Основные методологические положения по расчёту на прочность обсадной трубы при бурении скважины под устройство буронабивной сваи

В современном строительстве возведение зданий или сооружений на слабых глинистых основаниях редко обходится без применения буронабивных свай. Основной проблемой при устройстве буронабивной сваи является устойчивость стенки буровой скважины [1–6]. На сегодняшний день для неизменяемости геометрии скважины широко используется метод бурения под защитой обсадной стальной трубы [7, 8], в этом случае стенки скважины передают давление на внешнюю поверхность трубы, прочность которой и обеспечивает геометрическую неизменяемость скважины. При этом следует отметить, что в настоящее время отсутствует методика расчёта по определению давления стенок скважины на внешнюю поверхность обсадной трубы и соответственно геометрические параметры стальной обсадной трубы не рассчитывались, а назначались конструктивно. Предлагаемая методика расчёта позволяет не только определить давление стенок скважины на внешнюю поверхность обсадной трубы, но и вычислить необходимые её геометрические параметры, которые обеспечат геометрическую неизменяемость буровой скважины.

Напряжение в массиве грунта вокруг скважины σ можно определить как давление грунта на подпорную стену (см. рисунок) при допущении плоской поверхности скольжения [9],по формуле:

o = y- z • tg²(45 ° -^ ), (1) где γ – удельный вес грунта, кН/м³; z – глубина рассматриваемой точки от планировочной отметки грунта, м; φ – угол внутреннего трения, град.

Для упрощения дальнейшего расчёта, согласно рисунку, из массива грунта выделим грунтовый элемент, имеющий форму трубы, длиной 1 п. м. Толщина стенки грунтовой трубы h примем как разность между радиусом буровой скважины r_в и минимальным наружным радиусом r_н, образованным поверхностью скольжения грунта в самой нижней точке грунтового элемента, который можно вычислить по следующей формуле:

^гн = tg ^a • z = tg⁽⁴⁵ ° - ^ ) • z , ⁽²⁾

где α – угол наклона к вертикали поверхности скольжения, град.; z – расстояние от планировочной отметки грунта до нижней отметки грунтового элемента м; φ – угол внутреннего трения грунта, град.

В процессе бурения в массиве грунта, окружающего скважину, будут расти напряжения и на определённом этапе стенки скважины потеряют устойчивость и произойдет обрушение скважины [10–12]. В численном значении обрушение произойдет в тот момент, когда напряжения в окружающем массиве грунта превысят жесткость коль-

Расчётная схема для определения размеров грунтового элемента: 1 – буровая скважина; 2 – грунтовый элемент; 3 – поверхность скольжения

ца, поперечного сечения грунтового элемента, которую можно вычислить по следующей формуле:

S = J , d p

где h – толщина стенки грунтового элемента, м.

Средний диаметр кольца D ср определяем по формуле

где Е – модуль деформации грунта, кПа; D _ср

h

D_ = ( Г. + ^h ) • 2.

ср     в

–

средний диаметр кольца, м; J – момент инерции площади поперечного сечения грунтового кольца на 1 п. м. длины, м⁴/м, определяют по формуле

j - h 3 , 12

Если в процессе расчета на устойчивость стенок буровой скважины выполняется условие неравенства о S , то бурение скважины необходимо вести под защитой обсадной трубы.

Согласно задаче Ламе максимальные нормальные напряжения σr, при нагрузке обсадной

Основания и фундаменты, подземные сооружения трубы внешним давлением σ, определяемым по формуле (1), возникают на внутренней поверхности её стенки и определяются по формуле

• 2 ■ r

G r = ^G — ---2 ,                          (6)

Г —r нв где σ – давление грунта на наружную поверхность обсадной трубы, кПа; rн – наружный радиус обсадной трубы, м; rв – внутренний радиус обсадной трубы, м.

По мере увеличения глубины скважины в процессе бурения в окружающем её массиве грунта будут расти напряжения [4, 13–14] и, соответственно, будет расти давление на внешнюю поверхность обсадной трубы. В этом случае следует подобрать толщину стенки обсадной трубы таким образом, чтобы внешнее давление было численно меньше жесткости кольца поперечного сечения обсадной трубы, которая вычисляется по формуле

S = о,                                    (7)

Dср где Е – модуль деформации материала обсадной трубы, кПа; J – момент инерции площади поперечного сечения кольца обсадной трубы на единицу длины, м4/м, определяют по формуле где t – толщина стенки обсадной трубы, м.

D ср – средний диаметр кольца обсадной трубы, определяем по формуле

h

D cp = ( r e + ^ ) ■ ².                             (9)

При выполнении условия неравенства (10) скважина, защищённая обсадной трубой, будет сохранять свою геометрическую неизменяемость, что позволит устроить буронабивную сваю по тем геометрическим параметрам, которые были заложены в проектной документации:

G_r <  S .                                   (10)

Выводы

По описанной выше методике расчёта на прочность обсадной трубы, применяемой для защиты стенок скважины от обрушения в процессе бурения в структурно неустойчивых грунтах, был проведён математический эксперимент, который подтверждает зависимости между геометрическими параметрами скважины (глубина и диаметр) с физико-механическими характеристиками грунта (удельный вес, угол внутреннего трения и модуль деформации) и геометрическими параметрами обсадной трубы (диаметр и толщина стенки) с модулем деформации материала, из которого выполняется обсадная труба. В настоящее время проводятся натурные эксперименты, которые подтверждают выше приведённые положения.