Badanie podłoża budowli - ebook

2 Wiercenia i pobieranie próbek

2.1. Wprowadzenie

Wiercenie badawcze na potrzeby geologii inżynierskiej i geotechniki można opisać jako otwór o niewielkiej średnicy (1–8 cali, czyli 25–203 mm; większe średnice stosuje się sporadycznie), wykonywany głównie w celu pobrania próbek gruntu. W otworze można też przeprowadzać pomiary wody podziemnej (i pobierać jej próbki) oraz różnego rodzaju badania in situ. Takie definicje są charakterystyczne dla literatury zachodniej . Uzupełniają je zalecenia, by geotechnik lub geolog inżynierski obejrzał wszystkie lub reprezentatywne pobrane próbki, by ocenić prawidłowość programu badawczego, gdyż ignorowanie tego obowiązku może prowadzić do nieporozumień i kosztownych błędów .

W świetle powyższego należy docenić typową w warunkach polskich obecność fachowego dozoru w terenie podczas prowadzenia wierceń. W przypadku wierceń geologicznych jest ona wręcz wymagana prawem, a osoba dozoru musi legitymować się odpowiednim wykształceniem i uprawnieniami. Dozór geologiczny wyznacza w terenie punkty badawcze i kieruje procesem wiercenia przez przestrzeganie zasad pobierania próbek gruntów i wody czy – ogólniej – zgodności zakresu badań z projektem robót geologicznych (lub programem badań geotechnicznych), a także prowadzi rutynowe badania, np. obserwacje hydrogeologiczne. Takie czynności mógłby jednak wykonywać (i w wielu krajach wykonuje) przeszkolony i doświadczony wiertacz-operator (brygadzista). Najważniejszą czynnością dozoru jest zatem prowadzenie bieżących badań makroskopowych urobku wiertniczego i tworzenie na ich podstawie profilu otworu wiertniczego w formie metryki lub karty dokumentacyjnej . Należy podkreślić, że chodzi o badania makroskopowe nie tylko pobieranych próbek, ale całości materiału wydobywanego z otworu. Dozór geologiczny jest też w stanie samodzielnie, lub konsultując się z nadzorem (dokumentatorem), korygować projektowany zakres robót wiertniczych. Dotyczy to ostatecznej głębokości i lokalizacji wierceń, potrzeby realizacji wierceń dodatkowych, zakresu i częstotliwości opróbowania itp.

Mimo rozwoju technologii wiertniczych obserwowanego, zwłaszcza w okresie ostatnich 200 lat, problemem, z jakim borykają się podmioty zajmujące się wykonywaniem wierceń badawczych i interpretowaniem ich wyników, jest trudność w uzyskiwaniu akceptowalnej jakości próbek gruntu. I nie chodzi tu o przypadki świadomego zaniżania jakości robót w celu zwiększenia wydajności. Stosowane technologie są po prostu nadal dalekie od doskonałości.

Przyczyny tego stanu rzeczy może tłumaczyć historia wiertnictwa. Jego początki są zaskakująco odległe. Wiercenia wykonywano już w starożytnym Egipcie. W Chinach około 1000 lat p.n.e. prowadzono ręczne wiercenia udarowe z przewodami linowymi (z lin konopnych) lub żerdziowymi (z bambusów). W 1126 r. we Francji wywiercono pierwszy otwór studzienny. Było to w prowincji Artois, skąd pochodzi nazwa studni i wód artezyjskich. Od XV w. na szerszą skalę prowadzono wiercenia w poszukiwaniu wody we Francji i Włoszech, zaś w celu uzyskania solanki – w Rosji.

Zauważalny rozwój techniki wiertniczej datuje się od początków XIX w. Stosowano wtedy napędzane maszyną parową wiercenia udarowe z przewodami żerdziowymi i linowymi. Były to wiercenia poszukiwawcze i eksploatacyjne wody i ropy naftowej. Przedtem większość studni kopano ręcznie. W niektórych krajach rozwijających się kopanie nadal pozostaje podstawową metodą głębienia studni. Wprowadzenie wierceń na szerszą skalę miało sens dopiero wówczas, gdy stały się one bardziej opłacalne od klasycznych technologii górniczych czy studniarskich. W tych pionierskich latach technologia wiertnicza rozwijała się szybciej od nauk geologicznych, których podwaliny kładli James Hutton, Charles Lyell, Alcide d’Orbigny czy wreszcie Eduard Suess. Wiertnictwo było bardziej rzemiosłem niż metodą badawczą. Udoskonalenia miały przede wszystkim na celu zwiększenie postępu wiercenia, by jak najszybciej dotrzeć do poszukiwanego złoża.

Początkowo dominowały wiercenia udarowe. Popularnym narzędziem wiertniczym tej stosowanej do dziś metody jest w przypadku wiercenia w skałach zawieszone na linie ciężkie metalowe dłuto uderzające miarowo o dno otworu. Pod wpływem obciążenia świdrem stalowa lina rozkręca się, powodując obrót świdra. Połączenie dłuta z tzw. pasterką powoduje ponowne skręcanie się liny w chwili uderzenia świdra o dno otworu. W ten sposób świder za każdym razem uderza w innym miejscu, formując otwór o przekroju kołowym. Pokruszony urobek wiertniczy zmieszany z wodą dolewaną do otworu (przy zwiercaniu warstw suchych) lub dostającą się do otworu z jego ściany może być wynoszony na powierzchnię przez łyżkę wiertniczą (szlamówkę), czyli opuszczaną na linie stalową rurę z zaworem klapowym u podstawy. W skałach luźnych (czyli gruntach, zwłaszcza spoistych) zamiast dłuta stosowano stalową rurę zakończoną butem tnącym. Ten wbijany świder rurowy (clay cutter) używany głównie w krajach anglosaskich nie był i nie jest popularny w Polsce.

W 1845 r. francuski inżynier Pierre-Pascal Fauvelle wprowadził wodną płuczkę wiertniczą oczyszczającą dno otworu wiertniczego i wynoszącą zwierciny na powierzchnię. Zwiększyło to postęp wiercenia, obniżając jednocześnie energię udaru oraz i tak kiepską jakość opróbowania .

