АКТУАЛЬНОСТЬ
Уровень современной строительной техники весьма высок и строительство инженерных сооружений возможно практически на любых грунтах. Но недостаточное изучение инженерно-геологических условий приводит в дальнейшем к неоднородным просадкам в разных частях здания, появлению трещин, кренов, аварийных ситуаций и, как следствие, полному разрушению зданий.
Отсюда следует, что первым и наиболее важным этапом работ, обеспечивающим успешное строительство, являются инженерно-геологические изыскания.
Целью инженерно-геологических изысканий является 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.
Основной вид работ при инженерно-геологических изысканиях в строительстве — бурение скважин. К числу наиболее важных задач проходки буровых скважин при инженерных изысканиях относятся изучение геологического разреза и определение физико-механических свойств грунтов.
Физико-механические свойства грунта при бурении инженерно-геологических скважин необходимо знать достоверно, так как эти свойства определяют условия и технологию строительства инженерных сооружений. Поэтому проба грунта, взятая для определения этих свойств, должна быть повреждена минимально и обеспечивать максимальное соответствие физико-механических свойств свойствам слоев, из которых эта проба отобрана.
Отбор проб (монолитов) при инженерно-геологическом бурении проводится с помощью специальных устройств – грунтоносов (пробоотборников). Для исследований был выбран ударный способ погружения пробоотборника в грунт, который является самым распространенным и перспективным способом на сегодняшний день.
Наряду со способом погружения пробоотборника в грунт большое влияние на получение достоверной пробы грунта оказывает способ срыва и надежность удержания монолита при подъеме на поверхность.
Поэтому данная работа направлена на исследование процесса отбора проб при забивном способе и выбор оптимальной конструкции керноприемной части пробоотборника ударного типа.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
Целью данной магистерской работы является разработка конструкции керноприемной части пробоотборника ударного типа, которая обеспечит отбор максимально качественной пробы грунта.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
- определить экспериментальным путем надежность срыва керна известными видами кернорвателей;
- определить периферийную зону нарушения монолита математическим путем и по данным эксперимента;
- с использованием математических расчетов определить глубину разрушения верхней части монолита;
- по полученным данным выбрать оптимальную конструкцию кернорвателя.
ПРЕДПОЛОГАЕМАЯ НАУЧНАЯ НОВИЗНА
В ходе выполнения работы экспериментальным и математическим путем будет определена периферийная зона нарушения монолита при использовании различных конструкций кернорвателей. Следовательно, будут даны рекомендации по минимально допустимому диаметру отбираемой пробы в каждом конкретном случае.
С использованием математических расчетов будет определена глубина разрушения верхней части монолита и, следовательно, даны рекомендации по минимальной высоте отбираемой пробы.
ПРЕДПОЛОГАЕМАЯ ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
Так как работа направлена на создание конструкции керноприемной части пробоотборника, обеспечивающей максимальное качество отбираемой пробы грунта, то в ходе выполнения работы экспериментальным путем будет выбрана наиболее подходящая модель кернорвательного устройства для заданных условий. Для остальных моделей, которые были опробованы экспериментально, будут даны рекомендации по возможности применения в испытанных условиях.
ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РАЗРАБОТОК
Так как в результате выполнения работы необходимо определить наиболее оптимальную конструкцию керноприемной части пробоотборника ударного типа, поэтому обзор существующих разработок осуществляется в двух направлениях:
- обзор конструкций пробоотборников;
- обзор конструкций кернорвательных устройств.
Обзор конструкций пробоотборников
Для отбора монолитов применяют специальные устройства — грунтоносы (пробоотборники), реализующие в зависимости от вида грунта один из трех способов погружения: обуривающий, вдавливаемый и забивной. Так как для исследований был выбран ударный способ погружения пробоотборника в грунт, то ниже рассмотрены конструкции забивных грунтоносов, которые и являются объектом исследований.
