Введение к работе
Актуальность работы. В общем комплексе геологоразведочных и изыскательских работ одно из наиболее важных мест занимают буровые работы. Именно они в основном определяют стоимость, сроки и качество разведки месторождений, а также инженерно-геологических изысканий в строительстве.
В восьмидесятых годах во многих крупных геологоразведочных и изыскательских организациях наметилась тенденция перевода всех работ тта индустриальную основу. Разделение на производственные отделы с узкой специализацией, замкнутый технологический цикл, определенная последовательная стадийность производства работ, комплексирование методов и технических средств, широкое использование компьютерной техники, внедрение н производство новейших достижений науки и техники, а также передового опыта ведущих организаций - основные черты этого процесса.
Изменение общей экономической политики в государстве естественно отразилось на геологоразведочной и изыскательской отрасли производства. Сокращаются госзаказы, распадаются или становятся нерентабельными крупные организации и объединения, появляются мелкие, в том числе кооперативы и малые предприятия. Объемы работ таких организаций, как правило, невелики и отличаются большой разнохарактерностью. В этих условиях уже не может идти речь об узкой специализации как технических средств, так и персонала. Актуальным становится использование универсальных методов и технических средств, в том числе буровых. Особое значение обретают методы, обеспечивающие быстрое получение общей необходимой информации.
Значительную часть объемов бурения составляют неглубокие скважины (10-20 м), проходимые в мягких и рыхлых породах. В основном неглубокое бурение проводится при инженерно-геологических изысканиях в строительстве, при разведке россыпных месторождений и стройматериалов, а также при поисковых и картировочных работах. Для бурения неглубоких скважин в отечественной и зарубежной практике используются различные способы бурения: колонковый "всухую", ударно-канатный сплошным и кольцевым забоем, медленно-вращательный, шнеконый, ручной ударно-вращательный и другие.
Одним из наиболее современных и прогрессивных способов бурения неглубоких скважин является ударно-вибрационный (УВБ). Этот способ обеспечивает не только самую высокую производительность (50-70 м/смену), но и достаточно высокое качество получаемой геологической и инженерно-геологической информации. К бурению неглубоких скважин следует отнести также такие виды полевых исследований грунтов, как статическое, динамическое и ударно-вибрационное зондирование. При проведении этих работ образуется "цилиндрическая выработка, сравнительно малого поперечного сечения значительной длины (глубины)", а это не что иное, как буровая скважина.
По методу погружения породоразрушающего инструмента в грунт ударно-вибрационное бурение, динамическое и ударно-вибрационное зондирование с полным основанием могут быть отнесены к ударно-штанговому способу бурения. Широкое использование как в геологоразведочных, так и в изыскательских организациях разновидностей ударно-штангового бурения объясняется целым рядом достоинств этого способа. К их числу относятся высокая производительность по сравнению с другими способами, хорошее качество получаемой геологической и инженерно-геологической информации, простота используемого оборудования и т. д.
Ударно-вибрационное зондирование (УВЗ), как полевой экспресс-метод исследования свойств грунтов при инженерно-геологических изысканиях, применяется с 1973 года. Этот метод позволяет значительно сократить объем буровых работ, количество отбираемых из скважин монолитов, рационально разместить точки бурения на площадке и др. Все это способствует снижению стоимости, сокращению сроков н повышению качества и эффективности инженерно-геологических изысканий, что в свою очередь играет большую роль при рыночных отношениях. По существу ударно-вибрационное зондирование представляет собой одну из форм механического каротажа.
В последние годы совершенствование ударно-вибрационного бурения и зондирования существенно сдерживается из-за недостаточной теоретической и экспериментальной разработки ряда вопросов. Отсутствие теоретически обоснованных и экспериментально подтвержденных нормативно-методических документов на производство различных способов зондирования грунтов ограничивает их применение в изыскательских организациях.
