Текст
БМРЕБРИК
БУРЕНИЕ ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН
р -3^Р
Б.М.РЕБРИК
БУРЕНИЕ ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН
спмвочник
2-е издание, переработанное и дополненное
ББК 33.131
Р 31
УДК (622.143) (031)
Организации-спонсоры: Московский геологоразведочный институт им. Серго Орджоникидзе; Моегорг согреет; ПГО «Центргеология»; Чувашское отделение ГорьковТИСИЗа; БелГИИЗ; Верхне-Волжский ТИСИЗ
Ребрик Б. М.
Р 31 Бурение инженерно-геологических скважин: Справочник.— 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Недра, 1990.-— 336 с.: ил.
ISBN 5-247-01677-7
Рассмотрены конструкции и способы бурения инженерно-геологических скважин, буровое оборудование и инструмент. Даны рекомендации по выбору режимов бурения и оборудования. Уделено внимание геологической документации и отбору образцов. Во втором издании (1-е изд.—1983) более подробно описано ударно-вибрационное зондирование грунтов, дана новая методика расчета затрат мощности при бурении.
Для инженерно-технических работников, занимающихся инженерногеологическими изысканиями.
2502010300—249
043(01)—90^
238 —90
ББК 33.131
СПРАВОЧНОЕ ИЗДАНИЕ
Ребрик Борис Михайлович
БУРЕНИЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН
Заведующий редакцией Л Н. Аважанская
Редактор издательства Т. А. Чопорова
Технические редакторы Л. Г. Лаврентьева, Н. В. Жидкова
Корректор М. В. Дроздова
ИБ№ 8373
Сдано в набор 21.02.90. Подписано в печать 17.07.90. Т—11437. Формат 60x88Vie- Бумага книжножурнальная для офсетной печати. Гарнитура Таймс. Печать офсетная, Усл. печ. л. 20,58. Усл. кр,-отт. 20,58. Уч.-изд. л. 24,01. Тираж 4930 экз. Заказ 3871/2332-4. Цена 1р. 50 к.
Ордена «Знак Почета» издательство «Недра», 125047, Москва, пл. Белорусского вокзала, д. 3 Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени МПО «Первая Образцовая типография» Государственного комитета СССР по печати. 113054, Москва, Валовая, 28.
© Издательство «Недра», 1983
ISBN 5-247-01677-7 © Б. М. Ребрик, 1990, с измене-
ниями и дополнениями
ПРЕДИСЛОВИЕ
Основной вид работ при инженерных изысканиях в. строительстве и при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых— бурение скважин. Затраты на бурение составляют до 25% общих затрат на производство изысканий. Роль и значение скважин и буровых работ при изысканиях определяются следующ .ми факторами:
буровые скважины—важнейший источник прямого получения инженерно-геологической и гидрогеологической информациг об основных особенностях и физико-механических свойствах горных пород (грунтов), слагающих исследуемую территорию;
буровые скважины позволяют также получать указанную выше информацию с помощью других способов (геофизических, полевых опытных и т. д.);
буровые скважины широко используются для выполнения подсобно-вспомогательных функций (добыча подземных вод, сейсмические исследования и др.);
буровые работы оказывают определяющее влия’ че на формирование ремонтно-механической базы изыскательских организаций, их материально-техническое снабжение и функционирование подсобновспомогательных служб.
В связи с этим развитию и совершенствованию буровых работ должно уделяться неослабное и возрастающее внимание.
Настоящий справочник представляет собой второе дополненное и переработанное издание аналогичного справочника, изданного в 1983 г. С момента выхода первого издания срок прошел сравнительно небольшой. Каких-либо существенных, принципиальных изменений в техническом оснащении буровых работ на изысканиях за этот период не произошло. Тем не менее изыскательская служба страны продолжала развиваться и совершенствоваться. Вслед за Мосгоргеотрестом, БелГИИЗом и другими передовыми изыскательскими и проектно-изыскательскими организациями во многих министерствах и ведомствах изыскания начали переводить на индустриальную основу, т. е. с узкой специализацией, замкнутым технологическим циклом изысканий, широким использованием компьютерной техники, внедрением в производство новейших достижений науки и техники и передового опыта. С учетом перехода изыскательских организаций на хозрасчет и самофинансирование указанные тенденции получили еще большее развитие.
3
В справочнике подобраны и систематизированы основные справочные данные, необходимые работникам производственных изыскательских и проектно-изыскательских организаций, ведущих буровые работы. При составлении справочника широко использовались действующие нормативно-методические документы (СНиП, стандарты, нормали, технические условия, указания и рекомендации), отчетные и фондовые материалы, многочисленные публикации.
В подготовке справочника были использованы материалы и рекомендации, представленные многими организациями. Составление справочника было бы невозможно без широкого участия в его подготовке многих специалистов.
Постоянно оказывали автору помощь и поддержку ценными указаниями и предложениями Е. А. Козловский, В. Ф. Рогов, Г. П. Новиков, Л. Г. Грабчак, В. Г. Кардыш и др.
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность И. В. Архангельскому и М. А. Солодухину, которые оказали помощь в сборе материала.
ГЛАВА 1
ГРУНТЫ и их
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
При бурении инженерно-геологических скважин объектом воздействия и изучения является грунт. Выбор техники и технологии бурения во многом определяется составом и физико-механическими свойствами грунта.
§ 1. Общая характеристика грунтов
В современной технической литературе термин «грунт» трактуется и понимается двояко. В широком смысле под грунтом понимается горная порода, являющаяся основанием, средой или материалом при строительстве сооружений. Именно так ipymr трактуется существующими нормативно-методическими документами Госстроя СССР.
В узком смысле грунты трактуются как рыхлые горные породы коры выветривания скальной оболочки Земли (литосферы), несвязные (сыпучие) или связные, прочность связей которых во много раз меньше прочности самих минеральных частиц. Характернейшая особенность грунтов как природных тел — раздробленность, дисперсность, что коренным образом отличает их от скальных (твердых и крепких) пород. Грунты в узком смысле являются объектом изучения ряда специальных дисциплин, в частности грунтоведения и механики грунтов.
В настоящем справочнике термин груш будет пониматься в широком смысле как природное или искусственное образование, которое каким-то образом предполагается использовать для строительства. Однако поскольку при рассмотрении процессов бурения нередко будут использованы методы, модели и терминология механики грунтов и частично грунтоведения, объектом исследования по необходимости окажутся такие горные породы, которые определяются термином грунт в узком смысле.
В механике грунтов применительно к строительству решаются задачи по определению (оценке) несущей способности и других качеств грунтов как основания, среды или материала сооружения. В справочнике грунты будут рассматриваться как среда: 1) которая в процессе бурения скважин подлежит разрушению; 2) из которой необходимо отбирать пробы ненарушенного сложения для определения ее физико-механических свойств; 3) строительные свойства которой могут быть выявлены в процессе внедрения в нее различных элементов (например, конуса), т. е. опять же в процессе разрушения; 4) определенным образом воздействующая на внедряемые в нее
5
элементы (например, породоразрушающий инструмент) и во многом определяющая законы движения последних, а также их износ.
В сущности, грунтами с геологической точки зрения являются горные породы. Горными породами называются материальные объекты, слагающие земную кору, а также твердые или рыхлые части других космических тел. Горные породы слагаются из минералов. Встречаются горные породы, состоящие из одного минерала, например кварца. Горные породы делятся на три группы: магматические, метаморфические и осадочные.
Магматические, или изверженные, породы образуются в результате застывания и кристаллизации магмы при внедрении ее в земную кору или при излиянии ее на поверхность в процессе извержения вулканов. Свойства магматических пород зависят от положения остывающих магматических тел по отношению к поверхности земли, от условий температуры и давления, состава магмы, скорости ее застывания и т. д. При подразделении магматических пород важнейшими признаками являются их химический и минералогический составы.
Метаморфические породы образуются из магматических и осадочных путем их глубоких изменений и преобразования под влиянием высокой температуры, давления и химически активных веществ. Различаю! несколько видов метаморфизма. Контактный метаморфизм наблюдается на контакте внедрившейся магмы с вмещающими горными породами, изменение которых происходит под влиянием теплового воздействия высокотемпературного (свыше 1000° С) расплава магмы в горячих источниках (гидротермальный метаморфизм). Региональный метаморфизм проявляется на огромных площадях в подвижных зонах земной коры (геосинклиналях) под влиянием высокой температуры и большого давления. Динамометаморфизм, или дислокационный метаморфизм, обусловливается давлением, которое испытывают породы под влиянием тектонических движений.
Осадочные породы образуются в результате осадконакопления и других сложных процессов. Они слоисты, обычно пористы, в них содержатся ископаемые остатки животных и растений. В соответствии с генетическими особенностями осадочные породы подразделяются на три группы: обломочного, химического и органогенного происхождения. Породы обломочного происхождения состоят из продуктов механического разрушения более древних пород. По величине и форме слагающих частиц, а также по степени их цементации они подразделяются на грубообломочные—псефиты, песчаные- псаммиты, алевролитовые—алевриты и глинистые—пелиты. Глинистые породы сложены частицами размером менее 0,01 мм и содержат около 30% тончайших частиц (менее 0,001 мм). Карбонатные осадочные горные породы—известняки и доломиты — подразделяются по вещественному составу, способу образования и структуре. Известняки и доломиты нередко содержат примеси глинистого сульфатного, кремнистого, реже обломочного материала, образуя смешанные породы.
6
В состав природных грунтов входят три группы элементов: твердые минеральные частицы, вода в различных видах и состояниях, газообразные включения. Кроме того, в состав некоторых грунтов входят органические и органо-минеральные соединения. Таким образом, грунт представляет собой сложную трехкомпонентную систему, свойства которой зависят от ее происхождения, состава, состояния, степени литификации и других факторов. К особенностям грунтов как природных образований следуег отнести также то, что их свойства могут не оставаться постоянными, а меняться во времени (например, в процессе их водонасыщения).
Твердые минеральные частицы грунтов представляют систему разнообразных по форме, составу и размерам (от нескольких сантиметров у крупнообломочной фракции до мельчайших частиц коллоидного порядка, т. е. менее 1 мкм, у дисперсных глин твердых минеральных зерен. Согласно общепринятому в СССР делению частиц, слагающих осадочные породы (грунты), по их крупности могут быть выделены: песчаные частицы размером 2—0,05 мм в поперечнике, пылеватые частицы 0,05—0,005 мм и глинистые частицы <0,005 мм.
Песчаные (песок):
очень крупные .............................
крупные ...................................
средние ...................................
мелкие ....................................
тонкие ....................................
Пылеватые:
крупные ...................................
мелкие ....................................
Глинистые:
грубые ....................................
тонкие ....................................
2—1
1-0,5 0,5-0,25 0,25-0,1 0,1-0,05
0,05-0,01 0,01-0,005
0,005 - 0,001 <0.001
По закономерному сочетанию частиц различной крупности грунты распределяются на следующие группы (по И. М. Горьковой):
I—высокодисперсные (глинистые) породы морского (а также озерного) происхождения и разнообразного минерального состава, содержащие свыше 50% глинистых частиц;
II—переходные от глин к пылевазым породам континентального (водного) или прибрежно-морского происхождения;
III—пылеватые породы континентального (в основном эолового или смешанного) происхождения, содержащие более 50% пылеватых частиц;
IV—песчаные породы, в основном шельфовых отложений, содержащие более 50% песчаных частиц.
Вода в грунте может находиться в свободном и связанном состояниях. Свободная вода подразделяется (по А. Ф. Лебедеву) на гравитационную, движение которой происходит под действием разности напора, и капиллярную, подтягиваемую на некоторую высоту от уровня грунтовых вод силами капиллярного натяжения.
Связанная вода представляет собой гонкую пленку, которой окружены минеральные частицы грунта. Здесь выделяются два слоя: прочно связанной адсорбированной воды и рыхлосвязанной воды.
Прочность глинистого грунта во многом определяется типом структурных связей между частицами. Выделяются несколько типов структурных связей (по И. М. Горьковой): стабилизационные, коагуляционные, пластифицированно-коагуляционные (и частично конденсационные), смешанные коагуляционно-конденсационные и коагуляционно-кристаллизационные (коагуляционно-цементационные).
Кристаллизационные связи—хрупкие, наиболее прочные и не восстанавливающиеся после их разрушения; коагуляционные и конденсационные—мягкие (пластичные), в большей или меньшей степени восстанавливающиеся после их нарушения.
Для оценки строительных качеств грунтов весьма важно их сложение (текстура), т. е. пространственное размещение и взаимное расположение частиц грунтов и их агрегатов, характеризующее неоднородность грунтовой толщи в пласте. Различают следующие основные виды сложения природных глинистых грунтов: 1) слоистые (тонко- и грубослоистые, ленточные, косослойные, сланцевые и др.); слитные (массивные и скрытослоистые); сложные (порфировые, ячеистые, макропористые и пр.).
Общая классификационная схема грунтов представлена в табл. 1.1.
Таблица 1.1. Общая классификационная схема грунтов (по С. П. Абрамову)
Группа Подгруппа Тип Вид Разновидность
Грунты различного генезиса с жесткими связями, прочные (скальные) Магматические Метаморфические Осадочные Интрузивные (глубинные) и эффузивные (излившиеся) Регионально-метаморфические, контактово-метаморфические, ди-намометаморфи-ческие Нерастворимые, растворимые Выделяются по петрографическому составу То же » Выделяются по прочности То же »
Осадочные грунты с жесткими связями пониженной прочности (по-лускальные) Химические и биохимические Обломочные Растворимые, размягчаемые Размягчаемые, неразмягчаемые То же » То же »
Осадочные грунты без жестких связей (нескальные) Крупнообломочные Песчаные Выделяются по размеру крупнообломочного материала и его соотношению с заполнителем Выделяются по гранулометрическому составу Выделяются по составу заполнителя Выделяются по плотности сложения Выделяются по состоянию заполнителя Выделяются по степени водо-насыщения
8
Продолжение табл. 1.1
Группа Подгруппа Тип Вид Разновидность
Глинистые Биогенные Выделяются по просадочности, способности к набуханию, засоленности, содержанию органического вещества Выделяются по составу органического вещества Выделяются по числу пластичности Выделяются по степени разложения органического вещества Выделяются по консистенции Выделяются по степени зольности
Искусственные грунты Намывные, насыпные, культурные слои Выделяются по составу исходного материала Выделяются по плотности сложения Выделяются по степени водо-насыщения, консистенции и другим признакам
Основные виды магматических и метаморфических пород и их характерные признаки приведены в табл. 1.2, скальных грунтов осадочного генезиса—в табл. 1.3, полускальных грунтов—в табл. 1.4. Таблица 1.2. Основные виды магматических и метаморфических пород и их характерные признаки
Подгруппа Тип Вид Характерные признаки
Магматические Интрузивные Гранит Кислая порода, состоящая из полевых шпатов (65—70%), кварца (15 40%) и темноцветных минералов (15—10%). Окраска светлая. Структура равномерно-зернистая, иногда порфировидная или пегматитовая. Текстура массивная
Диорит Кислая порода, состоящая из полевых шпатов— плагиоклазов (до 75%) и темноцветных минералов (до 35%). Окраска серая, иногда темная. Структура равномерно-зернистая или порфировая. Текстура массивная
Сиенит Габбро Средняя порода, состоящая из щелочных полевых шпатов (ортоклазы, микроклины до 75—85%) и темноцветных минералов (15—35%). Окраска темная. Структура равномерно-зернистая, иногда порфировидная. Текстура массивная Основная порода, состоящая из полевых шпатов— основных плагиоклазов (до 70%) и темноцветных минералов. Окраска темная до черной. Структура равномерно-зернистая, порфировидная. Текстура массивная
9
Продолжение табл. 1.2
Подгруппа Тип Вид Характерные признаки
Магматические Эффузивные Липарит По минеральному составу—аналог гранита. Окраска светлая, при большом содержании стекла—темная. Структура порфировая, реже—флю-идальная
Андезит (порфирит) Плотная микрокристаллическая порода, по минеральному составу—аналог диорита. Окраска серая, зеленовато-серая. Структура основной массы—диорит-порфировая, при заполнении пор стеклом—интерсертальная, при преобладании стекла—гиалопелитовая
Трахит (орто-$ир) Базальт (диабаз) Пористая микрокристаллическая порода, по минеральному составу—аналог сиенита. Окраска светлая (белая, серая, желтоватая, красноватая), у ор-тофиров—серо-зеленая. Структура флюидальная, пузырьковая Полнокристаллическая порода, по минеральному составу—аналог габбро. Окраска серая до черной. Структура равномерно-зернистая, иногда порфировая. Текстура массивная
Метаморфические Регио-нально-мета-морфи-ческие Гнейс Кристаллическая порода, состоящая из полевых шпатов, кварца и темноцветных минералов. Окраска светлая. Размеры отдельных зерен непостоянны. Текстура чаще всего ясносланцеватая, иногда тонкосланцевая, полосчатая или ленточная
Кварцит Кристаллическая порода, состоящая в основном из кварца. Окраска разнообразная, преобладают светлые тона. Структура гранобластическая. Текстура полосчатая, сланцеватая
Кристаллический сланец Полнокристаллическая порода различного минерального состава. Окраска разнообразная. Структура кристаллобластовая. Текстура сланцеватая
Филлит Глинистый сланец Полнокристаллическая порода, состоящая из кварцита, серицита с примесью хлорита, биотита и альбита. Окраска зеленоватая. Структура кристаллобластовая. Текстура сланцевая. По плоскостям сланцеватости характерен шелковистый блеск Тонкокристаллическая порода, состоящая из частичек кварца, чешуек кварца, чешуек серицита и хлорита, а также глинистых частиц. Окраска обычно зеленоватая, при наличии углистых частиц— черная. Текстура тонкосланцеватая. В воде не размокает
10
Продолжение табл. 1.2
Подгруппа Тип Вид Характерные признаки
Метаморфические Контакте-во-ме-тамор-физо-ванные Роговик Яснокристаллическая порода разнообразного состава. Окраска темная до черной. Зерна минералов имеют неправильные, изометричные очертания. Структура роговиковая или мостовидная, напоминающая булыжную мостовую. Сланцеватость материнских пород обычно затушевана
Скарн Кристаллическая порода, состоящая из гранита, пироксена и других известково-железистых силикатов
Мрамор Полнокристаллическая карбонатная порода. Окраска зависит от состава примесей. Структура гранобластовая. Текстура большей частью массивная, реже—слоистая.
Дина-момета-морфи-зован-ные Милонит Раздробленная и перетертая порода, плотная, роговикоподобная. Структура катабластическая или милонитовая. Текстура очковая
Таблица 1.3. Основные ииды скальных грунтов осадочного генезиса и их характерные признаки
Вид Характерные признаки
Брекчия Прочно сцементированная порода, состоящая из неокатанных обломков различного состава крупнее 2 мм
Конгломерат Песчаник Прочно сцементированный галечник Прочно сцементированный песок различного минерального состава; цемент обычно кремнистый
Доломит Карбонатная порода, состоящая из минерала*Доломита, обычно с примесью кальцита. Структура от пелитоморфной сливной до полнокристаллической крупнозернистой. Слабо вскипает с соляной кислотой
Известняк Карбонатная порода, состоящая в основном из кальцита. Структура от пелитоморфной до полнокристаллической крупнозернистой. Хорошо вскипает с соляной кислотой
Таблица 1.4. Основные ииды полускальных грунтои и их характерные признаки
Вид Характерные признаки
Мергель Известково-глинистая порода. Окраска разнообразная; структура мелоподобная, иногда плотная землистая, в отдельных случаях оолитовая. Характерна плитчатая отдельность. Вскипает с соляной кислотой
Мел Карбонатная порода, состоящая почти целиком из кальцита. Цвет белый. Оставляет след на руках. Бурно вскипает с соляной кислотой
11
Продолжение табл. 1.4
Вид Характерные признаки
Известняк-ракушечник Известняк оолитовый Опока Известняк, состоящий преимущественно из целых и раздробленных раковин моллюсков Известняк, имеющий оолитовую структуру Кремнистая порода, состоящая из опала с примесью кремневых остатков организмов, мелких обломков кварца и полевых шпатов, зерен глауконита и глинистого вещества. Преобладает светло-серый цвет
Диатомит Кремнистая порода, состоящая из створок диатомей, небольшого количества радиолярий и спикул губок, а также
Трепел глинистого материала, кварца и глауконита Кремнистая порода, аналогичная диатомиту, но почти лишенная органических остатков
Песчаник Слабосцементированный песок. Цемент глинистый, глинисто-известковистый, известковистый, железистый
Алевролит Сцементированный алевролит. Преобладающий размер зерен 0,1—0,01 мм
Аргиллит Камнеподобная глинистая порода. Текстура микрослоистая
§ 2. Физические свойства грунтов
К основным физическим свойствам грунтов, определяемым опытным путем (в лаборатории или в полевых условиях), относятся: плотность грунта у, плотность уу твердого компонента грунта, (массовая) влажность грунта W, плотность грунтовой воды W„.
Плотностью грунта называется масса единицы объема грунта с естественной влажностью и ненарушенным строением, плотностью твердого компонента—масса единицы объема только твердых частиц грунта, влажностью грунта—отношение массы воды к массе высушенного грунта (или к массе твердых частиц) в образце.
Плотность грунта изменяется в довольно широких пределах: (0,5— 3,0) • 103 кг/м3 и более. Наиболее часто встречаются грунты с плотностью (1,5—2,5) • 10-3 кг/м3. Плотность для большинства грунтов меняется в незначительных пределах — (2,5—2,9)-10-3 и в среднем для песков равна 2,65-Ю3 и для глин 2,7 • 10“3 кг/м3; влажность грунтов меняется от 0 до 3 и более.
Многие показатели физических свойств грунтов определяются вычислением на основе данных о трех указанных выше свойствах. Основные формулы для расчета этих свойств приведены в табл. 1.5, плотность твердого компонента уу основных типов осадочных пород представлена в табл. 1.6, плотности значения наиболее распространенных минералов и горных пород—в табл. 1.7. Следует иметь в виду, что для сплошных тел (скальных монолитных горных пород) плотности грунта и его твердого компонента тождественны.
В зависимости от того, для каких целей и в каком качестве используется грунт (горная порода), пользуются и другими показа-12
телями его физических свойств. Однако перечисленные выше свойства используют и для бурения инженерно-геологических скважин.
Таблица 1.5. Формулы для вычисления показателей физических свойств грунта
Показатель Формула
Удельный вес грунта у'=(уУ-у.)(1-«)^ (1-1)
под водой у', Н/м3 Плотность твердого ком- —
понента грунта уу, кг/м3 Плотность скелета грунта ус, кг/м3 У
к \ + w (1.2)
Пористость п Ус (1-ЬИЭтУ—У е (1-3)
уу (1-ЬЖ)уу 1+е
Коэффициент пористости е « Уу —Ус (1- W)yy~у (1.4)
Г-Д ус у
Природная влажность W —
Коэффициент пористо- И'Уу G = (1.5)
сти грунта, насыщенно- Ув
го водой, еь Коэффициент макропо- ет = е’р—е'р (1.6)
ристости ет Влажность объемная Ио Wy. Ув (1-7)
Полная влагоемкость W„ И„ = /, \Ув= Ув =
Уу(1-и) УуУс
_д _уу(1 + 1К)—у Ув— Ув Ус УуУ (1.8)
Коэффициент водонасы-щения (коэффициент W 1КУ(1- п) Wy. Wyy G= = = = ну,, У„и су. (1.9)
влажности, степень
влажности, относитель-
ная влажность) G (по ГОСТ 25100—82 обо-
значается буквой ,S'r)
Число пластичности 1р IP=WL-WP (1-10)
Показатель текучести (консистенции) IL , w-wp (1.11)
L I lp
Показатель пластичности kp=ipim. (1.12)
глинистой фракции Кр Показатель гидрофильности глинистой фрак- Kk= WL/MC (1.13)
ции Кк
Примечание. у„—плотность воды; е'Р и е'1>—коэффициенты пористости грунта при одной и той же нагрузке Р до и после замачивания; W,—предел текучести; Wp—предел пластичности; Мс—содержание глинистых частиц в грунте в долях единицы; g—ускорение свободного падения.
13
Таблица 1.8. Класс грунтов с жесткими структурными связями (класс скальных грунтов)
Группа Подгруппа Тип Вид Разновидность
Магмати- ческие Интрузивные (глубинные) Выделяются по петрографическому составу Граниты, диориты, сиениты, габбро, перидотиты и др. Выделяются по структуре: мелко-, средне- и крупнозернистые, порфировые и др. Выделяются: 1—по пределу прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии Rc, МПа: очень прочные— Rc > 120, прочные—120 > >Лс>50, средней прочности— 50^Ас>15, малопрочные — 15 > Rc > 5, пониженной прочности — 5>/?с>3, низкой прочности —3 > Rc 1, весьма низкой прочности— Ас<1; 2—по степени засоленности полускальные грунты: незаселенные—содержание легко- и среднерастворимых солей менее 2% от массы абсолютно сухого грунта, засоленные—содержание указанных солей 2% и более от массы абсолютно сухого грунта; 3—по степени размягчае-мости в воде, характеризуемой коэффициентом размягчаемое™ ksaf-. не-размягчаемые—k„f ^0,75, размягчаемые— < 0,75; 4—по степени раствори-
Эффузивные (излившиеся) Липараты, трахиты, андезиты, порфиры, порфириты, туфы, базальты, туфо-брекчии и др. Выделяются по структуре: стекловатые, неполнокристаллические, порфировые и др.
Метаморфические Региональнометаморфические Выделяются по петрографическому составу Гнейсы, кварциты, кристаллические сланцы, «зеленые сланцы», глинистые сланцы И др. Выделяются: 1 — по текстуре: гнейсовые, сланцеватые, слоисто-сланцеватые, тонкослоистые, полосчатые массивные и др.; 2—по структуре: так же, как виды магматических грунтов
Контактово-метафор-физованные Роговики, скарны, мраморы, яшмы и др.
Динамометамор-физованные Милениты, контаклазиты, тектонические брекчии и др.
Продолжение табл. 1.8
Группа Подгруппа Тип Вид Разновидность
Осадочные сцементированные Обломочные Крупно-обломочные Выделяются по пет-рографи-ческому составу Конгломераты, брекчии, гравелиты Выделяются по составу цемента: кремнистые, железистые. карбонатные, глинистые и др. мости в воде (осадочные, сцементированные), г/л: нерастворимые—растворимость <0,01, труднорастворимые —растворимость 0,01 — 1, среднерастворимые —растворимость >1 до 10, легкорастворимые — растворимость > 10; 5—по температуре грунта Г, °C и содержанию льда: немерзлые, талые— t >0. мерзлые, содержащие в трещинах и пустотах включения льда — ?<0, морозные, не содержащие включений льда,— f<0
Мелкообломочные Песчаники, туфиты
Пылеватые и глинистые Алевролиты, аргиллиты
Биохимические Кремнистые Спонголиты, радиоляриты, опоки, трепела, диатомиты Выделяются: 1 —по структуре: пелитоморфные, мелко-, средне-и крупнокристаллические; 2—по составу примесей: окремнелые, ожелезнен-ные, глинистые и др.
Карбонатные Доломиты, известняки. мергели, мел
Химические Сульфатные Ангидрит, гипс
Галоидные Галит, сильвин, сильвинит, карналлит
Искусственные Преобразованные в природном залегании Типы магнетических, метаморфических и осадочных сцементированных грунтов (трещиноватых) Выделяются по способу преобразования Закрепленные цементными и песчано-цементными растворами, расплавленными Выделяются: 1—по пре- | Так же, как делу проч- разновидности на од- ности маг- одноосное мати- сжатие ческих, ме-
2 Заказ 3871
ные
Искусствен- Преобразованные в
природном залегании
Типы крупнообломочных несцементированных грунтов Выделяются по способу преобразования битумами, способом замораживания Закрепленные цементными и песчано-цементными растворами, расплавленными битумами. способом замораживания и т.п.
Типы песчаных несцементированных грунтов Закрепленные цементом, известью, жидким силикатом, карбамидными смолами, способом замораживания и т. п.
Типы пылеватых и глинистых несцементированных грунтов Закрепленные известью, зо-лами-уноса, жидким силикатом, способами термической обработки, замораживания и т. п.
(после закрепления) в водонасыщенном состоянии Rc; 2—по температуре грунта t й содержанию льда
таморфи-ческих и
> осадочных сцементированных грунтов
оо Таблица 1.9. Класс грунтов без жестких структурных связен (класс нескальных грунтов)
Группа Подгруппа Тип Вид
Обломочные несцементированные Обломочные несцементированные Обломочные — крупнообломочные (элювиальные, пролювиальные, делювиальные, аллювиальные, водно-ледниковые, ледниковые, морские, пирокластические и смешанного происхождения) Обломочные — крупнообломочные (элювиальные, пролювиальные, делювиальные, аллювиальные, водно-ледниковые, ледниковые, морские, пирокластические и смешанного происхождения) Выделяются по гранулометрическому составу: валунный грунт (при преобладании неокатанных частиц — глыбовый) —масса частиц крупнее 200 мм более 50%; галечниковый грунт (при преобладании неокатанных частиц — щебенистый)—масса частиц крупнее 10 мм более 50%; гравийный грунт (при преобладании неокатанных частиц—дресвяный) —масса частиц крупнее 2 мм более 50% Выделяются по составу заполнителя: при наличии песчаного заполнителя более 40% или пылеватого и глинистого заполнителя более 30% обшей массы абсолютно сухого грунта в наименовании крупнообломочного грунта должно содержаться наименование заполнителя. Состав заполнителя устанавливается после удаления из образца крупнообломочного грунта частиц крупнее 2 мм. Для частиц крупнее 2 мм необходимо указывать их петрографический состав
Разновидность
Выделяются:
1 — по степени влажности 5 • маловлажные -0<5г<0,5, влажные 0,5 < S, С 0,8. насыщенные водой
—0,8<Sr< 1,0;
2—по степени засоленности: незаселенные —суммарное содержание легко- и среднерастворимых солей (от массы абсолютно сухого грунта) менее 2%—при содержании песчаного заполнителя менее 40% или пылеватого и глинистого за-’ полнителя менее 30%, 0,5%—при содержании песчаного заполнителя 40% и более, 5% — при содержании пылеватого и глинистого заполнителя 30% и более; засоленные — содержание легко- и среднерастворимых солей превышает значения, указанные для незасоленных грунтов. Степень засоленности крупнообломочных грунтов, используемых в качестве оснований в мерзлом состоянии, определяется по соответствующей характеристике заполнителя (так же, как для разновидностей песчаных, пылеватых и глинистых грунтов);
3—по температуре грунта t, °C и льдистости 2(: немерзлые, ’ талые— О О, мерзлые льдистые— КО и ()^0,4, мерзлые сильнольдистые— 1<0 и г) >0,4;
Осадочные несцементированные 5 Обломочные—песчаные (элювиальные, делювиальные, аллювиальные, водно-ледниковые, ледниковые, озерные, морские, эоловые, пирокластические и смешанного происхождения) Выделяются: 1- -по гранулометрическому соста-ВУ; песок гравелистый —масса частиц крупнее 2 мм более 25%, песок крупный— масса частиц крупнее 0,5 мм более 50%: песок средней крупности — масса частиц крупнее 0,25 мм более 50%: ’ песок мелкий — масса частиц к; уп-нее 0,1 мм 75% и более; песок пылеватый —масса частиц Выделяются: 1 — по плотности сложения (коэффициенту пористости е): песок гравелистый, крупный или средней крупности: плотный— с<0,55, средней плотности — 0,55<е^0,70; песок мелкий: плотный— е<0,60, средней плотности — 0.60 < 0,75; рыхлый— е>0,75; песок пылеватый: плотный— е<0/0, средней плотнос- ти—0,60 О <0.80, рыхлый—е>0,80. Плотность сложения песков допускается определять зондированием, радиоизотопными и другими методами; 2—по чоси-
4—по степени цементации льдом: твердомерзлые—с >3%, сыпучемерзлые v
и>3к.>3%-У При
в крупнообломочных грунтах оолее 30% по массе частиц размером менее 2 мм они подразделяются по степени цементац®. льдом в соответствии с характеристикой за полнителя (так же, как .дляразновидностей песчаных, пылевать и глинистых грунтов)
Выделяются: с та1г-
1—п0 степени влажности Sr так же, как разновидности крупнообломочных грунтов;
2—по степени засоленности, не засоленные—суммарное содержание легко- и среднерастворимых солей (от массы абсолютно сухого грунта менее 0,5%; засоленные-суммарное содержание Указанных солей 0.5% и более. Песчаные грунты в мерзлом состоянии относятся к засоленным, со-
держание легкорастворимых солеи превышает 0,1%; t „
3—по температуре ГРУН™ ® льдистости /( так же, i
ности крупнообломочных грунте 4-по степени цементации льдом: твердо мерзлые—температура t ни, же: для песков крупных и ^днеи крупности минус 0,1 U для песков
Продолжение табл. 1.9.
Группа Подгруппа Тип Вид Разновидность
Осадочные несцементированные Обломочные—песчаные (элювиальные, пролювиальные, аллювиальные, водноледниковые, ледниковые, озерные, морские, эоловые, пирокластические и смешанного происхождения) крупнее 0,1 мм менее 75%; 2 — по степени неоднородности гранулометрического состава Cv: однородный — Cv < 3, неоднородный — С^З тельному содержанию органических веществ 1от: без примеси органических веществ- IomС0,03, с примесью органических веществ— 0,01 <1от^ 0,10 мелких и пылеватых — минус 0,3е С; пластично-мерзлые—температура грунта выше значений, указанных для твердомерзлых грунтов; сыпучемерзлые—температура грунта ниже 0° С и суммарная влажность ЖГЛ<3%. Песчаные грунты с примесью органических веществ (0,03 <1от^0,1) по степени цементации льдом выделяются так же, как разновидности заторфован-ных песчаных грунтов
Осадочные несцементированные Обломочные — пылеватые и глинистые (элювиальные, пролювиальные, делювиальные, аллювиальные, водно-ледниковые, ледниковые, озерные, морские, эоловые, пирокластические и смешанного происхождения) Выделяются по числу пластичности 1р, %: супеси— 1 ^7.^7, суглинки—7 41р < 17, глины—1р> 17 Выделяются: 1—по наличию включений: супесь, суглинок или глина с галькой (щебнем), либо с гравием (дресвой), если содержание (по массе) соответствующих частиц крупнее 2 мм составляет 15—25%; супесь, суглинок или глина галечниковые (щебнистые), либо гравелистые (дресвяные), если содержание (по массе) соответствующих частиц крупнее 2 мм более 25 до 50%; 2—по относительному содержанию органических веществ 1„„: без при- Выделяются: 1 —по консистенции, характеризуемой показателем текучести IL: супеси: твердые—lL<0, пластичные— (К4<1, текучие—IL>1; суглинки и глины: твердые—4<0, полутвердые—0<7;^0,25. тугопластичные—0.25 <4 ^0,5, мягкопластич- ные— 0,5 <4^ 0,75, текучепластичные 0,75<4^1Д текучие— 4>Ь0; 2—по относительному набуханию без нагрузки esw: ненабухающие — < 0,04, слабонабухающие — 0,04 0,08, средненабуха- ющие — 0,08<esw^0,12. сильнона-бухающие — с!И. > 0,12; 3 — по относительной просадочно-сти ssl: непросадочные—es;<0,01, просадочные—es( > 0,01;
Осадочные несцементированные Обломочные — пылеватые и глинистые (элювиальные, делювиальные, пролювиальные, аллювиальные, водно-ледниковые, ледниковые. озерные, морские, эоловые, пирокластические и смешанного происхождения) Выделяются по совокупности признаков согласно обязательному приложению 1 (ГОСТ 25100-82) и по числу пластичности 1р так же, как супеси, суглинки и глины месей органических веществ -7о„^0,05, с примесью органических веществ — 0,05 < 1от < 0,1 Выделяются по коэффициенту пористости е: а) лессовые грунты: низкопористые— е^0,8, высокопористые — е > 0,8: б) илы: супесчаные — е>0.9, суглинистые — е 1,0, глинистые — е> 1,5 4—по степени засоленности— супеси и суглинки: незасоленные суммарное содержание легко- и среднерастворимых солей (от массы абсолютно сухого грунта) менее 5%; засоленные—суммарное содержание легко- и среднерастворимых солей 5% и более. Супеси, суглинки и глины в мерзлом состоянии относятся к засоленным, если содержание легкорастворимых солей (от массы абсолютно сухого грунта) превышает: для супесей 0,15%, суглинков 0,2%. глин 0,25%; 5—по температуре грунта t и льдистости г) так же, как разновидности крупнообломочных грунтов; б—по степени цементации льдом пылеватые и глинистые грунты: твердомерзлые—температура грунта t ниже: для супесей—минус 0,6° С, суглинков—минус 1° С, глин—минус 1,5° С; пластичномерзлые— температура грунта t выше значений, указанных для твердомерзлых грунтов. Пылеватые и глинистые грунты с примесью органических веществ (0,05^ Jom ^0,1) по степени цементации льдом выделяются так же, как разновидности заторфо-ванных пылеватых и глинистых грунтов
Продолжение табл. 1.9.
Г руппа Подгруппа Тип Вид Разновидность
Биогенные (озерные, болотные, озерноболотные, аллювиально-болотные и др.) Сапропели выделяются по совокупности признаков согласно обязательному приложению 1 (ГОСТ 25100-82) Выделяются по относительному содержанию органического вещества 1„п\ минеральные 0,1 </„„<0,3, среднеминеральные — 0,3 </„„<0,5, слабоминеральные — 1от >0.5 Выделяются: 1 — по температуре грунта t и льдистости г) так же, как разновидности крупнообломочных грунтов; 2 по степени цементации льдом так же, как разновидности пылеватых и глинистых грунтов
Осадочные несцементированные Биогенные (озерные, болотные, озерноболотные, аллювиально-болотные и др). Заторфованные песчаные грунты выделяются по гранулометрическому составу так же, как песчаные грунты. Затор-фованные пылеватые и глинистые грунты выделяются по числу пластичности минеральной части после удаления органических веществ так же, как супеси, суглинки и глины Выделяются по относительному содержанию органического вещества /„„: слабозаторфованные — 0,1 < 10т < 0,25, среднезатор-фованные—0,25 < 1„т < 0.40, сильнозаторфованные— 0,40 </„„< 0,50 Выделяются: 1—по степени влажности S, так же, как разновидности песчаных грунтов; 2—по относительному набуханию ssw так же, как разновидности пылеватых и глинистых грунтов; 3 — по температуре грунта t и льдистости г) так же, как разновидности крупнообломочных грунтов; 4—по степени цементации льдом: твердомерзлые—относительное содержание органического вещества /„„<0,25, а температура грунта ниже для: песков крупных и средней крупности — минус (10 hm—0,1) °C, песков мелких и пылеватых—минус (10/„„— 0,3)° С, супесей—минус (5/„„—0,6)° С, суглинков—минус (5/„„ — 1,0)° С, глин—минус (5/„„ —1,5)° С, пластично-мерзлые—/„„<0,25, а температура грунта выше значений, указанных для твердомерзлых гру-
Осадочные несцементированные Биогенные (озерные, болотные, озерно-болотные. аллювиально-болотные и др.) Торфы выделяются по совокупности признаков согласно обязательному приложению 1 (ГОСТ 25100-82) Выделяются по степени разложения органического вещества Dip. слаборазло-жившиеся D(!ji<20, средне-разложившиеся—20 < </)йр<45, сильноразложив-шиеся—/>йр>45 нтов, а также все грунты, имеющие /„„>0,25 (при любой отрицательной температуре) Выделяются: 1 — по степени зольности: нормальнозольные—зольность менее 20%, высокозольные—зольность 20% и более; л 2—по температуре 1 Так же, грунта 1 как разно- 3 — по степени цемен- г видности тации льдом заторфо- J ванных грунтов
Почвы (тундровые, подзолистые, болотистые. лесостепные, черноземные, каштановые и др.) Выделяются: 1—почвы щебенистые, дресвяные, песчаные по гранулометрическому составу так же, как типы песчаных и крупнообломочных грунтов; 2—почвы пылеватые и глинистые по числу пластичности так же, как типы пылеватых и глинистых грунтов Выделяются: 1—по составу заполнителя так же, как виды крупнообломочных грунтов; 2—по плотности сложения так же, как виды песчаных грунтов; 3 — по наличию включений частиц крупнее 2 мм так же, как виды пылеватых и глинистых грунтов Выделяются: 1—по значению водо] казателя pH: кислые — тральные—pH = 7, рН>7; 2 — по степени влажности 3 —по консистенции 4—по относительной просадочности 5—по относительному набуханию 6—по степени засоленности 7—по температуре грунта 8 —по степени цементации льдом ГОДНОГО по-рН<7, ней-дел очные — Так же, как разновидности крупнообломочных, > песчаных, пылеватых и глинистых и затор-фованных грунтов
Продолжение табл. 1.9.
Группа Подгруппа Тип Вид Разновидность
Искусственные Уплотненные в природном залегании Типы песчаных грунтов Выделяются по способу преобразования Уплотненные методами трамбования, укатки, осушения, оттаивания, кольмата-ции, камуфлетных взрывов, глубинного виброуплотнения и др. Выделяются по показателям, устана-вливаемым техническим заданием на производство работ
Типы пылеватых и глинистых биогенных грунтов и почв Уплотнение с использованием электроосмоса, поверхностно-активных веществ, методами трамбования, укатки, камуфлетных взрывов, оттаивания, осушения песчаными дренами в совокупности с пригрузкой и т. д.
Искусственные Насыпные Типы крупнообломочных, песчаных, пылеватых и глинистых, заторфованных грунтов, торфов. Отходы производства (шлаки, золы, формовочная земля и др.), строительные твердые, бытовые отходы Выделяются по степени уплотнения от собственного веса: слежавшиеся — процесс уплотнения закончился; неслежавшиеся — процесс уплотнения продолжается Выделяются по показателям, устанавливаемым техническим заданием на производство работ
Намывные Типы песчаных, пылеватых и глинистых грунтов. Отход производства (хвосты обогатительных фабрик, шлаки, золы и др.)
§ 3. Классификация грунтов
В соответствии с ГОСТ 25100—82 классификация грунтов включает следующие таксономические единицы, выделяемые по группам признаков: класс—по характеру структурных связей; группа—по происхождению (генетическое подразделение первого порядка); подгруппа — по условиям образования (генетическое подразделение второго порядка); тип — по петрографическому, гранулометрическому составам и степени его неоднородности, числу пластичности; вид—по структуре, текстуре, составу цемента, плотности сложения, относительному содержанию и степени разложения органических веществ, по способу преобразования грунтов и степени уплотнения от собственного веса, разновидность — по физическим, физико-механическим, химическим свойствам и состоянию1.
Класс грунтов с жесткими кристаллизационными или цементационными структурными связями (класс скальных грунтов) и класс грунтов без жестких структурных связей (класс нескальных грунтов) подразделяются на группы, подгруппы, типы, виды и разновидности согласно табл. 1.8 и 1.9 соответственно.
В табл. 1.10 приведено подразделение песчаных грунтов по результатам статического, динамического и ударно-вибрационного зондирования грунтов.
Таблица 1.10. Подразделение песков
Пески Плотность сложения песков
Плотные Средней плотности Рыхлые
1 2 3 4
По сопротивлению погружения конуса Р j-105 Па. при статическом зондировании
Крупные и средней круп- Р9>150 150^Р,> 10 Р,<50
ности независимо от влажности Мелкие независимо от Р,>120 120>Р,>40 Г, <40
влажности Пылеватые: а) маловлажные и Р„>100 100^P,^30 Р,<30
влажные б) водонасыщенные Р«>70 70>Р,^20 Р,<20
По условному динамическому сопротивлению погружению конуса Pd I05, Па
при динамическом и ударно-вибрационном зондировании
Крупные и средней круп- Л,>125 125^^35 Р„<35
ности независимо от влажности Мелкие: а) маловлажные и Р„>П0 110>Pd>30 Л, <30
1 Пояснения некоторых терминов, применяемых в настоящем разделе, даны в приложении 1 к ГОСТ 25100—82.
26
Продолжение табл. 10
1 2 3 4
влажные б) водонасыщенные Пылеватые, маловлажные и влажные ^П^З 'V V ОО 00 1/1 85>Pd>20 85>Л,>20 Л, <20 Л, <20
Примечания: 1. Для определения плотности пылеватых водонасыщенных песков динамическое и ударно-вибрационное зондирования не допускаются. 2. При зондировании грунтов используется конус с углом при вершине 60° и диаметром 36 мм при статическом, 74 мм при динамическом и 100 мм при ударно-вибрационном зондированиях.
§ 4. Механические свойства грунтов и горных пород
Механические свойства нескальных грунтов
Количество и характер механических свойств нескальных грунтов, исследуемых в механике грунтов, целиком и полностью определяются запросами строительства, а точнее, существующими методами расчета и проектирования оснований сооружений.
При описании процессов бурения инженерно-геологических скважин показатели механических свойств грунтов используются при разработке методики и техники отбора образцов грунтов из скважин, оценке устойчивости стенок скважин, обосновании использования буровых скважин для проведения в них полевых исследований грунтов, частично при исследовании процесса разрушения грунтов и внедрения в них породоразрушающих инструментов и т. д.
Прочностные характеристики грунта определяются как в лабораториях (на сдвиговых приборах и в стабилометрах), так и в полевых условиях (в частности, с помощью лопастных установок). К числу важнейших прочностных характеристик грунта относят угол внутреннего трения <р (или коэффициент внутреннего трения /) и коэффициент сцепления, или просто сцепление, обозначаемое буквой С.
В настоящее время в механике грунтов основным является принцип линейной деформируемости грунтов. На нем базируются почти все инженерные расчеты напряжений и деформаций естественных грунтовых оснований. При проведении инженерногеологических исследований определяют общий модуль деформации грунтов Ео в лаборатории (компрессионные испытания) и в полевых условиях (с помощью постановки штамповых опытов в шурфах и скважинах, прессометрических исследований в скважинах и на основе результатов динамического и ударно-вибрационного зондирования грунтов).
Характерная особенность любого грунтового массива—его неоднородность, что приводит к существенному различию в значениях механических свойств в образцах, взятых даже в непосредственной близости друг от друга. Удельные сцепления С„, углы внутреннего трения <р„ и модули деформаций песчаных и глинистых грунтов четвертичных отложений приведены в табл. 1.11 —1.13.
27
Таблица 1.11. Удельные сцепления С„(Па), углы внутреннего трения <р„ (градус) и модули деформации Е (Па) песчаных грунтов четвертичных отложений
Пески Характеристика грунтов Коэффициент пористости е
0,45 0,55 0,65 0,75
Гравелистые и С„-105 0,02 0,01 — —
крупные % 43 40 38 —
ЕЮ5 500 400 300 —
Средней круп- С„105 0,03 0,02 0,01 —
ности ф„ 40 38 35
ею5 500 400 300 —
Мелкие С„-105 0,06 0,04 0,02 —
<р„ 38 36 32 28
ЕЮ5 480 380 280 180
Пылеватые С„105 0,08 0,06 0,04 0,02
<Р„ 36 34 30 26
ЕЮ5 390 230 180 НО
Таблица 1.12. Удельные сцепления С„(Па) и углы внутреннего трения <р„ (градус) глинистых грунтов четвертичных отложений
Глинистые грунты и пределы их нормативных консистенций Характеристика грунтов Коэффициент пористости e
0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95 1,05
Супеси 0 <4 <0,25 C„105 ф„ 0,15 30 0,11 29 0,08 27 — — — —
0,25 <./„<0,75 C„-105 <p„ 0,13 28 0,09 26 0,06 24 0,03 21 — — —
Суглинки 0<./L<0,25 C„-105 ф„ ,47 26 0,37 25 0,31 24 0,25 23 0,22 22 0,19 20 —
0<J„<0,5 C„-105 Фл 0,39 24 0,34 23 0,28 22 0,23 21 0,18 19 0,15 17 —
0,5 <JL <0,75 C„105 Ф» — — 0,25 19 0,2 18 0,16 16 0,14 14 0,12 12
0<Д<0,25 C„105 ф„ — 0,81 21 0,68 20 0,54 19 0,47 18 0,41 16 0,36 14
Глины 0,25 <JL< 0,5 C„105 ф„ — — 0,57 18 0,5 17 0,43 16 0,37 14 0,32 11
0,5 <JL <0,75 C„105 ф„ — — 0,45 15 0,41 14 0,36 12 0,33 10 0,29 7
Характеристики песчаных грунтов (табл. 1.11) относятся к кварцевым пескам с зернами различной окатанности, содержащими не более 20% полевого шпата и не более 5% в сумме различных примесей (слюда, глауконит и пр.), включая растительные остатки, независимо от степени влажности.
29
28
В табл. 1.14' приведены ориентировочные значения физико-механических свойств глинистых грунтов.
При расчете различных процессов бурения инженерно-геологических скважин нередко возникает необходимость в данных о сопротивлениях нескальных грунтов внедрению в них различных породоразрушающих инструментов. Следует подчеркнуть, что эти сопротивления могут колебаться в чрезвычайно широких пределах, поэтому все приводимые ниже данные ориентировочны.
Сопротивления подразделяются на так называемые лобовые и боковые. Для их оценки можно использовать методику расчета несущей способности висячих свай (т. е. свай, несущая способность которых определяется сопротивлением как по их торцу, так и по боковой поверхности).
Несущая способность Ф висячей забивной сваи (квадратной сплошной, квадратной с круглой полостью, прямоугольной и полой круглой диаметром до 0,8 м), работающей на сжимающую нагрузку, следует определять как сумму расчетных сопротивлений грунтов оснований под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности по формуле
^ = m(mRRF+uY.mffili), (114)
где т— коэффициент условий работы сваи в грунте (принимается т=1); R—расчетное сопротивление грунта под нижним концом сваи; F—площадь опирания сваи о грунт; и—наружный периметр поперечного сечения сваи; —расчетное сопротивление z-ro слоя грунта основания на боковой поверхности сваи; mR и mf— коэффициенты условий работы грунта соответственно под нижним концом и на боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа погружения свай на расчетные сопротивления грунта, определяемые по таблицам (mR = 0,7-? 1,2; mf = 0,5^1); /,•—толщина z-ro слоя грунта.
Таблица 1.14. Ориентировочные значения показателей физико-механических свойств грунтов (данные С. П. Абрамова)
Состояние гли- Глина Суглинок
нистого грунта Плот- Угол Сцепле- Модуль Плот- Угол Сцепле- Модуль
ность внут- ние осадки, ность внут- ние осадки,
у-103, кг/м3 реннего трения, градус С. 10s, Па мм/м у-103, кг/м3 реннего трения, градус С„105, Па мм/м
Твердое 2,15 22 1 2 2,15 25 0,6 1
Полутвердое 2,1 20 0,6 5 2,1 23 0,4 3
Тугопластичное 2,05 18 0,4 10 2,0 21 0,25 7
Мягкопластичное 1,95 14 0,2 15 1,9 17 0,15 10
Текучепластичное 1,9 8 0,1 25 1,85 13 0,1 15
Текучее 30 1,8 6 0,05 40 1,8 10 0,05 25
Продолжение табл. 1.14
Состояние глинистого грунта Супесь
Плотность у • 103. кг/м3 Угол внутреннего трения, градус Сцепление С„105, Па Модуль осадки, мм/м
Твердое 2,05 28 0,2 I
Полутвердое 2,0 26 0,15 2
Т угопластичное 1,95 24 0,1 3
Мягкопластичное 1,9 20 0,05 5
Текучеиластичное 1,85 18 0,02 10
Текучее 1,8 14 — 15
Примечания. 1. Плотность указана в водонасыщенном состоянии грунта. 2. Модуль осадки принят как показатель сжимаемости грунт а в мм на 1 м мощности слоя при давлении 3 • 105 Па.
Таблица 1.15. Расчетные сопротивления под нижним концом забивных свай и свай-оболочек, не заполненных бетоном, Л • 105, Па
Глубина погружения нижнего конуса сваи, м Песчаные грунты средней плотности
гравелистые крупные — средней крупности мелкие пылеватые —
Глинистые грунты при показателе консистенции IL
0 о,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
3 4 5 7 10 15 20 25 30 35 75 83 88 97 105 117 126 134 142 150 66/40 68/51 70/62 73/69 77/73 82/75 85 90 95 100 30 38 40 43 50 56 62 68 74 80 31/20 32/25 34/28 37/33 40/35 44/40 48/45 52 56 60 20/12 21/16 22/20 24/22 26/24 29 32 35 38 41 11 12,5 13 14 15 16,5 18 19,5 21 22,5 6 7 8 8,5 9 10 11 12 13 14
Примечания: 1. В случаях, когда значения R выражены дробью, числитель относится к пескам, а знаменатель—к глинам. 2. Для промежуточных глубин погружения свай и свай-оболочек и промежуточных значений консистенции IL глинистых грунтов значения R и f определяются интерполяцией соответственно по табл. 1.15 и 1.16.
Значения R и f представлены в табл. 1.15 и 1.16. Указанные в этих таблицах значения Ruf при расчетах процессов бурения следует увеличивать на 15—25%.
Удельное сопротивление сдвигу грунтов при ориентировочных расчетах можно принимать равным половине R, определяемого по табл. 1.15.
В качестве ориентировочных можно принимать также следующие данные: предел текучести для высокопластичных плотных глин (50—100) Ю5 Па, для сланцеватых глин (150—200) 105 Па. Коэффициент Пуассона можно определять по табл. 1.17.
31
Таблица 1.16. Расчетные сопротивления на боковой поверхности свай и свай-оболочек f-105, Па
Средняя глубина распо-ложения слоя грунта, м Песчаные грунты средней плотности
крупные и средней крупности мелкие пылеватые — — — — — —
Глинистые грунты при показателе консистенции IL
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
1 2 3 4 5 6 8 10 15 20 25 30 35 0,35 0,42 0,48 0,53 0,56 0,58 0,62 0,65 0,72 0,79 0,86 0,93 1,0 0,23 0,3 0,35 0,38 0,4 0,42 0,44 0,46 0,51 0,56 0,61 0,66 0,7 0,15 0,21 0,25 0,27 0,29 0,31 0,33 0,34 0,38 0,41 0,44 0,47 0,5 0,12 0,17 0,2 0,22 0,24 0,25 0,26 0,27 0,28 0,3 0,32 0,34 0.36 0,08 0,12 0,14 0,16 0,17 0,18 0,19 0,19 0,2 0,2 0,2 0,21 0,22 0,04 0,07 0,08 0,09 0,1 0,1 0,1 0,1 0,11 0,12 0,12 0,12 0,13 0,04 0,05 0,07 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 0,09 0.09 0,03 0,04 0,06 0,07 0,07 0,07 0,07 0,07 0,07 0,07 0,07 0,08 0,08 0,02 0,04 0,05 0,05 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,06 0,07 0.07
Таблица 1.17. Коэффициенты
относительной поперечной деформации
Вид грунта Характеристика грунта Коэффициент Пуассона
Песок — 0,2—0,25
Супесь — 0,15-0,30
Глины и суглинки Твердые и полутвердые Т угопластичные Пластичные Т еку чепластичные Текучие 0,1 —0,15 0,2—0,25 0 0,4 0,3 0,4 0,45 0,5
Торф — 0,3—0,35
Механические свойства скальных пород
Эффективность бурения скважин в скальных и полускальных грунтах зависит от механических свойств пород. Основные механические свойства, влияющие на разрушение.— упругие свойства, временное сопротивление сжатию, твердость, абразивность, пластичность, хрупкость, трещиноватость и др.
Упругость — одно из основных механических свойств горных пород. Она характеризует способность сплошных сред сопротивляться изменению их объема и формы (твердые тела) или только объема (жидкость, газы) под воздействием напряжений. Для абсолютно упругих сред тела восстанавливают свои первоначальные объем и форму после прекращения действия сил, вызвавших их деформацию.
32
Таблица 1.18. Формулы связи упругих параметров горных пород
Параметр Формула
Относительная объемная деформация Закон Гука для линейного напряженного состояния Обобщенный закон Гука Модуль всестороннего сжатия Модуль упругости второго рода (модуль сдвига) Постоянная Ляме Дифференциальное уравнение распространения продольных волн Дифференциальное уравнение распространения поперечных волн Скорость распространения продольных волн Скорость распространения поперечных волн Модуль упругости первого рода Коэффициент Пуассона Модуль объемного расширения Примечание. ех, еу, г.— относ ортогональным направлениям; ст,, лениям; у—плотность горной по х—координата; и*—проекция векто 0 = ex+e,,+ez (1-15) (1-16) £х=4[ах-р(ау+а2)] (1.17) Л Ej> = 4[^-H(Oz + Ox)] (1-18) С. Ег=Т;К-р(ах+аД] (1.19) Л Е 3(1-2р) Е + <121’ l-(I+g)(,-2H) <,И> д2и бах <123) (124) Ы дх 1 1-Н Е У/ (1+й)(1-2р) У (1’25) b=x!~Gh (1-26) yb{3a2—4Л2) Е= 2(a2-b2) (L27) •а2-2Ь2 Ц~2(а2-Ь2) (t28) / 4 \ Х' = у1 a2--h2j (1.29) ительные деформации массива в точке по трем Jy, <jz—напряжения по трем ортогональным направ-юды; и—проекция вектора смещения на ось х; ра смещения на ось z; txz—касательное напряжение
по площадке xz.
Горные породы не обладают идеальной упругостью, однако для них характерна частичная упругость, т. е. способность восстанавливать свою форму и объем неполностью. Для характеристики свойств упругих тел, в том числе горных пород, используют модуль упругости 3 Заказ 3871 33
первого рода Е (модуль Юнга), коэффициент Пуассона р (коэффициент поперечного сжатия), константу Ляме X, модуль упругости второго рода G (модуль сдвига), скорость распространения продольных а и поперечных Ь волн.
Формулы связи различных параметров упругих сред представлены в табл. 1.18. Модуль упругости некоторых горных пород дан в табл. 1.19, коэффициент Пуассона—в табл. 1.20.
Таблица 1.19. Модуль упругости первого рода Е для некоторых изверженных, метаморфических и осадочных пород
Порода £1О10, Па Порода £10‘°, Па
Доломит Г аббро-норит Диабаз Кварцит Базальт Мрамор Известняк Гнейсодиорит гиперстеновый Таблица 1.20. Коэффицис фических и изверженных 2,1 —16,5 11,72—12,2 12 7,5—10 9,7 3,9—9,2 1,3—8,5 8,4—8,42 нт Пуассона ород Песчаник Гнейсогранит биотитовый Гранит биотитовый Гранит Биотитовый гнейс Порфирит кислого состава Порфирит метаморфизованный р для некоторых осадочш 7,3—7,8 7—7,23 6,85—7,22 6—9,42 5,66—5,85 5,71 3,91 дх, метамор-
Породы В Породы И
Песчаник кварцевый Кварцитопесчаник Сланец глинистый Песчаник аркозовый Уголь Известняк 0,09 0,1 0,1—0,2 0,13 0,14—0,16 0,19—0,33 Порфирит кислого и среднего состава Порфирит метаморфизованный Гранит Песчаник Мрамор Каменная соль 0,2 0,22 0,22—0,29 0,33 0,34—0,40 0,44
Значительное влияние на разрушаемость горных пород при бурении оказывает такой показатель, как временное сопротивление сжатию (табл. 1.21). Однако наибольшее влияние на процесс бурения оказывает твердость горных пород. Она характеризует способность горной породы сопротивляться внедрению в нее резца, пуансона или другого индентора. В настоящее время твердость чаще всего определяют по методу Л. А. Шрейнера путем внедрения в породу штампа с использованием прибора УМПГ-3. Во время нагружения штампа при определении твердости породы самопишущий прибор регистрирует нагрузку и вычерчивает диаграмму деформации. По диаграмме определяют твердость рш, условный предел текучести от, коэффициент пластичности кпл и удельную контактную работу разрушения As.
В табл. 1.22 приведена классификация горных пород по твердости; в табл. 1.23 и 1.24 представлены данные о механических свойствах горных пород, определенных по методу Л. А. Шрейнера.
Исключительное влияние на процесс изнашиваемости породоразрушающего инструмента при бурении оказывает абразивность горной 7Л
породы. Абразивные свойства горной породы зависят от твердости отдельных породообразующих минералов, от формы и размеров последних, степени неоднородности горной породы, ее трещиноватости и степени разрушенности. Подразделение горных пород по показателю рм дано в табл. 1.25; данные о пределах текучести горных пород приведены в табл. 1.26.
Таблица 1.21. Предел прочности <гсж некоторых горных пород на одноосное сжатие
. Породы о„105, Па Породы 105, Па
Весьма крепкие и вязкие кварциты Габбро Кварцевые породы Диорит Порфирит Гранит Базальт плотный Известняки, доломиты Песчаник с кремнистым цементом 2940 4900 1200 - 3600 3000 1300—3000 1000—3000 800—2700 2350 1000—2000 2000 Сиенит Ангидрит Глинистые сланцы плотные Песчаник с известковым цементом Сидерит Мрамор Гипс Каменная соль Песчаный сланец 1500 —2000 1200 1000 200- ' 30 v80 980 490 200 -400 390
Таблица 1.22. Классификационная шкала горных пород по твердости (по Л. А. Шреннеру)
Категория пород по буримости Твердость по штампу Рш 'Ю7, Па Категория пород по буримости Твердость по штампу рш 10’. Па
минимальная максимальная минимальная максимальная
I 0 10 VII 200 300
II 10 25 VIII 300 400
III 25 50 IX 400 500
IV 50 100 X 500 600
V 100 150 XI 600 700
VI 150 200 XII 700 700
Таблица 1.23. Механические свойства некоторых горных пород—скальных и полускальных грунтов (данные Л. А. Шрейнера и др.)
Порода Твердость Рш-Ю7, Па Условный предел текучести от107, Па Коэффициент пластичности ^НИЛ Модуль упругости первого рода (модуль Юнга) £1О10, Па Удельная контактная работа разрушения 4, 10’ Дж/м2
Гипс 25—40 15—35 1,8—3,7 0,6—1,4 0,2 -0,5
Аргиллит и глинистые сланцы 20—75 15—40 1,3—3,3 0,5—0,9 0,3—0,1
Алевролит с карбонатным базальным цементом 70—90 40—50 2,2—3,3 0,4—1,2 0,8—1,3
Мрамор 95—130 65—70 2,2—3 3,5 1,3
Ангидрит 3* 105—140 40—95 2,1—4,3 1,8—5,4 0,5—1,2 35
Продолжение табл. 1.23
Порода Твердость Рш' Ю7, Па Условный предел текучести ит-107, Па Коэффициент пластичности ^пл Модуль упругости первого рода (модуль Юнга) Е-1010, Па Удельная контактная работа разрушения А„ 105, Дж/м2
Известняк плотный ПО 200 50- ПО 1,7 -2,8 2—5 0,7—2,8
Песчаник средне-зернистый с карбонатным базальным цементом 170 300 140-210 1,7 -2.8 1,8- 2,5 2,2 —2,8
Доломит плотный 250 -320 150 220 2,5—4,5 5-8 1,7 3,4
Гранит уральский 300-370 220-300 1,4—1,9 4,1—5 2
Базальт 390 140 4,2 3,3 16,9
Диорит кварцевый (Урал) 410 340 1,4 4,5 2,5
Сиенит (Урал. Н. Тагил) 570 480 2,2 8,8 14,6
Диабаз (Кольский п-ов) 630 560 1,5 10 5,1
Кварцит (Караганда) 580 630 - 1 6,9 7,3 4 6
Роговик эгириновый (Кривой Рог) 800 580 2,5 10 8,5
Джеспилит (Курская магнитная аномалия) 810 — 1 10 3,6
Таблица 1.24. Твердость и пластичность некоторых горных пород по Л. Л. Шрейисру
Породы Твердость Рш ’ , Па Коэффициент пластичности ^roi
Песчаник олигомиктовый мелкозернистый 115 2,4
Песчаник мелкозернистый 70—95 1,3- 2,4
Известняк пористый 85—115 7
Известняк плотный 110-200 2—5
Доломит плотный загипсованный 120—140 3—5
Доломит окремнелый 410 3
Чистый кремень 600-700 1
Кремень с примесью глинистых и карбонатных 360—410 1,8
частиц
Гранит украинский 400 -500 1
Кварцевый диорит 410 1,4
Пироксенит (Кольский) 360 2
Роговик эгириновый (криворожский) 800 2,5
Сиенит-порфир 315 2
Г аббро 220 2,4
Применение методики Л. А. Шрейнера для подразделения горных пород на группы по буримости для производственных условий не рекомендуется. Более приемлема методика, разработанная в ЦНИГРИ
36
Таблица 1.25. Шкала определения категории буримости пород ио объединенному расчетному показателю абразивности и динамической прочности (по методике ЦНИГРИ)
Показатель Рм Категория пород по буримости Показатель Рм Кагегория пород по буримости
2—3 III 15,2—22,7 VIII
3,1 4,5 IV 22,8—34,1 IX
4,6—6,7 V 34,2—51,2 X
6,8—10,1 VI 51,3—76,8 XI
10.2 15,1 VII 76,9—115,2 XII
Таблица 1.26. Условные пределы текучести некоторых горных пород (давные
Р. А. Ганлжумяна)
Породы Предел текучести о,107, Па Породы Предел текучести о, • 107, Па
Аргиллиты и глинистые сланцы Песчаники Алевролиты Пористые известняки Плотные известняки Доломиты 15—40 60—160 40—100 15—35 50 ПО 50—220 Каменная соль Гипс Ангидриты Кремнистые породы Изверженные горные породы Кристаллические сланцы, скарны 20 15 35 40—95 330 500 220 - 560 330 630
(Н. И. Любимовым и др.). По этой методике буримость горных пород определяется по объединенному расчетному показателю рм, который учитывает динамическую прочность породы FD и ее абразивность Аабр и рассчитывается по формуле
Рм = ЗП8Хабр. (1.30)
Динамическую прочность определяют по методу К. И. Сыскова и М. М. Протодьяконова с помощью прибора, представляющего собой трубный копер и объемометр. Коэффициент абразивности устанавливают по потере массы дроби из свинца при истирании ее раздробленной горной породой. Для этой цели применяют прибор ПОАП-2.
§ 5. Буримость грунтов
Буримость грунтов представляет собой комплексную характеристику, зависящую от твердости, абразивности, трещиноватости, пластичности, плотности, влажности, сцепления, угла внутреннего трения пород, способа бурения, применяемого породоразрушающего инструмента и других факторов. В качестве количественного показателя буримости принимают механическую скорость бурения или обратную ей величину—чистое время бурения 1 м скважины.
В соответствии с буримостью все грунты (горные породы) подразделяют на группы. Такое подразделение носит название классификации горных пород по буримости, которую устанавливают
37
для основных способов бурения, поскольку сопротивляемость горных пород внедрению в них породоразрушающих инструментов зависит от способа бурения.
В табл. 1.27—1.30 представлены классификации горных пород по буримости для различных способов бурения, используемых при инженерно-геологических изысканиях. Классификации разработаны применительно к изыскательским работам и утверждены Госстроем СССР. В процессе обобщения опыта бурения различных пород, освоения новых способов бурения, изменения технологии классификации претерпевают определенные изменения и уточнения.
Таблица 1.27. Классификация горных пород по буримости для шнекового бурения
Категория горных пород Породы Время чистого бурения 1 м, мин
I Растительный слой с небольшой примесью гальки и гравия до 10%. Иловатые породы. Трепел. Рыхлые: лёсс, песок, супесь, суглинок. 0,8
II Песчано-глинистые породы с примесью до 10% мелкой гальки и гравия. Глины пластичные. Диатомит, сажи Пески средней плотности 1,5
ш Песчано-глинистые породы с примесью мелкой гальки, гравия и щебня от 10 до 30%. Полутвердые супеси, глины и суглинки. Слежавшийся лёсс; Рыхлые мергели. Мел слабый. Сухие пески. Уголь бурый 2
IV Песчано-глинистые породы со значительной (свыше 30%) примесью гальки, гравия и щебня. Твердые глины, суглинки и супеси. Каолин, гипс, ангидрит, фосфорит, опоки. Каменная соль, каменный уголь. Мел плотный. Пористый известняк-ракушечник. Мерзлые: песок, ил, торф, суглинок 4,1
V Мерзлые глины весьма твердые. Глинистый песчаник, крупнозернистый песчаник с примесью галечника. Плотный ил и дресва с ледяными прослойками. Лед 7,2
VI Мерзлые галечники с глинистыми или песчаными заполнителями. Твердые глины с включениями сидеритов и доломитов 12,7
Таблица 1.28. Классификация пород по буримости для механического вращательного бурения скважин
Категория горных пород Породы Норма углубления за 1 ч чистого бурения, м, при интервале глубины, м Норма углубления за 1 рейс, м
0-300 300-600
I Торф, растительный слой без древесных корней. Рыхлые породы: лёсс, пески (не плывуны), супеси без гальки и щеб- 22,7 15,2 3,5
38
Продолжение табл. 1.28
Категория горных пород Породы Норма углубления за 1 ч чистого бурения, м, нри интервале глубины, м Норма углубления за 1 рейс, м
0-300 300 - 600
ня. Трепел. Ил влажный и иловатые породы. Суглинки лёссовидные. Глины текучие и пластичные. Мел слабый. Шлак котельный рыхлый.
II То же, с древесными корнями или с мелкой галькой и гравием до 10%. Супеси и суглинки с примесью до 20% мелкой (до 3 см) гальки и щебня. Суглинок твердый. Мергель рыхлый. Плывун. Лед. Глины тугопластичные. Мел твердый. Диатомит. Сажи. Каменная соль (галит). Нацело каолинизи-рованные продукты выветривания изверженных и метаморфизованных пород. Железная руда охристая 10,8 7,25 2,5
III Песчано-глинистые породы с примесью свыше 20% мелкой (до 3 см) гальки или щебня. Лёсс плотный. Пески плотные. Дресва. Плывун напорный. Глины с частыми прослоями (до 5 см) сла-босцементированных песчаников и мергелей, полутвердые, мергелистые, загипсованные, песчанистые. Алевролиты глинистые слабосцементированные. Песчаники, сцементированные глинистым и известковым цементом. Мергель. Известняк-ракушечник. Мел плотный. Магнезит. Гипс тонкокристаллический, вы-ветрелый. Каменный уголь слабый. Бурый уголь. Сланцы тальковые, разрушенные, всех разновидностей. Марганцевая руда. Железная руда, окисленная, рыхлая. Бокситы глинистые. 5,7 3,8 2
IV Мерзлые водоносные пески, мерзлый торф. Алевролиты плотные, глинистые. Глины твердые. Песчаники глинистые. Мергель плотный. Неплотные известняки, доломиты. Магнезит плотный. Пористые известняки, туфы. Опоки глинистые. Гипс кристаллический. Ангидрит. Каменная соль. Каменный уголь средней твердости. Бурый уголь крепкий. Каолин (первичный). Сланцы: глинистые, песчано-глинистые, горючие, углистые, алевролитовые. Серпентиниты (змеевики) сильновыветрелые и оталь-кованные. Неплотные скарны хлоритовые и амфиболослюдистого 3,35 2,4 1,8
39
Продолжение табл. 1.28
Категория горных пород Породы Норма углубления за 1 ч чистого бурения, м, при интервале глубины, м Норма углубления за I рейс, м
0-300 300-600
состава. Апатит кристаллический. Силь-иовыветрелые дуниты, перидотиты. Кимберлиты, затронутые выветриванием, мартитовые и им подобные руды, си-льновыветрелые. Железная руда мягкая, вязкая. Бокситы
V Галечник мелкий из осадочных пород, галечно- щебнистые и дресвяные породы. Галечник мерзлый, связанный глинистым или песчаноглинистым материалом с ледяными прослойками. Мерзлые породы: песок крупнозернистый, дресва, ил плотный, глины песчаные. Песчаники на известковистом и железистом цементах. Алевролиты. Аргиллиты. Глины аргиллитоподобные, твердые. Конгломерат осадочных пород на песчано-глинистом или другом пористом цементе. Известняки. Мрамор. Доломиты мергелистые. Ангидрит весьма плотный. Опоки пористые, вывет-релые. Сланцы: глинисто-слюдяные, та-льково-хлоритовые, хлоритовые, хлорито-глинистые, серицитовые. Серпентиниты (змеевики). Выветрелые альбитофиры, кератофиры. Туфы серпентинизированные, вулканические. Дуниты, затронутые выветриванием. Кимберлиты брекчиевидные. Мартитовые и им подобные руды неплотные. Цементный камень 2,25 1,6 1,6
VI Глины твердые мерзлые. Конгломерат осадочных пород на известковистом цементе. Песчаники полевошпатовые, кварцево-известковистые. Алевролиты с включением кварца. Известняки плотные доломитизированные, скарнирован-ные. Доломиты плотные. Опоки. Сланцы: глинистые, кварцево-хлоритовые, кварцево-хлорито-серицитовые, кровельные. Хлоритизированные и рассла-нцованные: альбитофиры, кератофиры, порфириты, габбро. Хромиты, дуниты, не затронутые выветриванием. Амфиболиты. Пирокссниты крупнокристаллические. Тальково-карбонатные породы. Апатиты. Скарны авгито-гранато-вые, кальцитовые, эпидотокальцитовые. Колчедан сыпучий. Бурые железняки 1,5 1,1 1,5
40
Продолжение табл. 1.28
Категория горных пород Породы Норма углубления за 1 ч чистого бурения, м, при интервале глубины, м Норма углубления за 1 рейс, м
0-300 300-600
VII VIII ноздреватые. Гематито-мартитовые руды. Сидериты Галечник изверженных и метаморфических пород (речник). Щебень мелкий без валунов. Конгломераты с галькой (до 50%) изверженных пород на песчано-глинистом цементе. Конгломерат осадочных пород на кремнистом цементе. Песчаники кварцевые. Доломиты очень плотные. Окварцованные: полевошпатовые песчаники, известняки. Каолин агальматолитовый. Опоки крепкие, плотные. Фосфоритовая плита. Сланцы сла-боокремненные: амфибол-магнетитовые, коммингтонитовые, роговообманковые, хлоритовые. Слаборассланцованные: альбитофиры, кератофиры, порфиры, порфириты, диабазовые туфы. Затронутые выветриванием порфиры, порфириты. Крупно- и среднезернистые, затронутые выветриванием: граниты, сиениты, диориты, габбро и другие изверженные породы. Пироксениты, пиро-ксениты рудные. Кимберлиты базальтовидные. Скарны кальцитосодержащие авгито-гранатовые. Кварцы пористые (трещиноватые, ноздреватые, охристые). Бурые железняки, ноздреватые, пористые. Хромиты. Сульфидные руды. Мартито-сидеритовые и гематитовые руды. Амфибол-магнетитовые РУДЫ. Конгломераты изверженных пород на известковистом цементе. Доломиты окварцованные. Окремненные известняки, доломиты. Форсфориты плотные пластовые. Сланцы окремненные: кварцево-хлоритовые, кварцево-серицитовые, ква-рцево-хлорито-эпидотовые, слюдяные. Гнейсы. Среднезернистые: альбитофиры и кератофиры. Базальты, диабазы. Порфиры и порфириты. Андезиты, диориты, не затронутые выветриванием. Лабрадориты. Перидотиты. Мелкозернистые, затронутые выветриванием: гранитогнейсы, пегматиты, кварцево-турмалиновые породы. Скарны крупно-и среднезернистые кристаллические: авгито-гранатовые, авгито-эпидотовые. 1,15 0,7 0,85 0,55 1,3 1,1
41
Продолжение табл. 1.28
Категория горных пород Породы Норма углубления за 1 ч чистого бурения, м, при интервале глубины, м Норма углубления за 1 рейс, м
0-300 300 - 600
Эпидотиты. Кварцево-карбонатные и кварцево-баритовые породы. Бурые железняки пористые. Гидрогематитовые руды плотные. Кварциты. Бокситы диаспоровые. 0,42 0,35
IX Конгломерат изверженных пород на кремнистом цементе. Известняки карстовые, окремненные. Сланцы кремнистые. Кварциты: магнетитовые и гематитовые тонкополосчатые, плотные мартито-магнетитовые. Роговики амфи-бол-магнетитовые и серицитизирован-ные. Альбитофиры и кератофиры. Трахиты. Порфириты кварцевые. Порфириты окварцованные. Диабазы тонкокристаллические. Туфы окремненные, ороговикованные. Затронутые выветриванием: липариты, микрограниты, крупно- и среднезернистые граниты, гранитогнейсы, гранодиориты. Сиениты. Габбро, не затронутые выветриванием. Пегматиты. Березиты. Скарны мелкокристаллические: авгито-эпидото-гранатовые, датолито-гранатогеденбергитовые. Скарны, крупнозернистые гранатовые. Окварцованные: амфиболит, колчедан. Кварцево-турмалиновые породы, не затронутые выветриванием. Бурые железняки плотные. Кварцы со значительным количеством колчедана. Бариты плотные. 1
X Валунно-галечные отложения изверженных- и метаморфизированных пород. Песчаники кварцевые сливные. Джеспилиты, затронутые выветриванием. Фосфатокремнистые породы. Кварциты неравномерно-зернистые. Роговики с вкраплением сульфидов. Кварцевые: альбитофиры, кератофиры. Липариты. Мелкозернистые: граниты, гранитогнейсы, гранодиориты. Микрограниты. Пегматиты плотные, сильнокварцевые. Скарны мелкозернистые гранитовые, дотолитогранатовые. Магнетитовые и мартитовые руды, плотные с прослойками роговиков. Бурые железняки окремненные. Кварц жильный. Бетон из гальки изверженных пород, неармиро-ванный. Яшма с прожилками кварца. 0,25 0,21 0,8
42
Продолжение табл. 1.28
Категория горных пород Породы Норма углубления за 1 ч чистого бурения, м, при интервале глубины, м Норма углубления за 1 рейс, м
0-300 300 - 600
XI XII Диабазы. Андезиты. Нефелиновые базальты Джеспилиты, не затронутые выветриванием. Сланцы яшмовидные кремнистые. Кварциты. Роговики железистые очень твердые. Кварц плотный. Корундовые породы. Джеспилиты гематито-мартитовые и гематито-магнезитовые. Не затронутые выветриванием: андезиты, базальты, траппы, диабазы Не затронутые выветриванием монолитно-сливные породы: кварциты, яшмы, роговики, кремень, базальты, джеспилиты, эгириновые и корундовые породы 0,17 0,05 0,14 0,05 0,5 0,2
Таблипа 1.29. Классификация горных пород по буримости ударно-канатного бурения для механического
Категория горных пород Углубление, м
Породы за 1 ч чистого бурения за 1 рейс
I II III IV Торф, растительный слой без древесных корней. Рыхлый чернозем, рыхлые влажные пески. Иловатые породы. Болотные отложения. Рыхлый и влажный лёсс. Трепел Торф с древесными корнями или с мелкой галькой и гравием (до 10%). Песчано-глинистые породы с небольшой примесью мелкой гальки и гравия (до 10%). Пески средней плотности. Глины ленточные, пластичные и песчаные. Диатомит. Увлажненный слабый мел. Сажи Песчано-глинистые породы с примесью мелкого щебня, гальки, гравия от 10 до 20%. Плотные пески. Полутвердые глины, суглинки и супеси. Рыхлые мергели. Мел. Слежавшийся лёсс. Плывуны и водонасыщенные пески, дающие при бурении «пробку» до 2 м Песчано-глинистые породы со значительным содержанием щебня, гальки и гравия (от 20 до 35%). Твердые глины, суглинки, супеси. Плотный каолин. Плывуны, дающие при бурении «пробку» более 2 м. Мягкие глинистые, углистые и талько-хлоритовые сланцы. Мергель, глинистый песчаник. Известняк-ракушечник, гипс. Твердый мел. Ангидрит. Опока. Каменная соль.- 7,7 4 1,9 0,95 0,5 0,5 0,5 0,35
43
Продолжение табл. 1.29
Категория горных пород
Породы
Углубление, м
за I ч чистого бурения
за 1 рейс
V
VI
VII
Слабые аргиллиты. Мягкий (бурый) каменный уголь. Бокситы, фосфориты. Мерзлые: глины, суглинки, супеси, песок, ил, торф. Лед. Строительный мусор с битым кирпичом, без железного лома Мелкий галечник и щебень с валунами. Дресва и гравий. Песчано-глинистые породы с большим содержанием гальки, щебня (более 35%). Плотные мергели. Песчано-глинистые сланцы. Сла-босцементированные песчаники и известняки. Аргиллиты. Крепкий каменный уголь. Слабые конгломераты осадочных пород на известковистом цементе. Ноздреватые бурые железняки. Выветрившиеся изверженные породы: граниты, сиениты, диориты, габбро. Мерзлые гравийно-галечниковые породы с песчано-глинистым заполнителем. Плотно слежавшийся строительный мусор с битым кирпичом и железным ломом Крупный галечник и щебень с валунами. Разновидность окварцованньгх крепких сланцев, известняков и песчаников. Мрамор. Доломиты. Конгломераты на кремнистом цементе. Крупнозернистые изверженные породы: граниты, сиениты, диориты, габбро, гнейсы, порфиры
Галечник и щебень с большим количеством (более 35%) крупных валунов кристаллических пород. Кремнистые сланцы, известняки, песчаники. Мелкозернистые изверженные породы: граниты, сиениты, диориты, габбро Конгломераты кристаллических пород на кремнистом цементе
Таблица 1.30. Классификация горных пород по буримости для ударно-вибрационного бурения
Категория горных пород Породы Интервал глубины скважины, м
0-4 4-10 10-20
1 II Рыхлые: почвенный слой, чернозем, песчано-глинистые породы, лессы, хорошо разложившийся торф, сильновлажные иловые породы Почвенно-растительный слой (дерн) с редкими включениями (до 10% по массе) гальки и гравия, торф, средней плотности пески, пластичные глины, суглинки и супеси с примесью мелкой гальки, гравия, дресвы и щебня до 10%. Диатомит. Слабый мел, рыхлый трепел. Лёсс средней плотности. Мусор преимущественно из органических отходов 0,4 ~2 0,6 1Д 0,8 Тд 1,2 12 1,6 Г 2,4 ад
44
Продолжение табл. 1.30
Категория горных пород Породы Интервал глубины скважины, м
0-4 4-10 10-20
III Полутвердые глины, суглинки, супеси, плотные пески, лёсс с примесью мелкой гальки, гравия, дресвы и щебня от 10 до 20%. Рыхлые мергели, мел средней плотности, каолин 0,9 т 1,8 ад 3,6 ад
IV Песчано-глинистые пластичные породы с содержанием мелкой гальки, гравия и щебня от 20 до 35%. Твердые суглинки, супеси, каолин. Слабые аргиллиты. Пористый известняк-ракушечник, гипс, ангидрит. Твердый мел. Мягкий каменный уголь. Фосфориты, опоки. Плывуны. Мерзлые: глины, суглинки, супеси, пески, ил, торф. Лед. Строительный мусор с битым кирпичом без железного лома 1,8 ад 3,6 ад 7,2 ад
Примечания: В числителе—время чистого бурения на 1 м, мин; в знаменателе -углубление за 1 рейс, м.
