Грунтонос «Делительная гильза» и метод полевого определения им плотности грунтов

В практике инженерно-геологических изысканий существуют методы отбора монолитов грунта специальными грунтоносами по разработанным методикам и ГОСТам (ГОСТ 12071-2000). Однако ни один из используемых грунтоносов не в состоянии обеспечивать определение плотности грунтов непосредственно в полевых условиях или реально проводить отбор монолитов из крупнообломочных грунтов и грунтов с высоким содержанием обломочного материала.

Основываясь на положении  нормативных документов о допущении применения собственно разработанных методов и способов выполнения некоторых видов инженерных изысканий в дополнение к существующим, подтвержденным и проверенным практикой, группой специалистов разработан грунтонос специфической конструкции «Делительная гильза», который может применяться для любых типов грунтов, в том числе и в сыпучих песках, супесях, суглинках, глинах с различным количеством обломочного материала; в гравийных и галечниковых грунтах с любым типом заполнителя. Главное назначение предлагаемого инструмента – обеспечить полевое определение плотности любых видов грунтов на различных интервалах глубин инженерно-геологических скважин при изысканиях. Грунтонос назван делительной гильзой потому, что он как бы разделяет извлеченный при бурении керн грунта в заданном интервале разреза по глубине (см. ниже).

Сущность метода. Инструмент представляет собой духразъемную трубчатую конструкцию типа колонковой трубы диаметром 110 или 127 мм. Первый разъем – на стыке с буровой коронкой, второй – на расстоянии 200–280 мм (в зависимости от состава грунтов) от первого. Таким образом, в пробоотборном инструменте создается разъемная, делительная, сменная (при необходимости), полая, цилиндрическая гильза, с внешним резьбовым соединением на концах (рис. 1). Снизу на нее накручивается буровая коронка колонкового типа с резцами впотай с внутренним контуром гильзы. Сверху на нее накручивается обычная колонковая труба с отверстием в наголовнике для выхода воздуха и клапаном обратного типа. Резьбы типовая ленточная, длина резьбы 40 мм.

Рис. 1. Конструкция грунтоноса («изделия-44»)

В обычных грунтах керн в делительной гильзе удерживается сцеплением его с боковыми стенками, а снизу – уплотненной пробкой грунта, образующейся при забуривании инструмента по геологическому разрезу, в буровой коронке. Определенную роль играет вакуум, возникающий при подъеме снаряда, когда при заполнении грунтоноса грунтом выталкивается из снаряда воздух, а при подъеме обратный клапан в определенной степени удерживает возможное обратное движение воздуха и в какой-то степени способствует удерживанию грунта.

В таком виде прибор готов к применению, однако по особой методологии проведения работ. Суть ее в том, чтобы каждый рейс бурения с гильзой по ее верхнему краю был всегда ниже глубины предыдущего забоя скважины на 4–5 см для того, чтобы гильзой гарантированно можно было углубиться в ненарушенный горизонт грунта и отсечь при извлечении осыпавшийся в ствол скважины разрыхленный грунт шпателем после разъема гильзы с обеих сторон – снизу буровой коронки (в коронке свои особенности), сверху – накрученной колонковой трубы. После извлечения, разъема и выравнивания грунта по обоим краям гильзы шпателем, гильза с грунтом взвешивается непосредственно на месте производства работ на точных тарированных и поверенных Лабораторией Госнадзора весах. Немаловажным является наличие на делительной гильзе с обеих сторон только наружной резьбы. Внутрь гильзы можно вставлять еще тонкую керноприемную оболочку из пластика (вставной вкладыш), под которую делается внутреннее расширение диаметра гильзы на толщину до 1 мм с упорами по верху и низу. Технология работ при этом несколько видоизменяется. В этом случае тарировка производится только для вставного вкладыша, который каждый раз заменяется на другой, а отобранный вместе с грунтом доставляется при необходимости в лабораторию.

Рис. 2. Взвешивание калиброванной гильзы с грунтом в полевых условиях

Уплотненная пробка грунта отворачивается вместе с буровой коронкой и не участвует в измерениях. От общего веса гильзы с грунтом вычитается вес гильзы, установленный тарировкой до опыта и по соотношению веса грунта и калиброванному объему вычисляется плотность грунта любого гранулометрического состава. Каждой делительной гильзе наносится маркировка пуансоном. Калибровка производится раз в год или чаще при возникающих сомнениях при определениях плотности. Данные калибровки (тарировки) заносятся в специальный журнал. При каждом определении плотности результаты первичных измерений вносятся в полевой журнал документации бурения или записываются электронным способом. Для каждой калиброванной гильзы-грунтоноса возможно составление графиков – номограмм, по которым сразу же можно снимать данные плотности грунта при установленном весе гильзы с грунтом (или по таблице).

Каждое определение плотности грунта делительной гильзой сопровождается дальнейшим углублением буровой скважины колонковым способом. Метод применим как в обсадных скважинах, так и в не закрепленных трубами – при устойчивых стенках ствола выработки. Осыпание грунта в стволе скважины при применении такого инструмента в сочетании со специфической технологии работ не влияет на искажение измерений, поскольку каждый раз гильза внедряется в грунтовый массив в заданный интервал глубин геологического разреза в ненарушенный массив грунта, а возможный прихват осыпавшегося грунта остается всегда выше уровня грунта в гильзе.

Отличительная особенность буровой коронки – это одинаковые согласованные диаметры ее внутренней части по параметрам колонковой трубы и гильзы. Резцы коронок также изготавливаются вровень по внутреннему профилю коронки. Известно, что при бурении грунт на 50 процентов от толщины коронки входит внутрь коронки и столько же расталкивается по стенкам скважины по наружной зоне. Однако существует метод более точного учета этого фактора по соотношению определения плотности грунта с параллельным способом определения другим способом – например, методом лунки, с последующим введением в расчеты поправочного коэффициента.

Рис. 3. Съем гильзы из колонковой трубы. Рядом с трубой – открученная буровая коронка с грунтовой пробкой

Стоимость полевых определений плотности грунтов таким способом может расцениваться комбинированным методом – применительно расценке отбора монолита и «метода лунки», в зависимости от конкретных определений. Тарировка гильзы производится путем замера расхода воды при ее наполнении в лаборатории; по результатам калибровки выдается паспорт с указанием даты и исполнителя. При заполнении водой гильзы нижний край ее устанавливается на ровную поверхность стеклянной пластинки и закупоривается от протекания герметиком. На каждую гильзу выполняется отдельная тарировка. Авторами проверялся расчетный объем гильзы и расчетным методом путем изменения внутренних размеров точными инструментами – существенного различия не обнаружено. Тем не менее, метод лабораторного тарирования водой считаем более точным.

Благодаря применению грунтоноса предлагаемого типа расширяется сфера определений свойств любых видов грунтов непосредственно в полевых условиях и повышается культура производства, поскольку отпадает необходимость трудоемкого парафинирования керна. Выпуск и применение такого рода оборудования во многом облегчит сложнейшую и ответственную работу геологов-изыскателей в полевых условиях. При изготовлении требуется маркировка каждого изделия, выдача Технического паспорта на каждый грунтонос с результатами тарировки и графиком калибровки и, возможно, с простейшей программой электронной записи и расчета плотности грунта на ЭВМ.

Заявитель – «ООО Изыскатель», iziskaniya@mail.ru.

Разработчики (авторы): А.И. Тараканов, С.А. Арчаков, Н.В. Семенов, Ю.А. Пестриков, Б.И. Мартыненко, М.В. Куклин, М.М. Габов, Г.Л. Малыгин.

г. Петропавловск-Камчатский.