Наиболее значительный вклад в развитие теории и практики ударно-вибрационного бурения и динамического зондирования внесли ученые: Д.Д.Баркан, В.Н.Тупиков, О.А.Савинов, П.Ф.Пальянов, А.Я.Лускин, В.М.Паши, И.И.Быховский, А.З.Левицкий, Б.В.Цинский, Л.И.Куник, В.Г.Кардыш, Д.Н.Башкатов, Е.К.Бондарик, В.А.Дуранте, М.И.Хазанов, Ю.Г.Трофименков, Л.С.Амарян и другие. Обобщающими работами по указанным проблемам являются работы Б.М.Ребрика и А.Я.Рубинштейна.
Цель работы - создание теоретических и производственно-технических основ для совершенствования и широкого внедрения в производство ударно-вибрационного бурения и зондирования грунтов, разработка методов интерпретации результатов ударно-вибрационного бурения и зондирования, оценка их технико-экономической эффективности.
Основные задачи исследований. Для решения поставленной цели необходимо решение следующих задач научного и прикладного плана:
-
Разработка модели процесса и теоретическое исследование ударно-вибрацнониого погружения породоразрушающего инструмента в грунт с учетом жесткости бурильного стержня.
-
Теоретическое исследование и обоснование путей оптимизации ударно-инбрациошюго бурения и зондирования.
-
Разработка и теоретическое обоснование методов интерпретации результатов ударно-вибрационного бурения и зондирования грунтов с целью получения максимальной инженерно-геологической информации при изысканиях.
-
Экспериментальная и опытно-производственная проверка и подтверждение результатов проведенных теоретических исследований.
-
Разработка технико-технологического обеспечения ударно-вибрационного зондирования и бурения.
-
Анализ возможностей и разработка предложений по автоматизации и компьютеризации основных операций при производстве ударно-вибрационного зондирования.
-
Обосновать и разработка нормативно-методических документов, как основы для широкого и эффективного применения в промышленных масштабах исследуемого способа бурения и зондирования.
-
Оценка технико-экономической эффективности исследуемых способов и результатов проведенных исследований.
Принципиальные схемы рассматриваемых в работе способов реализации ударпо-вибрационного бурения и зондирования приведены на рис. 1.
Методы исследований. Поставленные задачи решались путем обобщения и анализа фондовых и литературных источников, проведения теоретических исследований, большого объема экспериментальных и опытно-производственных работ, а также всем арсеналом методов и средств изучения бурового процесса, накопленных за предшествующие годы и освещенных в работах таких ученых как Б.И.Воздвиженский, Н.И.Кули-чихии, С.А.Волков, Е.А.Козловский, А.Г.Калинин, Д.Н.Башкатов, В.Г. Кардыш, Л.Г.Грабчак, В.В. Алексеев, О.В.Ошкордин, Л.С.Амарян и другие.
Все проведенные исследования в той или иной мере являются развитием и продолжением работ, проведенных в этой области профессором Б.М.Ребриком.
При проведении исследований широко использовалась современная измерительная техника и новые автоматические электронные системы записи выходных параметров. Обработка результатов наблюдений, расчеты полученных теоретических зависимостей и их анализ проводились с помощью ЭВМ.
Научная новизна. Среди представленных в работе результатов более
двадцатилетнего исследования малоизученных вопросов ударно-вибрационного бурения и нового экспресс-метода полевого изучения грунтов -ударно-вибрационного зондирования - в первую очередь необходимо выделить следующие:
1. Впервые в отечественной и зарубежной практике предложена оригинальная физико-механическая модель ударно-вибрационного погружения бурового наконечника в упруго-пластическую среду, имитирующую
Рис. 1. Принципиальные схемы основных способов реализации ударно-вибрационного бурения и зондирования.
А, Б - бурение с верхним и нижним расположением ударного патрона;
В,Г - зондирование с верхним и нижним расположением ударного патрона;
Д - зондирование с муфтой трения, используемое при двойном зондировании для определения прочностных характеристик исследуемых грунтов;
Е - зондирование "свайкой" для определения несущей способности забивной сваи.
і - вибромолот, 2 - виброзонд, 3 - бурильные трубы, 4 - зондировочный
конус, > у- ирный патрон, 6 - муфта трения, 7 - "свайка".
оснонныс свойства грунта. В отличие от ранее известных, в новой модели процесса введена упругость бурильной колонны. Установлен характер сняли действующих на породораірушаюшші инструмент сил сопротивления с физико-механическими свойствами грунта; С, р и Е.
