Изучение деформационных и прочностных свойств грунтов прессиометрическим методом. Прессиометрические испытания.

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.

Первые попытки применения этого метода относятся к тридцатым годам двадцатого века и принадлежат русскому специалисту А.А. Ктаторову. Широкое распространение метод получил начиная с шестидесятых годов, когда Луи-Менаром в 1957 году была разработана установка для испытания механических свойств пород в скважинах, которую он назвал прессиометром. Компания АО "ИНЖЭКО ЦЕНТР" использует прессиометр ПЭВ-89МК конструкции ЗАО "ГЕОТЕСТ" г. Екатеринбург. Обработка результатов прессиометрических испытаний выполняется с помощью программы PRESS.PW.MA (производство ЗАО "ГЕОТЕСТ").

Прессиометрические испытания можно применять для оценки деформационных свойств изотропных пород, мощность которых превышает длину камер прессиометра. При резкой анизотропии свойств по мощности или по простиранию нужно располагать количественными характеристиками анизотропии.

В основу теоретического обоснования прессиометрического метода положены общепринятые представления о деформировании грунтов под штампом. При увеличении давления, которое оказывает прессиометр на стенки скважины, горная порода проходит три стадии деформирования: уплотнение, локальные сдвиги и разрушение. Для упрощения расчетных схем условно принимают, что грунт проходит две стадии деформирования: уплотнения, характеризующуюся линейной зависимостью деформаций от напряжений; и разрушения, с фазами локальных сдвигов и криволинейной зависимостью между деформациями и напряжениями.

Для определения модуля деформации используется решение Лямэ для толстостенной бесконечно длинной равномерно загруженной изнутри трубы. При этом полагают, что внутренний радиус трубы r равен радиусу скважины, а внешний радиус трубы R соответствует зоне влияния прессиометра в массиве. Перемещение в радиальном направлении точки, лежащей на внутренней поверхности трубы, для условия R →∞, при котором на внешней поверхности трубы давление становится равным нулю, определяется выражением

U= (1+v)∙r ∙P/E

где P - давление на внутренней поверхности трубы, МПа;
r - внутренний радиус трубы, см;
E - модуль упругости, МПа;
v - коэффициент Пуассона, равный для песка 0.30, для супеси – 0.32, для – суглинка – 0.35, для глины – 0.42.

Отсюда применительно к прессиометрическим испытаниям можно записать выражение для определения модуля деформации:

U= (1+v)∙d∙ΔP/ΔE

где d - начальный диаметр скважины, см, равный диаметру прессиометра плюс перемещение оболочки или лопастей до упора в стенку скважины и перемещение за счет обжатия неровностей;
ΔР - приращение давления на участке пропорциональности напряжений и деформаций;

ΔU - приращение деформаций на том же участке.

Эта формула является основной для определения модуля деформации пород прессиометрическим методом.

Теоретическое решение предполагает, что в полупространстве происходит расширение бесконечно длинной трубы. Однако опускаемый в скважину прессиометр имеет конечные размеры, что приводит к возникновению концентрации напряжений в краевых частях интервала приложения нагрузки (см. рис.1). Поэтому прессиометры, как правило, имеют три камеры — рабочую и две вспомогательные, что обеспечивает симметрию и однородность цилиндрического поля напряжений, возникающего вокруг рабочей камеры. В процессе испытаний во всех трех камерах создается одинаковое давление, но о деформациях пород судят по изменению объема только рабочей камеры, так как в этом случае деформации в наибольшей степени отвечают теоретическому решению.

На рисунке 1 показано распределение радиальных напряжений в массиве пород справа от камеры прессиометра (слева распределение аналогично): 1 - рабочая камера; 2 - вспомогательные камеры; 3 - изолинии и величина радиальных напряжений.

По способу передачи давления на стенки скважины прессиометры делятся на три группы:

1. гидравлические (ПС-1, Д-76), в которых давление на грунт создается с помощью жидкости (воды или масла);
2. пневматические (ИГП-21, ПЭВ-89), где давление на грунт передается с помощью сжатого газа;
3. механические (ЛПМ-14, ЛПМ-14С, ЛПМ-15А), с помощью которых давление на грунт передается раздвигающимися лопастями.

Приведенные в таблице 1 приборы могут быть использованы для опробования песчано-глинистых пород. Для изучения деформационных свойств скальных и полускальных пород необходимы прессиометры, позволяющие создавать большие давления (до 5 МПа).

