CC BY
20
Оригинальная статья / Original article УДК 624.154.542
DOI: https://d0i.0rg/l 0.21285/2227-2917-2020-2-258-263
Методика расчета устойчивости стенок скважины в слабых глинистых основаниях
© Д.В. Попов
Самарский государственный технический университет, г. Самара, Россия
Резюме: Цель - разработка методики расчета устойчивости стенок буровой скважины в слабых глинистых основаниях при устройстве буронабивных свай, а также в определении критериев, указывающих на необходимость применения или не применения обсадных труб для сохранения геометрической целостности скважины. Конечным результатом работы автор видит снижение стоимостных показателей при устройстве буронабивных свай за счет четко сформированных требований, предъявляемых к геометрическим и прочным характеристикам обсадной трубы, которые будут заложены в проектной документации и затем реализованы на строительной площадке. Представленная методика позволяет до начала работ по бурению скважины на стадии проектирования определить необходимость применения обсадной трубы и, в случае ее применения, вычислить величину обжимающего давления, по которому можно будет производить подбор сечения по геометрическим и прочностным параметрам, обеспечивающим геометрическую целостность скважины. В ходе работы рассматривали грунтовый массив вокруг буровой скважины, определяли критичный радиус на дневной поверхности грунта, при котором происходит потеря устойчивости стенок скважины, после чего определялась геометрическая форма потерявшего устойчивость грунта, его вес и, соответственно, давление в любой точке на внешней поверхности обсадной трубы. Проведенный математический эксперимент позволяет ввести критерий о необходимости применения или не применения обсадной трубы при производстве работ по бурению скважин под сваи, а также подтверждает предположение автора статьи о наличии взаимосвязи между геометрическими характеристиками скважины и физико-механическими характеристиками массива грунта, в котором осуществляется бурение скважины для последующего устройства в ней буронабивной сваи.
Ключевые слова: буронабивная свая, бурение скважины, обсадная труба, геометрическая целостность скважины, устойчивость стенок скважины, обжимающее давление, слабые глинистые основания, бытовые и касательные напряжения
Информация о статье: Дата поступления 27 марта 2020 г.; дата принятия к печати 29 апреля 2020 г.; дата онлайн-размещения 30 июня 2020 г.
Для цитирования: Попов Д.В. Методика расчета устойчивости стенок скважины в слабых глинистых основаниях. Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2020;10(2):258-263. https://doi.org/10.21285/2227-2917-2020-2-258-263
Methodology for calculating the stability of borehole walls in soft clay bases Dmitry V. Popov
Samara State Technical University, Samara, Russia
Abstract: The study is aimed at developing a methodology for calculating the stability of walls of boreholes in soft clay bases during the bored pile installation, as well as determining the criteria for maintaining the geometric integrity of the borehole. As a result of the study, leading to clearly-defined requirements for the geometric and strength characteristics of the casing with the prescription in the design documentation and further implementation at the construction site, a reduction in cost indicators for the installation of bored piles is obtained. The presented methodology demonstrates the necessity of applying casing prior to drilling a borehole and, if applicable, for calculating the amount of compressive pressure for selecting the cross section according to the geometric and strength parameters ensuring geometric integrity. In the course of the study, the soil mass around the borehole was examined along with a determination of critical radius of the soil to specify the loss of borehole wall stability. Next, the geometric shape of the unstable soil, its weight and, correspondingly, pressure at any point on the outer surface of the casing was determined. The conducted mathematical experiment allows the introduction of a criterion for possible casing application in pile borehole drilling, as well as justifying the assumption concerning a relationship between the geometric characteristics
Том 10 № 2 2020
Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 258-263 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 2 2020 _pp. 258-263_
ISSN 2227-2917
258 (PRINT)
250 ISSN 2500-154X (ONLINE)
of the borehole and the physicomechanical characteristics of the surrounding soil mass for the subsequent installation of the bored pile.
Keywords: drilling pile, well drilling, casing pipe, geometric integrity of the well, stability of the well walls, compressive pressure, weak clay bases, household and tangential stresses
Information about the article: Received March 27, 2020; accepted for publication April 29, 2020; avail-able online June 30, 2020.
