Строительство и ремонт

Проектирование и устройство свайных фундаментов

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

При устройстве набивных свай одним из основных процессов является бурение скважин. Для бурения и устройства скважин применяют разнообразное оборудование в зависимости от вида набивных свай, грунта и параметров скважин.

Поскольку многие машины созданы для устройства определенного вида свай; понимание процесса их изготовления будет затруднено, если попутно не описать соответствующее оборудование. В то же время для изготовления набивных свай используют машины и агрегаты, предназначенные для других целей. Ряд машин рассмотрен в предыдущих разделах (копры, вибропогружатели и т. п.). В настоящей главе описано буровое специализированное и неспециализированное оборудование, применяемое для изготовления различных видов набивных свай.

Буровые работы заключаются в бурении скважин и шпуров. Скважинами называют полости цилиндрической формы диаметром более 75 мм различной глубины, шурфами — полости диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м. Эффективность бурения скважин в конкретных грунтах зависит от правильного выбора способа бурения и типа бурового оборудования. Для бурения скважин и шурфов применяют различные способы, разделяемые на две основные группы: физические и механические.

К физическим способамбурения относят термический, термомеханический, гидравлический, электрогидравлический и некоторые другие. Из таких способов применяют термический и термомеханический, другие методы находятся пока в стадии экспериментов.

Механические способы бурения для свайных работ в свою очередь можно подразделить на три подгруппы: 1) способ вращательного бурения сплошным кольцевым забоем с применением различных типов сверл, коронок, шарошечных долот; 2). способ ударного бурения, к которому относят бурение перфораторными молотками и ударно-канатное; 3) вибробурение различными по конструкции трубчатыми бурами-желонками.

По способу вращательного бурения породы разрушаются в забое резцами рабочего органа (коронки) под осевым давлением, под воздействием массы бурового снаряда или специального механизма, а также окружного усилия, создаваемого механизмом вращения.

Различают бурильные машины с непрерывным погружением рабочего органа, отрывающие скважину за один проход, и машины с периодическим погружением рабочего органа, отрывающие скважину за несколько проходов.

Извлеченный на поверхность грунт при включении повышенной скорости под действием центробежных сил разбрасывается вокруг скважины. За один заход бура разрабатывается от 40 до 80 см скважины.

Для бурения грунтов, имеющих отдельные твердые включения, целесообразно применять шнековые буры. При работах в тяжелых грунтовых условиях (мерзлота, галечник и т. п.) к лопастным бурам присоединяют съемные наконечники.

К преимуществам станков вращательного бурения следует от-

. нести простоту и маневренность в работе,   возможность   бурения

глубоких скважин, высокую   их производительность.    Однако при

бурении крепких пород производительность   таких   станков резко

снижается.

При шарошечном бурении породы разрушаются зубцами или штырями шарошек, которые, свободно вращаясь в опорах, перекатываются по забою. Внедряются шарошки в породу под действием осевого усилия, в результате чего под инструментом создается давление, превышающее сопротивление породы. Разрушенные частицы породы при шарошечном бурении выносятся на поверхность струей воды, сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью. Недостатки этого способа — необходимость дополнительных уст: ройств и процессов для извлечения разбуриваемых пород на поверхность.

Способ ударного бурения. Буровой снаряд для ударно-канатного бурения состоит из следующих деталей: долота — главной ударной части снаряда с резцом в нижней части, ударной штанги, буровых ножниц, служащих для отрыва долот от породы забоя, и канатного замка, соединяющего снаряд с тросом, на котором этот снаряд подвешен (11.2).

Преимущество ударно-канатного способа бурения заключается в возможности бурения скважин значительных диаметров на большую глубину. Недостатки этого способа — низкая производительность и высокая стоимость работ.

Способ вибробурения состоит в погружении трубчатого бура под действием импульсов, создаваемых вращением дебалан-сов вибратора, размещенных вокруг трубы. Специальные устройства препятствуют перемещению бура под действием сил реакции со стороны забоя.

Преимущество вибробурения состоит в высокой производительности работ при устройстве скважин в нескальных грунтах. Недостатки его — ограниченность сферы применения определенными грунтовыми условиями, глубиной и диаметром скважин.

Способ огневого бурения скважин с помощью огнеструй-ных горелок основан на свойстве разрушения твердых пород высокотемпературными газовыми струями, выходящими из сопл горелок со сверхзвуковой скоростью.