§ 6. Другие классификации горных пород
В зависимости от вида процессов в буровых скважинах существует значительное количество классификаций горных пород. В частности, известны классификации пород по устойчивости стенок скважин от обрушения, трудности отбора керна при геологоразведочном бурении, трудности отбора и сохранения образцов ненарушенной структуры (монолитов) при инженерно-геологических изысканиях, степени поглощения промывочной жидкости, температурным свойствам проходимых пород и т. д.
Первая классификация пород и полезных ископаемых по трудности отбора керна предложена С. А. Волковым. В основу классификации положено влияние на керн двух факторов: 1) механического воздействия потока промывочной жидкости, сжатого воздуха и бурового снаряда; 2) химического воздействия потока промывочной жидкости (которое приводит к растворению керна).
В соответствии с этими двумя факторами все породы при вращательном бурении кольцевым забоем (в основном колонковым бурением) подразделены на четыре группы: первая включает породы и полезные ископаемые монолитные и слаботрещиноватые, практически не разрушаемые потоком промывочной жидкости и вибрацией снаряда; вторая—породы и полезные ископаемые, которые легко растворяются промывочной жидкостью, хотя почти не разрушаются механическим воздействием. В эту группу входят в основном минеральные соли; третья— породы и полезные ископаемые, легко разрушаемые потоком промывочной жидкости; четвертая—породы
45
и полезные ископаемые, легко разрушаемые как потоком промывочной жидкости, так и вибрацией бурового снаряда. К этой группе относятся сильнотрещиноватые, перемежающиеся по твердости, мягкие, рыхлые, сыпучие породы и плывуны.
Более детализированную и уточненную аналогичную классификацию предложил С. С. Сулакшин.
В табл. 1.31 представлена классификация нескальных глинистых и песчаных грунтов по трудности отбора и сохранности образцов ненарушенной структуры (монолитов); в табл. 1.32—классификация грунтов по степени устойчивости стенок от обрушения; в табл. 1.33 — разработанная В. Г. Кардышем комплексная классификация геологотехнических условий бурения скважин в мягких и рыхлых породах. Эта классификация основана на оценке степени связности частиц породы, что характеризует их сопротивляемость породоразрушающему инструменту и прочность керна, а также устойчивость стенок скважины.
Таблица 1.31. Классификация нескальных глинистых и песчаных грунтов по трудности отбора и сохранности образцов ненарушенной структуры (монолитов)
Степень плотности грунта Характеристика грунтов Типичные представители грунтов Способ отбора, краткая характеристика грунтоноса, требования к транспортированию монолитов
Очень Разбуриваются с тру- Плотные, твер- Вращательный с помо-
плотный дом и только вращательным способом. После извлечения образец не разрушается при значительном силовом воздействии дые глины и суглинки, грунты с корнями растений щью обуривающих грунтоносов с внутренней керноприемной гильзой. Можно транспортировать любым транспортом без особой предосторожности
Плотный Разбуриваются легко вращательным способом и с трудом ударниками. При значительном силовом воздействии извлеченный из грунтоноса образец деформируется. Руками сломать трудно Глины и суглинки полутвердой и тугопластичной консистенции. Тяжелые супеси Вращательный и ударный с помощью обуривающих и забивных грунтоносов с керноприемными гильзами без перекрытия входного отверстия. Можно транспортировать любым транспортом без особой предосторожности
Средней Легко разбуриваются Глинистые грун- Ударный и вдавливаемый
ПЛОТ- ударными способами. ты тугопластич- способы с помощью за-
ности Образец деформируется руками. Легко разрушается ной консистенции, связные песчаные грунты бивных и вдавливаемых тонкостенных грунтоносов с внутренней керноприемной гильзой без перекрытия входного отверстия. Необходимо соблюдать некоторые предосторожности при транспортировке
46
Продолжение табл. 1.31
Степень плотности грунта Характеристика грунтов Типичные представители грунтов Способ отбора, краткая характеристика грунтоноса, требования к транспортированию монолитов
Рыхлый Легко разбуриваются ударным и вдавливаемым способами. Образец деформируется и разрушается при небольшом силовом воздействии, в том числе руками Глинистые грунты мягкопластичной консистенции, рыхлые песчаные грунты Только вдавливаемый способ с помощью вдавливаемых тонкостенных грунтоносов (в том числе вакуумных) с внутренней керноприемной гильзой с частичным перекрытием входного отверстия. Необходимо соблюдать меры предосторожности при транспортировке, предохраняя монолит от встряхивания
Очень Погружение грунтоноса Глинистые грун- Только вдавливаемый
рыхлые происходит при очень незначительном вертикальном усилии. Освобожденный от керноприемной гильзы образец сразу теряет свою форму, деформируется и разрушается под действием собственной силы тяжести ты текучепластичной и текучей консистенции, водонасыщенные пески способ с помощью вдавливаемых грунтоносов с жесткой керноприемной гильзой и полным перекрытием входного отверстия. Необходимо соблюдать особые меры предосторожности при транспортировании монолитов
Таблица 1.32. Классификация грунтов по степени устойчивости стенок от обрушении
Степень устойчивости стенок Характеристика грунтов Типичные представители грунтов Способ закрепления стенок
Устойчивые Крат-ковре-менно-устой-чивые Стенки скважины не об-рушаются, диаметр скважины остается практически неизменным в течение неопределенно длительного времени Стенки скважины не обрушаются в течение некоторого времени (иногда в течение времени бурения скважины), наблюдается небольшое изменение диаметра всей скважины или каких-то ее частей Устойчивые скальные, полускальные (монолитные и слаботрещиноватые) и нескальные грунты Трещиноватые скальные и нескальные грунты, в том числе в мерзлом состоянии, крупнообломочные грунты, супесь тяжелая и пылеватая, глины и суглинки мягкопластичной консистенции, лёссы Закрепления стенок не требуется. Бурение с промывкой технической водой и продувкой воздухом Неглубокие скважины могут буриться без закрепления стенок. Глубокие скважины можно бурить с промывкой глинистым раствором. Иногда требуется закрепление стенок скважин обсадными трубами
47
Продолжение табл. 1.32
Степень устойчивости стенок Характеристика грунтов Типичные представители грунтов Способ закрепления стенок
Слабо-устойчивые Неустойчивые Могут происходить вывалы из стенок скважины, наблюдается заметное изменение диаметра скважины в течение короткого времени Скважина почти сразу полностью обрушается или «оплывает» после извлечения породоразрушающего инстру- мента Крупнообломочные грунты (неплотные), песок плотный и средней плотности, супесь легкая, суглинки и глины текучепластичной консистенции Насыщенные водой пески, плывуны, глины и суглинки текучей консистенции Требуется закрепление пробуренных интервалов скважины обсадными трубами Пробуренные интервалы требуют немедленного либо опережающего закрепления обсадными трубами
4 Заказ 3871
аблица 1.33. Классификация геолого-технических условий бурения в мягких и рыхлых породах (по В. Г. Кардышу)
О
£
о
§
£
я
£ н
о
о
к
с
я я о я
я я
я я о г; х
я
сО
Я
Я
я о S
я я сО Я
о й о я
я я о
g .Cl
я я
я
о ё
к
Я
§ g Я ия
со
я я о Я Ю
О Ри d
to я
S СО
X
о »
S иг Я я Я jjs S о W kL ® о
s S
® й s В
о g
S СХ
я
S
я
Si
о
S
° 58 я S я й я 5
° о е
о
я я
о S Я >я М н РО С о я я
зеки сухие и водонасы-гнные до плывунов ^сцементированные: дрес-, гравийно-галечные от- >жения и т. д. елко-, средне- и крупно-рнистые пески, слабые неси с различной сте-нью влажности злажненные супеси, су-инки, пластичные лен-•чные и песчаные глины 01 о м й к°»Е Ь ш &* и _ а О S сО eS 5 « н S В g о Е л ся >я о £ О со S М R о о с S _г 2 О й 2 Я РчЯ И со О Я
к н Я Ь ь_
s я □ » К S ад Я S’S
я я
49
ГЛАВА 2
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СКВАЖИНЫ И ИХ ОСОБЕННОСТИ
К основным видам инженерных изысканий относят инженерногеологические, инженерно-геодезические и инженерно-гидрометеорологические. В качестве самостоятельных видов изысканий могут проводиться: гидрогеологические, климатологические, почвенные, геоботанические, лесотехнические, агротехнические, изыскания источников водоснабжения и некоторые другие.
Наиболее важны среди перечисленных видов изысканий инженерногеологические. В процессе их проведения изучению подлежат грунты как основание, среда или материал будущих сооружений, заключенные в грунтах подземные воды, различные физико-геологические процессы во всех разнообразных формах их проявления.
Наиболее трудоемкими, дорогостоящими и длительными по времени работами при инженерно-геологических изысканиях являются буровые.
§ 1. Инженерно-геологические изыскания
Инженерно-геологические изыскания должны обеспечивать изучение инженерно-геологических условий района (участка) строительства, включая геоморфологическое и геологическое строение, литологический состав, состояние и физико-механические свойства грунтов, гидрогеологические условия, неблагоприятные физико-геологические процессы и явления, а также составление прогноза изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений.
В состав инженерно-геологических изысканий входят: сбор, анализ и обобщение данных о природных условиях района (участка) строительства, включая материалы прошлых лет; инженерно-геологическая рекогносцировка; инженерно-геологическая съемка; инженерно-геологическая разведка.
Бурение скважин осуществляется в процессе трех последних видов изыскательских работ. При рекогносцировке проводят зондирование, геофизические работы, опробование грунтов и подземных вод. Бурение скважин при инженерно-геологической съемке проводится в целях установления геологического разреза и условий залегания грунтов; отбора образцов грунтов и проб воды для лабораторного изучения их состава и свойств; полевых исследований свойств грунтов; исследования водного и температурного режимов грунтов; определения условий залегания и распространения, режима и химического состава подземных вод, гидрогеологических параметров водоносных горизонтов, а также взаимосвязи подземных вод с поверхностными; выявления и оконтуривания зон проявления физико-геологических процессов и явлений и установления закономерностей их развития; интерпретации результатов геофизических, зондировочных и зондировочно-каротажных работ.
50
Инженерно-геологическая разведка выполняется для получения инженерно-геологических характеристик грунтов в сфере взаимодействия зданий и сооружений с геологической средой. При инженерногеологической разведке скважины бурят в целях уточнения геологического разреза в сфере взаимодействия проектируемых зданий и сооружений с геологической средой, расчленения массива грунтов на инженерно-геологические элементы, изучения гидрогеологических условий, физико-геологических процессов и явлений, отбора образцов и проб подземных вод для лабораторных исследований, проведения полевых исследований свойств грунтов и опытно-фильтрационных работ, а также стационарных наблюдений.
§ 2. Назначение буровых работ
К буровым работам относится сооружение скважин инженерногеологического назначения любого диаметра и глубины, которое осуществляется преимущественно механизированным способом. Сооружение скважин, помимо основного процесса — бурения, включает в себя ряд подсобно-вспомогательных и сопутствующих процессов и операций (планировка площадки, монтаж и демонтаж вышки или мачты и другого бурового оборудования, приготовление промывочного агента, погружение и извлечение обсадных труб и т. д.). В последнее время в состав буровых работ включаются полевые опытные работы, проводимые в скважинах, гидрогеологические наблюдения и т. д. Нередко для этих целей используется буровое оборудование.
Под буровой скважиной понимается горная выработка, имеющая цилиндрическую форму и значительную длину Н при сравнительно малом диаметре Dc. При инженерно-геологических изысканиях отношение £)с/Я=0,2ч-0,001. Верхний предел относится к скважинам большого диаметра и небольшой глубины, нижний — к скважинам малого диаметра и значительной глубины (главным образом при гидротехнических изысканиях). Для сравнения укажем, что при бурении геологоразведочных скважин отношение DJH в среднем составляет 0,0005, при бурении скважин на нефть и газ — 0,0001 и менее.
Бурение скважины на изысканиях проходят для изучения геологического разреза, отбора образцов грунта с целью определения его состава, состояния и физико-механических свойств; постановки различного рода опытных работ в скважинах (для определения гидрогеологических характеристик и т. д.).
Задачи, решаемые с помощью бурения, определяют ряд специфических требований к этому процессу, предьявляемых инженерными изысканиями. Эти требования существенно отличаются от поисков и разведки полезных ископаемых, изучения и освоения подземных вод и т. д.
Сопоставляя геологоразведочное и инженерно-геологическое бурение, прежде всего необходимо отметить, что техническая база для них общая. В принципе почти любым буровым станком можно бурить как геологоразведочные, так и инженерно-геологические скважины. В основном аналогичным является другое буровое оборудование 4* 51
и инструмент, исключая грунтоносы, применяемые только при бурении инженерно-геологических скважин. Располагая общей технической базой, инженерно-геологическое и геологоразведочное виды бурения преследуют, однако, различные цели и решают различные задачи. Эти различия сводятся к следующему.
Объект инженерно-геологического бурения—верхняя часть земной коры, находящаяся в зоне взаимодействия с инженерными сооружениями, для проектирования которых в конечном счете и осуществляется это бурение. Средняя глубина инженерно-геологических скважин составляет 10—15 м. При геологоразведочном бурении средняя глубина скважин по крайней мере на порядок выше. Вследствие этого основной объем инженерно-геологического бурения приходится на нескальные грунты, геологоразведочного—на скальные. При геологоразведочном бурении непосредственным объектом изучения является тело (зона) полезного ископаемого, мощность которого, как правило, во много раз меньше всей протяженности скважины. Для проходки тела (зоны) полезного ископаемого применяют специальный режим бурения. Бурение вне указанных пределов практически не регламентируется и осуществляется без отбора керна. При инженерно-геологическом бурении специальный режим бурения распространяется практически на всю скважину.
Образцы (керн), извлеченные в процессе геологоразведочного бурения, изучаются в основном с точки зрения их состава, при инженерно-геологическом бурении в равной мере важны состав поднятых образцов, их состояние и свойства. Эти показатели в образцах должны быть аналогичны показателям в массиве. При геологоразведочном бурении влияние метода разрушения забоя на изменение свойств массива, примыкающего к скважине, практического значения не имеет. При инженерно-геологическом бурении это обстоятельство имеет важное значение, так как здесь широко используются скважинные методы определения показателей физико-механических свойств.
Перечисленные особенности предъявляют к технологии бурения инженерно-геологических скважин дополнительные требования. Так, бурение «всухую» при геологоразведочном бурении—вспомогательный прием, используемый главным образом для заклинивания керна. При инженерно-геологическом бурении указанный прием приобретает самостоятельное значение: вся скважина может быть пробурена «всухую». Необходимость определения (в результате инженерно-геологического бурения) показателей состава, состояния и свойств массива грунта определяет широкое применение грунтоносов для отбора монолитов, что совершенно не характерно для геологоразведочного бурения. Наконец, сравнительно небольшая глубина, изучаемая при инженерно-геологических изысканиях толщи грунтов, делает возможным использование методов зондирования, которые принципиально не отличаются от бурения. При геологоразведочных работах эти методы практически не применяются.
Основные требования к скважинам инженерно-геологического назначения: получение исчерпывающих сведений о геологическом и гидрогеологическом строении исследуемого района; получение достаточ-52
ных и достоверных данных о физико-механических свойствах грунтов; обеспечение возможности производства опытных работ с должным качеством как в процессе бурения, так и по его окончании.
К наиболее важным особенностям инженерно-геологических скважин могут быть отнесены следующие:
небольшая глубина (определяется видом проектируемого сооружения и геологическими условиями);
незначительное различие в диаметрах скважин, диаметр скважин определяется только видом и характером опробования; \
непрерывный отбор керна, при этом должен обеспечиваться его 100%-ный выход;
непрерывный или поинтервальный отбор образцов (монолитов) грунта со сложением, близким к природному;
проведение в скважине различных опытных работ, которые по времени бывают более продолжительными, чем сам процесс бурения;
по завершении работ обязательное тампонирование скважины с целью ликвидации искусственных каналов и пустот для циркуляции грунтовых вод;
чрезвычайное разнообразие условий бурения скважин, разбросанность объектов изысканий и др.
Эти особенности являются необходимыми исходными предпосылками при разработке специализированных технических средств, технологических приемов бурения и организации буровых работ.
§ 3. Типовые конструкции
инженерно-геологических скважин
Требования к типовым конструкциям инженерно-геологических скважин состоят в следующем:
1) конструкции скважин должны отвечать современному состоянию проведения изысканий и возможному их техническому прогрессу. В частности, следует учитывать более широкое применение в изысканиях полевых методов, возможное совершенствование техники и технологии отбора монолитов в результате внедрения, например, нормального ряда грунтоносов, более широкое использование каротажных методов, нового опытно-фильтрационного оборудования и т. д.;
2) конструкции скважин должны учитывать существующие нормативно-методические документы (стандарты, СНиПы, инструкции, указания и рекомендации). В соответствии с ГОСТ 12071—84 должны использоваться грунтоносы, обеспечивающие отбор монолитов с природной влажностью, диаметром (стороной), достаточным для вырезания образцов грунта, размеры которых определяются оборудованием для испытаний грунта.
При этом следует учитывать наличие нарушенной периферийной зоны монолита, толщину которой принимают равной 3 мм для грунтов с жесткими структурными связями, 20 мм для крупнообломочных грунтов, 10 мм—для песчаных и пылевато-глинистых грунтов с показателем текучести (консистенции) 7ь<0,75, 5 мм —
53
Рис. 2.1. Типовые конструкции инженерно-геологических скважин малого диаметра: а, б, в, г, д—группы скважин; 1—скважины или части скважин, бурение которых осуществляется без крепления обсадными трубами; 2—то же, с креплением обсадными трубами
для пылеватоглинистых грунтов при 1L >0,75. Это значит, что для многих разновидностей глинистых грунтов внутренний диаметр грунтоноса должен быть не менее 90 мм. Следовательно, диаметр скважин, предназначенных для отбора монолитов, должен быть не менее 127 мм. В соответствии с ГОСТ 20276—85 площадь штампа для испытаний грунтов статической нагрузкой должна быть равна 600 см2. Поэтому минимальный диаметр скважин для производства таких испытаний должен быть не менее 325 мм и т. д.;
3) конструкции скважин в известном смысле должны учитывать современное техническое оснащение изысканий буровыми станками и другим оборудованием. Следует иметь в виду, что в ближайшее время полная замена парка существующих буровых станков новыми моделями невозможна;
4) конструкции скважин должны учитывать возможность применения прогрессивных способов бурения, в том числе ударно-вибрационного, пневмоударного, гидроударного, грейферного, высокооборотного алмазного, вибрационно-вращательного, с гидротранспортом и пневмотранспортом керна и др.
На рис. 2.1 представлены типовые конструкции инженерно-геологических скважин малого диаметра, разработанные на основе указанных принципов. В табл. 2.1 представлены особенности различных 54
I Число скважин. группы в данном типе о оо о СО о ф о тТ —<
ИИ и ё| О 60—70
1тип станков и установок Переносные и пере- возимые станки Перевози-1MRTP и ся- 1 моходные буровые УСТЯнпккм
Вид изысканий и характер использования скважин Линейные, при обследовании железнодорожных и других насыпей, под несложное сельскохозяйственное строительство. Изучение геологического разреза. Монолиты не отбираются । « >8 ’g , . о f 4 " р.” g 5 Й g g g'g а g о s й s s 5 е Яь „ s 5 g и „ й П й о ч н н о ь я g fc gg s к О У н Й S ° Й « я ш к*Р 1=: и о Е £ я 6 S Н 2'0 5 S И g g £ га Ш° ® g S g.5 ° „ о § п S g S 3 * «•£|9Ьр<я>дЬ|Ога ° ч 3 К и 2 * 2 Й Й &:> g Й g.o g o н g § СиОко к s н Й 2 е У s
Особенности геологического разреза Устойчивые породы, не требующие закрепления стенок обсадными трубами Верхние интервалы требуют закрепления обсадными трубами Устойчивые породы, не тпебуюшие закпспления стенок обсадными трубами Верхние интервалы требуют закрепления обсадными трубами Неустойчивые породы, требующие закрепления большей части интервала скважины
Число колонн обсадных труб 1 '”1
Диаметр h TJ г я А 73—89 108—168
Глуби- л „ -> д 2—10 1 7—30
Труп- зЗЁ гЗ ю ю
Тип И ь—<
Вид сква- £ 2 cd Малого диаметра Малого диамет- пЗ
55
Продолжение табл. 2.1
Вид скважин по диаметру Тип скважин Труп-па скважин Глубина скважин, м Диаметр скважин*, мм Число колонн обсадных труб Особенности геологического разреза Вид изысканий и характер использования скважин Тип станков и установок Число скважин, %
от всех скважин группы в данном типе
Малого диаметра III а 15—50 127—168 1 Устойчивые породы по всему интервалу скважины. Устанавливается кондуктор для закрепления только верхнего интервала скважины Используются при гидроэнергетических изысканиях, изысканиях под сложное промышленное и гражданское строительство, при подземном строи-тельстве и т.д. Основные особенности скважин: 1) более значительные глубина и начальный диаметр скважин; 2) они проводятся в более осложненных геологичес-ких условиях; 3) к ним предъявляются особые требования в части проведения опытных работ. Скважины бурят для изучения геологического разреза, отбора монолитов, постановки опытных работ, в том числе штамповых опытов и опытных откачек. К этой группе относятся скважины, глубина которых меньше 15 м, но в них ставятся штамповые опыты Перевозимые, самоходные и стационарные станки и установки 15—30 20-30
20—30
б 127—219
5—10
в 127—325
30
г 127—219 2 Верхние интервалы скважины представлены неустойчивыми песчаными и крупнообломочными грунтами
5
д 89—168 3 В основном неустойчивые и слабоустойчивые перемежающиеся породы в верхних интервалах скважины. Последние интервалы скважины пересекают скальные породы. Особо сложные геологические условия, в частности, при наличии верховодки и двух водоносных горизонтов, требующих перекрытия обсадными трубами.
Скважины трехколонных конструкций довольно редки и бурятся чаще всего при гидроэнергетических изысканиях
Большого диаметра IV а 600— —1000 2—15 3 Устойчивые (в основном рыхлые и мягкие) породы, не требующие закрепления обсадными трубами Изыскания под промышленное гражданское и гидротехническое строительство. Детальное изучение геологического разреза, отбор монолитов большого размера, постановка штамповых опытов, проведение других опытных работ, требующих выработки большого диаметра Самоходные и стационарные станки и установки 3—5 70
б 1 Слабоустойчивые породы, требующие закрепления всего интервала скважины обсадными трубами 30
* Здесь и в дальнейшем диаметр скважин указан по стандартизованному диаметру обсадных труб.
конструкций скважин. Типовые конструкции не включают скважины глубиной более 50 м. Эти скважины по своим параметрам мало чем отличаются от скважин геологоразведочного и гидрогеологического назначения.
§ 4. Классификация буровых скважин
Основная задача классификации состоит в обоснованном и рациональном выделении таких групп скважин, которые требуют единых технических способов и средств для их проходки, методов и средств их опробования.
На выбор конструкции скважины, способа бурения, типа бурового станка, инструмента и режима проходки решающее влияние оказывают следующие основные факторы: назначение буровых скважин, проектная глубина бурения, крепость пород и их устойчивость против обрушения стенок, географические и иные условия проведения буровых работ.
Назначение буровых скважин
По назначению скважины, проходимые при инженерно-геологических изысканиях, подразделяются на зондировочные, разведочные, гидрогеологические и специального назначения.
Назначение инженерно-геологических скважин, их диаметры и правила отбора образцов при бурении указаны в табл. 2.2.
Таблица 2.2. Назначение инженерно-геологических скважин, их диаметры и правила отбора образцов
Тип скважин по назначению Диаметр скважин, мм Назначение скважин Цель отбора образцов и виды работ в скважинах Правила отбора образцов при бурении
Зондировочные 33—127 Для предварительного изучения геологического разреза, установления границ между нескальными и скальными грунтами, границ распространения насыпных и затор-фованных грунтов, а также границ залегания мерзлых грунтов, для определения уровня грунтовых вод и т. д. Зондировочные скважины преобладают на начальных этапах изысканий Ориентировочная геологическая документация. Опытные работы в скважинах, как правило, не проводятся Образцы нарушенного сложения отбираются непрерывно или через определенные интервалы
58
Продолжение табл. 2.2
Тил скважин по назначению Диаметр скважин, мм Назначение скважин Цель отбора образцов и виды работ в скважинах Правила отбора образцов при бурении
Разведочные 108—219 Для детального изучения геологического разреза Образец грунта (керн), извлекаемый из скважины, служит для определения всех особенностей геологического разреза: последовательности в залегании слоев грунта, их мощности и положения контактов, структурных и текстурных особенностей грунта (слоистость, отдельность, дисперсность, тип структуры, наличие примазок, гнезд, включений, тонких слабых прослоев и т.д.), плотности и консистенции грунта, соответствующих природным условиям; влажности и водоносности грунта и т.д. Проводятся простые по трудоемкости и непродолжительные по времени инженерно-геоло-ческие и гидрогеологические опытные работы Образцы нарушенного сложения отбираются непрерывно. Допускается отбор образцов через определенные интервалы (при большом числе скважин на площадке)
Технические 127—325 Технические скважины являются разновидностью разведочных. Основное их назначение заключается в отборе образцов грунта с ненарушенным природным сложением (монолитов). К техническим также от- Определение физико-механических свойств Монолиты отбираются по всему интервалу бурения либо с определенных участков. Опытные работы проводятся на предусмотренных заданием интервалах скважины
59
Продолжение табл. 2.2
Тип скважин по назначению Диаметр скважин, мм Назначение скважин Цель отбора образ-пов и виды работ в скважинах Правила отбора образцов при бурении
носятся скнажи-ны, в которых производятся трудоемкие и продолжительные по времени опыты (испытания на срез, на обжатие стенок скважины и др.)
Гидрогео- логические 108—426 Для изучения геологического и гидрогеологического разреза, но главным образом для изучения фильтрационных свойств грунтов Гидрогео логические скважины одновременно могут являться и разведочными. Отличие их от последних—сравнительно большой диаметр скважин, обусловленный необходимостью установки в скважину водоподъемных средств Ориентировочная геологическая документация. Опытные работы—в основном откачки, наливы, нагнетания воды (воздуха) Образцы нарушенного сложения (главным образом, в виде шлама) отбираются через определенные интервалы. Опытные работы проводятся после окончания бурения скважин
Специального назначения 600 - 2000 Для проведения специальных работ в скважинах, а также для обеспечения возможности спуска в них человека. К этой группе скважин относятся также выработки, характер опытных работ в которых требует использования специального бурового оборудования или особой технологии для их проходки Определение физико-механических свойств грунтов. В скважинах данной группы чаще всего ставятся штамповые опыты, испытания на сдвиг целиков, отбираются монолиты большого размера Правила отбора образцов определяются специальными требованиями
60
Представляет интерес сопоставление назначения скважин с их типовыми конструкциями. Зондировочные скважины—это скважины I, гораздо реже II типа. Разведочные скважины могут включать в себя скважины I, II и III типов, однако преимущественно это скважины II и III типов. Технические скважины—это скважины только II и III типов; если в них проводят штамповые опыты, то только скважины III типа группы «в». Гидрогеологические скважины в основном III типа, однако в отдельных случаях ими могут являться скважины II и IV типов. К скважинам специального назначения относятся частично скважины III типа и все скважины IV типа.
Как видно из табл. 2.2, диаметры скважин в основном определяются их назначением. На выбор начального диаметра оказывают влияние и проходимые горные породы, однако это влияние имеет подчиненный характер. Инженерно-геологические скважины диаметром 34—73 мм составляют примерно 2%, диаметром 89—168 мм—97%, 219 мм и более— 1%'.
Из всех разведочных скважин технические составляют примерно 30%. Всего в настоящее время для лабораторных исследований отбирается 1,2 млн. монолитов. Для отбора монолитов применяются вдавливаемый, забивной, обуривающий, вибрационный и вращательный способы.
В буровых скважинах различного целевого назначения можно проводить следующие виды опытных работ: режимные наблюдения за изменением уровня, температуры и химического состава воды, восстановление и замер уровня грунтовых вод, отбор проб воды и газа, определение направления и скорости движения подземных вод; опытные откачки, наливы и нагнетания воды, опытные нагнетания воздуха; статическое, динамическое и ударно-вибрационное зондирование грунтов; испытания грунта: вертикальными статическими нагрузками (штампами), на срез (крыльчатыми зондами), на обжатие стенок скважины (прессиоме-трами), на царапание стенок (искиметрами); фотографирование и осмотр стенок скважины с помощью фотобуроскопов, телевизионных камер; кернометрия, специальные опытные работы (цементирование, тампонаж и др.). В буровых скважинах, главным образом разведочных и гидрогеологических, можно проводить следующие геофизические исследования: резистивиметрию, кавернометрию, электрокаротаж, радиоактивный каротаж, радиоиндикаторные наблюдения, термокаротаж, боковое элекгрока-ротажное зондирование, диэлектрическое зондирование и т. д.
Глубина скважин
Проектная глубина скважины (наряду с ее назначением) определяет тип и мощность выбираемого бурового станка, основные параметры бурового оборудования и инструмента, отчасти начальный диаметр скважины и т. д.
1 Данные Б. В. Цынского.
61
В соответствии с глубиной бурения скважины условно подразделяются на неглубокие (до 10 м), средней глубины (от 10 до 30 м), глубокие (от 30 до 100 м) и весьма глубокие (свыше 100 м).
Неглубокие скважины имеют среднюю глубину 3—7 м. Их конструкции в основном соответствуют I типу (см. рис. 2.1). Сюда относятся почти все зондировочные скважины. Скважины средней глубины проходятся в основном до 10—15 м, максимальная глубина составляет 30 м—это характерно для разведочных скважин. По своим конструкциям они относятся ко II и реже к III типу. Глубокие скважины имеют среднюю глубину от 30 до 40 м и по конструкциям соответствуют III типу. Скважины глубиной до 30 м на изысканиях составляют 96%.
Крепость пород и устойчивость стенок скважин
Крепость пород и устойчивость стенок скважин против обрушения определяют выбор способа и технологии бурения, типа породоразрушающего инструмента, способа крепления стенок скважин и т.п.
По крепости все породы, проходимые при бурении скважин, могут быть подразделены на скальные (полускальные), крупнообломочные, песчаные и глинистые. Эти грунты могут находиться в мерзлом состоянии. Мерзлые грунты при бурении скважин нередко требуют специального оборудования и технологии бурения, поэтому они выделяются в самостоятельную группу.
Объем бурения в скальных грунтах составляет незначительную часть от общего объема буровых работ (5%). Объемы бурения в мерзлых грунтах имеют тенденцию к возрастанию и составляют 9%. Основные объемы инженерно-геологического бурения в СССР выполняются в песчано-глинистых грунтах.
Географические условия проведения буровых работ
Одна из характерных особенностей инженерных изысканий—большое разнообразие условий проведения работ. Последние определяют выбор типа бурового оборудования по транспортабельности, виду энергоснабжения и т. д.
По видам транспортирования оборудования выделяются легкие, средние, тяжелые и особые условия. Характеристика их дана в табл. 2.3.
Такое деление условно. Нередки случаи, когда в пределах деятельности одной организации могут встретиться все выделенные условия работ, за исключением, может быть, тяжелых. Тем не менее выделение условий позволяет оценивать, какой транспортабельностью (в основном) должно обладать используемое оборудование в данном районе. Например, условия работ в центральных районах, на Украине, в Прибалтике, Белоруссии должны быть отнесены к легким; почти по всей Сибири—к средним; в горных районах Средней Азии и Закавказья, Заполярье—к тяжелым. Бурение скважин на акваториях должно быть отнесено к особым условиям работ.
При проведении инженерно-геологических изысканий, особенно линейных, встречаются участки, где применение самоходных или 62
Таблица 2.3. Характеристика различных условий производства буровых работ и типы рекомендуемых буровых станков по транспортабельности
Условия работ Краткое описание природных, климатических и экономических особенностей района работ Условия подъезда транспортом Типы рекомендуемых буровых станков по транспортабельности
Легкие Равнинные, почти безлесные районы, слабопересеченная местность, городские и сельские районы с густой дорожной сетью, умеренный климат Возможен подъезд автотранспортом любой проходимости без сложных подготовительных дорожных работ Самоходные (на базе автомобиля, реже на базе трактора), перевозимые, реже стационарные и переносные
Средние Местность пересеченная, небольшие лесные массивы и кустарники, большая удаленность от автомобильных и железных дорог и населенных пунктов; суровый резко континентальный климат Возможен подъезд автотранспортом с высокой проходимостью при устройстве временных подъездных дорог или транспортом на гусеничном ходу Самоходные (на базе трактора), перевозимые, стационарные и переносные
Тяжелые Таежные и горные районы, районы Крайнего Севера, отдаленные области при сильно пересеченной местности и суровом климате Подъезд обычными видами транспорта (за исключением вьючного, вертолета, аэросаней и т. д.) практически невозможен. Местность, доступная пешеходам Переносные: стационарные и разбирающиеся на отдельные транспортабельные блоки массой не более 50—120 кг
Особые Акватории портов, шельфовые зоны морей и океанов, русла рек, сильно заболоченные районы, подземные горные выработки, места с воздействием высоких и низких температур, пониженных и повышенных давлений и т. д. Необходимо использовать особые виды транспорта (плавучие средства, подъемники, барокамеры и т. д.)_ Пешеходам район работ не доступен Стационарные, реже самоходные специальной конструкции или имеющие специальную комплектацию
передвижных буровых станков затруднено или вообще невозможно. К числу таких участков относятся: болота и мари; крутые склоны возвышенностей; сильно залесенные участки, тайга; откосы высоких насыпей, выемок железных дорог и автомагистралей; овраги; густо застроенные участки, сады, огороды; площади посевов; дражные акватории, ручьи. Все такие участки по необходимости также следует относить к тяжелым условиям.
В табл. 2.4 в обобщенном виде представлена классификация буровых скважин при инженерно-геологических изысканиях. Классификация разработана автором совместно с Б. В. Цынским.
63
Таблица 2.4. Классификация буровых скважин при инженерно-геологических изысканиях
Признаки подразделения скважин Группы скважин Зависимые от признаков и групп элементы техники и технологии бурения, параметры скважины, типы станков и т. д.
По назначению Зондировочные Разведочные (в том числе технические) Г идрогеологические Специального назначения Диаметр скважины, характер опробования и опытных работ и т. д.
По глубине бурения скважин Неглубокие (<10м) Средние (10—30 м) Глубокие (30-100 м) Весьма глубокие (>100 м) Тип и мощность бурового станка, основные параметры бурового оборудования и инструмента, способ бурения
По крепости разбуриваемых пород и устойчивости стенок против обрушения В грунтах: скальных (монолитных и трещиноватых), полускаль-ных, крупнообломочных, песчаных, глинистых 1 и мерзлых Способ и технология бурения, тип породоразрушающего инструмента, способ крепления стенок скважины, способ отбора образцов и т. д.
По условиям транспортирования оборудования В легких, средних, тяжелых и особых условиях Транспортабельность буровых станков, отчасти способ бурения скважин
1 Имеются в виду немерзлыс грунты.
ГЛАВА 3
СПОСОБЫ БУРЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН
§ 1. Особенности различных способов бурения скважин и область их применения
В табл. 3.1 приведен перечень применяемых и перспективных механических способов бурения с использованием терминологии, принятой при бурении инженерно-геологических скважин (рис. 3.1— 3.8). Частично эта терминология заимствована из практики бурения геологоразведочных скважин. При этом нами использовались традиционные, исторически сложившиеся наименования способов бурения. Естественно, эти наименования не отражают какой-либо единый методологический подход к их формированию.
64
Таблица 3.1. Краткая характеристика механических способов бурения
Код способа Способ бурения (в терминах, принятых при бурении ипжс-нерно-гсологи-ческих скважин) Особенности способа бурения
1 Колонковый: «всухую» Вращательное бурение кольцевым забоем скважин малого диаметра в породах малой твердости последовательными рейсовыми углублениями, в основном твердосплавным породоразрушающим инструментом (коронками), с заменой инструмента после подьема снаряда, с передачей крутящего момента с помощью бурильных труб вращателем подвижного типа, без дополнительного рабочего механизма, с низкой частотой вращения, без принудительного удаления продуктов разрушения, с получением керна и с отделением последнего путем затирки «всухую» и транспортиронанием в колонковой трубе, с закреплением стенок обсадными трубами
2 с призабойной циркуляцией То же, что 1, но с выносом продуктов разрушения водой, с обратной призабойной циркуляцией, создаваемой за счет вознратно-поступательного движения снаряда и со средней и высокой частотой вращения снаряда
3 с прямой промывкой (рис. 3.1) То же, что 2, но в любых породах с прямой циркуляцией промывочного агента, создаваемой насосом на поверхности, с бурением твердосплавным и алмазным породоразрушающими инструментами и с отделением керна путем использования за клиночного материала и кернорвателей
4 с обратной промывкой То же, что 2 и 3, но с обратной циркуляцией промывочного агента, создаваемой насосом на поверхности
5 с продункой То же, что 1, но в породах любой твердости с выносом продуктов разрушения потоком воздуха, с прямой циркуляцией, создаваемой компрессором на поверхности
6 со съемным керноприемником То же. что 3, но с подъемом образцов с помощью каната, без подъема всего инструмента
7 с гидротранспортом или пневмотранспортом керна (рис. 3.2) То же, что 4, но с выносом образцов потоком промывочной жидкости или газа
8 Медленновращательный Вращательное бурение скважин малого и большого диаметров в породах малой твердости сплошным забоем, рейсовыми углублениями, упрочненным стальным либо твердосплавным инструментом, спиральными, ложковыми либо тарельчатым бурами; с заменой инструмента после подъема снаряда, с передачей крутящего момента посредством бурильных труб с помощью подвижного или неподвижного вращателя, с весьма низкой или низкой частотой вращения снаряда, без принудительного удаления продуктов разрушения, с получением образцов в виде
5 Заказ 3871 65
Продолжение табл. 3.1
Код способа Способ бурения (в терминах, принятых при бурении инженерно-геологических скважин) Особенности способа бурения
9 Шнековый но- перемятых и перетертых комков грунта, с отделением образцов в процессе бурения, с транспортированием в бурах произвольной формы, с подъемом образцов, совмещенным с подъемом инструмента с закреплением или без закрепления стенок обсадными трубами То же, что 8, но бурение скважин малого диа-
ТОЧНЫЙ метра, одним рейсом, с использованием долот, с
10 Шнековый: передачей крутящего момента подвижным вращателем с помощью колонны шнеков, со средней частотой вращения снаряда, с принудительным механическим удалением продуктов разрушения шнековым транспортером, с подъемом образцов, совмещенным с процессом бурения; как правило, без закрепления стенок обсадными трубами То же, что 9, но бурение скважин малого и боль-
рейсовый того диаметров, рейсовыми углублениями, с подъ-
11 кольцевым емом образцов, совмещенным с подъемом инструмента То же, что 9, но бурение скважин малого диаметра
забоем кольцевым забоем с подъемом образцов в специаль-
12 Винтовой ном керноприемнике с помощью каната без подъема всего инструмента либо с подъемом инструмента То же, что 8, но с весьма низкой частотой вра-
13 Роторный щения снаряда и с применением спиральных буров, завинчиваемых в грунт Вращательный способ бурения скважин малого и
(рис, 3.3) большого диаметров в породах любой твердости,
14 Ударно-канатный: сплошным за- главным образом сплошным забоем (скважины большого диаметра) одним рейсом (в отдельных случаях рейсовыми углублениями), долотами с подвижным закреплением породоразрушающего инструмента (шарошечные долота), с заменой инструмента после подъема снаряда, с передачей крутящего момента с помощью неподвижного вращателя (ротора) посредством колонны бурильных груб, со средней и реже низкой частотой вращения снаряда, с удалением продуктов разрушения прямым или обратным потоком промывочной жидкости, с использованием промывочного насоса, расположенного на поверхности, с получением образцов в виде шлама и реже в виде керна Бурение скважин малого и реже большого диаметра
боем сплошным забоем в породах любой твердости,
рейсовыми углублениями, ударным способом, упрочненным стальным инструментом, долотами и желонками, с нанесением удара непосредственно по забою, с удержанием инструмента на канате с низкой частотой ударов, с удалением продуктов разрушения механическим способом с помощью желонки, с полу-
66
Продолжение табл. 3.1
Код способа Способ бурения (в терминах, принятых при бурении инженерно-геологических скважин) Особенности способа бурения
15 кольцевым за- чснием «образцов в виде шлама, как правило, с закреплением стенок обсадными трубами То же, что 14, но в породах малой твердости
16 боем, клюющий кольцевым за- кольцевым забоем, без удаления продуктов разрушения, с получением образцов в виде керна То же, что 14 и 15, но с нанесением удара
17 боем забивной Вибрационный по породоразрушающему инструменту Бурение скважин в основном малого диаметра в по-
1К (рис. 3.4) Электромагнит- родах малой твердости, кольцевым забоем, рейсовыми углублениями, вибрационным (ударно-вибрационным) способом, упрочненным шальным инструментом, с передачей ударных импульсов посредством бурильных труб или непосредственно по инструменту, поверхностным или погружным вибровозбу-дителсм дебалансного типа с электрическим приводом, с высокой частотой ударов, без принудительного удаления продуктов разрушения, с получением образцов в виде керна, с отделением керна путем подъема инструмента То же. что 17, но забойным вибровозбудителем
19 ними устрой- ствами Ударно-вибрацп- электромагнитного типа с инертной массой То же, что 17, но сплошным забоем, стальным
20 онное зондирование Динамическое упрочненным конусом, одним рейсом, только поверхностным вибровозбудителем дебалансного типа, без отбора образцов То же, что 14, но только для скважин малого
21 зондирование Вдавливание диаметра, одним рейсом, стальным упрочненным конусом, с нанесением удара по верхнему концу бурильных труб, с низкой частотой улара постоянной массой, без отбора образцов Бурение скважин малого диаметра в породах малой
22 Статическое твердости кольцевым забоем, рейсовыми углублениями вдавливаемым способом без принудительного удаления продуктов разрушения, с получением образцов в виде керна с полным сохранением природного сложения грунта, с отделением керна при подъеме инструмента То же, что 21, но сплошным забоем, одним рейсом,
23 зондирование Грейферный стальным упрочненным конусом, без отбора образцов То же. что 14, но инструментом грейферного типа.
24 (рис. 3.5) Гидроударный с отделением образцов в процессе бурения, с получением образцов в виде перемятых комков Комбинированное ударно-вращательное бурение (то
25 Погружным гид- же, что и 3). но с передачей ударных импульсов инструменту забойным гидроударником, с вращением инструмента низкой частоты и нанесением ударов высокой частоты То же, что 24, но с передачей ударных импульсов
ровибратором инструменту забойным гидровибратором
5
67
Продолжение табл. 3.1
Код способа Способ бурения (в терминах, принятых при бурении инженерно-геологических скважин) Особенности способа бурения
26 Пневмоударный (рис. 3.6) То же, что 24, но с передачей ударных импульсов инструменту поверхностным или погружным пневмоударником и выносом продуктов разрушения потоком воздуха, с приводом пневмоударника компрессором на поверхности
27 Магнитострикционный То же, что 17, но с передачей ударных импульсов непосредственно забою с помощью забойного магнитостриктора с весьма высокой частотой ударов
28 Вибрационновращательный (рис. 3.7): Комбинированное вибрационно-вращательное бурение (то же, что 17), но с приводом от подвижного или неподвижного вращателя, с низкой частотой вращения инструмента, с высокой частотой ударов
29 с гидротранспортом керна То же, что 28, но с транспортом керна на поверхность потоком промывочной жидкости
30 с пневмотранспортом керна (рис. 3.8) То же. что 17, но с удалением продуктов разрушения обратным потоком воздуха, с транспортом керна на поверхность этим же потоком
Рис. 3.1. Принципиальная схема колонкового бурения с прямой промывкой: 1 — породоразрушающий инструмент; 2—колонковая труба; 3—переходник; 4 бурильные трубы; 5—обсадные трубы; 6—буровой станок; 7—вертлюг-сальник; 8 талевый блок; 9—кронблок; 10 вышка; 7/- напорный шланг; 12 — электродвигатель станка; 13—насос; 14—электродвигатель насоса; 15—всасывающий шланг; 16—отстойники
68
Рис. 3.2. Принципиальная схема колонкового бурения с гидротранспортом керна:
1 — породоразрушающий инструмент; 2—бурильные трубы; 3—обсадные трубы (кондуктор); 4 транспортируемый керн; 5— нагнетательный шланг; 6 насос; 7 буровая установка; 8 вращатель; 9— отводной шланг; К)—всасывающий шланг; 11— керноприемное устройство с емкостью для промывочной жидкости
Рис. 3.3. Принципиальная схема роторного бурения с обратной промывкой: а — центробежным насосом; б эрлифтом; в—эжекторным (водоструйным) насосом; 1 долото; 2—бурильные трубы; 3- смеситель эрлифта; 4 двойная труба; 5 вращатель (ротор); 6—вертлюг; 7—вакуумный насос; Я—центробежный насос; 9 шланг для подачи сжатого воздуха. Стрелками показано направление движения жидкости
Колонковое бурение—один из наиболее широко распространенных способов проходки скважин.
Основные преимущества колонкового бурения: универсальность, т. е. возможность проходки скважин почти во всех разновидностях горных пород, возможность получения керна с незначительными нарушениями природного сложения грунта, сравнительно большие
Рис. 3.4. Принципиальная схема ударно-вибрационного бурения:
/ беспружинный вибромолот;
2 блок мачты; 3 канат; 4 - лебедка бурового агрегата; 5 электрический кабель; 6 бурильные трубы (штанги); 7—виброзонд
70
Рис. 3.5. Принципиальная схема грейферного бурения напорным грейфером: 1 — челюсти грейфера; 2—корпус; 3— подшипник; 4—тяга; 5—ходовой винт; 6 муфта; 7 -бурильные трубы; 8 вращатель; 9 —крюк
глубины бурения, наличие крупного парка выпускаемых промышленностью высокопроизводительных буровых станков как самоходных, так и стационарных, хорошая освоенность технологии бурения и др.
Существенные недостатки колонкового бурения с точки зрения
Рис. 3.6. Принципиальная схема пнев-моударного бурения погружным пнев-мопробонииком:
а—на канате; б—на штангах;
7 — стакан; 2—пневмопробойник; 3— воздухопровод; 4 — канат; 5 — блок мачты; 6—лебедка; 7 бурильные трубы (штанги)
Рис. 3.7. Принципиальная схема вибрационно-вращательного бурения:
7 породоразрушающий инструмент (коронка); 2 колонковая труба (зонд); 3 бурильные трубы; 4—ведущая труба; 5—вращатель; 6—вибропогружатель; 7—блок; 8—мачта; 9—канат; 10- лебедка; 11—базовый автомобиль
71
Рис. 3.8. Принципиальная схема ударно-внбрационио-вращательного бурения с гидротранспортом или пневмотранспортом керна:
1—пружинный вибромолот с устройством для нанесения ударов сверху вниз и снизу вверх; 2—гидродвигатель вращателя; 3—сальник; 4—внешняя колонна труб; 5 внутренняя колонна труб; 6—транспортируемый потоком жидкости или воздуха керн; 7—подвижный вращатель; 8—механизм подачи. Стрелками показано направление движения промывочной жидкости или воздуха
возможности его широкого использования на инженерных изысканиях: малый диаметр скважин, который во многих случаях не позволяет проводить гидрогеологические исследования и испытания грунтов штампами, во всех породах получать 100%-ный выход керна и качественные образцы рыхлого грунта для лабораторных исследований и т. д.
Бурение «всухую» (без подачи в скважину воды и без расхаживания снаряда)—наиболее распространенная разновидность колонкового бурения при изысканиях. Хотя оно носит название бурения «всухую», однако реализуется при наличии в скважине воды или с подливом последней.
Медленновращателъное бурение. Сущность его состоит в том, что скважину углубляют инструментом режущего типа путем срезания с забоя сплошной стружки. При проходке скважины этим способом используют обычные, большей частью самоходные, станки для колонкового бурения, а в качестве породоразрушающего инструмента— ложковые и спиральные буры, т. е. инструмент для ручного вращательного бурения. Качественная геологическая документация при этом способе бурения затруднена. Технология этого бурения отличается простотой.
Шнековое бурение —разновидность вращательного бурения. Особенность способа состоит в том, что процессы углубления скважины и удаления продуктов разрушения шнековым транспортером в нем совмещены.
Преимущества шнекового способа: высокая механическая скорость бурения, незначительные затраты времени на монтажнодемонтажные работы и вспомогательные операции, сравнительно большой диаметр скважин; отсутствие потребности в воде для промывки. Недостатки: большой расход мощности и ограниченная область применения, трудность проведения качественной геологической документации.
Винтовое бурение (или бурение завинчиванием) при изысканиях применяется редко. Сущносгь его состоит в том, что винтовой породоразрушающий инструмент завинчивают в грунт, а затем извлекают на поверхность. При этом размещенный на лопастях инструмента грунт срезается по боковым поверхностям. Способ можно использовать только в весьма рыхлых и мягких грунтах (илы, сапропели и т. д.).
Вращательное бурение сплошным забоем (роторное бурение) при инженерных изысканиях применяется только для бурения гидрогеологических скважин на воду. Для проходки собственно инженерногеологических скважин этот способ не используется, так как он не обеспечивает должной инженерно-геологической информации о грунтах. Роторный способ позволяет бурить скважины любого диаметра, практически на любую требуемую глубину и в любых по крепости породах. Скважины можно бурить с прямой и обратной промывкой, а также с продувкой сжатым воздухом. Особенно эффективно
73
роторное бурение при проходке рыхлых пород с обратной промывкой всасывающим способом или с помощью эрлифта.
Ударно-канатное бурение сплошным забоем—достаточно изученный и хорошо освоенный способ проходки скважин. Его используют для бурения гидрогеологических скважин и скважин на воду1. Для бурения собственно инженерно-геологических скважин его применяют только при наличии больших толщ валунно-галечных грунтов, где использование других способов бурения крайне затруднено или невозможно. Обычно ударное бурение сплошным забоем ведут с непрерывным погружением обсадных труб. Этот способ малопроизводителен (не более 3—4 м/смену). Качественная геологическая документация при этом способе практически невозможна.
Ударно-канатное бурение кольцевым забоем — один из наиболее широко применяемых способов проходки скважин (до 35%). Основные преимущества: простота технологии, удовлетворительное качество геологической документации, сравнительно высокая производительность (^15 м/смену). К недостаткам способа относятся невозможность проходки скважин в скальных грунтах, малая длина рейса, невозможность отбора качественных монолитов в некоторых грунтах.
Различают две разновидности ударно-канатного бурения кольцевым забоем: с отрывом инструмента и без отрыва инструмента от забоя. Первая разновидность носит название клюющего способа, вторая - забивного. В особую разновидность выделяется желонирование.
Все три разновидности ударно-канатного бурения можно использовать в зависимости от геологического разреза при проходке одной и той же скважины, поскольку для всех могут быть применены одни и те же ударно-канатные станки и требуется смена лишь породоразрушающего инструмента. Клюющий способ особенно эффективен в лессовых породах.
Грейферное бурение—сравнительно новый способ проходки скважин в отечественной практике. Он разработан в ЦНИГРИ для бурения скважин при разведке россыпных месторождений в сложных геологических условиях. Этот способ представляет собой разновидность ударно-канатного (или ударно-штангового) бурения. Его используют при проходке скважин сравнительно большого диаметра в валунно-галечных отложениях. В качестве породоразрушающего инструмента при i рейферном бурении применяют грейферы различных конструкций.
1 Между указанными скважинами имеется принципиальное различие. Первые, как отмечалось, проходятся при инженерно-геологических изысканиях для изучения главным образом фильтрационных свойств пород, вторые для промышленного водоснабжения. Они, как правило, имеют повышенный диаметр.
74
Вибрационное (ударно-вибрационное) бурение относится к числу наиболее производительных способов проходки скважин при инженерных изысканиях (до 50 70 м/смену). Сущность его состоит в том, что помимо вертикального статического усилия от вибропогружателя, как правило располагающегося на поверхности, и бурового снаряда, по инструменту наносят удары высокой частоты или сообщают ему возвратно-поступательное движение. Вибрационное бурение обеспечивает получение качественной геологической документации исследуемого разреза. Недостатки вибрационного бурения ограниченная область применения по глубине скважин и крепости проходимых пород, низкий процент чистого бурения (не более 25%), трудоемкость процесса очистки буровых зондов.
В настоящее время в качестве вибропогружателя в большинстве случаев используют беспружинный вибромолот.
При инженерных изысканиях вибропогружатели могуч' быть рекомендованы для бурения неглубоких (преимущественно до 15 20 м) скважин в мягких и рыхлых породах, для погружения труб в процессе бурения скважин, извлечения труб, ликвидаций аварий, связанных с прихватом, заклиниванием или зажимом инструмента на забое. Кроме того, буровые установки, оснащенные вибропогружа гелями, могут быть использованы для проведения ударно-вибрапионного зондирования грунтов.
Вибрационный способ бурения скважин в СССР разработан в НИИоснований, Гидропроекте и Мосгоргеотресте. Наиболее эффективно он используется в Мосгоргеотресте. Его успешно применяют также при проведении морской разведки.
Бурение электромагнитными устройствами индукционно-динамического типа относится к числу новых способов бурения скважин. Сущность его сводится к тому, что инструмент погружается в грунт под действием импульсов, сообщаемых ему индукционно-динамическим приводом, размещенным непосредственно над инструментом. Реактивное усилие при этом воспринимается инертной массой, расположенной над приводом. При бурении этим способом применяют снаряд с забойным двигателем, который спускают в скважину и извлекают из нее кабель-канатом. В принципе возможна параллельная намотка каната и кабеля на автономные лебедки. Способ разработан Политехническим институтом г. Тольятти.
Пневмоударное бурение осуществляется с помощью погружных разведочных пневмоударников или погружных пневмопробойников (в последнем случае только в мягких породах). При инженерно-геологических изысканиях используют в основном погружные пневмопробойники.
Сущность способа состоит в том, что породоразрушающий инструмент погружают в скважину с помощью размещенного над ним погружного пневмопробойника. Сжатый воздух к пневмопробойнику подается по бурильным трубам (через сальник) или по шлангу. По производительности пневмоударное бурение не уступает вибраци-
75
онному и обеспечивает высокое качество получаемой информации о грунтах. Пневмоударное бурение с помощью погружных пневмопробойников получило свое развитие на Урале и в Туркмении. Погружные и поверхностные пневмопробойники используются также для бурения горизонтальных и наклонных скважин под грунтовые анкеры.
Гидроударное бурение основано на использовании погружных гидроударников (с вращением) в скальных породах и погружных гидровибровозбудителей (без вращения) в мягких породах. Последний способ принципиально не отличается от бурения погружными пневмопробойниками. Вибровозбудители с гидравлическим приводом работают в ударно-вибрационном режиме. Бурить можно как с вращением, так и без вращения инструмента. При этом обеспечивается достаточно высокая механическая скорость бурения. Недостаток способа с точки зрения возможности использования его при инженерно-геологических изысканиях — необходимость иметь на буровой установке насос и достаточное количество воды. Способ разработан в Донецком политехническом институте.
Колонковое бурение с непрерывным выносом керна потоком промывочной жидкости применяют при разведке ряда месторождений полезных ископаемых. В СКБ ВПО «Союзгеотехника» разработано специальное оборудование для бурения скважин этим способом. Диаметр получаемого керна 34—38 мм. Этот способ позволяет не только существенно повысить производит ельность труда, но и достичь почти 100%-ного выноса керна. Для реализации способа требуются большое количество воды и специальный рабочий для укладки керна. Производительность способа до 300 м/смену.
Вибрационно-вращательное бурение — также один из прогрессивных способов бурения инженерно-геологических скважин, потому что породоразрушающему инструменту, помимо ударных импульсов, одновременно сообщается вращательное движение. Основное преимущество этого способа состоит в том, что оно, сохраняя все положительные качества вибрационного бурения, существенно расширяет область его применения как по глубине скважин, так и по крепости проходимых грунтов. Если область применения вибрационного бурения ограничивается породами I—IV категорий по буримости, то с помощью вибрационно-вращательного бурения можно проходить скважины в породах V- -VI категорий по буримости. Способ разработан кафедрой механики МГРИ совместно с ПГО «Уралге-ология» и Свердловским машиностроительным заводом им. Воровского.
Вибрационно-вращательное бурение с выносом керна потоком воздуха или промывочной жидкости в СССР распространения не получил, однако он достаточно успешно применяется в зарубежной практике. В частности, во Франции фирмой «Форако» разработана и успешно используется в строительных, инженерно-геологических и гидрогеологических целях комплексная установка для ударно-вибрационного, ударно-вибрационно-вращательного и вращательного бурения скважин 76
с прямой и обратной промывкой, продувкой и с непрерывным выносом керна обратным потоком воздуха или промывочной жидкости. Работы по созданию аналогичного оборудования начаты в нашей стране. В частности, эти работы проводились СКВ ВПО «Союзгеотехника». а в последнее время ПГО' «Центргеология» совместно с кафедрой механики МГРИ им. Серго Орджоникидзе. Не исключено, что при соответствующем обосновании способы бурения с выносом керна промывочным агентом или сжатым воздухом могут быть использованы и для проходки инженерно-геологических скважин.
Существует множество других способов бурения, в том числе взрывной, гидромониторный, ультразвуковой, термоядерный, элект-родутовой и другие, однако какого-либо практического применения при изысканиях они не имеют. Это относится также к реактивному, огнеструйному и лазерному способам бурения.
По данным за 1985 г. объемы бурения скважин в 250 изыскательских организациях СССР составляют (в %): колонковым способом «всухую» — 33, колонковым с промывкой — 2, ударноканатным кольцевым забоем -33, ударно-канатным сплошным забоем—4, шнековым—12, вибрационным—4, медленновращательным — 3, ручным ударно-вращательным — 9.
§ 2, Рекомендации по рациональному применению различных способов бурения скважин
Вид и способ бурения необходимо выбирать в зависимости от свойств проходимых грунтов, назначения и глубины скважин, а также условий производства работ. На выбор способа бурения определенное влияние оказывает также вид инженерных изысканий. Выбранный способ должен обеспечивать удовлетворительное качество инженерногеологической информации о грунтах и достаточно высокую производительность. При незначительных объемах буровых работ в отдельно взятой организации следует ориентироваться на универсальные способы, г. е. такие, которые обеспечивают бурение скважин в большинстве разновидностей грунтов.
При наличии больших объемов буровых работ примерно в однотипных условиях следует выбирать такие способы, которые обладают высокой производительностью (вибрационный, пневмоудар-ный, вибрационно-вращательный).
Роторный и ударно-канатный способы бурения сплошным забоем следует использовать только при бурении гидрогеологических скважин.
Ручной ударно-вращательный способ применять, как правило, не рекомендуется. Однако в некоторых случаях возможность его эффективного использования не исключается (при малых объемах работ в отдаленных и труднодоступных районах, на заболоченных участках при незначительной глубине скважин и т. д.).
При выборе способа бурения следует, руководствоваться указаниями табл. 3.2.
77
so Таблица 3.2. Рекомендуемые области применения различных способов бурения инженевио-гсслогических скважин
Способ бурения скважин j Породы, степень их обводненности Глубина скважин, м. Тип скважин по назначению Способ отбора, монолитов Средняя производительность, м/смену
— Колонковый: с промывкой технической водой с промывкой глинистым раствором или раствором на неглинистой основе с промывкой солевыми охлажденными растворами с продувкой воздухом Скальные (монолитные и слаботрещиноватые). обводненные и необводненные Скальные (трещиноватые), крупнообломочные, глинистые, песчаные, не обводненные и обводненные Мерзлые (скальные и нескальные) Скальные (монолитные и трещиноватые), необводненные или слабообводненные, мерз- Во всем диапазоне глубин То же Во всем диапазоне глубин 30 и более Зондировочные. разведочные, технические То же Зондировочные, разведочные, технические То же Одинарными колонковыми трубами Двойными колонковыми трубами Двойными колонковыми трубами Одинарными и двойными колонковыми трубами 4-5 4-5 З-б 4-5
«всухую» и с обратной призабойной циркуляцией промывочной жидкости с гидротранспортом керна Шнековый: поточный сплошным забоем рейсовый сплошным забоем кольцевой ЛЫС Крупнообломочные, глинистые, песчаные, обводненные и слабообводненные, мерзлые В основном нескальные и полускальные Глинистые, песчаные, слабообводненные То же » О g ООО V/ V/ v/ v/ v/ Зондировочные. разведочные Зондировочные Разведочные Разведочные, технические С помощью обу-риваюших и вдавливаемых грунтоносов Монолиты не отбираются Монолиты не отбираются То же Отбираются из магазинных шнеков и шнекоколонковых буров 13-15 100 30-50 25-30 20-30
Винтовой
Медленно-вращательный
Роторный
У дарно-канатный:
кольцевым забоем, забивной
кольцевым забоем, клюющий сплошным забоем
Грейферный
Пневмоударный
Вибрационный
Вибрационно-вращательный
Вибрационно-вращательный с гидро- и пневмотранспортом керна
Глинистые, слабосвязные (илы, торфы, сапропсли и т. д.), сильно- и слабообводненные Глинистые, песчаные, крупнообломочные, обводненные и необводненные
Скальные, крупнообломочные, глинистые, обводненные и необводненные, мерзлые Глинистые (полутвердые, пластичные, текучие), песчаные, сильно- и слабообводненные Глинистые (лёссовые, лёссовидные), слабообводненные Крупнообломочные, глинистые песчаные, сильно- и слабообводненные, в отдельных случаях полускальные и скальные В основном крупнообломочные. обводненные, слабооб-^водненные и необводненные Скальные, крупнообломочные, глинистые, песчаные, необводненные и слабообводненные, мерзлые Глинистые, песчаные, слабо-обводненные и обводненные Полускальные, крупнообломочные, глинистые, песчаные, обводненные и слабообводненные
То же
<10
С 30
>30
С 30
С 30
Во всем диапазоне глубин
<30
30
<30
<50
<50
Зондировочные, разведочные
Зондировочные, разведочные, специального назначения
Г идрогеологиче-ские и специального назначения Зондировочные, разведочные, технические
То же
Гидрогеологические
Г идрогеологиче-ские и специального назначения Разведочные, технические
То же »
Разведочные, гидрогеологические и специального назначения
Монолиты не отбираются
Отбираются с помощью обуриваю-щих и вдавливаемых грунтоносов Монолиты не отбираются
Отбираются с помощью забивных грунтоносов
То же
Монолиты не отбираются
Монолиты не отбираются
Отбираются с помощью забивных грунтоносов
То же
Отбираются с помощью обури-вающих и забивных грунтоносов Монолиты не отбираются
15-20
20-25
8-10
15-17
15-20
3 — 4
2-3
25-30
30-40
25-30
50-80
40
ГЛАВА 4
БУРОВЫЕ СТАНКИ И УСТАНОВКИ
В изыскательской практике скважины бурят станками и установками различных марок и конструкций. Общий парк станков в основных изыскательских организациях составляет примерно 5000. Наиболее широко используются установки УГБ-50М, УГБ-1ВС, УРБ-2А-2, УРБ-2.5А, АВБ2М. ДЮ, УБП-15М, ЛБУ-50, БУЛИЗ-15, СКБ-4.
§ 1. Стандарты на буровые установки
Основные параметры установок типа УК Б даны в табл. 4.1.
Установки для гидрогеологического бурения подразделяются на следующие типы: У ГБ-ВС вращательное бурение «всухую»; УГБ-УК-- ударно-канатное бурение; УГБ-ВПП — вращательное бурение с прямой промывкой. Основные параметры установок представлены в табл. 4.2.
В табл. 4.2. под поминальной грузоподъемной силой понимается статическая нагрузка, создаваемая наибольшим весом обсадной или бурильной колонны, используемой при бурении скважин номинальной глубины при заданном конечном диаметре; под максимальной грузоподъемной силой- нагрузка, величина которой соответствует номинальной грузоподъемной силе, увеличенной на коэффициент, учитывающий силы сопротивления подъему бурильной или обсадной колонны.
Номинальная [дубина бурения обозначает- глубину скважины, обеспечиваемую номинальной грузоподъемной силой при бурении снарядом конечного диаметра; конечный диаметр — наружный диаметр грубы фильтровой колонны. Установка УГБ-ЗУК — прототип установки УКС-22М, установка УГБ-4УК УКС-ЗОМ.
Параметры установок для инженерно-геологического бурения не стандартизованы.
§ 2. Станки и установки для бурения неглубоких зондировочных скважин
В эту группу включены легкие переносные, перевозимые и самоходные станки и установки с приводом от двигателя внутреннего сгорания мощностью 3 кВт. В СССР в качестве такого двигателя, как правило, используют бензиновый двигатель от мотопилы «Друж-ба-4». Глубина бурения станками в большинстве случаев ограничена 3 —5 м и только некоторые модели позволяют бурить на глубину до 10 — 15 и даже до 25 м.
Рассмотрим следующие серийно выпускаемые станки: М-10, КМ-10, УКБ-12/25 и УКБ-12/25С.
80
Таблица 4.1. Параметрический ряд бурового оборудования для бурения на твердые полезные ископаемые (СТ СЭВ 770—77'
Класс станков
6 Заказ 3871
81
S3 Таблица 4.2. Основные параметры установок для бурения гидрогеологических скважин
Параметры Типоразмер установок
УГБ-1ВС УГБ-1ВПП УГВ-2ВС УГБ-ЗУК УГБ-ЗВПП УГБ-УБК УГБ-4ВПП УГБ-5ВПП
Грузоподъемная сила установки, кН, не менее:
номинальная 40 40 50 63 63 125 125 320
максимальная 73 63 150 100 100 200 200 500
Номинальная глубина бурения, м 50 100 50 100 200 200 300 600
Конечный диаметр скважины при номинальной глубине бурения , мм Частота вращения бурового снаряда, об/мин: 194 194 248 345 194 345 194 194
минимальная, не более (предельное отклонение 10%) 40 60 40 — 60 — 60 60
максимальная, не менее 200 200 200 — 200 — 200 200
Максимальный крутящий момент на вращателе 1 2, кН м. не менее Скорость подъема бурового снаряда при вращательном способе, м/с: 5 5 12 — 7 — 10 15
минимальная, не более (предельное отклонение 10%) 0,32 0,32 0,32 — 0,32 — 0,32 0,32
максимальная, не менее (предельное отклонение —10%) 0,45 0,8 0,6 — 0,8 — 0,8 1
Максимальная масса ударного снаряда, кг, не менее - - - 1200 - 2000 - -
Частота ударов снаряда в 1 мин: минимальная, не более максимальная, не менее Ход ударного снаряда, мм: минимальный максимальный, не менее - - — 40 50 500 800 — 40 50 500 800 — —
Грузоподъемная сила барабана, кН, не менее: талевого — — 20 — 32 — —
инструментального желоночного Скорость навивки каната на барабан (предельное отклонение —10%), м/с, не менее: талевого - - - 20 12 1 — 20 12 1,2 — —
инструментального желоночного — - — 1 1,6 - 1,2 1.6 - -
Длина бурильной свечи или ударного снаряда, м, не менее 3 6 3 7 6 9 9 12
1 Допускается изменение номинальной глубины бурения в зависимости от изменения конечного диаметра скважины.
2 Указанные величины должны быть обеспечены при минимальных частотах вращения.
Рис. 4.1. Мотобур М-10:
1 —редуктор; 2 хомут;
3—рукоятка; 4 двигатель;
5 бачок; 6 штанга
Мотобур М-10 предназначен для бурения скважин глубиной до 10 м в породах 1—IV категорий по буримости при инженерногеологических исследованиях.
Техническая характеристика мотобура М-10
Номинальная глубина бурения, м ........................ 10
Начальный диаметр скважины, м ........................ 62
Рабочий инструмент ...................................... Шнек,
ложковый бур
Диаметр труб, мм: бурильных ............................................. 25
обсадных .............................................. 70
Тип двигателя .......................................... «Дружба-4»
Мощность двигателя (максимальная), кВт .............. 2,94 + 0,37
Частота вращения вала двигателя, об/мин ................. 5000—5400
Передаточное отношение планетарного двухступенчатого редуктора ................................................. 28,59
Частота вращения бурового снаряда, об/мин ............ 175—188
Габаритные размеры, мм: высота ............................................... 550
ширина ............................................. 310
длина по ручкам .................................... 700
Масса, кг: без инструмента ....................................... 18
станка в упаковке с запчастями ....................... 28
бурового инструмента в упаковке ....................... 52
Цена с комплектом инструмента, руб.1 .................... 470
Мотобур М-10 (рис. 4.1) состоит из двух основных узлов: двухступенчатого планетарного редуктора и двигателя, соединенных между собой хомутом. В хомут ввинчена рукоятка, которая одновременно
1 Здесь и в дальнейшем цена указана ориентировочно.
84
является рукояткой и регулятором частоты вращения двигателя. Горючая смесь для питания двигателя содержится в бачке, прикрепленном к лапкам двигателя. Буровым инструментом служат буровые штанги и шнеки.
Мотобур поставляется с комплектом запасных частей, слесарномонтажного инструмента и буровым инструментом. Кроме того, мотобуру придаются запасные части и слесарно-монтажный инструмент к двигателю «Дружба-4». По требованию заказчика за дополнительную плату буровой инструмент может быть поставлен отдельно.
Мотобур выпускается Свердловским машиностроительным заводом им. Воровского.
Мотобур на базе двигателя к мотопиле «Дружба-4» выпускается также Оренбургским заводом бурового оборудования. Мотобур предназначен для бурения скважин в породах I -IV категорий при поисковых и геолого-съемочных работах в труднодоступных условиях.
Колонковый лютобур КМ-10 предназначен для бурения скважин шнековым инструментом в породах I—III категорий по буримости, колонковым снарядом с твердосплавным породоразрушающим инструментом с промывкой и без нее в породах до VI категории по буримости, при геологоразведочных, инженерно-геологических и других работах аналогичного характера в труднодоступных районах.
Техническая характеристика мотобура КМ-10
Глубина бурения шпеками диаметром 59 и 62 мм ............ 10
Угол наклона скважины к горизонту, градус ............... 90—45
Тип вращателя ....................................... Подвижный
Частота вращения, об/мин ................................ 270, 600
Ход вращателя, мм ..................................... 900
Тип подачи .............................................. Цепная с по-
мощью лебедки и пружинного аккумулятора
Максимальное усилие подачи вверх и вниз, кН ............. 1,2
Тип двигателя ........................................... «Дружба-4»
Габаритные размеры мм: высота ............................................... 1400
ширина ................................................ 638
Масса мотобура, кг....................................... 32
Масса мотобура в комплекте поставки (без инструмента), кг ..................................................... 47
Цена, руб................................................ 560
Мотобур выпускается Свердловским машиностроительным заводом им. Воровского.
Мотобур КМ-10 (рис. 4.2) с комплектом инструмента в специальной упаковке может переносить один человек. Он по сравнению с аналогичными по конструкции отечественными и зарубежными мотобурами обладает более высокими конструктивными и технологическими качествами, имеет хороший товарный вид. Вращатель полностью унифицирован с вращателем серийно выпускаемой буровой
85
Рис. 4.2. Мотобур КМ-10:
1 стойка; 2—механизм цепной подачи; 3 каретка; 4 -вращатель; 5 топливный бак; 6 подкос; 7 приводной двигатель; 8 кронштейн; 9 рама установки УКБ-12/25. Наличие стойки с механизмом подачи, воспринимающей реактивный момент и вибрацию, облегчает труд бурильщика. Внесен ряд конструктивных изменений и в буровой инструмент. В частности, по сравнению с инструментом мотобура М-10 в комплект дополнительно включены вилки для подъема снаряда и ключи для его свинчивания. По сравнению с мотобуром Д-10М обеспечивается повышение производительности труда на 50%.
Установка У КБ-12125 (базовая модель — рис. 4.3) предназначена для бурения' скважин глубиной до 15м твердосплавным породоразрушающим инструментом с транспортировкой породы шнеками и до глубины 25 м — алмазным и твердосплавным инструментами с промывкой при поисках, съемке, картировании, инженерно-геологических изысканиях, гидрогеологическом зондировании, для бурения взрывных скважин в мерзлых грунтах и других работ аналогичного характера в труднодоступных районах или стесненных условиях.
Установка УКБ-12[25С (самоходная модификация—рис. 4.4) предназначена для бурения скважин глубиной до 15 м шнековым способом и до глубины 25 м—алмазным и твердосплавным породоразрушающим инструментами с промывкой при поисках, съемке, картировании, специальной съемке и других работах аналогичного характера в районах, доступных для автомобиля высокой проходимости типа 86
Рис. 4.3. Установка УКБ-12/25:
а вид сбоку; б- вид спереди; / цепь; ’ бензобак; 3 вращатель; 4 — каретка; 5—лебедка; 6 стойка; 7—подкос; S — рама; 9—колеса; 10 - двигатель;
11— центратор
УАЗ-469Б. В районах со сложными условиями транспортировки буровой станок снимается с автомобиля и используется автономно.
Технические характеристики установок УКБ-12/25, УКБ-12/25С
Глубина бурения, м: шнеками диаметром 64 мм ....................... 15
твердосплавным породоразрушающим инструментом диаметром 76 мм .......................... 25
Угол наклона скважины к горизонту, градус ...... 90 — 45
Тип вращателя .................................. Подвижный
Частота вращения, об/мин: I диапазон .................................... 100; 270; 600
II диапазон .................................. 450; 600; 1200
Ход, мм ........................................ 1200
Тип подачи ..................................... Цепная, с помощью ле-
бедки и пружинного аккумулятора
Максимальное усилие подачи вверх и вниз, кН .... 4,0 Тип лебедки .................................... Ручная двухскоростная
Грузоподъемная сила, Н ......................... 4000
Тип двигателя .................................. «Дружба-4»
Транспортная база (для самоходной модификации): тип ........................................... Легковой автомобиль
повышенной проходи-
мости
марка ........................................ УАЗ-469Б
87
Рис. 4.4. Установка УКБ-12/25С:
а вид сбоку; б—вид спереди; 1—автомобиль; 2- насос; 3 подкос; 4- каретка; 5—лебедка; 6~ центратор; 7—кронштейн; 8—домкрат; 9—вращатель;
10—стойка; 11—двигатель; 12 бензобак
Габаритные размеры установки УКБ-12/25С, мм ... 4000 х 1785 х 2015
Масса, кг ....................................... 1720
Цена, руб........................................ 5586
Габаритные размеры установки УКБ-12/25. мм ...... 1375x 1065x 1960
Масса, кг ........................................ 132
Цена, руб........................................ 2400
Для перемещения от скважины к скважине станок комплектуется колесами от мотороллера «Тула», которые монтируются на раме станка (см. рис. 4.3).
Транспортная база установки УКБ-12/25С представлена автомобилем повышенной проходимости УАЗ-469Б (см. рис. 4.4).
Установки комплектуются приспособлением для подъема обсадных труб и извлечения прихваченного инструмента. Приспособление представляет собой винтовой домкрат с проходным отверстием под трубы диаметром 57 мм.
Установка УКБ-12/25 поставляется в следующей комплектации: собственно буровая установка, насосная установка НБ1-25/6, буровой инструмент (табл. 4.3), запасные части, ремонтно-монтажный инструмент, принадлежности и приспособления.
Таблица 4.3. Спецификация инструмента к буровой установке УКБ-12/25
Наименование и размер инструмента Шифр инструмента Цена за единицу, руб. — коп.
Вилки для шнека БИ-19.00.040 3-00
Долото двухлопастное диаметром 70 мм БИ-139-845 4-50
Наконечник винтовой диаметром 64 мм БИ-139-892.000 16-80
Переходник БИ-149-949 3-00
Ключ для шнеков диаметром 62 мм БИ-179-203.000 10-00
Шнек диаметром 62 мм и длиной 1000 мМ БИ-229-287.000-2 12-90
Шнеколовка для шнеков диаметром 62 мм БИ-279-284.000 4-40
Насосная установка НБ1-25/16 и буровой инструмент, изготовляемые по самостоятельным техническим условиям, поставляются раздельно по заявке заказчика за плату.
Установки выпускаются Свердловским машиностроительным заводом им. Воровского.
§ 3. Станки и установки для бурения разведочных скважин глубиной от 5 до 30 м
Группа передвижных и самоходных установок для бурения разведочных скважин при инженерно-геологических изысканиях—наиболее многочисленна. Из серийных установок, которые могут быть отнесены к этой группе, следует назвать: УБП-15М, БУЛИЗ-15, АВБ-2М, УБР-2М; УБСР-25. Для бурения скважин на глубины от 5 до 30 м 89
при изысканиях широко используются также установки ЛБУ-50, УГБ-50М, АВБ-3, УРБ-2А-2 и другие, по своим параметрам включенные нами в следующую группу (§ 4, гл. 4).
Буровая пенетрационная установка УБП-15М предназначена для ударно-канатного бурения кольцевым забоем вертикальных скважин глубиной до 15 м в мягких и рыхлых породах и для проведения пенетрации методом ударного зондирования при инженерно-геологических изысканиях.
