Основные сведения о грунтах и теории бурения

  • Организация бурильно-крановых работ
  • Грунт — обобщенное наименование горных пород, залегающих преимущественно в пределах зоны выветривания земли и являющихся объектом инженерно-строительной деятельности человека.
    Грунты состоят из трех основных фаз: твердой, жидкой и газообразной. К твердой фазе относят минеральные частицы, образующие основу (скелет) грунта. Жидкая фаза представлена главным образом водой, заполняющей полностью или частично поры между минеральными частицами грунта. Поры и пустоты в грунте, не заполненные водой, занимает воздух, представляющий собой газообразную фазу грунта. При промерзании к трем основным фазам грунта добавляется лед. Минеральные частицы, составляющие грунты, различают по крупности (мм): галька и щебень — более 20, гравий и дресва — 2 ... 20, песчаные — 0,05 ... 2, пылеватые — 0,005 ... 0,5, глинистые — менее 0,005.
    Основными составляющими грунта являются песок и глина. Промежуточное положение между ними занимают супеси и суглинки. Все они различаются по содержанию глинистых частиц размером менее 0,005 мм (%): глина — более 30, суглинок — 30 ... 10, супесь — 10 .. 3, песок — менее 3.
    Различные грунты обладают разной способностью сопротивляться воздействию режущего инструмента землеройных, в том числе бурильных и бурильно-крановых машин. Это обусловлено не только составом и содержанием минеральных частиц различных размеров, но и различием их физико-механических свойств.
    К основным свойствам грунтов, характеризующим их сопротивляемость резанию относят прежде всего механическую прочность.
    Механическая прочность — способность сопротивляться разрушению под воздействием внешней нагрузки. Грунты, обладающие большей механической прочностью, создают и большие сопротивления резанию при бурении. Механическая прочность грунтов зависит от их состава, влажности и температуры.
    Плотные (глинистые) грунты обладают большей механической прочностью и соответственно большей сопротивляемостью разрушению, чем пористые (песчаные). С увеличением же влажности грунтов снижается сцепление между их частицами и коэффициент трения. Талые влажные грунты менее прочны, однако при низких отрицательных температурах повышение влажности ведет к увеличению прочности грунтов в связи с ростом объема льдистых фракций и соответственно увеличения сцепления между частицами. Так, при температуре —10° С песок влажностью 18% в 2,5 раза прочнее, чем песок влажностью 11 %, а при 0° С их прочность одинакова. С понижением же температуры и сохранением влажности прочность грунта также повышается.


    Помимо механической прочности на процесс бурения существенное влияние оказывают такие свойства грунтов, как липкость, плывучесть, устойчивость и абразивность.
    Липкость — свойство грунта прилипать к различным материалам. Липкость, которой обладают глинистые грунты большой влажности, осложняет процесс бурения из-за дополнительного сопротивления резанию и транспортированию.
    Плывучесть — свойство грунтов течь при разрушении — характерна для мелкозернистых песков, насыщенных водой, а также сильно увлажненных глин, иногда называемых плывунами. Бурение таких грунтов затруднительно, так как под воздействием инструмента может происходить их смещение без разрушения сплошности.
    Устойчивость — свойство грунтов сохранять форму и размеры скважин. Неустойчивы слабо связанные сухие мелкозернистые пески. В таких грунтах, а также в плывунах возникает необходимость вести бурение скважин с креплением их стенок обсадными трубами или глинистым раствором.
    Абразивность — способность изнашивать режущий инструмент при трении. Мерой абразивности при бурении является изменение веса или линейного размера режущих элементов бурильного инструмента на единицу глубины скважины.
    Наибольшей абразивностью обладают мерзлые пески, минимальной — глины. При бурении в абразивных грунтах возникает значительный износ режущих кромок бурильного инструмента и соответственно их затупление, что приводит к повышению сопротивления его внедрению и резанию.

    скважина
    Рис. 131. Скважина

    Процесс бурения скважины состоит из двух основных фаз: разрушения грунта на забое скважины и транспортирования его на поверхность. Под действием усилия подачи Pр бур внедряется в грунт, а под действием окружного усилия Рокр частицы грунта отделяются от забоя (рис. 131). При одновременном и непрерывном приложении к буру этих усилий грунт разрушается и отделяется от забоя в виде спиральных стружек. Забурник, врезаясь в грунт, образует в нем направляющее отверстие и обеспечивает первоначальное центрирование всего бура. Затем вступают в работу резцы, расположенные на траверсах бура, и срезают грунт каждый по своему следу пути вращения). Срезанные частицы грунта увлекаются во вращение силами трения о поверхность бура и попадают на нижние витки шнека (лопасти).
    Под действием центробежной силы частицы грунта, вращающиеся вместе с буром, стремятся прижаться к стенке скважины. Возникшие на стенке скважины силы трения тормозят вращение частиц грунта, соприкасающихся со стенкой скважины, и вызывают их проскальзывание вверх но поверхности шнека (лопасти). За счет сил трения между частицами грунта в движение вовлекается вся выбуриваемая масса. Движущиеся по поверхности шнека частицы грунта при длине шнека, равной или большей глубины скважины, достигают ее устья, разбрасываются под действием центробежной силы на небольшое расстояние и образуют вокруг устья валик. При длине шнека, меньшей глубины скважины (или лопастном буре), частицы грунта скапливаются на шнеке (лопасти), затем при его заполнении бур извлекается на поверхность, ему сообщают ускоренное вращение и за счет центробежной силы грунт сбрасывается с бура.


    Бурильные машины