Approbation of the express penetration method for assessing the strength of sedimentary cohesive rocks

Юрій Винников; Андрій Бондар; Анна Ляшенко; Валерій Новохатній; Марина Рибалко

doi:10.26906/znp.2023.61.3777

Автор(и)

Юрій Винников НУ "Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка" https://orcid.org/0000-0003-2164-9936
Андрій Бондар НУ "Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка" https://orcid.org/0000-0002-1624-6975
Анна Ляшенко НУ "Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка" https://orcid.org/0000-0001-6560-9931
Валерій Новохатній НУ "Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка" https://orcid.org/0000-0001-8107-7912
Марина Рибалко НУ "Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка" https://orcid.org/0009-0002-9813-5175

DOI:

https://doi.org/10.26906/znp.2023.61.3777

Ключові слова:

свердловина, осадова зв’язна гірська порода, міцність, експрес-метод пенетрації, питомий опір пенетрації, одноплощинне зрушення, кут внутрішнього тертя, питоме зчеплення, рівняння взаємозв’язку

Анотація

Проаналізовано переваги експрес-методів пенетрації та зондування для оцінювання механічних параметрів зв’язних осадових порід перед традиційними способами їх випробувань у приладах одноплощинного зрушення, одометрах і стабілометрах, як-то: повну незалежність від прикладеного зусилля та глибини занурення конуса; простоту й надійність обладнання; високу достовірність результатів і т. ін. Виділено галузі їх раціонального використання, у т. ч.: лабораторні та польові методи визначення параметрів міцності й стисливості різновидів осадових, а особливо зв’язних, гірських порід; обґрунтування рівнянь взаємозв'язку між фізичними і механічними властивостями різновидів порід, які мають постійні індикаційні характеристики за узагальненням дослідних даних та ін. Відзначено, що результати пенетраційних випробувань відповідно до рішень вісесиметричної задачі теорії граничної рівноваги оцінюють за питомим опором пенетрації. Подано методику і підсумки 185 комплексів пенетраційно-зрушувальних випробувань різних глинистих порід, від супісків до глин. Їх результати використано для визначення показників міцності зв’язних порід (кута внутрішнього тертя й питомого зчеплення). Шляхом статистичної обробки дослідних даних підтверджено, що для водонасиченого стану глинистих порід існує майже функціональний зв’язок між показником пенетрації і коефіцієнтом пористості. Встановлено, що питомі опори зрушенню глинистих порід за умови однакового фізичного стану лінійно взаємопов’язані з відповідними середніми величинами питомого опору пенетрації при коефіцієнті кореляції близько 0,80. Проведення вишукувань за рекомендованою методикою суттєво зменшує обсяг нормативних випробувань на одноплощинне зрушення, а також дає можливість одержати достатньо достовірні результати з меншою трудомісткістю та тривалістю робіт.

Посилання

1. Asad M.M. (2019). Oil and Gas Disasters and Industrial Hazards Associated with Drilling Operation. An Extensive Literature Review. 2nd Intern. Conf. on Computing, Mathematics and Engineering Technologies (ICoMET), March, 1–6.

https://doi.org/10.1109/ICOMET.2019.8673516

2. Onyshchenko V., Vynnykov Y., Shchurov I. & Kharchenko M. (2023). Case Study: Sites for the Drilling and Repair of Oil and Gas Wells. Lecture Notes in Civil Engineering, 299, 367-389.

https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-031-17385-1

3. Jaeger J.C., Cook N.G.W. & Zimmerman R. (2007). Fundamentals of Rock Mechanics. Wiley-Blackwell.

https://doi.org/:10.1017/CBO9780511735349

4. Schnaid F. (2009). In-situ testing in geomechanics – the main tests. Taylor & Francis Group, London.

https://doi.org/10.1201/9781482266054

5. Das B.M. (2019). Advanced Soil Mechanics. London: CRC Press.

https://doi.org/10.1201/9781351215183

6. Meigh A.C. (1987). Cone Penetration Testing: Methods and Interpretation. Butterworths, London.

7. Mayne P.W., Saftner D. & Dagger R. (2018). Cone Penetration Testing Manual for Highway Geotechnical Engineers. Report.

https://www.dot.state.mn.us/research/reports/2018/201832.pdf

8. Zotsenko M., Vynnykov Yu., Lartseva I. & Sivitska S. (2018). Ground base deformation by circular plate peculiarities. MATEC Web of Conferences 230, 02040. 7th Intern. Scientific Conf. “Reliability and Durability of Railway Transport Engineering Structures and Buildings” (Transbud-2018).

