессе зондирования в базу данных компьютера заносятся следующие показания:
- время погружения бурового инструмента;
- показания датчика силы вертикальной нагрузки;
- показания датчика моментомера и величина вертикального перемещение буровой колонны.
Используя данные измерений, вычисляют:
- вертикальную нагрузку;
- скорость продвижения бурового инструмента;
- мощность вертикальной нагрузки на текущей глубине;
- крутящий момент;
- мощность вращательной нагрузки на текущей глубине.
Измерение частоты вращения бурового инструмента основано на способности модуля беспроводной связи измерять мощность радиосигнала и передавать эту информацию на персональный компьютер. Узел осуществляет съем радиосигналов с заданной частотой (10 Гц, 25 Гц, 50 Гц, 100 Гц, 250 Гц и т.д.) и передает информацию в пакетной форме. Каждый пакет содержит значение RSSI. При вращении измерительного устройства происходит периодическое изменение модуляции этой величины. Частота первой гармоники модулированного сигнала соответствует частоте вращения бурового инструмента.
Процедура сбора и обработки данных включает три этапа:
- Накопление выборки RSSI.
- Получение спектра частот путем расчета быстрого преобразования Фурье (FFT).
- Анализ спектра — выявление первой гармоники, частота которой соответствует частоте вращения.
Определение модуля деформации грунтов
В точке исследования свойств грунтов устанавливают транспортное средство производят подъем мачты, на которой расположен вращатель, шестигранник узла датчиков вставляется в патрон бурового станка, а переходник в буровую штангу или шнек Лазерный дальномер и отражатель закрепляются на мачте. Затем включаются компьютер, автономные источники питания лазерного дальномера и измерительного устройства, после чего начинают процесс бурения. На заданной глубине определения модуля деформации проводится холостое прокручивание буровой колонны и ее подъем на 10-20 см от забоя скважины, после чего вращатель бурового станка выключается.
Используя датчик силы, измеряют суммарный вес буровой колонны и грунта на боковой поверхности буровой колонны. Буровую колонну опускают до касания забоя скважины и далее, используя узел датчиков, включающий сервопривод прикладывают первую ступень нормального давления. В процессе нагружения используя лазерный дальномер, датчик силы измеряет вертикальное перемещение (осадку) буровой колонны и контролируют постоянство заданной ступени давления при помощи шагового двигателя и датчика силы.
Результаты исследований показывают целесообразность и эффективность использования метода бурового зондирования для выделения слоев грунта в природных массивах. После накопления корреляционных связей в различных грунтовых условиях этот метод можно рекомендовать для определения модуля деформации путем испытания шнеком в процессе бурения скважин.