При забивном способе грунтонос погружается при помощи динамического (ударного) воздействия на него. Различают две разновидности ударного погружения — одноударный и многократноударный. В первом случае грунтонос погружается на необходимую величину за один удар, во втором — для погружения грунтоноса необходимо нанести несколько ударов. В последнем случае удары, как правило, наносятся непосредственно по грунтоносу и, как исключение, по верхнему концу бурильных труб (штанг) [1].
Рисунок 1
Несмотря на имеющиеся конструктивные различия забивные грунтоносы и пробоотборники для инженерно-геологического бурения принципиально состоят из бойка, наковальни, керноприемной трубы и башмака (рис.1) [2]. Под действием периодических ударов бойка 1 по наковальне 2 происходит заглубление башмака 4 и керноприемной трубы 3 в разрушаемый грунт. При этом последний в виде столбика керна входит внутрь трубы. Так как грунты, для которых рекомендуется применение забивного способа погружения, преимущественно рыхлые и набухающие, то будет справедливым считать, что керн, несмотря на разность проходных диаметров башмака и керноприемной трубы, будет соприкасаться с внутренней поверхностью трубы. Находящаяся в замкнутом надкерновом пространстве жидкость будет вытесняться через обратный клапан 5 в скважину. Перед каждым последующим ударом бойка керноприемная труба находится в покое.
Рисунок 2
Забивной грунтонос ГК-3 конструкции Гидропроекта (рис. 2) [1].
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 6. 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.
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.
Рисунок 3
Грунтонос конструкции ВСЕГИНГЕО (рис. 3) [3], предназначен для отбора образцов малосвязных сыпучих пород. Грунтонос состоит из керноприемной трубы 1 с башмаком и кернозахватывающим устройством из пластинчатых пружин 2, соединительного ниппеля 3 с наковальней 7 и направляющей трубы 5, в которой перемещается ударник 4, подвешиваемый на канате. Вес ударника изменяется набором штанг по 8—10 кг. Для забивания грунтоноса в рыхлый сыпучий грунт достаточно одной штанги. Если скважина обводнена, то соединяют 2—3 штанги. Опущенный на забой грунтонос забивают на глубину 20—25 см, поднимая ударник на высоту 0,5—0,6 м и свободно сбрасывая несколько раз.
Рисунок 4
Для получения образцов с минимальной деформацией некоторые организации применяют грунтоносы ударного действия с небольшой толщиной башмака. Конструктивно такие грунтоносы представляют собой стакан 5 длиной 25—30 см с острым торцом (рис. 4) [3]. Стакан присоединяется к ударной штанге или колонне бурильных труб и свободно сбрасывается на подготовленный забой. При ударе грунтонос внедряется в мягкую породу на 15—20 см, после чего его извлекают на поверхность. Внедрение грунтоноса в породу при одном ударе не вызывает заметных изменений – деформаций в отобранном монолите, особенно в лёссах и лёссовидных суглинках.
Обзор конструкций кернорвательных устройств
Кернорвательное устройство (кернорватель) – это часть колонкового набора, предназначенная для отрыва керна от массива горной породы и удержания его в колонковой трубе при подъеме бурового снаряда.
Кернорвательные устройства при бурении скважин должны обеспечивать:
- беспрепятственное поступление керна в керноприемную трубу;
- свободный доступ промывочной жидкости к забою скважины;
- надежный срыв и удержание керна при подъеме инструмента.
При бурении инженерно-геологических скважин в мягких неустойчивых породах с использованием пробоотборника ударного типа кернорватели должны обеспечивать:
- беспрепятственное поступление керна в керноприемную часть пробоотборника;
- минимальные повреждения при срыве керна;
- надежный срыв и удержание керна при подъеме инструмента.
При бурении инженерно-геологических скважин в мягких неустойчивых породах следует применять кернорватели, рвательные элементы которых не воздействуют либо минимально воздействуют на керн в процессе бурения, приносят наименьшие деформации при срыве керна, а также надежно захватывают и выносят керн на поверхность.
