Odwierty geotechniczne wykonywane metodą obrotową

Realizacja zleceń, w tym także odwiertów na potrzeby geotechniki jest stosunkowo prosta. Tego typu badania, wykonuje się przeważnie wiertnicami małośrednicowymi, wrzecionowymi, na sucho, czyli bez użycia płuczki wiertniczej. Odwierty geotechniczne, z reguły nie sięgają głębiej niż do 15 – 20 metrów, głębokość wiercenia jest podyktowana szacunkową głębokością oddziaływania projektowanej budowli na podłoże gruntowe.

Zazwyczaj, nacisk jaki budynki wywierają na grunt, nie jest na tyle duży aby istniała konieczność wiercenia głębiej. Oczywiście w przypadku wyjątkowo dużych konstrukcji budowlanych tj. mosty, czy innych obiektów o dużej masie i kształcie wertykalnym, wywierających nacisk na stosunkowo niewielką powierzchnię, może zaistnieć potrzeba wiercenia nawet do 30 m głębokości.

Początki wierceń geologicznych

Pierwsze wiercenia jakie odnotowano, były wykonywane ręcznie, metodą udarową, w Chinach oraz Starożytnym Egipcie. Pomimo późniejszego zastosowania napędu w postaci maszyny parowej, która znacznie usprawniła proces wiercenia, rozwój techniki wykonywania otworów wiertniczych, przyczynił się do stopniowego wypierania wierceń udarowych, na rzecz wierceń metodą okrętną oraz obrotową.

W dzisiejszych czasach, wiercenia metodą udarową nadal są stosowane, jednak głównie przy poszukiwaniu złóż surowców. Proces wiercenia udarowego jest bardzo prosty, polega na miarowym uderzaniu dłutem wiertniczym zawieszonym na linie o dno otworu. Urobek powstały na skutek wiercenia musi w sposób cykliczny być usuwany z otworu za pomocą specjalnej łyżki wiertniczej.

Kolejnym krokiem który zrewolucjonizował sposób wiercenia w podłożu gruntowym, było wynalezienie pod koniec XIX w., płuczki wiertniczej. Tego typu ciecz, miała (i ma po dziś dzień) za zadanie usuwać zwierciny z dna otworu wiertniczego. W tamtych czasach, płuczkę wiertniczą stanowiła woda, dzisiejsze płuczki wiertnicze mają różny skład chemiczny w zależności od przeznaczenia.

Odwierty geotechniczne w dzisiejszych czasach

Wczesne metody wykonywania otworów wiertniczych, miały na celu wydobywanie surowców mineralnych lub wód podziemnych. Stan w którym znajduje się urobek podczas tego typu wierceń praktycznie nie ma znaczenia. Podczas wykonywania badań geotechnicznych, zachodzi potrzeba pobierania próbek gruntu w celu wykonania ich analizy laboratoryjnej. Dlatego, ważne jest aby struktura pobranej próbki gruntu w jak największym stopniu odzwierciedla stan tego gruntu w środowisku naturalnym.

Na początku XX w., próbki gruntu do badań pobierano bezpośrednio z wykopów lub za pomocą specjalnego próbnika o cylindrycznym kształcie. Wiercenia metodą okrętną, stopniowo wypierały inne metody pozyskiwania próbek gruntu z otworów wiertniczych. Główną przyczyną tego stanu rzeczy były lepsze wartości techniczno-ekonomiczne odwiertów wykonywanych w ten sposób. Odwierty metodą okrętną, przy zastosowaniu trójnoga i wyciągarki można było wiercić do znacznych głębokości, nawet kilkudziesięciu metrów.

W XXI w. zaszły kolejne zmiany, postęp technologiczny w zakresie wierceń przyczynił się do popularyzacji wiertnic wrzecionowych napędzanych mechanicznie, które znacznie usprawniły i przyspieszyły proces wykonywania odwiertów geotechnicznych. Obecnie, nadal wierci się otwory ręcznie metodą okrętną, jednak do znacznie mniejszych głębokości i za pomocą przenośnego zestawu do wiercenia ręcznego.

Wiertnice używane obecnie do wykonywania odwiertów w geotechnice czy geologii, są najczęściej montowane na samochodach lub podwoziach gąsienicowych. Dzięki takiemu rozwiązaniu jest to sprzęt bardzo mobilny i gotowy do użycia niemal natychmiast po przyjechaniu na miejsce w którym ma zostać wykonane badanie gruntu.

Wyzwania związane z wykonywaniem odwiertów geotechnicznych metodą obrotową

Mimo stosunkowo zaawansowanych metod wykonywania odwiertów geotechnicznych, jakość próbek pobierana ze zwiercin wyciąganych z otworu nie zawsze jest zadowalająca. Wiertnice mechaniczne wyciągają przelot gruntu, który znajduje się na spirali wiertła w postaci cylindrycznej lub wewnątrz świdra rurowego. Wykorzystanie świdra spiralnego, pozwala w sposób bardziej kompleksowy zbadać grunt i wyróżnić granice między poszczególnymi jego warstwami.

Niestety, często urobek znajdujący się na wyciągniętym świdrze spiralnym (zdjęcie poniżej), który jest obecnie najpopularniejszym typem świdra, ulega licznym deformacjom. Zwiercany materiał skalny, który nawija się na spiralę otaczającą trzon świdra, może w różnym stopniu odzwierciedlać strukturę gruntu, znajdującego się w podłożu.