Техническая характеристика установки УБП-15М
Номинальная глубина, м: бурения............................................ 15
пенетрации ......................................... 20
Диаметр скважин, мм .................................. 168, 127 и 108
Планетарная лебедка:
максимальное натяжение каната, кН .................. 10
максимальная грузоподъемная сила крюка при пятиструнной оснастке. кН ............................. 50
средняя скорость навивки каната, м/с ............... 0,7
диаметр барабана лебедки, мм ..................... 140
канатоемкость барабана, м .......................... 30
диаметр каната, мм ................................. 11
Мачта складывающегося типа:
высота от поверхности земли до оси кронблока, м .... 5,6
максимальная грузоподъемная сила, кН ............... 50
Пенетрационный молот (ударный снаряд):
падение молота ..................................... Свободное
сброс молота ....................................... Автоматический
высота падения, м .................................. 0,8
масса молота, кг ................................... 60
Приводной двигатель: тип ................................................. У Д-2-Ml внутрен-
него сгорания карбюраторный мощность при 3000 об/мин, кВт ...................... 5,9
Габаритные размеры установки в транспортном положении, м:
длина .............................................. 4,24
высота ............................................. 2,32
ширина ............................................. 1,85
Масса установки, кг:
без ударного снаряда ............................... 1096
с ударным снарядом ................................. 1212
Цена, руб............................................. 1900
Установка УБП-15М представляет собой одноосный прицеп (рис. 4.5), на раме которого смонтированы: двигатель с муфтой сцепления, редуктор, планетарная лебедка, ручная червячная лебедка для подъема мачты, опора с бензобаком, инструментальный ящик и станина мачты. Мачта состоит из двух шарнирно соединенных секций, складывающихся при транспортировке. Верхняя секция мачты оснащена трехроликовым кронблоком, направляющим роликом и сектором подъема мачты. Нижняя секция оснащена домкратами и оттяжным роликом. Прицеп оборудован опорным катком и задней
90
Рис. 4.5. Установка буровая нсистрационная УБП-15М:
/ каток; 2 стопор шнековый; 3 анкер; 4 лебедка ручная; 5 рама; 6 двигатель; 7 бензобак; 8 вспомогательный канат; 9 канат; К) пенет-рационный молот; // мачта; 12 центратор; 13 направляющий ролик; 14 лебедка; 15 редуктор; 16 задняя опора; 17- ящик для слесарного инструмента
опорой. К установке придается анкер со шнековым стопором, центратор и тальблок-фарштуль.
Кинематическая схема установки УБП-15М представлена на рис. 4.6.
Спецификация оборудования, инструмента и принадлежностей к буровой установке УБП-15М дана в табл. 4.4.
Оборудование и инструмент, указанные в табл. 4.4, позволяют обеспечить бурение скважин с начальным диаметром 168 мм и конечным 108 мм с закреплением скважин 168-мм трубами на глубину 4 м и 127-мм трубами па глубину 10 м, а также проведение ударного зондирования на глубину 15 м.
91
Рис. 4.6. Кинематическая схема установки УБП-15М:
/ барабан лебедки, и=78 об/мин; 2—муфта; 3 редуктор РМ-250-У1П-21Д, 1=10,35, им=3000 об/мин, = 290 об/мин; 4 эластичная муфта, п = 3000 об/мин; 5—двигатель УД-2
Таблица 4.4. Спецификация оборудования, инструмента и принадлежностей к установке УБП-15М
Наименование Шифр узла, детали, изделия Число, шт. Масса обшая, кг
Замок быстросъемный с коушем для УБП-20-6сб I 3
каната диаметром 11 мм в сборе Тальблок-фарштуль с пальцем в сборе УПБ-5сб 1 18,7
Зажим для стального каната диаметром 11 мм НГ-8-53 4 0,6
Ушко с замковой резьбой 3-63,5 У3-63,5 2 6,6
Патрон ударный диаметром 127 мм ПУ-127 1 158
То же, диаметром 108 мм ПУ-108 I 120
Стакан забивной башмачный диаметром: 168 мм СБ-168 1 28,2
127 мм СБ-127 1 16,6
108 мм СБ-108 1 14,5
Стакан забивной башмачный с клапаном диаметром; 168 мм СБК-168 1 30,8
127 мм СБК-127 1 18,5
198 мм СБК-108 1 15,9
Желонка диаметром: 127 мм Ж-127 1 50,6
108 мм Ж-108 1 11,9
Башмак запасной к желонке диаметром: 127 мм БЖ-127 1 1,5
108 мм БЖ-108 1 1,2
Утяжелитель диаметром 100 x1000 мм У-55 1 55
92
Продолжение табл. 4.4
Шифр узла, Число, Масса
Наименование детали, изделия ШТ. общая, кг
Грунтонос забивной без ударной части диаметром:
123 мм ГК-3-123 1 19
105 мм ГК-2-105 1 13,6
Вкладыш с лепестками к грунтоносу диаметром 123 мм ВГК-3-123 1 4,3
Переходник с грунтоноса на замок 3-63,5 ПГК-3/3-63,5 1 6,5
Лопатка для чистки стакана Л-80 I 1,5
Лом-лопатка ЛЛ-1000 I 3,9
Вилка подкладная 55/220 ВТ-50/220 I 4
Крюк отводной К-2500 I 3,6
Ключ отбойный S-55 2 15,6
Головка универсальная для обсадных труб диаметром:
168 мм ГУН-168 1 4,1
127 мм Хомут для обсадных труб диаметром: ГУН-127 I 3,3
168 мм 1 29
127 мм 1 19
Башмак фрезерный для обсадных груб диаметром:
168 мм БФН-168 1 9,5
127 мм Стакан забивной разъемный диаметром: БФН-127 1 2
168 мм СР-168 1 45
127 мм СР-127 1 37
Молот пенетрационный в сборе (снаряд ударный) УБП-20-7сб
Переходник УБП-15-15,1 1 3,7
Штанга диаметром 42x 1300 мм 364000005 10 60
Ниппели А и Б в сборе диаметром 42 мм 10 29
Конус забивной с резьбой 2640001X12 5 10
Ключ шарнирный для труб диаметром 1 4
42 мм Вилка подкладная ВП-31 Н Г-10-53 1 3,4
Ключ отбойный КО-ЗО 1 2,2
Кулачок к молоту запасной УБП-20-7.4 2 3,4
В буровой установке УБП-15М используются следующие стальные канаты: канат диаметром 11мм (11-П-180Н) по ГОСТ 3071—88, длиной 30 м для планетарной лебедки; канат диаметром 8,7 мм (8,7-П-180-Н) по ГОСТ 3071—88, длиной 10 м для ручной лебедки и два куска каната диаметром 11 мм, длиной по 1,8 м для пенетрационного молота.
Установка УБП-15М обслуживается буровой бригадой из двух человек—бурильщика и рабочего. Выпускается Угличским экспериментальным ремонтно-механическим заводом Гидропроекта.
Универсальная буровая установка БУЛИЗ-15 предназначена для бурения инженерно-геологических скважин в породах I—IV категорий 93
по буримости, в основном при линейных изысканиях. С помощью навесного автоматического пенетрометра НАП-10 установка может производить динамическое зондирование грунтов'.
Установка обеспечивает бурение скважин следующими способами: колонковым с начальным диаметром скважин 127 мм, шнековым 116 мм медленно-вращательным (спиральными и ложковыми бурами)— 146 мм. ударно-канатным кольцевым забоем—168 мм, вибрационным — 89 мм.
Техническая характеристика установки БУЛИЗ-15
Номинальная глубина скважин, м .................
Максимальный начальный диаметр скважин, м ......
База установки .................................
Основной рабочий орган .........................
Частота ударов бурового снаряда в 1 мин ........
Грузоподъемная сила, кН:
лебедки ......................................
мачты ........................................
Высота мачты до оси ролика кронблока, м ........
Скорость навивки каната на барабан лебедки, м/с Частота вращения инструмента, об/мин ...........
Тип вращателя ..................................
Привод рабочих органов установки ...............
Габаритные размеры в транспортном положении, мм .............................................
Масса, кг ......................................
Цена, руб.......................................
15
168
Автомобиль УАЗ-469 Вращатель, вибромолот 25
12
50
5,2
0,1-0.5 32-165
Неподвижный, откидной От тягового двигателя автомобиля
4200x1750 x 2300
2030
5500
Эта установка состоит из следующих основных узлов: базового автомобиля, трубчатой мачты, лебедки, откидного вращателя, механизма подачи инструмента, рычагов управления. Установка комплектуется одноблочным вибромолотом с приводом от двигателя автомашины посредством гибкого вала.
Техническая характеристика вибромолота Тип ............................................ Одноблочный, пружин-
ный с центробежным
вибровозбудителем
Угловая скорость дебалансов, с-1 ............. 80—150
Вынуждающая сила, кН ......................... 4—13
Максимальный ход ударной части, м ............ 0,06
Масса ударной части, кг ...................... 55
Габаритные размеры, мм ....................... 384x352x558
Масса вибромолота без гибкого вала, кг ....... 65
Установка комплектуется одноосным автомобильным прицепом ГАЗ-704, который оборудован отсеками для перевозки бурового инструмента. Буровой и слесарно-монтажный инструменты, а также запасные части поставляются заводом-изготовителем по соответствующим спецификациям.
1 Оборудование для полевых исследований грунтов описано в гл. 11. 94
По особому заказу институт «Энергосетьпроект» комплектует установку навесным пенетрометром НАП-10.
Агрегат вибрационного бурения А ВБ-2 М предназначен для бурения скважин при инженерно-геологических изысканиях в породах 1—IV категорий по буримости вибрационным способом на глубину 15—20 м и может быть использован для ударно-канатного бурения на глубину до 40 м в породах до VIII категории по буримости.
Техническая характеристика агрегата АВБ-2М
Номинальная глубина при бурении способом, м: вибрационным ............................... 15—20
ударно-канатным ............................ 40
Диаметр скважины при бурении вибрационным способом, мм: начальный ................................... 168
конечный ................................... 108
Диаметр скважины, мм, при бурении ударно-канатным способом:
начальный ................................... 219
конечный ................................... 89
База а треста ................................ Автомобиль
Диаметр бурильных труб, мм ................. 63,5
Источник энергии для привода механизмов агрегата ... Синхронный
ЕСС5-81-6М
ГАЗ-66
генератор
Мощность генератора, кВт ......................... 20
Напряжение генератора, В ......................... 380
Синхронная частота вращения вала генератора, об/мин ........................................... 1000
Привод генератора ................................ Двигатель автомобиля в
режиме 2200 об/мин
Основной рабочий орган ........................... Беспружинный вибромо-
лот ВБ-7
Привод вибромолота ............................... Электродвигатель повы-
Мощность электродвигателя, кВт .................. 7,5
Частота вращения электродвигателя, об/мин ....... 1360
Статический момент массы дебалансов, кг м ..... 2
Угловая скорость дебалансов, с 1 ................ 131
Максимальная вынуждающая сила, кН ............... 35
Максимальный ход ударной части, м ............... 0,135
Масса вибромолота, кг ........................... 340
шенного скольжения
АОС2-42-4
Подъемное устройство агрегата .................... Лебедка планетарная с
Грузоподъемная сила лебедки, кН ................
Диаметр каната, мм .............................
Частота вращения барабана при работе на III передаче автомобиля, об/мин ....................
Грузоподъемная сила мачты, кН ..................
Высота мачты, м ................................
Талевая оснастка ...............................
Скорость подъема бурового инструмента при 2200 об/мин двигателя автомобиля, м/с:
при двухструнной оснастке на III передаче ....
при однострунной оснастке на III передаче ....
на IV передаче ...............................
ленточным тормозом 40
18
48,5
120
7,5
Одно- и двухструнная
0,4
0,8
95
Способ подъема и опускания мачты ............. Механический винтовым
подъемником
Время подъема мачты, мин ..................... 1
Привод механизма подъемника мачты ............ Электродвигатель
4АХ80В4УЗ
Мощность электродвигателя, кВт ............... 1,5
Частота вращения электродвигателя, об/мин .... 1500
Грузоподъемная сила автомобиля, кН ........... 25
Масса шасси автомобиля, кг ................... 2925
Тип прицепа (переоборудованного) ............. ИАПЗ-739
Грузоподъемная сила прицепа, кН ............. 10
Масса прицепа, кг ............................ 698
Число мест на агрегате для перевозки членов бригады ..................................... 2
Габаритные размеры в транспортном положении, мм ........................................... 7400 х 2350 х 3280
Масса агрегата, кг ........................... 5500
Масса агрегата с буровым инструментом, запасными частями, принадлежностями и автоприцепом, кг .... 6300 Цена, руб.................................... 9750
Агрегат вибрационного бурения АВБ-2М (рис. 4.7) — самоходная транспортная единица, смонтированная на шасси автомобиля ГАЗ-66. На него погружают необходимый буровой инструмент и оборудование для вибрационного бурения скважин. Агрегат состоит из следующих основных узлов: рамы, коробки отбора мощности, раздаточного редуктора, лебедки, мачты, опоры мачты, винтового подъемника мачты, талевой оснастки, вибромолота, механизмов управления, электрооборудования.
Кинематическая схема агрегата АВБ-2М представлена на рис. 4.8.
Агрегат имеет следующее устройство. Трансмиссия передает крутящий момент от двигателя автомобиля на генератор и лебедку. Она состоит из коробки передач, раздаточной коробки, коробки отбора мощности, раздаточного редуктора и трех карданных валов. В кинематической цепи трансмиссии коробка передач, раздаточная коробка и заключенный между ними карданный вал—принадлежности автомобиля ГАЗ-66.
Мачта с кронблоком и талевой оснасткой предназначена для проведения спуско-подъемных операций при бурении. Одновременно мачта служит направляющей для вибромолота.
Электрическая схема агрегата состоит из цепи переменного тока на 380 В и цепи контроля на 12 В.
На агрегате смонтированы следующие механизмы управления: коробка отбора мощности (включает и отключает трансмиссию агрегата, состоит из тяги с шарнирами и рукоятки);
раздаточный редуктор (включает и выключает генератор, состоит из рычага, тяги с шарнирами и рукоятки, которая имеет два фиксированных положения, устанавливаемых шариковым фиксатором, расположенным в корпусе редуктора);
сцепление автомобиля дублер педали сцепления (разобщает двигатель от трансмиссии агрегата при включении раздаточного редуктора, состоит из тросовой тяги, соединяющей педаль сцепления автомобиля с рукояткой сцепления, рычаг' имеет пружину, возвращающую его в исходное положение);
96
I
Рис. 4.7. Агрегат вибрационного бурения АВБ-2М:
1 —винтовой подъемник мачты; 2—талевый блок; 3- вибромолот; 4— мачта;
5 опора мачты; 6 генератор; 7 лебедка; 8 автомобиль
Рис. 4.8. Кинематическая схема агрегата ЛВБ-2М:
/ — винтовой подъемник; 2- двигатель автомобиля; 3— коробка передач автомобиля; 4 — раздаточная коробка автомобиля; 5 коробка отбора мощности; 6—генератор; 7—раздаточный редуктор; 8—лебедка; 9—вибромолот; 10—электродвигатель
7 Заказ 3871
подача газа автомобиля—дублер аналогичного механизма в кабинете водителя (состоит из тросовой тяги, соединенной через коромысло и промежуточную тягу с тягой акселератора, и рукоятки с дисковым фрикционом для удержания ее в любом положении силами трения, возникающими от сжатия дисков тарельчатыми пружинами, сила нажатия пружин регулируется гайками);
рычаги управления тормозами лебедки (левый рычаг включает барабан, правый с храповым механизмом и подпружиненной собачкой удерживает барабан в заторможенном состоянии, собачка выводится из зацепления с зубчатым сектором кнопкой, расположенной на конце рычага).
В табл. 4.5 приведен перечень обязательного инструмента, поставляемого с агрегатом.
Таблица 4.5. Спецификация инструмента к агрегату АВБ-2М
Наименование Число, шт. Цена за одно изделие, руб.— коп.
Труба бурильная диаметром 63,5 мм: длиной 2 м 9 15—00
длиной 1 м 1 13 00
Виброзонд диаметром: 168 мм 2 34—00
127 мм 2 25—00
127 мм с клапаном 2 35—00
108 мм 2 22- 00
Штырь диаметром 22 мм, длиной 0,5 м 1 —
Агрегат выпускается Свердловским машиностроительным заводом им. Воровского.
Буровая установка УБР-2М предназначена для бурения скважин при разведке россыпных месторождений полезных ископаемых и строительных материалов в условиях, доступных для автомобильного транспорта. Установка обеспечивает бурение скважин следующими способами: основным—ударно-забивным (ударно-канатным кольцевым забоем) с принудительным погружением обсадных труб, вспомогательным— медленно вращательным и колонковым «всухую».
Установка УБР-2М (рис. 4.9) смонтирована на базе автомобиля ЗИЛ-131, на платформе которого установлены складное укрытие и буровой станок, состоящий из рамы, приводного двигателя, вращателя, лебедки, мачты, элементов гидросистемы, редукционных и раздаточных коробок, механизмов, осуществляющих передачу исполнительным органам от привода, пульта управления.
Техническая характеристика установки УБР-2М
Номинальная- глубина бурения, м: при ударно-забивном способе: с креплением трубами диаметром 219 мм ....... 15
то же, диаметром 168 мм .....................25
то же, диаметром 127 мм .................... 30
без крепления трубами .......................30
98
5
Рис. 4.9. Буровая установка УРБ-2М, смонтированная на автомашине ЗИЛ-130: 1—автомобиль; 2—дизельный двигатель; 3 - редуктор; 4—лебедка с ударным механизмом; 5 — канат с замком; 6 — канат подъема мачты; 7—мачта; 8—лебедка подъема мачты; 9— раздаточная коробка; 10—рама станка; 11 вращатель (ротор)
при колонковом способе ....................... 30
Частота вращения вращателя, об/мин: по часовой стрелке ............................. 12; 24; 76
против часовой стрелки ....................... 17
Диаметр проходного отверстия вращателя, мм......255
Тип зажимного патрона вращателя ................Гидромеханический
Наибольший крутящий момент вращателя, кН м....7
Диаметр зажимаемых труб, мм ....................73; 127; 168; 219
Тип механизма подачи вращателя .................Гидравлический
Ход подачи, мм: при бурении ................................400
при извлечении обсадных труб .............. 115
Усилие подачи, кН: при бурении ................................ 15
при извлечении колонны труб .................80
Тип лебедки ....................................Планетарная
Грузоподъемная сила лебедки, кН ................ 18
Средняя скорость навивки каната на барабан лебедки, м/с ...........................................0,5
Тип ударного механизма ......................Оттяжное устройство со
свободным сбросом
Частота ударов в 1 мин .........................51
Ход ударного механизма, мм ..................600
Масса ударного снаряда, кг ..................... С 300
7* 99
Тип приводного двигателя ....................Дизель 248,5/11
Мощность двигателя, кВт .....................8,8
Габаритные размеры в транспортном положении, мм .......................................... 8650 х 2500 х 3450
Масса, кг ................................... 9800
Цена, руб.................................... 18 500
Шасси автомобиля оборудовано гидравлическими домкратами для разгрузки рессор и выравнивания платформы при бурении.
Оснащение станка гидромеханическим зажимным патроном позволяет механизировать операции по свинчиванию и развинчиванию труб, оперативно заменять плашки, а также использовать гидроцилиндры зажима в качестве домкратов для извлечения колонны труб из скважины. Наличие вспомогательного подъемника с приводом от гидроцилиндра подъема мачты позволяет поднимать и перемещать буровой инструмент.
Если усилия лебедки недостаточны для отрыва инструмента от забоя, то следует подключать к работе подкронблочный цилиндр, увеличив усилие лебедки до 30 кН. Механизмы управления установкой позволяют подключать исполнительные механизмы в любой последовательности. Установка обслуживается бригадой из двух человек.
Установка УРБ-2М поставляется с комплектом запасных частей, ремонтно-монтажного инструмента и приспособлений. Буровой инструмент поставляется по особому заказу.
Буровая самоходная установка «Разведчик» УБСР-25М предназначена для бурения скважин большого диаметра (взамен проходки шурфов) при разведке нсмерзлых, в том числе сильнообводненных, россыпных месторождений, в которых содержатся валуны и крупная галька, а также при разведке месторождений других полезных ископаемых, при инженерно-геологических изысканиях и для вскрытия неглубоко залегающих коренных месторождений. Установку можно успешно использовать в районах, характеризующихся залесенностью, заболоченностью и пересеченным рельефом.
На установке реализуются следующие способы бурения: комбинированный с «ходовой» колонной обсадных труб; медленновращательный ковшовым буром и ударно-захватным грейфером.
Техническая характеристика установки «Разведчик» УБСР-25М
Номинальная глубина бурения, м ................25
Диаметр скважины (по башмаку обсадных труб), мм ...........................................715
Масса, кг:
грейфера .....................................500
долота с ударной штангой .....................500
Тип лебедки ....................................Планетарная
Грузоподъемная сила лебедки, кН ................30
Скорость навивки каната на барабан, м/с ........0,32—0,82
Диаметр каната, мм ............................. 135
Канатосмкость барабана с учетом оснастки, м ....45
Тип вращателя ..................................Подвижный ротор
Диаметр проходного отверстия вращателя, мм .....700
100
Частота вращения, об/мин .........................5; 14; 22; 37
Частота обратного вращения, об/мин ............7,6
Тип механизма подачи .............................Гидравлический
Рабочее давление в гидросистеме, МПа ............. 10
Ход механизма подачи, мм ......................... 3500
Усилие подачи, кН: вверх ......................................... 157
вниз ...........................................57
Внутренний диаметр цилиндра механизма подачи, мм .............................................. 100
Тип мачты .......................................Сварная пространствен-
ная ферма из труб, укладывающаяся в транспортное положение
Высота мачты до оси кронблока, м ................9
Способ подъема и опускания мачты ................ Гидравлический
База установки ..................................Трактор ТТ-4
Привод рабочих механизмов .......................От двигателя трактора
Мощность двигателя, кВт .........................81
Давление на грунт. МПа ..........................0,047
Габаритные размеры, в транспортном положении, мм ...............................................9000x2370x3500
Масса установки, кг ............................. 12 500
Цена, руб........................................ 40000
Основными механизмами установки УБСР-25М (рис. 4.10) являются: коробка передач, конический редуктор, лебедка, угловой редуктор, вертикальный вал с зубчатой муфтой, верхний редуктор, вертикальный трехграииый вал, ротор. Все механизмы, кроме коробки передач, установлены и закреплены на общей раме, которая, в свою очередь, закреплена на кронштейнах, приваренных к рамс базового трелевочного трактора.
К раме установки шарнирно крепится мачта, которая при транспортировании укладывается гидродомкратами на переднюю стойку и крепится к ней откидными болтами. На мачте установлена укосина с роликом, которая перемещается специальным гидроцилиндром в горизоп альной плоскости, чем обеспечивается перемещение бурового инструмента к скважине или от скважины. На укосине расположена вилка для подвески грейфера при выгрузке породы. Вилкой управляют с помощью гидроцилиндра, установленного на укосине.
Ротор, закрепленный в двух каретках, перемещается вверх и вниз по направляющим, функцию которых выполняют гидроцилиндры, размещенные в ферме мачты. В роторе имеются зри кулачка для передачи вращения и осевой нагрузки обсадным трубам. На роторе смонтированы две откидные площадки, перемещающиеся вместе с ним.
Кнопки и рычаги управления установкой размещены слева по ходу трактора, в непосредственной близости от ротора, что обеспечивает хороший обзор устья скважины.
Установке по требованию заказчика придается следующий буровой инструмент: ковшовый бур с упорами, ковшовый бур на гцтангах, одноканатный грейфер, долото с одним лезвием, штанги и специ-
101
установка
3—ротор;
5 рама;
7—лебедка;
Рис. 4.10. Буровая
УБСР-25М:
I—мачта; 2 укосина;
4- винтовые домкраты;
6 — гидроцилиндры;
8—пульт управления
DM
7///////////
альные обсадные трубы. Завод-изготовитель поставляет запасные части и слесарно-монтажный инструмент.
§ 4. Станки и установки для бурения разведочных скважин глубиной более 30 м
Группа станков, предназначенных для бурения глубоких скважин (за исключением установки УГБ-50М), применяется в меньшем объеме, чем для бурения скважин средней глубины. Поскольку глубокие 102
скважины на изысканиях проходятся сравнительно редко, эти станки часто используют для бурения разведочных скважин глубиной от 5 до 30 м. В изыскательских организациях наиболее распространена установка УГБ-50М.
Буровая установка ЛБУ-50 предназначена для бурения: артезианских и гидрогеологических скважин (установка ЛБУ-50М), гидрогеологических и артезианских скважин и шурфов (установка ЛБУ-50Г), шурфов (установка ЛБУ-50Ш). Основные способы бурения скважин—шнековый и ударно-канатный. Шурфы бурят специальным цилиндрическим буром. Разгрузка бура, уборка породы от устья шурфа и крепление стенок шурфа железобетонными или деревометаллическими кольцами механизированы. Установкой можно бурить скважины в песках, глинах, мергелях, неплотных известняках и доломитах (до IV категории по буримости включительно).
Техническая характеристика установки ЛБУ-50
Номинальная глубина бурения скважин, м ........50
Глубина бурения шурфов, м ................... 15
Диаметр, мм: скважин ......................................200
шурфов ...................................... 1050
Мощность, отбираемая от двигателя, кВт ......45
Частота вращения шпинделя вращателя, об/мин: при правом вращении ............................ 14; 38; 63;
при левом вращении ..........................38
Максимальное давление в гидросистеме механизма подачи вращателя, МПа ........................ 10
Ход каретки вращателя, мм ..................... 3250
Нагрузка на забой. кН .........................56,5
Усилие подъема вверх, кН ...................... 120
Скорость перемещения каретки, м/мин: вверх медленно ................................. 0 0,975
вниз медленно ..............................0 2,8
вверх быстро ................................0—5,45
вниз быстро ...............................0 15,45
Грузоподъемная сила лебедки на прямом канате, кН ............................................25
101
Канатоемкость барабана лебедки, м ...........60
Диаметр каната, мм .......................... 14
Средняя скорость навивки каната на барабан лебедки, м/с .........................................0,47; 1,28; 2,3; 3,43
Тип ударного механизма ......................Кривошипно-шатунный
со свободным сбросом
снаряда
Число ударов снаряда в 1 мин ..................... 15; 47
Ход ударного снаряда, мм ......................... 1000
Масса ударного снаряда, кг ....................... 500
Тип мачты ........................................Телескопическая
Максимальная грузоподъемная сила мачты, кН ..... 50
Высота до оси кронблока, мм: максимальная ................................ 8390
минимальная ..................................5140
Способ опускания и подъема мачты ..............Гидравлический
Масса комплекта бурового инструмента, кг: для скважин ................................. 2870
для шурфов ...................................2100
103
Рис. 4.11. Буровая установка ЛБУ-50:
/ коробка отбора мощности; 2 —шасси; J, 6 карданный вал; 4- ударный механизм; 5 лебедка; 7 угловой редуктор; 8— вертикальный вал с приводом вращателя; 9 кронблок; 10 подвижный вращатель
Габаритные размеры установки в транспортном поло-
жении, мм ........................................8435 х 2465 х 2665
Масса установки, кг ............................ 9475
Габаритные размеры прицепа с буровым инструментом, мм ......................................... 6240 х 2350 х 2315
Масса прицепа, кг .............................. 4300
Цена, руб.: за установку ЛБУ-50А без инструмента .......... 17840
за комплект инструмента ...................... 1227
Установка ЛБУ-50 (рис. 4.11) смонтирована на шасси автомобиля ЗИЛ-131. Привод осуществляется от двигателя автомобиля через коробку отбора мощности, установленную на корпусе раздаточной коробки.
Все узлы бурового станка установлены и закреплены на общей раме, которая соединена с лонжеронами автомобиля деревянными прокладками с помощью стремянок. К раме шарнирно прикреплена телескопическая мачта, которая при транспортировании станка укладывается в горизонтальное положение.
Передачу вращения на буровой инструмент от раздаточной коробки автомобиля осуществляет трансмиссия бурового станка. На раме и мачте также смонтированы гидравлическое и электрическое оборудование и узлы управления станком.
В табл. 4.6 и 4.7 приведены комплекты инструмента для бурения гидрогеологических скважин и шурфов установками ЛБУ-50А и ЛБУ-50Ш.
104
Таблица 4.6. Комплект инструмента для бурения гидрогеологических и артезианских скважин установкой Л БУ-50 А
Наименование Шифр узла, детали, изделия Число, шт.
Шнек диаметром 200 мм БИЛ-50-02 35
Шнек усиленный диаметром 200 мм БИЛ-50-32 1
Коронка трехлопастная диаметром 215 мм БИЛ-50-07 5
Серьга в сборе БИЛ-50-31 1
Рамка подкладная под шнек БИЛ-50-11 1
Вилка подкладная под шнек БИЛ-50-37 1
Крючок для отведения шнеков БИЛ-50-12 1
Лопата для очистки шнеков БИЛ-50-13 1
Серьга для подъема шнеков лебедкой БИЛ-50-34 1
Переходник от шпинделя вращателя на обсадные трубы диаметром 168 мм БИЛ-50-119А 1
Желонка диаметром 130 мм с плоским и сферическим клапанами БИЛ-50-68 1
Башмак забивной для желонки диаметром 130 мм БИЛ-50-108 1
Штырь для выбивания пальцев БИЛ-50-42 1
Подкладный штырь для опорожнения желонки БИЛ-50-117 1
Ключ шарнирный для труб диаметром 168— 188 мм БИ-179-39-00 1
Колокол ловильный левый БИЛ-50-24 1
Метчик БИЛ-50-23 1
Крючок БИЛ-50-18 2
Долото БИЛ-50-63 1
Стакан забивной диаметром 135 мм Хомут для труб диаметром 127 мм БИЛ-50-59 1 1
Приспособление для опускания фильтровой колонны БИЛ-50-112 1
Подъемная пробка для труб диаметром 168 мм БИЛ-50-16 1
Забивная головка для труб диаметром 168 мм БИЛ-259-32А 3
Баба забивная Хомут для труб диаметром 168 мм БИЛ-50-120 1 1
Палец БИЛ-50-26-04 3
Патрон переходной БИЛ-50-104А 1
Башмак для забивки уплотнения фильтра БИЛ-50-118 1
Таблица 4.7. Комплект инструмента для сооружения шурфов к установке
ЛБУ-50Ш
Наименование Шифр узла, детали, изделия Число, шт.
Бур БИШ-02 1
Ковш БИШ-05 1
Кондуктор для опускания обсадных колец БИШ-06 1
Ключ гидравлический БИШ-10 1
Вилка подкладная БИШ-11 1
Бадья БИШ-12 1
Кран-укосина для опускания обсадных колец БИШ-13 1
Приспособление для опускания деревометалли- БИШ-14 1
ческих колец
Приспособление для опускания обсадных колеи БИШ-15 1
Подвеска приспособления для опускания железо- БИШ-16 1
бетонных колец
105
Продолжение табл. 4.7
Наименование Шифр узла, детали, изделия Число, шт.
Долото двухлопастное БИШ-18 3
Штанга ведущая БИШ-19 18
Стрела БИШ-22А 1
Кольцо подкладное БИШ-25 5
Штанга БИШ-26 51
Тяга с роликом БИШ-27 1
Штанга буровая БИШ-28 1
11иппель БИШ-29 3
Серьга для подъема штанг БИШ-30 1
Ролик отклоняющий БИШ-32 1
Канат пеньковый диаметром 15 мм — 45 м
Помимо указанного инструмента, установке ЛБУ-50 придается комплект запасных частей к инструменту, а также индивидуальный комплект запасных частей и принадлежностей и эксплуатационный инструмент согласно ведомостям завода-поставщика.
Установка для гидрогеологического бурения УГБ-50М предназначена для бурения гидрогеологических и инженерно-геологических скважин, а также для выполнения пробных откачек воды из скважин. Установку можно использовать также для проходки шурфов-дудок.
Установкой можно бурить скважины шнековым и ударно-канатным способами. Ее используют также для бурения медленно-вращательным способом. При наличии насоса установкой бурят скважины колонковым способом с промывкой.
Установка смонтирована на шасси автомобиля высокой проходимости ГАЗ-66-02. Установка транспортирует специально оборудованный автоприцеп с комплектом рабочего инструмента.
Техническая характеристика установки УГБ-50М
Номинальная глубина бурения, м: шнековым способом ......................... 50
колонковым способом ........................ 100
Начальный диаметр скважины, мм:
шнековым способом .......................... 198
колонковым способом ........................ 198
Конечный диаметр скважины, мм:
шнековым способом .......................... 151
колонковым способом ........................ 92
Тип привода установки ........................Двигатель Д65ЛС
Номинальная частота вращения вала двигателя, об/мин ...................................... 1600
Тип коробки перемены передач .................Трехскоростная шесте-
ренная с реверсом
Частота вращения вала привода промывочного насоса, об/мин ................................... 326; 558; 923
Максимальный крутящий момент вращателя, Н -м . 2500
Частота вращения инструмента, об/мин ......... 70; 125; 200
Ход вращателя, мм ............................ 1500
Тип подачи ................................... Гидравлическая
106
Усилие подачи, кН: вверх ............................................20
вниз ........................................... 52
Тип привода гидросистемы ....................... Шестеренный насос
HUI-32
Максимальное рабочее давление в гидросистеме, МПа ............................................... 8
Тип гидрораспределитсля ........................
Тип ударного механизма .........................
Число ударов снаряда в 1 мин ...................
Масса ударного снаряда, кг .....................
Ход ударного снаряда, мм .......................
Тип лебедки ....................................
Грузоподъемная сила лебедки, кН ................
Канатоемкость барабана, м ......................
Средняя скорость навивки каната на барабан, м/с ............................................
Диаметр каната, мм .............................
Тип мачты ......................................
Высота до оси кронблока, м ......................
Оснастка ........................................
Тип механизма подъема и опускания мачты .........
Максимальная грузоподъемная сила мачты при трехструнной оснастке, кН ...........................
Габаритные размеры, мм:
буровой установки в транспортном положении ....
прицепа .......................................
Масса, кг: буровой установки ...............................
прицепа .......................................
инструмента .................•.................
Максимальная транспортная скорость, км/ч ........
Цена за установку (оптовая) без инструмента, руб.
Цена за комплект инструмента, руб................
Р75-В2
Кривошипно-шатунный 45 400 650
Планетарная 26 60
0,64; 1,24; 1,98
15
Трубчатая, сварная.
складная
8
Двух- и трехструнная Г идравлический
73
8000 х 2250 х 3500
5750 х 2320 х 2650
6235
1800
1980
50
9395
1018
На рис. 4.12 показана схема установки для гидрогеологического бурения УГБ-50М.
Привод станка осуществляется от дизельного двигателя, расположенного вместе с основными узлами установки на сварной раме, которая крепится в раме автомобиля. На одной оси с двигателем установлены коробка передач, лебедка и тормоз. Мачта соединяется с рамой через заднюю стойку и откидывающиеся кронштейны. По направляющим мачты перемещается вращатель, получающий вращение от коробки передач через вертикальный вал. Вращатель перемещается двумя гидроцилиндрами подачи. В средней части рамы расположен ударный механизм с оттяжным роликом. Пульт управления располагается на левой стороне (по ходу автомобиля), на нем сосредоточены все органы управления установкой.
Кинематическая схема установки УГБ-50М представлена на рис. 4.13. От приводного двигателя вращение передается через муфту сцепления на коробку передач. В коробке передач через пару косозубых шестерен вращение передается на вал с блоком из трех шестерен. Перемещение этого блока дает возможность получить три частоты вращения вала, откуда движение передается на привод
107
Buff В
Рис. 4.12. Установка для гидрогеологического бурения УТБ-50М:
1 —рама; 2 двигатель; 3 цилиндры опускания и подъема мачты; 4 ударный механизм; 5 коробка передач; 6 тормоза; 7—пульт управления; 8—лебедка; 9—мачта; /(/—вращатель; 11—осветительные фары; 12 — ограждение; 13 -шнек; 14 - гидроцилиндры подачи
вращателя через две конические шестерни и привод лебедки через пять шестерен. Шестерня привода вращателя, соединенная с коническими шестернями реверсивного редуктора, обеспечивает изменение направления вращения бурового инструмента. От реверсивного редуктора через зубчатую муфту и приводной вертикальный вал вращение передается на три шестерни вращателя. Шпиндель вращателя имеет три частоты вращения. Перемещение вращателя вверх и вниз осуществляется гидроцилиндрами. Шестерня привода лебедки вращает солнечную шестерню, которая находится в зацеплении с сателлитами. Сателлиты соединены с шестерней внутреннего зацепления, которая является одновременно и тормозным шкивом ленточного тормоза включения привода планетарного механизма. От водила сателлитов вращение может быть передано через зубчатую муфту на барабан лебедки или на кривошип привода ударного механизма. Лебедка также имеет три скорости навивки каната. Ударный механизм работает только на первой скорости.
108
«____ 15
г-25 \m-8j5
20 'z-Г/
Рис. 4.13. Кинематическая схема установки УГБ-50М:
1—X валы; 1—двигатель; 2, 3, 8 10, 14 21, 25 — цилиндрические шестерни; 4 шкив; 5, 6, 26, 27 блок шестерен; 6, 7, 11. 12. 23 конические шестерни; 13 вращатель; 22 лебедка; 24 коробка передач
Буровая установка УГБ-1ВСГ предназначена для бурения гидрогеологических и инженерно-геологических скважин, а также для бурения шурфов шнековым, медленновращательным и колонковым («всухую») способами. Установка разработана СКБ ПО «Геомаш» для замены установки УГБ-50М.
Техническая характеристика УГБ-1ВСГ
Номинальная глубина, м, при бурении способом: шнековым ................................... 50
медленновращательным (шурфы) .............. 12
колонковым («всухую») ...................... 50
Начальный диаметр скважины, мм, при бурении способом:
шнековым .................................... 150 198
медленновращательным (шурфы) ................ 650
колонковым («всухую») ....................... 151
Грузоподъемная сила шпинделя вращателя. кН .... 78,4
Максимальный крутящий момент вращателя, Н м.... 50
Частота вращения инструмента, об/мин .......... 40, 80, 140, 200
Скорость перемещения вращателя, м/с: вверх ...................................0 0,4
вниз ........................................0 0,9
Тип мачты ..................................... Пространственная те-
Способ подъема и опускания мачты
Тип лебедки
лескопичсская сварная ферма из труб
С помощью гидроцилиндров Фрикционная
109
Максимальная грузоподъемная сила лебедки на прямом канате, кН ...............................25,5
Скорость навивки каната на барабан, м/с .......0,55—1,1
Тип привода станка ...........................Дизель Д65Н
Максимальная частота вращения двигателя, об/мин ... 1750
Транспортная база установки ................... Автомобиль ГАЗ-66-02
Тип прицепа ..................................2ПН2 (модель 710-В)
Масса, кг:
буровой установки ......................... 6120
прицепа с инструментом .................... 2000
Максимальная транспортная скорость, км/ч:
по дорогам с твердым покрытием .............. 50
по грунтовым дорогам и бездорожью ........... 25
Габаритные размеры, мм:
буровой установки в транспортном положении .. 9050x2380x2750
прицепа ..................................... 5750 х 2320 х 2715
Цена, руб...................................... 16320
Установка УГБ-1ВСГ комплектуется прицепом, буровым инструментом, индивидуальным комплектом запасных частей и принадлежностей.
На базе установки УГБ-1ВСГ Щигровское производственное объединение «Геомаш» выпускает ряд модификаций: буровая установка УГБ-1ВС-ГТ-Т имеет транспортную базу—тягач-транспортер ГТ-Т; установка УГБ-12С-С смонтирована на санном основании с транспортным тягачом Т-130МБ; установка УГБ-1ВС-3 —на базе автомобиля ЗИЛ-131 (габаритные размеры в транспортном положении с прицепом (мм): длина 12750, ширина 2490, высота 2980, масса установки 8900 кг, цена 21 200 руб.); установка УГБ-1ВСТ—на трелевочном тракторе ТТ-4 (габаритные размеры в транспортном положении (мм): длина 7900, ширина 2500, высота 3000; масса установки 15 100 кг, цена 23 340 руб.), установка УГБ-1ВС-У —на шасси автомобиля «Урал 4320».
Самоходный вибробуровой агрегат ВАС-75 (рис. 4.14) предназначен для бурения инженерно-геологических скважин ударно-канатным, колонковым и медлённовращательным способом в мерзлых и немерзлых породах с погружением и извлечением обсадных труб вибрационным способом.
Техническая характеристика агрегата ВАС-75
Ударно-канатное бурение с применением вибратора
ВОГ-6 для погружения труб:
диаметр скважины, мм: начальный ...................................219
конечный .................................. 127
глубина скважины, м .........................60
Вращательное бурение с использованием высокообо-
ротного вращателя ВК-50/100:
частота вращения снаряда, об/мин ............. 90: 180; 250; 500
диаметр скважины, мм:
начальный ................................... 132
конечный .................................... 59
глубина скважины, м .......................... 100
Вращательное бурение с использованием низкообо-
ротного вращателя ВН: частота вращения снаряда, об/мин .............. 18,5; 28; 55,2
начальный диаметр скважины, мм .............. 151
110
Рис. 4.14. Самоходный вибробуровой агрегат ВАС-75:
1 —передняя гидравлическая опора; 2 топливный бак; 3 передняя рама; 4 швеллеры связи; 5 средняя рама; 6 —масляный бак; 7, 12, 15 —гидроцилиндры; 8- генератор; 9 -задняя рама; 10— канат; 11—опора гидроцилиндра;
13 копер-стрела; 14 — опорная секция стрелы; 16 лебедка
глубина скважины, м ............................. 25
Мощность двигателя базового трактора, кВт ......... 66
Копер-стрела;
грузоподъемность, кН, не более:
копра ......................................... 100
стрелы ........................................20
высота подъема снаряда, мм:
на копре ...................................... 7000
на стреле .....................................8000
111
Лебелка планетарная двухбарабанная:
грузоподъемность талевого и инструментального
барабанов на прямом канате, кН ................20
диаметр каната, мм ............................ 11,5
скорость навивки каната на барабан, м/с ....... 1,2
длина каната, м: талевого .......................................
инструментального ............................
Гидравлический механизм подачи инструмента: усилие, кН:
подачи на забое ..............................
извлечения бурильных труб ....................
ход каретки, м ...............................
Источник электроэнергии генератор ДГФ-82-4Б: напряжение номинальное, В ........................
мощность, кВт ..................................
частота вращения вала, об/мин ..................
частота тока, Гц ...............................
Гидронасос НШ-46: развиваемое давление, МПа ........................
вместимость масляных баков (2 шт.), л ..........
Высокооборотный колонковый вращатель ВК-50/100: тип электродвигателя .............................
частота вращения, об/мин .......................
мощность на валу электродвигателя, кВт:
I скорость ...................................
II скорость ..................................
тип редуктора ..................................
количество зажимных патронов, шт................
тип зажимных патронов ..........................
диаметр ведущей бурильной трубы, мм ............
масса вращателя, кт ......................:.....
Вращатель низкооборотный ВН:
тип двигателя ..................................
14,7
4,6
4,32
400
30 1500
50
7,5
90; 20
Двухскоростной
АО-51-4/2 1500; 2880
6,1
7,3
Двухскоростной 2
Г идромеханический 50
300
АО2-51 -6/4/2, трехско-
ростной 970; 1460; 2900
3
3,5
4 250
51
3,92 2 15 18,7
10,5
168; 188 1560x848x1925 1080
частота вращения двигателя, об/мин .............
мощность на валу электродвигателя, кВт:
I скорость ...................................
II скорость ..................................
Ill скорость .................................
масса вращателя, кг ............................
Вибратор ВОГ-6: вынуждающая сила, кН .............................
статический момент массы дебалансов, кг • м ....
количество приводных двигателей ................
мощность двигателей, кВт .......................
частота колебаний вибратора, Гц ................
максимальная амплитуда колебаний, мм ...........
диаметр обсадных труб и муфт, зажимаемых патроном вибратора, мм ..............................
габаритные размеры, мм .........................
масса, кг ......................................
30
70
5850 х 10140 x 2700
8090 x 3560 x 2100
10000
Габаритные размеры агрегата, мм: в рабочем положении .............................
в транспортном положении ......................
Масса агрегата в заправленном состоянии (без навесного оборудования), кг ..........................
112
Цена, руб...................................... 30000
Состав обслуживающего персонала, чел...........2
База агрегата—гусеничный трактор ДТ-75Н-С2. В состав агрегата входят: копер-стрела, механизм подачи, двухбарабанная лебедка, блок генератора, гидравлические опоры, блок управления. Помимо этого, агрегату придается сменное технологическое оборудование: высокооборотный и низкооборотный вращатели и вибратор с центральным проходным отверстием.
На задней раме закреплены: копер-стрела, двухбарабанная планетарная лебедка и две гидравлические опоры. Слева от кабины по ходу трактора установлены генератор и дополнительный масляный бак. За кабиной справа по ходу расположены электрический и гидравлический пульты управления. На валу отбора мощности трактора установлен распределительный редуктор для привода генератора и лебедки.
Копер-стрела представляет собой сварную конструкцию и состоит из двух основных частей: собственно копра и стрелы. Копер-стрела шарнирно крепится на задней раме и с помощью гидродомкратов может устанавливаться в рабочее и транспортное положения. Верхняя часть копра имеет Г-образную форму и, помимо системы блоков, несет на себе шарнирно поворачивающуюся стрелу. Максимальный вылет инструментального блока от оси скважины составляет 1,5 м, что позволяет отводить буровой снаряд от устья скважины.
Высоко- и низкооборотный вращатели жестко закрепляются на подвижной каретке механизма подачи. Вибратор подвешивается на копре при помощи четырехструнной полиспастной системы.
Агрегат ВАС-75 разработан Ленинградским отделением Гидропроекта и выпускается Угличским экспериментальным ремонтно-механическим заводом (УЭРМЗ) Гидпропроекта.
Буровая установка БУГ-75 предназначена для ударно-канатного бурения вертикальных инженерно-геологических и гидрогеологических скважин в породах I—IV категорий по буримости; установка может использоваться при разведке строительных материалов и россыпных месторождений, а также для бурения скважин на воду.
Техническая характеристика БУГ-75
Номинальная глубина бурения, м ...............75
Диаметр скважины, мм: начальный ....................................325
конечный .................................... 127
Тип лебедки Грузоподъемная сила лебедки, кН Скорость навивки каната на барабан, м/с Диаметр, мм: барабана каната Однобарабанная, фрик-ционная 10 0,5—0,65 210 17,5
8 Заказ 3871
ИЗ
Канатоемкость барабана, м ...................... 100
Усилие, Н: на рукоятке включения лебедки ............... 150
на педали тормоза ............................ 130
Тип механизма для ударно-канатного бурения ..... Оттяжное устройство
балансирного типа со свободным сбросом бурового снаряда
Число ударов бурового снаряда в 1 мин ..........40 и 70
Высота подъема бурового снаряда, мм ............ 300
Тип устройства для расхаживания обсадных труб .. Поворотные ключи, ры-
чажные, цепные
Диаметр обсадных труб, мм ...................... 324; 273; 219; 168
Крутящий момент, передаваемый ключом, кН-м ..... 5—8,2
Наибольший угол поворота колонны обсадных труб за один оборот рабочего вала, градус ......... 15
Частота вращения рабочего вала, об/мин .........40; 70
Тип привода .................................... Дизель типа ЦНИДИ,
модель Т-62-1
Наибольшая мощность, кВт ....................... 10
Номинальная частота вращения вала двигателя, об/мин ........................................ 1200
Габаритные размеры установки, мм .............. 3500 x 2060x1220
Масса установки с двигателем, кг .............. 2500
Цена, руб....................................... 4000
Буровая установка БУГ-75 (рис. 4.15) представляет собой смонтированный на общей раме агрегат, состоящий из дизеля Т-62-1 со сцеплением, клиноременной трансмиссии, фрикционной лебедки, промежуточного и рабочего валов, оттяжного устройства, направляющего ролика, соединительных тяг и поворотных ключей. При наличии электроэнергии для привода установки можно использовать электродвигатель мощностью 10 кВт.
К установке придаются межключевые кольца, опорные хомуты, служащие для поддержания поворотных ключей на колонне обсадных труб, а также стабилизатор, обеспечивающий автоматическое перекрепление поворотных ключей в процессе обсадки скважин трубами.
Буровая бригада, обслуживающая установку БУГ-75, состоит из трех человек; бурильщика, помощника бурильщика и бурового рабочего.
В табл. 4.8 дан перечень принадлежностей и инструмента к установке БУГ-75.
Установка выпускается по заказу УЭРМЗ Гидропроекта.
Установка поискового бурения УПБ-100Р предназначена для бурения вертикальных и наклонных геологоразведочных скважин твердосплавным и алмазным породоразрушающими инструментами колонковым способом с промывкой и шнековым способом. Установку целесообразно использовать при поисково-съемочных работах, картировании и инженерно-геологических изысканиях в труднодоступных районах, характеризующихся особо сложными условиями доставки и транспортирования оборудования.
114
8*
Рис. 4.15. Буровая установка БУГ-75:
1—подрамник; 2—соединительная тяга; 3 — рама; 4—оттяжное устройство; 5—направляющий ролик; б—] 7— система управления; 8—фрикционная лебедка; 9 двигатель; 10—сцепление; 11— рама двигателя; 12—cot
тяга; 13—поворотный ключ
cs4.8
H >
И5
Каблица 4.8. Ведомость основных принадлежностей и инструмента к буровой установке БУГ-75
Наименование Шифр детали, узла, изделия Число, шт. Масса одного изделия, кг
Тяга соединительная в сборе 437090000 2 30,8
Ключ поворотный в сборе Хомут опорный для труб диаметром, мм: 437060000 2 64
324 437270000 1 16
273 437070000 1 13,48
219 437080000 1 10,8
168 Кольцо межключевое для труб диаметром, мм: 417200000 1 8,8
324 437000010 1 4,8
273 437000002 1 4
219 437000003 1 3,6
168 Блок двухроликовый: 437000004 1 3,1
открытый Б-8-00 1 71,4
открытый Б-4-00 1 41,6
Замок быстроразъемный УПБ-20,6 1 3
Серьга вертлюжная СВ-3 1 8
Ушко с замковой резьбой 3-63,5 Головка универсальная для обсадных труб диаметром, мм: У3-63,5 2 3,8
325 ГУ-325 1 23,7
273 ГУ-273 1 19,2
219 ГУ-219 1 14,7
168 ГУ-168 1 9,8
Хомут для треноги Х-1 6 8
То же Патрон ударный диаметром, мм: Х-2 2 10
168 ПУ-168 1 252
127 Стакан забивной диаметром, мм: ПУ-127 1 158 .
325 С-325 1 65
273 С-273 1 51,6
219 СБ-219 1 33,8
168 СБ-168 1 28,7
127 Стакан забивной с клапаном диаметром, мм: ) СБ-127 1 16.6
275 СБК-273 1 55
219 СБК-219 1 37
168 СБК-168 1 30,9
127 Стакан разъемный диаметром, мм: СБК-127 1 18,5
168 СРЗ-168 1 39
127 Желонка с плоским клапаном диаметром, мм: СРЗ-127 1 24
219 Ж-219 1 119,2
168 Ж-168 1 73,8
127 Ж-127 1 50,6
116
Продолжение табл. 4.8
Наименование Шифр детали, узла, изделия Число, шт. Масса одного изделия, кг
Грунтонос ГК-3 диаметром 123 мм без ударной части Г-3—123 1 19
Вкладыш с лепестками к грунтоносу, комплект ВГК-3- 123 1 4,3
Переходник с грунтоноса ГК-3 на замок 3-63,5 ПГК-3-63,5 1 6,3
Утяжелитель диаметром 125 мм и длиной 1000 мм У-125х1000 1 85
Лопатка для чистки стаканов Л-80 1 1,5
Лом-лопатка ЛЛ-1000 1 3,9
Вилка-подкладная ВГ-55/400 1 7,8
Крюк отводной длиной 2500 мм К-2500 1 3,6
Ключ отбойный М3-63,5 Башмак фрезерный для обсадных труб диаметром, мм: 2 7,8
325 БФ-325 1 17,5
275 БФ-273 1 14,8
219 БФ-219 1 12,4
168 Хомут для обсадных труб диаметром; мм: БФ-168 1 9.5
325 ХТ-325 1 43,8
219 ХТ-219 1 38,4
168 XT-168 1 29,9
Техническая характеристика установки УПБ-100Р
Номинальная глубина, м, при бурении способом: колонковым ...................................... 100 150
шнековым ........................................... 25
Диаметр скважины, мм, при бурении способом: колонковым ...................................... 76; 59; 46; 36
шнековым ........................................... ПО; 76
Тип используемых бурильных труб ....................ЛБТН-42
Угол наклона скважины от горизонтали, градус .......90—60
Тип вращателя ........................................Подвижный
Частота вращения инструмента, об/мин: первый диапазон ...................................... 124; 232; 426; 796
второй диапазон .................................... 179; 334; 613; 1143
Тип механизма подачи вращателя ..................... Гидравлический
Ход подачи, мм ....................................... 1200
Усилие подачи вниз и вверх, кН ....................... 6
Скорость подачи инструмента, м/мин ...................0 12
Грузоподъемная сила, кН: лебедки ........................................... 6
мачты ..............................................20
Средняя скорость навивки каната на барабан, м/с ......0,68
Тип приводного двигателя ............................УД-25
Мощность двигателя. кВт .............................. 5,9
Частота вращения вала, об/мин ....................... 3000
Высота мачты, м ......................................4
Тип бурового насоса ..................................НБ1-25/16
117
Рис. 4.16. Установка поискового бурении УПБ-100Р:
1 — рама; 2—двигатель; 3—маслостанция; 4 — мачта; 5—вращатель; 6—лебедка
OSI*
Габаритные размеры в рабочем положении, мм .......... 1690x800x4150
Масса установки, кг .................................460
Цена, руб............................................. 5000
Установка УПБ-ЮОР (рис. 4.16) представляет собой легкую разборную конструкцию, состоящую из приводного двигателя, вращателя, лебедки, маслостанции, рамы и мачты с подкосами. Откидной вращатель позволяет быстро освобождать устье скважины при выполнении спуско-подъемных операций. Для транспортирования установку разбирают на узлы, максимальная масса которых не превышает 80 кг. Установку можно перетаскивать на небольшие расстояния волоком без предварительной разборки при помощи лебедки, Входящей в состав установки. Она обслуживается буровой бригадой, состоящей из двух человек.
По своему назначению, размерам и массе установка УПБ-ЮОР не имеет аналогов среди буровых станков и установок, выпускаемых отечественной промышленностью. Внедрение ее в производство геологоразведочных и изыскательских работ позволит эффективно решить задачу бурения сравнительно глубоких поисковых и зоццировочных скважин в труднодоступных районах.
Установку УПБ-ЮОР поставляют с буровым насосом и комплектами запасных частей, ремонтно-монтажного и бурового инструмента по ведомостям завода-изготовителя.
Установка разведочного бурения УРБ-1В-2 предназначена для бурения взрывных скважин шнековым способом при сейсморазведке и колонковым способом с промывкой при бурении картировочных скважин. Может использоваться для бурения разведочных скважин при инженерно-геологических изысканиях.
Техническая характеристика УРБ-1В-2
Диаметр скважин, мм, при бурении способом:
шнековым ....................................... 146
колонковым ..................................... 132
Глубина скважин, м, при бурении способом: шнековым ...................................... 30
колонковым ..................................... 200
Диаметр бурильных труб, мм ....................... 50
Ход подачи, мм ................................... 1750
Усилие подачи вверх, кН ..........................49
Приводной двигатель ............................. ГАЗ-71
Грузоподъемная сила лебедки. кН ..................9,8
Транспортная база ............................ Гусеничный трактор
ГТ-CM (ГАЗ-71)
Габаритные размеры, мм ........................... 6640x2582x2915
Масса, кг ........................................ 5000
Цена, руб......................................... 23000
Установка выпускается Свердловским машиностроительным заводом им. Воровского.
Буровая установка УШ-1Т предназначена для бурения скважин, главным образом для сейсморазведки и структурно-картировочных работ шнековым и вращательным способами с промывкой и продувкой.
119
Техническая характеристика УШ-1Т
Номинальная глубина, м, при бурении способом: шнековым ................................... 30
вращательным с промывкой ................. 100
вращательным с продувкой .................. 15
Начальный диаметр скважины, мм, при бурении способом: шнековым ..................................... 145
вращательным с промывкой .................... 190
вращательным с продувкой .................... 116
Транспортная база ..............................Трелевочный трактор
ТТ-4
Мощность двигателя, кВт ....................... 81
Частота вращения коленчатого вала, об/мин ..... 1600
Тип вращателя .................................Подвижный со сменны-
ми шестернями с реверсивным приводом от трехгранной штанги
Частота вращения инструмента, об/мин: с основной передачей ..........................94; 159; 250; 121 (обрат-
ное вращение)
с ускоряющей передачей ...................... 143; 243; 382; 185 (об-
ратное врашение)
Максимальный вращающий момент на шпинделе вращателя, кН • м ...............................4
Тип мачты .....................................Сварная объемная ме-
таллоконструкция с открытой передней гранью
Высота мачты, м ...............................6,63
Максимальная грузоподъемная сила мачты, кН .... 55
Способ подъема и опускания мачты .............. Гидроцилиндром
Тип механизма для спуско-подъема и принудительной подачи инструмента ............................ Гидроцилиндр с удво-
ением хода обратным полиспастом
Скорость движения инструмента, м/с: при подъеме ...................................0—49
при спуске ...................................0—0,87
Скорость принудительной подачи инструмента, м/с .... 0—0,08 Грузоподъемная сила механизма подъема инструмента, кН ......................................... 55
Принудительная сила давления на забой, кН ...... 30
Допустимая масса буксируемого прицепа, ki ...... 7000
Габаритные размеры в транспортном положении, мм ............................................. 7370 х 2500 х 3570
Транспортная масса установки в комплектации, кг, для бурения:
шнекового .................................... 14 300
с промывкой .................................. 15 350
с продувкой .................................. 15 370
Установка УШ-1Т выполнена по смешанной конструктивной схеме, имеющей гидравлический привод спуско-подъема подвижного вращателя и механический привод вращения инструмента. Механизмы буровой установки рассчитаны на использование полной мощности приводного двигателя трелевочного трактора. Совместное использование подвижного вращателя и сальника-элеватора позволяет бурить 120
без отрыва инструмента от забоя, механизирует и облегчает свинчивание и развинчивание инструмента и др.
Установка шнекового бурения УШ-2Т предназначена для бурения в основном сейсмических скважин в породах до IV категории по буримости шнековым способом в отдаленных и труднодоступных районах, а также может быть использована при инженерно-геологических изысканиях.
Техническая характеристика УШ-2Т Номинальная глубина бурения, м ................60
Диаметр скважины, мм ........................ 175
Длина шнеков, м ............................... 2,5
Максимально возможная длина колонны при извлечении, м .........................................6
Транспортная база .......................... Болотный трактор Т-100
МЗБ
Мощность, отбираемая от двигателя трактора, кВт .... 73,5
Тип вращателя ................................. Подвижный, откидываю-
щийся
Частота правого и левого вращения, об/мин .....76; 153; 196
Ход вращателя, мм ............................. 3250
Подача вращателя .............................. Гидроцилиндром
Тип гидравлических шестеренных насосов ....... НШ-10 (один)
НШ-46 (два) Максимальное рабочее давление в гидросистеме.
МПа ........................................... 10
Максимальное усилие подачи, кН: вниз ....................................... 56,5
вверх ....................................... 120
Скорость перемещения вращателя, м/с: вверх .........................................0 0,18
вниз ........................................0 0,45
Грузоподъемная сила на канате, кН ............. 25
Скорость подъема и опускания инструмента на канате, м/с: вверх .........................................0- -0,36
вниз ........................................0—0,9
Тип мачты .....................................Телескопическая, сварная
с гидравлическим подъемом и опусканием и автоматическими гидродомкратами
Высота мачты, мм:
максимальная ................................. 9025
минимальная .................................. 5775
Ход гидродомкратов мачты, мм ................. 550
Габаритные размеры в транспортном положении, мм ............................................ 6500 х 3250 х 3720
Масса установки (без заправки топливом 450 кг), кг ... 17250
Оптовая цена, руб.: установки без инструмента ................... 26834
комплекта инструмента ........................ 1200
Все механизмы установки УШ-2Т (рис. 4.17) смонтированы на раме, прикрепляемой к шасси трактора, и имеют привод от его ходового двигателя. Кинематическая схема установки представлена на рис. 4.18.
Установка комплектуется инструментом для шнекового бурения, запасными частями и ремонтно-монтажным инструментом. В комплект • 121
Рис. 4.17. Установка шнекового бурения УШ-2Т:
I трактор; 2- масляный бак; 3—мачта; 4—вертикальный вал; 5 верхний редуктор; 6— кронблок; 7—канат; 8 блок привода; 9—вращатель; 10 пульт управления
бурового инструмента входят: долото трехлопастное, шнеки, подкладная вилка, шнеколовки, метчик, колокол, штанги, вспомогательный инструмент (крючок для оттаскивания шнеков, лопата для очистки шнеков, молоток и др.) и принадлежности для шнекового бурения (патрон-переходник, штырь, серьга, штырь подкладной, вилка).
Буровой станок БСК 2M2-I00 предназначен для бурения геологоразведочных скважин твердосплавным и алмазным породоразрушающими инструментами из подземных горных выработок и с поверхности земли.
Тсхническан характеристика БСК 2М2-100
Глубина бурения, м ...................'......... 100
Диаметр скважины, мм: начальный .................................... 93
конечный ..................................... 46
Диаметр бурильных труб, мм ................... 33,5; 42
Частота вращения бурильной колонны, об/мин ..... 150; 360; 560; 1250
122
Рис. 4.18. Кинематическая схема установки УШ-2Т:
1—9, 11, 13—19—шестерни; К)—муфта; 12—насос НШ-10; I—X—валы; А — двигатель трактора; В—блок привода; С—верхний редуктор; D — вращатель
Угол наклона вращателя, градус ..................
Усилие подачи вверх —вниз, кН ...................
Ход подачи, мм ..................................
Скорость движения шпинделя, м/с .................
Способ подъема бурильной колонны ................
Спуск бурильной колонны ...........................
Мощность электродвигателя, кВт ....................
Габаритные размеры, мм, не более ..................
Масса, кг (без электродвигателя), не более ........
Цена С насосом НБ-2-63/40, руб.....................
0-360
10-12
450
0,03-0,4
Гидравлический с автоматизированным перехватом
Постоянно замкнутым тормозом 7,5
I720х675х1400
591
4300
Станок состоит из нижней и верхней рам, коробки передач, вращателя, патрона, штангоподъемников, спускового тормоза, механизма перемещения и крепления верхней рамы, гидросистемы и пульта управления.
В комплект поставки входят собственно станок, а также запасные части и принадлежности.
123
Установка разведочного бурения УРБ-2А-2 предназначена для бурения сейсмических и структурно-картировочных скважин на нефть и газ вращательным способом с очисткой забоя скважины промывкой, продувкой или транспортированием разрушенной породы на поверхность шнеками. Установка может использоваться при инженерногеологических изысканиях.
Техническая характеристика УРБ-2А-2
Номинальная глубина бурения, м: сейсмических скважин .......................... 100
структурно-картировочных скважин ............ 200
при продувке забоя воздухом ................... 30
при шнековом бурении .......................... 30
Начальный диаметр скважины, мм .................. 190
Конечный диаметр, мм, для скважин: сейсмических .................................. 118
структурно-картировочных ...................... 93
Диаметр скважин, мм, при бурении: с продувкой воздухом .......................... 118
шнековом ...................................... 135
Тип вращателя .................................... Подвижный
Частота вращения инструмента, об/мин ............ 140; 225; 325
Ход вращателя, мм ............................ 5200
Крутящий момент- вращателя (при давлении в гидросистеме 8,3 МПа), Н • м ...................... 706
Привод вращателя ................................ От аксиально-поршне-
вого гидромотора
Давление в гидросистеме, МПа: рабочее ....................................... 8,3
максимальное кратковременно допустимое ....... 12,25
Тип механизма для спуска, подъема и подачи инструмента ....................................... Домкрат гидравличе-
ский с полиспастной системой
Максимальная грузоподъемная сила (при давлении
9,3 МПа), кН ...................................
Усилие вниз (при давлении 8,3 МПа), кН .........
Скорость инструмента, м/с;
подъема .......................................
спуска и подачи ...............................
Тип мачты ......................................
45,1
25
0-0,6
0-1,1
Сварная с гидравличе-
скими опорными дом-
кратами
Грузоподъемная сила мачты, кН ................. 58,8
Диаметр бурильных труб, мм ...................... 60,3
Длина бурильных труб, м ......................... 4,5
Буровой насос Н Б-12-63-40: подача, м/с ................................. 0,012
давление, МПа ................................. 2,82
Установка с переоборудованным компрессором КТ-7
(ТУ 34-856—74): подача, м3/с .................................. 0,1
давление, МПа ......’.......................... 0,442
Транспортная база установки ..................... Автомобиль ЗИЛ-131
Габаритные размеры установки в транспортном положении, мм ..................................... 7850 х 2450 х 3400
124
Рис. 4.19. Буровая установка УРБ-2Л-2:
а вид сбоку; б—вид сверху; / коробка отбора мощности; 2—цилиндр подъема мачты; 3—вращатель; 4—пульт управления; 5— элеватор для труб и патрон для шнеков; 6—автомобиль; /--мачта; 8—талевая система; 9—рама; 10—установки бурового насоса и компрессора; И—гидро домкрат подачи; 12—раздаточная коробка; 13 обвязка гидросистемы; 14 -каретка; 15—опорный домкрат
Максимальная полная масса, кг: установки ..................................... 10000 (без прицепа)
прицепа ..................................... 4000
Тип транспортного средства для бурового инструмента ......................................... Двухосный автомобиль-
ный припеп ГКБ-817 или равноценный
125
Рис. 4.20. Кинематическая схема установки УРБ-2А-2:
1 буровой насос; 2—компрессор; 3—двигатель автомобиля; 4—коробка передач автомобиля; 5 раздаточная коробка; 6—коробка отбора мощности; 7 раздаточная коробка установки; <У, 10—насосы МН-250/100; 9—насос НШ-10ЕП; II гидродвигатель; 12—вращатель; 1 карданный вал автомобиля; 11 — карданный вал установки; III ведущий вал раздаточной коробки; IV—вторичный вал раздаточной коробки; V—вал привода маслонасоса; VI—вал привода промывочного насоса и компрессора; VII—вал привода бурового насоса; VIII—вал привода компрессора; IX—первичный вал вращателя; X промежуточный вал вращателя; XI—шпиндель
Максимальная скорость передвижения установки, км/ч:
по асфальтированному шоссе ................... 50
по грунтовым дорогам ......................... 30
Уровень шума при работе установки (у пульта бурового мастера), дБ, не более ............... 90
Цена установки, руб............................. 25738
Все механизмы, входящие в установку УРБ-2А-2 (рис. 4.19), смонтированы на собственной раме, прикрепленной к шасси автомобиля, и приводятся в действие от его двигателя. Установка имеет перемещающийся вращатель с гидроприводом, который используется в процессе бурения, наращивания бурильного инструмента без отрыва его от забоя и выполняет совместно с гидроподъемником работу по спуску и подъему инструмента и его подачу при бурении. Мощность и кинематика вращателя обеспечивают также свинчивание— развинчивание бурильных труб, благодаря чему отпадает необходимость в специальных механизмах. Управление установкой полностью гидрофицировано, в том числе подъем и опускание мачты. 126
Рис. 4.21. Гидравлическая схема установки УРБ-2А-2:
/ маслобак; 2—насос МН-250/100; .7—фильтр ФП7(32 —35)/20; 4—обратный клапан Г51-25; 5—клапан 32-100-1-11; 6 насос шестеренный НШ-10НЛ; 7—клапан 10-100-1-11; 8—вентиль игольчатый ВИ-6; 9—обратный клапан Г51-21; 10—ручной насос ГН-60; 11 -распределить Рн 202-ФМ14; 12 -манометр МТП-100/1-8Ж-МУ-250-2.5; 13 - перераспределить Р102-АВ64; 14 — гидроцилиндр механизма подачи; 15 гидроцилиндр опорного домкрата; 16—гидроцилиндр подъема мачты; 17, 18 демпферы
Оно сконцентрировано на пульте бурильщика. Конструкцией установки предусмотрены возможность бурения скважин с очисткой забоя промывкой или продувкой, для чего на ней смонтирован буровой насос или компрессор, а также бурение шнековым способом.
Кинематическая схема установки УРБ-2А-2 представлена на рис. 4.20, гидравлическая схема — на рис. 4.21.
Завод-изготовитель совместно с установкой поставляет буровой инструмент и принадлежности, запасные части, слесарный инструмент, прицеп ГКБ-817. По требованию потребителя за дополнительную плату завод поставляет: компрессор, герметизатор устья скважины, переходники и ловильный инструмент.
Установка выпускается Свердловским машиностроительным заводом им. Воровского.
127
Установка УРБ-4Т имеет то же назначение, что и установка УРБ-2А-2, и примерно такую же техническую характеристику. Диаметр скважин при шнековом бурении составляет 150 мм, усилие подачи— 33,35 кН. Транспортная база установки — трелевочный трактор ТТ-4. Габаритные размеры установки (мм): длина 7850, ширина 2620, высота 3440, масса 1620 кг, цена 35000 руб. Установка выпускается Свердловским машиностроительным заводом им. Воровского.
Комплекс технических средств для бурения скважин с непрерывным выносом керна (КГК-100) предназначен для бурения скважин глубиной до 100 м с непрерывным выносом керна обратным потоком промывочной жидкости в мягких породах II—IV категорий по буримости с прослоями твердых пород V—VII категорий по буримости при поисково-съемочных работах, геологическом картировании и разведке месторождений твердых полезных ископаемых. Возможность применения комплекса при инженерно-геологических изысканиях ограничена.
Техническая характеристика основных элементов комплекса КГК-100
Диаметр бурильных труб, мм: наружных .......................................... 73
внутренних ......................................... 48
Длина трубы, м ....................................... 4
Масса грубы, кг ...................................... 50
Наружный диаметр твердосплавной коронки, мм ........ 76; 85
Диаметр керна, мм .................................... 34—38
Вместимость емкости для промывочной жидкости, м3 .... 25
Тип прицепа для емкости .............................. Шасси 2ПН-2М
Общая длина перевозимых на прицепе труб, м ........... 120
В состав комплекса входят (рис. 4.22): буровая установка УРБ-2А-2ГК, оснащенная насосом НБ-320/63, передвижная емкость для промывочной жидкости на двухосном прицепе, твердосплавные коронки, двойная бурильная колонна, промывочный сальник с керноотводящей дугой, керноприемное устройство, шланги, грузоподъемные приспособления, стеллаж для укладки бурильных труб.
В процессе бурения скважины промывочная жидкость подается насосом из передвижной емкости через сальник в кольцевое пространство двойной бурильной колонны и далее к забою скважины. Затем жидкость вместе с керном и шламом, последовательно проходя через центральный канал двойных труб, внутреннюю трубу сальника и керноотводящий шланг, поступает на поверхность. Выбуренная порода улавливается лотками керноприемного устройства, смонтированного над передвижной емкостью, которая позволяет создать замкнутую систему циркуляции промывочной жидкости и исключает необходимость отрыва отстойников.
В качестве промывочной жидкости используют техническую воду. Скважины бурят, не закрепляя обсадными трубами. Потери промывочной жидкости невелики даже в условиях, при которых обычное колонковое бурение с глинистым раствором сопровождается полной 128
9 Заказ 3871
потерей циркуляции. Применение комплекса позволяет получать практически 100%-ный вынос керна. При этом обеспечивается должная чистота керна, что дает возможность с высокой точностью по керновому материалу отражать изучаемый геологический разрез.
Установка обслуживается бурильщиком, помощником бурильщика и керноукладчиком. Выпускается Экспериментальным заводом геологоразведочного оборудования и приборов ВПО «Союзгеотехника».
Всепогодная установка КГК-В для бурения скважин с гидротранспортом керна на глубину 300 м выпускается Оренбургским заводом бурового оборудования. Она предназначена для бурения вертикальных поисково-картировочных и геологоразведочных скважин в породах II—IV категорий при круглогодичной эксплуатации. Стоимость установки 62 000 руб.
Этот завод выпускает также комплекс КГК-Т, предназначенный для бурения аналогичных скважин глубиной 300 м в труднодоступных районах, стоимость комплекса 52 000 руб. Помимо этого, выпускается комплекс КГК-300 для бурения скважин аналогичной глубины в породах II—IV категорий с пропластками пород до VII категорий, стоимость комплекса 51 788 руб.
Самоходная буровая установка УКБ-200/300С предназначена для колонкового бурения на твердые полезные ископаемые вертикальных и наклонных скважин в местности, доступной для автомобильного транспорта.
Техническая характеристика УКБ-20О/300С
Номинальная глубина скважин, м, при бурении породо-
разрушающим инструментом: алмазным ........................................... 300
твердосплавным ...................................... 200
Диаметр скважины, мм: начальный .......................................... 132
конечный ............................................ 59
Диаметр бурильных труб, мм ........................... 50
Частота вращения шпинделя, об/мин .................... 100; 200; 365; 655;
1020; 1500
Ход механизма подачи, мм ............................. 500
Максимальное усилие подачи, кН: вниз ............................................... 30
вверх ............................................... 40
Максимальная грузоподъемная сила лебедки, кН ....... 19,6
Скорость навивки каната на барабан лебедки, м/с ...... 1,35; 2.5; 3,85; 5,65
Длина свечи, м ........................................ 6,2
Высота мачты, м ...................................... 9,5
Тип бурового насоса ................................. НБ-120/40
Тип приводного двигателя .............................. Д144
Мощность двигателя, кВт ............................ 29,4
Частота вращения коленчатого вала, об/мин ............ 1600
Тип базового автомобиля ............................... ЗИЛ-131
Габаритные размеры установки в транспортном положении, мм ................................................... 9200x2500x3300
Масса установки (без прицепа), г .................... 10
Цена, руб............................................. 27 600
130
Установка УКБ-200/300С включает в себя собственно буровой станок УКБ-200/300. дизельный привод, базовый автомобиль, мачту со средствами механизации, труборазворот, буровой насос, укрытие, электрооборудование, двухосный прицеп, комплект запасных частей, инструмента и принадлежностей (табл. 4.9).
Таблица 4.9. Инструмент н принадлежности дли спуско-подъемных операций к усгановке УКБ-200/300С
11аимепование Шифр изделия или ГОСТ Цена за единицу, руб.—коп.
Ковш 45 Зажим 13 ГОСТ 2224—72 0-29 0-35
Сальник для труб диаметром 42 мм БИ-159.001.00В 21 -00
Элеватор-фарштуль с грузоподъемной силой 18 кН БИ-159.34.00А 9-60
Элеватор для бурильных труб диаметром 42 мм с грузоподъемной силой 25 кН 53.00.00 15-00
Установка выпускается Свердловским машиностроительным заводом им. Воровского.
Буровая установка УКБ-ЗСГ-Э предназначена для тех же целей, что и установка УКБ-200/300С. В отличие от последней она смонтирована на трелевочном тракторе ТТ-4 и приводится от тягового двигателя. На установке смонтирован генератор М-101 мощностью 60 кВт с частотой вращения 1500 об/мин. Габаритные размеры установки (мм): длина 10375, ширина 3000, высота 3870, масса 18 700 кг, стоимость 37400 руб. Установка выпускается Свердловским машиностроительным заводом им. Воровского.
Буровая установка УКБ-4 П. Буровой станок СКБ-4, входящий в установку УКБ-4П, предназначен для вращательного бурения с поверхности земли вертикальных и наклонных геологоразведочных скважин алмазным и твердосплавным породоразрушающими инструментами. Рекомендуется при инженерно-геологических изысканиях для бурения весьма глубоких скважин в скальных грунтах.
Техническая характеристика установки УКБ-4П
Глубина бурения, м ........................................... 500
Диаметр скважины, мм: начальный ................................................. 151
конечный ................................................... 59
Мощность привода станка. кВт ................................. 22
Частота вращения бурового снаряда, об/мин ................... 25—1615
Угол наклона скважины, градус ................................ 60—90
Длина бурильной свечи, м ..................................... 9,5
Максимальная грузоподъемная сила на крюке, кН .............. 50
Транспортная база ............................................ ТБ-15
Масса установки, кг .......................................... 16500
Стоимость без транспортной базы, руб.......................... 29330
9* 131
Рис. 4.23. Буровой станок СКБ-4:
/ станина; 2 рама; 3 — сцепление; 4— рукоятка сцепления; 5—рукоятка включения лебедки; 6, 9 рычаги тормозов, подъема и спуска; 7, 8—тормоза подъема и спуска; 10 рычаг коробки передач; 11—лебедка; 12—рукоятка раздаточной коробки; 13 трансмиссия; 14 — указатель давления; 15 вращатель; 16 гидросистема станка с автоперехватом; 17—дроссель; 18 -прибор управления; 19 регулятор подачи; 20 — распределитель; 21 — цилиндр перемещения станка
Компоновка станка СКБ-4 (рис. 4.23) аналогична отечественным и зарубежным шпиндельным станкам для бурения геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые, у которых лебедка расположена вдоль станка. Станок собран из отдельных узлов, основанием станка служит рама сварной конструкции. Станина станка по отношению к раме может перемещаться с помощью цилиндра двустороннего действия. Он снабжен гидрозамком, позволяющим фиксировать станину в любом положении. Трансмиссия станка состоит из двух скрепленных между собой редукторов—раздаточной коробки и коробки передач. Коробка передач—трехходовая пятиступенчатая—заимствована от ав-132
томобиля ЗИЛ-130. На станке закреплена лебедка планетарного типа с двумя тормозами колодочного типа. Помимо перечисленных узлов, станок включает в себя вращатель, верхний и нижний гидропатроны, гидроцилиндры подачи, сцепление, рычаги управления. Установка УКБ-4П выпускается Брянковским заводом бурового оборудования.
§ 5. Рекомендации по выбору различных буровых станков и установок
Основные факторы, определяющие выбор буровой установки — целевое назначение, глубина бурения, конечный диаметр скважин, характер и свойства проходимых грунтов, природные условия местности (рельеф, растительность, климат и др.).
Выбираемая буровая установка должна быть в достаточной степени эффективной технически и экономически, обладать хорошей транспортабельностью (в случае больших габаритных размеров и массы — возможностью разборки на отдельные транспортабельные блоки, а в случае самоходности — высокой проходимостью, маневренностью, достаточной скоростью передвижения), в случае необходимости обеспечивать возможность бурения несколькими способами, укомплектовываться надежным в работе и удобным в обращении буровым i вспомогательным инструментами, обеспечивать простоту проведения ремонта, возможность обслуживания минимальным числом рабочих с незначительной затратой ручного труда, удобство, простоту и безопасность работы.
Выбор буровых установок должен определяться условиями проведения буровых работ, в том числе глубиной и диаметром скважин. Не рекомендуется использовать установки для условий, не соответствующих их параметрам. При выборе типа бурового станка по транспортабельности необходимо руководствоваться указаниями табл. 2.3.
Выбираемый тип установки должен в наибольшей степени учитывать специфику работ данной конкретной организации. Следует стремиться, чтобы организация была укомплектована тремя-четырьмя марками однотипных станков. В этом случае существенно упрощается ремонтное обслуживание, создаются благоприятные предпосылки для специализации буровых бригад, и следовательно, повышения производительности труда, улучшаются организация и проведение буровых работ. Следует также учитывать возможность использования выбираемых установок для проведения других видов работ (полевых исследований грунтов с помощью навесного оборудования, бурения скважин большого диаметра специальным буровым инструментом и т. д.).
При инженерно-геологических и гидрогеологических изысканиях можно использовать несерийные станки и установки.
При выборе марки станка или установки для бурения инженерно-геологических скважин в зависимости от глубины скважин, проходимых грунтов и условий проведения работ можно руководствоваться табл. 4.10. В таблице указано только серийно выпускаемое оборудование.
133
а блица 4.10. Рекомендуемые станки н устанонки для бурения инженерно-геологических скважин
500С
134
§ 6. Новые перспективные разработки буровых панков
Пенетрационно-каротажная буровая установка ПКБУ-157-ЗИЛ предназначена для бурения инженерно-геологических скважин, проведения динамического и статического зондирования, вращательного среза грунтов и радиометрического каротажа.
