Математическая модель взаимодействия стенок скважины с буровым раствором при устройстве буронабивной сваи Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Оригинальная статья / Original article УДК 624.154.542

DOI: https://d0i.0rg/l 0.21285/2227-2917-2019-4-766-771

Математическая модель взаимодействия стенок скважины с буровым раствором при устройстве буронабивной сваи

© Д.В. Попов, Е.В. Савинова

Самарский государственный технический университет, г. Самара, Россия

Резюме: Цель работы заключается в формировании новой методики расчета на устойчивость стенок буровой скважины, выполняемой под защитой бурового раствора, в структурно неустойчивых или обводненных грунтах, при устройстве буронабивных свай, с последующей задачей определения необходимых характеристик буровых растворов применительно к различным инженерно-геологическим условиям. Конечным результатом работы видится снижение стоимостных показателей при устройстве рассматриваемого типа фундаментов за счет четко сформированных требований, предъявляемых к характеристикам современных буровых растворов, а также улучшение характеристик и качеств существующих буровых растворов. Представляемая методика позволяет до начала буровых работ на строительной площадке, а именно при производстве проектных работ, оптимально подобрать буровой раствор по своим характеристикам, обеспечивающий геометрическую целостность скважины при ее изготовлении и, соответственно, геометрическую точность буронабивной сваи, параметры которой будут заложены в проектной документации и затем реализованы в условиях строительства. В ходе работы рассматривали грунтовый массив в зоне буровой скважины путем выделения конечного элемента в грунте. Определяли напряжения, которые могут возникнуть в грунте при бурении скважины, а также давление от бурового раствора, оказывающее свое влияние на сформировавшиеся стенки скважины при производстве работ. Проведенный математический эксперимент подтвердил предположение авторов статьи о наличии взаимосвязи между геометрическими характеристиками скважины для будущей буровой сваи и характеристикой удельного веса бурового раствора, применяемого для устройства скважины.

Ключевые слова: буронабивная свая, бурение скважины, буровой раствор, массив грунта, стенки скважины, поверхность скольжения грунта, нормальные напряжения, потеря устойчивости стенок грунта

Информация о статье: Дата поступления 27 сентября 2019 г.; дата принятия к печати 25 октября 2019 г.; дата онлайн-размещения 31 декабря 2019 г.

Для цитирования: Попов Д.В., Савинова Е.В. Математическая модель взаимодействия стенок скважины с буровым раствором при устройстве буронабивной сваи. Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2019;9(4):766-771. https://doi.org/10.21285/2227-2917-2019-4-766-771

A mathematical model of interaction between the well walls and the drilling fluid during bored pile installation

Dmitry V. Popov, Elena V. Savinova

Samara State Technical University, Samara, Russia

Abstract: The aim of the work consists in formulating a new methodology for calculating the wall stability of a borehole performed during the installation of bored piles under the protection of the drilling fluid in structurally unstable or flooded soils with the subsequent determination of the essential characteristics for drilling fluids in relation to various engineering and geological conditions. The results of the work can be used for decreasing the cost of constructing the foundation type under consideration due to clearly defined requirements for the characteristics of contemporary drilling fluids. In addition, the characteristics and qualities of existing drilling fluids can be improved. Prior to commencing drilling operations at the construction site, namely during design work, the methodology presented allows for an optimal selection of the drilling fluid according to its characteristics, ensuring both the geometric integrity of the well during its manufacture and accuracy of the bored pile. The parameters of the bored pile should be included in the design documentation and implemented under construction conditions. In the course of the work, the soil mass in the borehole

Том 9 № 4 2019

Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 766-771 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 9 No. 4 2019 _pp. 766-771

ISSN 2227-2917

zone was examined by finite element method. Stresses emerging in the soil as a result of drilling were determined, as well as the drilling fluid pressure affecting the formed walls of the well. The conducted mathematical experiment allowed the authors to confirm their assumption on the relationship between the geometric characteristics of the well for the future pile and the specific gravity of the drilling fluid.