Jakość uzyskiwanych podczas wiercenia próbek gruntu, wymaga podzielenie ich na osobne kategorie: A, B oraz C. Wymienione kategorie, odpowiadają pięciu klasom próbek gruntu, zdefiniowanym przez Eurokod 7, czyli normę dotyczącą reguł technicznych w zakresie budownictwa, która obowiązuje na terenie Unii Europejskiej. Próbki klasy 1 i 2, powinny mieć nienaruszoną lub nieznacznie naruszoną strukturę. Natomiast, struktura próbki klasy 5 jest całkowicie zmieniona na skutek wiercenia oraz poboru tej próbki gruntu.

Jeżeli metoda wiercenia której używamy pozwala nam uzyskiwać próbki gruntu klasy 5, to praktycznie nie nadają się one do celów badawczych na potrzeby budownictwa. Jakość uzyskanych próbek nie tylko zależy od metody wiercenia, ale także od warunków gruntowo-wodnych na danym terenie oraz umiejętności osoby obsługującej sprzęt wiertniczy.

Istotne jest aby podczas wiercenia w gruntach niespoistych tj. piaski czy pospółki, woda zawsze wypełniała otwór do poziomu zwierciadła wód gruntowych. Jeżeli wiercimy w gruntach spoistych, które znajdują się poniżej zwierciadła wód gruntowych, konieczne jest zarurowanie otworu, w celu odcięcia wyżej leżących warstw wodonośnych. Woda gruntowa nie powinna dodatkowo zawilgocić nawierconych gruntów spoistych.

Sposoby wykonywania odwiertów geotechnicznych metodą obrotową

Wiercenia okrętne od obrotowych formalnie odróżnia napęd, wiercenia okrętne wykonuje się ręcznie, natomiast w przypadku wierceń obrotowych używa się wiertnic z silnikiem mechanicznym. Jak pisałem na początku, odwierty na potrzeby geotechniki wykonuje się najczęściej bez użycia płuczki wiertniczej.

Wiercenie świdrem spiralnym

Najpopularniejszym typem świdra używanym do wiercenia w geotechnice jest świder spiralny. Grunt zwiercany tym rodzajem świdra przesuwa się ku górze po spirali otaczającej trzon świdra. Jakość pozyskiwanych próbek gruntu, przy zastosowaniu tego świdra zależy w dużej mierze od szerokości spirali. Im spirala jest szersza, tym urobek na nią nawinięty w większym stopniu odzwierciedla strukturę gruntu w środowisku naturalnym.

W przypadku świdrów przelotowych szerokość spirali jest znacznie węższa na rzecz grubości samego trzonu świdra, który najczęściej jest rurą. Świdry przelotowe w zależności od grubości samej rury stanowiącej trzon, mogą być używane np. w celu instalacji piezometrów. Jeżeli chodzi o samo badanie gruntu, to w geotechnice świdry przelotowe najczęściej stosuje się jako rury okładzinowe, wewnątrz których wykonuje się dalsze prace badawcze.

Jeżeli chcemy zbadać grunt to wiercenia świdrem spiralnym powinniśmy wykonywać metodą nieciągłą, czyli wiercić do momentu wkręcenia świdra w grunt na głębokość nie przekraczającą jego długości, która powinna wynosić nie więcej niż 1,5 – 2 m. Następnie wyciąga się świder bez zastosowania rotacji i pobiera próbki gruntu. Jeżeli wiercimy głębiej to dokładamy kolejne odcinki świdra, stanowiące przewód wiertniczy.

Jeżeli zostaną spełnione odpowiednie warunki tj. dostosowanie prędkości zagłębiania świdra w grunt do prędkości rotacji oraz nachylania spirali otaczającej trzon świdra, to wiercąc świdrem spiralnym w sposób nieciągły, istnieje możliwość uzyskania próbek gruntu kategorii B. Próbki tej kategorii mają jakość wystarczającą na potrzeby geotechniki.

Wiercenie świdrem rurowym

Odmianą obrotowego rodzaju wiercenia jest używanie koronki wiertniczej oraz rury do której dostaje się zwiercany grunt. Jeżeli podczas odwiertów nie natrafimy na nawodnione grunty niespoiste, ten rodzaj świdra może zapewnić pozyskiwanie zadowalającej jakości próbek gruntu na potrzeby geotechniki. Tego rodzaju wiercenie stosuje się w przypadku gruntów spoistych takich jak gliny czy iły.

Wiercenia świdrem rurowym, w naszym kraju, w obecnych czasach, najczęściej wykonuje się za pomocą przenośnego zestawu ręcznego. W przypadku tego typu zestawu, przeważnie stosowaną odmianą świdra rurowego jest świder okienkowy. Ten rodzaj świdra, podczas zagłębiania się w dno otworu skrawa grunt kierując zwierciny do wnętrza świdra. Podobnie jak w przypadku wiercenia mechanicznego, przy wierceniu ręcznym nawodnione grunty w postaci piasków czy pospółek stanowią problem, gdyż po prostu spływają ze świdra.

Literatura:

• Tarnowski M., (red.), 2020 – Badanie podłoża budowli, metody polowe. Wyd. PWN, Warszawa;
• Gonet A., Macuda J., 1995 – Wiertnictwo hydrogeologiczne, Wyd. AGH Kraków;
• PN-EN 1997-1:2008 Eurokod 7 – Projektowanie geotechniczne;
• Szostak L., 1989 – Wiertnictwo, Wyd. Geologiczne Warszawa;
• Poloczek G., Wyra A., 2007 – Prowadzenie prac wiertniczych różnymi technikami wiertniczymi. Wyd. ITEE, Radom;
• Pisarczyk S., 2014 – Gruntoznawstwo Inżynierskie. Wyd. PWN, Warszawa;
• Pisarczyk S., 2005 – Mechanika gruntów. OWPW, Warszawa.