Рисунок 5
Лепестковый кернорватель (рис.5), разработан В.Н.Комаровым [4]. Применяется при бурении твердосплавными коронками мягких и твердых осадочных пород средней абразивности. В корпусе кернорвателя концентрично расположенно цилиндрическое рвательное кольцо с тремя или четырьмя лепестками, нижние концы которых постоянно контактируют со столбиком породного керна. При бурении лепестки свободно пропускают керн в колонковую трубу, а при подъеме бурового снаряда они задерживают рвательное кольцо на столбике керна и лепестки, входя в конусную проточку буровой коронки, заклинивают в ней керн.
Лепестковый кернорватель имеет корпус 1 и рвательное кольцо 2. В верхней части корпуса выполнена резьба 3 для соединения с колонковой трубой, а в нижней части корпус соединен с буровой коронкой 4. Внутри корпуса в средней его части сделана кольцевая проточка 5, в которой размещено рвательное кольцо, представляющее собой пустотелый цилиндр с несквозными продольными прорезями, образующими лепестки 6. Для лучшего контакта лепестков с породным керном они в нижней части внутренней стороны имеют наплавку твердосплавного материала 7 или рифление в виде резьбы. При бурении рвательное кольцо 2 расположено в верхней части буровой коронки.
При подъеме бурового снаряда и колонкового набора за счет трения лепестков со столбиком керна они входят в кольцевой зазор между керном и конической частью буровой коронки, обжимают керн и задерживают его в коронке. При дальнейшем подъеме бурового снаряда керн отрывается от массива горных пород.
Рисунок 6
Лепестковый кернорватель, используемый в гидроударных снарядах конструкции кафедры ТТГР (рис.6). Кернорватель состоит из кольца, в котором закреплены шесть лепестков. При бурении лепестки отодвигаются столбиком керна и не препятствуют его прохождению в керноприемную часть снаряда. При подъеме снаряда лепестки двигаются вниз (показано на рисунке), врезаются в керн, отрезают его и надежно удерживают. Кернорватель рекомендуется к применению в мягких неустойчивых породах.
Рисунок 7
Рычажковый кернорватель (рис. 7), разработан в Белорусском научно-исследовательском геологоразведочном институте [5].
Кернорватель состоит из корпуса 1 с кольцевой проточкой 2 и окном 3 с крышкой 4, с которым при помощи осей 5 соединено полукольцо б с упорами 7. Центральная часть полукольца 6 выполнена в виде шарнира с осью 8, на которой свободно посажен конец планки 9, в вырезе 10 которой при помощи оси 11 размещен рычажок 12 с пружиной 13.
Под действием входящего в полость колонковой трубы столбика керна полукольцо 6 с планкой 9 и рычажком 12 занимают верхнее положение, не препятствуя вхождению керна. Полукольцо 6, упираясь в верхнюю кромку кольцевой проточки 2, не поднимается выше, причем рычажок 12, повернувшись под действием столбика керна вокруг оси 11, не препятствует вхождению керна в колонковую трубу.
При подъеме инструмента рычажок 12, прижатый пружиной 13 к поверхности керна, врезается в нее и под действием веса столбика керна перемещает вниз планку 9, которая поворачивается вокруг оси 8 и, упираясь свободным концом в крышку 4, поворачивает полукольцо 6 вниз, вокруг осей 5, прижимая его к поверхности керна. Удержание керна при подъеме обеспечивается взаимодействием его с рычажком 12, нижней кромкой полукольца 6 и нижней кромкой кольцевой проточки 2 на корпусе 1 кернорвателя.
Для предотвращения поворота полукольца 6 из нижнего положения в сторону, противоположную рабочей, заклинивающий элемент снабжен упором 7.