Техническая характеристика ПКБУ-157-ЗИЛ
Максимальная глубина бурения, м .................. 25
Начальные диаметры скважин, мм, при бурении способом: шнековым ........................................ 320
ударно-канатным .................................. 168
колонковым ....................................... 146
вдавливающим ..................................... 127
Частота вращения инструмента, об/мин ............... 3—160
Максимальный крутящий момент, Н м ................ 2000
Грузоподъемная сила лебедки, кН ................... 10
Высота мачты, м .................................... 5
Базовый автомобиль ................................. ЗИЛ-157К
Привод рабочих узлов ............................... От двигателя ав-
томобиля
Привод рабочих органов ............................. Гидравлический
Габаритные размеры установки в транспортном положении, мм ................................................. 7550x2230x3000
Масса, кг .......................................... 8250
Буровая установка разработана Энергосетьпроектом и выпущена в виде опытных образцов.
Буровая установка МБУ-1 предназначена для бурения разведочных инженерно-геологических скважин преимущественно в мерзлых грунтах в отдаленных и труднодоступных районах. Установку можно использовать для бурения скважин колонковым способом («всухую»), медленно-вращательным, а в случае необходимости ударно-канатным способом до глубины 30—50 м начальным диаметром 219 мм. Масса установки 5000 кг, цена 38 105 руб.
Эта установка обладает следующими особенностями. В качестве транспортной базы использовано гусеничное шасси ГТ-CM, имеющее низкое удельное давление на грунт и специально предназначенное для эксплуатации в северных районах. Оно обеспечивает достаточно хорошую проходимость по бездорожью. На установке обеспечены удовлетворительные условия работы буровой бригады при низких температурах в результате использования утепленного укрытия. Шпиндель ротора дает возможность вращения инструмента на малой частоте, что позволяет получать керн мерзлого грунта с малонарушенным природным сложением. Собственно буровой агрегат размещен в середине гусеничного шасси, что позволяет размещать все буровые механизмы в утепленном укрытии. Особенность установки—ее гидрофицированность.
Опытные образцы при эксплуатации в северных районах страны показали хорошие результаты.
Установка разработана ПО «Стройизыскания» при участии ПНИ-ИСа и выпущена в виде опытных образцов Угличским ЭРМЗ Гидропроекта.
135
Буровой станок КрасТИСИЗа предназначен для бурения скважин преимущественно в мерзлых грунтах медленно-вращательным и ударным способами глубиной 15 м и начальным диаметром 152 мм. Масса станка без бурового снаряда составляет 351 кг, цена опытного образца 5430 руб.
Особенности станка таковы: станок разбирается на отдельные блоки небольшой массы, которые можно транспортировать вручную, гужевым и автомобильным транспортом, самолетом или вертолетом, на короткие расстояния станок можно транспортировать в собранном виде (на колесах) вручную или автомобилем, станок отличается компактностью и невысокой металлоемкостью, обеспечивает бурение с получением образцов мерзлого грунта с малонарушенной криогенной структурой; бурение ударно-вращательным способом можно осуществлять в полуавтоматическом режиме.
Агрегат вибрационно-вращательного бурения АВБ-3 предназначен для бурения инженерно-геологических скважин в породах 1—VII категорий по буримости вибрационным, вращательным «всухую», вибрационно-вращательным и ударно-канатным способами. Агрегат можно использовать при разведке россыпных месторождений, при картировочном бурении и бурении гидрогеологических скважин, а также для ударно-вибрационного зондирования грунтов. Глубина бурения скважин (м): вибрационным способом 20, ударно-канатным 40, вращательным 100. Начальный диаметр скважины 325 мм, масса установки 9900 кг.
Вибропогружатель—беспружинный вибромолот ВБ7М предназначен для бурения скважин вибрационным и вибрационно-вращательным способами, погружения и извлечения обсадных труб, ликвидации аварий, связанных с прихватом снаряда на забое, и производства ударно-вибрационного зондирования грунтов.
Техническая характеристика ВБ7М
Тип ........................................
Статический момент массы небалансов, кг • м ...
Угловая частота дебалансов, с 1 ...............
Вынуждающая сила, кН ..........................
Максимальный ход ударной части, м .............
Тип электродвигателя ..........................
Мощность электродвигателя, кВт ...................
Частота вращения электродвигателя, об/мин ........
Габаритные размеры, мм ...........................
Масса вибромолота, кг ............................
Беспружинный с центробежным вибровозбудителем 2,4 141,3 60 0,15
АВ2-51-4 асинхронный, короткозамкнутый, встроенный, повышенного скольжения 5,5 1460 610х480х 1530 550
Вибромолот ВБ7М отличается увеличенной вынуждающей силой, массой и повышенной погружающей способностью.
Агрегат АВБ-3 разработан конструкторским бюро Свердловского машиностроительного завода им. Воровского; выпущены опытные 136
образцы агрегата. КБ завода ведется также модернизация агрегата АВБ-2М. Предполагается организация серийного выпуска модификаций агрегата для ударно-вибрационного зондирования, а также для вибрационно-врашательного бурения скважин с навесным подвижным вращателем.
Самоходная буровая установка УБР-50ВУ предназначена для разведки россыпных месторождений на глубину до 50 м. Она обеспечивает ударное и вращательное бурение скважин. Частота ударов на первой скорости 43 в 1 мин, на второй 65, частота вращения ротора на первой скорости 93 об/мин, на второй—140, габаритные размеры в транспортном положении (мм): длина 8500, ширина 2930, высота 3650, масса 13 700 кг, стоимость установки с транспортной базой 60 000 руб. Установка выпускается серийной Стрыйским заводом «Металлист» Мингео СССР.
Буровая установка УВС предназначена для колонкового бурения весьма глубоких (до 300 м) инженерно-геологических скважин в основном при гидроэнергетических изысканиях, масса установки 1170 кг, цена 27 000 руб.
Она смонтирована на базе трелевочного трактора и включает в себя следующие узлы и механизмы: трактор ТДТ-55, буровой станок СБА-500, промывочный насос с подрамником, мачту, раму, редуктор, подставку, полухомут, гидропривод подъема мачты, рабочую площадку. Установка УБС разработана институтом «Гидропроект» и выпущена в виде опытных образцов.
Буровая установка КБУ-15 (УГБ-2ВС-75) предназначена для бурения скважин вращательным способом «всухую» глубиной до 50 м и конечным диаметром 205 мм, вращательным способом с прямой промывкой глубиной до 200—300 м и конечным диаметром 152—93 мм, вращательным способом с обратной промывкой глубиной до 100 м и конечным диаметром 100 мм, ударно-канатным способом глубиной до 100 м и конечным диаметром 300 мм, а также для бурения шурфов диаметром 1000 мм вращательным способом «всухую» глубиной до 20 м.
Развитие способа и оборудование для бурения
с очисткой забоя обратным потоком очистного агента'
В последние годы в мировой практике находит все более широкое распространение способ бурения скважин с обратной циркуляцией очистного агента с целью выноса на поверхность разрушенной породы и керна. Значительных успехов в создании специализированных установок для этих целей добились фирмы таких стран как Канада, США, Великобритания, Франция и ФРГ. Разработанные в этих странах установки с большой эффективностью применяются при
1 Раздел написан по материалам И. П. Петрова, И. П. Хаустова, С. Н. Сергеева, А. П. Полежаева.
137
разведке месторождений полезных ископаемых, бурении на воду, проведении строительных работ.
Существует несколько разновидностей и названий метода бурения геологоразведочных скважин с обратной циркуляцией очистного агента и непрерывным выносом кернового материала: бурение с гидро-и пневмотранспортом керна, с обратной циркуляцией промывочного агента, с двойной колонной бурильных труб, с непрерывным отбором проб. Во всех этих случаях используется один и тот же принцип, при этом бурильная колонна чаще всего выполнена из двух кон-центрично расположенных труб.
Использование колонны двойных бурильных труб для реализации способа бурения с обратным потоком очистного агента имеет ряд преимуществ: I) непрерывность отбора проб (вся разрушенная порода выносится с забоя на поверхность); 2) высокая механическая скорость и большая производительность; 3) сравнительно низкая стоимость бурения, обусловленная высокой производительностью и невысокими затратами на породоразрушающий инструмент и очистные агенты; 4) обеспечение незначительного искривления скважин в связи с уменьшением зазоров между стенками скважины и бурильной колонной; 5) исключение необходимости крепления стенок скважины обсадными трубами, так как промывочная жидкость циркулирует внутри бурильной колонны и размыв стенок скважины исключается; 6) снижение потерь промывочной жидкости при бурении в трещиноватых и кавернозных породах, так как исключена ее циркуляция в затрубном пространстве; 7) повышение выхода керна и его качества при использовании в качестве очистного агента воздуха или водовоздушной смеси.
Для бурения скважин указанным способом с двойной колонной труб могут быть использованы любые буровые установки. Однако определенными преимуществами обладают установки с подвижным вращателем.
В СССР создано и успешно применяется оборудование для бурения с гидротранспортом керна — комплексы КГК-100, КГК-300 и их модификации. Более чем десятилетняя эксплуатация этих комплексов на геологоразведочных работах показала их высокую эффективность и широкие возможности для дальнейшего внедрения в производство. Однако для инженерно-геологических изысканий эти комплексы вряд ли метут быть широко использованы. Во всяком случае этому должна предшествовать значительная подготовительная работа.
Как представляется, определенные перспективы в этом отношении имеет способ бурения с пневмотранспортом керна. Указанный способ обладает следующими преимуществами: 1) исключаются размыв, растворение и загрязнение керна; 2) улучшаются условия фиксации контактов слоев пород в геологическом разрезе (это объясняется тем, что частицы породы не загрязняются глинистым раствором, не смешиваются в скважине с частицами шлама вышележащих горизонтов и быстро выносятся на поверхность; 3) легко обнаруживается кровля водоносных горизонтов в скважине, не заполненной жидкостью; 4) повышаются выход и качество керна; 5) обеспечивается 138
непрерывность технологического цикла от забуривания до завершения скважины. Процесс бурения останавливают лишь для наращивания бурильной колонны, поскольку спуско-подъемные операции для извлечения керна, работа с колонковой трубой и необходимость в креплении стенок скважины обсадными урубами отсутствует. Это в свою очередь также приводит к улучшению качества отбираемого керна, так как исключает отрыв коронки от забоя и, следовательно, предупреждает загрязнение керна, обязательно происходящее при спуско-подъемных операциях.
В нашей стране бурение с пневмотранспортом керна с использованием двойных бурильных труб было впервые осуществлено кафедрой техники разведки Ташкентского политехнического института в 60-х годах. Были достигнуты скорости бурения 10—20 м/ч. В дальнейшем развитие этого способа связано с внедрением в производство комплексов КГК-100. В 1985—1986 гг. в ПГО «Центргеология» было осуществлено экспериментальное бурение гидрогеологических скважин с использованием КГК-100, но с пневмотранспортом керна. Для этого использовали компрессор ПК-15 с расходом 9 м3/мин. Были получены весьма перспективные результаты, однако в то же время была установлена необходимость разработки специализированного оборудования. На первом этапе было признано целесообразным создать такое оборудование на базе широко используемой в настоящее время буровой установки УРБ-ЗАЗ. Эти работы были начаты в ПГО «Центргеология» при участии кафедры механики МГРИ в 1986 г. Разрабатываемый комплекс включает в себя серийно выпускаемое, модернизированное и вновь разработанное оборудование.
К серийно выпускаемому оборудованию относится установка УРБ-ЗАЗ (рис. 4.24). Сжатый воздух подается от компрессора НВ-10. Процесс бурения с пневмотранспортом керношламового материала сопровождается интенсивным абразивным износом внутренних бурильных труб. Такой износ вызван большими скоростями движения воздуха с абразивными частицами выбуренной породы. Один из путей борьбы с этим явлением—добавка в воздух поверхностноактивных веществ (ПАВ). Кроме того, известно, что наличие в очистном воздушном агенте ПАВ способствует предотвращению осложнений и повышает транспортирующую способность воздушного потока. Поэтому в состав комплекса также включается буровой насос НБ-1.
С целью повышения эффективности процесса бурения, предотвращения подклиниваний керна во внутренней трубе, снижения сил трения труб о стенки скважины в комплекс оборудования включен вибромолот ВБ7 с модернизированной оснасткой, выполненной с целью уменьшения габаритных размеров вибромолота.
Комплекс также включает в себя вновь разработанное оборудование: вертлюг-сальник; ведущую бурильную трубу с каналами для подачи воздуха и центральным каналом для транспортирования керна и шлама; комплект двойных бурильных труб, обеспечивающих подачу сжатого воздуха на забой скважины, транспортировку керна и шлама по центральному каналу и передачу динамических нагрузок 139
& г
77777777)77777777^7777777^' Q '
10
11
Рис. 4.24. Комплекс оборудовании для бурении скважин вращательно-вибрационным способом с пневмотранспортом керна: 1 установка УРБ-ЗА-З; 2 роторная приставка; 3 вибромолот ВБ7; 4—вертлюг-сальник; 5—ведущая труба; б—система ввода ПАВ; 7—средство отбора проб; 8—компрессор НВ-10; 9—двойные бурильные трубы; 10—эксцентричный керноприемник; 11—породоразру-шаюпщй инструмент
от вибромолота породоразрушающему инструменту; эксцентричный керноприемник, выполняющий функции кернолома и одновременно устройства по предотвращению подклиниваний кернового материала; породоразрушающий Инструмент, который представляет собой специальные коронки, обеспечивающие транспортировку керна и шлама через центральный канал и имеющие каналы для подачи воздуха к твердосплавным резцам; роторную приставку для передачи крутящего момента ведущей штанге через элементы качения, что позволяет заменить трение скольжения на трение качения; средства отбора проб.
Основной параметр, характеризующий разработанный комплекс, внутренний диаметр керношламопровода, т. е. внутренний диаметр двойных бурильных труб и проходного канала в шпинделе вертлюга-сальника, равный 80 мм.
В конце 1987 г. на учебном полигоне МГРИ в районе г. Загорска было проведено предварительное опробование комплекса, которое подтвердило его перспективность, в том числе для инженерногеологических изысканий.
Установки для бурения шурфов
Шурфы при инженерно-геологических изысканиях можно проходить вручную, специализированными шурфопроходческими установками и буровыми станками. В последнем случае станкам придаются специальные породоразрушающие инструменты вращательного или ударного действия.
К специализированным и неспециализированным шурфопроходческим и ямопроходческим установкам относятся: БКГМ-66, МРК-1А, БКМ-483П, БМ-802С, БМ-202, ЛБУ-50, УГБ-50М, УГБ-1ВСГ, КБУ-15, УБСР-25М, МКГС-3, КШК-30А, УШ-16, КШС-20М. Установка ЛБУ-50, УГБ-50М, УГБ-1ВСГ, КБУ-15, УБСР-25М были описаны ранее. Остальные установки, за исключением КШК-30 и УШБ-16, на изысканиях применяются ограниченно.
ГЛАВА 5
ГРУЗОПОДЪЕМНОЕ, НАСОСНОЕ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И КОМПРЕССОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ БУРЕНИЯ
При бурении инженерно-геологических скважин применяется широкий комплекс грузоподъемного, насосного, энергетического и компрессорного оборудования. Привести подробные справочные данные по всему оборудованию не представляется возможным, поэтому
141
в настоящей главе будут представлены только выборочные сведения по наиболее часто употребляемому оборудованию, причем такому, которое используется непосредственно при буровых работах.
§ 1. Грузоподъемное оборудование в бурении
К грузоподъемному оборудованию, применяемому в бурении, относятся вышки и мачты, лебедки, канаты, элеваторы, фарштули, вертлюги-сальники и др.
Буровые вышки и мачты. При бурении инженерно-геологических скважин в подавляющем большинстве случаев используются передвижные буровые установки, оборудованные мачтами. Буровые станки, требующие сооружения над устьем скважины вышки или мачты, используются сравнительно редко и только при бурении глубоких и весьма глубоких инженерно-геологических скважин, в основном в скальных грунтах.
Буровые вышки, применяемые на изысканиях, подразделяются на деревянные и металлические. Чаще всего используют деревянные треноги, реже обшитые и необшитые деревянные четырехногие вышки. Стационарные металлические вышки применяют сравнительно редко. По пространственной геометрической форме буровые вышки делятся на пирамидальные, башенные (в виде усеченной пирамиды), призматические, А-образные и шестового типа.
Буровые мачты представляют собой неразборные, складывающиеся или разборные металлоконструкции, используемые при бурении скважин и монтируемые отдельно от бурового станка. Мачты состоят из собственно мачты и бурового здания. В буровом здании размещаются основное буровое оборудование и инструмент, здесь же монтируется основание мачты.
Собственно мачта состоит из несущего ствола, на котором монтируются кронблок, маршевые лестницы, площадки, некоторые приспособления для спуско-подъемных операций, а также из растяжек и основания (портала).
Лебедки при бурении скважин, как правило, являются неотъемлемыми узлами буровых станков и установок и только в отдельных случаях при бурении используют специальные отдельно поставляемые лебедки. Наибольшим распространением на изысканиях пользуются две фрикционные лебедки: Т-109 и Т-136.
Элеваторы и фарштули предназначены для спуска и подъема бурильных труб. Существует несколько типов элеваторов различной конструкции, грузоподъемности, степени автоматизации при эксплуатации и т. д. Серийно выпускаются неавтоматические элеваторы с кольцевым фиксатором, предназначенные для работы с бурильными трубами геологоразведочного сортамента. Элеваторы изготовляют в двух исполнениях: с серьгой штампованой цельнозамкнутой и с серьгой в виде проушины. Основные размеры элеваторов приведены в табл. 5.1.
142
Таблица 5.1. Основные параметры элеваторов для бурения геологоразведочных скважин
Шифр элева юра Грузоподъемная сила, кН Условный диамеч р ниппеля или замка, мм Выста элева-юра. мм Ширина зева, мм М асса злевачора, кг, с серьгой
номинальная максимальная целыю-замкну-юй в виде проушины
ЭК-2/3,2-32Н 20 32 32 500 25 8
ЭК-2/3.2-42Н 20 32 42 500 31 8 —
ЭК-5/8-42Н 50 80 42 600 31 16 —
ЭК-5/8-50Н 50 80 50 600 37 16 —
ЭК-8/12-50Н 80 120 50 600 37 20 16
ЭК-5/8-54Н 50 80 54 600 37 18 —
ЭК-5/8-42 50 80 42 600 42 20 —
ЭК-5/8-50 50 80 50 650 47 22 —
Фарштуль предназначен для проведения спуско-подъемных операций: он подхватывает колонну бурильных труб (свечу) под муфту замка.
Основные параметры фарштулеи дли бурения геологоразведочных скважин
Диаметр бурильных труб, мм ..................
Грузоподьемная сила, кН .....................
Высота, мм ..................................
Масса, кг ...................................
42 50 50
30 50 100
515 585 600
11,8 18,6 26,9
Вертлюги-сальники—соединительное звено между талевой системой и бурильной колонной, подвешенной к вращающейся части вертлюга. Через него промывочная жидкость подается из неподвижного нагнетательного шланга во вращающуюся колонну бурильных труб. С помощью вертлюга-сальника снаряд может удерживаться в подвешенном состоянии при перекреплении зажимного патрона вращателя бурового станка.
Параметры вертлюгов-сальников, применяемых на практике геологоразведочных работ
Тип вертлюга-сальника ВС-2,5 ВС-5 ВС-10 ВС-12,5/20
Грузоподьемная сила, кН Резьба (левая) под трубы диаметром. 25 50 10 20
ММ Максимальная частота вращения бу- 42 и 50 50 50 63,5
рового снаряда, об/мин Давление промывочной жидкости. 1200 900 600 1000
МПа 5 5 5 6,3
Высота, мм 580 670 845 780
Масса, кг 27,8 36.3 96.3 97
Кронблоки и талевые блоки грузоподъемные устройства, предназначенные для проведения спуско-подъемных операций.
Кронблок—часть талевой системы, неподвижно устанавливаемый на верхней площадке вышки. Он может иметь от одного до нескольких канатных роликов. Талевый блок -подвижная часть талевой системы, с которой соединяется колонна бурильных труб.
143
Параметры некоторых типов талевых блоков
Шифр блока ............................ УГБ-50М БИ-249-136
Грузоподъемная сила, кН ..................... 75 50
Число канатных шкивов ........................ 1 1
Диаметр, мм: шкивов ..................................... 310 300
каната .................................... 15 15
Габаритные размеры, мм: длина ...................................... 695 415
ширина ................................... 390 610
высота ................................... 195 —
Масса, кг .................................... 47 75
Канаты. Стальные канаты на изысканиях используют для самых различных работ. При бурении скважин их применяют для спуско-подъемных операций. Канаты для буровых установок обычно бывают свиты из шести прядей вокруг одного центрального сердечника.
Различают два основных типа свивки канатов: прямой, при котором проволоки в прядях и пряди в канате свиты в одном направлении, и крестовый, при котором проволоки в прядах и пряди в канате свиты в противоположных направлениях. Направление свивки может быть правое и левое.
На буровых установках применяют канаты в основном типов ТК6х37 (6 — число прядей в канате, 37 — число проволок в одной пряди) и ТК 6 х 19+1 проволока с органическим сердечником, причем предпочтение отдают первому типу канатов, отличающемуся большей гибкостью вследствие меньших диаметров проволок, входящих в прядь.
В табл. 5.2 приведены основные данные канатов некоторых типов крестовой свивки. Помимо указанных выше, на изысканиях также широко применяются канаты других типов.
Таблица 5.2. Канаты стальные типа ТК 6x37+1
Диаметр, мм Среднее разрывное усилие каната, кН Масса 100 м каната, ki Примерная цена 10 м каната, руб.— коп.
каната проволоки
Канаты стальные типа ТК 6 к. 37+1 проволока с органическим сердечником
4,8 0,22 11,1 7,93 1-00
5,2 0,24 15,1 9,42 1-02
5,7 0,26 17,6 11,07 1-08
6,1 0.28 23 12,85 1-14
6,7 0,31 24,1 15,74 1-23
7,4 0,34 30 18,93 1-37
8 0,37 31,8 22,51 1-44
8,7 0,4 34,3 26,27 1-59
11 0,5 53,4 40,86 2-05
13 0,6 72,2 59 2-57
15,5 0,7 104,5 80,27 3-22
17,5 0,8 137 104,8 3-93
19,5 0,9 173 132,6 4-80
22 1,1 215 164,6 5-73
24 1,3 260 199 6-79
144
Продолжение табл. 5.2
Диаметр, мм Среднее разрывное усилие каната, кН Масса 100 м каната, кг Примерная цена 10 м каната, руб.— коп.
каната проволоки*
Канаты стальные типа ТК 6x19 + 1 проволока с органическим сердечником
3,1 0,2 4,5 3,4 0-73
3,4 0,22 5,8 4,1 0-73
3,7 0,24 7,6 4,68 0-73
4 0,26 9 5,73 0-78
4,4 0,28 10,4 6,65 0-83
4,8 0,31 12,7 8,15 0-85
5,3 0,34 15,4 9,81 0-85
5,7 0,37 18,2 11,66 0-90
6,2 0,4 21,2 13,6 0-97
7,7 0,5 28,4 21,17 1-11
9,3 0,6 41 30,57 1-42
11 0,7 55,9 41,59 1-75
12,5 0,8 73,1 54,33 2-07
14 0,9 92,2 68,7 2-56
15,5 1 113,5 84,8 2-97
17 1,1 137,5 102,6 3-57
18,5 1,2 164 122 4-12
20 1,3 192,6 143,3 4-76
22 1,4 223,5 166,3 5-42
23,5 1.5 255 190.1 6-08
§ 2. Насосы для промывки скважин
Специальным конструкторским бюро ВПО «Союзгеотехника» разработан параметрический ряд плунжерных насосов, предназначенных для промывки скважин с помощью жидких очистных агентов. Этот ряд включает пять типоразмеров насосов, их основные параметры приведены в табл. 5.3.
Таблица 5.3. Основные параметры буровых плунжерных насосов
Шифр насоса Диапазон подачи, л/мин Число ходов в 1 мин Гидравлическая мощность, кВт Масса насоса, кг
НБ1-25/16 25 390 0,7 44
НБ2-63/40 16-63 80-350 2,5 257
НБЗ-120/40 15-120 95-250 5 630
НБ4-320/63 32—320 95-260 22 1250
НБ5-320/100 52-320 60-200 32 1600
Более подробные сведения о насосах, выпускаемых промышленностью (в том числе принадлежащих к параметрическому ряду), представлены в табл. 5.4.
§ 3. Компрессоры
При бурении скважин с продувкой возникает необходимость в использовании компрессоров для подачи сжатого воздуха. Часто для этой цели используют передвижные компрессоры, но иногда 10 Заказ 3871 145
Таблица 5.4. Технические характеристики некоторых плунжерных насосов
Параметры НБ-25/16 НБ-60/40 (НБ-17Э) ГР-16/40* НБЗ-120/40 НГР-250/50А
Подача, л/мин Максимальное давление, 25 1,6 30; 60 4; 2 32-327 4 15-120 4; 2 250 5
МПа 1 2 3 2
Число цилиндров (плун-
жеров) 45 90 63 85
Диаметр цилиндра (плунжера), мм ОД 40 6-48 60 140
Длина хода поршня (плун-
жера), мм Число двойных ходов поршня в 1 мин Диаметр (внутренний) рука- 390 175; 350 260 31-249 94
ва, мм: всасывающего 32 50 32 75 37 50 38 75 37
напорного Шифр двигателя 10 «Дружба»-4 АОЛ2-34-4 или А2-72-6 АО2-51-4 —
Мощность привода, кВт Габаритные размеры (без 3 А2-41-4ВМС 3 22 7,5 38
двигателя), мм: 745 325 365 44 785 1340 945 1146
длина 536 930 610 850
ширина 385 1080 400 945
высота Масса (без двигателя), кг 145 550 400 700
* Габаритные размеры и масса даны с двигателем.
10*
Таблица 5.5. Технические характеристики компрессоров, применяемых в СССР
Шифр компрессора База компрессора Подача, м3 мин Давление воздуха, МПа Тип приводного двигателя Мощ- НОСТЬ двигателя, кВт Габаритные размеры, мм Масса, кг
Длина Ширина Высота
0-39А Рама 0.25 0.7 Электродвигатель 3 1200 490 900 112
0-16А » 0,5 0.4 » 3 1175 430 840 168
ВУ-0.6/8 Стационарный 0.6 0,8 » 4.5 1040 745 655 312
К-75 Рама 1,25 0.7 » 10 1850 855 1470 770
ЭК-16 Стационарный 2,5 0,8 » 20 2000 957 1280 1560
БК-3/5 » 3 0,5 » 20 1446 860 1300 632
БУ-3/8 » 3 0,8 » 28 2410 1180 1398 1268
ксэ-зм » 3 0,8 » 20 1970 1000 1280 1110
пкс-зм Колесное шасси 3 0.7 ЗИЛ-1200 51.5 3545 1490 1235 1707
КС-5 То же 4,5 0,6 1-МА -— 4700 1870 1860 3000
ЗИФ-51 » 4.6 0,7 Электродви- гатель 45 3450 1820 1770 2306
КСЭ-5М Стационарный 5 0,8 » 40 2245 1035 1280 1725
ЗИФ-55 Колесное шасси 5 0,7 ЗИЛ-157 72 3450 1820 1770 2750
ПКС-5 То же 5 0,7 КАЗ-120 70 3830 1870 1550 2650
ЗИФ-ВКС-5 5 0,7 Электродвигатель 45 4255 1880 1715 3000
ЗИФ-55В 5,5 0.7 ЗИЛ-157М 78 3400 1820 1770 2050
ЗИФ-ПР-6 6,3 0,7 СМД-14А 56 3270 1750 2020 2300
ПВ-10 7 0.7 ЯМЗ-236 90 3370 1730 1870 3200
ЗИФ-ВКС-10 10 0,7 КМД-46 68 3100 1180 1513 4650
применяют и малогабаритные, устанавливаемые на платформах буровых установок. Нередко сжатый воздух при бурении используют для вспомогательных целей (для извлечения керна из колонковой трубы, проведения опытных откачек и др.).
Передвижная компрессорная установка представляет собой устройство, состоящее из компрессора, двигателя и вспомогательного оборудования, смонтированного на прицепной тележке или раме.
Технические характеристики некоторых отечественных компрессорных установок, наиболее широко применяемых при бурении, приведены в табл. 5.5.
§ 4. Генераторы и электростанции
Электростанцией называется автономный источник электроэнергии, предназначенный для электроснабжения буровых установок и других потребителей, электро а грега том—комплексная установка, состоящая из двигателя внутреннего сгорания и генератора, смонтированных на общей раме. Электроагрегат комплектуется щитом управления и вспомогательным электрооборудованием.
Электростанции, применяемые на изысканиях, делятся на передвижные, полустационарные и стационарные. Некоторые буровые установки оборудованы собственными электростанциями.
Наиболее важный узел электростанций—генератор. Чаще всего используют синхронные генераторы. Генераторы могут иметь независимое возбуждение и самовозбуждение. Наибольшее распространение при геологоразведочных и изыскательских работах получили генераторы серий ДГС, ДГФ и СГД мощностью 10—300 кВт с машинным возбудителем. Генераторы унифицированной серии ДГС используют в передвижных дизельных электростанциях. Марка такого генератора расшифровывается следующим образом: например, ДГС-81-4ЩФ-2—дизельный генератор, синхронный, восьмого габарита, первой длины, четырехполюсный с двумя щитками и фланцем для крепления к двигателю.
Генераторы с машинным возбуждением других серий в конструктивном отношении мало чем отличаются от генераторов серии ДГС. Генераторы серии ДГФ применяются в дизель-электрических агрегатах АД мощностью 30— 50 кВт , а генераторы серии СГ — в передвижных электростанциях ЖЭС.
В изыскательском производстве применяют в основном две серии генераторов с самовозбуждением: ГАБ и ЕСС. Генераторы серии ГАБ используются только в электроагрегатах с карбюраторным двигателем, а ЕСС — в агрегатах с карбюраторным и дизельным двигателями. Генераторы серии ЕСС находят применение в автоматизированных электрических агрегатах типа АСДА мощностью 20—25 кВт, а серии ГАБ — в агрегатах АБ мощностью 0,5—16 кВт.
Бензоэлектрические агрегаты представлены единой серией АБ мощностью 0,5; 1; 2; 4; 8; 12 кВт. Состоя! они из карбюраторного 148
двигателя, генератора однофазного, трехфазного или постоянного тока, блока аппаратуры управления и приборов, топливного бака, рамы и кожуха. Двигатель соединяется с генератором при помощи фланца.
Агрегаты одной мощности и различного исполнения между собой унифицированы, также унифицированы и блоки приборов в пределах агрегатов нескольких мощностей.
Из всего многообразия типов дизель-электрических агрегатов к числу унифицированных в настоящее время относятся серии АД, АДА, АСД, АС.
Дизель-электрические агрегаты серии АД можно применять при следующих условиях: температура окружающего воздуха от —40 до + 50' С, относительная влажность воздуха до 98%, высота над уровнем моря до 1000 м. Они нечувствительны к перевозкам, допускают воздействие атмосферных осадков, запыленности.
Подобно бензоэлектрическим дизель-электрические агрегаты одной мощности и разного исполнения унифицированы, а блоки приборов унифицированы в пределах нескольких типоразмеров. Дизель-агрегаты состоят из дизельного двигателя, генератора, распределительного устройства, рамы, топливного блока, капота. Жестко соединенные между собой двигатель и генератор образуют единый блок, который устанавливается на раме на резинометаллических амортизаторах.
Чаще всего на изысканиях используют передвижные электростанции. Они представляют собой комплексные установки, смонтированные на каком-либо транспортном средстве (чаще всего на одно-или двухосном колесном автомобильном прицепе), защищенные от атмосферного воздействия и предназначенные для электроснабжения передвижных или стационарных потребителей.
Отечественная промышленность выпускает единую серию передвижных электростанций типа ЭСД, параметры которых представлены в табл. 5.6.
Таблица 5.6. Параметры передвижных силовых электростанции
Марка электростанции Мощность, кВт Напряжение, В Сила тока, А
ЭСД-5-Т/230 5 2.30 15,7
ЭСД-10-Т/230/400 10 230/400 31,5/18
ЭСД-20-Т/230/400 20 230/400 6.3/36
ЭСД-30-Т/230/400 30 230/400 94/54
ЭСД-50-Т/230/400М 50 230/400 156/91
ЭСД-75-Т/230 400М 75 230/400 236/136
ЭСД-100-Т/400М 100 400 180
Марка электроагрегата Марка автомобильного прицепа Масса, кг
АД-5-Т/230 1 П-1,5 1390
АД-10-Т/230/400 1П-1,5 2000
149
Продолжение табл. 5.6
Марка электроагрегата Марка автомобильного прицепа Масса, кг
АД-20-Т/230/400 2ПН 3600
АД-30-Т/230/400 2ПН-2 3590
АД-50-Т230/400М 2ПП-4 5900
АД-75-Т/230/400 2ПН6 7700
АД-100-Т/400 МАЗ-5207В 8500
§ 5. Электродвигатели
В изыскательской практике наиболее широко применяются асинхронные электродвигатели мощностью 0,6—100 кВт преимущественно единой серии А2. Двигатели этой серии выпускаются двух типов: в защищенном исполнении А2 и в закрытом обдуваемом исполнении АО2. Серия А2 с диапазоном мощности от 0,4 до 1000 кВт выполнена в девяти габаритах с двумя осевыми длинами в каждом габарите, т. е. 18 типоразмеров. В закрытом обдуваемом исполнении выпускаются двигатели всех габаритов, а в защищенном исполнении—только с шестого по девятый. Все двигатели выпускаются в чугунных оболочках, а с первого по четвертый габарит—в алюминиевой. При наличии облегченной алюминиевой оболочки в обозначение вводится буква Л (АОЛ2). Обозначение типов двигателей расшифровывается следующим образом: А—асинхронный, О—обдуваемый, Л — с легкой алюминиевой оболочкой, 2—индекс серии. Далее пишутся: первая цифра—габарит (порядковый номер наружного диаметра статора), вторая цифра — порядковый номер длины статора, последняя цифра—число полюсов. Например, электродвигатель АО2-71-4 расшифровывается следующим образом: асинхронный, обдуваемый, седьмого габарита, первой длины с четырьмя полюсами, т. е. с частотой вращения 1500 об/мин. Все двигатели серии А2 и АО2, кроме скоростных, рассчитаны на напряжение 220/380 В, номинальную частоту 50 Гц и имеют частоту вращения вала 3000, 1500, 1000, 750, 600 об/мин. На базе двигателей единой серии имеется несколько их модификаций, АП2 и АОП2—с повышенным пусковым моментом Л/П = (1,7л-2)Л/Н; АС2 и АОС2—с повышенным скольжением; АК2 и АОК2—с фазным ротором.
Определенный интерес для изысканий представляют электродвигатели модификации АО2-СХТЗ, предназначенные для условий эксплуатации повышенной сложности. Они могут длительно работать при напряжении сети до 70% от номинального с сохранением номинального момента.
Электродвигатели новой серии 4А охватывают диапазон мощностей 0,12—400 кВт, напряжение до 660 В, высота от оси вращения 56—355 мм. По сравнению с серией А2 двигатели серии 4А имеют ряд преимуществ: меньшую массу, меныпие габаритные размеры, большие пусковые моменты, меньший уровень шума и вибрации, большую надежность при монтаже и эксплуатации. В серии 4А предусмотрены следующие исполнения: 1) основное—трехфазные дви-isn
гатели общего назначения; 2) модификации—с повышенным пусковым моментом, с повышенным скольжением, десяти- и двенадцатиполюсные, многоскоростные на частоту 60 Гц. однофазные; 3) специализированные по конструкции (например, встроенные); 4) специализированные по условиям применения (влагоморозостойкие, химически стойкие, тропические). Обозначение двигателя 4ЛА90ГВ-4 расшифровывается следующим образом: 4—номер серии, А — асинхронный, А—с алюминиевой станиной, 90—с высотой оси вращения 90мм, L—с соответствующим установочным размером, В—с соответствующей длиной сердечника, 4—с четырьмя полюсами.
§ 6. Двигатели внутреннего сгорания
При инженерных изысканиях достаточно широкое распространение получили различные двигатели внутреннего сгорания в качестве силовых установок для привода буровых станков и установок, насосов, глиномешалок и др.
Двигатели внутреннего сгорания по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси (топлива и воздуха) делятся на две основные группы: 1) двигатели, у которых смесеобразование происходит в специальных устройствах—карбюраторах, вне цилиндров двигателей, с воспламенением от постороннего источника зажигания (карбюраторные, газовые); 2) двигатели, у которых рабочая смесь образуется в цилиндрах с воспламенением от сжатия (дизели).
Карбюраторные двигатели работают на легком жидком топливе (бензине) с плотностью (0,75—0,78) • 103 кг/м3, дизельные—на тяжелом жидком топливе (дизельном) с плотностью (0,83—0,85) х 103 кг/м3.
Карбюраторные двигатели вследствие малой массы, небольших габаритных размеров, достаточно простого устройства, легкого пуска, быстроходности и надежности в работе получили особенно широкое распространение. Технические характеристики некоторых карбюраторных двигателей приведены в табл. 5.7.
Таблица 5.7. Технические характеристики карбюраторных двигателей
Марка двигателя Номинальная мощность, кВт Номинальная частота вращения, об/мин Масса (без горючего и смазки), кг Габаритные размеры, мм
Длина Ширина Высота
2СДВ 1,47 3000 21 302 310 392
Л-3/2 2,21 2200 72 510 515 780
УД-1 2,94 3000 70 435 485 555
УД-15 2,94 3000 41 435 500 535
«Дружба-4» 3,31 5400 5,5 200 220 260
Л-6/3 4,41 2200 92 550 475 825
Д-300 4,41 3000 95 320 400 620
УД-2 5,88 3000 95 550 485 555
УД-2,5 5,88 3000 52 690 500 565
Л-12/4 8,82 2200 147 760 575 950
ГАЗ-МКБ 14,71 1500 182 — -—- —
151
Дизельные двигатели в изыскательской практике используют для привода буровых станков, генераторов постоянного и переменного токов и различного вспомогательного оборудования. Технические характеристики некоторых дизельных двигателей приведены в табл. 5.8.
Таблица 5.8. Технические характеристики дизельных двигателей
Марка двигателя Номинальная мощность, кВт Номинальная частота вращения, об/мин Масса (без горюче-го и смазки), кг Габаритные размеры, мм
Длина Ширина Высота
14-8,5/11 4,41 1500 170 525 475 840
24-8,5/11 8,82 1500 250 680 485 850
44-8,5/11 17,65 1500 310 920 490 920
64-8,5/11 26,47 1500 430 1185 490 925
14-10,5/13 7,35 1500 266 650 489 870
24-10,5/13 14,71 1500 360 795 489 880
44-10,5/13 29,41 1500 516 1250 660 970
64-10,5/13 44,12 1500 720 1570 710 1120
Д-16 11,76 1600 210 620 590 770
Д-20 13,24 1600 410 950 642 915
Д-21 14,71 1600 280 679 582 950
Д-30 22,06 1600 325 795 540 755
Д-37М 29,41 1600 380 951 590 810
Д-37Е 36,76 1800 390 —- — —
Д-40Т 33,09 1500 700 — — —
Д-40М 33,09 1500 660 1033 701 973
Д-48 35,29 1600 630 — — —
Д-50 40,44 1700 410 962 571 1008
Д-54 39,71 1300 1150 1535 848 1905
Д-60Т 44,12 1500 1100 — —
СМД-7 47,79 1700 575 1600 670 1120
СМД-14 55,15 1700 650 1300 780 1070
Д-75 55,15 1100 1100 1517 805 1825
Д-75АТ 55,15 1500 1500 1535 848 1271
КДМ-46 66,18 1050 2100 1848 988 2005
КДМ-100 73,53 1050 2130 1843 988 1661
ГЛАВА 6
ЗАБОЙНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
И ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ
В главе кратко описывается наиболее часто применяемый серийный инструмент, а также инструмент несерийного изготовления, т. е. такой, который может быть изготовлен силами ремонтно-механических мастерских полевых партий и экспедиций.
152
§ 1. Гидроударники
Л
В состав инструмента для гидроударного бурения входят собственно гидроударники, породоразрушающий инструмент, кернорватели, одинарные и двойные колонковые трубы, шламовые трубы и т. д.
Технические характеристики гидроударников приведены в табл. 6.1. Все основные типы гидроударников разработаны в СКВ ВПО «С оюзгеотехника».
В зависимости от области применения выпускаемые в настоящее время гидроударники подразделяются на два основных типа: нормального ряда (Г-7 и Г-9) и высокочастотные (ГВ-5 и ГВ-6).
В табл. 6.2 представлены технические характеристики унифицированных гидроударных машин Г-76 и Г-59, предназначенных для бурения разведочных скважин. Машины могут работать в двух режимах — ударном (шифр с буквой У) и высокочастотном (шифр с буквой В). Они заменяют гидроударники Г-7, ГВ-5 и Г-9, ГВ-9.
Таблица 6.1. Технические характеристики разведочных гидроударников
Параметры Г-7 Г-8 ГВ-5 ГВ-6
Диаметр, мм:
наружный 70 85 73 57
скважины 76 95; 115 76; 93 59
Промывочная жидкость Вода Вода. глинистый раствор
Расход жидкости, л/мин 100-220 ^200 140-160 80 100
Перепад давления, МПа 1,2 1,53 < з 1,5—2 0,5—0,8
Энергия единичного удара, Дж 40 80 12 18 5—8
Число ударов в 1 с 20 20 47—57 42—53
Длина, м 2 2,8 1,28 1,57
Масса, кг 41 100 30 25
Срок службы, ч Межремонтный период, ч 300 30 500(300) 30(15) — —
Категория пород по буримости VII —X VII X IV—XII IV XII
Примечание. В скобках приведены данные для глинистого раствора
Таблица 6.2. Технические характеристики унифицированных гидроударников
Параметры Г-76У Г-76В Г-59У Г-59В
Категория буримости пород Диаметр, мм: VII X IV VIII VII X IV VIII
скважины 76 76 59 59
корпуса 70 70 54 54
Тип резьбы для соединения с бурильной колонной 3-50 3-50 3-42 3-42
Очистной агент Техническая вода Глинистый раствор
Расход очистного агента, л/мин 180—200 100-130 100- 130 50—80
153
Продолжение табл. 6.2
Параметры Г-76У Г-76В Г-59У Г-59В
Перепад давления в гидро- 1,2 1,5 1,0 - 1,5 1.2—1,5 1,0—1,5
ударнике, МПа
Энергия единичного уда- 60 80 20- -25 50—60 10—15
ра, Дж
Частота, Гц 23 33 -42 20 33—47
Длина, мм 1850 1850 1825 1825
Масса, кг 39 39 23 23
§ 2. Пневмоударники
ЦНИГРИ разработаны комплексы технических средств для пнев-моударного бурения. Комплекс РП предназначен для бурения геологоразведочных скважин при разведке коренных месторождений твердых полезных ископаемых, комплекс КПР—для бурения на россыпных месторождениях, в районах распространения мерзлых пород.
В комплексы входят пневмоударники (табл. 6.3), одинарные или двойные колонковые трубы, соответствующий породоразрушающий инструмент, шламовые трубы.
Привод пневмоударников осуществляется от компрессоров, имеющих подачу до 10 м3/мин и давление сжатого воздуха от 0,7 МПа.
§ 3. Пневмопробойники
Устройство для бурения инженерно-геологических скважин включает в себя утяжеленную бурильную трубу УБТ диаметром 108 мм, пневмопробойник и грунтозаборные стаканы.
Нижний конец УБТ снабжен переходником для подсоединения к пневмопробойнику, а верхний — переходником для закрепления воздухоподводящего патрубка и проушины под коуш. Утяжеленная труба предназначена для стабилизации реактивных толчков корпуса и улучшения центровки пневмопробойника с грунтозаборным стаканом в скважине.
В качестве ударного механизма используют пневмопробойники ИП-4601, ИП-4603 и ПР-400, разработанные Институтом горного дела Сибирского отделения Академии наук СССР. Пневмопробойники предназначены для пробивки горизонтальных отверстий при строительстве и ремонте железных дорог. Для использования пневмопробойников при бурении вертикальных скважин в пневмопробойник внесены некоторые конструктивные изменения: в нижней его части закреплен переходник для присоединения грунтозаборного стакана, в верхней части—амортизатор с переходником (приставка ИП-46, разработанная Опытно-методической партией новой техники в Туркменской ССР) для подсоединения к УБТ и обратный клапан.
154
Таблица 6.3. Технические характеристики разведочных пневмоударников
Параметры РП-94 РП-111 РП-130 (РП-130М)
Диаметр, мм: 111 130
корпуса по выступам 94
скважины 96 113 132, 161 184, 216
Глубина бурения в породах, м:
необводненных 250 250300 250—300
обводненных 100 100 100
Общий расход воздуха, м3/мин 5 7 -8 8—10
В том числе на работу пневмоударника 2,7 4 6.5
Давление воздуха, МПа 0,6—0,7 0,6—0,7 0,6 0,7
Энергия единичного удара, Дж — 140 160 250 300
Частота ударов в 1 с — 24,2 25 15—18,3
Ресурс, ч 400 400
Длина, м 1,077 1,125
Масса, кг — 48 62
Технические характеристики пневмопробойников приведены
в табл. 6.4.
Таблица 6.4. Технические характеристики пневмопробонников
Параметры ИП-4601 ИП-4603 ПР-400
Расход воздуха, м3/мин 3 3,5 6
Номинальное давление, МПа 0,6 0,6 0,6
Энергия единичного удара, Дж 230 250 750
Число ударов в 1 с 6,3 6,5 5
Диаметр пневмопробойника, мм 125 130 150
Длина пневмопробойника, мм 1500 1500 1600
Диаметр скважины, мм 200 300 500
Глубина бурения скважин, м 50 50 50
Масса, кг 80 80 120
Масса с амортизатором, кг — 120 —
Цена пневмопробойника ИП-4603 — 800 руб. Привод пневмопро-
бойников может осуществляться от стационарного компрессора КТ-6 или КТ-7, устанавливаемого на платформе буровой установки.
§ 4. Породоразрушающий инструмент для бурения скважин колонковым способом
В состав инструмента для колонкового бурения входят породоразрушающие инструменты, расширители, кернорватели, колонковые и бурильные трубы, промывочные сальники, вспомогательный инструмент и принадлежности.
На инженерных изысканиях при колонковом бурении, которое в рыхлых и мягких породах чаще всего осуществляется «всухую», используются твердосплавные коронки, основные размеры, типы и область применения которых приведены в табл. 6.5 и 6.6.
На рис. 6.1 представлены коронки типа М, относящиеся к так называемому ребристому типу коронок.
155
Для алмазного бурения применяют алмазный породоразрушающий инструмент различного типа.
Таблица 6.5. Основные размеры твердосплавных коронок (мм)
Наружный диаметр коронок Предельные отклонения по наружному диаметру для коронок типа Внутренний диаметр для коронок типа Предельные отклонения по внутреннему диа-ueipy для коронок типа
м СМ, СТ, С А м СМ, СТ, СА м СМ, СТ, СА
36 — ±0,4 -0',1 21 — ±0,2 -О',6
46 ±0,4 —0',1 — 31 — ±0,2 -О',6
59 ±0,4 -0',1 — 44 — ±0,2 -О',6
76 — ±0,5 -О',3 59 ±0,2 -О',8
93 ±0,4 ±0,5 -0',3 57 75 ±0,5 +0,2 -О',8
112 ±0,4 ±0,6 -0',3 73 94 ±0,5 +0,3 -О',8
132 ±0,4 ±0,6 -О',5 92 114 ±0,5 + 0,4 -О',8
151 ±0,4 ±0,6 -О',5 112 133 ±0,5 +0,4 -О',8
Таблица 6.6. Основные типы и область применении твердосплавною породораз-рушающего инструмента
Тип коронки Область применения Наружный диаметр £>н, мм
Ml Породы 1 III категорий по буримости. Суглинки, глина, торф, мел и другие рыхлые породы без включений более крепких пропластков 93; 112; 132; 151
М2 Породы II—IV категорий по буримости. Глина, сцементированные песчаники, глинистые алевролиты, мергели, неплотные, известняки и другие с включением более крепких пород типа небольших пропластков, известняков V VI категорий, окремнелых известняков и др. 93; 112; 132; 151
М5 Породы П—IV. частично V категорий по буримости. Глины, слабосцементированные песчаники, гипсы, ангидриты, филлиты, алевролиты и др. Допускается наличие более крепких пропластков и включений 93; 112; 132; 151
СМ3 Малоабразивные монолитные породы IV VI категорий по буримости. Аргиллиты, глинистые и филлитовые сланцы, доломиты, гипсы, известняки, алевролиты и др. 36; 46; 59; 76; 93; 112; 132; 151
СМ4 Малоабразивные монолитные и перемежающиеся породы V, VI и частично VII категорий по буримости. Алевролиты, аргиллиты, глинистые и песчаные сланцы, известняки, слабые песчаники, базальты, дуниты и др. 76; 93; 112; 132; 151
156
Рис. 6.1. Твердосплавные коронки типа М:
а—Ml; б—М2; в—М5; I—корпус; 2 ребро; 3—твердосплавная пластина (резец)
Продолжение табл. 6.6
Тип коронки Область применения Наружный диаметр D„ мм
СМ5 Малоабразивные монолитные и слаботрещиноватые 36; 46; 59;
породы VI, VII категорий по буримости. Доломиты, известняки, глинистые и песчаные сланцы, серпентиниты и др. 76; 93; 112; 132; 151
СМ6 Малоабразивные, трещиноватые и перемежающиеся породы VI, VII категорий по буримости. Доломиты, известняки, серпентиниты, перидотиты, дуниты и др. Малоабразивные трещиноватые и перемежающиеся породы IV—VI категорий по буримости. Известняки, доломиты, частично окремненные сланцы с твердыми включениями и др. 46; 59; 76; 93; 112; 132; 151
СТ2 46; 59; 76; 93; 112; 132; 151
СА1 Абразивные плотные тонко- и мелкозернистые монолитные породы VI—VIII категорий по буримости. Песчаники, песчанистые сланцы, грубые алевролиты, порфириты, габбро и др. 36; 46; 59; 76; 93; 112; 132
СА2 Абразивные монолитные и перемежающиеся породы VI—VIII, частично IX категорий по буримости. Песчаники, алевролиты, диориты, габбро, порфириты, окварцованные известняки и др. 36; 46
157
Продолжение табл. 6.6
Тип коронки Область применения Наружный диаметр £>и, мм
САЗ Абразивные монолитные и перемежающиеся породы VI VIII, частично [X категорий по буримости. Песчаники, алевролиты, диориты, габбро, порфириты, окварцованныс известняки и др. Абразивные монолитные и слаботрещиноватые породы VI—VIII, частично IX категорий по буримости. Габбро, порфириты, диориты, дациты, диопсидо-магнетитовые и гранатовые скарны, пи-роксениты и др. 93; 112 132
СА4 46; 59; 76; 93; 112; 132
СЛ5 То же, что и для СА2 59; 76
СЛ6 То же, что и для САЗ 93; 112; 132
§ 5. Инструмент для бурения скважин гидроударниками
В состав снаряда для бурения гидроударниками входят породоразрушающий инструмент, колонковая труба, кернорватель, переходник, собственно гидроударник, бурильные трубы.
Породоразрушающий инструмент отличается большими сечениями для прохода очистного агента (воды, раствора). Типы и область применения инструмента приведены в табл. 6.7.
Таблица 6.7. Типы и область применении 1юродоразру1пак>|цего инструмента для бурения гидроударниками
Тип поро-доразру-шающего инструмента Диаметр, мм Число резцов Высота коронки, мм Масса коронки, кг Область применения
на- ружный внутренний
КГ1 96 68 4 118 1,5 Вязкие и пластичные породы
115 87 1,75 VII VIII категорий по буримости
КГ2 96 68 6 118 1,6 Однородные и переслаивающиеся
115 87 1,85 породы VI- X категорий по буримости
КГЗ 76 52 4 118 0,99 Породы VII—X категорий по
115 87 буримости
93 65 4 118 1,5 Породы высокой абразивности
112 84 1,62 VI —VIII категорий по буримости
ГПИ-48М 96 68 6 118 1,4 Крепкие трещиноватые и разру-
115 87 шенные породы VIII—X категорий по буримости
КГ4 76 42 6 120 0,9 Пластичные и вязкие породы
93 59 1,9 V—VI категорий по буримости
112 78 8 120 2,2
158
Продолжение табл. 6.7
Тип поро-доразру-шающего инструмента Диаметр, мм Число рез-нов Высота коронки, мм Масса коронки, кг Область применения
наружный внутренний
КГ5 59 39 4 160 3,83 Монолитные породы VII—X категорий по буримости
ГПИ-121М 59 39 6 160 3,87 Трещиноватые и абразивные породы VIII- X категорий по буримости
При гидроударном бурении использую! коронки и долота следующих специальных конструкций: а) породоразрушающий инструмент для повышения выхода керна и улучшения его качества (коронки ГПИ 101, ГПИ 74МВС, ГПИ 126МС); б) долота в комплексе с ловушками, предназначенные для очистки забоя от осколков твердого сплава (долота типа Д с наружными диаметрами 115; 96; 92; 74 и 58 мм; долота Д-76М и Д-59М); в) породоразрушающий инструмент для призабойного калибрования и разбуривания скважины (гидроударно-шарошечные расширители ГПИ 70М и ГПИ 132М, снаряд 175—76 для призабойной калибровки скважины).
§ 6. Инструмент для бурения пневмоударниками и пневмопробойниками
Породоразрушающий инструмент для бурения скважин пневмоударниками предназначен для использования в породах различной крепости и абразивности, VIII—X категорий по буримости, монолитных и трещиноватых.
Все типы коронок для бурения одинарными колонковыми наборами с помощью пневмоударников имеют один общий шифр КП. Технические характеристики коронок КП приведены в табл. 6.8.
Коронки КП-161, КП-184 и КП-216 предназначены для бурения скважин при разведке россыпных месторождений.
Колонковые снаряды для пневмоударного бурения делятся на одинарные типа ТМ и двойные типа ТДП. Одинарные снаряды
Таблица 6.8. Технические характеристики коронок для бурения пневмоударниками
Параметры КП-96 КП-113 КП-132 КП-151 КП-161 КП-184 КП-216
Диаметр, мм: наружный 96 113 132 151 161 184 216
внутренний 64 79 92 113 119 142 171
Число вставок 6 8 12 12 12 12 12
твердого сплава Масса, кг 2,8 3,2 4.5 5,6 4,2 5,8 8,5
159
Рис. 6.2. Коронка для бурения рыхлых грунтов пневмопробойником
включают колонковую трубу и коронку типа КП; колонковая труба (толстостенная с толщиной стенки 6—7 мм) снабжена на концах слабоконической резьбой. Для срыва и удержания керна используются кернорвательные скобы, вмонтированные в коронку.
Породоразрушающий инструмент для бурения скважин пневмопробойниками во многом аналогичен инструменту для вибрационного бурения, и гот и другой используются только для бурения рыхлых и мягких пород.
В качестве породоразрушающего инструмента применяют стаканы с продольной прорезью или разъемные стаканы с вкладышами. Коронки для бурения в крупнообломочных грунтах армируют пластинами твердого сплава или наплавляют твердый сплав с последующей заточкой. По данным Е. И. Танова и Р. А. Исмаилова, стаканы с продольной прорезью (угол выреза 140—160") рекомендуются для бурения глинистых грунтов. Для менее устойчивых грунтов используют стаканы с двумя узкими прорезями. Опыт показал, что для связных глинистых грунтов породоразрушающий инструмент (башмак) должен иметь наружный скос, а в неустойчивых породах, особенно в песках, скос должен быть внутренним. При бурении вязких и сухих глин целесообразно использовать тонкостенные стаканы без башмаков. Стаканы с клапанами при пневмопробойном бурении использовать не рекомендуется из-за значительных сопротивлений.
Рациональная конструкция башмака для бурения пневмопробойником (как и при бурении скважин забивным и вибрационным способами) показана на рис. 6.2. Башмаки изготовляют из стали марки 40Х.
Основные размеры башмаков для бурения нневмопробойником,
мм
£>к........................................... 110 127
£>„........................................... 114 127
Д,(............................................. 96 114
Do.............................................. 92 110
Z>3............................................. 101 120
Dp.............................................. 103 122
160
Для бурения сухих песков и других неустойчивых пород рекомендуется применять специальный грунтозаборный стакан. Для бурения плотных грунтов может быть применен разъемный стакан с вкладышами.
§ 7. Инструмент для ударно-канатного бурения скважин кольцевым забоем
В комплект основного бурового инструмента для ударно-канатного бурения кольцевым забоем входят забивные стаканы (зонды, гильзы), ударные патроны, утяжеленные штанги, желонки, долота и др.
На рис. 6.3 показан комплект бурового инструмента и принадлежностей к установке БУГ-75. Инструмент освоен и выпускается Угличским экспериментальным ремонтно-механическим заводом Гидропроекта.
Забивные стаканы выпускаются двух видов: без клапана (для бурения в связных грунтах) и с клапаном (для бурения в несвязных грунтах). В связных глинистых грунтах обычно применяют стаканы с одним или двумя продольными окнами, позволяющими описывать геологический разрез и очищать стаканы от породы. В нижней части стаканы оборудуются рабочим кольцом (башмак) с упрочненной режущей кромкой.
Наружный диаметр башмака делают несколько большим, а внутренний несколько меньшим, чем соответствующие диаметры собственно стакана. Как показали исследования автора, выполненные совместно с В. А. Барашковым, при забивном бурении, характеризующимся небольшими длинами рейсов, выступы на башмаках дают положительный эффект только в том случае, если длина рейса превышает 0,3 м (для всех грунтов). В случае меньших длин рейсов выступы на башмаках нецелесообразны. При длине рейса более 0,3 м величина выступов должна быть равной 2—3 мм. Угол заточки башмака должен соответствовать 50—60е. Скос у рабочего кольца обычно делают с внутренней стороны, чтобы лучше удержать породу в стакане, а также предупредить прихват стакана в скважине.
В связных глинистых грунтах используют стаканы, режущая часть рабочего кольца которых имеет наружный скос. На верхней части стакана имеется резьбовый переходник для соединения его с ударным патроном или утяжеленной ударной штангой. Для забивного и «клюющего» способов бурения используют стаканы одинаковой конструкции. Стаканы изготовляют из обсадных (колонковых) труб либо их ниппельных заготовок с наружными диаметрами’ 73, 89, 108, 127, 146, 168, 219 и 273 мм.
В последнее время широкое распространение получили разъемные стаканы. При использовании разъемных стаканов существенно облегчается и ускоряется процесс очистки последних от породы. На рис. 6.4 показан разъемный стакан с двумя клапанами конструкции Гидропроекта. Разборка и сборка этого стакана занимает не более 1 —2 мин.
11 Заказ 3871
161
Рис. 6.3. Буровой инструмент и принадлежности к установке БУГ-75:
А снаряд для бурения забивным стаканом; а забивной стакан башмачный: 1 — режущий башмак, 2—корпус, 3—вилка; б— ударный патрон: 1— наковальня, 2—стопорное кольцо, 3—направляющая головка, 4—ударник, 5 —ударная штанга, 6 — ограничитель; в—ушко с замковой резьбой; г—быстросъемный замок; Б -снаряд для бурения желонкой; а - желонка с плоским клапаном: 1 — башмак с плоским клапаном, 2 — трубчатый корпус, 3 - вилка; б- -утяжелитель; В—снаряд для отбора образца грунтоносом; а грунтонос ГК-3; б—переходник; в—ударный патрон; Г—спуско-подъемный инструмент и принадлежности; а—башмак фрезерный; б—труба обсадная с муфтой; в — головка универсальная; г—серьга вертлюжная; д—шкворень с серьгой; е—блок двухроликовый; ж—хомут; - з— вилка подкладная; и — ключ отбойный; к—лом-лопатка; л—лопатка для чистки стаканов; м — отводной крючок; Д—снаряд для бурения долотом; а—долото округляющее; б —ударная штанга; в —ушко
Очистка стаканов от грунта—наиболее трудоемкий процесс при ударно-канатном бурении. Обычно стаканы очищают вручную с использованием ломов, специальных лопаток, кувалд. При нанесении ударов стакан деформируется и преждевременно выходит из строя. Особенно быстро деформируются безбашмачные стаканы. При таком способе очистки нарушается строение керна, что затрудняет ведение геологической документации. Процесс очистки становится чрезвычайно трудоемким, если бурение ведется в плотных вязких глинистых грунтах. Для ускорения и облегчения операций по очистке стаканов применяют разъемные, поршневые стаканы и др.
Ударный патрон предназначен для нанесения ударов по забивному стакану или грунтоносу с целью их заглубления, а также для забивки обсадных труб. Патрон состоит из ударной штанги, трубного корпуса, наковальни. На верхней части ударной штанги имеется коническая резьба, соединяющая ударный патрон с переходником при его подвеске на канате. Наковальню с помощью резьбы присоединяют к забивному стакану. В процессе бурения ударную штангу приподнимают, сбрасывают, на наковальню, благодаря чему стакан углубляется в грунт.
Создание нового породоразрушающего инструмента с опережающим конусным элементом для бурения скважин в песчано-гравийных, и валунно-галечниковых породах1 требует использования ударных патронов с повышенной погружающей способностью. Площадь торца такого инструмента по сравнению с площадью существующего возрастает. Помимо этого, сопротивление породы, содержащей твердые обломочные включения, также достаточно велико. Повышение погружающей способности патрона может быть достигнуто за счет увеличения энергии единичного удара ударной штанги. В существующих конструкциях ударных патронов это можно осуществить, увеличив либо массу штанги, либо высоту ее сбрасывания. Каждое
' См. § 5, гл. 8.
11*
163
В40
4-4
Рис. 6.4. Разъемный стакан с двумя клапанами:
1 -корпус с переходником; 2 -гайка;
3 откидная крышка; 4 палец; 5—упор; 6- клапан
Рис. 6.5. Схема бурового снаряда с пружиной в ударном патроне:
1—забивной стакан; 2— корпус ударного патрона; 3—ударная штанга;
4— пружина; 5—серьга; 6—канат
из этих мероприятий потребует увеличения габаритных размеров ударного патрона, что нежелательно.
Автором совместно с Д. И. Павловым предложено увеличить погружающую способность существующих патронов (без принципиального изменения их конструкции), разместив в верхней части патрона пружины сжатия (рис. 6.5).
При наличии пружины ударный патрон будет работать следующим образом. При малом заглублении стакана в грунт высота подъема ударной части будет несколько меньше предельной (пружина вообще не сжимается или сжимается очень мало). По мере углубления стакана и возрастания реактивной силы эта высота увеличивается, пружина все более сжимается и при последующем сжатии ударной части накопленная пружиной потенциальная энергия сообщает этой части дополнительную скорость движения вниз и, следовательно, скорость удара станет больше по сравнению с той, которую она приобрела, если бы ударная часть совершала просто свободное падение.
Таким образом, при данной конструкции патрона энергия двигателя буровой установки будет использована более полно и рационально, т. е. не только для подъема ударной части, но и для накопления энергии в пружине. Еще одно преимущество введения в патрон пружины состоит в том, что повышение скорости движения ударной части позволит увеличить и частоту ударов. Удорожание патрона при наличии пружины будет минимальным, поскольку конструкция патрона по существу не меняется.
В отличие от известных принципиальных схем различных ударных устройств с подпружиненной ударной частью, рассматриваемая схема содержит элемент новизны. Он состоит в том, что интервал движения ударной части включает в себя два участка: участок свободного подъема и участок сжатия пружины. Коэффициент жесткости пружины следует выбирать таким, чтобы при полном смыкании витков пружины возникающая при подъеме ударной части вертикальная сила не отрывала инструмент от забоя. Известно, что уже при незначительном заглублении стакана (0,1—0,15 м) извлекающая сила становится весьма заметной и примерно в 10 раз превышает вес снаряда. При последующем погружении снаряда извлекающая сила существенно возрастает. Поэтому в качестве исходной выберем предельную силу упругости пружины при полном ее сжатии равной 10Р, где Р—вес снаряда. Тогда коэффициент жесткости
С=10Р/Я1, (6.1)
где Ну— длина пружины в свободном состоянии (может приниматься равной 0,3 м).
Если считать, что высота сбрасывания практически для всех патронов равна 1 м, то без пружины скорость соударения будет равна 4,47 м/с, а при наличии пружины 7,07 м/с, т. е. возрастет более чем в 1,5 раза, а кинетическая энергия соударения повысится 165
в 2,5 раза. Примерно на такую же величину возрастет и погружение стакана за удар.
Опыты по применению нового ударного патрона подтвердили его более высокую эффективность. Средняя производительность бурения скважин в рыхлых породах возросла примерно на 10—15%.
Желонка предназначена для бурения скважин в несвязных грунтах и плывунах. В Южгипроводхозе для бурения крупнообломочных грунтов широко применяется поршневая желонка, предложенная Г. В. Шиповаловым и Г. Г. Посадовым.
Утяжеленные штанги предназначены для увеличения массы стакана (при «клюющем» способе бурения) или желонки (при желонировании). Утяжелитель представляет собой стальной цилиндр, жестко присоединяемый к стакану. Бурение в этом случае осуществляется путем подъема стакана с утяжеленной штангой на некоторую высоту и сбрасывания его на забой.
§ 8. Инструмент для ударно-вибрационного бурения
В качестве породоразрушающего инструмента при вибробурении чаще всего используют виброзонды. Виброзонд представляет собой тРУбу длиной 1—3 м, имеющую на нижнем конце рабочее кольцо, а на верхнем — переходник для присоединения к бурильным трубам. Реже используют виброзонды некруглого сечения (прямоугольного, квадратного и т. п.). В связи с внедрением в изыскательское производство плоских прессиометров возможности для использования некруглых виброзондов расширяются. Труба по всей длине имеет одну или несколько прорезей для очистки зонда от породы и геологического описания. Наиболее часто употребляются зонды диаметрами 108, 127, 146 и 168 мм, реже — зонды диаметрами 89 и 219 мм. На рис. 6.6 показано устройство виброзонда диаметром 168 мм с одной прорезью.
Рабочее кольцо виброзонда имеет толщину стенки, несколько большую, чем корпус (на 4—6 мм). Большая толщина стенки необходима для уменьшения сил трения зонда о породу. Угол скоса рабочего кольца в зависимости от проходимых пород может быть различным и колебаться от 15 до 60°. Предпочтительны кольца с более острой заточкой. Однако при наличии крупнообломочного материала, валунов, щебенки, гальки следует применять кольца, имеющие больший угол заточки. Для связных грунтов более рациональным в настоящее время признан наружный, а не внутренний скос (заточка). Как установлено многочисленными исследователями, внутренний скос способствует образованию пробки внутри зонда и снижению механической скорости бурения (табл. 6.9). На режущую кромку рабочего кольца обычно или наплавляют твердый сплав, или ее закаливают. Рабочее колесо присоединяют к трубе чаще с помощью резьбы, реже его приваривают к трубе.
Для бурения устойчивых связных глинистых грунтов следует применять зонды с одной прорезью с углом выреза 140—160°. 166
Рис. 6.6. Устройство виброзонда диаметром 168 мм:
1 переходник; 2—палец; 3— корпус; 4—рабочее кольцо (башмак)
Рис. 6.7. Устройство виброзонда с клапаном:
1—переходник; 2—палец; 3—корпус;
4—упор; 5—клапан; 6—рабочее
кольцо
Большой угол выреза позволяет легко очищать зонд от породы. В менее устойчивых, но связных породах используют зонды с меньшим углом выреза (90—140е) или зонды с двумя вырезами (расположенными друг против друга). При бурении пород, которые позволяют осуществлять проходку скважин большими рейсами, применяют зонды, имеющие по длине несколько прорезей. Для бурения слабосвяз
167
ных грунтов используют зонды с клапаном, так как они имеют одну или две прорези для очистки от породы. Устройство типового виброзонда с клапаном показано на рис. 6.7.
Таблица 6.9. Средние показа!ели вибробуренин рабочими кольцами различных типов
Показатели вибробурения Тип башмака
С наружной заточкой С симметричной заточкой С внутренней заточкой
Проходка за рейс, м 1,7 1,83 1,56
Время погружения зонда, мин 3 6 7
Механическая скорость бурения, м/мин 0,56 0,3 0.3
Несвязные (оплывающие и сыпучие) грунты следует проходить желонками, входное отверстие которых полностью перекрывается клапаном (клапанами). Такие желонки имеют в верхней части отверстия для очистки их от породы, а также могут иметь узкую продольную прорезь. Один из наиболее трудоемких процессов при вибробурении, как и при забивном—очистка зондов от породы. Для облегчения этой операции рекомендуется применять разъемные зонды, аналогичные стакану, показанному на рис. 6.4.
Для бурения насыпных грунтов с обломками кирпичей, битым стеклом, строительным мусором и особенно с отходами текстиля и резиной, а также крупнообломочных (валунно-галечных) грунтов применяют зонды с зубчатыми башмаками. При бурении этими башмаками снаряд необходимо проворачивать.
Нередко насыпной грунт представляет собой сплошной слой битого кирпича, который пробить виброзондом не удается. Тогда используют специальные пикобуры, которыми первоначально пробивают в насыпном слое отверстие, а затем это отверстие расширяют виброзондом. Большие трудности представляет бурение насыпного грунта, содержащего обрезки резины: в этом случае также следует применять пикобуры. Нередко проходка мерзлых грунтов также оказывается более успешной при их использовании.
§ 9. Инструмент для вибрационно-вращательного бурения
При вибрационно-вращательном бурении грунт разрушается в результате совместного воздействия ударных импульсов и крутящего момента. Поэтому породоразрушающий инструмент должен сочетать в себе элементы инструмента для вибробурения и коронок, предназначенных для вращательного бурения. Существующие твердосплавные коронки для этой цели использоваться не могут вследствие большого лобового сопротивления. До последнего времени специального породоразрушающего инструмента для вибрационно-вращательного бурения рыхлых пород не существовало.
168
Рис. 6.8. Коронка для вибрационно-вращательного бурения:
1 —резцы; 2—корпус коронки
0U
На рис. 6.8 показана разработанная В. Н. Калиничевым типовая коронка для вибрационно-вращательного бурения, армированная резцами твердого сплава. Рабочая часть коронки выполнена в виде конуса, причем с внутренней стороны имеется также небольшой скос с углом 40е. Зубья выступают над торцом коронки на 15—20 мм. Ширина резцов, как правило, больше толщины стенок коронки (на 2—3 мм).
В качестве керноприемников при вибрационно-вращательном бурении используют колонковые трубы. Для лучшего профилирования скважины к телу трубы целесообразно приваривать три-четыре продольные пластины толщиной 2—3 мм, ширина пластин 10—15 мм.
При вибрационно-вращательном бурении применение обычных замковых соединений бурильных труб нецелесообразно, поскольку вследствие значительных крутящих моментов происходит сильная затяжка резьбовых соединений. В процессе опытно-производственного бурения на агрегате АВБ-3 были испытаны быстроразъемные, неза-тягивающиеся замки с ленточной резьбой и упором. Испытания дали положительные результаты.
§10. Инструмент для шнекового и медленновращателыюго бурения
В комплект инструмента для шнекового бурения входят долота и шнеки. Порода разрушается при бурении двух- или трехлопастными ступенчатыми долотами. Торец каждой лопасти долота и наружные периферийные части ее армируются или наплавляются твердыми сплавами. Диаметр окружности лопастей трехлопастного долота на 15—20 мм больше диаметра шнеков.
Собственно шнек представляет собой трубу, на которой по винтовой спирали с шагом 0,6—0,8 диаметра шнека приварена спиральная стальная лента. Долото со шнеком и шнеки между собой соединяются при помощи быстроразъемных замков.
Производственное объединение «Геомаш», постоянно совершенствующее инструмент для шнекового бурения, вместе с установкой ЛБУ-50 поставляет буровую коронку, а также обычный и усиленный шнеки.
169
Рис. 6.9. Буровая коронка для шнекового бурения к установке Л БУ-50: 1 корпус с приваренными лопастями; 2--палец; 3 хвостовик
Буровая коронка (рис. 6.9) состоит из корпуса с тремя приваренными лопастями и шестигранным (60 х 60 мм) хвостовиком. Режущие кромки лопастей наплавлены твердым сплавом и армированы восьмигранником сплава ВК8, что обеспечивает проходку скважин в породах до IV категории. Шестигранным хвостовиком коронку вставляют в муфту усиленного шнека и закрепляют пальцем. Наружный диаметр коронки 215 мм, масса 7,5 кг.
Шнек передает крутящий момент на буровую коронку и является транспортером разбуренной породы при бурении скважины. Соединяют шнеки в колонну шестигранными хвостовиками и закрепляют пальцами. Диаметр шнека 200, длина 1600, шаг спирали 125, масса 40,5 кг.
Усиленный шнек устанавливают непосредственно над коронкой. Он обеспечивает подбор и частичное разрушение крупных кусков породы с последующим их транспортированием. В отличие от обычного усиленный шнек имеет утолщенную спираль 1/2 витка, приваренную со стороны муфты. Свободный конец этой спирали имеет заточку с наплавкой твердым сплавом. Параметры усиленного шнека соответствуют обычному, за исключением массы, которая составляет 41 кг.
Долота и коронки для шнекового бурения с учетом специфических локальных условий бурения нередко разрабатывают и в изыскательских организациях.
Так, в КазГИИЗе было разработано спиральное долото. Малая контактная площадь долота с забоем и спиральная его форма позволяют достичь больших механической скорости и проходки на долото. Долото представляет собой спиральный корпус, торец которого заострен под углом 120" и армирован пластинами твердого 170
сплава. Корпус долота приварен к хвостовику обычной шестигранной конструкции.
В Южгипроводхозе по предложению Л. С. Токарева и Т. М. Истомина для проходки скважин диаметром 300 мм используют долота и шнеки специальной конструкции. Долота изготовляют из металлического стального листа толщиной 10—20, высотой 160 и шириной 300 мм в виде двухлопастного корпуса, который, как и в предыдущих долотах, армируется пластинами твердого сплава ВК8 формы Г-41, Г-52 или Г-54. Корпус долота вставляют в паз на шестигранном хвостовике, глубина паза 25 мм.
В качестве шнека используют обычный шнек диаметром 230 мм, к которому дополнительно приваривают стальную ленту шириной 70 мм и толщиной 5 мм с заходом 20 мм.
При шнековом бурении сплошным забоем, как известно, полностью нарушается природное сложение грунта. Это существенным образом ограничивает сферу применения шнекового бурения на изысканиях. В то же время шнековое бурение обладает высокой производительностью, поэтому вполне понятно стремление различных организаций создать такой шнековый инструмент, который позволил бы получать качественную геологическую документацию и при этом дал возможность сохранить высокую скорость бурения. Этому требованию во многом удовлетворяет полный шнековый инструмент с внутренней керноириемной гильзой, опускаемый и извлекаемый на канате (внутри полой шнековой колонны) или непосредственно на шнековой колонне. Однако до последнего времени надежной конструкции такого инструмента создано не было, поэтому при инженерно-геологических изысканиях полный шнековый инструмент практически не применяется.
При медленновращательном бурении с использованием буровых установок и ручного привода используют два типа породоразрушающего инструмента — ложковые и спиральные буры.
Ложковые буры применяют при бурении мягких и рыхлых пород (суглинки, супеси, пески и др.). Различают ложковые буры обычные и эксцентричные. У последних ось головки и лезвия не совпадает с осью корпуса, поэтому скважину разбуривают на 12—35 мм больше диаметра бура. Существуют многочисленные другие разновидности ложковых буров. Некоторые из них оборудуются направляющим спиральным буром малого диаметра. Режущее лезвие наплавляют или армируют твердым сплавом. В зависимости от плотности проходимых грунтов ширина продольного выреза у ложковых буров различна: в слабых неустойчивых породах следует применять буры с меньшим вырезом, в плотных—с большим. Длина ложковых буров изменяется от 0,5 до 1 м.
Спиральные буры (змеевики) применяют для бурения плотных и вязких пород (глин, тяжелых суглинков и др.). При бурении более слабых грунтов следует применять спиральные буры с меньшим шагом навивки. Режущая часть бура закаливается, наплавляется или армируется твердым сплавом. Длина спирального бура 0,5—0,8 м. Основные параметры ложковых и спиральных буров приведены в табл. 6.10.
171
Таблица 6.10. Основные параметры буров
Наружный диаметр, мм Шурф бура Масса, кг Цена, руб.—коп.
Ложковые буры
250 БИ-119-97А-00 31,8 31—00
190 БИ-119-98А-00 22,0 19—70
145 БИ-119-99 А-00 16.3 16—50
108 БИ-119-100А-00 10,4 12—00
74 БИ-119-101 А-00 4,67 6—60
47 БИ-119-102А-00 2,22 5-30
Спиральные буры
190 БИ-119-180-00 22,4 26—00
147 БИ-119-172-00 15,2 13—60
108 БИ-119-173-00 12,6 10 —50
74 БИ-119-181-00 5,8 8—10
47 БИ-119-171-00 2,8 7—10
При медленновращательном бурении часто в качестве породоразрушающего инструмента вместо спирального бура используют одну нижнюю секцию шнека с долотом. Такой инструмент широко применяется в Южгипроводхозе.
При бурении скважин медленновращательным способом нередко возникает необходимость в использовании ударного способа. В этом случае применяют инструмент для ударного бурения (долота различного типа, желонки и т. д.).
§ 11. Инструмент для бурения скважин большого диаметра в мягких и рыхлых породах
Скважины большого диаметра (в том числе шурфы круглого сечения) при инженерно-геологических изысканиях в рыхлых и мягких
Рис. 6.10. Двухзаходный шнековый бур конструкции КуйбышевТИСИЗа:
/—режущие элементы; 2—шнековые лопасти; 3—труба; 4—переходник
172
Рис. 6.11. Скользящий шнековый бур к установке ЛБУ-SO конструкции ПО «Геомаш»:
/—режущие элементы; 2—шнековые лопасти; 3— труба; 4—центрирующие ролики
породах проходят медленновращательным и ударным способами. Существует множество конструкций поро до разрушающего инструмента для бурения таких скважин. В большинстве случаев этот инструмент создавался в научно-исследовательских организациях или силами самих изыскательских организаций. Поэтому, за исключением бура к установке ЛБУ-50, инструмент для бурения скважин большого диаметра серийно не выпускается.
173
Рис. 6.12.- Ячеистый стакан конструкции ПНИИИСа:
1—переходник; 2- косынка; J—корпус (наружная труба); 4 центральная (внутренняя) труба; 5 ребро
При вращательном бурении шурфов могут применяться следующие типы породоразрушающего инструмента: двухзаходные шнековые буры конструкции Куйбышев-ТИСИЗа (рис. 6.10), КазГИИЗа, МГРИ, ПО «Геомаш» (рис. 6.11) и др.; однозаходные шнековые буры с одним и двумя режущими ножами конструкции ПНИИИСа и др.; двухзаходные шнековые буры Ш-700 и Ш-900 конструкции ПГО «Уралгеология»; тарельчатые буры Ш-1М КазГИИЗа; конусные ложковые буры конструкции Теп-лоэлектропроекта, УкрвостокГИ-ИНТИЗа; ложковые буры с расширителем конструкции Теплоэлект-ропроекта; самораскрывающиеся ложковые буры конструкции Гидропроекта; кассетный бур конструкции ПО «Геомаш»; цилиндрические ковшовые буры конструкции ЦНИГРИ. Все перечисленные выше буры предназначены для проходки скважин диаметром 0,5— 0,9 мм без промывки.
В ПГО «Уралгеология» на основе буров КуйбышевТИСИЗа разработаны шурфобуры Ш-500, Ш-700 и Ш-900. К трубчатому корпусу приварены две лопасти, образующие двухзаходный шнек. К боковой поверхности шнеков приварена пластина. Верхняя часть корпуса бура оборудована
шестигранным хвостовиком для соединения с бурильными трубами, а нижняя—шестигранной муфтой для соединения со сменным породоразрушающим инструментом. На нижней части лопастей закреплены траверсы с ребрами жесткости, а на траверсах крепятся зубья, армированные пластинами твердого сплава. Проходка на один бур составляет 700 м, производительность в смену 40 м, цена 350 руб.
Ряд конструкций аккумулирующих буров разработан кафедрой горного дела МГРИ совместно со Свердловским шахтопроходческим управлением треста «Спецшахтобурение». Эти буры предназначены главным образом для проходки скважин диаметром от 1 до 5 м без промывки или с призабойной промывкой.