For citation: Popov DV. Methodology for calculating the stability of borehole walls in soft clay bases. Izves-tiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2020;10(2):258-263. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/2227-2917-2020-2-258-263
Введение
Значительная часть территории России сложена слабыми глинистыми грунтами из-за высокого уровня грунтовых вод, снижающими прочностные характеристики оснований. Возведение зданий и сооружений на таких основаниях в большинстве случаев осуществляется с применением фундаментов на буронабив-ных сваях [1-3]. Бурение скважин под такие сваи осуществляют под защитой обсадных труб, обеспечивающих целостность геометрии скважины до начала бетонирования.
В настоящее время в качестве обсадных труб применяются стальные трубы разного назначения и типа изготовления. Применение таких труб на сегодняшний момент является экономически и технологически затратным. Помимо дороговизны самих стальных труб необходимо учесть затраты на их доставку на строительную площадку тяжелым транспортом, иметь погрузочно-разгрузочную технику, значительную площадь складирования, что не всегда реализуемо в стесненных городских условиях, а также требует привлечения большого количества квалифицированных рабочих нескольких специальностей [4].
Современное строительство постоянно стремится сокращать экономические затраты путем внедрения современных материалов и технологий без потери качества. Одним из этапов удешевления строительства стала замена стали на пластмассы, что требует, в свою очередь, пересмотра или корректировки существующих методик расчетов несущих строительных конструкций. При этом следует учитывать, что существуют металлические конструктивные элементы, у которых до сих пор отсутствуют методики расчета по деформациям или несущей способности, т.е. геометрические параметры которых назначаются по конструктивным соображениям, что осложняет перспективу замены металлов на другие современные материалы. Одним из таких элементов является обсадная труба, применяемая для сохране-
ния целостности геометрии скважины до начала бетонирования тела сваи. Следует также отметить, что на сегодняшний момент отсутствуют и какие-либо критерии, указывающие на необходимость применения/не применения обсадных труб в тех или иных грунтах при бурении скважин [1-15].
Обсадная труба, сохраняя геометрическую целостность скважины, в слабых глинистых основаниях подвергается всестороннему наружному давлению от обжатия ее грунтом, при этом следует отметить отсутствие каких-либо методик по определению таких давлений, что, в свою очередь, делает невозможным расчет по предельным состояниям самих обсадных труб, изготовленных из тех или иных материалов [5].
На первом этапе разработки методики расчета обжимающих обсадную трубу давлений необходимо понимать, по каким очертаниям происходит сползание слабого глинистого грунта в буровую скважину [6]. Для этого была проведена серия лабораторных экспериментов в лотке, по результатам которых установлено, что форма сползания грунта представлена полым усеченным в вершине конусом (рисунок). Полостью в описанном конусе является непосредственно сама буровая скважина.
Методы
Предлагаемая методика расчета позволяет определить не только критерий применения обсадной трубы, но и давление грунта в любой точке на наружной поверхности обсадной трубы, используемой при бурении скважины.
Устойчивость стенок скважины будет соблюдаться до того момента, пока бытовые напряжения а в массиве обрушающегося грунта не превысят касательные напряжения по поверхности скольжения:
<х<г (1)
где Т - касательное напряжение.
Том 10 № 2 2020 ISSN 2227-2917
с. 258-263 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) 259 Vol. 10 No. 2 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2600-164X 259 pp. 258-263_(online)_
Форма обрушения грунта буровой скважины The form of a drilling well's ground collapse
Согласно закону Кулона [7] сопротивление сдвигу связанных грунтов определяется по формуле
где tgty - тангенс угла внут ре н н е го т р е ния грунта; с - удельное сцепление грунта, кПа.
За бытовое напряжение принимаем вес обрушающегося грунта по площади скольжения:
F
Л = - (3)
А
где F - вес грунта обрушения, кН, определяется как вес полого усеченного в вершине грунтового конуса (рисунок) по формуле:
,
3 (4> где YsP - удельный вес грунта, кН/м ; кон - объ-
ем усеченного конуса (рисунок), м3 ется по формуле:
вычисля-
KiOH 2 ^
П ' - НУ -:- у '), (5)
где г - радиус буровой скважины, м; Я - радиус обрушения грунта стенок скважины на дневной поверхности земли, м; Н - глубина буровой скважины, м.