Keywords: bored piles, well drilling, drilling mud, soil, borehole wall, the sliding surface of the soil, normal stress, buckling of the walls of the ground

Information about the article: Received September 27, 2019; accepted for publication October 25, 2019; avail-able online December 31, 2019.

For citation: Popov DV, Savinova EV. A mathematical model of interaction between the well walls and the drilling fluid during bored pile installation. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2019;9(4):766-771. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/2227-2917-2019-4-766-771

Введение

Значительные площади территории России покрыты водой (реки, озёра, болота и т.д.) и, соответственно, представлены обводнёнными слабыми основаниями. Возведение зданий или сооружений на таких основаниях выполняется с применением свайных фундаментов. Сваи, проходя слабую толщу грунтов, своей пятой опираются на более прочные основания [1-4]. В большинстве случаев при возведении фундаментов применяются буро-набивные сваи, под которые бурение скважин невозможно выполнить без мероприятий по удержанию стенок от обрушения [3, 5-7]. Одним из способов по защите стенок скважин от обрушения является технология бурения под защитой бурового раствора [8, 9]. При этом следует отметить, что в настоящее время отсутствует методика расчета на устойчивость стенок буровой скважины, выполняемой под защитой бурового раствора и, соответственно, физические характеристики бурового раствора не рассчитывались.

Методы

Предлагаемая методика расчета позволяет не только определить напряжения в массиве грунта вокруг скважины, но и вычислить необходимые физические характеристики бурового раствора, применяемого при бурении.

Напряжение в массиве грунта вокруг скважины а можно определить как давление грунта на подпорную стену (рисунок) при допущении плоской поверхности скольжения по формуле (1) [10, 11]:

о = у ■ z ■ tg2 (45° - Щ

(1)

где у - удельный вес грунта, кН/м ; z - глубина рассматриваемой точки от планировочной отметки грунта, м; ф - угол внутреннего трения, град.

Для упрощения дальнейшего расчета, 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 гв и минимальным наружным радиусом гн, образованным поверхностью скольжения грунта в самой нижней точке грунтового элемента, который можно вычислить по следующей формуле:

= tga ■ z = tg(45° -1) ■ z

(2)

где а - угол наклона к вертикали поверхности скольжения; z - расстояние от планировочной отметки грунта до нижней отметки грунтового элемента, м.

В процессе бурения в массиве грунта окружающего скважину будут расти напряжения [12, 13] и на определённом этапе стенки скважины потеряют устойчивость и произойдет обрушение скважины [14, 15]. В численном значении обрушение произойдет в тот момент, когда напряжения в окружающем массиве грунта превысят жесткость кольца поперечного сечения грунтового элемента, которую можно вычислить по следующей формуле (3):

»

ср

где Е - модуль деформации грунта, кПа; J - момент инерции площади поперечного сечения грунтового кольца на 1п.м. длины, м4; Dср - средний диаметр кольца, м.

Момент инерции J определяем по формуле (4):

3 = — (4)

12

h - толщина стенки грунтового элемента, м.

Средний диаметр кольца Dср определяем по формуле (5):

h

оср = (г + 2) *2 (5)

r

н

Том 9 № 4 2019 ISSN 2227-2917

a

Узел A

1

b

1-1

c

Расчетная схема для определения размеров грунтового элемента: a - общий вид рассматриваемой скважины в разрезе; b - укрупненный вид выделенного грунтового элемента; с - сечение в горизонтальной плоскости выеленного грунтового элемента 1 - буровая скважина;2 - грунтовый элемент; 3 - поверхность скольжения Design scheme for determining the size of the soil element: a - general view of the considered well in the section; b - enlarged view of the selected soil element; c - section in the horizontal plane of the paved soil element; 1 - drill hole; 2 - soil element; 3 - sliding surface

ISSN 2227-2917 Том 9 № 4 2019 768 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 766-771 ' 68 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 9 No. 4 2019 _(online)_pp. 766-771

Если в процессе расчета на устойчивость стенок буровой скважины выполняется условие неравенствам > 3, то бурение скважины необходимо вести под защитой бурового раствора. Для удержания стенок скважины от обрушения необходимо создать внутреннее давление, численное значение которого будет выше, чем напряжения а в массиве грунта окружающего скважину, рассчитываемого по формуле 1.

