Отбор образцов грунта с ненарушенной структурой из скважин

Отобрать из скважины образец грунта с полностью ненарушенной структурой практически невозможно. Некоторая деформация образцов грунта оказывается неизбежной даже при самом тщательном проведении работ по отбору образцов. Извлечение образца из окружающей толщи грунта приводит к изменению первоначального напряженного состояния на его границах, а это, в свою очередь, также может вызвать соответствующую деформацию грунта в образце, если не будут использованы специальные предохранительные меры. Таким образом, термин «образец грунта с ненарушенной структурой» отвечает такому образцу, структура которого нарушена столь незначительно, что он может быть использован для лабораторного определения прочностных и компрессионных характеристик, соответствующих естественному грунту in situ без каких-либо имеющих практическое значение отклонений.

С течением времени методы отбора образцов с ненарушенной структурой претерпели значительные видоизменения и усовершенствовались. В 30-х годах делался упор на улучшение конструкции грунтоносов с целью удержания в них отобранных образцов грунта при их извлечении на поверхность. Для этого на режущей коронке некоторых грунтоносов размещалась проволочная петля, с помощью которой, оперируя с поверхности, можно было отделять образец от подстилающего его массива и подрезать его снизу. В других грунтоносах предусматривалась возможность нагнетания воздуха в несколько разреженное пространство, которое образовывалось под грунтоносом, как только начинался его подъем (см. рис. 12.10); это устраняло возможность присасывания нижнего торца образца к породе. В результате таких изменений конструкций появились относительно толстостенные грунтоносы. Как видно, они погружались в грунт способом, который теперь используют только для «сухого» отбора образцов (см. рис. 12.6).

Обширные исследования М. Дж. Хворслева в области проблемы отбора образцов с ненарушенной структурой, продолжавшиеся в течение 10 лет, привели к широкому применению тонкостенных грунтоносов, показанных на рис. 12.7,б и в. Исследования Хворслева показали, что наилучшие результаты достигаются в тех случаях, когда грунтоносы не забиваются, а вдавливаются в грунт (рис. 12.8) и когда их так называемый коэффициент площади Cа, т. е. отношение площади сечения грунтоноса к площади собственно образца грунта, сводится до минимума. По рис. 12.9 имеем:

В результате исследований Хворслева были разработаны тонкостенные грунтоносы и трубчатые грунтоносы Шелбай (см. рис. 12.7,б).

Эти грунтоносы выпускаются с трубками трех размеров внутренним диаметром 2; 2,8 и 3,37 дюйма. Длина их варьирует от 18 до 30 дюймов; более короткая длина соответствует их меньшему диаметру. Очевидно, что для трубок среднего размера достаточна длина 24 дюйма. Делались попытки использовать для некоторых грунтов трубки длиной до 54 дюймов безотносительно к их диаметру. Можно предположить, что облегчение отбора из толщи целой колонки грунтов, достигаемое в этом случае, не всегда удовлетворяло автора, так как тонкие длинные трубки увеличивал* деформацию образцов вследствие возрастания трения вдоль внутренних стенок трубки.

Для того чтобы уменьшить это трение, нижнее входное отверстие трубки грунтоноса слегка суживается (рис. 12.9). Это снижало при отборе образца трение по его внешней цилиндрической поверхности и ослабляло вызываемое им нарушение, но создавало одновременно нежелательный противоположный эффект, допуская в последующем расширение образца. Чтобы добиться оптимального соотношения между этими двумя взаимно противоречивыми факторами, Хворслев рекомендует для большинства грунтов и грунтоносов значения коэффициента внутреннего клиренса Сi, не превышающие 1,6%.

Отметим, что

Тонкостенные трубки грунтоносов делаются из стали или из латуни. Стальные трубки менее подвержены деформации при их вдавливании в твердые грунты, но легко подвергаются коррозии. Латунные трубки легче поддаются обработке в лаборатории, когда необходимо отрезать часть трубки и образца для проведения испытания, сохраняя остальную их часть нетронутой.

По мере того как трубка грунтоноса погружается в грунт на глубину Я, некоторая часть грунта может быть отдавлена вбок и вверх. В конечном результате длина L образца в грунтоносе может быть меньше, чем глубина H (см. рис. 12.10). Отношение L/H называется коэффициентом выхода. Для отделения образца от массива грунта по плоскости нижней кромки грунтоноса обычно бывает достаточным прокручивание буровой штанги на 360°. Действие шарового клапана, помещаемого в его верхней части (см. рис. 12.7,б), предотвращает выпадение образца из грунтоноса при его извлечении на поверхность. Образцы почти во всех случаях достаточно быстро расширяются в боковом направлении по меньшей мере на части своей длины, что ведет к их прилипанию к стенкам трубки. Это обстоятельство также способствует удержанию образцов в грунтоносе при его извлечении на поверхность.

