Л. 3 расчет усилия проходки пилотной скважины

Л.3.1 Исходя из закона равновесия сил взаимодействия усилие проходки пилотной скважины определяют как сумму всех видов сил сопротивления движению буровой головки и буровых штанг в пилотной скважине:

, (27)

где — лобовое сопротивление бурению (сопротивление движению буровой головки в грунте) с учетом искривления пилотной скважины;

— сила трения от веса буровых штанг (в скважине);

— увеличение силы трения от силы тяжести грунта зоны естественного свода равновесия (по М.М. Протодьяконову);

— увеличение силы трения от наличия на буровых штангах выступов за пределы наружного диаметра;

— дополнительные силы трения от опорных реакций;

— сопротивление перемещению буровых штанг в зоне забуривания за счет смятия стенки скважины;

— сопротивление на выходе при переходе от криволинейного движения к прямолинейному.

Расчет усилия проходки пилотной скважины выполняется для двух пограничных состояний:

- при благоприятных условиях: при наличии качественного бурового раствора, отсутствии фильтрации раствора в грунт, при хорошо сформированной и стабильной пилотной скважине;

- при неблагоприятных условиях: при обрушении грунта по длине пилотной скважины и фильтрации бурового раствора в грунт.

Л.3.2 Лобовое сопротивления бурению рассчитывается по формуле

, (28)

где — сила сопротивления бурению, Н;

l_i — текущая длина пилотной скважины при бурении от точки забуривания до выхода пилотной скважины из земли (от 0 до 1), м;

R — радиус кривизны пилотной скважины, м;

— условный коэффициент трения вращающегося резца о грунт, рассчитывается по формуле

, (29)

где f_p — коэффициент трения резца о грунт;

d_г — диаметр буровой головки, м;

h — подача на оборот, рассчитывается по формуле

, (30)

где v — скорость бурения, м/мин;

w — угловая скорость бурения, об/мин.

Сила сопротивления бурению при разрушении грунта вращающейся буровой головкой рассчитывается по формуле

, (31)

где С ₀ — коэффициент сцепления грунта, Н/м² (Па);

m — ширина резца, м;

е_р — глубина врезания (вылет резца), м;

r — угол внутреннего трения грунта, рад.

Л.3.3 Силу трения от веса буровых штанг в пилотной скважине рассчитывают по формуле

, (32)

где q_ш — погонный вес буровых штанг за вычетом выталкивающей силы бурового раствора, Н/м;

R — радиус кривизны бурового канала, м;

l — длина пилотной скважины, м;

l_i — текущая длина пилотной скважины, м.

— углы в радианах (1 радиан — 57, 3°);

— условный коэффициент трения вращающихся буровых штанг о грунт, смоченный буровым раствором, рассчитывается по формуле

, (33)

где d_ш — наружный диаметр буровых штанг, м;

f_ш — коэффициент трения штанг о грунт, смоченный буровым раствором.

Погонный вес штанг q_ш (за вычетом выталкивающей силы бурового раствора) рассчитывается по формуле

, (34)

где g _ш — удельный вес материала штанг, Н/м³;

g _ж — удельный вес бурового раствора, Н/м³;

d _ш — толщина стенки штанги, м.

Л.3.4 Усилие увеличения силы трения от силы тяжести грунта зоны естественного свода равновесия (по М.М. Протодьяконову) рассчитывается по формуле

, (35)

где q_г — погонный вес грунта зоны естественного свода равновесия (по М.М. Протодьяконову), который рассчитывается по формуле

, (36)

где m — коэффициент бокового давления;

k — коэффициент высоты свода равновесия (по М.М. Протодьяконову), который рассчитывается по формулам:

— при благоприятных условиях; (37)

— при неблагоприятных условиях, (38)

где r — угол внутреннего трения грунта, рад;

— объемный вес грунта с учетом разрыхления при его обрушении на буровые штанги, который рассчитывается по формуле

, (39)

где g _г — удельный объемный вес грунта в естественном залегании, Н/м³.

Л.3.5 Увеличение силы трения от наличия на штангах выступов за пределы наружного диаметра рассчитывается по формуле

, (40)

где — погонная сила сопротивления буртов земли, образованных выступами, рассчитывается по формулам, Н/м:

а) при благоприятных условиях:

, (41)

где а_ш — расстояние между выступами на штанге, м;

g _в — удельный вес воды, Н/м³;

— потеря давления бурового раствора между выступом и стенкой скважины на длине выступа, рассчитывается по формуле

, (42)

где Q_ж — расход бурового раствора, м³/с (характеристика установки);

— длина выступа на штанге, м;

— наружный диаметр выступа на штанге, м;

d_г — наружный диаметр буровой головки, м;

D Р_ш — потеря давления бурового раствора между штангами и стенкой скважины на длине выступа, которая рассчитывается по формуле

, (43)

б) при неблагоприятных условиях:

, (44)

d _упл — напряжение уплотнения грунта, которое рассчитывается по формуле

— для песчаных грунтов, Н/м² (Па), (45)

А_г — площадь вертикального сечения бурта, рассчитывается по формуле

, (46)

n ₀ — пористость грунта в естественном залегании;

D _n — приращение пористости грунта при обрушении грунта зоны свода равновесия, рассчитывается по формуле

. (47)

Л.3.6 Дополнительные силы трения от опорных реакций при движении в криволинейной скважине рассчитываются по формуле

, (48)

— силы трения от опорных реакций, определяющих изгиб буровых штанг, рассчитываются по формуле

, (49)

где Е_ш — модуль упругости материала штанг, Н/м² (Па);

В_ш — плечо опорных реакций буровых штанг, рассчитывается по формуле

. (50)

Л.3.7 Сопротивление перемещению буровых штанг в зоне забуривания рассчитывается по формуле

(51)

где — сила смятия стенки скважины при за-буривании, рассчитывается по формуле

(52)

Л.3.8 Сопротивление движению при переходе от криволинейного движения к прямолинейному рассчитывается по формуле

(53)

Л.3.9 Полное усилие прокладки пилотной скважины рассчитывается по формулам:

а) при благоприятных условиях:

, (54)

б) при неблагоприятных условиях (обрушении грунта по всей длине пилотной скважины и полной фильтрации бурового раствора в грунт):

(55)

Фактическое усилие прокладки пилотной скважины в реальных условиях будет находиться между пограничными величинами Р _п(а) и Р _п(б).