1. Asad M.M. (2019). Oil and Gas Disasters and Industrial Hazards Associated with Drilling Operation. An Extensive Literature Review. 2nd Intern. Conf. on Computing, Mathematics and Engineering Technologies (ICoMET), March, 1–6.

https://doi.org/10.1109/ICOMET.2019.8673516 DOI: https://doi.org/10.1109/ICOMET.2019.8673516

2. Onyshchenko V., Vynnykov Y., Shchurov I. & Kharchenko M. (2023). Case Study: Sites for the Drilling and Repair of Oil and Gas Wells. Lecture Notes in Civil Engineering, 299, 367-389. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-17385-1_30

https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-031-17385-1

3. Jaeger J.C., Cook N.G.W. & Zimmerman R. (2007). Fundamentals of Rock Mechanics. Wiley-Blackwell.

https://doi.org/:10.1017/CBO9780511735349

4. Schnaid F. (2009). In-situ testing in geomechanics – the main tests. Taylor & Francis Group, London.

https://doi.org/10.1201/9781482266054 DOI: https://doi.org/10.1201/9781482266054

5. Das B.M. (2019). Advanced Soil Mechanics. London: CRC Press.

https://doi.org/10.1201/9781351215183 DOI: https://doi.org/10.1201/9781351215183

6. Meigh A.C. (1987). Cone Penetration Testing: Methods and Interpretation. Butterworths, London. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-408-02446-4.50007-8

7. Mayne P.W., Saftner D. & Dagger R. (2018). Cone Penetration Testing Manual for Highway Geotechnical Engineers. Report.

https://www.dot.state.mn.us/research/reports/2018/201832.pdf

8. Zotsenko M., Vynnykov Yu., Lartseva I. & Sivitska S. (2018). Ground base deformation by circular plate peculiarities. MATEC Web of Conferences 230, 02040. 7th Intern. Scientific Conf. “Reliability and Durability of Railway Transport Engineering Structures and Buildings” (Transbud-2018).

https://doi.org/10.1051/matecconf/201823002040 DOI: https://doi.org/10.1051/matecconf/201823002040

9. Powell J.J.M., Shields C.H. & Wallace C.F. (2015). Liquid Limit testing – only use the Cone Penetrometer! Proc. of the XVI ECSMGE Geotechnical Eng. for Infrastructure and Development. Edinburg, 3305-3310.

10. Uhlig M. & Herle I. (2015). Advanced analysis of cone penetration tests. Proc. of the XVI ECSMGE Geotechnical Eng. for Infrastructure and Development. Edinburg, 3073-3078.

https://doi.org/10.1680/ecsmge.60678

11. Kryvosheiev P., Farenyuk G., Tytarenko V., Boyko I., Kornienko M., Zotsenko M., Vynnykov Yu., Siedin V., Shokarev V. & Krysan V. (2017). Innovative projects in difficult soil conditions using artificial foundation and base, arranged without soil excavation. Proc. of 19th Intern. Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Seoul, 3007-3010.

https://doi.org/10.1680/geot.1997.47.3.693 DOI: https://doi.org/10.1680/geot.1997.47.3.693

12. Ahmadi M.M. & Golestani Dariani A.A. (2017). Cone penetration test in sand: A numerical-analytical approach. Computers and Geotechnics. Vol. 90, 176-189.

https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2017.06.010 DOI: https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2017.06.010

13. Golestani Dariani A.A. & Ahmadi M.M. (2019). CPT Cone Factor: Numerical-Analytical Approach. Intern. Journal of Geomechanics, 19(12). DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0001521

https://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/%28ASCE%29GM.1943-5622.0001521

14. Liyanapathirana S. (2022). Large deformation finite element analysis to predict penetration resistance of offshore pipelines. Proc. of the 20th Intern. Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Sydney: Australian Geomechanics Society. Vol. 2, 821-826.

15. Robertson P.K. (2016). CPT-based Soil Behaviour Type (SBT) Classification System – an update. Canadian Geotechnical Journal. 53(12),

https://doi.org/10.1139/cgj-2016-0044 DOI: https://doi.org/10.1139/cgj-2016-0044

16. Xing Y., Kulatilake P. & Sandbak L. (2019). Rock Mass Stability Around Underground Excavations in a Mine. London. CRC Press.