В тех случаях, когда этого оказывается недостаточным, прибегают к применению грунтоносов стационарно-поршневого типа. На рис. 12.7,б показано положение поршня перед началом отбора образца. В таком виде грунтонос опускают на забой скважины и ставят на грунт. Шток поршня закрепляют на поверхности в месте его выхода из буровой штанги. После этого трубку грунтоноса вдавливают в грунт с помощью буровой штанги. Под давлением образца, входящего в трубку грунтоноса, поршень перемещается вверх, где он и остается на месте. При извлечении грунтоноса из толщи любому смещению поршня относительно трубки препятствует конический запор штока поршня.

Грунтоносы стационарно-поршневого типа были впервые применены в Швеции. Глины там зачастую весьма пластичны, их сопротивление сдвигу (q/2) нередко варьирует в пределах 0,1—0,2 т/фут2. В таких пластичных глинах использование стальных обсадных труб нецелесообразно, так как эти глины способны выдавливаться в них под весом перекрывающей толщи грунта. Вместе с тем грунтонос стационарно-поршневого типа может быть вдавлен в толщу пластичных глин до уровня, где желательно произвести отбор образца. Допускается заполнение скважины глинистой массой с охватом ею буровой штанги, причем грунтонос оказывается погребенным под этой массой. Затем шток поршня закрепляют на поверхности, а трубку грунтоноса вдавливают в грунт на глубину, достаточную для заполнения нижней половины трубки глиной. Глина при этом уже не будет отдавливаться в стороны и структура ее не будет нарушаться при вдавливании поршневой трубки в толщу. В таких случаях может возникнуть необходимость в использовании грунтоносов с длинными трубками.

Безотносительно к типу используемого грунтоноса вместо стальных обсадных труб на юге Соединенных Штатов зачастую применяют буровой раствор. Этот способ заимствован из практики бурения скважин в нефтяной промышленности. Тяжелый раствор имеет такой состав, что его боковое давление оказывается достаточным для предотвращения обрушения или значительной деформации стенок скважины.

Хворслевым были выполнены исследования по эффективности различных типов грунтоносов для отбора образцов из толщи ленточных глин. Фотографии этих образцов в частично высушенном состоянии дают достаточно отчетливое представление о природе возможной деформации образцов при их отборе из толщи. Фотографировать такие образцы следует, после того как менее тонкозернистые прослойки в грунте несколько подсохнут, в результате чего их первоначально темный цвет приобретает более светлую окраску, но еще до того, как такой процесс затронет глинистые прослойки из тонкозернистого материала.

Эта методика должна использоваться для всех грунтов с ленточной текстурой в качестве обычного лабораторного контроля при отборе образцов, пригодных для прочностных и компрессионных испытаний. Очень удачно, что такое фотографирование лучше всего характеризует состояние образцов ленточных глин, структура и текстура которых нарушаются весьма легко.

На рис. 12.11 показан образец в очень хорошем состоянии, отобранный тонкостенным грунтоносом. Текстура образца носит горизонтальный характер, и поэтому для характеристики грунта достаточна фотография только вертикального среза (вид сбоку). Горизонтальные срезы будут во всех случаях проходить через одну и ту же из последовательных прослоек и поэтому будут характеризоваться одной и той же окраской.

Природная ленточная текстура с некоторым углом падения на действительно ненарушенном образце найдет отражение в параллельных линиях как на вертикальном, так и на горизонтальном срезе образца. Вид такого образца, отобранного с помощью тонкостенного грунтоноса, показан на рис. 12.12. С другой стороны, любое нарушение, возникшее в результате отбора образца из толщи, будет выявляться на вертикальном и горизонтальном срезах в виде кривых линий (см. рис. 12.13).

Метод частичного подсушивания образцов с последующим фотографированием плоскостей среза зачастую может давать ценные сведения о грунте, касающиеся не только состояния образца. Так, например, из фотографии, приведенной на рис. 12.14, видно, что глина на глубине 32 фута подвергалась в прошлом высушиванию.

