Геологические испытания

1. Прессиометрический метод

Методом прессиометрии определяют деформационные свойства (модуль деформации) и прочностные свойства (удельного сцепления и угла внутреннего трения) скальных, полускальных и песчанисто-глинистых грунтов, вскрытых в стенках буровых скважин. Данный способ исследования свойств грунтов относится к полевым методам исследования горных пород и выполняется в процессе бурения инженерных скважин.

Прессиометрические испытания производятся путём нагнетания давления в эластичную камеру, размещаемую на определенной глубине в буровой скважине, и замере возникающих при этом деформаций изучаемой породы. Прессиометрический метод позволяет определить деформацию горных пород в инженерно-геологических скважинах с помощью эластичного или жесткого цилиндрического штампа.

Прессиометрические испытания имеют много преимуществ:

• с их помощью можно изучать свойства практически любых грунтов: от скальных до дисперсных;
• испытания можно проводить в скважинах на глубинах до 50 м;
• возможно проводить измерения модуля деформации в любом направлении, что определяется расположением пробуренной скважины;
• метод относится к категории экспресс, продолжительность одного эксперимента обычно составляет 30 минут;
• при проведении опыта не нужно бурить инженерно-геологические скважины большого диаметра;
• оборудование для проведения опытов достаточно компактное;
• стоимость опыта меньше, по сравнению со штамповыми испытаниями.

Недостатками прессиометрического метода считаются трудности при проведении испытаний в инженерно-геологических скважинах с обрушающимися стенками и изучение свойств грунтов с анизотропными свойствами, когда модуль деформации необходимо определять в перпендикулярном к обычному направлению.

Российское оборудование: Электровоздушный радиальный прессиометр ПЭВ-89МК. Прессиометр электровоздушный ПЭВ-89МК предназначен для полевых испытаний грунтов в скважинах боковым давлением, в соответствии с ГОСТ 20276–99 «Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости.»

Система измерения деформаций стенок скважины электрическая, с индуктивными датчиками перемещений. Система  создания давления пневматическая, с  редукционным клапаном и ресивером  для стабилизации величины давления на ступени. Измерение давления в  зонде электрическим манометром и образцовым манометром кл. точности 0.4. Измерительный прибор (контроллер) — цифровой, двухканальный (датчики перемещений и датчик давления) с функциями сохранения и передачи опытных данных в ПК для обработки.

Результаты испытаний  используются для определения деформационных характеристик нескальных, немерзлых грунтов (модуля деформации грунта Е, МПа) (ЗАО «Геотест», Екатеринбург – 455 тыс. руб.).

 

Описание метода прессиометрических испытаний грунта

Существо метода заключается  в приложении давления к грунтам, вскрытым в стенках скважины, и  измерении их деформации (рис. 1). В скважину опускают камеру прессиометра с эластичными стенками. Затем рабочую камеру заполняют водой (гидравлический прессиометр) и создают давление при помощи газа. Деформацию грунта измеряют мерным цилиндром; получают среднюю величину деформации рабочей камеры. В конструкциях пневмоэлектрических прессиометров (например, ИГП-21) деформации измеряют при помощи датчиков-преобразователей в трех точках центрального сечения снаряда, расположенных под углом 120°.

В результате проведения прессиометрических испытаний получают график вида d = f(P) зависимости изменения диаметра камеры прибора от давления, называемый прессиометрической кривой. Этот график аналогичен (по своей форме и содержанию) графику осадки штампа в зависимости от прилагаемой удельной нагрузки. На графике выделяется два участка: участок прямолинейной и участок криволинейной зависимости деформаций от напряжений. Характерными точками кривой, изображенной на графике, являются критические нагрузки, соответствующие пределу пропорциональности Pe и пределу прочности грунта Pt.

Предел пропорциональности Pe отвечает нагрузке, при которой нарушается линейная зависимость между деформациями и напряжениями. Предел прочности Pt соответствует такому минимальному давлению, при котором деформации неограниченно возрастают во времени. Каждый из участков прессиометрической кривой отвечает определенной фазе деформирования грунтов в ходе испытаний. Участок деформаций, пропорциональных нагрузке, отражает в известной мере процесс уплотнения грунтов и, следовательно, характеризует их сжимаемость. Участок криволинейной зависимости между деформациями и напряжениями отражает в основном процесс разрушения грунта в зоне влияния прессиометра. Этот процесс начинается с возникновения микросдвигов в отдельных точках массива при P = Pe и завершается образованием сплошной поверхности сдвига и выпиранием грунта в скважину при P = Pt.

Таким образом, участок прессиометрической кривой, заключенный между критическими нагрузками Pe и Pt, может служить характеристикой прочностных свойств испытуемого грунта.

Прессиометры (приборы для создания бокового давления) предназначаются для определения прочностных и деформационных показателей грунта в скважинах небольшого диаметра (от 57 до 143 мм).

Прессиометр любой конструкции  состоит из двух частей: зонда (снаряда), опускаемого в скважину, и измерительной  аппаратуры, расположенной на поверхности  земли близ испытуемой скважины.

Измерительная аппаратура включает в себя манометры для измерения  давления, создаваемого в камере, а  также специальные приборы, регистрирующие деформации стенок скважины.