Ускв - объем скважины (рисунок), м3, определяется по формуле:
Уат=к-г2-Н, (6)
где г - радиус буровой скважины, м; Н - глубина буровой скважины, м.
Подставляя формулы (5) и (6) в выражение (4), получим:
2 +Rr + r2)_3r2)yYrv = - - - :■■.!-. .
(7)
При потере устойчивости стенки скважины площадь поверхности скольжения грунта (А, м2) вычисляется по формуле:
где L - длина внешней поверхн ости усе ч е нного конуса (рисунок), м, вычисляемого по формуле (теорема Пифагора):
~гУ+Н\ (9)
где г - радиус буровой скважины, м; Я - радиус обрушения грунта стенок скважины на дневной поверхности земли, м; Н - глубина буровой скважины, м.
Подставляя формулу (9) выражение (8), получим:
+ г).
2 „
(10)
Подставляя формулы (7) и (10) в выражение (3), получим:
тр
- г)2 + Н2 •
+ Rr - 2г2]
+ г)
гр
(11)
где г - радиус буровой скважины, м; Я - радиус обрушения грунта стенок скважины на дневной поверхности земли, м; Н - глубина буровой скважины, м; Yгр - удельный вес грунта, кН/м3.
Выводы
Приведенная математическая модель
ISSN 2227-2917 Том 10 № 2 2020
260 (PRINT) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 258-263
ISSN 2500-154X (ONLINE) Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 10 No. 2 2020 pp. 258-263
позволяет ввести критерий о необходимости применения или не применения обсадной трубы при производстве работ по бурению скважин под сваи.
В случае применения обсадной трубы описанная методика расчета позволяет определить критичный радиус R на дневной поверхности грунта, при котором происходит по-
теря устойчивости грунта стенок скважины, а также определить геометрическую форму потерявшего устойчивость грунта, его вес и обжимающее давление в любой точке на наружной поверхности обсадной трубы для последующего расчета последней на геометрическую изменяемость поперечного сечения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Попов В.П., Попов Д.В., Давиденко А.Ю. Конструкция и технология устройства уширенной пяты сваи фундаментов гидротехнических сооружений // Научное обозрение. 2015. № 7 (428). C. 162-164.
2. 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/spravochnik45/16.htm (09.01.2018).
3. 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. ст. Самара: Самарский государственный архитектурно-строительный университет, 2016. С. 206-210.
4. 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. ст. Самара: Самарский государственный технический университет, 2017. С.307-310.
5. Мальцев А.В., Юрченко Ю.И., Скопинцев Д.Г. Эффективные технологии устройства бу-ронабивных свай // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика: матери-алы 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. 443-445.
6. Скопинцев Д.Г. Повышение несущей способности буронабивных свай путем цементации око-лосвайного 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.
7. Цытович Н.А. Механика грунтов: Полный курс. Изд. 5-е. М.: ЛЕНАНД, 2014. 640 с.
8. Мецкер К.А., Мальцев А.В. Оценка влияния
Том 10 № 2 2020
с. 258-263 Vol. 10 No. 2 2020 _pp. 258-263
параметров системы «Основание - Фундамент» на распределение напряжений в грунтовом массиве под действием равномерно распределенной полосовой нагрузки // Приоритетные направления развития науки и образования: материалы XI Междунар. науч.-практ. конф. (г.Чебоксары, 27 ноября 2016 г.). В 2 т. Т. 1 / Под ред. О.Н. Широков [и др.]. Чебоксары: ЦНС «Интерактив плюс», 2016. С. 76-77.
9. Волосухин В.А., Дыба В.П., Евтушенко С.И. Расчет и проектирование подпорных стен гидротехнических сооружений. М.: АСВ, 2008. 96 с.
10. Заяц О.В., Мальцев А.В. Исследование напряженно-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 2013 г. (г. Самара, 07-11 апреля 2014 г. 2014. С. 903-906.
11. 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.
12. 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.
13. Спрыжков А.М. Особенности расчета подпорных стен и буронабивных свай // Строительный вестник Российской инженерной академии: труды секции Строительство. 2009. Вып.10. С. 201.