§ 2. Машины и оборудование для бурения скважин

Машины, имеющие вспомогательное подъемное оборудование, называют бурильно-крановыми. Предпочтение  отдается навесному

оборудованию, установленному на кране-экскаваторе или на шасси трактора. В табл. 11.1 указаны характеристики некоторых машин, применяемых для бурения скважин при изготовлении набивных свай.

С начала 60-х годов для бурения скважин диаметром 400— 1500 мм на глубину 10—30 м применяли станки, предназначенные для бурения артезианских скважин. В последние годы осваивается серийное производство специальных станков для проходки скважин под набивные сваи.

Бурильно-крановая машина БМ-203 смонтирована на тракторе Т-50АП. Принцип работы ее циклический. Эта машина обеспечивает бурение скважин в грунтах до IV категории включительно.

Вращение бура происходит от гидравлического привода. Навесное оборудование состоит из рабочего аппарата, обвязочной рамы, лебедки, редуктора привода, насосов, траверсодержателя и гидросистемы.

Грузоподъемность кранового оборудования составляет 800 кг.

Буровой агрегат УГБХ-150, показанный на 11.3, можно монтировать на трелевочном тракторе ТДТ-60 или ТДТ-75. Агрегат оборудован станками шнекового и ударно-канатного бурения. Им

можно бурить скважины в обводненных и сухих грунтах глубиной до 18 м при диаметре их до 0,8 м шнековым сухим способом с промывкой скважины и ударно-канатным.

Описанные выше буровые станки применяют, однако, редко, так как они не обеспечивают достаточной производительности.на свайных работах из-за трудоемкости операций по наращиванию шнека, а также при работе с уширителем.

Для более эффективного шнекового бурения скважин под набивные сваи в конце 60-х — начале 70-х годов Киевским ПК.0 института Гидропроект был создан широко применяемый в настоящее время комплекс машин СО различных модификаций: СО-2, СО-1200/ 2000, СО-1200, БСО-1.

Во всех этих установках в качестве сменного оборудования применяют буровые головки, навешиваемые на серийные базовые машины (краны, экскаваторы). Буровая головка (11.4, в) оснащена планетарным электроприводом, что дает возможность отказаться от традиционного роторного привода и тем самым упростить рабочий орган установки, сделав его автономным, навесным и универсальным. В настоящее время эти установки считаются лучшими образцами отечествен-, ной буровой техники, для нужд фунда-ментостроения. Характеристики установок СО для шнекового бурения приведены в табл. 11.2. Буровую головку, действующую от электродвигателя, вертикально подвешивают и соединяют фланцем с планетарным редуктором. Мощность электродвигателя составляет 55 кВт, частота вращения вала редуктора и рабочего органа —21—45 об/мин. Буровые головки можно подвешивать на экскаваторы с копровыми направляющими, на вибровдавливающие погружатели свай и на станки ка-натно-ударного бурения БС со специальными стрелами. С помощью навесных буровых головок бурят скважины диаметром до 2 м и глубиной до 30 м.

Буровые головки опускаются вниз под действием силы тяжести рабочего органа и собственной массы. Вверх их поднимают канатом лебедки экскаватора. Неподвижные блоки полиспаста закрепляют на головке копровой стрелы, а подвижные — на буровой головке.

Состав буровой бригады: буровой мастер крановщик помощник бурового мастера

головок производительность труда на бурении стволов скважин глубиной 18 м и более в 1,5—5 раз выше, чем станками УГБХ-150, поскольку исключаются операции по наращиванию шнека и съем секций при его очистке.

Буровыми телескопическими колоннами можно проходить скважины различных диаметров, для чего переставляют шнековую часть колонны. Нижняя секция шнека имеет длину 2 м. Замена последней секции уширителем позволяет бурить расширенную пяту скважины.

По данным треста Укргидроспецфундаментстрой, затраты времени на бурение скважин станками УГБХ-150 по сравнению с бурением навесными буровыми головками в 1,5 раза больше. Так, на бурение скважин диаметром 0,5 и глубиной 10 м в грунтах II категории затрачивается соответственно 2,4 и 1,8 маш.-ч, а скважины глубиной 18 м — 4,7 и 3,2 маш.-ч.