Historia wierceń obrotowych jest nawet dłuższa niż udarowych. Stosowano je również w starożytnych Chinach i Egipcie. Możliwości tej techniki analizował Leonardo da Vinci. Pierwsze patenty na wiercenia obrotowe pojawiły się w latach 30. XIX w. Wynalazek wiercenia obrotowego z obiegiem płuczki, zasługa Anglika Roberta Bearta, pochodzi z 1844 r. . W 1863 r. szwajcarski inżynier Rodolphe Leschot wynalazł koronkę wiertniczą z osadzonymi na niej diamentami. Wiercenia obrotowe zaczęły wypierać technikę udarową. Jednak nowoczesne podwójne rdzeniówki, które zrewolucjonizowały możliwości poboru próbek wprowadzano dopiero w latach 20. XX w. .

Powyższy opis dotyczy przede wszystkim wierceń złożowych osiągających wraz z postępem technologii znaczne, tj. kilkusetmetrowe, a niekiedy jeszcze większe głębokości. Tutaj jednak rozważamy rozpoznawanie warunków geologiczno-inżynierskich. Początki nowoczesnych badań na tym polu wiąże się zwykle z działalnością Karla von Terzaghi, w szczególności z jego głównym dziełem Erdbaumechanik (Mechanika gruntów), opublikowanym w 1924 r. W owych czasach ocenę warunków gruntowych przeprowadzano przede wszystkim na podstawie wyników badań laboratoryjnych próbek pobieranych z wykopów i otworów wiertniczych. Wynaleziony na początku XX w. cylindryczny próbnik wbijany, znormalizowany w 1927 r. przez Harry’ego Mohra, to pierwsza standardowa sonda (SPT).

Niezbędne rozpoznanie wynikające z szacunkowej głębokości oddziaływania budowli na podłoże gruntowe rzadko przekracza 30 m, a zwykle ograniczone jest do głębokości kilku czy kilkunastu metrów. Uzyskiwanie wierceniami takich niewielkich głębokości nie wymaga stosowania kosztownego, ciężkiego sprzętu mechanicznego. Nic zatem dziwnego, że rozwinęła się i przez wiele lat dominowała prostsza i tańsza technologia: ręczne wiercenia okrętne. Polegają one na obracaniu narzędzia wiertniczego (np. świdra rurowego lub spiralnego), który skrawa grunt (skałę) ostrzem. Świder zagłębia się w grunt, a zwierciny dostają się do jego wnętrza lub na zwoje i po wypełnieniu świdra wynoszone są na powierzchnię . W zależności od planowanej głębokości wiercenia stosuje się narzędzia lekkie (żerdzie i świdry o niewielkiej średnicy) albo cięższe, którymi operowanie wymaga zastosowania wieży wiertniczej, zwykle trójnogu lub czwórnogu.

W przeciwieństwie do pełnootworowych wierceń obrotowych, podczas których wiercenie odbywa się równocześnie z procesem wynoszenia urobku na powierzchnię, przy wierceniach okrętnych cykl zwiercania dna otworu powtarza się na przemian z cyklem wynoszenia zwiercin. Wraz z postępem wiercenia można zabezpieczać ściany otworu przez rurowanie.

Kierunkiem modernizacji wierceń okrętnych w ostatnich dziesięcioleciach XX w. było zastępowanie ręcznego bębna wyciągowego urządzeniem zmechanizowanym. Początek XXI w. to schyłek, a raczej gruntowna przemiana wierceń okrętnych. W przypadku wierceń o większych średnicach trójnogi zostały wyparte przez wieże wiertnicze, najczęściej montowane na samochodach ciężarowych (fot. 2.1). Wyposaża się je w mechaniczny wyciąg wiertniczy, wolnoobrotowy mechanizm napędu świdra (poprzez żerdzie) umieszczony w obrotowym stole lub głowicy oraz w szarpak. Rola pracowników przy takim sprzęcie sprowadza się do operacji z montowanymi lub demontowanymi elementami osprzętu, pobierania próbek i usuwania urobku ze świdrów.

Ponieważ formalną granicą pomiędzy wierceniami okrętnymi a obrotowymi był napęd (dla okrętnych ręczny, ewentualnie ze zmechanizowaną wyciągarką, dla obrotowych – mechaniczny), opisane wyżej udoskonalenia oznaczają, że zaciera się ona, niemniej nadal odróżnia się wiercenia okrętne (zmechanizowane) i udarowe, czyli wiercenia świdrami i wiercenia obrotowe rdzeniowe. Z kolei lekkie ręczne zestawy nazywane penetracyjnymi (fot. 2.2) w ostatnich latach zastępowane są przez wbijane próbniki okienkowe (przelotowe).

Fot. 2.1. Wiertnica mechaniczna H35

Fot. 2.2. Zestaw do ręcznych wierceń penetracyjnych. Po lewej od góry: świder okienkowy, świder spiralny dwuzwojowy, świder rurowy, świder spiralny jednozwojowy, świder rurowo-okienkowy. W środku: żerdzie wiertnicze. Po prawej pokrętła do żerdzi, u góry tzw. górne, u dołu dwudzielne, inaczej „ściski”

Bywają także stosowane mniej konwencjonalne metody wiercenia. Należą do nich np.:

– wiercenie z napędem umieszczonym nad dnem otworu, czyli z silnikiem wgłębnym (turbowiertem), który jest napędzany przez krążącą płuczkę ,

– wiercenie wibracyjne polegające na przekazywaniu na świder (sondę lub rury osłonowe) drgań o dużej częstotliwości powodujących zagłębianie się go w grunt (skałę) w wyniku osłabienia jego spójności (zwięzłości) .

Szczegóły techniczne omówionych wyżej metod wierceń zestawiono w tabeli 2.1, zaś sposoby usuwania zwiercin z otworu w tabeli 2.2.