https://doi.org/10.1201/9780429343230 DOI: https://doi.org/10.1201/9780429343230

17. Golestani Dariani A.A. & Naserifar A. (2024). Effects of Seismic Waves on the Segmental Lining of Shiraz Subway Line 2: A Case Study. Geotechnical and Geological Engineering. Vol. 42, 1089-1104. DOI: https://doi.org/10.1007/s10706-023-02606-2

https://link.springer.com/article/10.1007/s10706-023-02606-2

18. Briaud J.-L. (2013). Geotechnical Engineering: Unsaturated and Saturated Soils. Wiley. DOI: https://doi.org/10.1002/9781118686195

https://doi.org/:10.1002/9781118686195

19. Zein A.K.M. (2017). Estimation of undrained shear strength of fine grained soils from cone penetration resistance. Intern. Journal of Geo-Engineering, 8(1). DOI: https://doi.org/10.1186/s40703-017-0046-y

https://link.springer.com/article/10.1186/s40703-017-0046-y

20. Liu L., Cai G., Liu X., Li X., Liu S., Puppala A.J. (2021). Estimation of Undrained Shear Strength of Overconsolidated Clay Using a Maximum Excess Pore Pressure Method Based on Piezocone Penetration Test (CPTU). Geotech. Test. J. 44(4), 1153-1162.

https://doi.org/10.1520/GTJ20190248 DOI: https://doi.org/10.1520/GTJ20190248

21. Yang Z., Liu X., Guo L., Cui Y., Su X., Jia C. & Ling X. (2022). CPT-Based estimation of undrained shear strength of fine-grained soils in the Huanghe River Delta. J. Acta Oceanologica Sinica, 41(5): 136-146. DOI: https://doi.org/10.1007/s13131-021-1946-4

http://www.aosocean.com/article/doi/10.1007/s13131-021-1946-4

22. Equihua-Anguiano L.N., Orozco-Calderon M. & Foray P. (2013). Estimation of undrained shear strength of soft obtained by cylinder vertical penetration. Proc. of the 18th Intern. Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Paris. 2933-2936.

https://www.cfms-sols.org/sites/default/files/Actes/2933-2936.pdf

23. Chang C., Zoback M.D. & Khaksar A. (2006). Empirical relations between rock strength and physical properties in sedimentary rocks. Journal of Petroleum Science and Engineering. Vol. 51, Is. 3–4, 223-237.

https://doi.org/10.1016/j.petrol.2006.01.003 DOI: https://doi.org/10.1016/j.petrol.2006.01.003

24. Zotsenko M.L., Vynnykov Yu., Pinchuk N.M. & Manzhalii S.M. (2019). Research of “influence area” parameters of the foundations arranged without soil. IOP Conf. Series Materials Science and Engineering. 708(1):012076.

https://doi:10.1088/1757-899X/708/1/012076 DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/708/1/012076

25. Lu Y., Duan Z., Zheng J., Zhang H., Liu X. & Luo S. (2020). Offshore Cone Penetration Test and Its Application in FullWater-Depth Geological Surveys. OP Conf. Series: Earth and Environmental Science 570(4):042008

https://doi:10.1088/1755-1315/570/4/042008 DOI: https://doi.org/10.1088/1755-1315/570/4/042008

26. Guo S.-Z. & Liu R. (2015). Application of cone penetration test in offshore engineering, Chinese Journal of Geotechnical Engineering, vol. 37, no. 1, 207-211.

https://doi:10.11779/CJGE2015S1039

27. Wu B., Wang G., Li J., Wang Y. & Liu B. (2018). Determination of the Engineering Properties of Submarine Soil Layers in the Bohai Sea Using the Piezocone Penetration Test. Advances in Civil Engineering. 6: 1-13. Follow journal.

https://doi:10.1155/2018/9651045 DOI: https://doi.org/10.1155/2018/9651045

28. Ma H., Zhou M., Hu Y. & Hossain M.S. (2017). Effects of cone tip roughness, in-situ stress anisotropy and strength inhomogeneity on CPT data interpretation in layered marine clays: numerical study. Engineering Geology, Vol. 227, 12-22. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2017.06.003

https://doi.org/1016/j.enggeo.2017.06.003 DOI: https://doi.org/10.1088/1475-7516/2017/06/003

29. Solberg I-L., Long M., Baranwal V.C., Gylland A.S. & Rønning J.R. (2016). Geophysical and geotechnical studies of geology and sediment properties at a quick-clay landslide site at Esp, Trondheim, Norway. Engineering Geology. Vol. 208, 214-230.

https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2016.04.031 DOI: https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2016.04.031

30. Vynnykov Yu., Kharchenko M., Dmytrenko V. & Manhura A. (2020). Probabilistic calculation in terms of deformations of the formations consisting of compacted overburden of quarternary rocks. Mining of Mineral Deposits, 14(4), 122-129.

https://doi.org/10.33271/mining14.04.122 DOI: https://doi.org/10.33271/mining14.04.122

31. Shen S.L., Wang J.P., Wu H.N., Xu Y.S., Ye G.L. & Yin Z.Y. (2015). Evaluation of hydraulic conductivity for both marine and deltaic deposit based on piezocone test. Ocean Eng. Vol. 110, 174-182.

https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2015.10.011 DOI: https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2015.10.011