Опыт работы агрегатов с навесными головками описан в гл. 13.

Установка СО-2 состоит из базовой машины-экскаватора типа Э-1252 с прикрепленной на нем с помощью шарнирного устройства стойкой и подвижно связанным с ней навесным рабочим органом (11.4). Рабочий орган состоит из каретки с электроприводом. К его валу прикреплена телескопическая буровая шнековая. колонна с очистителем и буровым инструментом. Колонна смонтирована из двух телескопических секций, причем на нижней имеются шнековые лопасти. К нижней секции буровой колонны с помощью пальцев крепят шнек с буровой коронкой или расширитель

Буровая коронка, имеющая форму трехперого долота вращательного действия, предназначена для разрушения грунта в забое и подачи его на шнековую часть буровой колонны. К установке прикладывается комплект коронок для различных грунтов. Для удержания буровой колонны во время переключения телескопических штанг применяют перехват из двух рычагов (11.4, б).

В зависимости от требуемой глубины бурения верхнюю и нижнюю секции буровой колонны (11.5) можно раздвигать на разную длину. Без раздвижки можно пройти скважину на глубину до 16 м (11.5, а). Бурение на глубину до70м производят при раздвинутых секциях (11.5, в).

Для уширения скважины в.ее основании или на другой отметке буровой инструмент заменяют расширителем.

Для бетонирования свай на установке предусмотрены бетонолит-ная труба с воронкой и кран, которым выполняют такелажные работы и погружают с помощью грейферного ковша выбуренный грунт.

Установку СО-2 можно применять также для бурения лидерных скважин под забивные сваи. Кроме того, рабочий орган СО-2 можно навешивать на самоходные и рельсовые копры. Этот орган можно при-, менять при устройстве «стены в грунте» для бурения взанмопересе-кающихся свай с использованием лидерной направляющей трубы (ЛНТ) не только в связных, но и в неустойчивых грунтах.

Установка      СО-1200/2000

предназначена для сооружения бу-ронабивных свай большой несущей способности диаметром 800—1300 аи. Конструкция установки позволяет вести работы в сложных геолого- и гидрогеологических условиях при бурении под глинистым раствором. С этой целью установка оснащена универсальным буровым инструментом —ковшовым буром с откидным дном, пригодным для работы как в сухих, так и в мокрых грунтах.

Установка СО-1200/2000 состой/из базовой машины (экскаватора) с копровой стойкой, на которой укреплен рабочий орган в виде каретки с телескопической иевращаемой колонной. Колонна прикреплена к электроприводу /ковшовым буром, подвешенному на канате лебедки главного подъема базовой машины (11.6).

Базовой машиной этой установки может служить кран-экскаватор типа Э-1252. Подвеска электропривода для погружения бура на канате обеспечивает автоматичность спуско-подъемных операций. Для увеличения скорости проходки предусмотрено также повышенное давление бурового инструмента на забой, которое зависит от массы рабочего органа.

Погружной электропривод представляет собой, мотор-редуктор с двухступенчатой планетарной передачей,    помещенный в герметочный колокол. В нижнем торцЬ его имеются отверстия, через которые может проходить жидкостьNjpn погружении электропривода в буровой раствор или воду. По мере погружения жидкость сжимает воздух под колоколом до определенного предела и дальше не поднимается, что обеспечивает незатопляемость погружного мотор-редуктора.

После захвата очередной порции грунта ковшовым буром его поднимают на поверхность, отводят в сторону и разгружают. Благодаря применению многосекционной телескопической колонны скважины можно бурить на глубину 50 м и более. Установка обеспечивает высокую производительность — 3—4 скважины диаметром 1,2 и глубиной 20 м в смену. К недостаткам ее следует отнести потребность во втором кране для выполнения вспомогательных операций так же, как и для СО-2.

В настоящее время унифицированный комплект бурового оборудования установки СО-1200/2000 можно использовать в установке СО-2.

Установка СО-1200 предназначена для устройства бурона-бивных свай диаметром 0,8—1,2 м. Эта установка состоит из рабочего органа с обсадным патрубком и кондуктором и базовой машины (крана, экскаватора). В качестве базовых машин можно использовать краны ДЭК-251 и МГК-25 или иных марок, равной или большей грузоподъемности и высоты подъема груза.