Такое внутреннее давление Р может возникнуть только от собственного веса самого бурового раствора, вычисляемого в любой точке боковой поверхности скважины по следующей формуле:

3 • z ■ у

р _ скв. ! б.р. (6)

и ■1п.м.

где Бскв. - площадь поперечного сечения буровой скважины, м2; z - глубина рассматриваемой точки, в которой определяется давление бурового раствора на стенки скважины, м; у бр. - удельный вес бурового раствора, кН/м3; и - внутренний периметр буровой скважины, м.

Р < 3 (7)

При выполнении условия неравенства

(7) скважина, выполняемая под защитой бурового раствора будет сохранять свою геометрическую неизменяемость, что позволить устроить буронабивную сваю по тем геометрическим параметрам, которые были заложены в проектной документации.

Выводы

По предлагаемой методике рассчитана устойчивость стенок скважины, выполняемой под защитой бурового раствора в структурно неустойчивых или обводнённых грунтах, был проведён математический эксперимент, который подтверждает зависимость между геометрическими параметрами скважины (диаметр и глубина) и удельным весом бурового раствора.

Данная методика в будущем позволит изготавливать буровые растворы, параметры которых будут точно соответствовать как геометрическим параметрам скважины, так и физико-механическим характеристикам грунтов, в которых бурятся скважины для устройства бу-ронабивных свай, последнее приведет к удешевлению производства подобных растворов.

В настоящее время ведется подготовка к проведению натурных экспериментов, которые позволят подтвердить выше приведённые положения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Борозенец Л.М., Ушакова Е.А. Экспериментально-теоретическое исследование несущей способности основания буровых свай // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2016. Т. 16. № 2. С. 5-10.

2. Попов В.П., Попов Д.В., Давиденко А.Ю. Конструкция и технология устройства уширенной пяты сваи фундаментов гидротехнических сооружений // Научное обозрение. 2015. № 7 (428).

3. Попов В.П., Попов Д.В., Давиденко А.Ю. Безотходная технология устройства свайных фундаментов гидротехнических сооружений и их конструктивное решение // Научное обозрение. 2015. № 3. С. 127-130.

4. Спрыжков А.М. Особенности расчёта подпорных стен и буронабивных свай // Строительный вестник Российской инженерной академии: сб. трудов конф. (г. Москва, 25-26 мая 2009 г.). М.: Российская инженерная академия; 2009. Вып.10. С. 201.

5. Косоруков И.И. Проектирование и устройство свайных фундаментов: набивные сваи в скважинах, образованных без выемки грунта [Электронный ресурс] // GlavFundament.ru. URL: http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-45/16.htm (09.01.2018).

6. Леонтьев А.И., Мальцев А.В. Повышение

несущей способности буронабивных свай, путем подачи бетонной смеси под избыточным давлением и ее вибрирования // XLII Самарская областная студ. науч. конф. (г. Самара, 12-22 апреля 2016 г.). Ч.1: Общественные, естественные и технические науки. Самара, 2016. С. 91-92.

7. Скопинцев Д.Г. Повышение несущей способности буронабивных свай путем цементации околосвайного пространства // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика: материалы 62-й Всероссийской науч.-техн. конф. по итогам НИР СГАСУ за 2004 г. (г. Самара, 12-14 апреля 2005). Самара: Самарский государственный архитектурно-строительный университет, 2005. С. 446-448.

8. Леонтьев А.И., Исаев В. И., Мальцев А.В. Разработка эффективного способа повышения несущей способности буронабивной сваи // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительство: сб. статей. Самара: Самарский государственный архитектурно-строительный университет, 2016. С. 206-210.

9. Мальцев А.В., Юрченко Ю.И., Скопинцев Д.Г. Эффективные технологии устройства буронабивных свай // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика: материалы 62-й Всероссий-

Том 9 № 4 2019 ISSN 2227-2917

ской науч.-техн. конф. По итогам НИР СГАСУ за 2004 г. (г. Самара, 12-14 апреля 2005). Самара: Самарский государственный архитектурно-строительный университет, 2005. С.443-445.