Podobne zestawienia znaleźć można w innych podręcznikach, normach lub instrukcjach. Jednak analizując te pochodzące z The drilling manual , łatwo ocenić możliwość pobrania wartościowych próbek gruntu za pomocą metody drążenia otworu. Wstępnie można pozytywnie zaopiniować urabianie gruntu przez jego ścinanie, zdzieranie, ścieranie lub upłynnianie po obwodzie dna otworu, podczas gdy niewątpliwie gorszą lub wręcz nieakceptowalną jakość opróbowania uzyskamy, stosując uderzanie, miażdżenie, kruszenie, żłobienie lub wypłukiwanie gruntu z otworu (tabela 2.1). Analogicznie najmniej naruszony będzie materiał wyniesiony z otworu mechanicznie, a nie płuczką. Natomiast interesującą nowinką techniczną są wiercenia obrotowe lub udarowe z obiegiem odwrotnym (reverse circulation, RC) i płuczką powietrzną (tabela 2.2).

Tabela 2.1. Metody drążenia otworu, stosowany osprzęt i technika wiercenia

------------------------- -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Metoda drążenia otworu Metoda wiercenia
Uderzanie Wiercenie udarowe żerdziowe z dolnym lub górnym młotkiem wiercenie udarowe linowe z wahaczem lub szarpakiem
Ścinanie, zdzieranie Wiercenie obrotowe z płuczką wodną lub powietrzną (także turbowiert) z użyciem świdrów skrzydełkowych, gryzowych i diamentowych (w tym PDC); wiercenie obrotowe rdzeniowe z użyciem koronek diamentowych, PDC i z węglika wolframu; próbniki wciskane; wiercenia okrętne świdrami
Miażdżenie, kruszenie Wiercenie obrotowe z płuczką wodną lub powietrzną, z użyciem świdrów ze słupkami z węglików wolframu
Ścieranie Wiercenie obrotowe rdzeniowe z użyciem impregnowanych koronek diamentowych
Żłobienie, wypłukiwanie Iniekcja strumieniowa
Upłynnianie Wiercenie wibracyjne (z rezonansem wysokiej częstotliwości)
------------------------- -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Źródło: .

Tabela 2.2. Sposoby usuwania z otworu zwierconego materiału

+----------------------------------------+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| Sposób opróbowania i usuwania zwiercin | Rodzaj wynoszonego materiału i stosowany osprzęt lub technologia wiercenia |
+----------------------------------------+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| Mechanicznie | Urobek zwiercony świdrem spiralnym ciągłym lub krótkim, rurowym albo kubełkowym; urobek zwiercony narzędziem na linie; próbka pobrana próbnikiem wciskanym; rdzeń pobrany konwencjonalnie, techniką wrzutową albo wibracyjnie |
+----------------------------------------+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| Płynem (powietrzem) | Urobek wiercenia obrotowego lub udarowego z górnym młotkiem, z płuczką powietrzną |
+----------------------------------------+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| Płynem (wodą lub płuczką) | Urobek z wierceń rdzeniowych konwencjonalnych i wrzutowych; |
| | |
| | urobek iniekcji strumieniowej |
+----------------------------------------+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| Obiegiem odwrotnym RC (powietrzem) | Urobek z wiercenia obrotowego lub udarowego RC z płuczką powietrzną i podwójnym przewodem wiertniczym oraz z wiercenia rdzeniowego z płuczką powietrzną |
+----------------------------------------+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| Obiegiem odwrotnym RC (wodą/płuczką) | Urobek z wiercenia obrotowego RC z płuczką i pojedynczym przewodem wiertniczym |
+----------------------------------------+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

Źródło: .

Współcześnie w ramach badań geologiczno-inżynierskich używa się – zależnie od potrzeb, możliwości i lokalnych tradycji – niemal wszystkie opisane wyżej technologie wierceń. Ich zestawienie zawiera obowiązująca obecnie norma europejska PN-EN ISO 22475-1 (tabela 2 w normie, s. 16–17). Przed bardziej szczegółowym jego omówieniem należy jednak odnotować kilka istotnych kwestii.

Pierwsza to zwrócenie uwagi, że główny cel wiercenia geologiczno-inżynierskiego, czyli pobieranie próbek gruntu może odbywać się:

– przez wiercenie i wtedy można mówić o opróbowaniu ciągłym, lepszej lub gorszej jakości, albo

– stosując dodatkowe urządzenia zwane próbnikami.

Druga istotna kwestia to kategoryzacja metod pobierania i jakości próbek gruntu. Wycofana polska norma PN-74/B-04452 wyróżniała trzy rodzaje próbek gruntu pobieranych z poziomu ich rzeczywistego zalegania:

– o naturalnym uziarnieniu (NU) – pobrane w sposób zapewniający zachowanie naturalnego uziarnienia gruntu,

– o naturalnej wilgotności (NW) – pobrane w sposób zapewniający zachowanie naturalnej wilgotności gruntu,

– o naturalnej (nienaruszonej) strukturze (NNS) – pobrane w sposób zapewniający zachowanie naturalnej struktury gruntu.

Podejście Eurokodu 7, czyli jednej z dziewięciu części zbioru zharmonizowanych reguł technicznych w zakresie budownictwa obowiązujących w Unii Europejskiej, a ściślej jej drugiego tomu o symbolu PN-EN 1997-2, powtórzone w dotyczącej wierceń normie PN-EN ISO 22475-1, jest nieco inne. Wyróżnia się trzy kategorie pobierania próbek: A, B i C. Odnoszą się one do zdefiniowanych w PN-EN 1997-2 pięciu klas próbek, w których niezmienione pozostają wszystkie (klasa 1), niektóre (klasy 2–4) lub żadna (klasa 5) z właściwości gruntu (tabela 2.3). Metodami kate­gorii A możemy uzyskać próbki klas 1–5, kategorii B próbki klas 3–5, zaś metodami kategorii C tylko próbki klasy 5.