174
Ударный способ бурения скважин большого диаметра может осуществляться инструментом забивного и грейферного типа. Применяют забивной инструмент конструкции ПНИИИСа, УкрвостокГИ-ИНТИЗа, Днепрогипротранса и др. На рис. 6.12 показан ячеистый стакан конструкции ПНИИСа. В табл. 6.11 приведены его основные параметры в зависимости от типа стакана. Стаканы первого типа следует применять в сравнительно слабых грунтах, второго в грунтах средней плотности и третьего — в достаточно плотных грунтах. Ячеистые стаканы всех трех типов эффективно могут быть использованы для проходки лессов и лессовидных суглинков.
При грейферном бурении применяют одноканатные (ненапорные) и напорные грейферы.
Таблица 6.11. Параметры ячеистых стаканов для ударного бурения грунтов
Тип стакана Диаметр, трубы, мм Длина высту-пающей части трубы Н,, мм Высота ребра Н2, мм Толщина стенки труб и ребер, мм Общая высота стакана Н, м Число ребер в торцовой части Примерная масса стакана, кг
наружной D центральной d
I 219 8 160
11 650 273 200 250 8 10 700 6 155
III 273 4 150
I 12 250
11 750 273 150 200 8—10 800 8 240
6 230
ГЛАВА 7
БУРИЛЬНЫЕ, КОЛОНКОВЫЕ И ОБСАДНЫЕ ТРУБЫ, ИХ СОЕДИНЕНИЯ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ
§ 1. Бурильные трубы
Бурильные трубы служат для спуска бурового снаряда в скважину, обеспечения промывки или продувки ее забоя, передачи вращения породоразрушающему инструменту с поверхности от вращателя станка, передачи осевой нагрузки на забой, подъема бурового снаряда из скважины, транспортировки керна и ликвидации аварий.
Основные типы труб, замков и ниппелей и их размеры указаны в табл. 7.1.
Бурильные трубы выпускаются как с правой, так и с левой резьбой. Последние применяют при ликвидации аварий и левом
175
вращении снаряда (в случае, когда требуется уменьшить интенсивность естественного искривления скважины).
По типу соединений стальные бурильные трубы для геологоразведочных работ, как и для инженерно-геологических изысканий, подразделяются на трубы муфтово-замкового и ниппельного соединений.
Легкосплавные бурильные трубы также выпускаются двух типов: муфтово-замкового ЛБТМ-54 (рис. 7.1, а) и ниппельного ЛБТН-54 (рис. 7.1,6) соединений. При сборе легкосплавных труб с ниппелями используют самотвердеющий герметизирующий состав УС-1, в связи с чем соединения являются неразборными.
Таблица 7.1. Бурильные трубы геологоразведочного назначения (но Л. А. Лачиняну)
Элемент колонны Наружный дна-метр, мм Толщина стенки, мм Длина, м Масса, кг Материал Предел прочности при растяжении, МПа Предел текучести при растяжении, МПа
в гладкой час- сти в высаженной части
Трубы стальные муфтово-замкового соединения
Трубы с муфтами
Труба 42 5 22 1,5 7,5 Сталь >650 >380
марки 45
3 14,3 Сталь >700' >500
марки
36Г2С
4,5 21,2
50 5,5 28 2,5 10,0 То же >700 >500
3 19,1
4,5 28,1
63.5 6 40 3 27,1 »
4,5 39,8
6 52,6
Муфта 57 8,5 — 0,13 1,4 Сталь 700 500
65 8,5 — 0,14 1,7 марки
83 10,5 — 0,15 2,9 36Г2С
Замки для бурильных труб диаметром 0,042 м (ТУ 41-01-309—77)
Замок 57 17,5 — 0,355 4,7 Сталь >900 >700
Ниппель Муфта — 0,17 0,26 1.8 2,9 марки 40ХН
Замки для бурильных труб диаметром 50 мм (ГОСТ 7918 ' '$)
Замок 65 18,5 — 0.425 6,9 Сталь >900 >700
Ниппель Муфта 0,21 0,275 2,8 4,1 марки 40ХН
176
Продолжение табл. 7.1
Элемент колонны Наружный дна-метр, мм Толщина стенки, мм Длина, м Масса, кг Материал Предел прочности при растяжении, МПа Предел текучести при растяжении, МПа
в гладкой час- сти в высаженной части
Замки для бурильных труб диаметром 63,5 мм (ТУ 41-01-208-76)
Замок 83 21,5 — 0,48 13 Сталь >780 >580
Ниппель Муфта — 0,235 0,315 5 8 марки 40ХН
Трубы легкосплавные муфтово-замкового соединения ЛБТМ-54
тРУба Муфта 54 65 7,5 8,5 13 4,5 0.175 15,3 2 Алюминиевый сплав Д16Т Сталь >450 >650 >300 >380
Замок 65 17,5 0,455 7 марки 45 Сталь марки 3612С Сталь >700 >900 >500 >700
Ниппель Муфта — 0,22 0,285 2,8 4,2 марки 40ХН
Трубы стальные ниппельного соединения
Труба 33,5 4,75 — 1,5 5 Сталь >650 >380
3 10,1 марки 45 Сталь >700 >500
марки 3612С
42 5 10.6 1,5 7,5
3 14,3
4,5 21,2
50 5,5 12 1,5 10,0
3 19,1
4,5 28,1
Ниппель А 34 10 — 0,115 0,5 Сталь
марки 45У
44 14 — 0.15 1,1 Сталь
марки 40ХН
52 15 0,16 1,5
Ниппель Б 34 10 — 0,175 1,0
44 14 — 0,21 1,8
52 15 — 0,22 2,1
12 Заказ 3871
177
Продолжение табл. 7.1
Элемент колонны Наружный диа-метр, мм Толщина с генки, мм Длина, м Масса, кг Материал Предел прочности при растяжении, МПа Предел текучести при растяжении, МПа
в гладкой час-стм в высаженной части
Трубы стальные ниппельного соединения (ОН 11-1 68, ВТУ 01 —70)
Труба Ниппель А Ниппель Б 42 50 54 42,5 50,5 54,5 42,5 50,5 54,5 5 5 5 13,7 16,3 17,7 13,7 16,3 17,7 6 7,5 8 1,5 3 4,5 1,5 3 4,5 6 1,5 3 4,5 6 0,15 0,16 0,16 0,265 0,285 0,285 6,9 13,8 20,7 9 * 18 * 27 * 36 * 4,2 18,3 27,5 36,6 1,3 2 2,2 1,8 2,8 3,2 Сталь марки 45У >700 >450
Трубы
легкосплавные ниппельного
соединения ЛБТН-24
1,33 0,92 Алюминиевый >450 >330
0,115 0,23 сплав Д16.Т >700 >580
0,125 0,25 Сталь марки 40Х >700 >580
Труба
24
4,5
Ниппель А
Ниппель Б
24
24
8
8
Трубы легкосплавные ниппельного соединения ЛБТН-34 (ТУ 41-01-253 77)
Труба 34 6,5 1,325 2 Алюми- ^450 s=33O
Ниппель А 34 11 2,925 0,165 4.4 0,5 ниевый сплав Д1бт Сталь ^780 ^580
Ниппель Б 34 11 0,23 1 марки 40Х То же ^780 <580
Трубы легкосплавные ниппельного соединения ЛБТН-42
Труба 42 7 — 4,3 9,3 Алюми- $450 <330
ниевый
сплав
Д16Т
178
Продолжение табл. 7.1
Элемент колонны Наружный диаметр, мм Толщина стенки, мм Длина, м Масса, К1 Материал Предел прочпос- 1И при растяжении, МПа Предел текучести при растяжении, МПа
в гладкой час- сти в высаженной часги
Ниппель А 42 14 0,215 1,2 Сталь марки 40ХН <900 <700
Ниппель Б 42 14 0,275 1,5 То же <900 <700
Трубы легкосплавные ниппельного соединения ЛБТН-54 (ТУ 41-01-353 78)
Труба 54 9 4.4 16,2 Алюминиевый <450 <330
Ниппель А 54 16 0.225 1,8 сплав Д16Т Сталь <900 <700
Ниппель Б 54 16 0,280 25 марки 40ХН То же <900 <700
Трубы стальные для бурения со съемным керноприемником в комплексе КССК-76 (ТУ 41-01-257 77)
Труба 70 5 8,5 4,5 37,3 Сталь <700 <500
марки 36Г2С
Муфта 73 8,5 0,14 1,7 Сталь марки 40ХН <780 <580
Замок 73 8,5 — 0.447 5,8
Ниппель 0,21 2,3
Муфта 0.285 3,5
Трубы стальные для бурения со съемным керноприемником в комплексе ССК-76 (ТУ 41-01-193 76)
Труба 70 5 3 23 Сталь <750 <550
4,5 34,5 марки 38ХНМ
Трубы стальные для бурения со съемным керноприемником в комплексе ССК-59 (ТУ 41-01-250 77)
Труба 55 4,8 1,5 9 Сталь <750 <550
3 4,5 18 27 марки 38ХНМ
Трубы стальные для бурения со съемным в комплексе ССК-46 керноприемником
Труба 43 4,8
1,5 6,8 Сталь <750 <550
марки
38ХНМ
3 13,6
12*
179
Продолжение табл. 7.1
Элемент колонны Наружный дна-метр, мм Толщина стенки, мм Длина, м Масса, кг Материал Предел прочности при растяжении, МПа Предел текучести при растяжении. МПа
в гладкой час- сти в высаженной части
Трубы стальные утяжеленные УБТ-РПУ-89 (ТУ 41-01-154—75)
Труба 89 22 4,1 148 Сталь <700 <500
марки 36Г2С
11риварные концы:
ниппель 89 30,5 — 0,37 9 Сталь <780 <580
марки 40ХН
муфта 89 27,5 — 0,37 10 <780 <580
Трубы стальные утяжеленные УБТ-Р-73 (ТУ 41-01-305 -78)
Труба Ниппель трубный Замок Ниппель Полуниппель 73 73 73 19 25,5 25,5 4,5 0,225 0,45 0,225 0,285 112 4,4 10,8 4,3 6,5 Сталь марки 36Г2С. Сталь марки 40ХН <700 <900 <500 <700
Масса указана ориентировочно.
Замки для соединения между собой бурильных свечей из труб диаметром 50 мм изготовляют по ГОСТ 7918—75. Замок состоит из ниппеля (рис. 7.2, а) и муфты (рис. 7.2,6), соединяемых между собой как правой, так и левой замковой резьбой.
Бурильные колонны ниппельного соединения находят ограниченное применение из-за разрушения резьбы ниппелей при использовании труборазворотов. В ряде организаций ниппели изготовляют с раз-
Рис. 7.1. Легкосплавные бурильные трубы:
а —ЛБТМ-54: 1 замок; 2 труба; 3— муфта; б — ЛБТН-54: / — ниппель типа
А; 2 труба; 3 — ниппель типа Б
180
Рис. 7.2. Бурильный замок: а —ниппель; б — муфта
грузочными шейками по типу соединений ЛБТН-54, что значительно повышает их работоспособность.
§ 2. Колонковые и обсадные трубы
Трубы, применяемые при сооружении скважин, относятся к технологическому и вспомогательному инструментам. Колонковые и шламовые трубы—технологический инструмент, при помощи которого осуществляется непосредственно бурение скважины, обсадные трубы — вспомогательный инструмент.
Колонковые трубы предназначены для приема керна, последующего транспортирования его на поверхность и поддержания заданного направления ствола скважины в процессе бурения. Обсадные трубы служат для предотвращения обвалов и сужения стенок скважины в неустойчивых породах, перекрытия напорных и поглощающих горизонтов, а также для выполнения других специальных целей (например, связанных с постановкой штампов в шурфах и скважинах и др.).
В СССР действует ГОСТ 6238—77, которым предусмотрены обсадные и колонковые трубы двух типов: безниппельные (труба в трубу) и ниппельные (соединяемые ниппелями).
181
Рнс. 7.3. Обсадная труба бсзнииисль-ного соединения
На рис. 7.3 показана обсадная труба безниппельного соединения, в табл. 7.2 приведены размеры безниппельных обсадных труб. Размеры колонковых и обсадных труб ниппельного соединения и ниппелей к ним должны соответствовать указанным на рис. 7.4 и в табл. 7.3.
Таблица 7.2. Размеры безнИ1шелыпях обсадных труб (в мм)
ТочноеIь изготовления Наружный диаметр Di Толщина ОСИКИ V Диаметр рас 1 очки 1)2 Диаметр про।очки Теоретическая масса 1 м 1 руб в i ладком части, кг Длина трубы L
номинальный предельное отклонение номинальная предельное OI-клопе-ние поминальный предельное отклонение поминальный предельное отклонение
Повышенная 33,5 + 0,15 3 + 0,25 32 +0,17 29,5 -0,17 2,26 1500 - 3000
» 44 + 0,2 3,5 +0,25 42,5 +0,17 40 -0.17 3,5 1500 - 3000
Обычная 57 +0,45 4,5 +0,54 54,5 +0.5 -0,36 52 -0.5 5.83 1500 - 4500
Повышенная 57 + 0,25 4,5 + 0,36 54,5 +0,2 52 -0,2 5,83 1500 - 4500
Обычная 73 ±0,57 5 +0,6 -0,4 70 +0.5 67.5 0,5 8,36 1500-6000
Повышенная 73 +0,36 5 + 0,4 70 +0,2 67,5 -0,2 8,36 1500 - 6000
Обычная 89 ±0,7 5 +0,6 -0,4 86 +0,5 83,5 -0,5 10,36 1500 - 6000
Повышенная 89 +0.4 5 ±0,4 86 +0,23 83,5 -0,23 10,36 1500 6000
Примечания. Длина проточки под резьбу б для всех труб соответствует 40 + 2 мм, длина наружной резьбы с полным профилем /2 ^38, длина внутренней резьбы с полным профилем /з=40+2 мм.
Рис. 7.4. Колонковая (обсадная) труба ниппельного соединения: а труба; б ниппель
182
Таблица 7.3. Размеры колонковых и обсадных труб ниппельного соединения и ниппелей к ним (в мм)
к rt « U. о « о одного ниппеля 0,5 0,5 0,7 2.4 2,6 40ОС ОС <+
о о о гладкой части грубы 1,63 2,22 2,22 3,5 3.5 5.83 5,83 8,38 8,38 10,36 10,36 12,7 12,7 15,04 15,04 17.39 17,39 1
Длина грубы L 1500-3000 1500-3000 1500-3000 1500-4500 1500 — 4500 1500-4500 1500-4500 1500-4000 1500-4000 1500-6000 1500—6000 1500-6000 1500-6000 1500-6000 1500-6000
’Е he предельное откло- о к о -0,5 -0,17 -0.5 -0.5 -0,5 r4‘ri 7 1 -0,2 -0,5 77 -0.23 -0.5 ГЛ V) 77 -0.26 1
I 4 I й ~ о 2 к Я ЕЕ 1 ос оо оо TIClT' ОС о СП ГГ> о 40 66,5 82,5 82,5 101 101 120 120 139
П- X S я' § £ о X г; S “Н° о X я <и <D + 0,14 + 0,5 + 0,17 + 0,5 о о' + + сч v> + + + + 7+ ГЛ + + 40 7 + + 0.26 1
к - й □ “ g Jo « 5 ? 3 2 С 03 иг " Я ЕЕ * 21,7 30 30 40,5 40,5 52,5 52.5 69 S ОС 85 103,5 103.5 122,2 122,5 141,5 141.5 1
§ & и: о В. S CJ1H и предельное откло- X о + 0.5 + 0.28 + 0.5 ГО VT + + + + ? + + + ° + 40 + + + 0.46 1
tr« S S се : S 3 - 3 ° 2 s я я 24,5 24,5 34 S3 ЧО сч М- 40 СЧ оо 40 Г- 78 95,5 95,5 114,5 114,5 134 £
>Х Г 3 Р* Е <и * S О , , 1 $ О 5 8.S5 ; с <u X о Я ±0,27 ±0,15 + 0,36 +1+1 cQ 77 ±0,36 + 0,7 +1+1 40 Г-ооеч +1+1 + +1 +1
&g «в ч X £ £ S о 5 £ Я S 33,5 33.5 44 зк pg ОО ОС — 108 127 127 146 40
rt Я X ЕЕ и: В Ё« предельное откло- О X о Я ±0,25 ±0,3 ±0.25 + 0,45 -0.30 Г1 »г> С О ОС -н + 0 40 с П СП 40 -5 +i + >?|?С -и,ч ±0,4 + 0,75 -0.63 ±0.63 + 0,75 -0.63 ±0,63 + 0,75 -0.63 ЧО +1
[6 о £ , Е £ « z о « я я я 3,5 4.5 •+»г> 4Г> 4Г>
Наружный диаметр П предельное отклонение r^V>4O ООО О +1+1+1+1 оо +1+1 +1+1 40 +1+1 7+1 40 ос С'> +i7 о +1+1 I /,Г1 Т
3" sis 3 *3 3 £ g к 25 33,5 33,5 44 оо 801 68 ОС Г" о с-1 127 146
Ь £ Is ь £ X Повышенная Обычная Повышенная Обычная Повышенная Обычная Повышенная Обычная Повышенная Обычная Повышенная Обычная Повышенная Обычная Повышенная Обычная Повышенная 1
Примечание. Номинальная длина 7t проточки под наружную резьбу для труб диаметром от 25 до 89 мм соответствует 40 мм, предельное отклонение +2 мм, длина наружной 12 и внутренней /3 резьбы с полным профилем <36 мм. Для труб диаметром 108—146 мм Zi=60 мм, предельное отклонение + 2 мм, 72<56мм, 73<56мм.
183
Рис. 7.5. Колонковая труба, изготовленная нз инппельиой заготовки
таких труб должны и в табл. 7.4.
соответствовать
Нередко в изыскательской практике в качестве колонковых применяют более жесткие, изготовляемые из ниппельных заготовок силами ремонтномеханических мастерских, партий и экспедиций. Размеры указанным на рис. 7.5
Колонковые трубы поставляют длиной 3; 4,5; 6 и 8 м с допускаемыми отклонениями +0,1 м. Трубы изготовляют бесшовными с закаленной наружной поверхностью (с помощью тока высокой частоты) из стали групп прочности Д, К и Е.
Размеры обсадных труб и муфт нефтяного сортамента с короткой и нормальной длиной резьбы должны соответствовать указанным на рис. 7.6 и в табл. 7.5. Трубы должны поставляться длиной от 9,5 до 13 м. Допускается поставка труб длйной от 5 до 9,5 м.
Таблица 7.4. Размеры ниппельных заготовок труб (в мм)
Наружный диамет р Толщина стенки .v Наружный диаметр резьбы Диаметр расточки /?1 Диаметр уступа «' Масса 1 м труб, К1
номинальный допускаемое отклонение номинальная допускаемое отклонение наружный внутренний номинальный допускаемое склонение номинальный допускаемое отклонение
73 ±0,6 6,5 +0,8 -6.5 68 64,04 64,1 + 0,4 66.4 -0.4 10,66
89 ±0.7 6,5 + 0,8 -6,5 84 80,05 80,1 3 0,46 82,4 -0,46 13,22
108 ±1 6,75 + 1 -0,6 103 99,05 99,1 + 0,46 101,4 -0,46 16,85
127 ±1,2 7,25 + 1 -6,7 122 118,05 118,1 + 0,46 120,4 -0,53 21,41
146 ±1,4 7,5 + 1,1 -0,7 141 137,06 137,1 +0,53 139,4 -0,53 25,62
Рис. 7.6. Обсадная груба муфтового соединения: а—труба; б—муфта
184
блица 7.5. Основные размеры обсадных груб с короткой и нормальной ьбами и муфт к ним (в мм)
тов-»1Й негр /бы Груба Муфта
Наружный лиаме гр Г) Толщина степки •V Внутренний диаметр d Теоре-Iическая масса 1 м, кг Наружный диамегр />М Длина Расгочка Ширина горновой плоскости ь Теоре-। ическая масса, кг
Диаметр do Длина /-о
114 114,3 6 102,3 16 133 158 116,7 12,7 6 3,7
7 100,3 18.5
г. 8 98,3 20,9
127 127 6 115 17,9 146 165 129,4 12,7 6 5,7
7 113 20,7
i 8 111 23,5
9 109 26,2
140 139,7 6 127,7 19,8 159 171 142.1 12,7 6,5 7
7 125,7 23
8 123,7 26
9 121,7 29,1
I 1 10 119,7 32,1
11 117,7 35
146 146 6,5 133 20,7 166 177 148.4 12,7 6,5 8
7 132 24
8 130 27,2
9 128 30,4
V 10 126 33,5
11 124 36,6
168 168,3 6,5 155,3 25,9 188 184 170,7 12,7 6.5 9,1
7 154,3 27,8
1 8 152,3 31,6
9 150,3 35,3
10 148,3 39,0
11 146,3 42,6
12 144,3 46,2
178 177,8 7 163,8 29,6 198 184 180,2 12,7 6,5 10
I 8 161,8 33,6
9 159,8 37,3
10 157,8 41,4
И 155.8 45
12 153,8 49
194 193,7 7 179,7 32,3 216 190 196,1 12,7 6.5 12.2
1" 8 177,7 36,7
9 175,7 41,1
10 173,7 45,4
12 169,7 53,9
219 219,1 7 205,1 36,6 245 196 221,5 12,7 7,5 16,2
8 203.1 41,6
9 201,1 46,6
10 199,1 51,5
12 195,1 61,3
1 245 244,5 7 230,5 41,1 270 196 246,9 12,7 7,5 17,3
8 228,5 46,5
9 226,5 52,4
10 224,5 58,0
12 220,5 69,0
185
Продолжение табл. 7.5
Условный диаметр 1рубы Труба Муфта
Наружный диаме i р D Толщина стенки .« ‘ Biiyi-рениий диаме ip d Теоре-«ическая масса 1 м. кг Наружный диамст р Длина Расточка Ширина торцовой плоскости b Теоретическая масса, кг
Диаметр 4 Длина Lo
273 273,1 7 259,1 45,9 299 203 275,5 12,7 7,5 21
8 257,1 52,3
9 255,1 58,6
10 253,1 64,9
12 249,1 77,2
299 298,5 8 282,5 57,4 324 203 300,9 12,7 7,5 22,4
9 280,5 64,4
10 278,5 71,3
11 776,5 78,1
12 274,5 84,9
324 323,9 9 305,9 70,1 351 203 326,3 12,7 8,5 23.4
10 303,9 77,6
11 301,9 85,1
12 299,9 92,6
340 339,7 9 321.7 73,2 365 203 342,1 12,7 8,5 25,5
10 319,7 82
11 317,7 89
12 315,7 96,6
(351) (351) 9 333 75,9 376 229 353 16 8,5 29
10 331 84,1
11 329 92,2
12 327 100,3
(377) (377) 9 359 81,7 402 229 379 16 8,5 31
10 357 90,5
11 355 99,3
12 353 108
407 406,4 9 388,4 88 432 228 408.8 12,7 8,5 35,8
10 386,4 97,5
И 384,4 107
12 382,4 117,5
(426) (426) 10 406 102,7 451 229 428 16 8,5 37,5
11 404 112,6
12 402 122,5
508 508 11 486 135 533 228 510,4 12,7 8,5 44,6
Примечание. Трубы, размеры которых указаны в скобках, применять не рекомендуется.
§ 3. Переходники
Переходники предназначены для соединения колонны бурильных труб с колонковыми и шламовыми трубами. Основные типы и размеры переходников указаны в табл. 7.6.
Для обеспечения стабилизации работы колонкового снаряда, предупреждения излива промывочной жидкости из бурового снаряда в скважину и снижения износа верхней части колонковой трубы используют клапанные переходники. 186
Таблица 7.6. Основные тины и размеры переходников
Тин пере-ходника Диаметр труб, мм ГОСТ для элементов колонны, присоединяемых к переходникам
бурильных колонковых шнековых ниппели замки
по 33,5; 42 84; 44; 57 — ГОСТ 8467 83 —
III 42; 50; 63,5 >57 — — ГОСТ 7918 -75
П2 73 >108 — ГОСТ 631 75 —
113 42; 50; 63,5 >7.3 >73 — ГОСТ 7918 75
ПЗА 42; 50; 63,5 >73 >73 — ГОСТ 7918 75
П4 50 73 73 — —
П4А 50 73 73 — —
П5 73 > 108 >108 ГОСТ 631 75 —
П5А 73 > 108 >108 ГОСТ 631 -75
Примечание. Колонковые грубы но ГОСТ 6238 77.
§ 4. Ключи
Шарнирные ключи предназначены для свинчивания и развинчивания бурильных труб и их соединений. Технические характеристики шарнирных ключей приведены в табл. 7.7.
Таблица 7.7. Технические характеристики шарнирных ключей для бурильных труб
Параметры Тип ключа
БИ-179- -176 БИ-178- -177 БИ-179- -178 БИ-179- -179 БИ-179- -180
Диаметр трубы, мм 33,5 42 50 60,3 63,5
Ширина рукоятки, мм 16 16 18 18 18
Ширина по заклепкам, мм 56 64 64 64 64
Высота, мм 107 134 170 195 195
Длина рукоятки, мм 400 4(Х) 400 400 400
Длина ключа, мм 515 530 560 590 590
Допускаемое усилие на конце 3 3,75 5,25 6 6
рукоятки, кН Масса ключа, кг 3,1 4,2 6,2 7,4 7,4
Для свинчивания и развинчивания колонковых труб при алмазном бурении скважин применяют гладкозахватные ключи КГ-44. КГ-57 и КГ-73, которые не приводят к смятию труб при работе с ними. Звенья захватной части ключа, шарнирно соединенные между собой, плотно охватывают тело трубы и обеспечивают передачу момента за счет сил трения, возникающих между рабочими поверхностями ключа и трубы.
Для работы с обсадными, колонковыми и шламовыми трубами также используют шарнирные ключи. Они состоят из рукоятки
187
и шарнирно соединенных между собой звеньев, звенья несут на себе зажимные плашки (сухари) с закаленной насечкой. Основные параметры шарнирных ключей для труб приведены в табл. 7.8.
Таблица 7.8. Основные параметры шарнирных ключей для обсадных труб
Диаметр трубы, мм Длина ключа, мм Масса ключа, кг Диаметр трубы, мм Длина ключа, мм Масса ключа, кг
243, 219 620 14 127, 108 450 6
188, 168 620 13 89. 73 450 4.6
146 450 6,2 57, 44 400 3,1
§ 5. Механизмы для свинчивания и развинчивания бурильных труб
Среди ряда подобных механизмов наибольшее распространение получил РТ-1200М, выпускаемый Щигровским производственным объединением «Геомаш» и Брянковским заводом бурового оборудования. Механизм предназначен для свинчивания и развинчивания бурильных труб диаметром 42; 50; 63,5 мм и утяжеленного низа диаметром 73, 89 и 108 мм. Механизм развивает максимальный крутящий момент (в момент удара) 3440 Н • м, частота вращения водила (без нагрузки) 73 об/мин, время одного соединения 4—5 с. Диаметр проходного отверстия 205 мм, габаритные размеры (в мм): длина 885, ширина 495, высота до верха электродвигателя 760. Масса механизма (без вилок) 250 кг, цена 490 руб.
ГЛАВА 8
ПРОЦЕСС И ТЕХНОЛОГИЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ
§ 1. Колонковое бурение твердосплавным породоразрушающим инструментом
При бурении с промывкой водой или глинистым раствором основными факторами технологического режима бурения твердосплавным породоразрушающим инструментом являются осевая нагрузка, частота вращения инструмента, количество подаваемой на забой промывочной жидкости, величина рейса.
В табл. 8.1 приведены ориентировочные значения режимных параметров бурения твердосплавными коронками. Следует иметь в виду, что величины параметров должны уточняться в каждом конкретном случае. Осевая нагрузка с увеличением твердости пород должна увеличиваться.
188
Максимальная осевая нагрузка определяется характером пород и прочностными качествами применяемого инструмента. При бурении трещиноватых пород осевую нагрузку рекомендуется снижать по сравнению с указанными в табл. 8.1 на 30—50%. При использовании УБТ осевую нагрузку можно доводить до 18—20 кН.
При выборе частоты вращения инструмента во всех случаях следует стремиться к возможно большему значению этого параметра. С увеличением осевой нагрузки частоту вращения снаряда необходимо снижать. Повышение требований к качеству отбираемого керна также обусловливает необходимость снижения частоты вращения снаряда.
Таблица 8.1. Режим бурения твердосплавными коронками
Тип коронки Наружный диаметр коронки, мм Осевая нагрузка на коронку, кН Частота вращения снаряда, об/мин Расход промывочной жидкости, л/мин
Ml 151 4 4,8 120 190 90 180
132 4 4,8 150 -225 80 160
112 4- 4,8 170 260 65 130
93 4—4,8 205 310 55 НО
М2 151 8,4—11,2 120 190 150 240
132 8,4 11,2 150 -225 130 220
112 7,2 9,6 170 260 110-175
93 7,2 9,6 205 310 90 -160
М5 151 7,2 14,4 120—190 150—240
132 7,2- 14,4 150 - 225 130—220
112 4,8—9,6 170 260 110 175
93 4,8—9,6 205—310 90—160
СМ3 151 7,2 12 120 200 150 -240
132 7,2-12 150—240 130—220
112 4,8—8 170—280 110-175
93 4,8- -8 205—325 90—160
76 3,6—6 250- 410 70 140
59 3,6 6 325 520 50 110
46 3,6 6 415 670 40—100
СМ4 151 6—15 100 190 150—240
132 6 14 115 215 130 -220
112 4,5 13 135-260 НО 175
93 4,5—12 160 310 90 160
76 4,5 12 200 -380 70—140
СМ 5 151 9,6—16 100 200 150 240
132 9,6 16 115 230 130 220
112 7,2—13 135—270 110—175
93 7,2—13 160—320 90—160
76 4,8- 12 200—400 70- 140
59 4,8— 12 255 510 60 120
46 4,8—12 330 660 50 -100
36 3,6 -10 420—840 40—80
СТ2 151 6—9,6 75 -150 120—180
132 6—9,6 85 170 НО 160
112 5- 8 100 200 100-150
93 4 6,4 120—250 80 — 140
76 3- 4,8 150 300 60 - 130
59 3—4,8 190 -390 50—100
46 3—4,8 250—500 40-80
189
Продолжение табл. 8.1
Тип Наружный дна- Осевая нагрузка Частота враще- Расход промы-
коронки метр коронки, на коронку, пия снаряда, вочной жидкости,
мм кН об/мин JI/МИН
СА1 132 10 16 115 220 100 150
112 8 12,8 135 -260 90 140
93 8 12,8 165 315 70- 130
76 6 9,6 200 385 50 НО
59 4 6.4 255 495 40-90
46 4 6,4 330 630 30 70
36 4 6,4 420 810 25 60
СА2 76 10 13 150- 380 40—90
59 7,5 12 195 490 30—70
36 5 10 315 800 20 50
САЗ ' 132 14,4 18 90 -220 90 140
112 12 15 105 260 80 -130
93 12 15 125 315 60-120
СА4 112 10 18 105 260 70 120
93 10 16 125 315 50 110
76 8 15 155 385 40 100
59 7 14 200-495 30—90
46 6 12 255 635 25 80
Количество подаваемой в скважину жидкости должно быть
достаточным для эффективного выноса продуктов разрушения с забоя.
Практически при бурении с промывкой расход жидкости следует
определять из расчета 10—20 л/мин на 1 см диаметра коронки или исходя
из скорости восходящего потока не менее 0,5 м/с. Чем больше плотность
применяемого глинистого раствора, тем меньше может быть его расход.
При бурении инженерно-геологических скважин используют как
техническую воду, так и глинистый раствор. Последний должен
обладать примерно следующими свойствами:
Плотность, г/см3 ................................... 1,1 1,2
Вязкость по СП В-5, с .............................. 25—28
Водоотдача за 30 мин, см3 .......................... 10—15
Песок, % .............................................. 4
Рыхлые и мягкие породы на изысканиях бурить с промывкой не рекомендуется. Если промывка все же используется, количество подаваемой в скважину жидкости должно быть минимальным. Целесообразно также использовать двойные колонковые трубы. Заклинивать керн следует только затиркой всухую.
Величина рейса при бурении твердосплавным инструментом на изысканиях не должна превышать: в мягких и рыхлых породах 0,5— 1 м, в скальных породах 0,8 2 м.
При бурении песчаных, глинистых, полускальных и мерзлых пород (I—IV категории) с очисткой забоя сжатым воздухом следует использовать ребристые твердосплавные коронки, обеспечивающие свободный выход воздуха из-под торца.
Диаметр бурильных труб следует брать таким, чтобы отношение площадей сечений кольцевого пространства скважины и канала 190
в бурильных трубах приближалось к единице. Необходимо избегать ступенчатого ствола скважины, так как в местах его расширения уменьшается скорость восходящего потока и накапливается шлам. Скорость восходящего потока воздуха в кольцевом зазоре между стенками скважины и колонной штанг должна быть в пределах 8—12 м/с. Осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент примерно та же, что и при бурении с промывкой. Частоту вращения снаряда поддерживают в пределах 120—280 об/мин.
Для бурения скважин с продувкой необходимо применять передвижные компрессоры с подачей воздуха до 10 м3/мин и давлением до 0,8—1 МПа.
Бурение инженерно-геологических скважин с продувкой особое развитие получило в УралТИСИЗе. Здесь ряд самоходных буровых установок оборудован малогабаритными компрессорами с воздушным охлаждением типа К-7В с подачей 0,58 м3/мин и давлением 0,8 МПа. Давление, развиваемое этими компрессорами, и количество подаваемого воздуха вполне достаточны для продувки скважины при бурении в крепких породах. При этом рекомендуются следующие режимы бурения: частота вращения до 120 об/мин, осевая нагрузка до 10 кН.
Колонковое бурение «всухую» достаточно широко распространено на изысканиях. Обычно оно ведется укороченными рейсами (длина рейса не превышает 0,8—1,5 м). Параметры режима бурения устанавливают следующие: частота вращения инструмента 80— 150 об/мин, осевая нагрузка на забой 3—6 кН.
Заклинивание керна проводят затиркой, для чего необходимо последние 0,05—0,1 м рейса пройти с повышенной осевой нагрузкой на забой. Бурение «всухую» целесообразно использовать только при проходке обводненных грунтов I—III категорий по буримости. Механическая скорость колонкового бурения «всухую» в зависимости от грунтов колеблется от 0,05 до 0,5 м/мин, производительность обычно не превышает 20 м/смену. Для получения качественного керна величину рейса следует устанавливать в пределах 0,5- -0,7 м. В слабых грунтах бурить рекомендуется обуривающими грунтоносами. При бурении плотных слабообводненных глинистых грунтов допускается подливать в скважину небольшое количество воды.
Для сокращения затрат времени на извлечение керна при бурении «всухую» в песчано-глинистых породах и повышения качества керна в Теплоэлектропроекте используют метод выдавливания с помощью сжатого воздуха. Для этого на буровой установке УГБ-50М устанавливают компрессор от автомобиля ЗИЛ-130М. Во фрезерном переходнике колонковой трубы сверлят отверстие и нарезают резьбу под ш гуцер; воздух подают по шлангу. Аналогичные устройства используются в УралТИСИЗе.
§ 2. Колонковое бурение алмазным породоразрушающим инструментом
Алмазные коронки имеют небольшой диаметр, поэтому бурильные грубы должны иметь, как правило, ниппельное соединение. Для коронок диаметром 36 и 46 мм применяются гладкоствольные
191
ниппельные трубы диаметром 33.5 и 42 мм соответственно, для коронок 59 и 75 мм— 42 и 50 мм.
При бурении в крепких породах между коронкой и колонковой трубой необходимо включать калибровочный алмазный расширитель. Для борьбы с искривлением скважины рекомендуется ставить второй алмазный расширитель между колонковой трубой и переходником. Прежде чем опускать в скважину новую коронку, необходимо проработать забой скважины крестовым долотом, чтобы разрушить оставшийся керн.
Спускать инструмент на забой следует плавно, без толчков и ударов. Алмазными коронками можно бурить при частоте вращения инструмента 700 1500 об/мин и более. Для уменьшения вибрации бурильные трубы снаружи смазывают специальной консистентной смазкой КАВС, содержащей канифоли 25%, нигрола 70% и олеина 5%; применяются также эмульсионные растворы. С увеличением крепости, трещиноватости и абразивности пород частоту вращения алмазной коронки уменьшают.
В табл. 8.2 приведены рекомендуемые ВИТРом параметры режима алмазного бурения. При постановке на забой новой коронки вначале дают небольшую осевую нагрузку (1,5- 2 кН) и малую частоту вращения; по мере приработки алмазов в течение 10—15 мин нагрузку на коронку и частоту ее вращения повышают до нормальных пределов. Осевую нагрузку чаще всего доводят до 7—12 кН. При алмазном бурении расхаживать снаряд не рекомендуется. Бурение ведут не до полного износа коронки, а до снижения скорости бурения примерно до 1 —2 см/мин, после чего коронку поднимают и заменяют.
Скорость восходящего потока между бурильной колонной и стенками скважины должна быть в пределах 0,4 —0,8 м/с.
При наполнении колонковой трубы керном буровой инструмент поднимают на поверхность. Керн отделяют от забоя с помощью кернорвателя, устанавливаемого внутри коронки.
Таблица 8.2. Режимы бурения алмазным породоразрушающим инструментом
Катег ория пород по буримости Диаметр коронки, мм
36 46 59 76
Осевая нагрузка на коронку, кН
VI VII 2,5- 3 3 5 4- 8 5 10
V111 IX 3 5 5 7 6 10 8 13
IX XI 5- 7 6—9 8- 12 10 17
XI XII 6 8 7 - 10 10 16 13- 18
Частота вращения, об/мин
VI VII 700 1000 500 900 400 700 300— 500
VIII IX 900 1500 600 1200 500 900 400 -700
IX -XI 1400 -2000 1000- 1500 800 1400 600-1000
XI -XII 800 — 1200 800- 1300 600- 1000 400 —700
192
Продолжение табл, tf.2
Категория пород по буримости Диаметр коронки, мм
36 46 59 76
Подача промывочной жидкости, л/мин
VI—VII 25—35 30—50 50-70 60— 100
VIII -IX 20—30 30—40 40 -60 50—80
IX—XI 15—25 20 30 35—50 40 60
XI— XII 10 15 15—20 25—35 30 40
§ 3. Медленновращательное бурение
При медленноврашательном бурении в качестве породоразрушающего инструмента используют ложковые и спиральные буры. Процесс бурения может осуществляться как установками, специально предназначенными для этой цели (УБР-2М), так и самоходными станками, предназначенными для реализации других способов бурения (УГБ-50М, УГБ-ВК и др.). Диаметр породоразрушающего инструмента выбирают в пределах 89—168 мм, реже используют ложковые буры большого диаметра. Бурение следует вести при пониженных частотах вращения инструмента (7—80 об/мин). Осевая нагрузка может колебаться в широких пределах (2—10 кН), она обусловлена диаметром бура и проходимыми породами. Нагрузку регулируют используемым на данной буровой установке механизмом подачи. Величину рейса устанавливают в пределах 0,3—0,8 м. В некоторых случаях (например, при проходке плотных необводненных пород) при медленновращательном бурении необходимо подливать в небольших количествах воду. Ложковые и спиральные буры, как правило, очищают вручную.
§ 4. Шнековое бурение
При инженерных изысканиях шнековое бурение применяется в ограниченных объемах. В ряде изыскательских организаций оно вообще запрещено к использованию. Это обусловлено тем, что шнековое бурение не обеспечивает должного качества описания геологического разреза. Обычно его применяют для проходки неглубоких зон-дировочных скважин (переносные и малогабаритные передвижные мотобуры КМ-10, УКБ-12/25 и др.), реже для бурения сравнительно глубоких разведочных скважин (передвижные и самоходные буровые станки) и гидрогеологических скважин. В первом случае диаметр скважин колеблется от 33 до 108 мм, во втором и третьем—-от 108 до 300 мм и более.
При использовании мотобуров и легких передвижных станков скважины, как правило, бурят сплошным забоем (поточное и рейсовое 13 Заказ 3871 193
бурение). Поточное бурение обычно ведут спиральными долотами с частотой вращения инструмента 250 об/мин и выше. Величина подачи должна обеспечивать равномерность и непрерывность углубления инструмента. Быстро погружать шнековую колонну не рекомендуется, так как это может вызвать переполнение шнеков грунтом, прекращение выноса последнего на поверхность и заклинивание шнеков в скважине. Поточное бурение следует применять в неоплывающих и неосыпающихся грунтах, обеспечивающих устойчивость стенок скважины и равномерный вынос разбуренной породы на поверхность (связные и слабосвязные супесчаные и суглинистые грунты). Как отмечалось, качественная геологическая документация при поточном бурении затруднена.
Рейсовое бурение применяют при необходимости более детального изучения геологического разреза, в основном в пластичных и тугопластичных грунтах.
Величина разового углубления переносными мотобурами при рейсовом бурении составляет 0,2—0,6 м, частота вращения шнековой колонны 100—300 об/мин, осевая нагрузка 0,3—0,8 кН.
Технология шнекового бурения, осуществляемого самоходными буровыми установками, несколько отличается от технологии бурения переносными мотобурами.
При поточном бурении мягких и сыпучих грунтов принудительную подачу инструмента на забой не применяют, максимальная частота вращения шнековой колонны не превышает 300 об/мин. При бурении плотных и твердых пород осевую нагрузку можно доводить до 8—10 кН, а частота вращения снижается до 100—150 об/мин. В сильнообводненных породах бурить следует с повышенной частотой вращения; только в этом случае может быть обеспечен подъем выбуренной породы на поверхность.
Оптимальная частота вращения шнековой колонны при бурении сравнительно глубоких скважин 100—200 об/мин. Пониженную частоту вращения (50—70 об/мин) используют для забуривания скважины, повышенную (до 200—300 об/мин) — при глубине не более 15 м, а также для очистки шнеков в процессе бурения. Осевая нагрузка на забой составляет 5—7 кН.
Вязкие глинистые породы проходить поточным способом, как правило, не удается. Поэтому в этих случаях применяют рейсовое бурение. Величина рейса в зависимости от пород может колебаться в широких пределах. Обычно процесс бурения приостанавливают только в том случае, если углубление снаряда прекратилось. При бурении инженерно-геологических скважин длину рейса ограничивают до 1 м, реже до 1,5 м.
Во многих разновидностях грунтов транспортирование разрушенной породы на витках шнеков затруднено. Подлив воды (в небольшом количестве) через устье скважины, а если возможно, через колонну шнеков позволяет повысить скорость бурения и снизить расход мощности.
194
Шнековое бурение кольцевым забоем реализуется при частоте вращения шнековой колонны 40—200 об/мин, величина рейса колеблется в пределах 0.4—2 м. При наружном диаметре шнековой колонны 217 мм можно получить керн диаметром 84 мм.
§ 5. Ударно-кана гное бурение кольцевым забоем
Ударно-канатное бурение кольцевым забоем — один из наиболее распространенных способов проходки скважин при инженерных изысканиях.
Технологические приемы этого способа бурения зависят от его разновидности, глубины и начального диаметра скважины, а также от свойств проходимых пород. Следует иметь в виду, что ударноканатное бурение кольцевым забоем можно применять только при проходке скважин в нескальных грунтах I—IV категорий по буримости.
Неглубокие скважины (до 30 м) бурят забивными стаканами диаметром от 89 до 168 М, реже до 219 мм. При этом можно использовать буровые установки, не имеющие балансирных или оттяжных устройств, т. е. осуществлять бурение непосредственно с лебедки станка. Для эффективного бурения скважин скорость навивки каната на барабан лебедки должна быть довольно высокой (0,8- 1,5 м/с).
Для углубления скважины применяют забивной и клюющий способы, желонирование и бурение сплошным забоем. Забивной способ используют при наличии всех разновидностей связных нескальных грунтов, клюющий—мягкопластичных и лёссовых глинистых пород, желонирование — несвязных грунтов, бурение сплошным забоем— крупиообломочных й валунно-галечных грунтов.
Основные технологические параметры забивного патрона
Диаметр скважины, мм ............................
Вес ударной части забивного патрона, кН .........
Высота подъема ударного патрона, м ..............
Число ударов забивного патрона в 1 с ............
Углубление за рейс, м:
в слабосвязных породах ........................
в вязких породах ..............................
89 127
0,8 1,2
0,6 1
20-25
0,5—0,7 0,3—0.5
146—219
1,2—1,5 0,6—1
15—20
0,6 -0,8
0,4 0,6
При забивном бурении не следует стремиться к увеличению рейсового углубления. Если стакан забивают на большую глубину, чем указано выше, то затрудняются его извлечение из скважины и последующая очистка от грунта. В условиях, когда спуско-подъемные операции занимают малое время по сравнению с процессом бурения, целесообразно чаще поднимать снаряд, облегчая и ускоряя тем самым процесс очистки стаканов.
В вязких грунтах рекомендуется использовать разъемные стаканы, в несвязных грунтах — стаканы с клапаном (с клапанами).
Основные параметры клюющего способа—вес бурового снаряда и высота его подъема над забоем. Буровой снаряд при этом способе включает в себя забивной стакан и утяжеленную трубу или штангу,
13*
195
жестко присоединяемую к забивному стакану. Для эффективного бурения необходимо стремиться к возможно большему весу снаряда, доводя его до 1,5—3 кН. Как известно, клюющий способ состоит в том, что буровой снаряд с некоторой высоты сбрасывают на забой и стакан углубляется в породу на 0,1—0,25 м, затем снаряд поднимают на поверхность для очистки стакана. Величина углубления стакана зависит от энергии единичного удара снаряда. В связи с этим рекомендуется буровой снаряд поднимать на возможно большую высоту (5—8 м).
При проведении желонирования число ударов должно быть равно 20—30 в 1 мин, а высота подъема желонки 0,15—0,2 м и более. Желонки рекомендуется применять с у тяжеленными штангами с таким расчетом, чтобы их вес был равен 0,5—1 кН. В процессе желонирования скважину, как правило, закрепляют обсадными трубами. При этом желонка не должна выходить за башмак обсадных труб более чем на 0,5—1 м.
При бурении крупнообломочных и валунно-галечных грунтов следует переходить на ударно-канатное бурение сплошным забоем, используя обычные ударно-канатный инструмент (долота, желонки, ударные штанги, канатные замки и т. д.) и технологию бурения.
§ 6. Вибрационное бурение
Основные технологические параметры, определяющие эффективность вибрационного бурения, -момент дебалансов, частота колебаний и вес вибровозбудителя; ударно-вибрационного бурения—момент дебалансов, частота их вращения, частота ударов и вес ударной части вибромолота. Следует отметить, что в настоящее время для бурения инженерно-геологических скважин применяют в основном беспружинные вибромолоты ВБ-7, ВБ-7М и В-500.
В большинстве случаев вибрационным буровым установкам и агрегатам придается вибропогружатель с постоянными параметрами. Как правило, эти параметры не регулируют в процессе бурения и вибропогружатель работает с постоянными параметрами. Исключение составляет частота вращения дебалансов, которую можно регулировать в небольших пределах изменением частоты вращения приводного двигателя. В пружинных вибромолотах, которые в настоящее время применяются крайне редко, можно регулировать зазор между ударником и наковальней. В результате этого может изменяться скорость удара ударной части. Предпочтителен нулевой зазор.
Для эффективного бурения скважин глубиной 15—25 м в нескальных грунтах вибропогружатель (бсспружинный вибромолот) должен иметь следующие параметры:
Статический момент массы дебалансов, кг м ........ 1,5—2,5
Частота вращения дебалансов, об/мин ............... 1000— 1500
Масса, кг: ударной части .................................... 300—500
вибромолота .................................... 400—650
Мощность приводного электродвигателя, кВт .... 7—10
196
Рис. 8.1. Снаряды для ударно-вибрационного бурения:
а с верхним расположением ударника; б—с нижним расположением ударника; в — быстросъемное соединение; г—забойный ударный патрон; 1—вибровозбудитель; 2—ударный патрон, расположенный на поверхности; 3— бурильные трубы; 4—быст-росъемнос соединение; 5 — забойный ударный патрон; б — виброзонд; 7, 9— переходники; 8—муфта; 10 — ударник; 11, !4— фланцы; 12—кор пус; 13 наковальня
При вибробурении глинистых грунтов рекомендуется применять вибропогружатель с большим моментом дебалансов и с пониженной частотой, при вибробурении песчаных грунтов хороший эффект дают высокочастотные вибропогружатели. Во всех случаях вибромолоты более эффективны, чем обычные центробежные вибровозбудители (вибраторы).
Вибробурение можно осуществлять по двум принципиально различающимся схемам: с верхним и нижним размещением ударника (рис. 8.1). Нижнее расположение ударника увеличивает механическую скорость бурения, расширяет область рационального использования вибробурения по глубине скважины (до 25—30 м) и по крепости проходимых пород (до IV—V категорий).
При регулировании частоты ударов беспружинного вибромолота двигателем следует иметь в виду, что большая величина отскока соответствует большей энергии единичного удара. При бурении плотных грунтов предпочтительнее низкочастотный режим. Бурильщик для каждой разновидности грунтов должен опытным путем устанавливать тот режим колебаний, который обеспечивает наибольшую скорость погружения зонда. Однако при этом ему необходимо помнить, что снижая или повышая частоту вращения приводного двигателя, он тем самым одновременно снижает или повышает частоту вращения ротора генератора, который питает электрическим током вибропогружатель. Вследствие этого напряжение в сети вибромолота падает или растет. Увеличивать напряжение более 450 В
197
или снижать его до 250 В не допускается, так как это может вывести из строя генератор или электродвигатель.
Длина рейса относится к числу немногих параметров вибробурения, которые в определенных пределах может произвольно устанавливать бурильщик. Тем важнее правильно ее выбрать. Автором теоретически было доказано, что оптимальная длина рейса, обеспечивающая достижение максимальной рейсовой скорости бурения, существует в действительности, причем почти все оптимальные длины рейсов находятся в пределах, которые легко могут быть реализованы на практике при использовании существующего вибробурового оборудования.
В табл. 8.3 приведены рекомендуемые оптимальные длины рейсов при вибробурении для двух диаметров скважин 108 и 146 мм. Для остальных диаметров оптимальные длины рейсов необходимо устанавливать интерполяцией или экстраполяцией. Представленные в табл. 8.3 оптимальные длины рейсов являются ориентировочными и должны уточняться для каждой конкретной площадки изысканий.
Таблица 8.3. Рекомендуемые оптимальные длины рейсов при ударно-вибрационном бурении грунтов (в м)
Интервалы глубин скважин, м Условия бурения
Легкие Средние Тяжелые
0 4 4/3 3,5/2,5 3/2
4-10 2,5/2,5 2/1,5 1,5/1
10—20 2/2 1,5/1 1/0,7
>20 1,5/1,5 1/0,7 0,7/0,4
Примечания. 1. Легкие условия бурение скважин в мягконластичных и текучепластичных глинистых грунтах с коэффициентом консистенции В >0,75 и в пылеватых и водонасыщенных мелкозернистых песках; средние условия -бурение супесей, суглинков и глин с коэффициентом консистенции В=0,5—0,75, а также песков мелких и средней крупности; тяжелые условия—бурение глинистых грунтов твердой и полутвердой консистенции, а также песков крупных и гравелистых. 2. В числителе—для диаметра скважин 108 мм, в знаменателе — 146 мм.
Во многих случаях длину рейса устанавливают произвольно (если не ставится никаких ограничений геологической службой). Обычно буровая бригада стремится забивать зонд до его полного заполнения грунтом или до полной приостановки процесса углубления и только после этого поднимать инструмент. Такая технология не может быть признана рациональной. Во-первых, она снижает качество инженерногеологической документации, во-вторых, уменьшает рейсовую скорость бурения. В некоторых нормативных документах рекомендуется прекращать процесс вибробурения, если скорость погружения зонда снизилась до 0,05 м/мин. Но и эта рекомендация не является удовлетворительной.
Сопоставим предельные величины погружения зонда и оптимальной длины рейса для наиболее часто встречающихся средних условий. Результаты соответствующих расчетов представлены в табл. 8.4. 198
Данные табл. 8.4 свидетельствуют о том. что оптимальная длина рейса при виброударном бурении в средних условиях должна быть меньше предельной на 5—20%. Следовательно, чтобы установить оптимальную длину рейса, буровой бригаде первоначально необходимо найти предельную величину погружения, а затем уменьшить ее на 5—20%. В плотных грунтах различие должно быть менее существенным, в слабых — более существенным. Предложенный способ позволит непосредственно в полевых условиях для конкретного геологического разреза ориентировочно устанавливать оптимальную длину рейса, обеспечивая этим самым большую рейсовую скорость вибробурения.
Средняя продолжительность работы вибропогружателя обычно колеблется от 1—3 до 10 мин.
При вибробурении значительное время тратится на спуско-подъемные и подсобно-вспомогательные операции. Время, затрачиваемое на чистое бурение, составляет не более 25%. Поэтому для получения высоких технико-экономических показателей, присущих этому способу, необходимо уделять большое внимание совершенствованию подсобновспомогательных операций.
Таблица 8.4. Сопоставление предельной и оптимальной длин рейсов при вибробурении
Глубина скважины, м •^иред» М -^ОПТ5 М -“'-•ЮО, % *-щред
3 2,4 2,1 88
4 2,02 1,75 87
5 1,76 1,55 88
7 1,42 1,28 90
10 1,11 1,05 95
15 0,82 0,77 94
20 0,65 0,60 93
Зонд для забуривания выбирают в зависимости от проектной глубины скважины, сложности геологического разреза и требований к отбору образцов. При большой глубине скважины и сложном геологическом разрезе, требующем спуска в скважину обсадных труб, начальный диаметр скважины должен быть по возможности большим (219 мм).
Если из скважины предполагается отбор монолитов, следует учитывать, что конструкция скважины и выбранный ее начальный диаметр должны обеспечивать спуск в скважину (на требуемой глубине) соответствующего грунтоноса. Обычно для забуривания выбирают зонды диаметром 127, 146 или 168 мм, реже используют зонды диаметром 219 мм.
Для забуривания зонд присоединяют к вибропогружателю. Затем инструмент вместе с вибропогружателем опускают до упора башмака в грунт. При этом необходимо следить за тем, чтобы зонд был установлен вертикально, что обеспечит вертикальное направление 199
скважины и устранит последующие осложнения при бурении, связанные с отклонениями оси скважины от вертикали.
Процесс вибробурения складывается из чередующихся циклов. Каждый цикл включает спуск инструмента на забой скважины, бурение, подъем инструмента и очистку зондов от грунта. Начальные интервалы скважины следует бурить зондами большого диаметра с постепенным уменьшением диаметра по мере увеличения глубины скважины. Это вынуждает постоянно иметь на виброагрегате виброзонды нескольких типоразмеров, однако такая мера целесообразна. В ряде случаев (например, при бурении тугопластичных суглинков), когда процесс бурения существенно замедляется, оказывается целесообразным в течение рейса останавливать погружение зонда, отрывать его от забоя, приподнимать (на 1 —1,5 м) и затем сбрасывать на забой с одновременным включением вибропогружателя. В мягкопластичных грунтах такая приостановка погружения неэффективна. Поэтому в каждом конкретном случае бурильщик должен опытным путем установить, какой из способов вибробурения является наилучшим, и применять этот способ.
Очищать зонды от грунта можно извлечением через продольный вырез, выбиванием, выдавливанием с помощью откидных крюков (в процессе подъема инструмента), вибрированием зонда, соединенного с подвешенным на крюке и включенным в работу вибропогружателем.
При встрече мелких валунов и небольших твердых прослоев грунта, существенно замедляющих процесс углубления, рекомендуется проворачивать буровой инструмент вручную (по часовой стрелке).
При бурении насыпного грунта, представляющего собой сплошной слой битого кирпича, пробить который обычным виброзондом не представляется возможным, используют специальные пикобуры. Пикобуром первоначально пробивают в насыпном слое отверстие, а затем это отверстие расширяют виброзондом. Большие трудности представляет бурение насыпного грунта, содержащего обрезки резины. В этом случае также следует применять пикобуры.
При бурении скважин в обводненных грунтах на бурильные трубы нередко налипает большое количество грязи и шлама. Очищать их вручную и неудобно, и затруднительно. В Мосгоргеотресге для этого применяют специальный шарнирный очиститель с резиновой манжетой. Последний надевают на бурильную трубу и при ее подъеме удерживают руками.
§ 7. Вибрационно-вращательное бурение
Вибрационно-вращательное бурение при инженерно-геологических изысканиях рекомендуется применять в комбинации с вибрационным. Оно эффективно при глубине скважины более 15 м, когда механическая скорость чисто вибрационного бурения резко снижается, при проходке насыпных, валунно-галечных и мерзлых грунтов, а также твердых прослоев грунта. 200
Процесс вибрационно-вращательного бурения аналогичен вибрационному. Углубление скважины ведется без промывки и без продувки. В качестве инструмента используют зонды обычной или специальной конструкции (с приваренными к ним продольными полосами) диаметром 108, 127, 146 и 168 мм. Принудительное давление на забой не оказывается. Вибропогружатель работает в том же режиме, что и при вибрационном бурении. В качестве вибропогружателя рекомендуется использовать вибромолот ВБ-7М с повышенной погружающей способностью. Частота вращения инструмента должна находиться в пределах 40—80 об/мин. Длина рейса в зависимости от пород составляет 0,5—2 м. При бурении слабообводненных плотных пород в скважину допускается подливать небольшое количество воды.
§ 8. Бурение погружными пневмопробойпиками
Для бурения скважин в грунтах с помощью пневмопробойников можно использовать любые буровые установки, имеющие средства для спуска и подъема бурового снаряда.
В качестве источника воздуха рекомендуются передвижные компрессоры с подачей не меньше 6 м3/мин при нормальном давлении не менее 0,6 МПа. Подача воздуха в пневмопробойник может осуществляться двумя способами: через резиновый шланг и через бурильные трубы. Первый способ рекомендуется при бурении скважин глубиной не более 10 м. При этом способе спуско-подъемные операции проводят посредством каната, присоединенного к амортизатору через вертлюжную скобу. При использовании бурильных труб последние должны быть оборудованы вертлюгом-сальником.
Так же, как и при вибробурении, процесс углубления скважины пневмопробойниками складывается из чередующихся рейсов. Ответственным моментом в начале бурения является забуривание скважины. Мачта бурового агрегата должна быть установлена строго вертикально, а сам агрегат надежно закреплен от возможных горизонтальных смещений. При забуривании должно быть обеспечено заданное вертикальное направление движения зонда, для чего используют специальный вращательный элемент. На ряде установок для этого можно применять вращатель (ротор), а при наличии подвижного вращателя или вообще при отсутствии вращателя устанавливают специальный кондуктор.
Воздухопроводный шланг перед началом бурения должен быть аккуратно уложен возле устья скважины во избежание запутывания и продут. Перед бурением пневмопробойник опробуют на холостом ходу.
Для облегчения включения в работу пневмопробойник рекомендуется запускать на пониженном давлении. После забивки зонда примерно на 0,5 м пневмопробойник останавливают и проверяют правильность забуривания скважины. Во всех случаях при забуривании снаряд необходимо поддерживать лебедкой.
201
Длину рейса при пневмоударном бурении устанавливают опытным путем для каждой конкретной площадки. Оптимальная длина рейса находится в пределах 0,5—1,5 м вне зависимости от глубины скважины. При большой длине рейса может произойти прихват инструмента на забое. Для увеличения длины рейса целесообразно периодически отрывать снаряд от забоя, приподнимать на некоторую высоту и затем вновь опускать на забой. Пневмопробойник при этом следует выключать (во избежание выпадения керна).
При бурении в плотных, вязких и сухих глинах и суглинках рекомендуется в скважину периодически подливать (через устье) в небольшом количестве воду (2— 3 л за рейс).
Прихваченный на забое инструмент также можно извлекать пневмопробойником.
Если в качестве зондов используются сплошные колонковые трубы (без прорези), извлекать керн можно выдавливанием сжатым воздухом, для чего на буровом снаряде должен быть оборудован специальный штуцер, к которому может быть присоединен воздухопроводный шланг.
§ 9. Бурение песчано-гравийных и валунно-галечных грунтов
Изыскателям хорошо известно, насколько большие трудности возникают при бурении рыхлых пород с твердыми обломочными включениями. Мало того, что сам процесс бурения чрезвычайно затруднен, образуемая скважина требует непрерывного закрепления стенок обсадными трубами, погружение которых в этих породах также сопряжено со значительными трудностями. Для бурения скважин используют следующие способы: колонковый с промывкой глинистым раствором, медленновращательный, грейферный (в частности, буровой установкой УБСР-25) и ударно-канатный сплошным забоем (особенно эффективна для этих целей установка БУГ-75 с механизированным расхаживанием обсадных труб).
Наибольшие сложности при бурении пород с обломочными включениями возникают при наличии в их составе валунов. При этом необходимость качественного опробования таких толщ вынуждает или вообще отказываться от бурения скважин и изыскания вести с помощью проходки шурфов, или бурить скважины большого (не менее 0,5 м) диаметра в основном грейферным способом. Известны и применяются четыре способа удаления валуна из ствола скважины: постепенное обнажение валуна от рыхлого заполнителя и последующее его извлечение, захват валуна инструментом в процессе углубления скважины и извлечение его вместе с заполнителем, оттеснение (вдавливание) валуна в стенки скважины; полное разрушение валуна и извлечение его по частям.
Что касается последнего способа, то можно выделить две разновидности: а) разрушение валуна после его частичного или 202
полного обнажения с помощью сильных ударов или за счет использования электрогидравлического эффекта, взрывчатого вещества, какого-либо иного импульсного воздействия; б) разрушение в процессе бурения скважины (при колонковом бурении это может быть просто выбуривание керна в валуне, при ударно-канатном бурении — частичное или полное разрушение валуна на мелкие куски и шлам). Наибольший практический интерес представляют второй и третий способы. Разрушение валуна -процесс достаточно трудоемкий, требующий времени, а часто и использования специального оборудования. Тем не менее этот способ широко практикуется на изысканиях, для чего используются обычные станки ударно-канатного бурения и существующий инструмент (пирамидальные и крестовые долота).
Смещение валуна в сторону или захват его забивным стаканом возможен, если буровой снаряд оборудован специальным конусным смещающим наконечником, так называемым опережающим коническим элементом.
Необходимость создания такого инструмента обусловлена самой практикой буровых работ. Например в Мосгоргеотресте бурение скважин в строительном мусоре с обломками битых кирпичей, железными прутьями и т. д. осуществляют следующим образом. Первоначально с помощью специального пикобура на всю толщу, содержащую твердые включения, вибромолотом пробивают пилот-скважину, а затем уже обычным виброзондом скважину разбуривают и отбирают образцы. Эти две операции могут быть совмещены в одну, если башмак виброзонда (стакана) оснастить опережающим коническим элементом.
Автором совместно с Д. И. Павловым предложен такой башмак (рис. 8.2). Использование башмака обеспечивает эффективное бурение скважин в толщах песчано-гравийных и валунно-галечных пород. Мелкие валуны и галька входят в окна башмака, а затем в стакан, а более крупные валуны смещаются к стенкам скважины за счет уплотнения грунта. Опытная партия ударных снарядов, оснащенных башмаками с опережающим коническим элементом, выпущена УЭРМЗ Гидропроекта.
Как отмечалось, бурение скважин в крупнообломочных породах, как правило, требует непрерывного закрепления стенок скважины обсадными трубами. Обычно трубы погружают забивкой, при этом колонну в нижней части оснащают либо зубчатым, либо цилиндрическим заостренным башмаком. Использование таких башмаков при наличии в геологическом разрезе крупной гальки и валунов неэффективно.
Автором совместно с Ю. А. Арсентьевым с целью снижения лобового сопротивления и создания наиболее благоприятных условий для проникновения колонны в голщу пород, содержащих твердые включения, предложено изменить традиционную геометрическую форму породоразрушающего башмака и выполнить его в виде полого цилиндра, пересеченного плоскостью, наклоненной под некоторым
203
Рис. 8.2. Башмак с опережающим коническим элементом для бурения рыхлых пород с твердыми обломочными включениями:
1—корпус башмака; 2 ребра; 3—опережающий конический элемент; № 1 и № 2— номера сварки
Рис. 8.3. Скошенный башмак для обсадных труб диаметром 168 мм (а) и 219 мм (б)
углом к оси башмака. Такой башмак получил название скошенного. На рис. 8.3 представлены два скошенных башмака для обсадных труб диаметром 168 и 219 мм. Применение башмака в Белорусской ГРЭ показало, что скорость погружения труб в песчано-гравийных породах по сравнению с обычным башмаком возрастает более чем в 1.5 раза. Стоимост ь изготовления скошенного башмака ниже стоимости зубчатого.
Представленный в настоящем разделе материал, а также обобщение практического опыта позволяют дать ряд важных рекомендаций, реализация которых позволит интенсифицировать процесс бурения
204
скважин в таких труднопроходимых породах, какими являются рыхлые породы с включением обломочного материала (валунногалечные породы, дресвяные и щебнистые отложения, кора выветривания, строительный мусор и т. д.).
1. Любой инструмент для ударного бурения отмеченных пород должен быть оснащен достаточно прочным опережающим центральным конусом (пикой).
2. Породоразрушающий инструмент должен содержать в себе «чементы, обеспечивающие проникновение небольших валунов внутрь инструмента, а более значительных — оттеснение в сторону.
3. Если бурение скважин осуществляется обыкновенным кольцевым инструментом, крайне целесообразно первоначально простым пикобуром пробить опережающую скважину малого диаметра на 2—3 м глубже забоя и затем уже погружать кольцевой инструмент.
4. При вращательном бурении пород с включением обломочного материала также первоначально целесообразно пройти пилот-скважину малого диаметра (пробивкой).
5. При бурении пород с включением валунов разрушения последних целесообразно и должно осуществляться только в исключительных случаях. Процесс следует вести таким образом, чтобы валуны либо отбирались целиком, либо оттеснялись в сторону. Иногда бывает целесообразно расколоть валун на несколько частей и извлекать его по частям.
6. Для более эффективного бурения валунных пород вращательным способом целесообразно процесс бурения осуществлять таким образом, чтобы постепенно обнажить (освободить) валун от вмещающих пород. Полезен в этом случае буровой снаряд с откидными резцами (по предложению А. О. Бухарова и др.).
7. Поскольку встреча породоразрушающим инструментом валуна при вращательном бурении всегда сопряжена с резким возрастанием крутящего момента и соответственно затрат мощности, желательно между бурильными трубами и инструментом помещать упругие амортизирующие элементы (муфты) для снижения пиковых нагрузок. Эти элементы будут предохранять бурильные трубы и сам станок от поломок.
8. При бурении всех рыхлых пород с включениями обломочного материала стенки скважин целесообразно закреплять стальными обсадными трубами с небольшим отставанием башмака труб от забоя.
9. Башмак обсадной колонны целесообразно выполнять со скосом. Этим достигается эффект точечного касания колонны с валуном и более активного смещения валуна в сторону. Плоский башмак (заточенный с наружной или внутренней стороны), а тем более зубчатый башмак для указанных пород не рекомендуются.
10. Одним из эффективных способов бурения скважин в валунных отложениях и забора валунов является грейферный.
11. Следует иметь в виду, что при вращательном бурении встреча валуна приводит к значительному возрастанию усилий на инструменте и, следовательно, затрачиваемой мощности.
205
§ 10. Технология бурения шурфов
Общие рекомендации по бурению шурфов состоят в следующем. Процесс углубления шурфа при вращательном бурении заключается в разрушении забоя, осуществляемом лезвиями шнекового, ложкового, конусного, тарельчатого или цилиндрического породоразрушающего инструмента, в накоплении выбуренной породы в емкости бура, подъеме его на поверхность, очистке от груша и последующем спуске на забой.
Частота вращения бура должна составлять 20—60 об/мин. Начальные интервалы шурфа следует проходить при минимально возможной частоте вращения инструмента и осевой нагрузке, не превышающей 2—2,5 кН. Особенно тщательно необходимо следить за тем, чтобы шурфу было придано строго вертикальное направление.
При бурении шурфов в крупнообломочных, валунно-галечных и глинистых грунтах полутвердой и твердой консистенции целесообразно вначале бурить лидер-скважины небольшого диаметра (250 — 270 мм) с последующим поэтапным расширением (0,4—0,6—0,8 м).
Осевая нагрузка при бурении шурфов вращательным способом может достигать 10 кН. Регулированию осевой нагрузки следует уделять особенно большое внимание, поскольку чрезмерная нагрузка может привести к снижению скорости бурения и к искривлению шурфа. При использовании конусного, ложкового и цилиндрического буров большая нагрузка может вызвать увеличение подачи, что затруднит поступление грунта во внутреннюю полость бура.
При использовании буров шнекового типа очищать их от груша можно быстрым вращением (200—250 об/мин) над закрытым устьем шурфа. При этой скорости грунт под действием центробежных сил разбрасывается вокруг устья шурфа на расстоянии 1 —1,5 м. Высота подъема бура над поверхностью земли в этом случае должна составлять 0,2—0,5 м.
Сущность ударного способа проходки шурфов состоит в том, что породоразрушающий инструмент специальной конструкции с помощью ударов погружают в грунт и после наполнения его грунтом извлекают на поверхность для очистки. Поднимают и спускают инструмент на канате с помощью лебедки.
Как и при бурении скважин, различают две разновидности ударно-канатного бурения шурфов: клюющий и забивной.
Сущность клюющего способа состоит в том, что буровой снаряд, включающий породоразрушающий инструмент и жестко связанную с ним утяжеленную штангу, сбрасывают с определенной высоты на забой шурфа, в результате чего породоразрушающий инструмент рнедряется в грунт, и затем с грунтом извлекают на поверхность. При подъеме инструмента грунт удерживается от выпадения силами трения о внутренние стенки и перемычки породоразрушающего инструмента. После очистки последнего от поднятого грунта снаряд опять сбрасывают на забой шурфа.
206
При клюющем способе в зависимости от плотности грунта в течение одного рейса снаряд можно сбрасывать один или несколько раз. Двух- и трехкратное сбрасывание может быть рекомендовано в слабовлажных микропористых глинистых грунтах. Оно позволяез увеличить углубление породоразрушающего инструмента за рейс.
Забивной способ (без отрыва инструмента от забоя) состоит в том, что породоразрушающий инструмент углубляется в грунт под действием наносимых по нему ударов. Удары наносят с помощью специального ударного патрона, размещаемого над породоразрушающим инструментом.
При комбинированном способе проходки начальные интервалы шурфа бурят вращательным способом, а последующие—ударноканатным. Это дает возможность каждую разновидность бурения использовать с наибольшей эффективностью.
Рациональная область применения ударно-канатного способа проходки шурфов—неплотные глинистые грунты. Высокие техникоэкономические показатели обеспечиваются в лёссовых и лёссовидных суглинках. В этих грунтах предпочтительнее применять клюющий способ. Использовать ударный способ бурения шурфов в неустойчивых грунтах не рекомендуется.
Ударное бурение шурфов клюющим способом целесообразно применять только при проходке глубоких шурфов (более 10 м). Минимальная глубина шурфа, при которой удается обеспечить эффективное углубление, составляет 4—5 м. Поэтому начальные интервалы шурфа следует проходить вращательным или забивным способом. Рациональная высота сбрасывания инструмента при клюющем бурении 5—6 м, дальнейшее увеличение высоты сбрасывания к существенному увеличению углубления за удар не приводит. Углубление породоразрушающего инструмента за удар в зависимости от грунтов может изменяться от 0,05 до 0,2 м.
При проходке шурфов рекомендуется инструмент диаметром 0,65—0,75 м. Такие шурфы, как правило, проходят без крепления.
В отдельных случаях возникает необходимость в закреплении шурфов. Для этой цели различными организациями применяют в основном крепи собственной конструкции. Известны конструкции ПНИИИСа и ГорьковТИСИЗа (эластичная подвесная крепь), Теплоэлектропроекта, Уральского ТГУ, ПО «Геомаш», МГРИ и др.
В Уральском ТГУ разработана кратковременная раздвижная металлическая крепь КР-2-900. Комплект крепи состоит из кондуктора и секций, соединенных между собой цепными тягами с замками. Соединение позволяет изменять диаметр любой секции крепи, а также обеспечивать подвижность одной секции по отношению к другой. Корпус секции имеет вырез, ширину которого можно изменять от 80 до 300 мм. С внутренней стороны корпус усилен ободами, к которым крепят два распорных домкрата.
207
Техническая характеристика крепи КР-2-900
Диаметр, мм: закрепляемого шурфа ................................... 900
крепи (минимальный) ................................. 820
Комплектность для шурфа глубиной 15 м: кондуктор, шт............................................ 1
секция, шт............................................ 10
Число домкратов на одну секцию .......................... 2
Шаг тоннельной лестницы, мм ........................ 400
Высота секции, мм ..................................... 1125
Зазор между секциями, мм ........................... 70
Масса, кг: кондуктора ............................................. 65
секции ............................................... 70
В Теплоэлектропроекте разработана облегченная (предохранительная) крепь, предназначенная для защиты людей от поверхностных вывалов сравнительно небольших масс грунта со стенок вертикальных горных выработок цилиндрической формы. Крепь можно применять в породах, свойства и состояние которых исключают возможность глубинных деформаций грунта в массиве за время описания разреза и отбора монолитов, т. е, в глинах и суглинках твердой, полутвердой и тугопластичной консистенции. При наличии внешних факторов, снижающих устойчивость грунта (наличие рядом проходящих железных или автомобильных дорог, производство взрывных работ или высокая сейсмичность района), крепь применять нельзя.
Техническая характеристика предохранительной крепи Теплоэлектропроекта
Диаметр, мм: крепи ..................................... 670
выработки ................................. 720
Максимальная глубина закрепляемой выработки, м ......................................... 10
Тип соединения секций ........................Стальным канатом и на-
Способ спуска крепи в выработку ............
Длина секций, м: забойной .....................................
рабочей ....................................
Время использования ..........................
правляюгцими планками После проходки на канате при использовании траверсы и кондуктора
2,2
1
Не более одних суток непрерывного нахождения человека в крепи 520
Масса крепи, кг .....................................
Крепь можно использовать многократно. Она представляет собой металлический каркас, обтянутый стальным листом толщиной 2 мм.
§ 11. Способы и технические средства погружения и извлечения обсадных труб
При бурении инженерно-геологических и гидрогеологических скважин в рыхлых и мягких породах искусственно закрепляют стенки скважин для предохранения их от обрушения. Наиболее надежный 208
I
и широко применяемый способ — закрепление стенок скважин с помощью обсадных труб.
Закреплять стенки обсадными трубами можно двумя способами: 1) после бурения определенного интервала либо всей скважины; 2) с одновременным либо опережающим забой погружением труб непосредственно в процессе бурения скважин.
В первом случае скважину бурят породоразрушающим инструментом с наружным диаметром, большим наружного диаметра обсадных труб, поэтому при наличии достаточно устойчивых пород спуск обсадной колонны возможен под действием только веса обсадных труб. Однако при наличии неустойчивых пород и здесь нередко возникает необходимость использования принудительных способов погружения труб. Во втором случае скважину бурят инструментом с наружным диаметром, меньшим наружного диаметра обсадных труб (бурят внутри обсадных труб), поэтому для погружения труб, как правило, требуется применять принудительные способы. При опережающем погружении труб принудительные способы обязательны.
Диаметр интервала скважины, который предполагается закреплять обсадными трубами, как правило, соответствует наружному диаметру обсадных труб. В особо сложных геологических условиях с целью облегчения спуска обсадной колонны соответствующие интервалы скважины нередко проходят инструментом, имеющим наружный диаметр, на один размер больший диаметра обсадных труб. Процесс бурения скважины и закрепления ее стенок обсадными трубами обычно проводят в соответствии с заранее разработанной конструкцией скважины и технологической картой ее бурения.
Для крепления стенок скважин применяют обсадные трубы ниппельного и муфтового соединения. Длина труб изменяется от 1,5 до 9 м, более длинные трубы не используются.
В зависимости от условий и имеющегося оборудования применяю) следующие способы погружения обсадных труб: свободный спуск под действием собственного веса; проворот обсадной колонны вручную; поворот колонны с помощью вращателей буровых станков; прерывно-вращательное движение колонны с помощью механизмов расхаживания; задавливание с помощью механизмов подачи; забивку ударной бабой; погружение с помощью гидроударников, пневмоударников, дизель-молотов, вибровозбудителей и вибромолотов.
Перед погружением нижнюю часть обсадных труб оборудуют башмаком.
При забивном способе погружения труб на верхнюю часть колонны устанавливают забивную головку. Для забивки труб применяют специальные ударные снаряды. Перед началом спуска обсадные трубы тщательно замеряют с соответствующими записями в буровом журнале.
Процесс погружения труб на заданную глубину осуществляют непрерывно во избежание прихвата труб в скважине.
Если скважина имеет двух-, трех- или четырехколонную конструкцию, то нижний конец предыдущей колонны погружают до 14 Заказ 3871 209
суглинков или глин. Нижний конец предыдущей колонны в песках обычно не оставляют, чтобы предотвратить «расклинки» двух обсадных колонн между собой.
При погружении труб методом вращения частота вращения соответствует 10—12 об/мин. К числу эффективных способов погружения обсадных труб относится метод расхаживания, состоящий в том, что колонне сообщается возвратно-вращательное или прерывно-вращательное движение. При этом методе трубы погружаются под дейсгвием собственного веса. Расхаживание труб позволяет существенно уменьшить вертикальную составляющую силы трения, препятствующую погружению труб.
При погружении труб этим методом нередко возникает необходимость в периодической выемке пород из внутренней полости труб. Для выемки породы применяют желонирование. Угол расхаживания труб колеблется от 15 до 30’, ее частота—от 10 до 60 кол/мин. Собственно процесс расхаживания осуществляется предназначенными для этой цели ключами либо другими механизмами. Ими оборудованы установки БУГ-75, БУГ-100 конструкции Гидропроекта.
При вибрационном погружении труб можно использовать любые имеющиеся в наличии вибропогружатели: беспружинные вибромолоты ВБ-7 и ВБ-7М, которыми оснащаются вибробуровые агрегаты АВБ-2М, а также другие вибровозбудители.
После окончания бурения скважины и выполнения всех запланированных в ней работ следует извлекать обсадные трубы. В отдельных случаях необходимость извлечения труб может возникнуть и в Процессе бурения скважины (при ликвидации аварий, разбуривании скважины до большого диаметра и т. д.).
Используют следующие способы извлечения труб: лебедками и грузоподъемными устройствами, которыми оснащены буровые станки (например, механизмы подачи); лебедками с применением талевой системы; лебедками с применением вибровозбудителей; винтовыми и гидравлическими домкратами; комбинированными способами (нанесение ударов как снизу вверх, так и сверху вниз, «раскачивание» труб и т. д.); различными грузоподъемными устройствами с предварительным взрывом детонирующего шнура внутри колонны; так называемым гидравлическим способом; с применением различных приемов и способов, снижающих трение труб о грунт.
Статическое усилие, необходимое для извлечения колонны обсадных труб, зависит от длины колонны; интервала колонны, непосредственно соприкасающейся со стенками скважины; диаметра и типа колонны (муфтовое или ниппельное соединение); физикомеханических свойств пород; длительности нахождения колонны в скважине; способа, каким трубы погружались в скважину; способа бурения, которым скважину проходили перед погружением труб; дебита скважины (при откачках).
Как показывают данные И. А. Сергиенко, наличие муфт по сравнению со сварными соединениями не приводит к существенному 210
увеличению усилий, необходимых для извлечения обсадных труб из скважин. При извлечении труб диаметром 273 мм из скважин глубиной 75 м, пробуренных в песчано-глинистых гравелистых породах, усилия, возникающие при страгивании колонны, колебались от 90 до 180 кН при собственном весе колонны 34,5 и 52 кН. Усилие существенно зависит от времени нахождения колонны в скважине: при нахождении колонны в скважине в течение 2 сут усилие было минимальным, через 25 сут. усилие резко возрастало.
Перед началом извлечения труб все данные, относящиеся к этому процессу, должны быть выяснены и тщательно оценены. Если скважину ранее бурили ударно-канатным способом, а трубы муфтового соединения погружали забивкой, диаметр груб составлял 168 мм, а участок труб, соприкасающийся с грунтом, имел длину более 20 25 м, и если трубы находились в скважине в песчаных породах несколько лет, то использование обычных способов подъема никакого эффекта не даст. Необходимо применять мощные гидравлические домкраты (грузоподъемной силой до 2 МН) или ударами сверху предварительно «стронуть» колонну с места, а затем извлекать ее лебедкой с помощью полиспастной системы, используя металлические копры или треноги большой грузоподъемной силы.