Кернорватель обеспечивает захват и надежное удержание керна, диаметр которого имеет непостоянную величину, поэтому рекомендуется для мягких неустойчивых пород.
Рисунок 8
При бурении геологоразведочных скважин в качестве кернорвательного устройства применяется также керноудерживающий уступ (рис.8) (двойной эжекторный колонковый снаряд твердосплавного бурения ЭКС-Т, двойные колонковые снаряды «Донбасс НИЛ») [6]. Кернорватель предназначен для мягких пород (глины, бокситы, слабые угли и др.). Он представляет собой штамп 2, внутренний диаметр которого меньше диаметра выбуриваемого керна на 2—3 мм, поэтому керн при бурении отштамповывается. Отштампованный керн при подъеме удерживается в керноприемной трубе на плечиках штампа.
ПЕРЕЧЕНЬ НЕРЕШЕННЫХ ПРОБЛЕМ И ЗАДАЧ
В настоящее время при бурении инженерно-геологических скважин остается нерешенной задача получения пробы грунта, качество которой обеспечит достоверное определение физико-механических свойств массива. Особые затруднения возникают при определении физико-механических свойств мягких неустойчивых грунтов, которые наиболее подвержены нарушениям в процессе отбора монолитов. При использовании пробоотборников ударного типа нарушаются верхняя торцевая часть и периферийная зона монолита. Существующие пробоотборники, применяемые в мягких неустойчивых грунтах, не обеспечивают надежную защиту монолита. Создание конструкции керноприемной части ударного пробоотборника, обеспечивающей защиту верхней торцевой части монолита от гидроударных нагрузок и защиту его периферийной зоны от механических воздействий кернорвателя значительно повысит качество отбираемой пробы, а, следовательно, достоверность определения физико-механических свойств грунтов.
ПЛАНИРУЕМЫЙ И ПОЛУЧЕННЫЙ РЕЗУЛЬТАТ
В ходе выполнения магистерской работы произведен обзор существующих конструкций пробоотборников и проанализированы причины ухудшения качества проб грунта, отбираемых ударным пробоотборником. Проведены теоретические исследования, в результате которых выбраны кернорватели, обеспечивающие отбор керна без его повреждения, а, следовательно, могут быть использованы в мягких неустойчивых породах, для которых и проводятся исследования.
Планируется провести следующие работы:
теоретические исследования разрушения верхней части монолита под воздействием гидроударных нагрузок и разработка устройства, снижающего эти нагрузки;
экспериментальные и теоретические исследования процесса отбора монолитов ударным способом с использованием выбранных кернорвателей с последующими выводами и рекомендациями.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в результате выполнения магистерской работы будет решена актуальная задача, которая заключается в создании керноприемной части пробоотборника ударного типа, обеспечивающей отбор качественной пробы грунта. Это, в свою очередь, обеспечит точное определение физико-механических свойств грунта и изучение геологического разреза для выбора необходимой технологии строительства.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
Ребрик Б. М. Бурение инженерно-геологических скважин: Справочник. – М.: Недра, 1990. – 336 с.
Рязанов А. Н., Русанов В. А. Определение глубины разрушения верхней части монолита, отбираемого забивным способом. – Донецк: ДонНТУ, 2001. – 5 с.
Сулакшин С. С. Современные способы и средства отбора проб полезных ископаемых. – М.: Недра, 1970. – 248 с.
Шубный А. И. Кернорватели для бурения скважин колонковыми наборами с одинарными трубами. – М., 1979. – 24 с.
А. с. 666269 СССР, МКИ Е 21 В25/00. Кернорватель/ Г. К. Ешимов, Н. Д. Нечаев, В. Я. Площадный, Г. И. Шандалов (СССР). - № 2598634/ 22-03; Заявлено 03.04.78; Опубл. 05.06.79, Бюл. № 21. – 2 с.
Гребенюк А. А. Техника и технология получения керна. – М.: Недра, 1974. – 144 с.