Próbki klas 1 i 2 powinny mieć strukturę nienaruszoną lub naruszoną tylko nieznacznie podczas ich poboru, transportu czy magazynowania. Ich skład, wilgotność i współczynnik porowatości ma odpowiadać warunkom in situ. Jeśli próbka składa się z gruntów dwóch lub więcej warstw, ich granice można dokładnie wskazać w próbce. Próbki klasy 4 mają zawierać wszystkie składniki gruntu w naturalnych proporcjach, a klasy 3 także naturalną wilgotność. Struktura gruntu próbek obu tych klas jest zniszczona, niemniej można zidentyfikować generalny układ warstw. Struktura gruntu w próbkach klasy 5 jest całkowicie zmieniona, wilgotność i uziarnienie mogą nie odpowiadać naturalnym, trudno także ocenić układ warstw. Technologie wierceń kategorii C pozwalające jedynie na uzyskiwanie próbek klasy 5 nie powinny być zatem stosowane jako metody badawcze geologii inżynierskiej.

Tabela 2.3. Zdefiniowanie klas jakości próbek gruntu

------------------------------------------------------------------------------- ---------------
Naturalne właściwości gruntu, które można określić laboratoryjnie Klasy jakości
Uziarnienie 1–4
Granice Atterberga, gęstość właściwa szkieletu, zawartość części organicznych 1–4
Wilgotność 1–3
Gęstość, stopień zagęszczenia, porowatość, przepuszczalność 1–2
Ściśliwość, wytrzymałość na ścinanie 1
------------------------------------------------------------------------------- ---------------

Źródło: .

Modyfikacja i uproszczenie zawartości tabeli z Eurokodu 7 polega na usunięciu zbędnego, zdaniem autorów, rozbicia właściwości „niezmienionych” i tych, „które mogą być określone” oraz właściwości określanej jako kolejność albo granice warstw. Jeśli bowiem pominiemy ciągłe opróbowanie rdzeniowe, to w przypadku innych rodzajów próbek, także zaliczanych do klasy 1 bądź 2, ale o ograniczonej długości, obecność w ich przelocie granic warstw jest zazwyczaj wadą, a nie zaletą. Nie pozwala np. wyciąć odpowiedniej liczby kształtek do badań w aparacie trójosiowego ściskania, które można traktować jako jednorodne. Dozór geologiczny lub operator stara się więc uzyskiwać próbki najwyższych klas z przelotów, w których nie spodziewa się przewarstwień lub granic warstw. Problemy klas jakości próbek dyskutowane będą jeszcze niżej, przy omawianiu poszczególnych technik wiertniczych.

Należy także zauważyć nieco inne postrzeganie określenia „wiercenie rdzeniowe” w nomenklaturze polskiej i zachodniej. W Polsce przez wiercenie rdzeniowe rozumie się skrawanie lub zdzieranie koronką wiertniczą pierścienia gruntu (skały) po obwodzie dna otworu z pozostawieniem w środku nienaruszonego rdzenia, który wchodzi do rury rdzeniowej umieszczonej ponad koronką . Norma PN-EN ISO 22475-1 definiuje rdzeń jako cylindryczną próbkę gruntu lub skały uzyskaną z otworu wiertniczego z określonej głębokości. Jest to pojęcie bardziej ogólne i dlatego np. w systemie nazywanym w tabeli 2.2 normy „obrotowym wierceniem rdzeniowym na sucho”, narzędziem wiertniczym może być zarówno pojedyncza rdzeniówka, jak i przelotowy świder spiralny. Wiercenie udarowe świdrem rurowym także opisane jest tam jako „rdzeniowe”. Odnośnie do wierceń udarowych należy dodać, że cytowana norma wyróżnia dwie ich odmiany: technikę wbijania młotem (hammer driving technique) oraz technikę perkusyjną (percussion technique), kiedy narzędzie wiertnicze wbijane jest przez jego powtarzalne podnoszenie i (swobodne) upadanie.

Przegląd geologiczno-inżynierskich wiertniczych metod badawczych uwzględniający zalecenia normy PN-EN ISO 22475-1, przegląd literatury oraz powyższe uwagi i doświadczenia autorów przedstawiono w podrozdziałach 2.2 i 2.4. Są to metody „pobierania próbek przez wiercenie”, jak to określa cytowana norma. W podrozdziale 2.2 opisano klasyczne wiercenia obrotowe i udarowe, ale także stosowane w trakcie tych wierceń techniki pobieranie próbek próbnikami. W podrozdziale 2.3 skomentowano kwestie obserwacji hydrogeologicznych. Podrozdział 2.4 poświęcono wierceniom rdzeniowym. W podrozdziale 2.5 omówiono pomiary, które można prowadzić podczas wiercenia.

2.2. Wiercenia wolnoobrotowe i udarowe

Jako punkt wyjścia do opisu klasycznych technologii geologiczno-inżynierskich (geotechnicznych) wierceń obrotowych i udarowych przyjęto osiem zasadniczych typów narzędzi wiertniczych, po cztery w każdej technice urabiania. Wyszczególniono je w tabeli 2.4, podając także krótki opis i wymieniając – tam gdzie uznano za potrzebne – główne wersje narzędzia. Dla każdego z typów narzędzi podano nie jedną, jak w normie PN-EN ISO 22475-1, lecz dwie do pięciu możliwych do uzyskania klas jakości opróbowania. Nie wynika to tylko z możliwości napotkania bardziej sprzyjających niż przeciętne warunków gruntowych (co norma dostrzega), ale także umiejętnego posługiwaniu się danym sprzętem. Warto jednak zauważyć, że poza dwoma wyjątkami klasycznym metodom wiertniczym można przypisać co najwyżej kategorię B. Tę niedogodność można jednak pokonać, korzystając z próbników, o czym będzie dalej.

Świder spiralny (flight auger) to współcześnie niewątpliwie najpopularniejszy na świecie typ narzędzia wiertniczego. Grunt zwiercany tym świdrem zakończonym ostrzem, stożkiem lub zawiertkiem o innym kształcie (np. „rybi ogon”, zawiertek palcowy) przesuwa się ku górze po spirali (ślimaku) nawiniętej wokół trzonu świdra. Bardzo duże zróżnicowanie możliwych do uzyskania klas jakości próbek, podane w tabeli 2.4, wynika ze stosowania dwóch różnych wersji świdra (rys. 2.1), różnych średnic świdra oraz różnych metod wiercenia. Ponadto istotne znaczenie mają warunki gruntowe.