В результате теоретических модельных исследований получена общая расчетная формула для определения оптимальной длины рейса при ударно-вибрациоицом бурении - единственного параметра, регулируемого в процессе бурения.
Получена теоретически и подтверждена экспериментально зависимость скорости ударно-вибрационного погружения бурового наконечника в грунт от глубины бурения, длины рейса, параметров породораэру-шиютто инструмепта, ссойстз гру.т.а.
I. На основании полученных теоретических выводов разработаны и внедрены в производство практические рекомендации по технологии ударно-вибрационного бурения. Предложен ряд новых конструкций породо-разрушающего инструмента рациональной геометрической формы. Разработаны буровые наконечники для ударно-вибрационного бурения в сложных геологических условиях.
3. Предложен и теоретически обоснован новый экспресс-метод полевого испытания грунтов - ударно-вибрационное зондирование.
І. Доказана теоретически и опробована в производственных условиях возможность по результатам ударно-вибрационного зондирования с высокой точностью:
а) расчленять разрез на отдельные слон (инженерно-геологические
элементы, ИГЭ);
б) определять физико-механические свойства зондируемых грунтов,
в) прогнозировать возможную осадку групових естественных основа
ний от действия внешних нагрузок;
г) оценивать несущую способность висячих свай.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов, разработок и рекомендаций доказаны результатами экспериментальных и
опытно-производственных исследований, проведением сравнительных работ, созданием на основе полученных результатов нормативно-методических документов республиканского и государственного значения, а также экономической эффективностью от их реализации.
Практическая ценность работы заключается в новом представлении процесса ударно-вибрационного погружения породоразрушающего инструмента в грунт, позволяющего не только определить пути интенсификации этого процесса, но и решать обратную задачу - по скорости погружения инструмента определять основные характеристики грунтов.
Региены следующие практические задачи:
-
Определены зависимости скорости УВБ и УВЗ как от параметров применяемого оборудования, так и от физико-механических свойств грунтов.
-
Теоретически обоснована, проверена экспериментально и внедрена в производство рациональная технология ударно-вибрационного бурения (оптимальная длина рейса, рациональный породоразрушающий инструмент и т.д.).
-
Предложен, опробирован и внедрен в производство самый высокопроизводительный и дешевый метод полевых испытаний грунтов - ударно-вибрационное зондирование.
-
Разработаны методики интерпретации результатов УВЗ для решения следующих практических задач:
- расчленение геологического разреза на отдельные слои;
-определение прочностных и деформационных характеристик грунтов;
- оценка возможной осадки грунтового основания под действием внешней
статической нагрузки;
-расчет несущей способности забивных свай.
Все методики внедрены в производство изысканий и позволяют полностью автоматизировать весь процесс, от записи получаемых результатов УВЗ, до камеральной обработки изучаемого материала.
5. Разработана, изготовлена и внедрена в производство специальная элек
тронная система, позволяющая автоматически регистрировать, записы
вать, хранить и обрабатывать результаты УВЗ.
Реализация работы. Результаты исследований используются при геологоразведочном бурении и инженерно-геологических изысканиях в Мосгоргеотресте, БелГИИЗе, Мосинжпроекте, Эстонколхозпроекте, Верх-не-Волжском ТИСИЗе, ЧувашТИСИЗе, организациях Минводхоза, Министерства обороны РФ и многих других.
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались на научных конференциях МГГА (ежегодно с 1973 г.), на Всесоюзных конференциях и совещаниях в Ленинграде, Киеве и Минске, на техсоветах БелГИИЗа, ПНИИИСа, Мосгоргеотреста, Фунда-ментпроекта и других.
Публикации. Основные результаты проведенных исследований опубликованы более чем в 60 статьях и двух обзорах, представлены в пяти нормативно-методических документах. Получено пять авторских свидетельств.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 265 стр. машинописного текста и содержит 34 рисунка, 33 таблицы, список литературы из 150 наименований. Состоит диссертация из введения, девяти пав, выводов и четырех приложений.