Принципиальная схема гидравлического прессиометра представлена на рис.2:

1 - баллон со сжатым газом; 2 - редуктор; 3 - манометр; 4 - водомерный цилиндр; 5 - кран-тройник; 6 - бак для воды; 7 - шланги; 8 - рабочая камера; 9 - вспомогательные камеры.

Некоторые конструкции механических лопастных прессиометров позволяют определять не только деформационные, но и прочностные характеристики песчано-глинистых пород (прессиометр-сдвигомер ЛПМ-14С). В таких прессиометрах распорные штампы имеют специальные грунтозацепы, а сам прессиометр дополнительно оснащается сдвиговым устройством гидравлического принципа действия (домкратом).

Деформационные свойства скальных и полускальных пород изучаются гидравлическими и пневматическими прессиометрами. Деформационные свойства песчано-глинистых пород могут быть изучены как с помощью гидравлических или пневматических, так и механических лопастных прессиометров.

Для проведения испытаний в песчано-глинистых породах бурятся скважины на заданную глубину строго вертикально ручным или механическим способом. Бурение следует вести в сухую, сохраняя естественную влажность пород, и на малых оборотах, так как порода в стенках скважины должна быть как можно меньше нарушена в процессе бурения. Интервалы, намеченные для опробования, рекомендуется проходить обуривающим или забивным грунтоносом. Превышение диаметра скважины над диаметром зонда прессиометра не должно быть больше 10÷15 мм. Разрыв во времени между окончанием проходки скважины и началом опытов допустим не более 1÷2 ч при испытании грунтов, залегающих выше уровня подземных вод, и 15 мин при испытаниях под водой. В водонасыщенных породах проходка скважины проводится с обсадкой трубами с внутренним диаметром на 5÷10 мм больше диаметра камеры прессиометра. Для проведения испытания в скважину, обсаженную трубами, опускают камеру или рабочий наконечник прессиометра, а обсадные трубы поднимают на высоту, равную длине камеры или распорного штампа прессиометра.

Минимальная мощность слоя, который может быть опробован, должна быть не менее 1.5 длины зонда прессиометра. В зависимости от сложности разреза проводят испытания каждой литологической разности пород или в случае однородной толщи через определенные интервалы по глубине: в плотных глинистых породах через 1.0÷1.5 м, в пластичных - через 1.5÷2.5 м. Бурение скважин сопровождается отбором образцов для определения объемной массы, влажности и т.п.

Для проведения испытаний в скальных породах скважины бурятся как с поверхности, так и из подземных горных выработок, при этом они могут быть как вертикальными, так и пробуренными в любом направлении. Последнее позволяет изучать деформационные свойства скальных пород в интересующем исследователя направлении, перпендикулярном пробуренной скважине.

Монтаж прессиометра и тарировка (если последняя необходима) зонда проводятся в соответствии с инструкцией по эксплуатации установки.

Прессиометрические испытания представляют из себя приложение определенных нагрузок и измерение вызванных ими деформаций.

При изучении деформационных свойств пород давление повышают ступенями. Величина ступени нагружения зависит от свойств исследуемых пород и приводится в табл. 2 (в соответствии с ГОСТ 20276-99).

В гидравлических прессиометрах при определении величины давления на стенку скважины независимо от обводнённости необходимо к давлению, измеряемому по манометру, добавить гидростатическое давление столба жидкости в гидромагистрали прессиометра. Высота столба жидкости равна расстоянию от середины рабочей камеры зонда до уровня жидкости в водомерной трубке, где установлен манометр. В механических лопастных прессиометрах давление на породу создается с помощью нагрузочного устройства рычажного принципа действия аналогично тому, как это осуществляется в компрессионных или сдвиговых приборах.

Время приложения следующей ступени нагрузки определяют по затуханию деформаций породы от предыдущей ступени нагружения. На каждой ступени нагружения добиваются стабилизации деформации горной породы. Условной стабилизации отвечает момент времени, соответствующий резкому снижению приращений деформаций, после которого их величина равномерно и слабо уменьшается.

Величина ступени давления при прессиометрических испытаниях грунтов (Таблица 2).

Условная стабилизация считается достигнутой, если радиальные перемещения стенки скважины за 1 ч не превышают 1 мм. Практически это означает, что в среднем за 6 мин деформации не должны превышать 0.1 мм. Поэтому деформации замеряют через каждые 2÷8 мин, в зависимости от свойств изучаемых пород и конструкции прибора. Обычно время стабилизации на каждой ступени нагружения составляет от 10÷15 мин до 30÷40 мин, реже до 1÷2 ч. Следующую ступень нагрузки задают после достижения стабилизации деформации.