При отборе образцов с ненарушенной структурой желательно выполнять следующие меры предосторожности. Перед отбором образца весь шлам (разрыхленный и нарушенный в процессе проходки грунт) должен быть удален из обсадных труб вплоть до уровня их режущей кромки. Для этой цели может использоваться специально спроектированная очистительная желонка, действующая с помощью струи воды под давлением. Тем не менее в качестве дополнительной меры предосторожности желательно проводить лабораторные испытания грунта на прочность и деформируемость, используя только нижнюю часть образца. После того как грунтонос будет извлечен на поверхность, заполненная грунтом трубка отделяется от своего оголовка. Эта трубка будет служить для образца в качестве контейнера. Весь разрыхленный грунт из верхней части образца должен быть удален. В нижней части образец должен быть обрезан на 1/4 дюйма. Пространство между торцами трубки грунтоноса и поверхностью образца, заключенного в трубке, заполняется затем расплавленным парафином. Эту операцию проводят сначала у нижнего торца трубки. После того как парафин несколько остынет, между кромкой парафина и стенками трубки обычно обнаруживаются едва заметные усадочные трещинки. Тогда по всей кромке парафина прорезается бороздка треугольного сечения глубиной 3/16 дюйма и сразу же заполняется расплавленным парафином с тем, чтобы залить усадочные трещинки. При этом очень важно тщательно удалить из заполненного парафином пространства все остатки увлажненного грунта, который мог прилипнуть к внутренним стенкам трубки еще до парафинирования. Парафином заполняют также всю верхнюю часть трубки, не доходя на 1/2 дюйма до наиболее низко расположенного отверстия для винтов, которыми трубка крепится к оголовку грунтоноса. Затем на концы трубки надеваются специально изготовленные тщательно подогнанные латунные крышки. Стыки между этими крышками и трубкой, а также гнезда для винтов должны быть загерметизированы слоями изоляционной ленты, укладываемыми внахлестку. Лента должна быть покрыта олифой или лаком с захватом примыкающей поверхности металла. При выполнении этих условий можно надеяться, что образец глины полностью сохранит свою влажность в течение нескольких недель или даже месяцев.

Отбор из толщи образцов песка представляет собой особую проблему. Иногда у нижней части грунтоноса с целью удержания песчаного образца в трубке при его извлечении на поверхность, из толщи ниже уровня воды устраивают во избежание высачивания песка из трубки клапаны различного вида. Все мероприятия такого рода приводят к увеличению толщины стенок трубки и, следовательно, к еще большему нарушению структуры образца песка. Используя две предложенные в последнее время рекомендации по усовершенствованию этих операций, можно отчасти преодолеть эту трудность. Первая из них первоначально была опробована в Виксбурге и описана Хворслевым. Было установлено, что образцы песка удерживались в грунтоносах диаметром до 5 дюймов при условии, что скважина заполнялась вязким буровым раствором. Очевидно, раствор проникал на некоторую глубину в толщу образца с поверхности песка, и на образце образовывалась обладающая сцеплением оболочка, достаточная для того, чтобы предотвратить просачивание из грунтоноса отдельных зерен песка. Остальная часть образца песка могла в этом случае удерживаться в трубке за счет арочного эффекта. Вторая рекомендация зародилась в Англии и была описана Бишопом. Специальный цилиндр, устанавливаемый в забое скважины, охватывал трубку грунтоноса. Для того чтобы удалить воду из цилиндра, использовался сжатый воздух. Таким образом, во время извлечения заполненной трубки грунтоноса ее нижний торец не находился больше в воде. Кажущееся сцепление, возникающее на уже не полностью насыщенной нижней поверхности песка, способствовало в этом случае удержанию образца на месте.

С помощью этих методов обеспечивается сохранение естественной текстуры песка. Однако остается открытым вопрос, будет ли изменяться его плотность в результате вдавливания трубки в песок, особенно если он находился первоначально в рыхлом состоянии. Ту же цель преследует метод, предложенный Фолквистом. Метод заключается в замораживании дна трубки для удержания образцов песка. Так как замораживание проводится после того как грунтонос вдавлен в песок, происходит «замораживание» всех нарушений. Попытки вначале заморозить песок вокруг дна обсадной трубки и уже потом отбирать монолит до сих пор, по-видимому, не удалось осуществить. Отбор образцов таким способом трудоемок и неэкономичен. По этой причине наиболее надежным методом оценки естественной плотности песков in situ является их испытание на пенетрацию.