Рабочий орган установки СО-1200 (11.7) включает в себя погружной электропривод с ковшовым буром, жестко укрепленный к штанге стабилизатор, на котором укреплена каретка. На электроприводе подвижно укреплен переходник, входящий в зацепление с обсадным патрубком.

В комплект установки СО-1200 входит расширитель циклического действия, верхний конец которого подключают к валу электропривода, а нижний — к ковшовому буру, используемому в качестве приемника грунта. Электропривод установки СО-1200 обеспечивает бурение скважин сухим и мокрым способами.

Ранее описанные установки для осуществления полного комплекса устройства буронабивиых свай (бурение и" бетонирование) вынужденно комплектуются вторым краном, что повышает стоимость работ.

В отличие от других типов установок в установке СО-1200 рабочий орган свободно подвешен на крюке крана как длинномерный груз; его устанавливают на грунте в устье скважины с помощью кондуктора (см. 11.7). Благодаря такому решению можно легко отсоединять рабочий орган от крана и использовать его для бетонирования скважин и на различных вспомогательных операциях.

Для обеспечения связи штанги с кондуктором в процессе погружения на ней подвижно укреплен стабилизатор.

В качестве рабочих органов установки обычно применяют шарошечные долота с промывкой водой (11.1, в). Для бурения скважин больших диаметров к остову долота приваривают косынки треугольной формы из толстолистового металла.

За рубежом выпускают буровые станки, предназначенные только для устройства буронабнвных свай.

Б у р и ль. но - крановая машина «А п а ч и» (11.9), выпускаемая американской фирмой «Мобил Брилинг», из зарубежных образцов более нова по конструкции и отличается высокой производительностью. Она предназначена для бурения скважин диаметрами от 0,076 до 1,52 м и глубиной от 3 до 30 м.

Скважины можно бурить как постоянного диаметра, так и с местными ушкрения-ми до двух их диаметров. Устройство для монтажа опор, смонтированное на машине, позволяет устанавливать в пробуренные скважины опоры длиной до 13,5 м и массой до 1,5 т.

Принцип работы установки — циклическое бурение. Все механизмы машины смонтированы на отдельной раме (11.9, а), которую можно установить на любом шасси (тракторе, автомобиле) . В этой установке можно   наклонять   буровую

штангу с буром от вертикального положения на углы до 45°.

Буровая установка «Апачи» (11.9, б) оснащена большими бурами, позволяющими разрабатывать скважины диаметрами от 0,6 до 1,2 м. При этом вначале бурят лидирующую скважину, затем, после установки расширяющих рычагов с ножами, бурение ведут на требуемый диаметр. В комплект рабочих органов входят также буры диаметрами от 0,2 до 0,76   м для   проходки   грунтов прочных и средней прочности со сменными резцами, шнеки секционные длиной 0,9, диаметром 0,075—0,3 м, а также уширители, с помощью которых делают коническое-чуширеиие скважин под сваи.

В скважине диаметром до 0,25 м за счет уширенной наружной части коронки грунт уплотняется, а попадая внутрь трубы, свободно ее заполняет, поскольку диаметр коронки меньше внутреннего диаметра трубы. При извлечении трубы после свинчивания коронки грунт выпадает наружу.

В связных грунтах средней плотности за один прием трубой со съемной коронкой можно бурить скважины глубиной до 7 м. Недостатком конструкции является необходимость в операции по свинчиванию коронки и ручного удаления грунта из нее, для чего требуются значительные усилия и'время.

Для устройства лидерных скважин в связных грунтах с помощью агрегата ВВПС-20/11 Днепропетровским специализированным управлением применяется конструкция прямоточной желонки (11.10, б). Желонка представляет собой стальную трубу с приваренным башмаком. Для уменьшения трения грунта о внутреннюю .поверхность желонки к ней подводится вода. Выход грунта через разгрузочное окно направляется отражателем.

Желонку погружают на требуемую глубину (3,5—5,5 м при диаметре 0,25—0,3 м) с помощью поршневого насоса за один прием. Извлеченный из скважины грунт удаляется при бурении следующей скважины, выпадая кусками через разгрузочное окно. Преимущество этого способа— механизация работ, недостатки— необходимость подогрева желонки и системы подачи воды в зимнее время, а также ограниченная глубина погружения.

