Расчет технологических параметров при устройстве буроинъекционных свай

Попсуенко И.К.,к.т.н.

При устройстве буроинекционных свай различают два отдельных процесса-бурение скважины и заполнение ее твердеющим материалом при избыточном давлении. В последнее время получила широкое распространение технология бурения и последующего заполнения скважин для буроинъекционных свай с помощью бурового става , состоящего из проходных полых шнеков с расположенным на нижнем конце става открывающимся сдвижным золотником, через который выполняют опрессовку путем закачивания бетона в скважину при избыточном давлении.

Ввиду того, что в обычных условиях при бурении образуется зазор между ребордой шнека и стенкой скважины, что не позволяет создать в скважине избыточное давление более 0.1-0.2 Мпа и достичь высокой несущей способности буроинъекционной сваи и должного качества ствола сваи. Этот недостаток устраняется в предлагаемом буровом ставе, состоящем из сборных герметичных полых шнеков, защищенном патентом № 95687, тем, что после первого головного шнека в буровом ставе установлен утолщенный полый герметичный шнек, а последующие шнеки не отличаются по диаметру от первого. Таким образом. утолщенный шнек выполняет роль уплотняющего сальника и своеобразного поршня при закачке через окно сдвижного золотника мелкозернистого бетона. Благодаря отсутствию зазора между стенкой скважины и ребордой шнека на отрезке скважины в пределах головного шнека при опрессовке удается создать повышенное давление, достигающее по опыту 0,3-0,5 МПа. Процесс образования уплотняющего грунтового сальника ясен из рассмотрения процесса бурения скважин для устройства буроинъекционных свай предлагаемым буровым ставом по патенту № 95687.

Согласно известным представлениям [1] при шнековом бурении частица породы, отделенная буровым долотом, попадает на спираль шнека и начинает вращаться вместе с ним. За счет вращательного движения на частицу действует центробежная сила, отбрасывающая ее от центра вращения. Поскольку движение частицы по радиусу ограничено стенкой скважины, центробежная сила прижимает частицу к стенке, и со стороны стенки скважины на частицу будет действовать реакция, равная центростремительной силе: F цс = m Rω2, где m- масса частицы; ω- частота вращения шнека; R — максимальный радиус шнека. Под действием силы трения о стенку частица породы частично или полностью удерживается от вращения, а точка шнека, на которой лежала частица, продолжает вращаться, в результате чего возникает перемещение частицы относительно шнека.

Вертикальная составляющая скорости перемещения частицы vz, или скорость транспортирования породы определяет возможности шнекового бурения. Если объем породы, получаемой в результате бурения и подаваемой на спираль шнека Qш, будет больше транспортирующей способности шнека Qш, то произойдёт уплотнение и слипание породы, образование сальника и прекращение или замедление транспортировки породы.

Рис. 1

Геометрия витка шнека (а) и кинематика подъема частицы породы при шнековом бурении (б)

Абсолютная скорость движения частицы является векторной суммой вращательного движения частицы со шнеком (переносное движение) и относительного движения (скольжения) частицы по шнеку:

va = vb + vr (1)

где vb = ωR — окружная скорость вращательного движения шнека; vr = φR— уменьшение скорости вращательного движения частицы за счет ее торможения трением о стенку скважины. Как видно из схемы (рис.1), подъем породы обусловлен наличием положительного угла у между абсолютной и переносной скоростями. Значение абсолютной скорости из схемы составляет:

va = ωR sin α / sin (α + γ)         (2)

Вертикальная составляющая скорости движения частицы равна:

vz = ωR sin α sin γ / sin (α + γ)       (3)

Угол γ представляет собой угол подъема траектории частицы грунта по стенке скважины. Фактическая траектория движения  частицы породы при  шнековом  бурении  представляет собой левую спираль с углом подъема γ.