Trzonem świdra może być lity pręt stalowy (solid stem) lub rura (hollow stem). W pierwszym przypadku szerokość samej spirali stanowi przeważającą część średnicy świdra, w drugim – odwrotnie. Rola tych dwóch wersji świdra spiralnego jest bowiem odmienna. Próbki gruntu ze świdra z litym trzonem pobiera się ze ślimaka. W przypadku świdra przelotowego – ze względu na małą objętość przestrzeni pierścieniowej pomiędzy rurą, na której spawana jest spirala, a ścianą otworu – część urobku jest wciskana w ścianę otworu bądź zmieszana z materiałem wyrwanym ze ściany, a skala jego ruchu ku górze jest trudna do oceny . Badanie tych zwiercin w zasadzie mija się z celem.

Tabela 2.4. Klasyczne, geologiczno-inżynierskie wiercenia świdrami, bez użycia płuczki

Technika urabiania

Typ narzędzia wiertniczego

Opis i główne wersje narzędzia

Klasy jakości próbek

Obrotowa

Świder spiralny

Trzon świdra owinięty spiralą (ślimakiem) pełny lub przelotowy. Ślimak ciągły (w całym przelocie wiercenia) lub świder przedłużany żerdziami

1–5

Świder rurowy (wkręcany)

Rura świdra zakończona jednym lub dwoma nożami z oknem ułatwiającym wydobycie urobku. Także świdry okienkowe i inne. Wiercenie żerdziami

3–4

Świder kubełkowy

Pojemnik na urobek z zamykanym dnem wyposażonym w uchylne klapy zaostrzone lub zakończone zębami. Świder połączony z żerdzią

3–4

Świder talerzowy

Z trzonu świdra zakończonego zawiertkiem urobek przechodzi na pojedynczy (talerzowy), niekiedy dwu–czterokrotny, spiralny zwój. Wyżej – żerdź

3–5

Udarowa

Świder rurowy (wbijany)

Świder rurowy o zaostrzonym lub ząbkowanym bucie, nad butem wyposażony w pierścień do wycinania iłów. Świder z oknem lub bez

2–4

Świder łyżkowy (szlamówka)

Świder rurowy wyposażony przy dnie w klapowy zawór skórzany lub z twardej gumy, otwierany do wewnątrz. Do wiercenia w gruntach nawodnionych

4–5

Wbijany próbnik okienkowy

Małośrednicowy świder rurowy o zaostrzonym bucie z dużym oknem, przedłużany żerdziami

3–5

Dłuto

Masywny świder o ostrzu płaskim, krzyżowym, szczękowym lub mimośrodowym (ekscentrycznym), służącym do rozbijania lub przesuwania przeszkód

–

Źródło: .

Spiralny świder przelotowy wykorzystuje się jednak inaczej i to na różne sposoby. Można zamknąć przelot sprzężoną, dodatkową kolumną żerdzi zakończoną zawiertkiem pilotującym i po dowierceniu do planowanej głębokości zastąpić tą wewnętrzną kolumnę próbnikiem (czy rdzeniówką) i pobrać próbkę (rdzeń) z dna otworu, którego ścianę chroni zagłębiona kolumna świdrów. Zamiast próbnika można wprowadzić sondę, np. typu SPT czy FVT, i przeprowadzić stosowny pomiar.

Rys. 2.1. Świdry spiralne. Po lewej świder z litym trzonem. Po prawej rozmontowany świder przelotowy. Objaśnienia: 1 – gniazdo napędu; 2 – nakrętka i śruba łącznika żerdź – gniazdo; 3 – nakrętka tulejowa; 4 – nakrętka zabezpieczająca; 5 – klucz napędu; 6 – łącznik żerdź – gniazdo; 7 – rura i ślimak świdra; 8 – wewnętrzna żerdź wiertnicza; 9 – złącze zawiertka pilotującego; 10 – zawiertek pilotujący; 11 – koronka; 12 – klucz knock-out

Drugi sposób zbliżony do wiercenia rdzeniowego stanowi jedną z odmian tzw. obrotowego wiercenia rdzeniowego na sucho (bez płuczki, ale i w suchym otworze). Jeśli zastąpimy wewnętrzną kolumnę wiertniczą rurą wewnętrzną, a świder zakończony będzie zawiertkiem typu koronki wiertniczej, do wnętrza zagłębiającego się w grunt świdra będzie się dostawać próbka rdzeniowa klasy 1, 2 lub 3. Wiercenie tego typu możliwe i skuteczne jest w iłach, pyłach, glinach, w gruntach organicznych i niekiedy w piaskach .

Wyżej zwrócono uwagę na kiepską jakość urobku pozostającego na zwojach spirali świdra przelotowego. Wobec tego, chcąc zaliczyć tę technikę do kategorii opróbowania B, a nawet A, samo wiercenie przelotowym świdrem spiralnym należy traktować tylko jako sposób zabezpieczenia (orurowania) otworu, zaś operacje narzędziami wewnętrznymi realizować tak, aby zachować zdefiniowane w normie PN-EN ISO 22475-1 opróbowanie ciągłe podczas wiercenia. Oznacza to, że prawidłowe wiercenie świdrem przelotowym jest czasochłonne.

Ponadto uzyskanie próbki klasy 1 wymaga, aby średnica wewnętrzna świdra przelotowego nie była mniejsza niż 140–150 mm, aby móc użyć np. próbnik typu U100. Oznacza to konieczność użycia odpowiednio silnej, a więc i dużej wiertnicy. Dysponując takim sprzętem, należy zwracać uwagę na technologię wiercenia w słabych gruntach. Zbyt duży nacisk będzie powodował wciskanie świdra w grunt i jego przemieszczanie (naruszenie), a nie zwiercenie .