Усилия, необходимые для извлечения обсадных труб из скважин, достаточно велики и могут достигать 1- 10 МН. Предельное усилие резко возрастает с глубиной погружения труб.
При использовании для извлечения труб технических средств большой грузоподъемной силы необходимо учитывать возможность обрыва колонны. Предел прочности материала труб накладывает определенные ограничения на выбор грузоподъемных средств. При ниппельном соединении неизношенных колонн диаметром 127 мм, усилие, достаточное для обрыва, составляет порядка 1,7 МН. Угрозу обрыва труб можно уменьшить, применив так называемую двойную тягу. В этом случае на бурильных трубах большого диаметра внутрь колонны обсадных труб к башмаку опускают зруболовку и затем домкратами одновременно поднимают бурильные и обсадные трубы.
Предварительно расчетным путем ориентировочно оценивают возможное усилие, необходимое для извлечения колонны.
Если грузоподъемная сила имеющихся технических средств недостаточна, следует сразу предусмотреть применение вспомогательных средств (вибровозбудители, нанесение по колонне ударов, взрыв детонирующего шнура и т. д.).
При «страгивании» колонны с места ударами, наносимыми сверху, операции проводят в следующем порядке. Первоначально с помощью лебедки и полиспастной системы трубам дают натяжение вверх, затем по трубам сверху наносят серию ударов ударным снарядом. Обычно при этом колонна медленно (по 0.5—1 см) начинает подниматься вверх. Если операции натяжения и нанесения ударов совместить не удается, можно первоначально по колонне нанести серию ударов и затем попытаться извлечь ее.
14* 211
Вибровозбудители целесообразно применять для извлечения колонн, длина которых не превышает 50—70 м. Скорость подъема труб при этом должна быть возможно меньшей (не выше 0,05 м/с). Вибромеханизмы эффективны только при малых скоростях подъема колонны.
Возможен поворот труб с помощью хомутов, если трубы погружены в супеси, суглинки и их длина не превышает 15—20 м.
Наносить удары по колонне и взрывать детонирующий шнур целесообразно во всех случаях, когда колонна длительное время находится в грунте и ее длина превышает 50 м.
В ряде геологоразведочных и изыскательских организаций эпизодически используют специальные агрегаты для извлечения труб. В частности, в ПГО «Иркутскгеология» применяю! специальные трубоподъемные устройства ТУ-100/8 и ТУ-100/10.
Трубоподъемник ТУ-100/8 монтируют на санях или на прицепе, ТУ-100/10—на автомашине. Их можно монтировать на платформах совместно с лебедками, что ускоряет проведение операций по подъему труб. С помощью трубоподьемников обсадная колонна только страгивается с места, а для последующего ее извлечения применяют лебедку.
Трубоподъемная установка представляет собой полуавтоматическое устройство шестеренного типа с двухскоростной коробкой передач. Привод устройства осуществляется от одного электродвигателя, с помощью которого также развинчивают трубы.
Захват труб проводят с помощью гидромеханического зажима, размещенного на траверсе. Развинчивают трубы с помощью автоматического самоцентрирующего зажимного патрона. Для удержания обсадных труб при перехвате используют нижний клиновой захват, который выполнен разъемным, что обеспечивает ускорение монтажных работ.
Установка оснащена предохранителем от перегрузок, который может быть оттарирован на различную грузоподъемную силу.
Техническая характеристика трубоподьемников ПГО «Иркутскгеология»
ТУ-100/8 ТУ-100/10
100 104
219 273
10 20
4 4
(2,5 —3) -104 1,8-104
Шифр трубоподъемника ...........................
Грузоподъемная сила на первой передаче, Н ......
Диаметр извлекаемых обсадных труб, мм ..........
Время подъема 1 м труб, мин:
на первой передаче ...........................
на второй » ..................................
Грузоподъемная сила лебедки, Н .................
Скорость подъема труб на прямом канате, м/с .... Частота вращения планшайбы с водилом при развинчивании труб, об/мин ........................
Максимальный крутящий момент при развинчивании труб, Н м ....................................
Габаритные размеры, м:
длина ........................................
ширина .......................................
высота до верхнего водила ....................
Масса, кг ......................................
0,5
42
0,5-104
1,275
1,2
1,55
2130
212
Рис. 8.4. Гидравлический способ извлечения обсадных труб:
1—колонна обсадных труб; 2—заглушка; 3— патрубок; 4 насос; 5—нагнетательный шланг; 6—манжета; 7 -соединительная трубка;
8—фланец
Рис. 8.5. Приспособление для извлечения обсадных труб гидравлическим способом:
/ грибок под шлипс; 2 — двойная манжега; 3—труба; 4— фланец-заглушка
С. С. Хворостовским и А. Ф. Моисеевым предложен и испытан при бурении геологоразведочных скважин в шельфовой зоне моря гидравлический способ извлечения обсадных труб. Он заключается в том, что верхний конец колонны труб герметично закрывают и во внутреннюю ее полость насосом нагнетают жидкость (воду или другой промывочный агент). Для нагнетания воды применяют насос ГБ-351, развивающий давление до 3 МПа при подаче 30 л/мин. От насоса к заглушке, навинченной на верхний конец колонны труб, подводят нагнетательный шланг, рассчитанный на давление 3 МПа. Заглушка одновременно позволяет соединяться с вибровозбудителем. Таким образом, обсадные трубы можно извлекать под действием гидравлического давления, лебедки подъемной установки и вибровозбудителя. На рис. 8.4 показан гидравлический способ извлечения обсадных труб.
Для предотвращения поглощения жидкости и утечки ее в затрубное пространство разработано специальное приспособление, которое перед закачиванием жидкости сбрасывают внутрь обсадной колонны (рис. 8.5). Под действием потока жидкости приспособление перемещается к забою скважины. При упоре фланца о забой устройство 213
останавливается. Наличие на верхней части устройства двойных манжет внутри труб создает давление жидкости, необходимое для страгивания колонны. Приспособление извлекают специальным ловителем.
Герметичность внутри колонны можно создавать также за счет тампонирования забоя глинистой пробкой.
В зависимости от диаметра извлекаемых труб, усилие, которое может создать данное устройство, может изменяться в пределах (15—250)-104 Н при скорости подъема труб (2,5—0,15) • 10”2 м/с.
Преимущество описанного способа подъема труб состоит в том, что он не требует применения громоздких грузоподъемных устройств для страгивания колонны. Его использование особенно эффективно при извлечении труб с плавучих средств, на которых разместить грузоподъемное устройство не представляется возможным.
§ 12. Особенности бурения инженерно-геологических скважин на акваториях
Бурение скважин на акваториях производится с плавучих буровых установок (ПБУ), со стационарных оснований, а в отдельных случаях — непосредственно со дна (табл. 8.7). В районах с устойчивым ледовым режимом скважины бурят с поверхности льда.
Наиболее широко применяются плавучие буровые установки— буровые понтоны водоизмещением 10—50 т. Техническая характеристика некоторых ПБУ приведена в табл. 8.8.
Бурение с ПБУ имеет следующие особенности: большое влияние гидрометеорологических факторов на процесс бурения (табл. 8.9, рис. 8.6); использование специальных оснований для бурения; необходимость тщательного крепления (стабилизации) ПБУ над скважиной (табл. 8.10, рис. 8.7); ограниченные размеры производственной площади; применение специализированных транспортных средств для передвижения ПБУ, доставки людей и грузов; активная коррозия металла (скорость коррозии в морской воде 0,2—0,4 мм/год); повышенные физические и нервно-эмоциональные нагрузки на работников буровых бригад.
Таблица 8.7. Установки для бурения на акваториях
Тип установок Основание Акват ории
Плавучие (ПБУ) Самоходное судно Несамоходное судно Открытые акватории морей, крупных озер и водохранилищ Прибрежные районы морей,
(баржа, шаланда и др.) озер и водохранилищ, реки
Стационарные Подводные: Сборные блоки, ряжи, козловые опоры, сваи Мелководная часть акваторий
управляемые водолазами Дно акваторий Прибрежные районы акваторий
управляемые с поверхности 214 Самоходное судно Глубоководные районы
Таблица 8.8. Техническая характеристика плавучих буровых установок
Параметры Самоходное судно «Геолог-1» Буровой понтон ПБУ-63 Буровой понтон ПБУ-53
Водоизмещение, т 330 24,5 26,0
Длина, м 24 8,3 11,6
Ширина, м 14 7,7 7.0
Осадка, м 1,5 0,65 1,0
Высота надводного борта, м 1,7 1,06 0,87
Число выдвижных опор 2 4
Длина опоры, м 8,0 9,0 —
Допустимое волнение, балл III 11 Ill III IV
Допустимая сила ветра, балл 5 4 5 5
Буровой агрегат УГМ-50М СБА-500 СБА-500
Примечание. На судне «Гсолст-!» установлена пенстрационно-каротажная станция ПСПК-69, сейсмоакусгическая станция «Груш».
Таблица 8.9. Влияние гидрометеорологических факторов на бурение скважин с плавучих установок
Фактор (акватории) Влияние гидромстсоусловий
Волнение (моря, крупные озера и. водохранилища) Происходят продольные, поперечные и вертикальные колебания плавучей установки (качка); установка смещается со скважины; изгибаются обсадные и бурильные трубы; перемещаются оборудование и инструмент; затрудняется передвижение на плавательных средствах; люди испытывают дополнительную физическую нагруз-
Приливно-отливные колебания (приливные моря) Плавучая установка постоянно перемещается в вертикальной плоскости; осложняется связь установки с устьем скважины; затруднено наблюдение за углублением скважины; меняются напряжения в якорной си-
Течения (моря, реки) стсмс; осложняется процесс бурения в целом Плавучая установка смещена с устья скважины, изгибаются обсадные и бурильные трубы, затрудняется передвижение на плавательных средствах и перемещение
Ветер (все акватории) Туман (все акватории) Замерзание акватории в условиях низких температур буровой установки То же Затрудняется передвижение на плавательных средствах и перемещение буровой установки Плавающие льдины создают дополнительные напряжения в якорной системе; затрудняется передвижение на плавательных средствах и перемещение установки; при полном замерзании акватории бурение с плавучей установки становится невозможным
Стационарные основания применяют в тех случаях, когда из-за малых глубин использование ПБУ практически невозможно, а также при незначительных объемах буровых работ.
215
Рис. 8.6. Схема связи плавучего основания со скважиной в условиях приливно-отливных колебании:
/ плавучее основание; 2 направляющая труба; 3 - водоотделяющая колонна обсадных труб; 4 скважина
Рис. 8.7. Схема стабилизации плавучей буровой установки:
1 якорь; 2 якорный канат; 3 якорная лебедка; 4 — плавучее основание; 5- водоотделяющая колонна обсадных труб
Наиболее сложным является бурение в шельфовой зоне морей. При инженерно-геологических изысканиях скважины обычно бурят в верхней части шельфа до глубин моря 30 —50 м. В этой зоне на процесс бурения воздействует наибольшее число неблагоприятных гидрометеорологических факторов. Кроме того, в верхней части шельфа крайне изменчивы геологические условия. Здесь встречаются все разновидности грунтов — от текучих илов до крепких скальных пород. Поэтому к буровым установкам для бурения в верхней части шельфа предъявляются особые требования.
Таблица 8.10. Параметры системы стабилизации плавучих буровых установок
Водоизмещение ПБУ, 1 Минимальная масса якоря, кг Число якорей Минимальный диаметр якорно-ю каната, мм Минимальное усилие. лебедки, кН Минимальная длина каната, м, при глубине моря, м Диа- метр водоот-деляю-щей колонны, мм Толщина стенки водоотделяющей колонны, мм
2 5 10 15 20 25
<100 5 4 11 5 10 30 60 85 100 150 168 8
100 250 100 4 12 8 10 30 60 85 100 150 168 10
250—500 150 4 15 12 10 30 60 85 100 150 219 10
500—700 200 4-6 17 15 10 30 60 85 100 150 273 10
216
Для изучения придонных грунтов в глубоководных районах и на значительном удалении от берега целесообразно использовать колонковые пробоотборники, опускаемые на канате с борта судна на дно.
ГЛАВА 9
РАСЧЕТЫ В БУРЕНИИ
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН
§ 1. Исходные положения
Производство буровых работ, конструкторская и изобретательская деятельность, направленная на его рационализацию, разработка и внедрение в практику проходки скважин новых технических средств требуют проведения многочисленных и разнохарактерных по своему содержанию расчетов. Привести все известные и применяемые в бурении расчетные формулы не представляется возможным. В основу отбора использованных в главе формул положены следующие требования:
1) расчеты в возможно большей степени должны отражать и отвечать специфике бурения инженерно-геологических скважин;
2) формулы должны быть апробированы, т. е. должны иметь экспериментальное или достаточно корректное теоретическое обоснование и пройти практическую проверку;
3) используемая для определения тех или иных параметров бурового или какого-либо другого процесса расчетная методика должна быть достаточно проста, не требовать сложных математических выкладок; ее использование должно предусматривать применение самых простых расчетных устройств (логарифмической линейки, ручного калькулятора и т. д.);
4) расчетные методики должны включать в себя все необходимые данные (эмпирические коэффициенты и т. д.) для проведения соответствующих расчетов.
Все (без исключения) формулы даются без выводов. В случае, если возникнет необходимость выяснить, как была получена формула, следует обращаться непосредственно к соответствующим источникам.
Не все разделы настоящей главы из первого издания справочника включены во второе издание. Часть разделов исключена. В случае, если возникнет необходимость в проведении соответствующих расчетов, можно обратиться к первому изданию. В то же время добавлены некоторые новые разделы, которые должны представить интерес для изыскателей.
217
§ 2. Основные показатели бурения скважин
Мгновенная механическая скорость гм бурения гм = dLjdt, где L—глубина скважины; t—время.
Средняя механическая скорость г6 бурения заданного интервала
--- 'б
(9.1)
(9.2)
где Lt—глубина скважины до начала бурения интервала; L2 — глубина скважины в конце интервала; /6 — время бурения заданного интервала.
Рейсовая скорость бурения
/
L Ln
(93)
где /—длина непрерывного рейсового углубления; tcn—время одной спуско-подъемной операции.
Техническая скорость vT бурения
L
V =:--------------------
7б+ Л,„ I ТЛО1,
(9-4)
где L—I лубина скважины; Т6—общее время чистого бурения скважины; Тсп— время всех спуско-подъемных операций; 7ПОП — продолжительность всех дополнительных работ; сюда относится время: на крепление стенок скважины, отбор образцов, различного рода опытные работы в скважине, инклинометрию, кавернометрию, тампонирование скважины, установку фильтра и т. д.
Коммерческая скорость гк бурения
L
гк=------------------, (9.5)
7f>+ Тсп + Глоп + 7НСП
где Т„с„ — затраты времени на непроизводительные работы (остановки, ремонты, ликвидация аварий и др.).
Цикловая скорость г„ бурения
т ,'г I т I Т I Т ’ (•)
где Твы — продолжительность монтажа и демонтажа вышки и буровой установки, время на извлечение обсадных труб и ликвидацию скважин.
При инженерно-теологических изысканиях широко используются: производительность //с станка за смену, производительность /7М станка за месяц и производительность 77г станка за год, представляющие собой количество метров, пробуренных станком за соответствующие периоды времени (при односменной работе буровой бригады). 218
§ 3. Механический критерий технической эффективности способов, технических средств и технологам бурения инженерно-геологических скважин1
В практику инженерно-геологических изысканий внедряются новые способы бурения, новая более эффективная техника (буровые станки, установки, породоразрушающий и технологический инструмент и др.), более совершенные технологические режимы бурения и т. д. Отсюда возникает задача объективного сопоставления ранее применявшегося оборудования, инструмента, технологии с новым. Для соответствующих сравнений (сопоставлений) используют количественные меры, так называемые технико-экономические показатели, или критерии эффективности. Таких критериев предложено довольно много. Однако следует отметить, что универсального критерия для всеобъемлющей оценки любого технического устройства быть не может. Каждый критерий характеризует техническое средство с определенной стороны и должен поэтому использоваться в сочетании с другими. Выбор критерия должен определяться целью сопоставления.
Применительно к бурению инженерно-геологических скважин критерий эффективности должен объективно оценивать процесс бурения в целом или какую-либо его отдельную техническую, технологическую, качественную или экономическую характеристику. Все используемые в бурении критерии поэтому подразделяются на технические, экономические и критерии качества. Существуют также комплексные или универсальные критерии. Под технической эффективностью следуег понимать целесообразность или рациональность совокупности механических движений элементов буровой установки и инструмента, реализуемых в процессе преодоления различных сопротивлений (в том числе на забое скважины при взаимодействии породоразрушающего инструмента с горной породой), т. е. в процессе совершения работы определенного качества и сложности с целью сооружения скважины в определенных геолого-технических условиях.
К техническим критериям относятся мгновенная механическая скорость бурения, средняя механическая и рейсовая скорости; техническая, парковая, цикловая скорости; производительность за смену, месяц, год; время проходки скважины; проходка на породоразрушающий инструмент; время проведения различных операций; большая группа энергетических критериев; металлоемкость; транспортабельность и др. Экономические критерии включают в себя показатели, характеризующие какие-либо затраты в рублях. Важнейшими из этих критериев являются стоимости 1 м бурения, одной бригадо-смены, сооружения скважины и др. К критериям качества относятся показатели, характеризующие качественную сторону процесса бурения.2
К недостаткам практически всех используемых критериев для оценки процесса бурения следует отнести: 1) недостаточную степень
1 В написании § 3 принимал участие А. П. Полежаев.
2 Более подробно об этом будет сказано в гл. 10.
219
(9-7)
учета важнейших факторов, влияющих на процесс; 2) наличие в некоторых из них (например, в экономических критериях) субъективного элемента, обусловленного, скажем, конъюнктурой цен.
Из числа критериев технической эффективности наибольшей представительностью обладаем разработанный автором при участии Н. В. Смирнова и А. П. Полежаева удельный механический критерий технической эффективности qx, который определяется по формуле
Wttf 6/1
где W—совокупная энергия (работа), затраченная на сооружение группы скважин, отдельно взятой скважины или какого-то интервала скважины, кВт ч (3,6-106 Дж); t время бурения группы скважин, отдельно взятой скважины или какого-то интервала скважины, ч; /6—длина базового интервала скважины (принимается равной 1 м), м; /—суммарная длина группы скважин, отдельно взятой скважины или ее интервала, м.
Все величины, входящие в формулу (9.7), легко определить в любых условиях, в том числе и производственных. Если буровая установка приводится в движение от электродвигателя, энергию определяют с помощью трехфазного счетчика энергии. При этом замеряют всю затраченную энергию вне зависимости от того, какая (или какие) операция осуществлялась на буровой установке. Если установка приводится от двигателя внутреннего сгорания, энергию рассчитывают по формуле
W=QC'k, (9.8)
где Q — расход топлива, кг; С — теплота сгорания топлива, Дж/кг; к—переводной коэффициент из Дж в кВт ч.
Теплота сгорания С соответствует для бензина 441 • 105 Дж/кг, для дизельного топлива 427 • 105, плотность равна соответственно 760 и 840 кг/м3, коэффициент /< = 2,78-10 7. Расход топлива может замеряться с точностью до 100 г (0,1 л), время бурения в зависимости от интервала бурения от 1 до 5 мин. При малом интервале бурения точность замера расхода топлива и времени должна быть выше.
В табл. 9.1 сопоставляются различные способы бурения скважин по критерию Поскольку проходка скважин осуществлялась различными станками, в разных породах и на различную глубину, это сопоставление не может считаться достаточно представительным. Тем не менее можно определенно констатировать низкое значение qi для трех способов бурения: колонкового с гидротранспортом керна, ударно-вибрационного и шнекового. Если сопоставлять способы бурения примерно в равных условиях, то критерий qx позволяет сразу установить более эффективный способ бурения, буровой станок или буровой инструмент.
В табл. 9.2 представлен критерий qY для трех марок буровых установок, эксплуатировавшихся в совершенно одинаковых условиях. 220
Автор, получивший фактический материал Й Й Й О О Й И И Й И ЙО д о д о д о О ® К К О Й О О ® о к к о о д о н о Q- н Р< н со со Р- и н ло й-ей § & § S § -S-eg * Р о О о S Q> S S S о о О Kt-ЕЮЧ о с? о о о ЧЧоК к rj к и г; и г-’ И И ₽q е; cj и С <О<1О КО К К К ССК<
- "o'
О s
cd
Д s
VO cd H
32 -70 I 132—490 I II—V I 7 I 18,50
221
Эти данные определенным образом свидетельствуют о том. что из трех установок в рассмотренных условиях УБР-2М обладает наибольшей технической эффективностью. Это следует не только из сопоставления средних значений критерия qt, но и пределов его изменения.
Таблица 9.2. Критерий q, для различных буровых установок
Марка установки Глубина скважины, м Число скважин Среднее значение критерия Пределы изменения критерия
УРБ-2М 10 7 1,34 1,06—1,65
15 4 1.05 0,73 1,21
УГБ-50М 10 4 1,42 1,11—1.78
15 5 1,18 1,00—1.46
УБР-2А 10 9 1,47 1,15—1,89
15 5 1,19 0,91 1.44
Интересно проследить влияние глубины скважины на критерий q}. Оказывается, для разных способов бурения эго влияние неоднозначно. Для одних (ударно-вибрационный, ударно-канатный кольцевым забоем) существует глубина скважин, при которой технические возможности способа бурения и соответствующей буровой установки реализуются наилучшим образом. В частности, для ударно-вибрационного бурения агрегатом АВБ-2М при глубине скважин 10 м qi соответствует 0.3 (данные по 21 скважине), а при глубине 15 м щ =0,25 (данные по 30 скважинам), т. е. он оказывается меньше. Для ударно-канатного бурения установками УБР-2А и УБР-2М при 10-м глубине скважин с/i = 1,35 (7 скважин), а при 15-м = 1,05 (4 скважины). Такую особенность способа бурения и буровых установок можно выявить только с помощью критерия т/i. Существуют и другие возможности эффективного использования данного критерия.
В заключение раздела отметим положительные особенности критерия </1.
1. Критерий — мощное средство для изучения процесса бурения разведочных скважин. Его использование для различных сопоставлений наряду с другими критериями позволяет принимать более объективные и обоснованные решения. До сих пор вопросы экономии энергии и топлива, сокращение времени на производство работ рассматривали в плоскости экономии топливно-энергетических ресурсов и времени вообще, без их органической увязки с процессом проведения буровых работ. Введение в широкую практику критерия q\ позволит решать эти вопросы в контексте оптимизации работ, использования рациональных технических средств и технологических режимов. Для достижения заданного эффекта в конечном счете неважно, каким способом бурения и с помощью какого комплекса технических средств это достигнуто; важно, сколько затрачено энергии, времени, средств. При этом фактор времени в данном случае имеет столь же большое значение, как и факторы энергии и стоимости. В свете новых задач по ускорению научно-технического прогресса во всех областях народного хозяйства СССР отмеченное обстоятельство приобретает огромное значение.
222
2. К особенностям критерия следует отнести его фундаментальность. У истоков критерия лежат основополагающие принципы классической механики, определяющие закономерности движения всех существующих в природе материальных объектов. Критерий позволяет среди множества возможностей механической реализации бурового процесса отыскивать такие, которые требуют меньших энергетических и временных затрат.
3. Важное положительное качество критерия- -его объективность. Этим качеством обладают и многие другие критерии, но этот—еще в большей степени. Помимо того, что влияние субъективного фактора на этот критерий практически исключено, для его вычисления требуются величины, точность определения которых может быть невысокой.
4. К особенностям критерия следует отнести его интегральность. Критерий дает всестороннюю механическую оценку процесса бурения на достаточно большом временном и пространственном протяжении. Значение случайных факторов, оказывающих огромное влияние на дифференциальные критерии, здесь практически сведено к нулю. Отсюда вытекает важное практическое преимущество критерия—высокая чувствительность к постоянно действующим долговременным факторам и малая — к случайным. Если в какой-то буровой установке по сравнению с другой заложено даже небольшое преимущество или она обладает несколько более высокими технико-технологическими качествами, то многие из известных критериев этого преимущества могут не обнаружить, тогда как данный критерий обязательно зафиксирует.
5. Преимущество критерия —простота его определения. Достаточно располагать наручными часами, трехфазным счетчиком энергии или простейшим устройством для замера расхода топлива.
6. Нельзя не отметить также конструктивность критерия, высокую его избирательность и разрешающую способность. Конструктивные качества заключаются в возможности определять рациональные области применения способов бурения и технических средств, а высокая избирательность и разрешающая способность позволяют выявлять такие качества последних, которые не могут быть установлены с помощью других критериев.
§ 4. Расчет параметров забивного бурения
(9.9)
Величина погружения инструмента в грунт за удар при забивном бурении для чисто пластической модели грунта при абсолютно неупругом ударе определяется по формуле
П11 + Ш2 2 «max— 2Р—Р 1,2 ’
где —масса ударной части (активная масса); т2—масса инструмента, по которому наносится удар (пассивная масса); F— сопротивление грунта; Р—вес инструмента (активной и пассивной масс); г2—скорость движения активной и пассивной масс после удара;
223
f=f6+f„;
F„=0,25n(D2—d2) R;
F6=n(D + d)lf
(9.10)
(9-11)
(9.12)
где Fa—сопротивление по боковой поверхности инструмента; F„— лобовое сопротивление (по торцу инструмента); D—наружный диаметр инструмента; d—внутренний диаметр инструмента; R— удельное сопротивление грунта по торцу инструмента (ориентировочно может приниматься по табл. 1.15); /— заглубление инструмента в породу; f—удельное сопротивление по боковой поверхности инструмента (ориентировочно может приниматься по табл. 1.16).
Формулу (9.9) можно использовать при ориентировочных расчетах. Величина погружения инструмента за удар для вязкопластичной модели грунта при абсолютно неупругом ударе
пц+т2 (F-P)(w,+/n2) / т| Л
«тах=------V2---------2-----“М ~n + 1 )’ (9ЛЗ)
т) Л \ F F /
где q — коэффициент вязких сопротивлений;
1+PV
C2 = V1 —----—,
• +wnp/z«i
(9.14)
где —скорость движения активной массы в момент удара; Ry— коэффициент восстановления скорости при ударе (для рассматриваемого случая равен нулю); тпр—приведенная масса инструмента, воспринимающая удар, т. е. масса пассивной части с учетом массы грунта
тпр = щ2 + тГр, (9.15)
где /нгр масса части сцепленного с инструментом грунта
где у- плотность грунта; а угол, образуемый вертикальной линией с образующей конуса грунта, принимается в пределах 0—30°.
Формулу (9.13) можно использовать для слабых водонасыщенных песчаных и суглинистых грунтов. Величина погружения инструмента за удар в крупнообломочный грунт для упругопластичной модели грунта при неупругом ударе
^х + Рг— n(D+d)lf R
г = C2nD~[8+0,5 (3d,-5) С] ” Q +
IY Pi+P2—n(P+d)lf К]2
V | Сл£)ср [8 + 0,5 (3d,- 6) С] С2 J _>-------------------------------
+ GnDcp [6 + 0,5 (3d, - 8) С] (»ц + т2у (9’17)
224
где Pi и Р2 вес активной и пассивной частей снаряда; d4—средний диаметр частиц крупнообломочной фракции; 6 — толщина стенки башмака стакана; С'2— условный удельный коэффициент жесткости грунта, можно принимать равным в пределах (3—6) • 107 Н/м3; £)ср—средний диаметр стакана; С—содержание твердых включений по объему. Остальные обозначения те же, что и в предыдущих формулах. Масса грунта, воспринимающая удар, в формуле (9.17) не учитывается.
Величина погружения инструмента за удар для чисто пластической модели грунта при упругом и не вполне упругом ударе
m2v2
~2(F-P2y
(9.18)
где Р2 — вес пассивной части инструмента; v2 скорость после удара; остальные обозначения те же, что и в предыдущих формулах.
Формулу (9.18) можно использовать при ориентировочных расчетах для плотных и полутвердых грунтов. Влияние веса ударной части в формуле не учитывается.
Величина погружения инструмента за удар для вязкопластичной модели грунта при упругом и не вполне упругом ударе
(9.19) т] Л \ F—P )
В формуле (9.19) обозначения те же, что и в предыдущих формулах. Коэффициент г] в зависимости от грунта и диаметра инструмента изменяется от 0 до 500 Н-с/м. Чем плотнее и более водонасыщен грунт и чем больший диаметр инструмента, тем большие значения коэффициента q следует принимать. Максимальная величина погружения за удар достигается, когда масса пассивной части забивного снаряда соответствует массе активной части. Влияние веса ударной части в формуле (9.19) также не учитывается. Формула применима для большинства разновидностей суглинков и глин.
§ 5. Расчеты параметров ударно-вибрационного бурения
Скорость ударно-вибрационного бурения для упругопластичной модели грунта можно рассчитывать по формуле
P—F [(P—F)2 C'tmxvl + HFllP-F) ~с2 + V ”"сГ“ + С2(С1+ЯС2)
(9.20)
где Р—вес вибромолота и снаряда; F— сопротивление грунта; С2 — коэффициент жесткости грунта, может приниматься в пределах 10б—107 Н/м; С\—приведенный коэффициент жесткости единицы длины бурильного стержня (для труб диаметром 63,5 мм С1=4 107Н); пи—масса ударной части; Vi—скорость движения ударной части в момент удара; Н—длина бурильного стержня; п — частота ударов.
15 Заказ 3871 225
Если пластические сопротивления грунта несоизмеримо малы по сравнению с упругими сопротивлениями (Е=0), то формула (9.20) имеет вид
_Р /Р2 Cjmrf с2 V с22 с2(с;+яс2)
(9.21)
Если вес вибромолота и снаряда по сравнению с пластическими и упругими сопротивлениями грунта мал (Р=0), то формула (9.20) примет вид
F ГР C'tmivl-HF2 с~2 + \1с~2+ГЦсГ+нсГ)
Если Р=0 и F=0, то
/ Gwii
Гм Vl"y] c2(cl + nc2y
(9.22)
(9.23)
Если С2 = 0 (грунт обладает очень малой жесткостью), то формула (9.20) примет вид
т1с?С1-(Е-2Р)РЯ 2G (F—P)
(9.24)
Условие, при котором процесс ударно-вибрационного бурения происходить не будет, запишется в виде
F2 — 2PF
(9-25)
Максимальная глубина скважины, при которой процесс вибрационного бурения приостановится
max
nixViC'i F2 — 2PF
(9.26)
2
W| <
Начальная скорость ударно-вибрационного бурения, т. е. при Я=0 и Р=0,
(9.27)
Скорость ударно-вибрационного бурения можно также определять по следующей расчетно-эмпирической формуле:
, m2v2
i'm=Ahh-^—
1 + Ry V 1 hon 1+Шпр/"г/ Г 2 '
(9.28)
где к„— безразмерный коэффициент, определяемый по формуле (9.29); h0— упругая деформация грунта, можно принимать в пределах (1—2)1СГ3м; остальные обозначения те же, что и в формулах (9.9), (9.10), (9.15)
226
кк=\^Н. (9.29)
В формулу (9.29) Н подставляется в метрах; коэффициент, равный единице, имеет размерность м0,5.
Нагрузка, возникающая на крюке при извлечении снаряда из скважины при наличии не включенного в работу вибропогружателя, бк = бпод + Qb + бб + Qc + бг + бтн + бтз + бо + бп + би’ (9.30)
где бпод — вес подвески; бв—вес вибропогружателя; бе—вес бурильных труб; бс—вес стакана; Q,— вес извлекаемого из скважины грунта; б™ — сила трения по наружной поверхности незаглубленной части стакана; бтз—сила трения по заглубленной в грунт части стакана; бо — сила, необходимая для отрыва породы; Qn—сила, необходимая на преодоление вакуума, возникающего под торцом стакана (виброзонда) при его извлечении; би—сила инерции;
бб = №/, (9.31)
где Н—длина бурильных труб; q—приведенный вес 1 м бурильных труб с учетом замков;
nd2
Q^-flyg, (9.32)
гдет/—внутренний диаметр стакана; /—величина заглубления стакана в грунт; у—плотность грунта; g—ускорение свободного падения; Qm=Px(h~l)nDf (9.33)
где /ц— давление на единицу площади незаглубленной части стакана; /с—длина стакана; /—величина заглубления стакана в грунт; D — наружный диаметр стакана; f—коэффициент трения стакана о грунт, может приниматься по табл. 9.3;
Таблица 9.3. Ориентировочные значения коэффициента зрения скольжения
Материал трущихся тел Коэффициент трения
покоя движения
насухо со смазкой пасухо со смазкой
Металл по металлу Сталь— сталь Сталь мягкая сталь Сталь—чугун Мягкая сталь— чугун Сталь бронза Мягкая сталь — бронза Чугун — чугун Чугун бронза Бронза — бронза 0,15 0,3 0,2 0,15 0,2 0,1 0,12 0,1—0,15 0,18 0,1 0,15 0,20 0,18 0,18 0,15 0,18 0,15 0,15—0,2 0,2 0,05—0,1 0,1 0,2 0,05-0,15 0,05—0,15 0,1 0,15 0,07 0,15 0,07—0,12 0,07-0,15 0,07—0,1
15*
227
Продолжение табл. 9.3
Материал трущихся тел Коэффициент трения
ПОКОЯ движения
насухо со смазкой насухо со смазкой
Металл по дереву Мягкая сталь дуб Мягкая сталь— вяз Чугун—дуб Чугун — вяз, тополь Бронза- дуб 0,6 0,65 0,6 0,12 0,4—0,6 0,25 0,3—0,5 0.4 о,3 0,1 0,2 0.1
Некоторые другие пары Сталь— текстолит Сталь - асбес т Дерево —дерево Кожа лицевой стороной— дуб Кожа бахтармой дуб Кожа -чугун Резина—чугун Пеньковый канат — дуб 0,2—0,25 0,3- 0,37 0,4—0,6 0,6 0,4 0,3—0,5 0,8 0,1 0,15 0,17—0,22 0,25 0,35 0,2 0,5 0,3—0.5 0,3—0,4 0,6 0,8 0,5 0,007—0,15 0,15 0,5
Металл по горной породе Сталь антрацит Сталь — бурый уголь Сталь — руда Сталь песок Породоразрушающий инструмент—крепкая горная порода Породоразрушающий инструмент мягкая горная порода 0,84 1 1,4 0,5—0.8 0,2—0,6 0,1 -0,4 — 0,29 0,58 0,7 0,4 0,7 0,1 —0,5 0,05 0,25 —
Г орная порода -горная порода (?тз=/л£)Ь Гранит (без обработки) гранит Песок - песок к212 \ н+~г); 0,3—1,5 0,4 0,9 — 0,2 1,2 0,3 0,8 (9-34)
где к2— коэффициент пропорциональности, может приниматься по приведенным ниже данным; при ориентировочных расчетах можно
принимать равным нулю; ри—начальное давление грунта на единицу площади заглубленной части стакана
228
pt=k1P„, (9.35)
где кл— коэффициент снижения начального давления, можно принимать равным от 0,1 до 0,2;'
бо= д °р>
(9-36)
где ср—временное сопротивление грунта на разрыв, можно ориентировочно определять через лобовое сопротивление грунта, т. е. (0,005—0,015) R; значения R приведены в табл. 1.15.
Значения коэффициента к2 в формуле (9.34)
Грунты ...................... Пески Супеси Суглинки Глины
Л2103, Н/м3 ................. 5 20 15—50 25 150 100—200
Начальное давление на единицу площади стакана
P^Hyg. (9.37)
Сила, требуемая для преодоления вакуума, лО2
2п=Ра-^-, (9.38)
где ра—атмосферное давление; D - диаметр скважины.
Сила инерции
= wQn^+^Q6+-Q3+Qr, (9 39)
g
где и>—ускорение движения снаряда в момент его отрыва от забоя, при ориентировочных расчетах может приниматься равным (2 —3)м-с-2; остальные обозначения те же, что и в формуле (9.30).
Максимальная нагрузка на крюке, возникающая при вибрационном извлечении снаряда,
б«в = Q под + бв + бб + бс + Qr + бти + бтз + бп + бо + бн + Лп.чх, (9.40)
где, кроме ранее принятых обозначений, б™ и б«—силы трения по незаглубленной и заглубленной частям стакана, возникающие при работающем вибропогружателе; Fmax— максимальное вынуждающее усилие вибропогружателя
бти + бтз — (бтв + бтз)
/3- + 1
\ (пи)2 пи
(9.41)
где г’о—максимальная скорость колебаний вибропогружателя с присоединенным к нему снарядом; и—скорость извлечения снаряда.
§ 6. Расчеты параметров медленновращательного бурения
Осевая нагрузка Р при бурении ложковыми и спиральными бурами D
Р=—а<зт, (9.42)
229
где D—диаметр скважины; а—ширина поверхности лезвия бура; а—сопротивление грунта внедрению, принимается по табл. 1.15; т- число лезвий.
Суммарный момент Л/о на разрушение грунта и трение о забой (без динамической составляющей)
Л/о = 0,125/2 2т/я (/г+ «//«), (9.43)
где h — углубление бура за один оборот, равное 0,005—0,02 м (чем плотнее грунт, тем меньшую величину h следует выбирать); т — сопротивление грунта на сдвиг, ориентировочно может приниматься равным 0,6Л, где R берется по табл. 1.15; f—коэффициент трения грунта о породоразрушающий инструмент, равный 0,1—0,4 (в зависимости от водонасыщенности грунтов), может также приниматься по табл. 9.3; остальные обозначения те же, что и в формуле (9.42).
Динамическая составляющая момента Ма усилия резания при вращательном бурении грунтов ^4__________*.4
Ma = hya>2 с *, (9.44)
где h—толщина срезаемой стружки грунта; у- плотность грунта; со—угловая скорость бура; — радиус скважины; гк—радиус керна (при бурении сплошным забоем равен нулю).
§ 7. Расчет режимов бурения колонковым способом «всухую» в мерзлых грунтах
Частота вращения инструмента при бурении мерзлых грунтов, обеспечивающая заданную величину растепления керна в его верхней часта 1760/^0 (г2-Г|2
П~ kfPrt
где о- механическая скорость бурения; W—удельная теплота плавления льда, равная 334 • 103 Дж/кг; 0— льдистость (влажность) грунта, кг/м3; г—радиус керна; т) — радиус нерастепленной части керна; к—коэффициент, учитывающий боковое трение бурового инструмента о грунт, может приниматься равным 1,2; Р—осевая нагрузка на забой; f— коэффициент трения, может приниматься по табл. 9.3; t—время бурения.
При г = 0,048 м, т]=0,04м, и=33 10-5 м/с (2 см/мин), Р=4000 Н. 0 = 225 кг/м3, /=0,15, Л =1,2, / = 2400 с (при длине рейса /р = 0,8 м), п = О,37 об/с или 22 об/мин.
§ 8. Расчет параметров механизмов вращения и расхаживания при погружении обсадных труб
Момент трения, возникающий при повороте труб в однородных сыпучих грунтах,
MT=^/YW2tg2(45“-^+e<^, (9.46)
(9.45)
230
где D — наружный диаметр труб; d—внутренний диаметр труб; f— коэффициент трения труб о грунт, может определяться по данным табл. 9.3; у — плотность грунта; Н—длина труб, находящихся в грунте; ср — угол внутреннего трения песчаного грунта; Q — осевая нагрузка.
Момент трения, возникающий в однородных связных (глинистых) грунтах,
(9.47)
где, кроме ранее принятых обозначений, С—сцепление грунта (может определяться по данным табл. 1.12).
Средняя скорость и погружения обсадных труб в однородный сыпучий грунт методом вращения
2nqDnx
(9.48)
(9.49)
и=—т— — .- =г,
x/[WYHtg2(45'-<p/2)]2-4</2
где, кроме ранее принятых обозначений, нв—частота вращения труб; q— вес 1 м труб.
Средняя скорость и* погружения обсадных труб в однородный сыпучий грунт методом расхаживания (возвратно-вращательное движение)
4Dq40n
Ut — ' -- 7 ,
x/[WYgWtg2 (45f’ tp/2)] 2 — 4<у2
где, кроме принятых ранее обозначений, а0—угловая амплитуда крутильных колебаний (расхаживания) труб; п— частота колебаний труб.
Время tt непрерывного погружения труб заданной длины в однородный песчаный грунт методом расхаживания
1
Я
х 1П Гя+ xWr^tg2(^°-<p/2)]2-4g2'
L л£>Ля1ё2(45°-ф/2) J
Обозначения в формуле (9.50) те же, что и в предыдущих формулах.
При заданной мощности N, расходуемой на сообщение трубам крутящего момента, может быть определена частота вращения труб
(9.50)
2A/Tp7roosP’
где р—угол, составленный вектором абсолютной скорости точки на трубе с горизонтальной линией.
Приняв cosP= 1 (случай, когда движение колонны вниз отсутствует, т. е. предельный случай), можно получить расчетную частоту пр вращения труб
231
Скорость погружения труб вращением и расхаживанием в зависимости от мощности определяется по формуле
W
и=ш—^-------с,----. (9.53)
/ 2М \2 7
\ D ) V
Таким образом, по величине выхода колонны (интервалу контакта породы с грунтом), диаметру труб, требуемой конечной скорости погружения может рассчитываться требуемая мощность двигателя. Если мощность двигателя задана, можно определить скорость погружения труб, параметры расхаживания и т. д.
Предположим, на буровом станке установлен двигатель мощностью 35 кВт. Определим, какова будет средняя конечная скорость погружения колонны труб диаметром 273 мм (с муфтами) длиной 20 м в песчаный водонасыщенный грунт с углом внутреннего трения <р = 35' и удельным весом грунта в естественном сложении 20000 Н/м3. Коэффициент трения стали о грунт можно принять равным 0,25. Вес 1 м труб составляет 586 Н. Определим также число качаний инструмента при амплитудном значении угла поворота а0= 15° (0,262 рад). Трубы поворачивают только по часовой стрелке, т. е. в одну сторону (во избежание их развинчивания). КПД механизмов принимают равным 0,7; коэффициент, учитывающий наличие муфт на трубах,—1,25.
По формуле (9.46) вычисляем момент трения, он соответствует Мтр = 32 кН • м. Затем по формуле (9.52) находим л = 0,74 кол/с. Скорость погружения труб по формуле (9.53) равна 0,00536 м/с. Эту скорость необходимо уменьшить в 2 раза (качения происходят только в одну сторону) и в 1,25 раза (коэффициент, учитывающий наличие муфт). Тогда и» = 0,002144 м/с. Наконец, усилие, которое необходимо приложить к рычагу ключа длиной 1,5 м, будет составлять
Р=Л/тр/1,5=2130 Н.
На основе использования представленных выше формул можно сделать вывод, что сушествуюшие буровые установки, оснащенные механизмами расхаживания, могут обеспечить погружение труб в песчаные грунты с выходами колонн не более 15—40 м.
§ 9. Расчет силы, необходимой для извлечения обсадных труб из песчаного грунта
Эта сила определяется выражением
е=ет+еп+е™, (9.54)
где QT—вес труб; Q„—вес породы в трубах; £?тн—сила трения по наружной поверхности труб: 232
nd
Qn—hyg, (9.55)
где d—внутренний диаметр труб; h — высота столба грунта в трубах; у—плотность грунта:
Н2
QTU = nDfy—. (9.56)
где D наружный диаметр труб; f—коэффициент трения грунта о поверхность труб; Н—длина труб, находящихся в грунте. По формуле (9.56) можно получить максимальное усилие, которое возникает при извлечении обсадных труб.
§ 10. Методика приближенного расчета затрат мощности при бурении вращательным способом
Предлагаемая методика основывается на том, что суммарные затраты мощности на любом участке ее потребления подразделяются на составляющие, каждая из которых пропорциональна частоте п вращения снаряда в целочисленной степени.
Первая составляющая, для которой п находится в нулевой степени, характеризует постоянные потери мощности, не зависящие от п. Очевидно, эта составляющая может реализовываться только в станке, т. е. в тех элементах трансмиссии, где частота вращения постоянна.
Вторая составляющая, характеризующая потери мощности на преодоление сил сопротивления, не зависящих от скорости, т. е. постоянных сил сухого трения, пластических сил сопротивления, сил разрушения породы и т. д., пропорциональна п в первой степени.
Третья составляющая мощности идет на преодоление сил, пропорциональных скорости, т. е. главным образом диссипативных сил, и, очевидно, пропорциональна частоте в квадрате.
Четвертая составляющая идет на преодоление сопротивлений, пропорциональных скорости в квадрате, т. е. различных гидравлических сопротивлений, а также некоторых других динамических сил (например, боковых сил трения, обусловленных наличием центробежных сил. прижимающих снаряд к стенкам скважины), и пропорциональна п в третьей степени.
Пятая составляющая, которая расходуется на преодоление сопротивлений, пропорциональных скорости в кубе, т. е. частоте вращения снаряда в четвертой степени (силы сопротивления, возникающие при ударных взаимодействиях снаряда со стенками скважины), становится заметной только при больших частотах вращения снаряда или других вращающихся элементов.
Составляющих мощности, пропорциональных п в пятой или более высокой степени, не существует. Во всяком случае, составить более 233
или менее правдоподобную расчетную модель появления таких составляющих не удается.
Предлагаемая автором справочника методика *, хотя и имеет в основе определенные теоретические предпосылки, носит эмпирический характер. Исключение—расчет затрат мощности в зоне работы породоразрушающего инструмента. Четыре из пяти составляющих здесь рассчитываются по теоретическим формулам. Методика разработана на основе обобщения и тщательного анализа огромного фактического материала, полученного различными авторами. Она применима для любых условий бурения. Результат расчета по данной методике следует считать приближенным. Ошибка по данным сопоставления с опытными наблюдениями составляет от 10 до 30%.
Мощность N (Вт), затрачиваемая на процесс бурения, может рассчитываться по формуле
ЛГ=Л^хВ+ЛГ„ (9.57)
где А'с—мощность, потребляемая на преодоление сопротивлений бурового станка; Л'хв—затраты мощности на холостое вращение бурильных труб; N3—затраты мощности в зоне работы породораз-рушаюшего инструмента.
Мощность Nc можно определить с помощью выражения
Nc=a+bn+cn1 2 + dn3, (9.58)
где а, Ь, с, d - постоянные коэффициенты, зависящие от типа станка, степени его изношенности, крутящего момента, передаваемого на шпиндель, осевой нагрузки; п—частота вращения шпинделя.
В табл. 9.4 приведены расчетные значения коэффициентов для проектного определения затрат мощности в станке при холостом ходе и под нагрузкой. Для станков с двигателями большой мощности коэффициенты можно установить путем приближенной экстраполяции. Для станков, выполненных не по традиционной шпиндельной схеме, коэффициенты следует определять приближенно по аналогии, экспериментально, либо путем расчета потерь мощности в каждой кинематической паре станка.
Мощность на холостое вращение бурильных труб можно определять по следующей базовой формуле:
N„=KBn + 5 10'3/^н2 + 8 • 10“6JVdh3, (9.59)
где Кв, Кс, Кп—постоянные, не зависящие от п коэффициенты, каждый из которых представляет произведение нескольких частотных коэффициентов:
КВ = КВ1 КВ2... Квю', (9.60)
Кс=КС1Ке2...КС10; (9.61)
KD = KDlKD2...KDl0. (9.62)
1 В разработке методики принимал участие А. П. Полежаев.
234
Таблица 9.4. Расчетные коэффициенты для определении затрат мощности в станке
Примерная мощность двигателя станка, Вт Состояние станка Коэффициенты
а ь с </
ю4 Новый 500/700 0,50/0,55 0 0
Изношенный 1000/1500 1,00/1,1 0,0003 0
2 104 Новый 500/800 1,0/1,1 0,0001 0
Изношенный 3500/5000 2,0/2,2 0,0008 4-10 7
ЗЮ4 Новый 1400/5000 1,5/1,7 0,0002 0
Изношенный 4000/6500 3.0/3,3 0,001 10“6
6 10* Примечание Новый 1500/2500 6,0/7,0 0,0005 10 6
Изношенный :: В числителе п 5000/7500 ЭИ холостом X 10,0/11,0 оде, в знамена 0,01 теле- при по 2-10 6 иной нагрузке.
При KB=KC = KD=\ формула (9.59) описывает следующий базовый случай: глубина скважины £о=10Ом, диаметр стальных бурильных труб <4 = 0,05 м, соединение труб—муфтово-замковое, диаметр скважины £>6 = 0,093 м, зазор между бурильными трубами и стенками скважины S6 = 0,0215 м, промывочная жидкость — вода, скважина вертикальная, пробурена в монолитных породах.
В табл. ,9-5 приведены значения всех частных коэффициентов для различных условий. Установлению значений каждого коэффициента предшествовала длительная и кропотливая работа по оценке влияния того или иного параметра на каждую из трех выделенных составляющих мощности. Различные параметры по-разному влияют на составляющие мощности. Например, угол наклона скважины влияет только на первую составляющую, а наличие каверн—только на третью, диаметр бурильных труб—на все составляющие (правда, по-разному), а зазор между стенками и трубами—только на две последние. Влияние длины растянутой и сжатой частей колонны бурильных труб не учитывалось.
Мощность, затрачиваемую в зоне работы породоразрушающего инструмента (так называемая забойная мощность), можно рассчитать по формуле
N3 = N3i + М2 + Мз + Л^з4 + (9.63)
где N3j—мощность на разрушение породы в забое; N32—мощность на преодоление сил сухого трения о забой; N33—мощность на преодоление сил сухого трения о стенки скважины; N34—мощность 235
Таблица 9.5. Значения расчетных коэффициентов
I
№ п/ц Факторы и их составляющие Коэффициенты
&Вк Ка Kl)k
1 Длина колонны бурильных труб (глубина скважины): <1000 м L/L??5 LfL6 L/Ц
>1 000 м L/Ц L/Ц
2 Диаметр скважины 1,5 D/D. 1 1
3 Наружный диаметр бу- I'M) (W*
4 рильных труб Зазор между трубами и 1 1+0,16- 0,1256(1-
5 стенками скважины 6, мм Вид промывочной жид- 1 - 0.002582 1 -0,0026) 1
кости: вода глинистый раствор (у>1100 кг/м3) эмульсионный раст- 1,2 1,05 1
1 0,4 0,2
вор промывка отсутствует 1,5 0,5 1
6 Смазка на бурильных трубах: отсутствует 1 1 1
наносится 0,6 0,7 0,2
7 Угол наклона скважи- 1 +3sin0 1 1
8 ны 0 Материал бурильных труб: сталь 1 1 1
легкий сплав 0.8 0.5 0.3
9 Тип соединения бурильных труб: муфтово-замковое 1 0,8 1 1
ниппельное 1 1
ксск, сск 0,3 1 1
10 Состояние колонны и скважины, режим работы колонны: колонна прямолинейная, скважина бурится в монолитных породах 1 1 1
колонна нспрямоли-нейная, скважина искривлена 1,5 1 1
скважина имеет ка- 1 1 5
верны наличие вибрации ко- 1 1 10
лонны
Примечание. При 8 >45 мм коэффициенты Кс4 и KD4 принимаются равными 1.
на преодоление диссипативных сопротивлений (главным образом
в горной породе, частично в промывочной жидкости); N3S—мощность
236
на преодоление сил сопротивления породы, связанных с ее вовлечением в движение вместе с инструментом (динамическая составляющая забойной мощности).
Ценность представленного подразделения составляющих забойной мощности состоит в том, что каждую составляющую можно определить теоретически на основе достаточно простой расчетной схемы
=псжй [(Dc-JJ/2] лн/30 [(Рс+04], (9-64)
где оСж—временное сопротивление породы сжатию (может приниматься по табл. 1.21); h—углубление породоразрушающего инструмента за один оборот; //—диаметр скважины; /—диаметр керна.
Величина h может быть вычислена по формуле
h = 60vM/n, (9.65)
где vM—механическая скорость бурения, м/с.
Величина гм должна быть либо задана, либо определена по опытным данным. Небольшая ошибка в оценке см к существенным погрешностям в определении забойной мощности не приведет.
Диаметр скважины можно вычислить по формуле
^ = £>„ + 26!, (9.66)
а диаметр керна
^ = (/„-26!, (9.67)
где D„, d„ — соответственно наружный и внутренний диаметры породоразрушающего инструмента по наружным и внутренним резцам;
— разработка ствола скважины и керна.
Величиной 5, также следует задаваться исходя из имеющихся опытных данных. Для алмазного бурения 6, находится в пределах 10-5—10 3, для твердосплавного 10-4—5 10 Зм. Величина 6, условна. Фактически это разность между радиусами скважины и инструмента на некотором удалении от забоя.
Мощность N32 на преодоление сил трения инструмента о забой можно рассчитать по формуле
jP f ЛИ л
ЛГ’2=^20” ^D«~d^~(y^2(D^~d^D« + d^v^ (9-68)
где Р — осевая нагрузка; /—коэффициент трения породоразрушающего инструмента о забой.
Мощность Яз3 на преодоление сил трения породоразрушающего инструмента о стенки скважины может быть вычислена исходя из предположения, что сила трения возникает в результате появления динамической реакции связи (от центробежных сил) при вращении коронки с колонковой трубой вокруг оси скважины. Такое предположение является в значительной степени схематизацией реального
237
процесса трения коронки о стенки скважины. Некоторая часть энергии здесь тратится также на профилирование скважины.
Формула для расчета Л'.,3 имеет вид
(7ТИ \ 3 / Г) \
30) (9-69)
где </к—масса 1 м колонковой трубы; /к — длина колонковой трубы; /<с—коэффициент, учитывающий массу собственно коронки, переходника, шламовой трубы и части бурильных труб (может приниматься равным 1 —1,5).
Мощность Л;,4 на преодоление диссипативных сопротивлений можно рассчитать по эмпирической формуле
^4=С'3л2/)и, (9.70)
где С'з—коэффициент диссипативных сопротивлений, величина которого находится в пределах (0,01—0,02) кг-м/с3-мин2. Большие значения С3 соответствуют мягким породам, меньшие—крепким.
Динамическая составляющая мощности может быть определена по формуле
(9-71)
где у- плотность породы.
Методика расчета забойной мощности в первом приближении учитывает все основные каналы расходования энергии на забое. Каждая из составляющих при определенных параметрах может стать весьма значительной. Например, при бурении мягких пород инструментом большого диаметра весьма значительны составляющие, определяемые формулами (9.64) и (9.71), и мала составляющая, определяемая формулой (9.68). При бурении разведочных скважин на твердые полезные ископаемые в скальных породах определяющей является составляющая мощности, вычисляемая с помощью выражения (9.68) (без второго члена). Поэтому при ориентировочных расчетах всю забойную мощность можно определять по формуле
(9-70)
где Д =(1,1-г-1,2)/ Меньшие значения J\ соответствуют крепким породам и малому диаметру инструмента, большие—большому диаметру (свыше 76 мм) и относительно мягким породам.
§ J1. Расчет затрат мощности при наличии в породе валунов
Нередко в толще проходимых пород, особенно моренных, встречаются отдельные валуны. Встреча инструментом даже мелкого валуна приводит к резкому возрастанию мощности на валу двигателя 238
и в отдельных случаях это может привести к поломке инструмента. Возрастание усилия резания вызвано тем, что при смещении инструментом валуна площадь разрушения породы возрастает примерно на величину площади поперечного сечения валуна. Рассчитаем мощность, необходимую на бурение при встрече валуна. Рассмотрим наиболее сложный случай, когда валун встречается по периферийной части лезвия и бурение осуществляется без отбора керна. Для простоты ограничимся случаем, когда инструмент встречает один валун, имеющий сферическую форму.
Для этого случая в забойной мощности могут быть выделены пять составляющих, первая из которых определяется по формуле
где Л31 — мощность, затрачиваемая на срезание стружки породы; о—удельное сопротивление породы разрушению; h — величина срезаемой стружки; D—наружный диаметр инструмента; со—угловая скорость инструмента.
Вторая составляющая мощности N,2, расходуемая на преодоление сил трения о забой, вычисляется по формуле
(9-74)
где Р—осевая нагрузка на инструмент; /3—коэффициент трения инструмента о породу.
Третья составляющая мощности N33 (динамическая) рассчитывается с помощью выражения
где уп—плотность породы.
Формула для четвертой составляющей мощности N3, затрачиваемой при встрече и смещении валуна, имеет вид
поDd !---------
^34 = -—= Vft(d-ft)(l -Л/2),
(9-76)
4 VI +/
где d—диаметр валуна; /х— коэффициент трения (сопротивления) в приводе за счет расклинивающего воздействия валуна; /2—коэффициент трения инструмента о валун.
Динамическая составляющая мощности Л''з5 на основе теоремы об изменении количества движения тела при ударе и при условии, что коэффициент восстановления 7?у = 0, может быть определена по формуле
лЛп у„/)2<73(п2
(9.77)
239
где К„—коэффициент, учитывающий массу породы, воспринимающей удар инструмента по валуну (Кп= 1,5=2,5); ув — плотность породы валуна; ty— время соударения инструмента и валуна (примерно соответствует 0,005 с).
По сравнению с расчетом мощности, представленным в предыдущем разделе, здесь не учитываются затраты мощности на трение бура о стенки скважины и преодоление диссипативных сопротивлений (при малых частотах вращения обе составляющие незначительны).
Баланс забойной мощности для следующих близких к реальным исходных данных: о = 4-106 Н/м2, £> = 0,75 и 1,5 м, <7=0,08 м, /1=0,3, /г=0,5, /3= 0,4, Л = 0,005 м, уп = 2100 кг/м3, ув=3000 кг/м3, Р=10кН; <о = 6 и 12 с \ К„=2 представлен в табл. 9.6.
Приведенные расчеты позволяют сделать следующие основные выводы: при встрече даже небольшого валуна потребляемая при бурении мощность возрастает более чем в 2 раза; на срезание стружки затрачивается от 27 до 42% мощности; динамические составляющие мощности (N.,2 и N35) по величине незначительны и составляют 5—10%.
Таблица 9.6. Данные расчета забойной мощности
Составляющие забойной мощности w — 6 и 1 <и = 12 с 1
£>=0.75 м D= 1.5 м £>=0.75 м
кВт % кВт % кВт %
TV31 8,44 28,32 33.75 42,26 16,88 26,82
N-.2 0,01 0,04 0,18 0,22 0,09 0,14
N;3 4,50 15,10 9,00 11,27 9,00 14,31
Д',4 15,22 51,08 30,43 38,10 30,43 43,38
TV,5 1.63 5,46 6.61 8,15 6,51 10,35
TV, 29,80 100,00 79,87 100,00 62,91 100.00
ГЛАВА 10
ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
И ОТБОР ОБРАЗЦОВ
§ 1. Общие положения
К числу наиболее важных задач проходки буровых скважин при инженерных изысканиях относятся изучение геологического разреза и определение физико-механических свойств грунтов.
Образцы, отбираемые для изучения геологического разреза, должны отражать все структурные, текстурные и прочие особенности 240
грунта: последовательность в залегании слоев, мощность слоев и положение контактов; наличие включений, гнезд, примазок, тонких прослоев (особенно слабых грунтов); консистенцию и водоносность грунтов и др.
Основной метод изучения таких образцов в полевых условиях — визуальный. При этом используются лупа, нож, кислота и т. д. Материалом для изучения является извлекаемый из скважины кери, перемятые комки грунта, в отдельных случаях шлам.
Физико-механические свойства грунта определяют по отбираемым из скважин монолитам и с помощью опытных работ в скважинах.
Отбираемые из скважин монолиты должны обеспечивать максимальное соответствие их свойств свойствам слоев, из которых эти образцы отбирают. Основной метод оценки монолитов—выполняемый с высокой точностью лабораторный анализ.
Для отбора образцов с целью геологической документации могут быть использованы практически все известные способы бурения, обеспечивающие получение керна или перемятых комков грунта. В качестве бурового инструмента применяют колонковые трубы, зонды, стаканы, спиральные и ложковые буры и т. д. Диаметр скважины колеблется в пределах 35—219 мм, чаще всего используют скважины диаметром 108—168 мм. Особых ограничений на проходку за рейс (за исключением шнекового и медленновращательного бурения) не устанавливают, их накладывают только в тех случаях, когда затруднено получение достоверных данных о строении геологического разреза.
Для отбора монолитов применяют специальные устройства — грунтоносы. Размеры отбираемых монолитов, способы и режимы погружения строго регламентированы. Процесс отбора монолита не может быть отнесен к процессу углубления скважин—это специальная операция.
В изыскательских организациях СССР скважины для геологической документации составляют 60—70%, технические скважины (т. е. те, из которых отбирают монолиты или в которых проводят полевые опытные работы) — не более 30—40%.
§ 2. Инженерно-геологическое описание пород при бурении скважин
Описание образцов горных пород в процессе бурения инженерногеологических скважин должно обеспечить их правильное наименование, состав, состояние и свойства. Это достигается специальной технологией бурения скважин и соблюдением правил ведения полевой документации.
Особые требования к ведению полевой документации обусловлены практической невозможностью улучшить полевую документацию при камеральных работах; стремлением исключить разночтения одних и тех же признаков; влиянием природных условий на качество записи и сохранности документации и, главное, высокой стоимостью буровых работ, результаты которых фиксируются только на полевых документах. 16 Заказ 3871 241
Правила ведения полевой документации сводятся к следующему:
все полевые документы (буровые журналы, коллекторские журналы, журналы производства наблюдений и т. д.) должны иметь четкий адрес — наименование организации, экспедиции, партии, отряда; наименование объекта исследований, номер буровой выработки;
записи следует вести в определенной последовательности, четко и ясно, без сокращения слов. Цифры пишутся стилизованным шрифтом. Допущенные при описаниях ошибки исправляются зачеркиванием и правильным написанием. Помарки и исправления «цифра по цифре» не допускаются;
записи ведут простым мягким карандашом или шариковой ручкой. Применение химического карандаша и чернил не допускается;
полевая документация должна быть первичной, т. е. ее необходимо вести непосредственно в поле. Переписка ради достижения «чистоты» документа не допускается;
все исправления в полевой документации, проводимые должностными лицами, должны быть сделаны как дополнительные, заменяющие первоначальную запись, и подписаны должностным лицом;
все полевые документы должны содержать дату ведения на каждый день записи и быть подписаны как составителем, так и соответствующим должностными лицами.
Многообразие горных пород, их состава и свойств представляет известные трудности при полевом определении и описании пород.
При визуальном рассмотрении породы в поле геолог получает самую разнообразную информацию о минеральном составе породы, ее структуре, текстуре, прочности, трещиноватости, влажности и т. д. О многом говорят цвет породы, ее запах, внешний облик.
Очень важно общее описание пород вести в определенной последовательности, представленной в табл. 10.1. Номера факторов по этой таблице сохраняются и для частных схем описаний.
Таблица 10.1. Общая схема описания горных пород
Номер фак-юра Полевое описание Породы
скальные и иолу-скальные карбона I-ные обломочные и песчаные глинистые торф и саиропели
1. Номенклатурные признаки
1 Наименование породы + + + + +
2 Разновидность + + + + +
3 Минеральный состав породы, включений, примесей + + + + +
4 Ботанический состав — — — — +
5 Цвет II. Структурно-текстурные признаки + + + + +
242
Продолжение табл. 10.1
Номер фактора Полевое описание Породы
скальные и полу-скальные карбонатные обломочные и песчаные глинистые торф и саиропели
6 Структура + + — + +
7 Текстура + + + + 4
8 Соотношение обломков и заполнителя (цемента) III. Состав породы — + + +
9 Состав обломков — + + + —
10 Состав заполнителя (цемента) — + + + —
11 Содержание и размеры крупных включений IV. Состояние породы — + + + +
12 Трещиноватость + + — — —
13 Выветрелость + + — — —
14 Крепость + + — — —
15 Консистенция породы или заполнителя, пластичность — — + +
16 Плотность сложения — — + — +
17 Влажность V. Дополнительные признаки + + + + +
18 Реакция с соляной кислотой + + + + +
19 Механическое воздействие молотком + + + + —
20 Разбор породы руками + + + + —
21 Излом + + — + +
22 Машущие свойства, липкость — + — + +
23 Скатывание в шнур и шарик — — — + +
24 Тиксотропия — — — + +
25 Резание ножом — — — + +
26 Поведение породы при бурении + + + + +
27 Глубина погружения полевого пенетрометра — — — + +
28 Запах породы — + — + +
29 Растворимость + + + + —
30 Газовыделение — + — + +
31 Степень разложения органики — — — — +
32 Другие признаки VI. Геологические признаки + + + + +
33 Генетическая или фациальная принадлежность + + + + 1-
34 Палеонтологические остатки — + + + +
16*
243
Таблица 10.2. Типы структур горных пород
244
Таблица 10.3. Текстуры горных пород
Магматические Метаморфи- ческие Осадочные
карбонатные сцементированные глинистые
Массивная Очковая Массивная (беспорядочная) Беспорядочная Слоистая: тонкослоистая Массивная Глыбовая Комковатая
Флюидаль-ная Гнейсовидная Плотная (2—10 см) листовато- Сланцеватая Слоистая
Сланцеватая Сланцева- Слоистая (сланцева- слоистая Плитчатая
(ленточная) тая тая) (0,2—2 см) Листоватая
Пузыристая Плойчатая Крупнопористая (размеры пор >5 мм) Мелкопористая (размеры пор <5 мм) Кавернозная Пятнистая Беспорядочная микрослоис-тая (< 0,2 см) Чешуйчатая Ореховидная
Таблица 10.4. Оценка выветрелости, цементации и прочности обломков и выветрелых скальных пород
Тип пород "Тип обломков Степень цементации Поглощение воды Отличительные признаки
Крепкие Прочные Прочная Поглощение влаги незаметно Керн руками не разламывается, разбивается молотком с трудом, удар звонкий, излом раковистый или ровный
Слабые Слабовы-ветрелые Средняя Заметное поглощение влаги Керн раскалывается относительно легко (обычно по слоистости или кливажу), звенит под ударом слабо. Разламывается руками с трудом, не растирается руками
Полускальные Сильно-выветре-лые Слабая Сильное поглощение воды Керн разламывается руками, иногда растирается пальцами. При слабом ударе молотком крошится на мелкие куски, при ударе глухой звук
Рыхлые Разрушенные Отсутствует Очень сильное поглощение воды Керн крошится руками, распадается на мажущуюся массу (часто с примесью зернистого щебня)
Номенклатуру пород устанавливают по признакам, включающим наименование пород и их разновидностей, с учетом минерального состава, включений, примесей и т. д. Важным номенклатурным признаком является цвет минералов и породы в целом.
Структуру и текстуру описывают по визуальным признакам рассмотрением невооруженным глазом и под лупой; используют свежие сколы по спайности и излому.
245
Таблица 10.5. Визуальная оценка консистенции глинистых пород
Структура характеризуется формой, размерами и относительным количественным содержанием основных компонентов. Наиболее распространенные типы структур приведены в табл. 10.2.
Текстура—это совокупность признаков строения породы, обусловленная относительным расположением и распределением составных частей породы в пространстве. Основные типы текстур приведены в табл. 10.3.
1 Состав породы оценивают качественно по описанию породы,
заполнителя (цемента) и количественно—по размерам и содержанию крупных включений. В табл. 10.4 дана оценка выветрелости, цементации и прочности обломков и выветрелых скальных пород.
Состояние глинистых пород оценивается их консистенцией, i Консистенг/ия—важнейший признак состояния глинистых пород. Раз-
личные приемы правильного определения консистенции приведены ! в табл. 10.5.
При описании керна необходимо использовать многочисленные косвенные признаки. Один из наиболее важных признаков—описание поведения породы при бурении. Этот вопрос еше недостаточно изучен, хотя многие геологи и бурильщики используют скорость , бурения, вибрацию бурового инструмента, звуки, сопровождающие бурение, и т. д. для описания пород и фиксации границы слоев. Некоторые рекомендации по этому вопросу приведены в табл. 10.6.
246
Таблица 10.6. Признаки распознавании пород в процессе бурении
Группа пород Колонковое бурение Ударное бурение
Песчаные:
плотные Плавное погружение бурового снаряда, ровный «хрустящий» шум, скорость чистого буре- Обсадные трубы погружаются забивкой или вибрацией, извлекаются с большим усилием;
ния «всухую» 1=6 м/ч скорость чистого бурения v=2 м/ч
средней плотности То же, г= 10 м/ч То же, извлекаются с меньшим усилием, v=4 м/ч
рыхлые То же, г=15-?20м/ч Обсадные трубы погружаются под собственным весом одновременно е работой желонки, г = 6-ь8 м/ч
Глинистые:
твердые, Плавное погружение бурового Стенки скважины устойчивы,
полутвердые снаряда, ровный глухой шум, длина рейса при бурении «всухую» 0,2 0,4 м; керн в виде столбика, v = 5 4- 6 м/ч v= 1 ч-2 м/ч
тугопластичные То же, длина рейса до 1,5 м, столбик керна несколько растянут, г = 8 м/ч То же, г=3м/ч
мягкоплас- Быстрое плавное погружение. Стенки скважины неустойчивы,
тичные ровный шум, столбик керна сильно деформирован, v= 10 м/ч требуется крепление, г=6 м/ч
247
Продолжение табл. 10.6
Группа пород Колонковое бурение Ударное бурение
Текучие, текучепластичные Провальное погружение, керн не извлекается, г= 154-20 м/ч. Стенки скважины оплывают Обсадные трубы погружаются под собственным весом без работы породоразрушающего инструмента. г= 10 м/ч
Крупнообломочные Прерывистое погружение, сильная вибрация бурового снаряда, скрежет, г=0,5 4-ч-2,0 м/ч Прерывистое погружение обсадных труб при забивке или вибрировании, буровой снаряд часто заклинивается в скважине крупными обломками; трубы извлекаются с большим усилием на прямом канате лебедкой извлечь не удается, г=0,54-1,5 м/ч
Отдельные валуны Резкое замедление углубки, скрежет Буровой снаряд отскакивает с глухим звуком
Скальные монолитные Относительно плавное погружение, вибрация бурового снаряда, ровный шум, керн в виде длинных столбиков в зависимости от крепости пород, v= = 0,1 -5,0 м/ч Буровой снаряд отскакивает от забоя с характерным резким звуком
Скальные трещиноватые Прерывистое погружение, сильная вибрация, провалы бурового снаряда, характерный треск, потери промывочной жидкости: керн в виде щебня, плиток, столбиков и полустолбиков; с = 0,2 4- 0,6 м/ч Буровой снаряд отскакивает от забоя; иногда в крупные трещины забивают обсадные трубы, после чего извлечь их не удается
Последовательность описания пород (в частности, схема описания карбонатных пород) приведена в табл. 10.7, а обломочных—в табл. 10.8.
Визуальные признаки определения глинистых пород представлены в табл. 10.9, а схема описания глинистых пород—в табл. 10.10.
§ 3. Информативность различных способов бурения
Под инженерно-геологической информативностью способов бурения скважин применительно к описанию геологического разреза понимаются точность и представительность этого описания.
Под точностью отражения геологического разреза понимается точность фиксации глубин залегания контактов слоев грунта при описании разреза по керну (комкам грунта, шламу и т. д.), полученному при использовании какого-либо способа бурения, по сравнению 248
Таблица 10.7. Схема описания карбонатных пород
s Си
С
ч S
S к о
в«
g Is i ёс
о
249
Таблица 10.8. Схема описания обломочных пород
Фактор описания Сцементированные породы Рыхлые породы
Соотношения обломков и цемента (заполнителя) Цемент: базальный обломки погружены в цемент и между собой не соприкасаются; поровый цемент заполняет свободное пространство соприкасающихся обломков, соприкосновения цемент находится лишь в местах соприкосновения обломков Заполнитель: обволакиваю- щий обломки окружены заполнителем со всех сторон; заполняющий — запрлнитель находится в промежутках между соприкасающимися обломками; контактовый—заполнитель находится только в точках соприкосновения обломков
Состав обломков По происхождению: магматические, метаморфические, осадочные По минеральному составу песчаных частиц: кварцевые, полевошпатовые, кварцево-полевошпатовые, глауконитовые, известняковые и т. д.
Состав цемента или заполнителя Цемент: кремнистый, глинистый, кварцевый, карбонатный, железистый, сульфатный и т. д. Заполнитель: глинистый, песчаный (кварцевый, известковистый и т. д.), пылеватый и др.
с эталонным (истинным) геологическим разрезом, полученным, например, по шурфу, естественному или искусственному обнажению и т. д. Таким образом, для оценки способа бурения по точности совершенно необходимо располагать эталонным геологическим разрезом и разрезом, полученным по керну при использовании данного способа.
Под представительностью понимается степень соответствия описания по керну текстурных и структурных особенностей грунта природным. В качестве меры представительности может служить условная точность визуальной оценки природных свойств грунта в массиве по керну, полученному при бурении. В данном случае имеются в виду такие свойства грунта, которые фиксируются при его визуальном описании по керну без использования лабораторных методов (например, количество твердых включений, гнезд, конкреций и т. д.). Точность оценки этих свойств массива в конечном счете зависит только от объема, точнее, диаметра получаемого керна.
Само понятие «точность отражения геологического разреза» включает в себя одну качественную и четыре количественные характеристики (табл. 10.11).
Данные о количественных значениях точности отражения геологического разреза различными способами бурения представлены в табл. 10.12.
Лучшую представительность обеспечивают способы, позволяющие извлекать из скважины столбик грунта с природным сложением. 250
Таблица 10.9. Визуальные признаки определения глинистых пород
251
R Я
я «
2
«>я
Я я
8
Таблица 10.10. Схема описания глинистых пород
о
С
252
Таблица 10.11. Показатели точности отражения геологического разреза
Характер показателей Название и обозначение показателя Расшифровка показателя
Качественный Состояние извлекаемого из скважины грунта А — в виде столбика грунта Б—в виде комков грунта с нарушенным сложением
Количественные х—среднеарифметическая величина смещения контакта между двумя слоями грунта ст -- среднеквадратическая ошибка оценки смещения к„- показатель неполноты отражения разреза тйп—средняя мощность пропущенного слоя Отражает закономерную величину смещения контакта, присущую рассматриваемому способу бурения Отражает случайную составляющую смешения Представляет собой отношение числа пропущенных слоев к общему числу пересеченных слоев Отражает своего рода «разрешающую» способность способа бурения
Таблица 10.12. Количественные значения точности отражения геологического разреза различными способами бурения
Способ бурения Состояние извлекаемого грунта Случаи соотношения грунтов по плотности X, м СУ, м к„ wn Точность отражения геологического разреза
Ударно-вибрационный А. Керн в виде столбика грунта 1 II III -0,03 +0,003 + 0,01 ±0,11 ±0,12 ±0,10 0,05 0,10 Высокая
Ударноканатный кольцевым забоем I II III -0,11 -0,07 -0,06 ±0,19 ±0,23 ±0.19 0,13 0,18 Средняя
Колонковый «всухую» I II III -0,06 + 0,09 -0,03 ±0,22 ±0,20 ±0,24 0,14 0,22
Медленно-вращательный Б. Комки грун-та с на-рушенным сложе-нием I II III -0,13 + 0,01 + 0,17 ±0,27 ±0,36 ±0,38 0,28 0,30 Низкая
Шнековый рейсовый I II III -0,10 + 0,20 + 0,13 ±0,33 ±0,41 ±0,33 0.20 0,20
Шнековый поточный I II III -0,24 + 0,08 + 0,19 ±0,45 ±0,68 ±0,47 0,38 0,38 Весьма низкая
Примечания. I. Данные приведены для песчаных и глинистых грунтов по результатам экспериментальных исследований в Полтавской, Костромской и Ивановской областях.
253
2. Объем выборок для различных случаев колеблется от 10 до 53. 3. Для графы «Случаи соотношения слоев по плотности» случай I обозначает, что верхний слой грунта более плотный, чем нижиий; II — оба грунта примерно равной плотности; 111 верхний слой менее плотный, чем нижний.
В остальном представительность зависит только от внутреннего диаметра породоразрушающего инструмента. Данные об условной мере представительности при различных диаметрах породоразрушающего инструмента приведены в табл. 10.13.
Таблица 10.13. Условная мера представительности для различных диаметров иородоразрушающего инструмента при бурении иескальных пород
Диаметр породоразрушающего инструмента, мм Условная мера предст авительности Диаметр породоразрушающего инструмента, мм Условная мера представительности
<60 60-89 89-127 Весьма низкая Низкая У довлетворительна я 127-168 168-219 >219 Средняя Повышенная Высокая
§ 4. Отбор образцов ненарушенного и нарушенного сложения
Образцы нарушенного сложения отбирают из инструмента, которым углубляют скважину; образцы ненарушенного сложения (монолиты) — только специальными устройствами—грунтоносами.
В настоящее время в изыскательской практике используют следующие способы погружения грунтоносов: забивной (многократными ударами и одним ударом), вдавливаемый, обуривающий, вибрационный и вращательный.
В СССР методика отбора монолитов из скважин регламентирована ГОСТ 12071- 84. Помимо названного документа, получили широкое распространение рекомендации, разработанные ПНИИИСом.
Внутренний диаметр грунтоносов для отбора монолитов грунтов (за исключением крупнообломочных) должен быть не менее 90 мм при высоте не менее одного и не более двух диаметров.
Область применения и параметры погружения грунтоносов различными способами указаны в табл. 10.14.
Таблица 10.14. Облает применения и параметры различных способов погружения грунтоносов
Способ погружения грунтоноса Область применения Параметры погружения
Обуривающий Отбор монолитов плотных и средней плотности песчаных грунтов, глинистых грунтов твердой и полутвердой консистенции, плотных, заторфо-ванных грунтов с корнями растений Частота вращения грунтоноса 60 об/мин и менее, осевая нагрузка на грунтонос I кН и менее. Грунтонос оборудован внутренней керноприемной гильзой
254
Продолжение табл. 10.14
Способ погружения грунтоноса Область применения Параметры погружения
Вдавливаемый Отбор монолитов глинистых грунтов полутвердой и тугопластичной консистенций, а также рыхлых песчаных грунтов, глинистых грунтов мягкопластичной, текучепластичной и текучей консистенций, разложившихся торфов Скорость вдавливания 0,5 — 2 м/мин для грунтов полутвердой и тугопластичной консистенций, менее 0,5 м/мин — для остальных грунтов. Для отбора монолитов следует использовать тонкостенные грунтоносы с заостренным снаружи нижним краем
Забивной, виб- Отбор монолитов глин с коэф- Параметры забивки нс регла-
рационный фициентом пористости £<1,1; суглинков —е<0,9; супесей е<0,7 при показателе консистенции /,.<0,75 ментированы. Монолиты должны отбираться тонкостенными цилиндрическими грунтоносами с заостренным снаружи нижним краем
Вращательный Отбор монолитов из скальных, полускальных и мерзлых грунтов Для отбора монолитов из монолитных скальных пород следует применять одинарные колонковые трубы; из трещиноватых скальных пород—двойные колонковые грубы. При отборе монолитов мерзлых пород должно сохраняться мерзлое состояние породы, частота вращения снаряда не должна превышать 60 об/мин
Примечание: I[римененис забивного и вибрационного способов погружения грунтоносов в соответствии с ГОСТ 12071—84 для отбора монолитов не допускается. Какие-либо исследования, подтверждающие необходимость такого запрещения, автору справочника не известны. Ограничения, налагаемые табл. 10.14, обоснованы большим объемом экспериментальных исследований.
Для отбора монолитов глинистых грунтов мягкопластичной консистенции используют грунтоносы с частично перекрываемым входным отверстием; рыхлых песчаных грунтов, глинистых грунтов текучепластичной и текучей консистенций, разложившихся торфов и илов — грунтоносы с полностью перекрываемым входным отверстием.
Внутренний диаметр башмаков вдавливаемых, забивных, вибрационных и обуривающих грунтоносов должен быть на 1—3 мм меньше внутреннего диаметра корпуса или грунтоприемной гильзы.
Отбор монолитов в рыхлых и мягких породах с помощью породоразрушающих инструментов, которыми углубляется скважина, не допускается.
§ 5. Грунтоносы
В табл. 10.15 представлена классификация грунтоносов, применяемых в отечественной практике для отбора монолитов из буровых скважин. Помимо указанного, грунтоносы также подразделяются по
255
способам: сборки и разборки, извлечения монолита, удаления шлама с забоя, конструкции клапанных устройств, соединения невращающейся керноприемной гильзы с корпусом и т. д.