В предлагаемом нами буровом ставе на пути перемещения породы возникает местное препятствие на стыке между головным (имеющим радиус R) и последующим (имеющим радиус Ry) шнеками в виде увеличения диаметра реборды второго шнека (R>Ry). В стыке в точке увеличения диаметра вертикальная скорость частицы вдоль реборды второго шнека вначале падает (см. формулы 1-3), а затем по мере ее транспортирования вдоль второго шнека с большим радиусом реборды Ry возрастает, а затем снова снижается, попадая на следующий за вторым шнек с меньшим радиусом R реборды. Таким образом, на втором шнеке, имеющем реборду большего радиуса возникает разрыв скоростей транспортирования породы и в результате в пределах длины утолщенного шнека образуется грунтовый сальник, «герметизирующий» скважину и позволяющий создать повышенное давление опрессовки в пространстве между открывающимся внизу става золотником и грунтовым сальником в пределах длины второго шнека. Движение породы вверх происходит в результате того, что пластичная породная масса образует со спиралью шнека пару «винт — гайка». Породная масса («гайка»), удерживаемая от вращения неровностями ствола, при вращении винтовой поверхности шнека перемещается вверх. Режим ее перемещения определяется частотой вращения шнековой колонны, трением породы о стенки скважины, наличием препятствий в нашем случае в виде утолщения шнеков. Необходимым условием работы шнекового транспортера является замедленное, по сравнению со шнеком, проворачивание породной массы в стволе скважины, что обусловлено различием коэффициентов трения пар «порода — порода» (0,8-1,0) и «порода — сталь» (0,3-0,65), что требует применения станков с достаточно мощным вращателем и высоким крутящим моментом.

При опрессовке скважины и заполнении ее мелкозернистым бетоном вращение шнеков прекращают и извлекают шнековую колонну без вращения для лучшей герметизации скважины. При этом грунт, находящийся на реборде шнека превращается в уплотнительный сальник и обеспечивает качественную опрессовку скважины при повышенном давлении (0,3-0,5 МПа).Основными признаками качественной опрессовки скважины являются отсутствие пробивания мелкозернистого бетона из устья скважины и выдержка давления опрессовки в течение 3-5 минут.

Для эффективного бурения и опрессовки буровым ставом предлагаемой конструкции необходимо применять энергонасыщенные станки с усилием извлечения и крутящим моментом в 1,2-1,5 раз превышающим сопротивление выдергиванию и провороту шнековой колонны бурового става в скважине.

При выполнении бурения, опрессовке скважины и выборе мощности бурового станка следует учитывать повышенное сопротивление извлечению и вращению бурового става, имеющего второй утолщенный шнек.

Необходимое усилие извлечения бурового става с утолщенным шнеком Р можно выразить следующей формулой:

Р ≥ 1,5[ Рш + Рб + f(h-hу)πR + fhуπRу – P0 π(Ry – R)2], (4)

где:

Рш - вес буровой колонны ( бурового става) из полых шнеков , Рб - вес бетона, находящегося в полых шнеках, f-удельное трение по боковой поверхности бурового става, определяемого в первом приближении по таблице 7.3 СП 24.13330.2011, h-общая длина бурового става, hy – длина утолщенного шнека, R- радиус бурового става, Ry- радиус утолщенного шнека, Р0 -давление опрессовки.

Необходимый крутящий момент вращателя бурового станка M для выполнения бурения с помощью предлагаемой конструкции бурового става можно определить по приближенной формуле:

M ≥ 1,5 π R2у h f (5)

Рис.2

Общий вид бурового става по патенту № 95687

На фото ( рис.2) приведен общий вид бурового става по патенту № 95687 , использованного ООО ''Элитгеотехник'' при устройстве буроинъекционных свай для усиления фундаментов офисного здания по адресу: г. Москва, ул. Петровка. 26, стр.3. Диаметры первого (головного, нижнего) и второго утолщенного шнеков составили, соответственно, 152 и 169 мм. Сравнительно небольшая разница в диаметрах позволила использовать для бурения и опрессовки скважин для буроинъекционных свай малогабаритные станки ''Стерх'', имеющим усилие выдергивания 15 Кн и крутящий момент 2300 нм. Для эффективного бурения и опрессовки буровым ставом предлагаемой конструкции необходимо применять энергонасыщенные станки с усилием извлечения и крутящим моментом в 1,2-1,5 раз превышающим сопротивление выдергиванию и провороту шнековой колонны бурового става.

После устройства свай с использованием бурового става по патенту № 95687 были проведены сопоставительные статические испытания свай [2] длиной 12 м, выполненных с использованием бурового става с шнеками диаметром 169 мм (с1) и бурового става, имеющего головной шнек диаметром 152 мм и утолщенный с диаметром 169 мм (с-2). При этом, давление опрессовки сваи с-1 составило 0,15-0,2 МПа, а с-2 0,25-0,5 МПа. Результаты испытаний показали, что при равных нагрузках 35 т осадки сваи с-1 составили 16 мм, а осадка сваи с-2 всего 5 мм, что свидетельствует о большем резерве несущей способности последней сваи, обусловленном более высоким давлением опрессовки при ее изготовлениии.