Желонка конструкции А. Т. Осадчего и В. Ф. Кошмана со специальным выталкивателем предназначена для бурения скважины диаметром 0,3—0,5 м и глубиной доб м в плотных и полускальных грунтах с применением вибробурового агрегата ВВПС-20/11 или ВВПС-32/19.

Желонка (11.10, в) состоит из трубы диаметром 0,33— 0,43 м, длиной 7 м и выталкивателя, предназначенного для удаления керна грунта через окно трубы. Выталкивателем управляют с помощью троса, концы которого прикреплены к мачте. При опускании желонки в грунт и наборе его трос выталкивателя ослабляется, а при подъеме желонки над уровнем грунта трос, натягиваясь, удерживает выталкиватель, который выдавливает разрыхленный грунт из трубы.

Такие операции выполняют циклично: за один прием извлекается грунтовый керн высотой 1 м. Желонки применяют также в мерзлых глинистых грунтах, но производительность при этом уменьшается в 1,5—2 раза. Первую половину скважины проходят только с помощью лебедки, а вторую, требующую больших усилий, выполняют при совместной работе лебедки и вибропогружателя.

Вибропогружение применяют также при зачистке скважин. В осыпавшуюся скважину стреловым краном опускают металлическую трубу с открытым нижним концом. На верхнем конце трубы обычно устанавливают и наглухо закрепляют вибропогружатель ВПП-4 или ВПП-2.

Вибропогружатель включают в работу тогда, когда труба достигнет забоя скважины. По достижении проектной отметки трубу извлекают и из нее выбивают грунт. Высота керна не должна превышать 0,5—0,7 м, в противном случае удалить грунт даже при наличии .вибрации затруднительно. Зачистка и углубление скважин указанным способом по данным НИИСП Госстроя УССР в 10—12 раз производительнее шнекового бурения, применяющегося на свайных работах.

Вибрационный метод эффективнее вращательного бурения по производительности в 2—4 раза, а по стоимости в 3—4 раза. Объясняется это тем, что вращательное бурение ведут секционными шнеками, которые приходится наращивать по мере углубления скважины и снимать поочередно при подъеме става. Удалять выбуренный грунт от скважины также затруднительно. Кроме того, во влажных и насыщенных водой грунтах показатели шнекового бурения гораздо ниже приведенных в табл. 11.3.

Конструкцию желонки выбирают с учетом размеров скважин и грунтовых условий. Для бурения скважин диаметром до 0,3 м и глубиной до 5,5 м в связных грунтах от текучепластичной до мягкой консистенции НИИСП рекомендует применять желонку Днепровского управления. Для бурения же скважин диаметром 0,3— 0,5 м и глубиной до 7 м в грунтах от тугопластичной до твердой консистенции, а также в мерзлых грунтах рекомендуется применять желонку с выталкивателем. При использовании более мощного оборудования параметры бурения можно увеличить.                                      

§ 3. Машины для термического способа бурения скважин

Термический способ образования скважин основан на разрушении мерзлых грунтов при их высокотемпературном нагреве. Рабочим инструментом при этом методе служит воздушнореактивная горелка. Через специальное устройство в нее подводят жидкое топливо, воздух или кислород для активизации процессов горения и воду для охлаждения камеры сгорания реактивной горелки.

Образующаяся в процессе сгорания высокоскоростная (до 1000—1800 м/с) газовая струя разрушает мерзлый грунт и выносит шлам на поверхность.

Для этой цели чаще всего применяют агрегаты термического

бурения ТБА-1, ТБА-2, смонтированные на тракторах Т-100 и Т-

140, а также агрегат АБУ на тракторе ДЭТ-250. В 'горизонтальное

положение агрегат АБУ устанавливают с помощью трех гидроци

линдров.

Наличие механических буров позволяет выполнять агрегатом УБУ термическое, механическое и термомеханическое бурение. В комплект АБУ входит компрессорная станция общей производительностью до 36 м3 и понижающий трансформатор. Действуют все механизмы агрегата от внешнего источника электротока напряжением 380 В.

Внедрению установок типа АБУ препятствует высокая энергоемкость процесса бурения, вследствие большого расхода сжатого воздуха на пневматическую транспортировку продукции бурения из скважин. Особенно затруднена эксплуатация этих установок на тех объектах, вблизи которых нет источников силового электроснабжения.