Таблица 10.15. Классификация грунтоносов для отбора монолитов из буровых скважин
Классификационный признак Подразделение груиТоносов
По способу погружения Вдавливаемые Забивные
Вибрационные Обуривающие
Вращательные
По способу удержания монолитов Без затворных устройств
в грунтоносе С затворными устройствами
По конструкции затворных (под- Вакуумные С затворами проволочного, лепесткового,
резающих) устройств в башмаке пружинного (паук), ножевого, диафрагменного, секторного и эластичного типов
По типу устройства, в которое пр- Без керноприемной гильзы
ступает монолит С неподвижной керноприемной гильзой (металлической, пластмассовой)
По способу предохранения моно- С подвижной керноприемной гильзой (перемещающейся вместе с монолитом внутрь грунтоноса) Без предохраняющих устройств
лита от продольных деформаций Поршневые
Кроме грунтоносов, предназначенных для отбора монолитов из забоя буровых скважин, имеется большая группа грунтоносов для отбора монолитов из стенок скважин, из горных выработок, дна водоемов и т. д.
Имеются также специальные грунтоносы для отбора образцов в условиях повышенного или пониженного давления, при наличии полного вакуума (например, на Луне), при наличии высоких или низких температур и т. д.
Нормальный ряд грунтоносов
Под нормальным рядом грунтоносов понимается такой номенклатурный перечень, который по назначению и конструктивным параметрам в нормативном порядке устанавливает рациональное число их типоразмеров.
Нормальный ряд грунтоносов разработан ПН НИИ Сом совместно с Гидропроектом, ПО «Стройизыскания», Фундаментпроектом и Эне-ргосетьпроектом. В основу разработки были положены два классификационных признака: способ погружения грунтоноса и свойства грунта, из которого отбирается монолит.
Грунтоносы, представленные в нормальном ряде, предназначены для отбора монолитов из буровых скважин инженерно-геологического назначения, проходимых в различных разновидностях песчаных и гли-256
нистых грунтов. Каждая модель грунтоноса может быть изготовлена одного или нескольких типоразмеров в зависимости от диаметра проходимых скважин и размера проб грунтов, отбираемых из монолитов для лабораторных испытаний. Параметры грунтоносов соответствуют ГОСТ 12071—84. Нормальный ряд представлен обуриваюшим, забивным и тремя вдавливаемыми грунтоносами.
Число моделей грунтоносов и типоразмеров каждой модели не является строго определенным. В процессе совершенствования методики и техники отбора монолитов в нормальный ряд могут и должны вноситься определенные изменения.
В табл. 10.16 представлены параметры и назначение грунтоносов нормального ряда для отбора монолитов из скважин.
На рис. 10.1 —10.5 показаны конструкции грунтоносов нормального ряда. Отдельные узлы грунтоносов унифицированы (клапаны, резьбы, в ряде случаев—керноприемные гильзы).
Отбор монолитов с помощью грунтоносов нормального ряда проводят по общепринятой методике. Особенность отбора вдавливаемым грунтоносом второй модели состоит в том, что после погружения на требуемую глубину грунтонос поворачивают (без внедрения) по ходу часовой стрелки на 60°. Проволочные дуги башмака выходят из своих гнезд и подрезают монолит; одновременно они служат для удержания монолита в грунтоносе. При отборе монолита грунтоносом третьей модели последний после погружения поворачивают с малой скоростью на два—три оборота. Полиэтиленовая гильза, постепенно сползая с керноприемной гильзы, скручивается в жгут, тем самым подрезая и изолируя монолит. Монолит можно транспортировать только вместе с керноприемной гильзой, закрытой с обеих сторон крышкой.
Разновидность забивного грунтоноса нормального ряда—грунтонос ГК-3 конструкции Гидропроекта (рис. 10.6).
Техническая характеристика грунтоноса ГК-3
Диаметр, мм: наружный корпуса ........................................ 123 105
внутренний ............................................ 114 99,5
входного отверстия .................................... 108 93
Угол заточки башмака, градус ............................. 15 15
Толщина керноприемной гильзы, мм ...................... 3 3
Высота в собранном виде (с ударным патроном), мм....... 1743 1743
Масса, кг ................................................ 55 40,6
Цена, руб.—коп.: грунтоноса (без ударной части) ........................ 53—50 49—00
вкладышей с лепестками .............................. 17—80
Грунтонос состоит из двух основных узлов: керноприемного разъемного стакана и ударной части, керноприемный стакан—из двух полугильз 9, корпуса 10 и ввинченной в него головки б. Полугильзы размещаются внутри корпуса, в нижней части они снабжены режущими полубашмаками, а в верхней части к ним прикреплены два полузамка 8; оба полузамка и головка скреплены стопорным винтом 7.
17 Заказ 3871 257
Таблица 10.16. Основные параметры и назначение грунтоносов нормального ряда для отбора монолитов из скважин
Назначение грунтоноса ё"&"йс.ЕЫ5£ g g 8 .. р «’§ g t з « о ° ? g g S°' "h° »S or|*a В ex c c § >> ® g • c c Й £ e й P- >> В p. <- я O 3 2 ° pa 2 3 о йз S л о p< я w o m 2 Я £ к к о ио.2 s >- '-о s ё -Я ёК^Ьк>г’§цЯ@ 2 BL к К ?? к Й X Й jS S Й *< й >, Е Л п 5 к й-* Я Е Й Й я эк Р 2 ’в-З d >с Р- 3 т$< Я 2 В и ►= 3 п О 3 Ле 33 L ° е 3 ° 5 йо" Р ° S я я В к s 9 й о Й с к> р § н w ёс н я >s н о к я Е н д 1 3 ю2 Йо£°о А, ° scop £ я 3 о а к л н я s 3 я 2 cosmos 1з г? к В н ч сзй ci о с н н о^к Н Н’в-ё о £ g^o go Л g £ g ооипикорао^яя о я £ £ с о s к « RmOSOOi=;SOOOSo m д о л дЧ д о S а Л о ^XEE«l- S 1- И Я SB S Я 8 и и н ч
Масса грун- тоно-са, кг Г^’^Г^гГг*- СхГоГ ептг т—, <N сп —« »—«’—’
R tr* 2 ° к В S OO^Ti Г- Г-~ О’—1 о
Диаметр гильзы, мм Ь И>к щи S S Cl и и »-м КО 1Г> Tt о . | Г- СП О\ >—’ О\ »—’ О\ »—< оо
наружный 99.5 118 97 ' 113 100 116 108
_ К - й а ® С О м 5 к о а -о s и $ 2 1=3 g £ 400 400 400 400 450 450 300
Диаметр входного отверстия башмака, мм 94 113 92 108 96 108 96 112 98
Наружный диа- метр корпуса, мм Г- KO KO VT ОО СП оо г-- с) тГ о cl О’— О cs cS
g « § 925 925 685 685 605 605 785 785 910
Максимальный ’§0.0 S S ь 2 й й? g 5 м а 2 о. к >. о а § ч& ,о 160 185 106 125 108 127 116 132 150
Шифр CN,_, со со тг ir> OOoSoS юса mm cq L-^ L-( t—4 t—4 P-4 P-H U-4 1“ t—1
Тип >s =s E Л в 3 с о 5® й te Л е Е tr a g §|S 1S fiS | I S&5 g£ “g О еЙ й
258
Рис. 10.1. Обуривающий грунтонос ГО-2:
1 переходник; 2— фиксатор; 3— шаровая пята; 4—корпус; 5 лопасть башмака
Рис. 10.2. Забивной грунтонос ГЗ-2 с ключом для извлечения полугильз с монолитом:
1—переходник; 2—палец; 3—корпус; 4—полугильза; 5—ключ
Ударная часть состоит из направляющей штанги 5, ударника 4, муфты 3, корпуса ударника 2 и переходника 1, на который навинчивается колонна бурильных труб. Ударник вместе с переходником и корпусом ударника движется по направляющей штанге и наносит удары по верхней части головки 6. За счет энергии удара керноприемный стакан погружается в грунт на заданную глубину. При подъеме грунтоноса на поверхность верхний торец ударника упирается в муфту 3.
Грунтоносу придаются две полугильзы, оборудованные в нижней части лепестками для удержания монолита.
Разновидность забивного грунтоноса нормального ряда—грунтоносы, выпускаемые ДальТИСИЗом (рис. 10.7).
17* . 259
Рис. 10.3. Вдавливаемый грунтонос первой модели ГВ-2:
I — переходник; 2 корпус
Рис. 10.4. Вдавливаемый грунтонос второй модели ГВ-4:
1 переходник; 2— ручка; 3—корпус;
4— проволочная дуга; 5—башмак с тормозными лопатками
Параметры грунтоносов ГЗ, выпускаемых ДальТИСИЗом
Шифр грунтоноса ......................................... ГЗ-1 ГЗ-2
Длина грунтоноса, мм ..................................... 690 690
Наружный диаметр грунтоноса, мм .......................... 125 106
Диаметр входного отверстия башмака, мм ................... 108 92
Длина керноприемной гильзы, мм ........................... 300 300
Диаметр гильзы, мм: наружный ................................................. 113 97
внутренний .............................................. ПО 94
Угол заточки башмака, градус .............................. 15 15
Масса (без ударного патрона), кг .......................... 17 15,5
Цена, руб................................................... 63 61
Разновидность вдавливаемого грунтоноса нормального ряда второй модели—вдавливаемые вакуумные (модернизированные) грун-260
8
9
W
11
15
5
S
9
5
6
Рис. 10.5. Вдавливаемый грунтонос третьей модели ГВ-5:
а—с неподвижными тормозными лопастями; б—с поворачивающимися лопастями; 1—переходник; 2—гайка; 3—наружная труба; 4—съемная крышка; 5 внутренняя труба; 6 штифт; 7- прижимное резиновое кольцо; 8—полиэтиленовая гильза; 9—вкладыш; 10 проволока; 11—прокладка; 12—фиксирующее кольцо; 13—тормозные лопасти; 14—ось; 15—раздвижные тормозные лопасти; 16—фиксирующая проволока
Рис. 10.6. Забивной грунтонос конструкции Гидропроекта
4
Рис. 10.7. Забивной грунтонос ГЗ-1, выпускаемый ДальТИСИ-Зом:
/ приемная гильза; 2—замок; 3—винт; 4—переходник; 5-корпус; 6—стопор
Рис. 10.8. Вдавливаемый грунтонос ГВМ:
1—башмак; 2—подрезные пружины;
3—сменный башмак; 4—гильза-корпус;
5—клапанное устройство; 6—переходник;
7 крепежный винт; 8 — корпус; 9—приемная гильза; К)—стопорный винт
тоносы ГВМ-3 и ГВМ-4 (рис. 10.8), выпускаемые ДальТИСИЗом. Корпус грунтоноса выполнен разрезным, две его части соединяются между собой на резьбе. Грунтонос комплектуется двумя сменными нижними башмаками.
Параметры грунтоносов ГВМ
Шифр грунтоноса ......................................... ГВМ-3 ГВМ-4
Длина грунтоноса, мм ..................................... 760 7(0
Диаметр, мм:
наружный грунтоноса .................................. 132/125 116/106
наружный корпуса ....................................... 125 108
входного отверстия башмака .............................. ПО 95
262
Длина керноприемной гильзы, м .......................... 450 450
Диаметр гильзы, мм: наружный .............................................. 116 100
внутренний ........................................... 111 97
Угол заточки башмака, градус ........................... 15 15
Масса грунтоноса, кг ................................ 16 13
Цена, руб................................................ 64 69
Другие грунтоносы
Наряду с грунтоносами нормального вида в изыскательской практике широко используются другие грунтоносы, разработанные силами изыскательских организаций.
Обуривающий грунтонос конструкции Томгипротранса предназначен для отбора монолитов из песчаных грунтов средней плотности, а также глинистых грунтов полутвердой консистенции. Грунтонос этой конструкции (рис. 10.9) состоит из наружного вращающегося цилиндра 5, оканчивающегося коронкой 10 с винтовой резьбой, внутреннего цилиндра, представляющего собой две герметически соединенные части 8, 9, и переходника (головки) 1. Внутренний невращающийся цилиндр заканчивается головкой б с клапаном 4, обеспечивающим вакуум при подъеме грунтоноса; воздух из грунтоноса выходит через отверстие 2. Внутренний стакан центрируется винтом, в глубь головки ставится кольцо 7, невращающийся цилиндр фиксируется от осевых перемещений опорой 3. Рекомендуемая частота вращения грунтоноса при отборе монолита 35—40 об/мин, осевая нагрузка на забой до 1 кН.
Обуривающий грунтонос КазГИИЗа (рис. 10.10) предназначен для отбора монолитов из песчаных и глинистых связных грунтов при бурении скважин шнековым способом. Грунтонос состоит из наружной трубы со шнековой навивкой, внутренней трубы с картонной керноприемной гильзой и хвостовика для соединения с колонной шнеков или бурильных труб.
Обуривающий грунтонос ГОУ-1 (рис. 10.11) предназначен для отбора монолитов в супесях, суглинках, глинах и других связных грунтах.
Техническая характеристика ГОУ-1
Диаметр, мм: скважины .................................. 185
корпуса по спирали ......................... 185
корпуса .................................... 146
внутреннего керноприемника ................. 124
входного отверстия башмака ................. 120
Длина керноприемника, мм .....................400
Частота вращения, с“‘ ........................0,6—1
Осевая нагрузка, кН .......................... 1; 4; 5
Способ погружения грунтоноса .................Вращательный
без промывки
Длина грунтоноса, мм .........................640
Масса, кг ....................................20
263
Принцип работы грунтоноса заключается в совмещении двух способов погружения—вращательного и вдавливающего. При бурении одновременно с передачей крутящего момента на твердосплавную коронку осевая нагрузка передается на башмак керноприемной части грунтоноса, который опережает резцы твердосплавной коронки на 5—7 мм и вдавливается в грунт. При этом башмгГк прижимает разъемный керноприемник к опоре 3 подшипника 2, который центрирует керноприемник, исключает возможность вращения опоры и передает осевую нагрузку на башмак. Опережение острых резцов башмака предохраняет отбираемый монолит от воздействия резцов коронки, а прорези в нем предохраняют керноприемную часть грунтоноса от возможного поворота. Грунт выше башмака керноп-
Рис. 10.9. Обуривающий грунтонос конструкции ТомГипротранса
Рис. 10.10. Обуривающий грунтонос конструкции КазГИИЗа:
1 — хвостовик; 2—корпус; 3—шнековые лопасти; 4—керноприемная гильза; 5—башмак
264
Рис. 10.11. Обуривающий грунтонос ГОУ-1:
1—переходник; 2—подшипник; 3—опора; 4—корпус грунтоноса; 5- разъемный керноприемник; 6—башмак; 7- твердосплавная коронка
риемной части срезается резцами коронки и транспортируется по спиральной навивке корпуса. Площадь спиральной навивки корпуса грунтоноса и кольцевой канавки переходника позволяет разместить на них весь выбуренный грунт. При подъеме грунтоноса из скважины монолит удерживается в керноприемной части за счет вакуума и трения монолита о стенки.
Грунтонос ГОУ-1 разработан СКБ «Гидрогеотехника», успешно применялся в Волгоградгражданпроекте. серийно выпускается Ташкентским опытно-экспериментальным заводом «Геологоразведка»;
Вдавливаемые грунтоносы конструкции Южгипроводхоза предназначены для отбора монолитов из пластичных и текучепластичных грунтов. В Южгипроводхозе создана серия тонкостенных вдавливаемых грунтоносов.
Одна из конструкций такого грунтоноса имеет внутренний диаметр 100 мм и толщину стенки корпуса 2 мм. Грунтонос в верхней части оборудован резиновым ниппельным клапаном. В грунтонос вставляется металлическая тонкостенная гильза из жести толщиной 0,3 мм.
265
Рис. 10.12. Тонкостенный грунтонос конструкции Южгипроводхоза:
I -шестигранник; 2 головка грунтоноса; 3 шлам; 4 - монолит; 5- стакан
Рис. 10.13. Тонкостенный грунтонос с ксриоприемной гильзой конструкции Южгипроводхоза:
1 шестигранник; 2—головка грунтоноса; 3 шламосборник; 4—жестяная гильза; 5—стакан
Шов гильзы выполнен внахлестку и пропаян оловом. В верхней части гильзы припаяны лепестки для ее извлечения из стакана грунтоноса, а края слегка подогнуты (рис. 10.12).
При шнековом бурении монолиты отбираются тонкостенным грунтоносом, показанным на рис. 10.13. Диаметр грунтоноса соответствует 127 и 168 мм.
Для внедрения в грунт тонкостенных грунтоносов конструкции Южгипроводхоза обычно используют гидравлическую или механическую подачу буровых станков. Контролировать величину углубления грунтоноса бывает затруднительно. Нередки случаи, когда происходит уплотнение монолитов не только в результате излишнего погружения грунтоноса, но и из-за наличия на забое скважины шлама. При 266
Рис. 10.14. Вдавливаемый грунтонос конструкции КазГИИЗа
Рис. 10.15. Грунтонос ГЗТ-1 конструкции ЗансибТИСИЗа
г
$
отборе монолитов из просадочных и сильносжимаемых неводонасыщенных грунтов подобное явление допускать нельзя. Для его предотвращения в Южгипроводхозе предложено специальное устройство. Примерно на */3 высоты грунтоноса от его верхней части устанавливают жестко связанное с грунтоносом опорное кольцо. Диаметр кольца соответствует примерно 210 мм. Недостаток такого грунтоноса состоит в том, что его можно опускать в скважину диаметром не менее 219 мм. В Южгипроводхозе разработан также грунтонос с опорным кольцом, который можно опускать в скважину диаметром 135 мм.
Вдавливаемый вакуумный грунтонос конструкции КазГИИЗа (рис. 10.14) предназначен для отбора монолитов слабых глинистых грунтов текучепластичной консистенции ниже уровня грунтовых вод.
267
Техническая характеристика грунтоноса КазГИИЗа
Диаметр, мм: наружный ....................................... 114
внутренний ......................................98
входного отверстия ..............................98
Угол заточки башмака, градус ......................J5—20
Длина, мм: керноприемной гильзы ............................200
общая грунтоноса ................................ 1050
Грунтонос состоит из хвостовика 1 с упорной шайбой и выточкой под ключ 2, клапанного стержня3, клапанной втулки 5, резиновой прокладки б, корпуса клапана 7, собственно клапана 8, гайки 9 для крепления клапана на оси, направляющей шайбы 10, гайки 11 для крепления направляющей шайбы, шламовой трубы 12, упорного кольца 14, керноприемной гильзы 75 (картонной или металлической), башмака 16. Клапанная втулка 5 жестко крепится к шламовой трубе с помощью сварки 4. Керноприемная гильза удерживается в трубе штифтами 13.
Тонкостенный грунтонос ГЗТ-1 конструкции ЗапсибТИСИЗа (рис. 10.15) предназначен для отбора монолитов вдавливаемым способом из связных глинистых грунтов.
Грунтонос состоит из гильзы 2, переходника 1 и резинового кольца 3. Монолит из грунтоноса выталкивается специальным штоком. Для облегчения выталкивания монолита внутренняя поверхность грунтоноса выполнена полированной; кроме того, она перед спуском грунтоноса в скважину должна быть смазана техническим вазелином. Грунтоносы ГЗТ выполнены в двух модификациях: с наружным диаметром 127 и 146 мм.
Вдавливаемый грунтонос конструкции УралТИСИЗа (рис. 10.16) предназначен для отбора монолитов из связных глинистых грунтов.
Грунтонос состоит из переходника 1, корпуса 2, разрезного пружинного кольца 3, картонной керноприемной гильзы 4. Разрезное кольцо имеет продольную прорезь 5 и отверстие 6 для штыря. Для сборки грунтоноса разрезное кольцо сжимают и ввинчивают в корпус. После отбора монолита кольцо (вместе с монолитом) отсоединяют от корпуса. Благодаря пружинному эффекту кольцо разжимается и освобождает монолит.
Грунтонос конструкции ЧерноморНИИпроекта (рис. 10.17) предназначен для отбора монолитов из водонасыщенных песков и илов. Отличительная особенность грунтоноса—наличие поршня, с помощью которого в верхней полости грунтоноса создается вакуум, а также затворного устройства в виде «паука» в нижней части грунтоноса, предотвращающего выпадение монолита из грунтоноса.
Грунтонос с секторным затвором конструкции Сибгипротранса (рис. 10.18) предназначен для отбора монолитов вдавливаемым способом из слабосвязных грунтов. Он оборудован затворным устройством, полностью перекрывающим его входное отверстие. 268
Рис. 10.16. Вдавливаемый грунтонос конструкции УралТИСИЗа
Рис. 10.17. Вдавливаемый грунтонос конструкции ЧериоморНИИпроекта:
I—башмак; 2 — «паук»; 3—поршень; 4—манжета; 5 корпус
Грунтонос состоит из двух гильз — внутренней и наружной. Переходник жесткой связи с гильзой не имеет и опирается на ее крышку посредством шарикоподшипника. Во внутренней металлической гильзе имеется специальная тонкостенная керноприемная гильза, в которую поступает монолит.
После вдавливания грунтоноса в грунт на необходимую глубину входное отверстие перекрывается вращением бурильных труб и переходника по часовой стрелке. Поскольку внутренняя гильза находится в направляющих, а наружная гильза не может вращаться из-за наличия тормозных лопаток, внутренняя гильза поднимается, увлекая за собой секторные ножи, шарнирно соединенные с ней. Последние полностью перекрывают дно грунтоноса, образуя в его нижней части конус.
Грунтонос в грунт погружают на строго определенную глубину. Момент окончания погружения фиксируется микровольтметром, для чего грунтонос оборудуют специальным электрическим контактным устройством. Источником питания устройства служит батарейка 269
Рис. 10.18. Грунтонос с секторным затвором конструкции Сибгипротраиса:
1—привод; 2 - переходник; 3— гайка; 4—пластмассовая пластинка; 5, 7—внутренняя и наружная гильзы; 6—пружина; 8- керноприемная гильза; 9— нож секторного затвора; 10—тормозные лопатки
карманного фонаря Керноприемная гильза, закрытая с двух сторон крышками, доставляется в лабораторию.
§ 6. Точность оценки физико-механических свойств грунта по монолитам, отобранным из скважин
На свойства грунта в отбираемых из скважин монолитах оказывает влияние очень большое число факторов. Среди них можно выделить следующие: а) факторы, связанные с конструкцией грунтоноса (внутренний диаметр, толщина стенки башмака, геометрия режущего лезвия, наличие керноприемной гильзы и т. д.); б) факторы, связанные с параметрами способа погружения грунтоноса (при забивном способе— энергия единичного удара, число ударов; при вдавливаемом способе—скорость вдавливания; при обуривающем—частота вращения, подача в единицу времени; при ударно-вибрационном—момент дебалансов, частота ударов и масса вибромолота); в) величина погружения грунтоноса; г) свойства грунта, из которого отбираются 270
j монолиты; д) глубина отбора монолитов; е) случайные факторы
(неоднородность грунта, неточность лабораторных методов, субъективные особенности работы лаборантов; особенности транспортировки монолитов, различия в сроках хранения монолитов и т. д.).
Поскольку порядок отклонений в свойствах грунта, вызываемых ; воздействием каждого из перечисленных факторов, по существу,
i одинаков, очень трудно выделить те отклонения, которые являются i закономерными, т. е. обусловлены, например, способом погружения
грунтоноса. Поэтому при проведении соответствующих сопоставлений необходимо стремиться, чтобы сравниваемые способы отбора монолитов опробовались в равных условиях, а получаемые результаты оценивались статистическими методами. Любая выявленная закономерность расхождений в свойствах монолитов может быть отнесена только к той разновидности грунтов, в которой проводили исследования, а также к тем конструкциям грунтоносов и способам их внедрения, при помощи которых отбирали образцы.
! В настоящее время можно считать твердо установленным, что
,2 при отборе монолитов любым способом в них происходит некоторое
нарушение природного сложения грунта. В одном случае это нарушение видно невооруженным глазом, а в другом может быть установлено только с помощью достаточно точных лабораторных методов. В периферийных частях монолитов изменения природного сложения грунта более существенны, чем в центральных. Полностью избежать I каких-либо изменений в монолите невозможно.
Характер видимых изменений природного сложения грунта в мо-полите может быть различным в зависимости от вида грунта и способа внедрения грунтоноса. При вдавливаемом способе пО1руже ния грунтоноса грунт в периферийной части монолитов увлекается ! силами трения о стенки грунтоноса вниз.
При забивном и ударно-вибрационном способах погружения ; грунтоноса монолит испытывает значительные динамические нагрузки.
! Последние действуют как вдоль оси монолита, так и в поперечных
направлениях (вследствие перекосов при нанесении ударов). В результате действия этих нагрузок монолит приобретает своеобразный внешний вид, характер которого зависит от грунта. Для лессовых грунтов он характеризуется чешуйчатым строением боковых поверхностей монолита, для плотных маловлажных глинистых грунтов — наличием хорошо видимых продольных и поперечных трещин.
ч Видимые нарушения монолита в его периферийных частях имеют
следующие размеры: в продольном направлении 0,02—0,03 м, в поперечном— 0,01—0,02 м.
Визуальная оценка состояния отбираемого монолита не является достаточным критерием для суждения о способе погружения грунтоноса. Решающим в этом случае будет изменение физико-механических свойств грунта.
Многочисленными отечественными и зарубежными исследованиями установлено, что при отборе монолитов из скважин (любым способом) 271
происходит некоторое изменение не только внешнего состояния грунта, но и его физико-механических свойств.
При вибрационном способе зависимость степени уплотнения кв монолита от коэффициента пористости е глинистого грунта выражается следующей формулой:
fcB=l+0,lls3. (10.1)
Степень уплотнения определяется соотношением
А.=У./Уш, (Ю.2)
где ув—плотность грунта в монолите, отобранном ударно-вибрационной забивкой из скважины; уш — плотность грунта в монолите, отобранном из шурфа, пройденного в непосредственной близости от скважины.
В выражении (10.2) уш может считаться истинной плотностью грунта.
Механические свойства грунта в монолитах при ударно-вибрационной забивке грунтоноса претерпевают менее существенные изменения, чем физические.
При одноударном погружении грунтоноса в лессовые грунты естественная влажность изменений практически не претерпевает, плотность грунта увеличивается в пределах 2—7%, модуль деформации несколько снижается (до 10%), удельное сцепление увеличивается (до 11%), относительная просадочность уменьшается (до 40%). Увеличенные изменения свойств грунта в монолитах происходят при отборе грунтоносами с внутренним диаметром 89 мм. При использовании грунтоносов с большим внутренним диамегром, а также при отборе монолитов из суглинков и глин изменения свойств будут менее значительны.
§ 7. Качество ствола скважины
Задача получения качественного ствола скважины при инженерногеологических исследованиях — составной элемент в общей проблеме обеспечения требуемого качества бурения инженерно-геологических скважин. В связи с широким внедрением в практику изысканий полевых опытных работ требования к стволу скважины, становятся более жесткими. Например, при прессиометрических исследованиях комплексом Д-76 требуется, чтобы «разработка» скважины при бурении не превышала 3—4 мм, стенки скважины должны быть цилиндрическими и при этом не должны быть уплотнены. При штамповых опытах скважина также должна иметь определенные размеры, а забой—ровный и неуплотненный, при опытно-фильтрационных исследованиях применяемый способ бурения не должен приводить к искажению фильтрационных свойств пород, слагающих стенки, и т. д.
Рассмотрим, каково влияние способа бурения на поперечные размеры скважины. На форму поперечного сечения скважины могут 272
влиять не только способ бурения и тип породоразрушающего инструмента, но и свойства разбуриваемых грунтов.
Скважины, пробуренные любым способом в грунтах, как правило, имеют овальную (нецилиндрическую) форму. Овальность может быть, охарактеризована двумя показателями: собственно овальностью О, представляющей собой разность между максимальным £>тах и минимальным £>min размерами поперечного сечения скважины
O=Dmm-Dmin, (10.3)
и показателем овальности, представляющим собой процентное отношение разности средних значений максимального и минимального размеров скважины к наружному диаметру бурового инструмента
= (W4)
Значения О и По для ряда способов бурения и для скважин, пробуренных в глинах и суглинках, приведены в табл. 10.17.
Таким образом, минимальной овальностью обладаю! скважины, пробуренные колонковым способом «всухую», максимальной—пробуренные вибрационным способом.
Следует отметить, что при ударно-канатном и вибрационном способах бурения в глинистых грунтах ствол скважины может сужаться. Сужаем ость может изменяться в пределах 0 8 мм (до 10%). Начальные интервалы скважины, как правило, имеют существенно большие поперечные размеры, чем инструмент, конечные— несколько меньшие или равные инструменту.
Помимо отмеченного, можно указать, что способ бурения оказывает существенное влияние и на другие свойства ствола скважины. Так, при ударном способе по результатам прессиометрических исследований модуль деформации грунта в стенках оказывается более низким, чем при шнековом. Шнековое бурение обеспечивает получение
Таблица 10.17. Показатели формы поперечного сечения инженерно-геологических скважин, пройденных различными способами
Способ бурения Породоразрушаюший инструмент Пределы изменения овальности О, мм Показатель овальности 77„, %
Тип Наружный диаметр, мм
Колонковый «всухую» Коронка 127 1—4 2,5
Медленновращательный Спиральный бур 144,5 0,5 - 1,5 3,1
Ложковый бур Стакан 140 2—5 3,7
Ударно-канатный кольцевым забоем (забивной) 129 2—8 3,9
Ударно-вибрационный 18 Заказ 3871 Виброзонд 127 4—14 6,5 273
менее достоверных сведений о коэффициенте фильтрации пород, чем ударный и вибрационный. Все эти вопросы пока еще недостаточно изучены и требуют постановки специальных исследований.
ГЛАВА 11
ОПЫТНЫЕ РАБОТЫ В СКВАЖИНАХ
§ 1. Виды и объемы опытных работ при изысканиях
При инженерно-геологических изысканиях в скважинах, помимо отбора керна, образцов нарушенного сложения и монолитов, проводятся различные и многочисленные по своему характеру опытные работы. Каждая из таких работ осуществляется по специальной, нередко достаточно сложной, методике с использованием специализированных технических средств. Дать подробное описание всех особенностей опытных работ в скважинах и применяемого оборудования в объеме настоящей главы не представляется возможным. Соответствующие сведения имеются, например, в Справочнике по инженерной геологии, в ряде справочников по бурению и оборудованию скважин на воду, в рекомендациях, издаваемых ПНИИИСом.
Полевые методы исследования физико-механических свойств грунтов (инженерно-геологические исследования). К числу этих методов относятся: статическое, динамическое и ударно-вибрационное зондирование грунтов, статические нагрузки в шурфах и скважинах (штампами), сдвиг и обрушение в горных выработках, сдвиг в скважинах (крыльчатыми зондами), прессиометрия (обжатие стенок скважины), искиметрия (царапание стенок скважины), различные геофизические, в том числе радиоактивные, методы и др.
Все без исключения полевые методы позволяют получать сведения о физико-механических свойствах грунта без отбора образцов из скважин и горных выработок и без последующего анализа этих образцов в стационарных и полевых грунтовых лабораториях, т. е. в естественном залегании. К преимуществам полевых методов следует отнести более высокую надежность исходных сведений о грунтах, а в ряде случаев меньшие стоимость и сроки проведения работ.
Колебания значений показателей свойств грунтов—результат воздействия на горные породы множества факторов, присущих процессам осадконакопления, диагенеза, эпигенеза и т. д. Поэтому в первом приближении комплекс технических средств для реализации полевых методов может включать отдельные приборы не обязательно высокой точности, но позволяющие быстро при минимальных затратах труда и средств оценить требуемое свойство грунта. При этом должна предусматриваться возможность проведения большого числа испытаний в достаточно сжатые сроки. С другой стороны, указанный комплекс должен включать в себя оборудование, обеспечивающее 274
Пенетра-пия, сов- мещенная с вращательным срезом II II
[насдвиг в скважинах II II
Испытания 1 S й 2 е.« u 2 II II
6 о с § о 5 Б- II II
Статические к к £ сЗ И II II
I I III 4-4-4- Illi
1 1 I I I 4-4-4- I 1 I I
4- I I I I I I I ++ I I
Таблица 11.1. Применимость полевых методов для изучения грунтов
Пенетра-ционно-каротаж-ный комплекс 4-4- 4-4- + 4- 4- 4-+ 1 Д 1 Т 1 4- 4-
| Зондирование ударно- ] вибра- ! ционное 4- 4 4 4 4 4 1 4 1 1 4? 1 4 1 4 4
дина- । мичес-кое 4 4 4 4 4 4 1 4 1 1 _j_ 1 4 1 4 4
статическое . ,—s s * 4-4- 4-4- + 4- 1 4 4- 1^14 14 4
Характеристика S E x S с- г-и о о 8 .-5 £ а й С U t- £ П5 хСс>> Н 2 g 5- s У LS ® с ►_< ® £ я <ssh ’ s 1- ’sH sill ё .e:s я й о. к Й s £ Е u u S & -gi с л s s IS й и г ° S® - о = . , h ® Е ПОР-О P-А и К Е я к R1 и В Й S n s ® S£eE PiSl ggcg 2 S 5 g = S о g g S Ei§§l§e£8 fl|s ^&3s|’gsSogu gg-sw^ggg о о С4 у м s с Л >й £ 5 h й- К ° S !‘Kg§3h^uS«^(<gB{!8^oJo«^s c'®Eg«&gg'=-sa®°cAaEggc5g>g3“i &cr-«2® = co5^o'£g осДг к с сД г- ою о-о р 2 СХч cU & ® 8 eU sc sSE^O>>>SCffiO и
ных и намывных) грунтов III I I II II
Примечания. I. Скобки указывают, что определение ориентировочное. 2. Звездочками отмечены параметры, определяемые только для песчаных грунтов.
18*
275
высокую точность определяемых параметров, рассчитанное на большую область воздействия и использование которого может потребовать значительных затрат времени и средств.
Необходимо подчеркнуть, что в процессе исследования массива экспресс-методам должна принадлежать весьма важная роль.
Возможности и область применения полевых методов представлены в табл. 11.1.
Гидрогеологические исследовании и наблюдения в скважинах занимают значительное место в общем комплексе опытных работ. Один из наиболее простых и распространенных видов гидрогеологических исследований— измерение уровня воды. Практически в любой инженерно-геологической скважине восстанавливают и замеряют уровень воды. Из других наблюдений следует назвать: определение температуры в скважине, отбор проб воды и газа, определение степени минерализации воды. Из шачительных по времени гидрогеологических опытных работ могут быть выделены прокачки, откачки из одиночных скважин, кустовые откачки, откачки с большим радиусом депрессии (по методу А. Г. Лыкошина), опережающее опробование водоносных горизонтов, нагнетание воды и воздуха в скважины, наливы воды в скважины и шурфы, определение скорости и направления движения подземных вод и др.
При инженерно-геологических изысканиях, например под гидротехническое строительство, гидрогеологические исследования позволяют решать следующие задачи: освещение общих гидрогеологических условий участка сооружений и района водохранилища; определение фильтрационных потерь на участке подпорных сооружений и обоснование проекта противофильтрационных и дренажных мероприятий; прогноз притока воды в строительные котлованы и обоснование проекта водоотлива и водопонижения; определение суффозионной устойчивости грунтов и рыхлого заполнителя трещин и пустот, исследования выщелачиваемости солей в основании сооружений, изучение агрессивности подземных и поверхностных вод; оценка фильтрационных потерь из водохранилища и подпора грунтовых вод по его берегам. Кроме того, выполняются работы по разведке подземных вод для целей водоснабжения.
Из геофизических методов для исследования грунтов в скважинах используются электроразведка, сейсморазведка, различные виды каротажа, в том числе радиоактивный, резистивиметрия, кавернометрия, скважинная расходометрия. радиоиндикаторные наблюдения и др.
Помимо перечисленных видов опытных работ, можно проводить телевизионный осмотр и фотографирование стенок скважин, кер-нометрию и др.
§ 2. Штамповые опыты в скважинах и шурфах
Метод полевого определения характеристик деформируемости грунтов регламентирован ГОСТ 20276—85. В соответствии с указанным стандартом испытания статическими нагрузками (штампами) 276
следует проводить в грунтах без жестких структурных связей для определения модуля деформации, начального просадочного давления, относительной просадочности при исследованиях грунтов для строительства. Стандарт не распространяется на грунты в мерзлом состоянии, а также на набухающие и засоленные грунты при испытаниях их замачиванием.
Испытания грунта штампами следует проводить в горных выработках (котлованах, шурфах, дудках и буровых скважинах).
Способы проходки выработок должны обеспечивать сохранение ненарушенного сложения и природной влажности испытываемых грунтов. Выработки должны быть защищены от проникновения поверхностных вод и атмосферных осадков, а в зимнее время—от промерзания. При бурении скважин для испытания грунта ниже уровня грунтовых вод не допускается понижение уровня грунтовых вод в скважине. Минимальная толщина испытываемого слоя грунта должна составлять не менее двух диаметров штампа.
При испытаниях грунтов в шурфах площадь поперечного сечения шурфа должна быть определена в зависимости от необходимости крепления его стенок и глубины проходки. Минимальные допускаемые размеры шурфа в плане—1,5 х 1,5 м. Диаметр дудок, проходимых механизированным способом, должен быть не менее 0,9 м, диаметр буровых скважин для испытаний 325 мм. Бурить скважины следует вертикально с обсадкой трубами до забоя. Ударно-канатное и вибрационное бурение скважин ближе 1м до места испытания запрещается.
В состав установки для испытаний грунта штампом должны входить: штамп, устройство для нагружения штампа, анкерное устройство (для установок без грузовой платформы), устройство для измерения осадок штампа. Конструкция установки должна обеспечивать возможность нагружения штампа ступенями по 0,01—0,1 МПа, центрированную передачу нагрузки на штамп, постоянство давления на каждой ступени.
Штампы должны быть жесткими, круглой формы следующих типов: I—с плоской подошвой площадью 2500 и 5000 см2; II—с плоской подошвой площадью 1000 см2 и кольцевой пригрузкой до площади, дополняющей площадь штампа до 5000 см2; III—с плоской подошвой площадью 600 см2; IV—винтовой штамп площадью 600 см2.
Тип и площадь штампа назначают в зависимости от испытываемого грунта по табл. 11.2.
Винтовой штамп состоит из одновитковой лопасти и ствола (рис. 11.1). Размеры винтового штампа должны соответствовать требованиям табл. 11.3.
В конструкцию винтового штампа, предназначенного для испытания грунтов в массиве без бурения скважины, должно входить устройство, позволяющее при измерениях осевой нагрузки на штамп исключить влияние зрения грунта по боковой поверхности ствола.
277
Таблица 11.2. Рекомендации по выбору площади штампа
Г рунты Положение штампа относительно уровня подземных вод Глубина испытания, м Место проведения испытаний Штамп
•Тип Площадь, см2
Крупнообломочные; песчаные— пески плотные и средней плотности; пылеватоглинистые — глины и суглинки с показателем текучести 4 <0,25; супеси при 4^0 На уровне подземных вод и выше По всей толще В котловане, шурфе, дудке 1 И III 5000 2500 1000
Песчаные пески рыхлые; пылевато-глинистые — глины и суглинки с показателем текучести >0,25; супеси при 1г>0; лессовые грунты, илы; биогенные То же То же То же 1 П 5000 1000
Просадочные при испытаниях с замачиванием Выше уровня подземных вод » В котловане, шурфе, дудке I 5000
Крупнообломочные; песчаные—пески плотные; пылевато-глинистые - глины и суглинки с показателем текучести 4 <0,5; супеси при 4<0 На уровне подземных вод и выше Ниже 6 На забое скважины III 600
Песчаные; пылевато-глинистые глины, суглинки и супеси при любых значениях показателя текучести /ь; лес-совые грунты, илы; биогенные То же Ниже 6 Ниже забоя скважины IV 600
Ниже уровня подземных вод По всей толще То же IV 600
Пылевато-глинистые глины и суглинки с показателем текучести Л. >0,5; супеси при 4_>1; илы; биогенные Выше и ниже уровня подземных вод <10 В массиве без бурения скважины IV 600
Испытания грунтов статическими нагрузками с помощью штампов относятся к наиболее трудоемким и дорогостоящим. В настоящее время для облегчения монтажа и демонтажа оборудования для этих испытаний разработаны и используются специальные конструкции штампов и установок для шурфов квадратного и круглого сечений, проходимых механизированным способом. В зависимости от способа восприятия реактивного усилия, возникающего при загрузке штампа, 278
Рис. 11.1. Винтовой штамп
конструкции штампов могут быть разделены на распорные (крепление установки распором в стенки шурфа или дудки) и свайные (крепление установки с помощью анкерных свай).
Таблица 11.3. Параметры винтового штампа
Параметры При испытаниях
ниже забоя скважины в массиве без бурения скважины
Диаметр лопасти D, см 27,7 27,7
Толщина лопасти t, см 1 1
Шаг лопасти а, см 5 8
Диаметр ствола d, см: на высоте 60 см выше лопасти 5 7,3—11,4
на остальной г»« • оте 12,7 21,9 7,3 11,4
Для проведения штамповых испытаний в настоящее время используют следующее оборудование: в шурфах—установки ПНИИИСа, НИИоснований, УкрГИИНТИЗа, ИКЖ-5000, ИДСП, ШСО-l, ХИСИ, УралТИСИЗа, Института строительства и архитектуры Госстроя БССР, Уральского политехнического института и др.; в скважинах — КРУ-600, РШУ-600. МШУ-1, УДПШ-600 и др.
Штамповые установки различных конструкций состоят из собственно штампа, силового домкрата, анкерного устройства, устройства для поддержания постоянной нагрузки и измерительного устройства, а установки для испытаний грунтов в скважинах дополнительно снабжены колонной бурильных труб.
Автоматизированная установка НИИоснований одна из первых отечественных штамповых установок. Она позволяет проводить испытания как в шурфах, так и на поверхности земли.
279
Реактивное усилие воспринимается винтовыми анкерными сваями. Последние представляют собой толстостенные трубы диаметром 74 или 114 мм и длиной 4,2 м. Установка может создать вертикальное давление до 0,35 МПа, масса установки 900 кг. Наряду со сжатием с помощью установки можно определять сопротивление грунта сдвигу за счет поворота кольца штампа гидроцилиндрами.
Техническая характеристика гидроцилиндров
Гидроцилиндр ................................ Вертикаль- Горизон-
ный тальный
Наружный диаметр, мм ............................... 230 140
Длина, мм ............................................ 365 760
Площадь плунжера, см2 ............................. 254
Ход поршня, мм ...................................... 150
Грузоподъемная сила, Н .............................. 1000 100
Масса, кг ............................................ 100 30
Вторая модификация штамповой установки НИИоснований выполнена с упорами в стенки шурфа посредством специальных винтовых распоров. Установки оборудованы системой автоматического регулирования.
Одно из автоматических устройств, применяемых в штамповых установках, включает в себя гидравлический насос, механический редуктор, электродвигатель и блок управления и сигнализации. Гидравлический насос создает давление 20 30 МПа. Передаточное отношение механического редуктора 98; выходной вал вращается с частотой 30 об/мин. Для привода установки используют реверсивный сериесный электродвигатель типа МУ-320 мощностью 100 В с частотой вращения 3000 об/мин. Питание электродвигателя может осуществляться от аккумулятора напряжением 12—24 В.
Из установок для испытания грунтов статическими нагрузками в скважинах особо следует остановиться на установке УДПШ-600 (диафрагмовая пневматическая штамповая), разработанной УралТИСИЗом.
Техническая характеристика установки УДПШ-600
Глубина испытаний, м .................................... 10
Диаметр скважины, мм .................................... 350
Площадь штампа, см2 ..................................... 600
Система создания давления ............................... Воздушная
Предельное давление на грунт, МПа: наименьшее ..............................................0,01 0,025
наибольшее ..............................................0,6
Ход штока пневмоцилиндра, мм ......................... 50
Осадка штампа, мм .......................................0,1
Продолжительность хода часового механизма, ч ............ 26 и 176
Точность записи (одно деление ленты) по времени, мин .... 15 и 120
Габаритные размеры, мм: длина .................................................. 1500
ширина ................................................. 435
высота в рабочем положении, мм ......................... 1000
Масса, кг .............................................. 140
Установка УДПШ-600 может обеспечивать автоматическую (при помощи регистратора, созданного на базе метеорологических тер-280
Рис. 11.2. Устройство УДПШ-600 для испытания грунтов статическимв нагрузками
мографов М-16С или М-16Н) и механическую (при помощи проги-бомеров) запись результатов испытаний.
Установка УДПШ-600 (рис. 11.2) состоит из упорной балки 1, двух анкерных свай II с винтовыми домкратами 10, пневмокамерного цилиндра 2, предназначенного для создания давления на штамп 12, резиновой камеры 4, выполненной в виде тороида. Камера 4 и пнев-мокамерный цилиндр 2 соединены с баллоном 9 магистралью давления 3 при помощи штуцера 5 через редуктор 8. Манометры 6 и 7 контролируют давление в баллоне 9 и эластичной камере 4.
281
Модернизация метеорологических термографов состоит в том, что от них отсоединяется узел с биметаллической пластинкой, а рычаг с регулятором на оси стрелки поворачивается на 180е. К рычагу с регулятором шарнирно крепится шток. Отношение длины рычага к длине стрелки 1:10. Регистратор с помошью кронштейна и крепежного винта крепится к трубе-стойке, идущей от штампа.
По сравнению с широко применяемой рычажной установкой КРУ-600 установка УДПШ-600 обладает следующими преимуществами: обеспечивает большую простоту монтажно-демонтажных операций, обладает меньшими металлоемкостью и габаритными размерами, более проста в изготовлении, обеспечивает более высокие точность и достоверность результатов опыта.
Малогабаритна,’! штамповая установка конструкции СевКавТИСИЗа МШУ-1 предложена для проведения испытаний грунта статическими нагрузками в скважинах глубиной до 15 м.
Техническая характеристика установке МШУ-1
Давление, передаваемое на штамп, МПа: максимальное .....................................0,6
минимальное ..................................... 0,025
Рабочая площадь штампа, см2 .................... 600
Способ передачи давления на штамп ............... Рычажно-зубчатый
механизм
Число рычагов .....................................2
Соотношение плеч рычагов .......................... 1:25
Хол зубчатой рейки при перемещении рычагов в крайние положения, мм .................................... 12
Масса одного груза, кг ............................ 3
Число грузов ......................................48
Регистрация осадки штампа .........................Самописцем или
прогибомерами
Точность регистрации осадки штампа, мм ............0,08
Габаритные размеры, мм ............................ 1700x535x 1575
Масса установки (без грузов и комплектующих устройств), кг .............................................. 130
Цена (без анкеров и самописцев), руб............... 1300
Установка изготовляется Дальневосточным трестом инженерностроительных изысканий.
При проведении штамповых испытаний для измерения осадки штампов используют прогибомеры. Одна из конструкций прогибо-меров ПЕ-1 выпускается ДальТИСИЗом.
Прогибомер ПЕ-1 изготовлен на базе индикатора часового типа марки ИЧ-10 и предназначен для измерения линейных перемещений инженерных сооружений, а также других объектов, малые перемещения которых (от долей миллиметра до нескольких сантиметров) не могут быть точно измерены обычным измерительным инструментом.
Линейное перемещение фиксируется с помощью струны, жестко прикрепленной к перемещающейся детали и перекинутой через шкив прибора, сообщающей вращательное движение отсчетному устройству.
Прибор имеет два отсчетных устройства: а) вращающаяся большая стрелка с соответствующей ей большой шкалой, цена малого деления 282
ее составляет 0,1 мм, а линейное перемещение, соответствующее полному обороту,—10 мм. При отсчете деления «на глаз» можно зафиксировать перемещение с точностью 0,03—0,05 мм; б) вращающаяся малая стрелка со шкалой, цена одного деления которой соответствует полному обороту большой стрелки и составляет 10 мм, а линейное перемещение, соответствующее полному обороту малой стрелки,— 10 мм. Для измерения больших перемещений необходимо отсчитывать количество полных оборотов малой стрелки (отсчетный механизм отсутствует). Для удобства пользования большую шкалу можно вручную поворачивать за рифленое кольцо.
Габаритные размеры прибора 85x60x35 мм, масса прибора не более 0,2 кг (без струны и крепежных деталей).
Общую точность фиксации прибором перемещений следует проверять в лабораторных условиях. Прибор должны проверять органы Госстандарта не реже, чем через 6 мес эксплуатации и 12 мес консервации.
§ 3. Прессиометрия
Прессиометрию используют для определения характеристик деформируемости грунтов. Испытания проводят в соответствии с ГОСТ 20276—85.
Испытывать грунт с помощью прессиометров следует в скважинах и непосредственно в массиве грунта.
При испытаниях грунта радиальным прессиометром применяют следующее оборудование и способы проходки скважин, обеспечивающие сохранение природного напряженного состояния грунта: самозабуривающиеся прессиометры; бурение скважин под защитой тяжелых растворов; проходку участка скважины, на котором будут проводиться испытания, с помощью подвижной колонны обсадных труб.
В грунтах, обеспечивающих устойчивость стенок скважины, допускается проведение испытаний без сохранения природного напряженного состояния. Начиная с отметки на 1 м выше участка, на котором будут проводиться испытания грунта, скважины следует проходить вращательным способом с помощью колонковой трубы с коронкой, армированной твердосплавными резцами, обуривающего грунтоноса или ложкового бура, частота вращения которых не должна превышать 60 об/мин, осевая нагрузка на инструмент — не более 1 кН.
ГОСТ 20276—85 запрешает применение ударно-канатного, вибрационного и шнекового способов бурения на этом участке1. Допускается проходка скважины вдавливающим способом кольцевым забоем с помощью тонкостенного бурового цилиндрического
1 Поскольку какие-либо исследования, доказывающие существенное нарушение природного сложения грунта вокруг скважины при использовании указанных способов бурения автору не известны, правомерность этого требования стандарта представляется сомнительной.
283
наконечника (вдавливаемого грунтоноса), нижний режущий край которого имеет внутреннее заострение 10—15°. Внутренний диаметр башмака этого наконечника должен быть на 1—2 мм меньше внутреннего диаметра корпуса, а наружный диаметр башмака на 2—3 мм больше наружного диаметра корпуса. Диаметр скважин не должен превышать диаметр зонда прессиометра более чем на 10 мм.
В состав установки для испытаний грунта радиальным пресси-ометром должны входить: зонд, устройство для создания и измерения давления в камере зонда, устройство для измерения перемещений оболочек зонда.
Конструкция установки должна обеспечивать: возможность создания давления на грунт ступенями по 0,01 0,1 МПа, постоянство давления на каждой ступени, возможность тарировки зонда. Длина камеры зонда должна быть не менее четырех ее диаметров. При применении камеры, состоящей из трех и более секций, длина должна быть не менее четырех их диаметров.
Сущность метода заключается в обжатии стенок скважины с помощью эластичной (или жесткой) камеры, в которую нагнетается воздух или вода. Метод применяется для испытания любых грунтов, обеспечивающих устойчивость стенок скважины. При использовании метода следует иметь в виду, что в большинстве случаев при изысканиях бурят вертикальные скважины, поэтому обжатие стенок производится в горизонтальной плоскости, однако грунтовые основания, как правило, испытывают вертикальную сжимающую нагрузку.
Для оценки модуля деформации грунтов в вертикальном направлении следует определять коэффициент анизотропии грунтов. Последний может быть получен в лабораторных условиях с помощью компрессионных испытаний.
Прессиометр обычно имеет три камеры: рабочую и две вспомогательные. Нагнетая в камеры рабочий агент (жидкость, сжатый воздух) или передавая механическое усилие через систему передач, сообщают нагрузку стенкам скважины и измеряют деформацию породы. Деформацию измеряют: при испытаниях по схеме быстрого нагружения—через 10 с, по схеме медленного нагружения—через 1 мин до наступления условной стабилизации. Величину ступеней нагружения принимают в зависимости от консистенции пород.
Основные параметры прессномсгров
Давление, МПа: в (азовом баллоне ............................... <12
минимальное, передаваемое камерами на породу .... <2,5
Точность измерения: деформаций, мм .................................. ± 1
давлений от верхнего предела измерений, % ....... +4
Диаметр скважин при использовании различных камер давления, мм ...................................... 50—220
Максимальная глубина проведения испытаний, м ...... 50
Число опытов в смену .............................. <20
Масса прибора, кг ................................. <100
284
Наряду с пневматическими и гидравлическими в последние годы начинают использовать и механические прессиометры.
Из известных и применяемых прессиометров следует назвать Д-74, ИГП-21 конструкции СКБ ВПО «Союзгеотехни-ка», ВСЕГИНГЕО, П-89 и П-89Э конструкции У ПИ, ДМ-108 ЦНИИСа, ПЭВ-127, ИГВ-21, ЭВ-90/127 конструкции УралТИСИЗа, ПС-1 конструкции Фундаментпроекта, ПС-46 конструкции НИИ-оснований, лопастные прессиометры ЛПГ, ЛПП и лопастной механический прессиометр ЛП-12М конструкции ПНИИИСа и др.
По конструктивным особенностям все камерные прессиометры в зависимости от устройства зонда подразделяются на две группы — одно- и трехкамерные.
Технические характеристики ряда отечественных прессиометров приведены в табл. 11.4.
Таблица 11.4. Технические характеристики прессиометров
Шифр Максимальное давление на породу, МПа Точность измерения давления от верхнего предела измерения, % Точность измерения деформаций. мм Максимальная глубина проведения ис-ньп апий. м Диаметр скважины, мм Опробуемый ингер-вал глубины скважины, мм Масса, кг Облает ь применения
ПС-1 0,8 +4 ±1 15 по 500 <£100 Песчано-глинистые породы
П-89 0,5 + 4 — 5 90- 100 40 40 То же
ИГП-21 2,4 ±4 ±3 • 25 108 112 500 85 Песчано-глинистые и обломочные породы (до 30% крупных включений)
ПС-46 25 ±(3 5) 0,0003 5 46 750 3,5 Скальные породы
Устройство прессиометра ИГП-21 показано на рис. 11.3. Прибор может применяться при температуре окружающей среды от —10 до + 40r С. Он относится к однокамерным прессиомстрам. В нем линейные деформации замеряются в отдельных точках центральной части камеры прибора. В основу замеров деформаций положена электрическая схема. Зонд имеет лишь одну рабочую камеру, которая оборудована в центральной части деформометрами. Измерительное устройство представлено датчиками, преобразующими механическую энергию расширения камеры в электрическую. Изменение силы тока или напряжения в электрической цепи в ходе опыта фиксируется на поверхности соответствующими приборами (вольтметром и амперметром). Давление в камере создается сжатым газом. Прессиометр 285
’227/7777777777
Рис. 11.3. Прессиомстр ИГП-21:
1 снаряд; 2 баллон; 3 редуктор давления; 4 шланг; 5—лебедка:
6 - штатив; 7—указатель деформации; 8 манометр; 9 блок управления; 10 кабель
выпускается серийно Экспериментальным заводом геологоразведочного оборудования и приборов.
Прессиомстр ПС-1 состоит из трехкамерного спускного аппарата, двух измерительных цилиндров, нагнетательных трубок, шлангов и баллонов со сжатой углекислотой. Деформации камеры фиксируются по изменению уровня воды в мерном цилиндре.
Трехкамерный прессиомстр П-89 отличается простотой конструкции, легкостью и компактностью. Давление в прессиометре создается воздушно-гидравлической системой, а замеры деформаций—с помощью гидравлики. Аналогичная модель прессиометра .П-89Э оборудована электрической системой замера деформаций и воздушной системой создания давления. Электрический прессиомстр ЭН-90/127 представляет собой модернизированный вариант П-89Э.
Лопастные прессиометры ЛПП и ЛПГ предназначены для проведения испытаний пескальных минеральных и органоминеральных грунтов с акваторий и на суше в сложных геологических условиях и позволяют определять деформационные и прочностные характеристики грунтов в скважинах и в массиве.
286
Технические характеристики лопастных прессиометров конструкции ПНИИИСа-КПИ
Тип прессиометра ......................ЛПП ЛПГ
Рабочее давление под штампами, МПа ...1,5 1,5
Площадь штампа, см2 ...................600 600
Число штампов .........................2 2
Рабочий ход штампа, мм ..........40 60
Точность измерения перемещений, мм ..0,1 0,1
Размеры штампа, мм:
длина ...............................440 440
ширина ..............................146 136
Глубина исследования, м ..........^30 <30
Максимальное усилие при сдвиге, кН ..30 30
Габаритные размеры рабочего наконечника.
мм ........ ...........................780x 145x 140 1125x 156x120
Масса рабочего наконечника, кг ........20 35
Устройство прессиометра ЛПГ показано на рис. 11.4, прессиометра ЛПП—на рис. 11.5.
Конструкция прессиометров позволяет применять их для исследования сжимаемости грунтов путем их задавливания или забивки в массив слабого грунта или путем срезания стенок предварительно пробуренных скважин в грунтах с целью внедрения штампов рабочих наконечников в зону с минимально нарушенной структурой грунта.
Помимо деформационных характеристик грунта, прессиометры позволяют изучать прочностные свойства грунта в скважине. С этой целью штампы рабочих наконечников оснащают внедряемыми в грунт грунтозацепами. При заданной ступени уплотняющего давления под штампом грунт сдвигают перемещением рабочего наконечника со штампами в скважине через штанги домкратным сдвиговым устройством (ЛПП) или блочным сдвиговым устройством со штурвальной системой нагружения (ЛПГ).
Конструкции прессиометров ЛПП и ЛПГ разработаны под руководством Л. С. Амаряна.
Лопастной механический прессиомстр ЛП-12М предназначен для исследования слабых грунтов. Он позволяет определять как деформационные, так и прочностные характеристики грунтов.
Техническая характеристика прессиометра ЛП-12М
Тип прессиометра ....................................... Механический
Рабочее давление под штампом, МПа ....................0,5
Площадь штампа, см2 ....................................600
Размеры штампа, мм: длина ................................................400
ширина ............................................... 150
Число штампов ..........................................2
Рабочий ход штампа, мм ................................. 50
Глубина исследования, м ................................ 15—20
Габаритные размеры рабочего наконечника, мм ............ 700x250x 153
Масса рабочего наконечника, кг .........................25
Прессиометр ЛГ1-12М (рис. 11.6) представляет собой стальной корпус двутаврового сечения с двумя выдвижными штампами прямоугольной формы и цилиндрическим редуктором, состоящим из 287
Рис. 11.4. Прессиометр ЛПГ:
1 — штурвал; 2 деформометр; 3 трос; 4 груз; 5 блок; 6 -пружины растяжения; 7 гидроцилиндр; 8 штанга; 9 шланги; 10 штампы;
11 корпус; 12 - - нож
Рис. 11.5. Прессиометр ЛПП:
1 вентиль; 2 - манометры; 3, 12 штанги; 4 проволока; 5 штамп; 6 — направляющие; 7 камера; 8 баллон; 9- блок питания;
10 счетчики деформации; 11—пульт управления; 13 скважина; 14—дефо-рмометры импульсные электромеханические; 15 пружины сжатия; 16—камера; 17 двутавровый корпус
приводной рейки, находящейся в зацеплении с блок-шестернями, выдвигающими направляющие рейки штампов. В комплект пресси-ометра входят совмещенные штанги: диаметр наружной штанги 36 мм, внутренней 22 мм. Штанги соединяются резьбой с корпусом и приводной рейкой. Кроме того, прессиометр включает в себя нагрузочное и измерительное приспособления.
Нагрузочное устройство состоит из цилиндрического редуктора, крепящегося на наружной штанге диаметром 36 мм. Приводная 288
Рис. 11.6. Прессиометр ЛП-12М:
1—груз; 2, 10—штамп; 3 шестерни;
4 рейка; 5 нагрузочное устройство; 6—штурвал; 7—прогибомер;
8- штанги; 9—корпус; //—рейка
шестерня редуктора вводится в зацепление с вытяжной зубчатой рейкой внутренней штангой диаметром 22 мм. Кроме того, в него входит штурвальный диск с тросиком для подвески тарированных грузов.
Измерительное приспособление прессиометра представляет собой прогибомер типа 6-ПАО-ЛИСИ со стальной струной, крепящейся к штифту вытяжной рейки, и натяжного груза.
Перспективными разработками в области прессиометрии являются гидравлический прессиометр для определения модуля деформации грунтов на глубине до 25 м и передвижная прессиометрическая лаборатория П-ПЛ-Ф-1 на базе автомобиля УАЗ-469Б, разработанные Фундаментпроектом.
Выше были описаны некоторые лопастные прессиометры, отличающиеся от радиальных. Метод испытания грунтов этими пресси-ометрами также регламентирован ГОСТ 20276—85. При проходке скважин для испытаний этими прессиометрами следует соблюдать те же требования, которые предъявляются к радиальным. При 19 Заказ 3871 289
испытаниях в стенках скважины диаметр скважины должен быть меньше расстояния между штампами-лопастями не менее чем на 2 см.
При испытаниях ниже забоя скважины минимальная глубина погружения наконечника от забоя скважины до верха штампа-лопасти должна быть не менее половины длины штампа-лопасти.
В состав установки для испытаний грунта лопастным пресси-ометром должны входить: наконечники со штампами-лопастями и направляющим стаканом, устройство для создания и измерения давления на штампы-лопасти наконечника и устройство для измерения перемещения штампов-лопастей наконечника.
Конструкция установки должна обеспечивать: возможность создания давления на грунт ступенями по 0,01—0,1 МПа, постоянство давления на каждой ступени, возможность тарировки наконечника со штампами-лопастями.
Наконечник должен состоять из двух жестких штампов-лопастей прямоугольной формы, расположенных симметрично относительно оси наконечника. Площадь одного штампа-лопасти должна соответствовать требованиям табл. 11.5, соотношение сторон штампа-лопасти
Таблица 11.5. Рекомендуемая площадь штампа-лопасти
Грунты Положение прессиометра относительно уровня подземных вод Глубина испытания, м Место проведения испытания Площадь штампа-лопасти, см2
Пылевато-глинистые глины и суглинки с показателем текучести /,.<0,25; супеси при /,.<0 Выше уровня подземных вод <10 В стенках скважины 300 «
11ссчаныс (устойчивые в стенках скважины); пылевато-глинистые—глины и суглинки с показателем текучести 0,25 </, <0,75; супеси при 0</£<1 То же <10 То же 600
>10 150
Песчаные рыхлые (неустойчивые в стенках скважины); пылевато-глинистые—глины и суглинки с показателем текучести /,.>0,75; супеси при IL> 1 Выше и ниже уровня подземных вод <10 Ниже забоя скважины 300
>10 150
Пылевато-глинистые илы То же По всей толще В массиве без бурения скважины 600
290
Продолжение табл. 11.5
Груты Положение прессиометра относительно уровня подземных вод Глубина испытания, м Место проведения испытания Площадь штампа-лопасти, см2
Биогенные Выше и ниже уровня подзем-ных вод <10 В стенках скважины 600
По всей толще Ниже забоя скважины 300
должно быть не более 3:1. Расстояние между штампами-лопастями должно быть не менее 1,5 их ширины.
§ 4. Испытания на срез крыльчатыми зондами
Метод применяется для изучения сжимаемости и прочности иловатых и пластичных глинистых пород, не содержащих крупных включений и залегающих на глубине до 20 м.
Его целесообразно использовать в грунтах, отбор качественных монолитов из которых затруднен или невозможен. Он может быть также применен для установления прочностных свойств рыхлых водонасыщенных песков при условии сохранения последними природного сложения.
Методика приведения вращательного среза крыльчатыми зондами регламентирована ГОСТ 21719—80.
Из известных и применяемых в настоящее время типов крыльчатых зондов следует назвать: СК-3, СП-52, СК-10, ПВС-110, ТСГ1-2, УИГС-2 ЦНИИСа, установки ВСЕГИНГЕО, Фундаментпроекта, ДГС-2, ДИИТа, НИИоснований, СК-8 Калининского политехнического института, ПКС-1 УкрНИИпроекта, УралпромстройНИИпроекта и др. Сдвиговые приборы позволяют определять общее значение сопротивления грунтов сдвигу. При необходимости получения раздельных характеристик С и <р должны использоваться приборы, обеспечивающие приложение нормального (к поверхности среза) давления.
Установки Фундаментпроекта и ЦНИИСа снабжены червячными редукторами, обеспечивающими плавную равномерную скорость поворота крыльчатого зонда. Они предназначены для испытаний грунтов различной консистенции.
Плотномер-крыльчатка ПКС-1 позволяет проводить исследования грунтов в широком диапазоне — от слабых обводненных песков и суглинков до плотных мергелистых глин. Прибор состоит из вертикального телескопического стержня с лопастным наконечником, горизонтальной рукоятки с рычагом, двух пружинных динамометров и двух механических самописцев.
19* 291
§ 5. Статическое зондирование
Метод полевых испытаний грунтов статическйм зондированием регламентирован ГОСТ 20069—81. По существу этот метод реализует создание отверстий в грунте (т. е. бурение скважин) способом вдавливания. !
Стандарт распространяется на песчаные и глинистые грунты при [
инженерно-геологических исследованиях для строительства. Стандарт не распространяется на грунты: песчаные и глинистые, содержащие частицы крупнее 10 мм более 25% по массе, всех видов в мерзлом состоянии, исследуемые статическим зондированием с одновременным замачиванием.
Статическое зондирование проводят вдавливанием в грунт зонда j
с одновременным измерением непрерывно (или через заданные ।
интервалы по глубине) сопротивления грунта под наконечником и на боковой поверхности зонда. Зондирование осуществляется или са- I
мостоятельно, или в сочетании с другими видами инженерно-геологических исследований. |
С помощью статического зондирования проводят следующие виды ,
исследований: ij
1) выделение инженерно-геологических элементов (толщины слоев, 1
линз, границ распространения грунтов различного состава и состояния);
2) оценка пространственной изменчивости, состава и свойств грунтов;
3) определение глубины залегания кровли скальных и крупнообломочных грунтов;
4) оценка возможности забивки свай и определения глубины их погружения;
5) определение данных для расчета свайных фундаментов (сопротивление грунта под нижним концом сваи и на ее боковой поверхности);
6) приближенная количественная оценка физико-механических характеристик грунтов (плотности, сопротивления срезу, модуля деформаций и др.);
7) определение степени уплотнения и упрочнения грунтов во времени;
8) выбор мест расположения опытных площадок и отбор образцов грунтов для детального изучения их физико-механических свойств.
В результате полевых испытаний грунтов статическим зондированием определяют: удельное сопротивление грунта под наконечником (конусом) зонда q3, МПа; сопротивление грунта на боковой поверхности зонда Q.t, кН или удельное сопротивление грунта на участке боковой поверхности (муфте трения) зонда /3, кПа.
Глубину зондирования и расположение точек зондирования в плане следует определять заданием на проведение инженерно-геологических исследований грунтов.
Для испытания грунтов статическим зондированием необходимо применять установки, состоящие из следующих основных узлов: 292
Рис. 11.7. Схема конструкций зондов:
/ — конус; 2 кожух; 3—штанга; 4 — муфта трения; 5 - уширитель
зонда (наконечника и штанги), устройства для вдавливания и извлечения зонда, опорно-анкерного и измерительного устройств.
В зависимости от конструкции наконечника зонды подразделяются на три типа (рис. 11.7): I тип—с наконечником из конуса и кожуха; II тип—с наконечником из конуса и муфты трения; III тип—с наконечником из конуса, муфты трения и уширителя.
Площадь основания конуса зондов всех типов должна составлять 10 см2, а угол при вершине конуса 60и. Наружный диаметр муфты трения должен быть равен диаметру основания конуса, а длина муфты трения 310 мм. Наконечники зондов типов II и III должны иметь над муфтой трения цилиндрическую часть длиной не менее 72 мм и наружным диаметром, равным диаметру муфты трения. Наружный диаметр штанги зонда типа 1 должен быть равен 36 мм, а зондов типов II и III в соответствии с конструктивными соображениями, но не более 55 мм. Длина звеньев штанги должна быть не менее 800 мм.
Устройство для вдавливания и извлечения зонда должно обеспечивать перемещение зонда в грунте. В зависимости от максимальных усилий, развиваемых при вдавливании и извлечении зонда, установки для статического зондирования подразделяются следующим образом:
Наибольшее усилие вдавливания и из-
влечения зонда, кН .................... ^50
Тип установки ......................... Легкая
50-г < 100 Средняя
>100 Тяжелая
293
Опорно-анкерное устройство должно воспринимать реактивные усилия, возникающие при вдавливании и извлечении зонда.
Измерительные устройства, состоящие из датчиков сопротивления грунта вдавливанию зонда, канала связи и регистрирующих приборов, применяются двух типов: механические, у которых сопротивление грунта вдавливанию зонда измеряется регистрирующими приборами, связанными с зондом; электрические, у которых сопротивление грунта вдавливанию зонда преобразуется в электрический сигнал и по каналу связи подается на регистрирующие приборы.
Стандартом допускается применять комбинации указанных типов измерительных устройств. На регистрирующих приборах должны фиксироваться измеряемые показатели сопротивления грунта вдавливанию конуса зонда в диапазонах, не менее указанных в табл. 11.6. Класс точности регистрирующих приборов должен быть не ниже 1,5. Основная погрешность измерительного устройства S (%) должна удовлетворить условию
8<(5 + Ртах/РД (11.1)
где Рх— значение измеряемой величины: Ртах— максимальное значение измеряемой величины.
Т а б л и ц а 11.6. Диапазоны изменения измеряемых величин
Сопротивление грунта вдавливанию конуса зонда Установка для статического зондирования
Легкая Средняя Тяжелая
Удельное под наконечником (конусом) зонда q3, МН/м2 (МПа) 0,5 — 10 1 30 1—50
На боковой поверхности зонда Q„ кН 0.5 10 1 30 2—60
Удельное на участке боковой поверхности (муфта трения) зонда f3, кН/м2 (кПа) 2 100 5—200 10 -500
Для производства статического зондирования в настоящее время применяют различные передвижные и самоходные специализированные установки, а также приставки к существующим буровым станкам. Из числа известных и применяемых установок следует назвать С-979 (в виде самостоятельной установки; установки, смонтированной на автомобиле ЗИЛ-131, на базе трактора Т-40 и на базе бурильной машины БКГМ-202); С-832М, АСЗ Гидропроекта, СП-59, УСЗК-З, УЗК-5 Фундаментпроекта, СПК; СП-36, установка ЦНИИСа, УЗУ-1 УкрГИИНТИЗа. ПИКА-9 НИИоснований и др. Следует отметить также специализированные установки ЗБУК-2 КазаньТИСИЗа и У КИСО-2 ТомскТИСИЗа.
В 1985 г. эксплуатировалось примерно 300 установок статического зондирования и 50 приставок к буровым станкам (УГБ-50М, ЛБУ-50 и др.).
Основные параметры некоторых установок для статического зондирования представлены в табл. 11.7.
294
Таблица 11.7. Основные параметры некоторых специализированных установок для статического зондирования_____________________________________________
Параметры Установка ЦНИИСа С-970- УСЗК-З УЗУ-1 С-832М СП-59
Тип Предельная глубина Стационарная Передвижная Самоходная на базе автомобиля ГАЗ-69 Самоходная
зондирования, м Максимальное усилие вдавливания зонда, 20 15 15 <10 15 20
кН Скорость вдавливания 100 100 100 40 100 100
зонда, м/мин Максимальная скорость извлечения зон- — 0,25 0,5 0,5 1 0,01—3 0,5—0,7
да, м/мин Диаметр основания конуса наконечника, — 2 — — 3 2—2.2
ММ 35,6 35,6 35,6 35,6 35,6 35,6
Тип привода установ- Бензи- Бензи- Бензи- От двигателя ав- Бензи-
ки НОВЫЙ двигатель 2СД новый двигатель новый двигатель Д-300 томе биля НОВЫЙ двигатель Д-21
Мошность привода, кВт 1,5 — 4.5 — — 15
Метод завинчивания анкерных свай Механический Вручную Механический
Общая масса установки, кг 400 760 300 1900 2600 (без автомоби- ля 2700
Стационарная установка ЦНИИСа выполнена разборной с массой отдельных узлов не более 50 кг. Общее сопротивление зондированию и статическое сопротивление вдавливанию конуса измеряются отдельно. Для определения лобового сопротивления применяют тензодатчики. Давление на зонд передается двумя гидроцилиндрами. Реактивное усилие создается с помощью четырех анкерных свай, которые завинчиваются в грунт гидравлическим устройством. Установка выпускается мастерскими ЦНИИСа.
Установкой С-979 конструкции Фундаментпроекта зондирование проводят, одновременно вдавливая в грунт конус на штанге и наружную трубу. Диаметр штанг 18 мм, наружный диаметр трубы 36 мм, внутренний 20 мм. Установка смонтирована на одноосном колесном прицепе и состоит из рамы, направляющих, гидравлического домкрата, измерительной головки, насосной станции и анкерных свай. Установка выпускалась Московским заводом строительных машин. В настоящее время выпуск установок прекращен.
Установка УСЗК-З конструкции УралТИСИЗа также смонтирована на легком колесном ходу. Она состоит из основания, двигателя
295
с коробкой передач, двух направляющих, стоек с четырьмя раскосами, рамы с редуктором, измерительных головок с двумя динамометрами, грузового винта. В отличие от установки С-979' она оборудована механической системой вдавливания зонда.
Установки УЗУ-1 и УЗУ-2 созданы УкрГИИНТИЗом. Они предназначены для статического зондирования и лопастного среза. Статическое зондирование проводится с непрерывной фиксацией общего и лобового сопротивлений.
Установка С-832М конструкции БашНИИСтроя предназначена для определения общего, лобового и бокового сопротивлений грунта. Она может монтироваться на базе автомобилей ГАЗ-66 или ЗИЛ-157.
Установка состоит из гидравлического оборудования для вдавливания и извлечения зонда, стрелы высотой 10 м, механизма завинчивания анкерных свай, электронной измерительной аппаратуры, зонда с тензометрическим датчиком, салона с лабораторией. Захват штанг при вдавливании конуса и их освобождение при холостом ходе гидроцилиндра проводятся автоматически.
Установка С-832М относится к числу наиболее совершенных. Она выпускается в виде опытных партий.
Установка СП-59 смонтирована на базе тракторного шасси Т-16. Она обеспечивает механическое погружение анкерных свай и возможность автоматической регистрации результатов зондирования.
Установка УЗК-5 смонтирована на шасси автомобиля ЗИЛ-157К. Она состоит из механизма для завинчивания анкерной сваи, зонда, вдавливающего и измерительного устройств и гидравлической системы. Зонд, как и вдавливающее устройство, представляет собой унифицированный узел от установки С-979. Для восприятия реактивного усилия завинчивается одна анкерная составная свая, через которую проходит зонд. В зависимости от несущей способности грунта применяют винтовую сваю с диаметром лопасти 250 или 300 мм.
Новым этапом в развитии технических средств для статического зондирования является создание во ВСЕГИНГЕО пенетрационно-каротажных станций. Одновременное применение статического зондирования и радиоактивного каротажа позволяет достаточно точно оценивать основные физико-механические свойства грунтов и получать непрерывные диаграммы изменения этих свойств по всей глубине зондирования. Станции позволяют оценивать с помощью гамма-гамма и нейтронного каротажа естественную радиоактивность, плотность и природную влажность грунтов, с помощью зондирования—статическое лобовое сопротивление и трение по боковой поверхности.
Станции выпускаются в двух модификациях — СПК и СПК-Т. Кроме того, известна модификация для подводного зондирования пспк.
Станция СПК смонтирована на двух автомобилях: вдавливающая установка размещена на автомобиле ЗИЛ-131, регистрирующая аппаратура— на автобусе KAB3-663 или автомобиле ГАЗ-66. Станция оснащена двумя зондами.
296
Техническая характеристика станции СПК
Глубина зондирования, м .............................25
Максимальная осевая нагрузка, кН ................... ПО
Диаметр зонда, мм ...................................62
Диаметр штанг, мм ...................................50
Длина звена штанг, м ................................6,5
Производительность станции, м/смена .................50
Станция СП К-Т в отличие от СПК размещена на одной автомашине ЗИЛ-131 и оснащена одним комбинированным зондом. Глубина завинчивания анкеров на установке составляет 4 м.
Техническая характеристика станции СПК-Т
Глубина зондирования, м ................................30
Максимальная осевая нагрузка, кН ...................... 190
Диаметр, мм: зонда ................................................80
штанг ................................................63
Длина звена штанг, м ...................................6
Производительность, м/смена ............................70
НИИоснований совместно с ЦНИИСом разработана передвижная радиометрическая установка для определения плотности и влажности грунтов. В состав установки входят прицеп с погружающим устройством и автомобиль с генератором и регистрирующими приборами. На установке используются радиометрические датчики.
Для статического зондирования используют также специальные приставки к буровым станкам. Такие приставки разработаны в ПНИ-ИИСе, ЦНИИСе, УралТИСИЗе и других организациях.
Навесное устройство к буровым установкам УГБ-50М для статического зондирования НУСЗ-15 предназначено для производства зондирования грунтов на глубине 15—20 м.
Техническая характеристика устройства НУСЗ-15
Максимальное усилие, кН: вдавливания ............................... 100
выдергивания ............................... 100
под конусом ................................50
Характер изменения усилия ...................Плавный
Скорость вдавливания и извлечения зонда, м/мин ... 0,5 1
Диаметр, мм: зонда .......................................36
внутреннего штока ........................ 19
Длина звена штанги со штоком, м ........... 1
Площадь поперечного сечения поршней гидродинамометра, см2 .............................. 100
Габаритные размеры устройства, мм ............ 250 x 300x1900
Масса устройства, кг .........................70
Буровая установка в летнее время и при наличии слабых грунтов анкеруется с помощью двух заводских шнеков диаметром 135— 230 мм, входящих в комплект установки УГБ-50М, в зимнее время — с помощью одного центрального анкера диаметром 180 мм, представляющего собой обычный магазинный шнек. Анкеры завинчиваются с помощью буровой установки.
297
Рис. 11.8. Устройство НУСЗ-15 к буровому станку УГБ-50М для статического зондирования грунтов: ~~
а—вид сбоку; б- вид сзади
Рис. 11.9. Гидравлический динамометр и зонд для статического зондирования конструкции УралТИСИЗа
Устройство НУСЗ-15 (рис. 11.8) состоит из следующих узлов: двух балочных конструкций (неподвижных траверс) / и V, при помощи которых устройство в верхней части крепится к мачте станка, в нижней—к анкерной (упорной) балке 5; направляющих 7, подвижных траверс 2 и 3, динамометра 8, измерительных приборов (манометров) 10, силового винта 9, который соединяется с верхней подвижной траверсой 2, зонда 11, соединенного с нижней подвижной траверсой 3, анкерной (упорной) балки 5, анкерных свай 6, подкладных брусьев под анкерную балку.
В устройстве использован специальный гидравлический динамометр, созданный в УралТИСИЗе, который позволяет измерять как сопротивление вдавливанию зонда, так и сопротивление его выдергиванию.
Гидравлический динамометр (рис. 11.9) состоит из собственно динамометра 1, включающего в себя гидроцилиндр, внутренняя 299
полость которого разделена на две рабочие камеры 2 и 3. снабженные уплотнительными манжетами 10 и 11. В рабочих камерах гидроцилиндра динамометра размещены плунжеры 9 и /2, перемещающиеся вдоль оси цилиндра, а подплунжерные полости камеры соединены с манометрами 4.
Устройство работав! следующим образом. Усилие от вращателя станка через силовую пару винт — гайка 5 передается на верхнюю подвижную траверсу 6, которая соединена с силовым винтом 5 пальцем 8. С верхней подвижной траверсой 6 шпильками 7 соединен гидроцилиндр динамометра, верхний плунжер которого 9 болтами 18 и 9 скреплен с нижней подвижной траверсой 13. В свою очередь, траверса 13 соединена с зондом 16 специальной вилкой 17. Таким образом, зонд 16 с конусом 15 вдавливается в грунт усилием силовой пары винт—гайка через подвижные траверсы и динамометр. При этом сопротивление грунта, оказываемое зонду 15 через штоки (стержни) 14, расположенные внутри зонда 16, передается на плунжер 12. Жидкость в подплунжерной полости рабочей камеры 2 передает давление на манометр 4, который фиксирует лобовое сопротивление |рунта. Общее сопротивление грунта вдавливанию зонда и его выдергиванию, фиксируемое другим манометром 4, передается от зонда 16 на плунжер 9 через жесткое соединение его с нижней траверсой 13.