14. Попов Д.В., Савинова Е.В. Математическая модель взаимодействия стенок скважины с буровым раствором при устройстве бурона-бивной сваи // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2019. Т. 9. № 4 (39). С. 766-771. https://doi.org/10.21285/2227-2917-2019-4-766-771
15. Попов Д.В., Савинова Е.В. Метод расчета устойчивости стенок буровой скважины при устройстве буронабивных свай // ^nstmction and Geotechnics. 2020. Т. 11. № 1. С. 62-67.
ISSN 2227-2917
(print) 261 N 2500-154X 26 1 (online)_
Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate
REFERENCES
1. 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.).
2. Kosorukov II. Design and arrangement of pile foundations: packed piles in wells formed without excavation. GlavFundament.ru. Available at:: http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-45/16.htm [Accessed 09 January 2018]. (In Russ.).
3. Leontiev AI, Isayev VI, Maltsev AV. Development of an effective method of Increasing bearing capacity of drilling pile. Traditsii i innovatsii vstroitel'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.).
4. 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.).
5. 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-technological conference. Following the NIR. Part II. Samara: Samara state University of architecture and civil engineering; 2005. p. 443-445. (In Russ.).
6. Skopintsev DG. Increasing the bearing capacity of drilling piles by cementing near-ground space. Current problems in construction and architecture. Education. Science. Practice: materials 62 All-Russian scientific-technological conference. Following the NIR. Part II. Samara: Samara state University of architecture and civil engineering; 2005. p. 446-448. (In Russ.).
7. Tsytovich NA. Soil Mechanics: Full course. Prod. 5th. Moscow: LENAND; 2014. 640 p.
8. 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
9. Volosukhin VA, Dyba VP, Evtushenko SI. Calculation and design of retaining walls of hydraulic structures. Moscow: Publishing House of the Association of Construction Universities; 2008. 97 p. (In Russ.).
10. Zayats OV, Maltsev AV. Study of the stressed-deformed state of the base-structure system on the basis of numerical modeling. Traditions and innovations in construction and architecture: materials of the 71st All-Russian Scientific and Technical Conference following the results of NIR 2013. Samara, 2014. P. 903-906.
11. 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. Part 1: Social, natural and technical sciences. 1222 April 2016, Samara. Samara; 2016. p. 91-92. (In Russ.).
12. Popov VP, Popov DV, Davidenko AYu. Wastefree technology of arrangement of pile foundations of hydraulic structures and their structural solution. Nauchnoe obozrenie = Scientific review. 2015;3:127-130. (In Russ.).
13. 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.).
14. Popov DV, Savinova EV. A mathematical model of interaction between the well walls and the drilling fluid during bored pile installation. Iz-vestiya vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhi-most' = 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
15. Popov DV, Savinova EV. Method for calculating the stability of the walls of a drilling well when installing bored piles. Construction and Geotech-nics. 2020;11(1):62-67. (In Russ.).
Критерии авторства
Contribution
Попов Д.В. полностью подготовил статью и несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Popov D.V. has prepared the article for publication and is responsible for plagiarism.
Conflict of interests
Автор заявляют об отсутствии конфликта интересов.
The author declares that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
ISSN 2227-2917
(PRINT) ISSN 2600-164X (ONLINE)
Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate
Том 10 № 2 2020
с. 268-263 Vol. 10 No. 2 2020 pp. 268-263
Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.
Сведения об авторе
Попов Дмитрий Валериевич,
кандидат технических наук,
доцент кафедры инженерной геологии,
оснований и фундаментов,
Самарский государственный технический
университет,
443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Россия,
Ие-таИ: popov38@уandex.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3920-3919
The final manuscript has been read and approved by the author.
Information about the author
Dmitry V. Popov,
Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of Engineering Geology, Bases and Foundations, Samara State Technical University, 244, Molodogvardeyskaya St., Samara 443100, Russia,
He-mail: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3920-3919
Том 10 № 2 2020 ISSN 2227-2917
с. 258-263 Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость (print) 263 Vol. 10 No. 2 2020 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate ISSN 2500-154X 263 pp. 258-263_(online)_