Norma PN-EN ISO 22475-1 rozróżnia opróbowanie świdrem spiralnym z litym trzonem metodami ciągłą i nieciągłą. W metodzie ciągłej spirala służy jako transporter ślimakowy wynoszący zwierciny aż na powierzchnię. Oznacza to, że zagłębiając się w grunt, montujemy kolejne odcinki zaopatrzone w ślimak, a nie zwykłe żerdzie wiertnicze. Dlatego kolumnę taką nazywamy świdrem spiralnym ciągłym (continuous flight auger, CFA).

W metodzie nieciągłej świder wkręcany jest w grunt na głębokość nie większą od jego długości i w tempie dostosowanym do prędkości rotacji i nachylenia ślimaka tak, aby zminimalizować pionowe przemieszczenie gruntu. Następnie świder wyciągany jest na powierzchnię bez rotacji i pobierane są próbki. Zdaniem autorów metoda ciągła prowadzi do tak znacznego przemieszczenia i wymieszania urobku, że nie powinna być stosowana do celów badawczych, podobnie jak świdry spiralne o małych średnicach.

Wiercenia świdrem spiralnym ciągłym prowadzi się często bez rurowania, co poniżej zwierciadła wody gruntowej (ZWG) jeszcze bardziej utrudnia uzyskanie próbek lepszej jakości i nie jest zalecane. Można jednak tak modyfikować tę technologię wierceń, aby osiągając dobre wydajności (rzędu 100 m na zmianę roboczą), uzyskiwać próbki klasy 4 lub nawet 3.

Nie należy stosować marszy dłuższych niż jeden (zwykle 1,5 m) czy dwa odcinki świdra, zależnie od warunków gruntowych. Mimo wiercenia metodą nieciągłą (wyciągając kolumnę po każdym marszu) nad tymi roboczymi odcinkami świdra nie należy stosować żerdzi, lecz kolejne świdry. Innymi słowy: stosować kolumnę CFA w metodzie nieciągłej. W efekcie obwalające się, zwłaszcza poniżej ZWG, odcinki ściany otworu nie grożą zakleszczeniem się narzędzia w otworze. Demontując po zakończonym marszu kolejne odcinki kolumny, nie zwracamy uwagi na znajdujący się na ślimakach urobek pochodzący głównie ze ściany otworu, aż do wydobycia z otworu świdra (świdrów) wypełnionych urobkiem z bieżącego marszu. Oczyszczamy starannie zwoje ślimaka z błota i bliżej trzonu mamy szansę natrafić na grunt nie tylko o naturalnych proporcjach uziarnienia (klasa 4), ale i naturalnej wilgotności, czyli klasy 3 (fot. 2.3).

Fot. 2.3. Po lewej: świder spiralny wyciągany z suchego, zarurowanego otworu. Grunt nawinięty na zwoje nie jest zawilgocony, co pozwoli pobrać próbkę klasy 3. Po prawej świder oczyszczony z błota, przygotowany do pobrania próbek, klasy 4 lub 3

Zdarza się, że poniżej pewnej wysokości ostatniego świdra spirale są puste. Powód może być tylko jeden: na tym poziomie zostały nawiercone nawodnione grunty gruboziarniste. Aby się upewnić, możemy albo zarurować otwór i kontynuować wiercenie badawcze inną, skuteczną w tych warunkach metodą (o czym w dalszej części podrozdziału) albo zaryzykować i obserwując parametry wiercenia (patrz podrozdz. 2.6), wiercić do uzyskania wyraźnej ich zmiany. Może to oznaczać, że przewierciliśmy nawodnione piaski czy żwiry i wwierciwszy się w niżejległe grunty drobnoziarniste, mamy pewną szansę na opróbowanie także tych kłopotliwych gruntów nawodnionych.

Aby uzyskać zadowalające efekty wiercenia nieprzelotowymi świdrami spiralnymi, zwłaszcza bez rurowania należy:

– prowadzić wiercenie metodą nieciągłą o marszach dostosowanych (decyzjami dozoru geologicznego) do stopnia skomplikowania warunków gruntowych, stosując jednak kolumnę świdrów CFA, a nie świdry przedłużane żerdziami;

– stosować świdry o dostatecznie dużej średnicy, gdyż wiercąc świdrem z litym trzonem, lecz o małej (<100 mm) średnicy szanse zachowania na wąskich zwojach gruntu pozwalającego na pobranie próbek klasy 4, czy tym bardziej 3, są niewielkie; z doświadczeń autora wynika, że zadowalająca średnica świdra to 180 mm;

– starannie oczyszczać zewnętrzne partie ślimaków ze zwiercin, pobierając próbki z gruntu przywartego do trzonu świdra; po opróbowaniu, przed ponownym zapuszczeniem do otworu, świdry trzeba dokładnie oczyścić;

– obserwować postęp wiercenia z dokładnością do 0,1 m i porównywać długość marszu z przelotem gruntów z tego marszu nawiniętych na spirale, by prawidłowo ocenić rzeczywiste miąższości warstw.

Spełniając powyższe warunki, można uznać wiercenie nieprzelotowym świdrem spiralnym za metodę osiągającą kategorię opróbowania B. Wiercenie metodą ciągłą lub świdrami o małej średnicy należy zaliczyć do kategorii opróbowania C, co oznacza uzyskiwanie tylko próbek praktycznie nieprzydatnej klasy 5. Tych odmian wiercenia świdrem spiralnym nie powinno się więc stosować do jakichkolwiek celów badawczych.

Wkręcane świdry rurowe (shell augers) cechuje duża różnorodność odmian, zwłaszcza jeśli weźmie się pod uwagę zarówno osprzęt do wierceń mechanicznych (typowe średnice 130 mm lub 180 mm), jak i lekki sprzęt ręczny (średnice zwykle pomiędzy 40 mm a 80 mm) i zaliczymy do tej grupy także te wszystkie świdry, których powierzchnia okien (prześwitów) jest większa, a nawet znacznie większa od powierzchni elementów metalowych (fot. 2.2). Wybór danego modelu świdra zależy od dominującego rodzaju (zwięzłości) gruntu, jakiego oczekujemy w przeznaczonym do zbadania podłożu. Postęp wiercenia uzyskuje się, dokręcając do świdra kolejne odcinki żerdzi wiertniczych.