10. Мангушев Р.А., Знаменский В.В., Готман А.Л., Пономарев А.Б. Сваи и свайные фундаменты. Конструкции, проектирование и технологии. 2-е изд. М.: Изд-во АСВ, 2018. 320 с.

11. Леонтьев А.И., Мальцев А.В., Исаев В.И. Оценка несущей способности вибронабивных свай с нижним опорным уширением по результатам физического эксперимента на моделях в лотке // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: сб. статей. Самара: Самарский государственный технический университет, 2017. С. 307-310.

12. Волосухин В.А., Дыба В.П., Евтушенко С.И. Расчет и проектирование подпорных стен гидротехнических сооружений. М.: Изд-во АСВ, 2008. 97 с.

13. Мецкер К.А., Мальцев А.В. Оценка влияния параметров системы «Основание-Фундамент»

на распределение напряжений в грунтовом массиве под действием равномерно распределенной полосовой нагрузки // Приоритетные направления развития науки и образования: материалы XI Международной науч.-практ. конф. (. Чебоксары, 27 ноября 2016 г.). В 2 т. Т. 1. Чебоксары: ЦНС «Интерактив плюс», 2016. С. 76-77. https://doi.org/10.21661/r-115289

14. Мальцев А.В., Заяц О.В. Исследование напряжённо-деформированного состояния системы «основание-сооружение» на основе численного моделирования // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре: материалы 71-й Всероссийской науч.-техн. конф. по итогам НИР (г. Самара, 7-11 апреля 2014 г.). Самара: Самарский государственный архитектурно-строительный университет, 2014. С. 903-906.

15. Гайдаров М.М-Р., Бельский Д.Г. Устойчивость глинистых пород при строительстве скважин: обзорная информация. М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2014. 100 с.

REFERENCES

1. Borozenets LM, Ushakova EA. An experimental-theoretical study of the bearing capacity of the foundation of drilling piles. Bulletin of the South Ural State University. Series: Construction and architecture. 2016;16(2):5-10. (In Russ.).

2. Popov VP, Popov DV, Davidenko AYu. Design and technology of arrangement of the widened heel of the pile of foundations of hydraulic structures. Nauchnoe obozrenie = Scientific review. 2015;7:162-164. (In Russ.).

3. Popov VP, Popov DV, Davidenko AYu. Waste-free technology of arrangement of pile foundations of hydraulic structures and their structural solution. Nauchnoe obozrenie = Scientific review. 2015;3:127-130. (In Russ.).

4. Sprinzhkov AM. Peculiarities of calculation of retaining walls and drilling piles. Construction Gazette of the Russian Engineering Academy: works of the Construction section. 2009;10:201. (In Russ.).

5. Kosorukov II. Design and arrangement of pile foundations: packed piles in wells formed without excavation. GlavFundament.ru. Available from: http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-45/16.htm [Accessed 09 January 2018]. (In Russ.).

6. Leontiev AI, Maltsev AV. Increasing the bearing capacity of drilling piles, by supplying concrete mixture under overpressure and vibrating it: XLII Samarskaya oblastnaya stud. nauch. konf.= XLII Samara regional student scientific conference (Samara, April 12-22, 2016). Part 1: Social, natural and technical Sciences. Samara; 2016. p. 91-92. (In Russ.).

7. Skopintsev DG. Increasing the bearing capacity of drilling piles by cementing near-ground

ISSN 2227-2917 770 (print) ' ' 0 ISSN 2500-1 _(online)

space//Current problems in construction and architecture. Education. Science. Practice: materials 62 All-Russian. scientific- tekhn conference. Following the NIR. Part II. Samara: Samara state University of architecture and civil engineering; 2005. p. 446-448. (In Russ.).