Зонд представляет собой  металлический стержень с натянутой  на него резиновой «рубашкой», плотно закрепленной по торцам (рабочая камера прибора). При увеличении давления внутри зонда диаметр резиновой оболочки может быть увеличен в 2-2,2 раза.

Конструкции прессиометра	Максимальное давление на породу, кг/см2	Точность измерения давления от верхн. предела измерений, %	Точность измерения деформаций, мм	Максимальная глубина проведения испытаний, м	Диаметр скважины, км	Интервал глубины скважины на котором приложено давление	Вес прибора	Примечание (область применения прибора)
Трехкамерные
Прессиометр Л. Менара	20-500	1-4	0,0001	50	32-115	450-600	До 100	От рыхлых до скальных
Прессиометр ГПИ Фундаментпроект ПС-1	8	±4	±1	15	110	500	До 100	Для песчано-глинистых
Прессиометр Уральского политехнического института П-89	5	±4	Нет данных	5	89	400	20	-«-
Однокамерные
Макет малого прессиометра ВСЕГИНГЕО	5	±1,5	Нет данных	5	32	550	10	-«-
Прессиометр НИИОСП	250		0,0003	5	46	750	3,5	Для скальных грунтов
Прессиометр ИГП-21 конструкции СКБ-ВСЕГИНГЕО	24	±4	±3,0	25	108	500	До 100	Для рыхлых грунтов

По конструктивным особенностям существующие прессиометры в зависимости от устройства зонда можно разделить на две группы (табл.). К первой группе относится трехкамерные приборы, которые являются модернизацией прессиометра Л. Менара, запатентованного во Франции в 1957 г. Это прессиометры конструкции ГПИ Фундаментпроект ПС-1, Уральского политехнического института (УПИ) - П-89, ЦНИИС Минтрансстроя. Ко второй группе относятся однокамерные прессиометры конструкции НИИОСП для скальных пород и прессиометр ИГП-21 для песчано-глинистых пород. Принципиальное различие между приборами обеих групп состоит в том, что в трехкамерных приборах радиальные деформации грунта определяют расчетом по изменению объема рабочей камеры зонда, в то время как в однокамерных измеряют линейные деформации в отдельных точках центральной части камеры прибора. Для измерения радиальных деформаций в однокамерных приборах использует электрические датчики, а для измерения объемных деформаций в трехкамерных приборах применяется гидравлическая схема.

Зонд трехкамерных приборов состоит из одной рабочей и двух вспомогательных камер, расположенных по обе стороны от рабочей камеры (рис. 1).

Рис. 1. Схема  прессиометра конструкции Фундамент  проекта.

1 — баллон  со сжатым газом; 2 — кран нагнетания  воды; 3 — кран остановки давления; 4 — выпускной кран; 5 — кран  для подачи газа; 6 — соосная  нагнетательная труба; 7 — измерительный  цилиндр; 8 — напорный шланг; 9 —  рабочая камера; 10 — вспомогательная  камера

 

Технические характеристики скважинные прессиометров

Параметр          Значение

Давление в газовом  баллоне, МПа      до 12,0

Максимальное давление на грунт, Мпа      до 2,5

Точность измерения деформации, мм      ±1

Точность измерения давления от верхнего предела измерения, %  + 1

Диаметр рабочей камеры, мм       76-127

Диаметр скважины при использовании  разных камер, мм   108-146

Максимальная глубина  проведения испытаний, м    до 50

Производительность, опытов в смену      до 20

Масса приборов, кг         до 100

 

Определение величины деформаций производится лишь по средней камере, вспомогательные  камеры служат для поддержания цилиндрического  поля напряжений вокруг рабочей камеры, а также для предупреждения деформирования эластичных мембран, отделяющих рабочую  камеру от вспомогательных.

Перед опытом камеры прессиометра заполняют рабочей жидкостью (водой, маслом). Изменение уровня жидкости в центральной камере соответствует  изменению ее объема в ходе опыта.

Измерительная установка  трехкамерного прессиометра состоит из двух мерных цилиндров, двух манометров и баллона со сжатым газом для создания давления в камерах зонда. Один из мерных цилиндров соединен шлангами со средней камерой. Он служит для передачи давления и измерения объемных деформаций рабочей камеры. Другой мерный цилиндр соединен со вспомогательными камерами и служит только для создания рабочего давления.

 

Рис. 2. Схема прессиометра ИГП-21 конструкции СКБ - ВСЕГИНГЕО

 

1 - баллон со сжатым воздухом, 2 - редуктор, 3 - кран выпускной, 4 - манометр, 5 - блок измерений, 6 - амперметр, 7 - лебедка, 8 - воздушный шланг, 9 - электрокабель, 10 - металлические оголовки для предотвращения выпора грунта в скважину, 11 - эластичная рабочая камера зонда

В однокамерных приборах (рис. 2) зонд прессиометра имеет лишь одну рабочую камеру с деформаторами, расположенными в центре камеры. Измерительная установка в таких приборах представлена датчиками, преобразующими механическую энергию, затрачиваемую на расширение камеры, в электрическую. Изменение силы тока или напряжения в электрической цепи в ходе опыта фиксируется на поверхности соответствующими приборами (вольтметром или амперметром), проградуированными в единицах измерения диаметра камеры прибора.

Давление в однокамерных приборах создается сжатым газом.