Marsz wiercenia powinien być zawsze mniejszy od długości komory świdra, do której dostaje się zwiercany urobek. Świdry tego typu można stosować z dobrym skutkiem niemal we wszystkich gruntach: spoistych, niespoistych i organicznych, za wyjątkiem nawodnionych piasków i żwirów. Problematyczne jest też wiercenie w gruntach kamienistych, zwłaszcza jeśli używa się świdrów o małych średnicach. Dopóki podczas wiercenia nie napotka się objawów wody, czyli np. sączeń z gruntów spoistych, z urobku, który zostanie wyniesiony w świdrze na powierzchnię, można pobierać próbki gruntu 3 klasy. Wtórnie zawilgocony grunt pozwoli już tylko pobrać próbkę 4 klasy, chyba że otwór będzie rurowany (fot. 2.4).

W zestawie do lekkich wierceń penetracyjnych (fot. 2.2), oprócz świdrów rurowych czy okienkowych, zauważamy też świdry spiralne. Można nimi wiercić tak samo jak podobnymi narzędziami o większych średnicach (co omówiono wyżej), ale zwykle używa się ich w innym celu. Największy kłopot w realizacji nierurowanych wierceń penetracyjnych stanowią nawodnione piaski, które nie utrzymują się na żadnym świdrze podczas wyciągania go wraz z żerdziami z otworu.

Po ich nawierceniu można po mokrym śladzie na świdrze rurowym lub żerdzi dość precyzyjnie ustalić głębokość zwierciadła wody, ale zamiast nawodnionego piasku widzimy „umyte” wnętrze świdra. W takiej sytuacji można zapuścić do otworu świder spiralny i – stosując technikę udarową – penetrować nim nawodnione grunty. Jest to możliwe w luźnych bądź średnio zagęszczonych piaskach. Używa się dołączonych do zestawu ścisków, wbijając i podciągając kolumnę ze świdrem krótkimi, zdecydowanymi ruchami, najlepiej w dwie osoby.

W przypadku napotkania dużego oporu należy nieco wkręcić świder kilkoma półobrotami i wyciągnąć całą kolumnę na powierzchnię. Jeśli udało się przewiercić warstwę nawodnionych piasków, na końcówce świdra powinna pozostać próbka podścielających je gruntów drobnoziarnistych (spoistych). Jeśli świder będzie pusty – zapewne zakończyliśmy wiercenie w piaskach zagęszczonych. Wobec nieopróbowania piasków kolejne wiercenie należy przeprowadzić skuteczniejszą w tych warunkach techniką wiercenia.

Fot. 2.4. Opróżnianie wkręcanego świdra rurowego celem przeprowadzenia badań makroskopowych, pobrania próbki klasy 3 (wiercenie powyżej ZWG) i oczyszczenia świdra przed ponownym zapuszczeniem

W przypadku potrzeby przewiercenia i opróbowania gruntów bardzo gruboziarnistych, kłopotliwych w zasadzie dla każdej technologii wiercenia, rozwiązaniem może być świder kubełkowy (bucket auger). Jest to cylinder z wytrzymałym i otwieranym zawiasowo dnem zawierającym jeden lub dwa wloty wyposażone w zęby tnące lub inny rodzaj ostrzy. Podczas obrotu świdra grunt jest zwiercany i przez szczeliny dostaje się do kubła. Świder połączony jest z żerdzią, która przekazuje moment obrotowy i nacisk z urządzenia wiertniczego. Zwykle jest to wielokątna żerdź wiertnicza nazywana „Kelly”, współpracująca ze stołem wiertniczym (rys. 2.2).

Aby osiągać większe głębokości, stosuje się żerdź teleskopową albo montuje przedłużacze. Wiercenie na większych głębokościach, a zwłaszcza poniżej zwierciadła wody gruntowej wymaga rurowania albo stosowania płuczki chroniącej ścianę otworu. Zaletą tego sprzętu jest możliwość wykonywania otworów o dużej średnicy i zwiercania (opróbowania) gruntów kamienistych. W zasadzie nie stosuje się go do głębokości większej niż kilkanaście metrów. Świdrem tym uzyskuje się próbki 4 klasy.

Metoda jest popularna w USA, natomiast niemal nieznana w Europie. Stosuje się tu natomiast, choć też rzadko, pobieranie próbek chwytakiem. Opuszcza się go na linie na dno otworu, a stosuje zwłaszcza dla pobierania próbek żwirów, kamieni i głazów. Średnice otworów głębionych świdrem kubełkowym lub chwytakiem są większe od typowych wierceń geotechnicznych, rzędu 400–1500 mm.

Świder talerzowy (plate auger) wymieniono w tabeli 2.4 jedynie dla porządku. Używa się go raczej jako narzędzie budowlane, a nie badawcze, np. do wykonywania otworów pod słupy telekomunikacyjne czy energetyczne albo pod kolumny formowane in situ. Zasięg głębokościowy też jest niewielki (kilka metrów).

W przypadku udarowej techniki wiercenia stosuje się wbijany świder rurowy (clay cutter) zakończony nie skrawającym ostrzem (ostrzami), jak świdry rurowe do wierceń obrotowych, lecz odpowiednio zaostrzonym butem (tabela 2.4, rys. 2.3). Świder może być wbijany przez kolumnę żerdzi, także z powolnym obrotem. Bardziej popularne, np. w Wielkiej Brytanii, jest linowe wiercenie udarowe. Można wykonywać je np. z trójnogu wiertniczego. Zawieszony na linie zestaw obciążnik – świder jest rytmicznie podnoszony i swobodnie opuszczany przez wyciągarkę napędzaną silnikiem Diesla. Po napełnieniu świder jest wyciągany z otworu i opróżniany .

System ten nadaje się do iłów i pyłów, a także do gruntów gruboziarnistych o wymiarach ziaren do D_(e)/3, gdzie D_(e) to wewnętrzna średnica narzędzia wiertniczego , jednak tylko powyżej zwierciadła wody gruntowej. Jakość opróbowania jest podobna jak w przypadku wkręcanych świdrów rurowych (3–4 klasa). W sprzyjających warunkach może być lepsza (2 klasa).