Устройство НУСЗ-15 выпускается ремонтно-механическими мастерскими УралТИСИЗа.
§ 6. Динамическое зондирование
Динамическое зондирование грунтов осуществляется в соответствии с рекомендациями ГОСТ 19912—81. Стандарт не распространяется на грунты песчаные и глинистые, содержащие крупнообломочные включения более 40% по массе, а также грунты всех видов в мерзлом состоянии.
Динамическое зондирование следует проводить путем забивки или вибропогружения в грунт зонда с одновременным измерением непрерывно или через заданные интервалы по глубине значений сопротивления грунта под наконечником. Динамическое зондирование в зависимости от условий передачи ударов на зонд подразделяется на ударное и ударно-вибрационное.
Динамическое зондирование следует применять в сочетании с другими видами инженерно-геологических исследований примерно для тех же целей, что и статическое зондирование, однако его возможности несколько ограничены.
В результате полевых испытаний грунтов динамическим зондированием определяют условное динамическое сопротивление грунтов pD, которое вычисляют по формуле
Ап Фк
Р»=~1Г
(11-2)
300
Таблица 11.8. Значения удельной анергии зондирования
Условное динамическое сопро- Установка для динами- Удельная энергия зондиро-
тивление грунта pD, МПа ческого зондирования вания А, кН м
<0,7 Легкая 28
0,7-17,5 Средняя (основная) 112
>17.5 Тяжелая 280
Таблица 11.9. Значения коэффициента к
Интервал глубины зондирования, м Тип установки
Легкая Средняя Тяжелая
0,5—1,5 0,49 0.62 0,72
>1,5—4 0,43 0,56 0,64
>4 8 0,37 0,48 0,57
>8 12 0,32 0,42 0,51
>12 16 0,28 0,37 0,46
>16—20 0,25 0,34 0,42
Таблица 11.10. Коэффициент Ф для учета пот ерь энергии на трение штанг о грунт
Интервал глубины зондирования, м Песчаные грунты Глинистые грунты
0,5- 1,5 1,00 1,00
>1,5 4,0 0,92 0,83
>4,0 8,0 0,84 0,75
>8,0-12,0 0,76 0,67
>12,0 — 16,0 0,68 0,59
>16,0—20,0 0,60 0,50
где А — удельная энергия зондирования, определяется по табл. 11.8 в зависимости от типа применяемой установки; п — количество ударов в «залоге»; А— глубина погружения зонда за «залог», м; к—коэффициент учета потерь энергии при ударе молота о наковальню и на упругие деформации штанг, определяемый по табл. 11.9 в зависимости от чипа установки и глубины зондирования; Ф—коэффициент учета потерь энергии на трение штанг (при их повороте) о грунт, принимаемый равным 1 при крутящем моменте менее 5 кН • см; при крутящем моменте от 5 до 15 кН см определяется опытным путем по данным двух параллельных сопоставительных испытаний, при одном из которых должно быть проведено зондирование в разбуриваемой по интервалам скважине. При отсутствии данных о величине трения штанг о грунт допускается для ориентировочных расчетов пользоваться значениями коэффициента Ф, приведенными в табл. 11.10.
Глубина зондирования и расположение точек зондирования в плане должны определяться заданием на проведение инженерно-геологических исследований грунтов.
301
При полевых испытаниях грунтов ударным зондированием для обеспечения высокой производительности и качества работ надлежит применять легкие, средние (основные) или тяжелые установки в зависимости от условного динамического сопротивления грунтов (см. табл. 11.8), предварительно определяемого по данным бурения или фондовым материалам.
Установки для динамического зондирования должны отвечать следующим требованиям (в зависимое™ от их типа).
Характеристика установок для динамического зондирования
Тип установки ........................
Наконечник зонда: геометрическая форма .................
диаметр основания конуса, м ........
Штанга зонда: диаметр, мм ..........................
длина звена, м .....................
максимальная длина колонны штанг, м ...........................
Цена деления шкалы измерительного устройства, м ........................
Ударное устройство: масса молота, кг .....................
высота падения молота, м ...........
Легкая Средняя Тяжелая (основная)
Конус с углом при вершине 60е 0,074
0,042 f
20
0,01+0,001
30 60 120
0,4 0,8 1,0
К числу известных и применяемых установок для динамического зондирования следует отнести: УБП-15М, ЦНИИСа, НИИоснований, ПНИИИСа, АДЗ Киевгипротранса, приставки НАП-10 к установке БУЛИЗ-15, приставки к буровым станкам УГБ-50, БУКС-ЛГТ, АВБ2М, переносные пенетрометры ДИИТа и др.
Основные параметры некоторых отечественных установок для динамического зондирования представлены в табл. 11.11.
Пенстрационные установки АДЗ-2Т-25, АДЗ-1С-15 и АДЗ-ЗЛ-8 конструкции Киевгипротранса смонтированы на базе станка БУКС-ЛГТ. Они отличаются полной автоматизацией процессов зондирования и записи результатов, которая осуществляется за счет использования специальной электрической системы, включающей генератор, приводимый от станка, магнитную муфту, соединенную с рычагом сцепления лебедки, и счетчик ударов.
Одна из первых установок для динамического зондирования конструкции НИИоснований смонтирована на одноосном прицепе. Она может быть использована для зондирования зондом и пробоотборником и позволяет одновременно бурить скважину и зондировать грунты.
Пенетрационное устройство конструкции ЦНИИСа позволяет зондировать грунты в скважинах, что позволяет исключить трение штанг о грунт, особенно возрастающее с глубиной, и потери энергии на упругие деформации штанг. Устройство опускают в скважину на легких дюралевых трубах, удары наносят непосредственно по наконечнику. Диаметр конуса 33,5 мм, масса молота 10 кг, высот а сбрасывания 0,5 м. 302
Таблица 11.11. Основные параметры некоторых установок для динамического зондирования Тип привода Двигатель буровой установки 1 1 Электродвигатель Двигатель буровой ус-, тановки
Предель- , ная глуби-га зондирования, м ... и-> О V/ О V V/ О V
Высота падения молота, м 0,8 0,5 0,5 т—< еч оо о
Масса молота, кг 09 О О гл о ОО О о О’-" 1 60
Параметры зонда Длина звена штанг, м । 1,4 — Т-И “Т 1
Диаметр штанг, мм 42 22 гч еч о еч
Угол кону-' га при вершине, гра- • дус 1 О 40 о 4© 09 Q 40 о 40
Диаметр конуса, мм 74 35,6 35.6 74 je
Тип установки УПБ-15М Ручной динамический зонд ЦНИИСа Ручной динамический зонд ВСЕГИНГЕО Установка НИИоснований Навесной автоматический пенетрометр НАП-10
303
Рис. 11.10. Дополнительные элементы, монтируемые иа установках для записи параметров динамического зондиронания:
1—тренога; 2 регистратор; 3 механизм подъема рейки; 4—контакты;
5—измерительная рейка; 6—щетка; 7 мачта установки; 8—рычаг управления ударным механизмом
Автоматический пенетрометр НАП-10 конструкции Энергосеть-проекпш—навесное устройство к буровой установке БУЛИЗ-15. Масса устройства (без штанг) 144 кг. Для отсчета числа ударов в пенетрометре использован импульсный счетчик, а для записи—импульсное реле. Тяговое реле, включаемое через промежуточное реле, служит для автоматического включения тормоза лебедки.
Переносные пенетрометры ДИИТа предназначены для оценки прочности и плотности грунтов.
Легкий пенетрометр ДИИТ-4 предназначен для зондирования грунтов на глубине до 1,2 м. Масса его 3,5 кг, длина 2 м, диаметр конуса 20 мм, угол конуса 30'. Молот поднимают вручную.
Средний пенетрометр ДИИТа предназначен для зондирования грунтов на глубине 5—6 м. Он состоит из металлического конуса диаметром 40 мм с углом при вершине 60°, штанг, размеченных штрихами через 10 см, и молота массой 10 кг; высота падения молота 0,6 м.
БелГИИЗом разработан ряд регистраторов для измерения параметров динамического зондирования: электронный со счетным входом 304
на транзисторах и тиристорах; электронный аналоговый на транзисторах; электромеханический на транзисторах и тиристорах; электромеханический на тиристорах. Первые три типа регистраторов работают с графическими индикаторами — самопишущими серийными приборами, имеющими широкую (100 мм) ленточную диаграмму. Четвертый тип регистратора производит запись на узкой (5 мм) диаграмме.
При зондировании на широкой диаграмме вычерчивается график условного динамического сопротивления грунта (ось абсцисс) по глубине (ось ординат). На узкой ленте ставят метки, расстояние между метками соответствует рп.
Все типы регистраторов можно использовать с любым типом установки для динамического зондирования. Дополнительные элементы, которые монтируются на установках, показаны на рис. 11.10.
Параметры аналогового регистратора
Максимальная частота ударов, Гц ..................... 1
Максимальная скорость записи глубины погружения, м/с. 0,3
Верхний предел измерения pD, МПа .................... 20
Напряжение питания, В ............................... 12
Тип самопишущего прибора .......................... Н-37
Масса, кг ........................................... 4
К числу перспективных разработок в области динамического зондирования следует отнести механизированную установку электромеханического зондирования (ЭДЗ) конструкции ЦНИИСа.
§ 7. Ударно-вибрационное зондирование
Ударно-вибрационное зондирование применяют для тех же целей, что и статическое и динамическое. По существу, ударно-вибрационное зондирование — разновидность динамического зондирования, поэтому его следует проводить в соответствии с ГОСТ 19912—81. В качестве республиканских норм могут быть также рекомендованы РСН 62—87 Госстроя БССР.
Учитывая большую производительность ударно-вибрационного зондирования, достигающую 100 м в смену и более, его следует применять для выявления степени однородности зондируемых грунтов, определения несущего слоя для свайного основания, выявления и оконтуривания в плане и по глубине зон для точной привязки места проведения последующих опытных работ, выбора оптимального варианта отбора монолитов.
В зависимости от скорости ударно-вибрационного зондирования v песчаные маловлажные и влажные грунты естественного сложения с учетом состава подразделяются по плотности сложения на плотные, средней плотности и рыхлые, согласно табл. 11.12.
При ударно-вибрационном зондировании так же, как и при динамическом, определяют условное динамического сопротивление грунтов pD (Па), которое вычисляют по эмпирической формуле
20 Заказ 3871 305
р°=—
(11.3)
где Ав— безразмерный коэффициент, унизывающий потери энергии при ударно-вибрационном зондировании; кп — коэффициент, учитывающий параметры применяемого оборудования (для принятых ниже параметров оборудования А'п = 224-103 Н/м-с); v—скорость ударновибрационного зондирования, м/с.
Таблица 11.12. Плотность песков в зависимости от скорости ударно-вибраци-OHHOI о зондирования
Тип песков Интервал глубины зондирования. м Скорость ударно-вибрационного зондирования, см/с, для песков
ПЛОТНЫХ средней плотности рыхлых
Гравелистые, крупные и средней крупности 1—5 <10 10—30 >30
5 12 <9 9—28 >28
12—20 <7 7—25 >25
Мелкие I- 5 <16 16—38 >38
5 -12 <15 15—34 >34
12 20 <13 13—30 >30
Пылеватые 1—5 <16 16 40 >40
5 12 <15 15—36 >36
12 20 <13 13 -30 >30
Интервал глубин зондирования, м ....0,5 1,5 >1,5—4 4—8 >8—12 >12—16 >16—20
Коэффициент Ав ...... 0,74 0,72 0,7 0,68 0,65 0,62
Испытания грунтов ударно-вибрационным зондированием проводят с использованием установки (рис. 11.11), основным рабочим органом которой является виброагрегат АВБ-2М. Технические данные установки для проведения ударно-вибрационного зондирования должны соответствовать ГОСТ 19912—81'.
1 В ГОСТ 19912 — 81 на стр. 11 допущены две опечатки: pD по приведенной там формуле будет иметь размерность Па, размерность Ап соответствует Н м * с *.
306
Рис. 11.11. Схема установки для ударно-вибрационною зондирования грунтов: / измерительная рейка; 2- контакты датчиков; 3 скользящий контакт;
4- вибромолот; 5 —штанги; 6—соединительный кабель; 7 разъем; 8—регистратор; 9 штатив; 10—наконечник; // — вибробуровой агрегат АВБ2М
Основные параметры технических средств для ударно-вибраииоииого зондирования
Вибробуровой агрегат АВБ-2М: глубина зондирования, м ............................ 20
' масса вибромолота, кг .............................. 350
ход ударной части вибромолота, м ................... 0,135
статический момент массы дебалансов, кг • м ........ 2
частота ударов молота, уд/мин ...................... 300—1200
Зонд: угол при вершине конуса, градус ...................... 60+2
диаметр основания конуса, мм ....................... 100+2
наружный диаметр штанги, мм ........................ 63,5
длина штанги зонда, м .............................. <1,5
Измерительное и регистрирующее устройство:
диапазон отображения и регистрации скорости погружения зонда, м/с .............................. 0,01—0,9
ширина рабочей части диаграммной ленты, мм ......... 100
интервал зондирования, на котором определяется средняя скорость, м ....................................... 0,225
масштаб регистрации глубины зондирования ........ 1:100
погрешность (относительная) измерения
скорости, % ........................................ <5
20*
307
Рис. 11.12. Функциональная схема устройства для регистрации скорости и глубины ударно-вибрацнопиого зондирования: 1—5 -номера контактов
Рис. 11.13. График ударио-вибрацион-
иого зондирования грунтов
напряжение питания, В ............................... 12
потребляемый ток, А ................................. 0,2
диапазон рабочих температур, ”С ..................... От —10 до +50
Масса, кг ............................................. С 5
На установке ударно-вибрационного зондирования применяется автоматическое устройство для регистрации скорости и глубины погружения зонда в грунт. Функциональная схема устройства показана на рис. 11.12. Устройство состоит из двух частей: 1—установленной на мачте и 2 -установленной на штативе. Работает устройство следующим образом.
При включении электродвигателя вибромолота конус зонда начинает внедряться в грунт со скоростью, зависящей от гранулометрического состава грунта, его состояния и плотности. Тактовый генератор импульсов 2.6 заполняет счетчик 2.7 с частотой 2 Гц в период погружения зонда на интервал зондирования (22,5 см). Интервалы отмечены контактами на преобразователе 1.2, соединенными в две линии управления состоянием входного RS триггера 2.1. Щетка 1.1 движется одновременно с зондом и является носителем логического «0». При погружении зонда на интервал щетка касается контакта, сигнал логического «0» воздействует на триггер 2.1, переворачивает его, элементом 2.2 включается двигатель 2.3 лентопротяжного ме-308
ханизма с элементом самовыключения 2.4, диаграммная лента самопишущего прибора 2.10 протягивается на 1/100 часть (2,25 мм) интервала, и двигатель выключается. Сигнал с элементом 2.2, сформированный элементом 2.5, разрешает ©-триггерам 2.8 запомнить состояние счетчика 2.7, отображающее время погружения зонда на интервал. Далее запомненное состояние преобразуется элементом 2.9 и самопишущим прибором 2.10 в отклонения пера, пропорциональные скорости погружения зонда. После переноса состояние счетчика 2.7 «обнуляется» и он снова начинает заполняться импульсами тактового генератора 2.6.
Результаты зондирования записываются в виде непрерывного ступенчатого графика (рис. 11.13) изменения по глубине скорости погружения зонда.
Научно-методические и технические основы ударно-вибрационного зондирования разработаны БелГИИЗом и кафедрой механики МГРИ.
Ударно-вибрационное зондирование успешно применялось и применяется для решения ряда инженерно-геологических задач во многих организациях (БелГИИЗе, Эстонколхозпроекте, Московском отделении Гипроводхоза, Чувашском отделении ГорьковТИСИЗа, Укрдорпроекте и др.). В некоторых из них используется иная, чем описанная выше, электронная схема записи скорости погружения зонда. Особенно интересная схема разработана в Чувашском отделении ГорьковТИСИЗа. Средняя скорость на интервале 0,2 м записывается в цифровом виде на магнитную ленту с последующим определением рв на ЭВМ. Схема разработана под руководством и при участии А. Н. Киселева. Использование предложенной системы записи позволяет установке осуществлять зондирование в течение нескольких смен (без участия техника-геолога). Затем на ЭВМ полученный материал (без его специальной подготовки) автоматически обрабатывается с выдачей значений рв.
С помощью ударно-вибрационного зондирования по специальной методике может быть ориентировочно оценен модуль деформации зондируемых грунтов. При этом такая оценка будет тем точнее, чем больше скорость погружения зонда, т. е. чем в более слабый грунт погружается зонд.
Установка для ударно-вибрационного зондирования грунтов на базе вибробурового агрегата АВБ-2М выпускается Свердловским машиностроительным заводом им. Воровского.
§ 8. Вибрационное зондирование
Помимо ударно-вибрационного зондирования в последние годы в практике изысканий используется чисто вибрационное зондирование установками облегченного типа. В ПНИИИСе Госстроя СССР изготовлена и опробована на различных грунтах виброустановка облегченного типа. Основная часть установки—эксцентриковый вибратор ИВ-19. Он жестко крепится на площадке, к которой
309
присоединяются штанги с конусом. На уголковой раме, приваренной к площадке, закреплен пружинный динамометр, предназначенный для создания дополнительной статической нагрузки. Питание электродвигателя вибратора может осуществляться либо от сети, либо от переносной электростанции АВ-1. Масса виброустановки 20 кг, глубина зондирования 2—2,5 м.
В процессе зондирования замеряют (секундомером) скорость погружения зонда на интервале 0,1; 0,2 или 0,4 м (в зависимости от грунтов). Затем строя! график зависимости натурального логарифма времени погружения зонда 1п/ от глубины Н погружения (при этом предполагается, что на каждом интервале скорость погружения сохраняется неизменной). По этому графику визуально определяют участки с одинаковым прямолинейным наклоном и для этих участков находя! угол наклона и коэффициент и (тангенс угла наклона). Зная а и 1п/, по формуле
In Г=1п 10 + аН (И-4)
можно найти значение коэффициента /0. Связь между скоростью гв зондирования, коэффициентами a, t0 и глубиной зондирования Н имеет вид
ц=4-е-а". (11.5)
Механические свойства грунтов определяют по результатам виброзондирования в соответствии с методикой, изложенной в работе [8] по формулам:
сопротивление грунта внедрению конуса для маловлажных грунтов (МПа)
в Nt0 + [^Nt+(P+Q)H]int0/lnt
Р™~ 2HFK ’ ( '
где N— мощность вибратора, Вт; t0—эмпирический коэффициент, определяемый по графикам виброзондирования, с; t—время работы вибратора, с; Р—статическая (безынерционная) нагрузка, Н; Q — вес установки, Н; Н—мощность слоя, м; FK—площадь основания конуса, м2.
В водонасыщенных грунтах значение Р".,, полученное гго формуле (11.6), умножается на коэффициент к
к=1+0,2(г„-2). (11.7)
При ав<2 коэффициент к принимается равным 1.
Модуль общей деформации грунтов £шт оценивается по формуле
Еш^=кВС10ап, (11.8)
где ВС—вынуждающая сила вибратора, Н; к—коэффициент, равный 1,1-10"7 для грунтов с удельным сопротивлением конусу >1 МПа 310
и 1,1 10 8 для грунтов с удельным сопротивлением конусу <1 МПа, размерность коэффициента к, м-1-с-1; /0 и и — коэффициенты, определяемые по графикам виброзондирования, сим1; п — частота вращения вала вибратора, об/мин.
Угол внутреннего трения <р грунтов определяется по формуле
tg<p = -—-6, (11.9)
Тоб
где Yoe—плотность вышележащей толщи грунта, т/м3; b — коэффициент пропорциональности, т/м3.
Формула (11.9) рекомендуется к использованию при значениях коэффициента а в пределах 1—3. Если а>3, то <р определяется по таблицам на основании
§ 9. Комплексы бурового и опытного оборудования
В последние годы наметилась тенденция создания комплексов оборудования для проведения полевых исследований свойств грунтов и бурения скважин.
Портативная полевая лаборатория ПЛГ-1РМ предназначена для инженерно-геологических исследовашш слабых грунтов на территориях распространения болот, водонасыщенных песчано-глинистых, илистых и других рыхлых отложений в сложных природных условиях.
В состав полевой лаборатории входят: вдавливающая установка УЗП-7, сдвигомер-крыльчатка СК-10, зондовый пенетрометр П-5, лопастной прессиомстр ЛП-7 или ЛП-12, лопастной грунтонос ЛГ-6, торфяной бур ТБ-6, режущие цилиндры РЦ-1, совмещенные штанги ШТ-36/22.
Конструкция и компоновка приборов лаборатории ПЛГ-1РМ позволяют использовать их автономно или совместно с вдавливающей установкой.
Полевые лаборатории ПЛГ-1РМ выпускаются малыми сериями экспериментально-производственными мастерскими Калининского политехнического института. Лопастной прессиомстр ЛП-7 или ЛП-12, лопастной грунтонос ЛГ-6 и торфяной бур ТБ-6 поставляются по специальному заказу.
Полевая лаборатория ПЛГ-10 предназначена для инженерно-геологических исследований песчано-глинистых грунтов средней плотности в труднодоступных районах. Грунты можно испытывать методами статического-и динамического зондирования, вращательного среза и прессиометрии с отбором образцов грунтов нарушенного сложения и монолитов.
В состав лаборатории входят: вдавливающая установка УЗП-10, комплект совмещенных штанг и измерительных устройств для проведения статического и динамического зондирования и вращательного среза, лопастной грунтонос ЛГ-6, лопастной прессиомстр ЛП-12.
311
Динамическое зондирование проводится автоматически с записью результатов зондирования самописцами и » фиксацией количества ударов через 10 см погружения зонда.
При статическом зондировании раздельно определяют сопротивление грунта под конусом зонда и удельное сопротивление по боковой поверхности.
Техническая характеристика установки УЗП-10
Усилие вдавливания, кН ................................ 40
Глубина зондирования, м ............................... 15
Мощность двигателя, кВт .............................. 3,2
Высота падения молота, см ............................. 80
Число ударов в 1 мин .................................. 24
Диаметр, мм:
лопастей винтовой связи ............................. 200
рабочих штанг ....................................... 22; 36; 42
Длина штанг, м ........................................ 1
Габаритные размеры, мм ............................... 910x 1120x2700
Масса, кг; установки ............................................ 150
молота .............................................. 60
общая лаборатории ПЛ Г-10 ......................... 500
Лаборатория ПЛГ-10 изготовляется ремонтно-механическими мастерскими ПНИИИСа.
Полевая лаборатория ПЛГ-10М предназначена для инженерногеологических исследований песчано-глинистых грунтов средней плотности в труднодоступных условиях. С помощью оборудования, включенного в лабораторию, можно обеспечить бурение скважин, статическое и динамическое зондирование, испытание грунтов вращательным срезом и прессиометрией.
Буровое оборудование, входящее в состав ПЛГ-10М, обеспечивает проходку скважин вращательным способом на глубину до 15 м в песчано-глинистых грунтах без обсадки их трубами. Кроме того, оно позволяет отбирать образцы грунта ненарушенного сложения для геологической документации и определения физических характеристик грунтов.
Буровой станок монтируют на специальной быстросъемной подставке, которая может перемещаться в направляющих рамы универсальной вдавливающей установки УЗП-10М, являющейся базой лаборатории ПЛГ-10М.
Буровой инструмент подается на забой вручную посредством двухрядной цепи с усилием 40 кН. Установка УЗП-10М анкеруется с помощью винтовых свай. Для удобства транспортирования рама установки оборудована колесами.
Техническая характеристика лаборатории ПЛГ-10М
Глубина зондирования, м ...............................
Усилие вдавливания, кН ................................
Привод ................................................
«с 20
40
Ручной и механический
312
Мощность двигателя, кВт .............................. 3,2
Диаметр скважины, мм ................................. 75
Способ бурения ....................................... Вращательный
Максимальный крутящий момент, Н • м .................. 240
Масса падающего груза, кг ............................ 60
Высота падения груза, мм ............................. 800
Число ударов в 1 мин ................................. 17
Расстояние между анкерными сваями, мм ................ 730
Диаметр, мм: лопасти винтовой сваи ............................. 250
рабочих штанг ...................................... 22; 36; 42
Длина штанг, мм ...................................... 1000
Габаритные размеры, мм ............................... 960x 1070x2850
Масса, кг; универсальной вдавливающей установки .............. 180
оборудования для бурения .......................... 17,3
оборудования для статического зондирования ....... 42
оборудования для динамического зондирования ....... 76
оборудования для вращательного среза ............... 145
Лаборатория ЛПГ-10М изготовляется ПНИИИСом.
Переносная зондировочно-буровая установка УЗП-12М полевой лаборатории ПЛГ-ЗА предназначена для выполнения комплекса полевых инженерно-геологических работ в сложных геологических и транспортных условиях методами статического и динамического зондирования, лопастной прессиометрии и вращательного бурения с отбором образцов грунта.
Техническая характеристика установки УЗП-12М
Мощность двигателя мотопилы «Дружба-4», кВт ............. 3
Максимальное вертикальное усилие, кН .................... 60
Глубина зондирования, м ................................. 20
Масса падающего молота, кг .............................. 60
Высота падения молота, м ................................ 0,8
Число ударов в Г мин .................................... 17—25
Площадь, см2: штампов лопастного прессиометра ...................... 40
срезной пластины прессиометра-сдвигомера .............. 40
Диаметр бурильных шнеков, мм ............................ 73
Число шин для транспортировки ........................... 2
Число анкерных свай ..................................... 4
Масса, кг: максимальная отдельного узла ......................... 56
установки в сборе ..................................... 185
Габаритные размеры, мм .................................. 950x800x3000
Цена, руб................................................ 4200
Установка УЗБ-12М комплектуется мотобуром М10 с буровым инструментом, что позволяет бурить зондировочные скважины шнековым способом. Вертикальная стойка с механическими передачами установлена на крестообразной опорной рамке с возможностью полного поворота вокруг оси, что обеспечивает использование силовых механизмов в разных положениях.
Компактность, небольшая масса и возможность разборки установки на отдельные узлы обеспечивают ее доставку на объекты изысканий 313
любым видом транспорта. На малые расстояния установку транспортируют вручную или в прицепе к машине. При статическом зондировании реактивное усилие воспринимается четырьмя анкерными сваями, завинчиваемыми в грунт вручную с помощью двух рычагов. Для динамического зондирования используют механический привод с цепной передачей, размещенной вдоль стойки. Ударная часть сбрасывается и поднимается автоматически при непрерывном перемещении цепи с захватами. При этом используют стандартный динамический зонд, состоящий из штанг длиной по 1 м и конуса диаметром 74 мм.
В комплекс параметров грунтов, определяемых с помощью установки УЗП-12М, входят: модуль деформации, угол внутреннего трения, удельное сцепление, удельное сопротивление погружению конусов при статическом и динамическом зондировании, а также физические характеристики и состав грунтов. Последние оцениваются по отобранным образцам грунта в лабораторных условиях.
Многолетняя практика применения установки и ее модификации показала, что она может быть эффективно использована при изысканиях в сложных условиях: заболоченные, покрытые лесом и сильно пересеченные территории, озерио-речные акватории, стесненные площадки при реконструкции зданий и сооружений, отдаленные районы с отсутствием дорог и др.
Установка разработана ПНИИИС Госстроя СССР и Калининским политехническим институтом и изготовляется УЭРМЗ Гидропроекта.
Установка дяя бурения и статического зондирования УГБ-500М-СЗ ПНИИИСа обеспечивает бурение гидрогеологических и инженерногеологических скважин шнековым, колонковым и ударно-канатным способами с расхаживанием и принудительным вдавливанием труб и проведение статического зондирования.
Установка создана на базе серийно выпускаемой буровой установки УГБ-50М. Она оснащена новым оригинальным механизмом подачи, новыми соединительными узлами, измерительной и анкерной системами. Установка позволяет исследовать песчаные и глинистые грунты различной плотности зондами любой конструкции.
Техническая характеристика установки УГБ-50М-СЗ
Глубина бурения, м ..............................
Диаметр скважины, мм ............................
Максимальная глубина зондирования, м ............
Скорость, м/мин:
вдавливания зонда .............................
извлечения зонда ..............................
Максимальное усилие вдавливания, кН .............
Тип вдавливающего устройства ....................
Глубина погружения обсадных труб, м .............
Диаметр обсадных труб, мм .......................
Тип анкерной системы ............................
50 198
20
1—1,5
7
104
Гидравлический механизм подачи вращателя 30 127; 146; 168
Рамная с продольным расположением двух винтовых свай
314
Рис. 11.14. Комплекс бурового н опытного оборудования для инженерно-геологических исследований на базе буровой установки УГБ-50М:
/ компрессор; 2 — бур для проходки шурфов; 3 приставка для динамического зондирования; 4 приставка для статического зондирования; 5 — раздвижная крепь
Установка изготовляется ремонтно-механическими мастерскими ПНИИИСа в Рязани.
Комплекс бурового и опытного оборудования для инженерногеологических исследований на базе буровой установки УГБ-50М УралТИСИЗа позволяет повысить производительность бурения инженерно-геологических скважин, улучшить качество и снизить стоимость опытных исследований в скважинах.
На буровой установке (рис. 11.14) смонтированы компрессор ГСВ-1/12 и пневмоударник П-105. Кроме того, установке придается набор приставок и инструментов для обеспечения проведения опытных работ: статического и динамического зондирования, бурения скважин
315
большого диаметра, бурения скважин под штампы площадью 600 см2, бурения и обустройства скважин для определения плотности и влажности грунтов, опытных откачек.
Техническая характеристика компрессора ГСВ-1/12
Подача, м3/мин ............................... 1
Конечное давление сжатого воздуха, МПа ..... 1,2
Габаритные размеры (без электродвигателя и воздухосборника), мм ....................... 510x860x718
Масса (без электродвигателя и воздухосборника), кг ............................... 147
Техническая характеристика пневмоударника П-105
Наружный диаметр корпуса, мм .............. 25
Энергия удара, Дж .......................... 75
Число ударов в 1 мин ......................... 1500
Диаметр скважины, мм ....................... 113
Тип коронок .................................. КП-113
Техническая характеристика приставки для статического зондирования
Глубина зондирования, м .................. 20
Наружный диаметр зонда, мм ................ 36
Площадь конуса, см2 .......................... 10
Угол при вершине конуса, градус .............. 60
Максимальное усилие вдавливания, кН .......... 100
Масса приставки, кг .......................... 140
Техническая характеристика приставки для динамического зондирования
Глубина зондирования, м ....................... 20
Масса молота (от УБП-15М), кг ................. 60
Привод ......................................... От лебедки установки
УГБ-50М
Диаметр штанги зонда, мм ....................... 12
Угол при вершине конуса зонда, градус ......... 60
Масса приставки, кг .......................... 200
Техническая характеристика бура ШБ-1М для проходки шурфов конструкции Усть-Каменогорского филиала КазГИИЗа
Тип бура .........................................
Диаметр бура, мм:
без расширителя ..............................
с расширителем ...............................
Способ извлечения выбуренной породы ............
Плоские секторы с двумя режущими кромками, армированными твердым сплавом
730
780
На канате без подъема ведущей штанги
Техническая характеристика раздвижной крепи конструкции УТГУ
Диаметр, мм: минимальный ..................................................... 730
максимальный .................................................. 750
Длина одной секции, мм ....................................... 1000
Масса одной секции, кг .......................................... 48
316
Помимо перечисленного оборудования, установке придаются: грунтонос вдавливаемого типа для отбора монолитов из забоя шурфа (наружный диаметр грунтоноса 168 мм, внутренний 158 мм, высота 470 мм); буровая головка под штампы площадью 600 см2 с наружным диаметром 350 мм и массой 25 кг; устройство для подчистки с наружным диаметром 350 мм; комплект труб для применения радиоизотопных приборов НИВ и ГГП (наружный диаметр 51 мм, внутренний 46 мм, длина секции 750 мм и масса секции 2,2 кг); оборудование для эрлифтной откачки (максимальная подача 0,5 л/с, максимальная глубина погружения 20 м, диаметр воздушного шланга 16—18 мм, диаметр водоподъемного шланга 25 мм).
Установка разработана и выпускается УралТИСИЗом.
Зондировочно-буровая установка У ЗБ-50 (УГБ-1ВС) предназначена для выполнения инженерно-геологических работ на объектах промышленного и гражданского строительства. Она позволяет выполнять: бурение инженерно-геологических скважин вращательным и ударным способами, отбор образцов грунтов нарушенной и ненарушенной структуры, статическое зондирование, буровое зондирование с определением энергии разрушения грунта на забое скважины, опытные работы по определению деформационных и прочностных характеристик грунтов в условиях их естественного залегания методом лопастной прессиометрии.
В состав комплекта входят: установка УЗБ-50 на шасси ЗИЛ-131, грунтоносы вдавливаемый и обуривающий, зонд статического зондирования, лопастной прессиометр-сдвигомер ЛПМ-2-19, ЛПМ-2-24, лопастной прессиометр-сдвигомер ЛПМ-2-24С, комплект приборов автоматизированной системы регистрации параметров рабочих процессов, комплект бурового инструмента.
Техническая характеристика УЗБ-50
Глубина бурения, мм: шнеками диаметром 135—180мм .......................... 50
колонковым способом (инструмент диаметром 151 мм).. 50
шурфов диаметром 650 мм ............................ 12
ударно-забивным способом (инструмент диаметром 127 мм) ............................................ 25
Максимальный крутящий момент, кН • м .................. 5
Усилие вдавливания зондов, кН ....................... 120
Технологические процессы статического и бурового зондирования, лопастной прессиометрии обеспечиваются автоматическими системами измерений и накопления исходной информации с целью последующей ее отработки и интерпретации результатов на ЭВМ по специальным программам.
Установка разработана ПНИИСом.
Мобильная зондировочно-буровая установка УЗБ-50 М—составной элемент полевой лаборатории ПЛГ-50М и предназначена для выполнения комплекса инженерно-геологических исследований физико-механических свойств грунтов I—IV категорий по буримости в условиях северных районов и заболоченных территорий.
317
Установка смонтирована на базе вездехода ГТГ. Мощность отбирается от двигателя вездехода.
Техническая характеристика установки УЗБ-50М
(на вездеходе ГТГ)
Номинальная глубина бурения, м: шнековым способом .............................. 30
ударно-канатным способом ....................... 50
Вращатель установки: максимальная частота вращения, об/мин ....... 120
крутящий момент. кН • м ........................ 5
ход вращателя, мм .............................. 1700
усилие подачи, кН .............................. 100
скорость подачи, м/мин ....................... 0 11
Грузоподъемная сила, кН: лебедки ........................................ 25
мачты .......................................... 70
Скорость навивки каната, м/с .....................0,3 1,5
Масса навесного оборудования, кг ................. 2500
Рабочее давление гидросистемы, МПа ............... 10 135
Обслуживающий персонал ........................... 2
Зоидировочпо-буровая установка УЗБ-50М разработана Калининским политехническим институтом и ПНИИИСом.
ГЛАВА 12
ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ
§ I. Организация инженерно-геологических изысканий
Рациональная организация и эффективность производства буровых работ во многом зависят от организационной структуры инженерных изысканий в целом и действующих нормативно-методических документов.
В настоящее время в СССР продолжает проводиться большая работа по совершенствованию структуры изысканий. Важнейшая задача в этом отношении — индустриализация изысканий, т. е. превращение их в хорошо отлаженный, бесперебойно действующий производственный механизм. Основой для индустриализации изысканий являются их дальнейшая специализация (во внешнем и внутреннем аспектах), техническое перевооружение, компьютеризация, планирование и организация бесперебойного функционирования ремонтно-механических и подсобно-вспомогательных служб.
Под внешним аспектом специализации изысканий подразумевается организация специализированных и полуспециализированных изыскательских подразделений по территориально-отраслевому принципу, 318
под внутренним—специализация в узком смысле, т. е. такая организация труда внутри подразделения, когда определенная категория работников решает достаточно узкий круг изыскательских задач. Повышение производительности труда во многом зависит от степени специализации выполняемых изыскательских (в том числе и буровых) работ и от темпов внедрения новой техники, а в более широком смысле—от темпов технического перевооружения изысканий вообще.
Касаясь специализации изысканий во внешнем аспекте, необходимо отметить вполне определенную тенденцию роста и укрепления специализированных чисто изыскательских организаций, ведущих работы по договорам с проектными организациями. Только в этом случае изыскательские организации в полной мере могут использовать экономические рычаги повышения эффективности изыскательских работ, связанные с переходом на полный хозрасчет и самофинансирование.
Инженерные изыскания для строительства выполняют организации трех типов: а) крупные специализированные территориальные изыскательские организации (ТИСИЗы, ГИИЗы, ГИИНТИЗы и др.) Госстроя СССР и Госстроев союзных республик; б) крупные отраслевые проектно-изыскательские организации Министерства энергетики и электрификации СССР, Министерства транспортного строительства СССР, Министерства мелиорации и водного хозяйства СССР, РСФСР и других союзных республик и др.; в) изыскательские организации и подразделения ряда проектных организаций союзного, республиканского и местного подчинения.
С созданием специализированных территориальных изыскательских организаций появилась возможность осуществлять единую техническую политику в области изысканий, совершенствовать производственные процессы, увеличить коэффициент использования оборудования, шире использовать передовые достижения науки и техники, в том числе полевые и геофизические методы исследования грунтов, улучшить работы по сбору и систематизации материалов изысканий предшествующих лет для их повторного использования, подготовить базу для выполнения работ по прогнозированию изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий осваиваемых территорий, снизить непроизводительные затраты на перевозки -людей и оборудования к местам выполнения работ и обратно. Благодаря этому стало возможным сосредотачивать силы и средства при выполнении срочных изысканий для крупных объектов. В конечном счете это позволило повысить качество и полноту инженерных изысканий для строительства и создать условия для принятия наиболее обоснованных и экономичных проектных решений.
Техническое оснащение инженерно-геологических изысканий осуществляется за счет оборудования, выпускаемого серийно, и оборудования, разрабатываемого силами изыскательских организаций. Новую технику для буровых и сопутствующих им работ при изысканиях разрабатывают: СК Б и ВИТР ВПО «Союзгеот ехника», ПО «Геомаш»,
319
Свердловский машиностроительный завод им. Воровского, ПНИИИС, ВСЕГИНГЕО, Гидропроект, Теплоэлектропроект, Энергосетьпроект, УралТИСИЗ, КуйбышевТИСИЗ, ЦТИСИЗ, ЛенТИСИЗ, КрасТИСИЗ, ТомскТИСИЗ, УкрвостокГИИНТИЗ, УкрГИИНТИЗ, БелГИИЗ, Каз-ГИИЗ, Ленгипротранс, Сибгипротраис, Днепрогипротранс, Фундамен-тпроект, НИИоснований, ЦНИИС, ЦНИИ МПС, НИИпромстрой, СоюзморНИИпроект, ЧерноморНИИпроект, Южгипроводхоз. Калининский политехнический институт и др.
§ 2. Управление буровым процессом
Индустриализация инженерных изысканий требует коренного совершенствования буровых работ. Важным элементом такого совершенствования являются диспетчеризация и телеконтроль. Небольшая глубина скважин и широкое использование высокопроизводительных самоходных буровых установок пока затрудняют внедрение в изыскания диспетчерского телеконтроля. Однако в тех организациях, где изыскания проводятся в скальных породах и используются стационарные буровые станки, такое мероприятие вполне оправдано и целесообразно.
СКВ ВПО «Союзгеотехника» разработан комплекс устройств диспетчерского телеконтроля и управления процессом бурения ДТК-1, серийное изготовление которого организовано на опытном заводе «Геоприбор».
Комплекс ДТК-1 предназначен для дистанционного контроля за ходом работ на буровых установках, расположенных в пределах действия входящих в комплекс УКВ радиостанций и оснащенных средечвами для измерения параметров процесса бурения. Инженернодиспетчерская служба участка бурения, снабженная ДТК-1, может одновременно контролировать работы до десяти буровых установок. В зависимости от укомплектованности контролируемых установок средствами для измерения параметров процесса бурения на участковый инженерно-диспетчерский пункт (УИДП) поступает информация о глубине скважины, ее углублении, углублении с начала смены, нагрузке на породоразрушающий инструмент, крутящем моменте, частоте вращения бурового снаряда, расходе и давлении промывочной жидкости, механической скорости бурения. Комплекс обеспечивает также передачу на диспетчерский пункт предупредительных сигналов о превышении установленных предельных значений крутящего момента, нагрузки на забой и падении расхода промывочной жидкости. С помощью ДТК-1 осуществляются одновременная непрерывная регистрация шести параметров процесса бурения с любых двух буровых установок и, кроме того, избирательный вызов на радиосвязь всех контролируемых буровых установок.
Испытания комплекса в производственных условиях в ПГО «Южгеология» показали, что его применение повышает технологическую дисциплину, сокращает непроизводительные потери рабочего 320
времени, обеспечивает накопление полезной информации о параметрах процесса бурения и т. д. Все это будет способствовать повышению производительности труда на буровых работах.
§ 3. Транспортное и бытовое обслуживание изысканий
Транспортное обслуживание изысканий осуществляется как государственными транспортными средствами (по железным дорогам, водным и воздушным магистралям), так и транспортными средствами, принадлежащими изыскательским организациям (автомобилями, тракторами, плавающими автомобилями, аэросанями, катерами и др.). Подробно останавливаться на всех видах транспортных средств нет необходимости, поскольку по этой теме имеется обширная справочная литература.
Специальный автомобиль для изыскательских работ «Изыскатель-топограф» выпускается Угличским ЭРМЗ Гидропроекта. Автомобиль предназначен для перевозки изыскательских отрядов геологической и геофизической служб и выполнения камеральных работ в полевых условиях. Его базой является автомашина УАЗ-453. Автомобиль одновременно может перевозить 8 человек с учетом мест в кабине. Грузоподъемность автомобиля 800 кг. Габаритные размеры с багажником, мм: длина 4360, ширина 1940, высота 2250, масса снаряженного автомобиля 1720 кг, стоимость 915 руб.
Стрыйский завод «Металлист» выпускает вахтовую машину ВМ-2001, предназначенную для перевозки буровых бригад. Машина смонтирована на базе автомобиля ГАЗ-66, ее вместимость 19 пассажиров, масса машины 4500 кг, стоимость 6100 руб. Машина разработана СПКТБ ГПО «Геотехника».
Этот завод выпускает также кран специального назначения У Г-5 на тракторе Т-130. Грузоподъемная сила крана 55 кН, высота подъема груза 67 м, угол поворота 265°. Крану придается сменное оборудование: ковши грейферный и экскаваторный, удлинитель стрелы, рыхлитель. Стоимость крана 29 900 руб. Кран разработан СПКТБ ГПО «Геотехника».
Экспериментальным заводом геологоразведочного оборудования Мингео СССР выпускается водоподогреватель электрический ВПЭ-3. Он предназначен для прогрева неработающего двигателя перед пуском и поддержания его в горячем состоянии при температуре окружающего воздуха ниже +5Г С, а также в качестве источника тепла для обогрева промышленных и бытовых зданий, получения горячей воды для технических и санитарно-бытовых нужд. Объем резервуара 50 л, температура нагретой воды 60—90° С, максимальная теплопроводность 46,5 кДж/с. Напряжение в сети переменного тока 320/220 В, масса без воды 405 кг, стоимость 1500 руб.
Кроме того, этот завод выпускает также комплект полевого снаряжения, предназначенного для бытовых нужд работников геологоразведочной и изыскательской служб в полевых условиях. Ком-21 Заказ 3871 321
плект включает в себя походную раскладную кровать, складной походный стол, четыре складных походных стульчика. Стоимость комплекта 47,4 руб.
Актюбинский завод «Геотехника» изготовляет водомаслогрейку, предназначенную для подогрева технической воды и машинных масел в зимнее время. Вместительность емкости для воды 1000 л, для масла 300 л. Габаритные размеры, мм: длина 2100, ширина 1200, высота 1850, масса 600 кг, цена 970 руб.
Помимо отмеченного. Актюбинский завод «Геотехника» выпускает: коронки твердосплавные СМ4, СМ6, СА-4 диаметрами от 76 до 151 мм, ключи шарнирные для обсадных геологоразведочных труб, буровые ключи для алмазных коронок и др.
§ 4. Предупреждение аварий и борьба с ними
Аварии на буровых работах при проведении инженерных изысканий в среднем занимают до 10% времени, затрачиваемого на бурение скважин. Поэтому разработка мероприятий по борьбе с авариями, и особенно по их предупреждению, должна занимать важное место в деятельности технического персонала полевых изыскательских подразделений.
Анализ аварийности при разведочном бурении, а также современных методов предупреждения и ликвидации аварий дан А. А. Ко-ломойцем и А. К. Ветровым. Поэтому рассмотрим лишь наиболее общие вопросы предупреждения аварий и борьбы с ними при неглубоком бурении без промывки в нескальных грунтах.
Основные причины аварий: несоблюдение обслуживающим персоналом основных рекомендуемых технологических приемов и способов производства работ, ненадежность, несовершенство и некомплектность используемого бурового оборудования; резкое изменение геологических условий бурения скважин.
Приведенный перечень не исчерпывает всех причин, которые могут привести к аварии на буровой скважине, однако большинство аварий так или иначе связано с этими причинами.
На основании приведенного перечня аварий может быть сделан ряд рекомендаций о мерах по их предупреждению.
1. Перед выездом на место проведения работ должна быть полная уверенность в надежности и работоспособности буровой установки и инструмента. Все замеченные неисправности должны быть устранены.
2. В процессе бурения скважин необходимо Соблюдать рекомендуемые инструкциями технологические режимы и способы производства работ.
3. Буровой персонал должен учитывать, что при бурении может произойти резкое изменение свойств проходимых пород, поэтому процесс бурения следует вести с учетом возможности этих изменений.
4. Важное условие безаварийной работы бригады—обеспечение непрерывности процесса бурения. Последний следует приостанавливать только в случае крайней необходимости, соблюдая при этом все 322
предосторожности (не следует оставлять на забое буровой инструмент, незакрепленные неустойчивые участки скважины следует закреплять обсадными трубами и т. д.).
5. Помимо перечисленных общих рекомендаций, особое внимание следует уделять проходке за рейс при бурении, которая для забивного бурения не должна превышать 0,5—0,7 м. Незначительное увеличение проходки за рейс может привести к сильному прихвату инструмента. При ударно-вибрационном бурении во время рейса следует периодически «подрывать» инструмент.
При проходке скважин в несвязных породах необходимо избегать бурения зондами и стаканами внутри обсадных труб, т. е. при опережении башмаком труб забоя скважины, чтобы предотвратить расклинивание снаряда с обсадными трубами. Для очистки пробки следует применять желонирование, причем наружный диаметр желонки должен быть на один размер меньше внутреннего диаметра обсадных труб.
Основной вид аварии при неглубоком бурении — прихват бурового снаряда или обсадных труб на забое скважины. Ликвидировать прихват целесообразно с использованием талевой системы. Буровой персонал при прихвате обычно сразу стремится извлечь снаряд кратковременными натяжениями каната лебедкой. Во многих случаях это приводит к желаемому результату. Но иногда это, наоборот, усложняет аварию: обрывается канат, ломается лебедка и т. д. Своевременным использованием талевой системы можно быстро ликвидировать аварию и в то же время избежать нежелательных последствий.
При бурении с применением бурильных труб (колонковом, вибрационном) и при наличии источника электроэнергии для ликвидации прихвата успешно могут быть использованы поверхностные вибровозбудители ВБ-7, ВБ-7М и др.
При обвале стенок скважины или забуривании нескольких стволов из одного устья (за счет искривления бурильных труб) во многих случаях более целесообразно передвинуть буровую установку на новую точку и начать новую скважину, чем ликвидировать осложнение в старой. То же можно сказать и в отношении встречи крупного валуна.
Ликвидация аварии на буровой скважине требует от буровой бригады особенно строгого и неукоснительного соблюдения всех правил техники безопасности. Отступление от этих правил может привести к самым серьезным последствиям, вплоть до несчастных случаев.
§ 5. Техника безопасности
Разработка мероприятий по технике безопасности должна занимать важное место в деятельности изыскательских организаций.
В 1979 г. Госгортехнадзором СССР утверждены Правила безопасности при геологоразведочных работах. В системе Госстроя СССР действует СНиП Ш-А 11-62 «Техника безопасности в строительстве» 21 * 323
и «Руководство по технике безопасности на изыскательских работах для строительства». Рекомендуется также пользоваться другими постановлениями и источниками.
Основными задачами руководящего инженерно-технического персонала в области охраны труда являются: создание безопасных и безаварийных условий труда, предотвращение причин производственного травматизма и профессиональных заболеваний, соблюдение трудового законодательства и охраны труда, норм промышленной санитарии, укрепление производственной дисциплины.
§ 6. Нормы расхода (износа) инструментов и материалов при буровых работах
Представленные временные нормы расхода материалов при производстве инженерных изысканий для строительства по буровым и отчасти полевым опытным работам составлены на основе норм расхода материала и норм износа инструмента, приборов, малоценного инвентаря и снаряжения, применяемых на геологоразведочных работах, а также норм расхода материалов, разработанных трестами объединения «Стройизыскания»: Верхневолжским, Камским, Воронежским, Горьковским, Западно-Сибирским, Западно-Уральским, Красноярским, Куйбышевским, Ленинградским, Нижневолжским, Приморским, Северокавказским, Тульским. Наиболее полно использованы материалы ЛенТИСИЗа. Значительный вклад в систематизацию имеющихся данных внес М. М. Маркеев.
Нормы расхода материалов (табл. 12.1; 12.2; 12.4) установлены исходя из типичных условий производства изыскательских работ и являются усредненными. Данные табл. 12.3 получены на основе опыта проведения геологоразведочных работ. Нормы предназначены для обоснованного обеспечения материалами и инструмен-
та блица 12.1. Нормы расхода (износа) бурового оборудования и инструмента для бурения инженерно-геологических скважин (на 1000 м)
Износ на
Буровое оборудование и инструмент 1000 м бурения, шт.
Труба обсадная диаметром 146, 127, 108, 89 мм и длиной 1,5—3 м 48,6 м (на 1000 м
Ниппель к обсадным трубам диаметром 146. 127, 108, 89 мм 32 (на 1000 м
Головка универсальная к обсадным трубам диаметром 146, 127, 198 мм Головка забивная 0,33 0,33
324
Продолжение табл. 12.1
Износ на
Буровое оборудование и инструмент 1000 м бурения, шт.
Башмак фрезерный к обсадным трубам диаметром 146, 127, 108 мм Башмак гладкий Труба колонковая диаметром 146, 127, 108, 89 мм и длиной 1,5 3 м Хомут для обсадных труб диаметром 146, 127, 108, 89 мм Хомут лафетный диаметром 146, 127, 108, 89 мм Ключ шарнирный для труб 146/127, 127/108, 89/73 мм Бурильная тоуба (штанга) диаметром 63,5; 50; 42; 33,5 мм Замок для бурильных труб диаметром 63,5; 50; 42; 33,5 мм Ключ шарнирный для бурильных труб диаметром 63,5; 50; 42; 0,33 0,33 18,3 м 0,11 0,11 1,33 13,1 м 4 1.33
33,5 мм Ключ отбойный для замков 3-63,5; 3-50; 3-42; 3-33,5 Хомут шарнирный для труб диаметром 63,5; 50; 42; 33,5 мм Вилка подкладная для замков 3-63,5; 3-50; 3-42; 3-33,5 Стакан забивной башмачный диаметром 168, 146, 127, 108 мм Грунтонос забивной ГЗ-1 диаметром 125 и 123 мм, ГЗ-2 диаметром 106, 105, 100 мм (БУЛИЗ-15) Грунтонос вдавливаемый ГВМ-4 диаметром 116 мм, ГВМ-3 диаметром 132 мм Долото двухлопастное диаметром 148 мм Долото трехлопастное диаметром 148, 125 мм Бур ложковый диаметром 250, 190, 145, 108, 89, 74, 47 мм Бур спиральный диаметром 190, 147, 108; 89, 74, 47 мм Желонка с клапаном диаметром 140, 127, 102, 70 мм Желоночное ушко с замковой резьбой диаметром 63,5; 42; 33,5 мм Серьга для желонок грузоподъемной силой 25 кН Коуш для каната диаметром 15,5—18,5; 12,5—15,5; 2—12,5 мм Зажим для каната диаметром 16—19; 13—16; 10—13 мм Крючок для опорожнения желонок Переходник с правой резьбой типа III с бурильной трубы 1,33 0,11 0,11 3 0,2 0,2 0,4 0,33 0,4 0,25 0,18 0,11 0,11 0,33 0,11 0,11 4
с наружным диаметром 63,5 мм на колонковую трубу с наружным диаметром 146, 127, 108, 89 мм Переходник с правой резьбой типа III с бурильной трубы с наружным диаметром 50 мм на колонковую трубу с наружным диаметром 146, 127, 108, 89 мм Переходник с ведущей трубы на наружную замковую резьбу 4 4
диаметром 63,5; 50; 42 мм Переходник с внутренней замковой резьбы диаметром 63,5 мм на наружную замковую резьбу диаметром 50 мм Переходник 50/63,5 Переходник с наружной специальной прямоугольной резьбой для трубы диаметром 63,5 мм и наружной замковой резьбой диаметром 63,5 мм То же, с наружной замковой резьбой диаметром 50 мм Переходник с наружной ленточной резьбой диаметром 50 мм на наружную замковую резьбу диаметром 50 мм Переходник с наружной трубной резьбой диаметром 50 мм на внутреннюю замковую резьбу диаметром 42 мм Замок с правой резьбой для бурильной трубы 3-63,5; 3-50; 3-42; 4 4 4 4 4 4 4
3-33,5 мм Муфта для обсадной трубы диаметром 168, 219 мм 32
325
Продолжение табл. 12.1
Буровое оборудование и инструмент Износ на 1000 м бурения, шт.
Переходник с наружной замковой резьбой диаметром 33,5 мм на внутренний шестигранник диаметром 34 мм (БУЛ ИЗ-15) 4 .
Переходник с наружного 34-мм шестигранника на внутреннюю замковую резьбу диаметром 33,5 мм 4
Утяжелитель (ударная штанга) 0,11
Фарштуль 0,11
Элеватор-фарштуль 0,11
Блок однороликовый грузоподъемной силой 75 кН 0,11
То же, 17 кН Серьга вертлюжная грузоподъемной силой 17 кН (для ручного бурения) 0,11
0,11
Переходник с замковой резьбой 33,5/42; 33,5/50; 33,5/63,5 (ручное бурение) 4
Шкворень для треноги 0,33
Вертлюг-сальник грузоподъемной силой 30 кН (СБУД-ЗИВ-150) 0,11
Виброзонд диаметром 168, 146, 127, 89 мм (к АВБ-2М) 5
Виброзонд с клапаном диаметром 146, 127, 89 мм 5
Патрон ударный диаметром 127 мм 0,33
Штанга ударная с наголовником 0,11
Коронки твердосплавные для колонкового бурения (в пересчете на III категорию пород по буримости) 48
Переходник с левой резьбой типа III с бурильной трубы с наружным диаметром 50 мм на колонковую трубу с наружным диаметром 89, 73 мм 0,11
Переходник с внутренней левой замковой резьбой диаметром 63,5 мм на наружную левую замковую резьбу диаметром 50 мм 0,2
То же, диаметром 50 мм на внутреннюю левую замковую резьбу диаметром 42 мм 0,2
Переходник с наружной левой замковой резьбой диаметром 50 мм на внутреннюю левую замковую резьбу диаметром 42 мм 0,2
Метчик ловильный для труб диаметром 146, 127, 108, 89 мм 0,11
Метчик ловильный для штанг диаметром 63,5; 50; 42; 33,5 мм 0,11
Колокол ловильный с резьбой диаметром 76 мм для труб диаметром 63,5; 50; 42; 33,5 мм 0.11
Канаторезка 0,11
Таблица 12.2. Нормы расхода (износа) бурового оборудования и инструмента на бурение гидрогеологических скважин установками УРБ-ЗАМ (на 3000 м), УГБ-ЗУК (УКС-22М), УГБ-4УК (УКС-ЗЗМ) (на 1500 м)
Износ на
Буровое оборудование и инструмент 1000 м бурения, шт.
Труба обсадная диаметром 426; ТТЛ, 325, 219, 168 мм Долото шарошечное диаметром 190, 214, 243, 295, 320 мм Башмак фрезерный к обсадным трубам диаметром 168, 219, 273, 444 1 0,33
325, 346 мм Головка забивная для труб диаметром 168, 219, 273, 325 мм Хомут для обсадных труб диаметром 168, 219, 273, 325 мм Ключ инструментальный для труб диаметром 152, 140, 128, 102, 84 мм 0,66 0,11 2,66
326
Продолжение табл. 12.2
Буровое оборудование и инструмент Износ на 1000 м бурения, шт.
Ключ шарнирный для труб диаметром 325, 273, 188/168 мм Баба ударная Утяжеленные бурильные трубы УБТ диаметром 146 мм Штанга ударная с колпаком 112 x 4000, 140 x 4000 мм Ножницы рабочие 112, 140 Ключ цепной № 1 Цепь к ключу цепному № 1 Ключ цепной № 2 Цепь к ключу цепному № 2 Желонка с плоским клапаном и предохранительным клапаном 1,33 0,22 0,18 компл. 0,33 0,33 1,33 1,33 1,33 1,33 0,36
диаметром 168, 219, 273, 435 мм
Ушко желоночное Забивной снаряд Трещотка затяжная Крюк для оттаскивания инструмента Переходник 140x 112, 170x 140, 190x 140, 190x165, 200x165, 222 х 180 мм Переходник муфтовый ПМ-3-76/3-88-Л Переходники: 0,22 0,66 0,66 0,33 8 4
ПП-3/76/3-76-Л ПП-3-88/3-73 ПП-3-88/3-63,5 ПП-3-63,5/3-88 ПП-3-88/3-88 ПП-3-121/88 для долот диаметром 146 и 190 мм ПП-3-88/К-121 ПП-3-121/3-121 для долот диаметром 242 мм ПП-3-121/3-147 для долот диаметром 269 мм ПП-3-121/3-171 для долот диаметром 295 мм с замковой резьбой 3-63,5/3-63,5 мм с замковой резьбой 3-73/3-63,5 мм Замок канатный диаметром 112, 140, 170. 190 мм Трубы газовые Элеватор-фарштуль для труб Коуши для гроса диаметром 22 мм Зажим для троса диаметром 22 мм Метчик для труб диаметром 73,5 мм Шлипс правый (с отверстиями для промывки) диаметром 63,5 мм Шлипс 112 с плашками 140, 175, 165x 188, 220 x 188 мм Овершот Груша ловильная Ерш однорогий 250, 185 Ерш двурогий 185 Вилка ловильная с собачкой Крюк отводной Труболовка Фреза трубная Паук ловильный Пробка ударная для штанг диаметром 63,5 мм Печать универсальная Клещи ловильные 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 0,66 1 компл. 0,11 0,33 0,11 0,11 0,11 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11 0,11
327
Таблица 12.3. Нормы расхода истирающих инструментов при вращательном механическом бурении скважин стационарными и передвижными станками с поверхности земли (на 1 ст.-смеиу)
Истирающие инструменты Еди-ница измерения Группа скважин по глубине, м
100 300 500
Средний диаметр сква- мм 93/76 112/93 112/93
жины Коронки твердосплав- шт. 0,07/0,001 0,07/0,001 0,06/0,001
ные ребристые Коронки твердосплав- шт. 0,25/0,08 0,24/0,08 0,2/0,08
ные резцовые Кольца рвательные шт. 0,18/0,13 0,14/0,12 0,13/0,1
Коронки дробоиые шт. 0,1/0,18 0,08/0,17 0,07/0,14
Дробь стальная кг 1,28/2,35 1,25/2,35 1,04/2,13
Долота двухлопастные шт. 0,004/0,004 0,004/0,004 0,003/0,003
Долота шарошечные шт. 0,038/0,038 0,036/0,032 0,032/0,032
Примечание. В числи геле
при бурении в породах малой твердости, в знаменателе -в
твердых породах.
Таблица 12.4. Нормы расхода (износа) оборудования и материалов при проходке шурфов механическим способом диаметром 900 мм для отбора монолитов (объем проходки шурфов глубиной 10 м за год)
Оборудование и материалы Расход на проходку шурфа глубиной 10 м Износ на 1000 м
Бур диаметром 900 мм 1 шт. 50
Штанги для вращения бура от установки 1 компл. 50
УГБ-50М диаметром 73 мм
Пальцы для штанг 1 компл. 50
Лампа электрическая переносная на 36 В (12 В) 1 шт. 25
Понижающий трансформатор 1 пгт. 18
Аккумулятор 12 В 1 шт. 18
Г азоанализатор 1 шт. 18
Сигнальная веревка 20 м 5
Провод электрический двухжильный для подсо- 20 м 25
единения электролампы к источнику питания
том производственных подразделений и контроля за правильностью списания материальных ценностей, используемых при производстве инженерных изысканий (в частности буровых работ).
В табл. 12.5 приведены данные о выпускаемом некоторыми отечественными заводами изыскательском буровом оборудовании и запасных частях.
328
Таблица 12.5. Буровой инструмент и запасные части, выпускаемые некоторыми отечественными заводами
1 Буровой инструмент и запасные части Масса изделия, кг Цена за 1 шт., руб.—коп. Завод-изготовитель
4»
Башмак гладкий для обсадных Угличский экспе-
труб: риментальный ре-
БГ-168 7,5 7-30 монтно-механиче-
БГ-219 12,4 8-80 ский Гидропро-
БГ-273 15,0 11-20 екта
f БГН-127 3,2 '3-30
БГН-168 5,0 5-80
Блок однороликовый Б-4 грузо- 45,0 52-00
1 подъемной силой 40 кН
Блок двухроликовый Б-8 грузо- 78,0 92-00
подъемной силой 80 кН
Болт диаметром 38 мм, длиной 12,0 8-50
900 мм для деревянных хомутов
Вилка подкладная тяжелая:
ВТ55-220 4,0 4-90
ВТ55-400 7,8 5-40
Вилка подкладная:
Н-42 3,2 3-80
Н-50 6,0 5-10
М-42 3,75 3-80
М-50 5,80 4-30
Вкладыш с лепестками к грунто- 4,3 17-80
носу ВКГ-3-123
Грунтонос с ударной частью:
« ГК-105 41,0 49-00
ГК-123 43,5 53-50
Грунтонос без ударной части:
ГК-105 12,0 33-30
ГК-123 14,5 38-50
Желонка:
Ж-89 29,6 22-00
Ж-108 40,9 29-00
Ж-127 50,6 31-00
Ж-168 73,8 37-00
Ж-219 119,2 47-00
Желонка «Ангара» диаметром, мм:
146 63,2 36-00
194 180,0 62-00
243 220,0 75-00
Замок быстросъемный для каната 3.0 12-00
диаметром 11 или 17,5 мм
Ключ для муфтово-замкового со-
единения бурильных труб:
МЗ-42 3,3 3-50
МЗ-50 5,3 4-40
М3-63,5 7,8 5-70
Ключ для ниппельного соеди- 2,3 3-90
нения бурильных труб Н-42
Ключ шарнирный:
42 4,2 12-80
50 6,2 12-80
329
Продолжение табл. 12.5
Буровой инструмент и запасные части Масса изделия, кг Цена за 1 шт., руб.—коп. Завод-изготовитель
Ключ шарнирный для обсадных Угличский экспе-
труб диаметром, мм: риментальный ре-
73/89 4,9 10-50 vfOHTno-механиче-
108/127 6,2 10-70 ский Гидропро-
146 6,7 11-00 екта
168/188 13,1 15-00
219/243 14,4 16-00
Крюк отводной К-2500 - 1-70
Лопатка для очистки стаканов 1,5 1-60
Л-80
Лом-лопатка ЛЛ-1000 3,9 1-85
Патрон ударный:
ПУ-108 120,0 55-00
ПУ-127 158,0 65-00
ПУ-168 252,0 93-00
ПУ-219 437,0 199-00
Стакан забивной:
СБ-108 14,5 15-60
СБ-127 16,6 17-00
СБ-168 30,9 23-00
СБ-219 33,8 27-00
Стакан забивной башмачный
с клапаном:
СБК-108 15,9 17-80
СБК-127 18,5 19-00
СБК-168 30,9 27-00
СБК-219 37.0 34-00
Стакан забивной тонкостенный:
С-1087 11.1 16-00
С-127Т 13,4 16-70
То же, с клапаном:
СК-108Т 12,6 17-00
СК-127Т 13,9 18-60
Стакан разъемный:
СР-127 37,0 55-00
СР-168 45,0 55-00
СРЗ-127 24,0 30-00
СРЗ-168 39,0 39-00
Утяжелитель 100 > 1000 мм 55,0 13-20
Вертлюг-сальник ВС-12,5/20 59 485-00 Стрыйский «Ме-
таллист»
Запасные части к комплексу Оренбургский бу-
К ГК-100: рового оборудо-
трубы бурильные — 85-00 вания
труба керноприемная — 67-00
рукав керноотводящий — 172-00
шпиндель — 83-00
замковые соединения — 22-20
шестерня — 51-00
вентиль — 148-00
сальник — 345-00
труба бурильная ТПДЛ-75 — 98-00
330
Продолжение табл. 12.5
Буровой инструмент и запасные части Масса изделия, кг Цена за 1 шт., руб. коп. Завод-изготовитель
труба бурильная ТПДС-75 __ 84-00
ниппель — 15 — 50
муфта — 17-50
труба керноприемная — 67-00
Инструмент к трубам ЛБТН-54:
переходники — 8-00
наголовники — 17-50
вилка подкладная — 30-00
вилка ведущая — 28-00
метчики ловильные — 20-00
Комплект бурового инструмента — 4913-00 Эксперимснталь-
КБИ-5М к буровой установке ный геологоразве-
КГ К-100 дочного оборудо-
Инструмент к установке УПБ-100 — 2739-00 вания (г. По-
Буровой инструмент к установке — 3065-00 дольск)
УБР-2М
Коронки твердосплавные СМ4 — От 1-95 Актюбинский
(диаметром 76, 93, 112, 132, до 3 — 50 «Геотехника»
151мм), СМ6 (76, 91, 112 мм),
СА4 (46, 59, 93, 112, 132 мм)
Ключи шарнирные для обсадных
геологоразведочных труб диа-
метром; мм:
146 — 12-20
168/188 — 17-50
219/243 — 17- 80
Коронка СА6 для труб диамет- Брянковский буро-
ром, мм: вого оборудования
132 1,00 5-40
112 0,85 4-85
93 0,74 4-60
Коронка СА4-93 0,72 2-70
Замковые соединения диаметром 7,1 11-40 Джусалинский ме-
50 мм ханический
Ключи шарнирные:
КШ-46 3,3 11-50
KUI-59 2,7 14-70
КШ-78 6,0 14-30
КШ-89 4,3 15-45
Ключ шарнирный для труб диа- 7,3 9-50
метром 127 мм
Зажимы для закрепления стальных
канатов:
16-19 0,37 0-50
23-27 0,37 1-75
Коуши:
22,6-25,5 (ГОСТ 2224-72) 0,4 0-70
10,2-12,5 0,1 0-32
Верстаки:
ВС-2 400,0 265-00
ВС-2П 270,0 330-00
331
Продолжение табл. 12.5
Буровой инструмент и запасные части Масса изделия, кг Цена за 1 шт., руб. коп. Завод-изготовитель
Насосная установка НБ-4-320/63 1250,0 4350-00 Феодосийский механический
Указатель уровня в приемных емкостях УП-ПМ 90,0 550-00
Г идроударник унифицированный Г-76 170,0 675-00
Гидроударник Г-151 1000 2000-00
Колокола ловильные геологораз- 3,75 19-00
ведочные (Б1, Б1Л, Б2, Б2Л, БЗ, БЗЛ, Б4, Б4Л, Б5, Б5Л) 14,5 20-00
Метчики ловильные геологоразвс- 9,45 19-80
дочные (BL В1Л, В2, В2Л, ВЗ, ВЗЛ) 9,65 20-50
Агрегат для обработки геологических проб АП (крупность проб до 80 мм. масса загружаемой пробы от 1 до 50 кг) 940,0 7100-00
Комплекс инструмента для бурения со съемными керноприемниками ССК-76 (для скважин глубиной 800 м) Кернорватель для алмазного бурения: 10080,0 15346-00 Экспериментальный техники алмазного бурения (Ленинградская обл.)
К-46 0,71 10-10
К-59 U2 8-80
К-76 1,64 10-80
Сальник буровой СВ (для всех типов шпиндельных станков с под? вижными вращателями) «9,00 126-00
Коронки алмазные (различных типов и назначения) 0,3-0,6 49 — 00= 216-00
Коронки твердосплавные для — 1 1—80 = Кемеровский гео-
колонкового бурения пород средней твердости СМ5 (диаметром 36, 59, 76, 93, 112, 132 мм) 2-90 логоразведочного оборудования
Хомуты для обсадных труб геологоразведочного бурения для труб диаметром 73, 89, 108, 127, 146 мм — 5 — 6=7—70
Шнек диаметром 135 мм длиной £=1500 мм 25,4 18-10
Резервуар цилиндрический РЦ-25 объемом 25 м3 1670 420 - 00
Мягкие укрытия из прорезиненной ткани для покрытия каркасов буровых вышек, насосных сараев Емкость Е-0,5 с крышкой для воды вместимостью 0,5 м3 530-580 2550-00
93 45-00
Примечание. В таблице указан выборочный перечень бурового оборудования. Многие изделия, предназначенные для бурения инженерно-геологических скважин, выпускаются ремонтно-механическими мастерскими изыскательских трестов и институтов. Справки по данному вопросу можно получить в ПО «Стройизыскания» (г. Москва).
332
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алимов М. С., Азизов 3. Г. Применение обуриваюгцего грунтоноса ГОУ-I.—Разведка и охрана недр, 1987, № 7, с. 56—58.
2. Архангельский И. В. Морское бурение инженерно-геологических скважин.—Л.: Недра, 1980.
3. Бурение шурфов и скважин самоходными и передвижными установками /С. А. Крылов, Л. Г. Грабчак, Г. Б. Добровольский и др. М.: Недра, 1979.
4. Воздвиженский Б. И., Голубинцев О. Н., Новожилов А. А. Разведочное бурен ие.— М.: Н едра, 1979.
5. Волков А. С. Буровой геологоразведочный инструмент.— М.: Недра, 1979.
6. Единые нормы времени и расценки на изыскательские работы (ЕНВ и P-И). Ч. II. Инженерно-геологические изыскания. М.: Стройиздат. 1979.
7. Зиангиров Р. С., Афонин А. П. Инженерно-геологическая оценка грунтов по результатам виброзондирования установкой облегченного типа.— Инженерная геология, 1984, № 1, с. 109 116.
8. Кардыш В. Г. Повышение эффективности работы буровых станков. М.: Недра, 1980.
9. Кирсанов А. Н., Зиненко В. П., Кардыш В. Г. Буровые машины и механизмы.— М.: Недра, 1981.
10. Козловский Е. А. Геологи открывают богатства недр.—М.: Недра, 1980.
И. Козловский Е. А.. Дьяков А. Д., Петров П. А. Механизация и оптимизация процессов бурения разведочных скважин. М.; Недра, 1980.
12. Козловский Е. А. Минерально-сырьевая база и фактор времени. Советская геология, 1979, № 3, с. 9—22.
13. Лачинян Л. А. Работа бурильной колонны.— М.: Недра, 1979.
14. Породоразрушающий инструмент для геологоразведочных скважин/Н. И. Корнилов, В. С. Травкин, Л. К. Берестень, Д. И. Коган.— М.: Недра, 1979.
15. Ребрик Б. М. Бурение скважин при инженерно-геологических изысканиях. М.: Недра, 1979.
16. Ребрик Б. М., Вишневский В. Ф. Ударно-вибрационное зондирование грунтов.— М.: Стройиздат, 1979.
17. Ребрик Б. М. Справочник по бурению инженерно-геологических скважин.—М.: Недра, 1983.
18. Ржевский В. В., Новик Г. Я. Основы физики горных пород.— М.: Недра, 1979.
19. Справочник по бурению скважин на воду/Под ред. Д. Н. Башкатова.— М.: Недра, 1979.
20. Справочник по инженерной геологии. М.; Недра, 1981.
21. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин/Под ред. Е. А. Козловского. Т. 1, 2—М.: Недра, 1984.
22. Строительные нормы и правила. Основания зданий и сооружений. СНиП 2.02.01—83.—М.: Стройиздат, 1985.
23. Строительные нормы и правила. Нормы проектирования. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения СНиП 11-9-78. М.: Стройиздат, 1979.
24. Строительные нормы и правила. Нормы проектирования. Свайные фундаменты. СНиП 11-17-77.— М.: Стройиздат, 1978.
25. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика)/Под общей редакцией Н. Б. Дортмана.— М.: Недра, 1976.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ........................................................ 3
Глава 1. Грунты и их физико-механические свойства .................. 5
§ 1. Общая характеристика грунтов .................................. 5
§ 2. Физические свойства грунтов .................................. 12
§ 3. Классификация грунтов ........................................ 26
§ 4. Механические свойства грунтов и горных пород ................. 27
§ 5. Буримость грунтов ............................................ 37
§ 6. Другие классификации горных пород ............................ 45
Глава 2. Инженерно-геологические скважины и их особенности ........ 50
§ 1. Инженерно-геологические изыскания ............................ 50
§ 2. Назначение буровых работ ..................................... 51
§ 3. Типовые конструкции инженерно-геологических скважин .......... 53
§ 4. Классификация буровых скважин ................................ 58
Глава 3. Способы бурения инженерно-геологических скважин .......... 64
§ 1. Особенности различных способов бурения скважин и область их применения ........................................................ 64
§ 2. Рекомендации по рациональному применению различных способов бурения скважин ................................................... 77
Глава 4. Буровые станки и установки ............................... 80
§ 1. Стандарты на буровые установки .............................. 80
§ 2. Станки и установки для бурения неглубоких зондировочных скважин ............................................................... 80
§ 3. Станки и установки для бурения разведочных скважин глубиной от 5 до 30 м ................................................ 89
§ 4. Станки и установки для бурения разведочных скважин глубиной более 30 м ......................................................... 102
§ 5. Рекомендации по выбору различных буровых станков и установок .... 133
§ 6. Новые перспективные разработки буровых станков .............. 135
Глава 5. Грузоподъемное, насосное, энергетическое и компрессорное оборудование для бурения ......................................... 141
§ 1. Грузоподъемное оборудование в бурении ....................... 142
§ 2. Насосы для промывки скважин ................................. 145
§ 3. Компрессоры ................................................. 145
§ 4. Генераторы и электростанции ................................. 148
§ 5. Электродвигатели ............................................ 150
§'6. Двигатели внутреннего сгорания .............................. 151
Глава 6. Забойные механизмы и породоразрутающий инструмент ....... 152
§ 1. Гидроударники ............................................... 153
§ 2. Пневмоударники .............................. 154
§ 3. Пневмопробойпики ............................................ 154
§ 4. Породоразрушающий инструмент для бурения скважин колонковым способом ......................................................... 155
§ 5. Инструмент для бурения скважин гидроударниками ...............158
§ 6. Инструмент для бурения пневмоударниками и пневмопробойниками ............................................................. 159
ТТЛ
§ 7. Инструмент для ударно-канатного бурения скважин кольцевым забоем ........................................................... 161
§ 8. Инструмент для ударно-вибрационного бурения ............... 166
§ 9. Инструмент для вибрационно-вращательного бурения .......... 168
§ 10. Инструмент для шнекового и медленновращательного бурения .. 169
§ 11. Инструмент для бурения скважин большого диаметра в мягких и рыхлых породах ................................................ 172
Глава 7. Бурильные, колонковые и обсадные трубы, их соединения и принадлежности ...................................................... 175
§ 1. Бурильные трубы ............................................. 175
§ 2. Колонковые и обсадные трубы ................................. 181
§ 3. Переходники ................................................. 186
§ 4. Ключи ....................................................... 187
§ 5. Механизмы для свинчивания и развинчивания бурильных труб . 188
Глава 8. Процесс и технология бурения скважин различными способами ............................................................. 188
§ 1. Колонковое бурение твердосплавным породоразрушающим инструментом ........................................................... 188
§ 2. Колонковое бурение алмазным породоразрушающим инструментом .............................................................. 191
§ 3. Медленновращательное бурение ............................... 193
§ 4. Шнековое бурение ........................................... 193
§ 5. Ударно-канатпое бурение кольцевым забоем ................... 195
§ 6. Вибрационное бурение ....................................... 196
§ 7. Вибрационно-вращательное бурение ........................... 200
§ 8. Бурение погружными пиевмопробойниками ...................... 201
§ 9. Бурение песчано-гравийных и валунно-галечных грунтов ....... 202
§ 10. Технология бурения шурфов ................................. 206
§11. Способы и технические средства погружения и извлечения обсадных труб ............................................................. 208
§ 12. Особенности бурения инженерно-геологических скважин на акваториях ............................................................. 214
Глава 9. Расчеты в бурении инженерно-геологических скважин ..... 217
§ 1. Исходные положения ......................................... 217
§ 2. Основные показатели бурения скважин ........................ 218
§ 3. Механический критерий технической эффективности способов, технических средств и технологии бурения инженерно-геологических скважин ... 219
§ 4. Расчет параметров забивного бурения ....................... 223
§ 5. Расчеты параметров ударно-вибрационного бурения ............ 225
§ 6. Расчеты параметров мсдлеиновращательного бурения ........... 229
§ 7. Расчет режимов бурения колонковым способом «всухую» в мерзлых грунтах ...................................................... 230
§ 8. Расчет параметров механизмов вращения и расхаживания при погружении обсадных труб ........................................... 230
§ 9. Расчет силы, необходимой для извлечения обсадных труб из песчаного грунта ...................................................... 232
§ 10. Методика приближенного расчета затрат мощности при бурении вращательным способом ............................................ 233
§ 11. Расчет затрат мощности при наличии в породе валунов ....... 238
Глава 10. Геологическая документация и отбор образцов ............ 240
§ I. Общие положения ............................................ 240 -
§ 2. Инженерно-геологическое описание пород при бурении скважин . 241
§ 3. Информативность различных способов бурения ................ 248
§ 4. Отбор образцов ненарушенного и нарушенного сложения ........ 254
335
§ 5. Грунтоносы .................................................. 255
§ 6. Точность оценки физико-механических свойств грунта по монолитам, отобранным из скважин ............................................ 270
§ 7. Качество ствола скважины .................................... 272
Глава 11. Опытные работы в скважинах ............................. 274
§ 1. Виды и объемы опытных работ при изысканиях .................. 274
Пре, § 2. Штамповые опыты в скважинах и шурфах ...................... 276
§ 3. Прессиометрия ............................................... 283
*ла1 § 4. Испытания на срез крыльчатыми зондами ....................... 291
§ 1 § 5. Статическое зондирование .................................. 292
§ 2 § 6. Динамическое зондирование ................................. 300
§ 3 § 7. Ударно-вибрационное зондирование .......................... 305
§ 4. " § 8. Вибрационное зондирование ............................... 309
§5 § 9. Комплексы бурового и опытного оборудования ................ 311
§ 6. Глава 12. Организационно-технические мероприятия ................. 318
Гла1 § I. Организация инженерно-геологических изысканий ............. 318
„ . § 2. Управление буровым процессом ................................ 320
?!' § 3. Транспортное и бытовое обслуживание изысканий ............. 321
| § 4. Предупреждение аварий и борьба с ними ..................... 322
s'" § 5. Техника безопасности ........................................ 323
’ § 6. Нормы расхода (износа) инструментов и материалов при буровых
Гла1 работах .......................................................... 324
§ I Список литературы ................................................ 333
прш
§ 2.
бурс
Гла>
§ 1-§ 2.
жин § з. ной § 4.
боле § 5.
§ 6.
Гла1 об<>[
§ 1.
§ 2.
§ 3.
§ 4.
§ 5.
F6.
Гла1
§ 1.
§ 2.
§ 3.
§ 4.
СП ОС
§ 5. § 6.
кам-