Дослідження деформаційних властивостей гірських порід у свердловинах з
застосуванням прессіометров
Це
один із сучасних і вже досить широко застосовуваних методів вивчення
деформаційних властивостей гірських порід. Сутність його та ж, що і методу випробування
гірських порід пробними статичними навантаженнями. Вона полягає в дослідженні
змін деформації гірських порід, що складають стінки свердловин, при впливі на
них зростаючих ступенів навантаження.
Ці
дослідження проводять за допомогою спеціального приладу бічного тиску --
прессіометра, що представляє собою циліндр (камеру) з еластичними стінками
(рис.1). Його встановлюють у свердловині і під впливом тиску рідини
(гідравлічний прессіометр) чи газу (пневматичний прессіометр), нагнітається
в камеру, виробляють ущільнення гірських порід в стінках свердловини і одночасно
визначають значення діючого тиску та деформації гірських порід. За даними
вимірювань обчислюють значення модуля загальної деформації Е о.
Прессіометріческій
метод можна застосовувати для дослідження деформаційних властивостей будь-яких гірських порід --
скельних, напів-скельних, пухких незв'язних і м'яких зв'язкових, але найбільш часто
його застосовують при вивченні властивостей піщаних і глинистих порід. Прикладом цього
методу для дослідження скельних порід можуть служити дослідження пісковиків і
діабазів, що залягають в основі Братської ГЕС.
На
графіку, виражає залежність? r = f (p) (див. рис.2) зазвичай виділяють два
ділянки, що відображають різні стадії деформації гірських порід під впливом
на них навантаження. Перша ділянка BC відповідає стадії їх ущільнення і
практично висловлює лінійну залежність деформації від навантаження. Тиск р п
- Межа пропорції-нальності - є межею можливого використання
лінійної залежності деформації гірських порід. За перші ділянці кривої і
обчислюють значення модуля деформації. Друга ділянка CD характеризує
криволінійну залежність розвитку деформації гірських порід і означає початок і
розвиток їх руйнування в зоні дії навантаження. Тиск р maxявляется
межею міцності гірських порід.
В
даний час відомо досить багато конструкцій прессіометров. Ідея цього
приладу і методика випробувань гірських порід у свердловинах вперше були запропоновані в
1930 р
. російським інженером шляхів сполучення А.А. Ктаторовим. Зараз найбільш широко
застосовуються прессіометри конструкцій ДПІ Фундаментпроект, Уральського
політехнічного інституту ім. С.М. Кірова, НДІ підстав і підземних
споруд та ін
Кожен
прессіометр складається з власне прессіометра - циліндра-камери,
яка встановлюється безпосередньо в свердловині, вимірювальної апаратури,
що включає технічні пристрої для подачі тиску (навантаження) до робочої
камеру прессіометра, і приладів для вимірювання тиску і деформацій гірських
порід. Прессіометр та вимірювальна апаратура пов'язані між собою шлангами, а
деякі з них ще й електричними дротами.
Вище
вже було зазначено, що залежно від способу створення зусиль (тиску) в
робочій камері прессіометри бувають гідравлічного або пневматичного
дії. При цьому вимірювання деформацій гірських порід виробляють або за
зміни обсягу робочої камери, або щодо зміни її діаметра з допомогою
електричних датчиків, що встановлюються всередині робочої камери.
При
підготовці до прессіометріческім випробувань необхідно детально вивчити геологічний
розріз по кожній дослідній свердловині і геологічно обгрунтувати виділення шарів,
зон або підзон гірських порід, що підлягають випробуванням. Виділення інтервалів для
випробувань має грунтуватися на повному обліку особливостей геологічного
розрізу гірських порід, розкритих свердловиною, глибини закладення фундаментів
споруд та розподілу напружень в їх підставі. Випробувань підлягають
головним чином ті верстви і зони гірських порід, які потрапляють у зону впливу
споруди.
В
згідно з технічними даними прессіометров діаметр свердловин повинен бути
від 76 до 127 мм
, Тобто на 10 - 20 мм
більше, ніж зовнішній діаметр прессіометра, а глибина до 15 м, рідко більше. Буріння
необхідно проводити способами, що забезпечують повне збереження
природного додавання і фізичного стану гірських порід в стінках свердловини.
Якщо у геологічному розрізі переважають породи стійкі, буріння свердловин
проводять без обсадкі та випробування порід проводять після закінчення буріння,
починаючи з нижніх горизонтів. Якщо у геологічному розрізі переважають
нестійкі породи, їх випробування проводять в процесі буріння. У цьому випадку
свердловину бурят з обсадкой трубами до необхідної глибини, на яку опускають
прессіометр. Потім обсадні труби піднімають і виробляють обтиснення порід у
стінках свердловини. У такій послідовності досліджують деформаційні властивості
порід у процесі буріння свердловини.
Рис.
2. Графік залежності деформацій гірських порід від діючої навантаження при
прессіометріческіх випробуваннях.
АО --
розширення камери прессіометра до з-дотику зі стінками свердловини; АВ --
обтиснення нерівностей поверхні стінок свердловини; нд - ущільнення породи під
дією бічного тиску (фаза ущільнення порід); CD - помітний розвиток
зрушень в породі (фаза помітного руйнування породи);? r Н, р Н - приріст
радіусу прессіометра і тиску, відповідні моменту завершення обтиску
нерівностей стінок свердловини;? r п, р п - збільшення радіусу прессіометра і
тиску, відповідні межі пропорційності деформацій гірських порід
від діючого тиску
Випробування
кожного шару, зони і підзони порід виробляють зростаючими ступенями навантаження
по 0,1 - 0,25 кгс/см 2, якщо вони мають малу та середню щільність, і по 0,5 --
1,0 кгс/см 2 при щільному складання. Кожна ступінь тиску створюється протягом
1 - 2 хв і витримується до умовної стабілізації деформації, тобто коли вона
не перевищує 0,1 мм
за 30 хв у піщаних порід і за 1 год - у глинистих. Спостереження за деформаціями
проводять в перші 15 хв в піщаних породах і 30 хв - у глинистих,
відповідно через кожні 5 і 10 хв і згодом відповідно через
кожні 15 і 30 хв до умовної стабілізації деформацій.
При
визначенні тиску на стінки свердловини при роботі з гідравлічним прессіометром
рекомендується до тиску, яка вимірюється манометром, додавати тиск стовпа
води від рівня манометра до середини робочої камери прессіометра. При установці
гідравлічного прессіометра на глибині більше 10 - 15 м цей стовп води може
створити значний тиск на стінки свердловини, коли ще неможливо виміряти
деформацію порід. У слабких породах ці деформації можуть бути значними.
Тому гідравлічні прессіометри недоцільно застосовувати при випробуваннях
порід на значних глибинах і особливо в слабких, податливих породах.
Інформація
для статті запозичена з книги: Ломтадзе В.Д. "Інженерна геологія.
Спеціальна інженерна геологія. "Л, Недра, 1978
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.geoda.ru/