W przypadku nawiercenia gruboziarnistych gruntów nawodnionych wbijany świder rurowy należy zastąpić świdrem łyżkowym (rys. 2.3), zwanym też szlamówką (shell lub bailer). Dysponując wyłącznie techniką udarową, taka zamiana będzie niezbędna także w suchych piaskach o grubszym uziarnieniu i w żwirach, bowiem wbite w świder rurowy nie utrzymają się w nim i wysypią podczas wyciągania świdra z otworu. W takiej sytuacji zalewa się otwór przynajmniej dwumetrowym słupem wody.

Umieszczoną na dnie otworu szlamówkę podnosi się i opuszcza miarowo (dawniej – ręcznie, obecnie najczęściej stosując urządzenie zwane szarpakiem) o około 30 cm w górę i w dół. Podniesienie świdra wytwarza podciśnienie. Woda zasysana jest na dno otworu i rozluźnia tam grunt. Tworzy się zawiesina: mieszanina gruntu i wody. Gdy świder spada na dno otworu, mieszanina gruntu i wody przechodzi przez but świdra, mijając prosty zawór zwrotny (nazywany „klapką”). Gdy świder jest podnoszony, zawór zamyka się i zatrzymuje grunt, która w tym czasie wytrąca się z zawiesiny i osadza nad klapką. Wielokrotnie ruchy świdra w górę i w dół powodują wypełnienie go urobkiem. Wtedy świder wyciągany jest na linie z otworu . Ponieważ w szlamówce pozostaje dużo wody, usunięcie („wylanie”) z niej gruntu (przez otwór przy górnym końcu świdra) zwykle nie nastręcza trudności.

Wiercenie szlamówką w gruncie naturalnie nawodnionym jest oczywiście łatwiejsze. Dopływ wody do otworu jest zazwyczaj wystarczający i nie ma wówczas potrzeby dodatkowego zalewania otworu. Wiercenie szlamówką wspomagane jest zarurowaniem otworu. Wiercąc w gruntach luźnych, możemy obserwować związane z postępem wiercenia obniżanie się kolumny rur pod jej własnym ciężarem. Nie należy jednak na to liczyć, gdyż osiągnięcie tego stanu w gruntach lepiej zagęszczonych będzie możliwe dopiero po rozluźnieniu gruntu przez akcję świdra w obszarze wyraźnie większym od średnicy otworu, przez co przedłuży się czas wiercenia, a co gorsza z danego przelotu usuwana będzie większa ilość gruntu, niż wynika to z objętości walca o średnicy otworu. Należy też pamiętać, że jednym z celów każdego badania podłoża budowli, w tym wiercenia, jest dokonanie w tym podłożu możliwie najmniejszych uszkodzeń. Kolumnę rur można oczywiście wciskać, korzystając z takich urządzeń wiertnicy, jak głowica czy stół, ale i z tym nie należy przesadzać. But rur powinien obniżać się tuż za postępem wiercenia. Aby to uzyskać, należy obserwować zarówno położenie świdra na dnie otworu (stosuje się znaczniki na linie), jak i głębokość zarurowania w danym momencie. Zaobserwowane zahamowanie postępu zarurowania należy likwidować przez ćwierćobroty kolumną rur w prawo i w lewo (jeśli stosujemy ręczną kontrolę z użyciem klucza borowego, tzw. ścisków) lub obroty głowicą mechaniczną, wspomagając się w razie potrzeby delikatnym naciskiem (fot. 2.5). Staranne (z obserwacją postępu) prowadzenie tej odmiany wierceń udarowych, stosując jednocześnie niezbyt długie (1–1,5 m) szlamówki, zapewnia uzyskanie próbek 4 klasy.

Fot. 2.5. Mechaniczne zapuszczanie kolumny rur z użyciem nakręconego na nie huczkaPrzypisy

Cenotaf to grobowiec symboliczny, w którym nie przechowuje się ciała. Może przypadać kilka cenotafów na jedną osobę.

Dobrym przykładem jest najstarsze znane urządzenie do badań polowych – sonda cylindryczna SPT. Pomysł próbnika pochodzi z początku XX w., procedurę liczenia uderzeń młota podczas jego wbijania zaczęto stosować na przełomie lat 20. i 30., znormalizowano (profesorowie Karl Terzaghi i Ralph Peck) w latach 40., zaś ulepszenia interpretacyjne, jak i technologiczne sondy (w tym przeniesienie młota z powierzchni terenu na dno otworu) trwają do dziś .

Przez wyrażenie „geolog” należy rozumieć osobę fizyczną z uprawnieniami geologicznymi odpowiedniej kategorii. Za „geotechnika” uważa się absolwenta studiów na kierunku budownictwo o specjalności geotechnika lub (według rozporządzenia w sprawie samodzielnych funkcji technicznych w budownictwie z 2014 r.) inżyniera z uprawnieniami w specjalności konstrukcyjno-budowlanej i specjalizacji techniczno-budowlanej: geotechnika. Ponadto indywidualne i zbiorowe certyfikaty potwierdzające kwalifikacje do wykonywania prac geotechnicznych wydaje Polski Komitet Geotechniki.

Mówiąc ściślej: były. Dotyczące badań podłoża gruntowego zmiany przepisów, które niesie nowelizacja ustawy Prawo budowlane (wejście w życie tych przepisów: 19 września 2020 r.) skomentowano w Podsumowaniu (rozdział 9) niniejszej monografii.

Określenie „zmienione” oznacza różnego typu modyfikacje wprowadzone do źródła przez autora (autorów) rozdziału. Chodzi o uproszczenie, skrócenie albo scalenie danych z przywołanych źródeł dokonane na potrzeby odpowiedniego fragmentu tekstu, bądź o uzupełnienie czy zaktualizowanie wersji oryginalnej.

Z drugiej strony zastosowanie świdrów spiralnych przelotowych umożliwia szybką i precyzyjną instalację piezometrów lub inklinometrów.