8. Leontiev AI, Isayev VI, Maltsev AV. Development of an effective method Increasing bearing capacity of drilling pile. Traditsii i innovatsii v stroitel'stve i arkhitekture. Stroitel'stvo: sbornik statei = Traditions and innovations in Construction and architecture. Construction: collection of articles. Samara: Samara State University of Architecture, Building and Civil Engineering; 2016. p. 206-210. (In Russ.).

9. Maltsev AV, Yurchenko YuI, Skopintsev DG. Effective technologies of drilling piles arrangement. Current problems in construction and architecture. Education. Science. Practice: materials 62 All-Russian. scientific- tekhn conference. Following the NIR. Part II. Samara: Samara state University of architecture and civil engineering; 2005. p. 443-445. (In Russ.).

10. Mangushev RA, Znamensky VV, Gotman AL, Ponomarev AB. Piles and pile foundations. Structures, design and technology. 2nd ed. Moscow: Publishing House of the Association of construction universities, 2018. 320 p. (In Russ.).

11. Leontiev AI, Maltsev AV, Isayev VI. Assessment of bearing capacity of vibration-packed piles with lower support widening by results of physical experiment on models in tray. Traditions and innovations in construction and architecture: collection of articles. Samara: Samara State Technical University; 2017. p. 307-310. (In Russ.).

Том 9 № 4 2019

с. 766-771 Vol. 9 No. 4 2019 pp. 766-771

Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate

12. Volosukhin VA, Dyba VP, Evtushenko SI. Calculation and design of retaining walls of hydraulic structures. M.: Publishing House of the Association of Construction Universities; 2008. 97 p. (In Russ.).

13. Metsker KA, Maltsev AV. Impact assessment of "Foundation - Concrete" system parameters on the stress distribution in a soil body under the weight of equally spaced strip load. Priority directions of scienceand education development. 2016;1(2):76-77. Cheboksary: SCC "Interaktiv plus".(In Russ.) https://doi.org/10.21661/r-115289 (In Russ.).

14. Maltsev AV, Zayats OV. Investigation of the

stress-strain state of the system "Foundation-construction" on the basis of numerical modeling. Traditsii i innovatsii v stroitel'stve i arkhitekture: materialy 71-i Vserossiiskoi nauch.-tekhn. konf. po itogam NIR = materials of the 71st all-Russian scientific conference.-tech. conf. according to the results of research (Samara, 7-11 April, 2014). Samara: Samara state University of architecture and civil engineering; 2014. p. 903-906. (In Russ.).

15. Gaidarov M.M.-R., Belsky D.G. Stability of clay rocks during well construction: overview: Moscow: Gazprom VNIIGAZ; 2014. 100 p. (In Russ.).

Критерии авторства

Попов Д.В., Савинова Е.В. имеют равные авторские права. Попов Д.В. несет ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Сведения об авторах

Попов Дмитрий Валериевич,

кандидат технических наук,

доцент кафедры инженерной геологии,

оснований и фундаментов,

Самарский государственный технический

университет,

443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Россия,

e-mail: popov38@eandex.ru

ORCID: http://orcid.org/0000-0002-3920-3919

Савинова Елена Владимировна,

Старший преподаватель кафедры инженерной геологии, оснований и фундаментов, Самарский государственный технический университет,

443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Россия,

Se-mail: slenax@yandex.ru

ORCID: http://orcid.org/0000-0001-7155-2281

Contribution

Popov D.V., Savinova E.V. have equal author's rights. Popov D.V. bears the responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.

The final manuscript has been read and approved by all the co-authors.

Information about the authors

Dmitry V. Popov,

Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Engineering Geology, Foundations,

Samara State Technical University,

244 Molodogvardeyskaya St., Samara 443100,

Russia,

e-mail: popov38@eandex.ru

ORCID: http://orcid.org/0000-0002-3920-3919

Elena V. Savinova,

Senior Lecturer of the Department of Engineering

Geology, Foundations,

Samara State Technical University,

244 Molodogvardeyskaya St., Samara, 443100,

Russia,

He-mail: slenax@yandex.ru

ORCID: http://orcid.org/0000-0001-7155-2281

Том 9 № 4 2019 ISSN 2227-2917