Justification of the use of plastic pipes in uncompacted sandy grounds

Full Text

Развитие мирового строительного комплекса ставит всё более сложные задачи перед инженерным сообществом. На сегодняшний день здания и сооружения растут не только вверх, но и в подземное пространство, при этом больше внимания стало уделяться ещё и защите объектов от террористических, техногенных, климатических угроз. Всё вышеперечисленное усложняет проектную документацию дополнительными решениями и мероприятиями, которые в свою очередь приводят к конечному удорожанию строящегося объекта. Одним из способов удешевления стоимости возведения зданий и сооружений без потери качества является внедрение новых строительных материалов, более дешёвых и легких по сравнению с традиционно применяемыми, но при этом особо не уступающих последним по прочностным показателям.

Наиболее существенная статья расходов при возведении зданий и сооружений связана с работами нулевого цикла, затраты на которые могут достигать до 30 % от общей сметной стоимости [3, 4]. Основными материалами, которые применяют при возведении конструкций фундаментов, являются бетон и сталь [6, 7]. На сегодняшний день, согласно современным научным достижениям в строительном материаловедении, уверенно можно утверждать, что заменить бетон пока невозможно [5, 8]. При этом сталь уже сегодня успешно вытесняется современными пластиками. Как один из примеров − всё более широкое применение пластиковой арматуры взамен стальной используется при изготовлении железобетонных конструкций различного назначения [4]. Также стоит обратить внимание на то, что в настоящее время наружные водонесущие коммуникации всё чаще прокладывают с применением экструзионных пластмассовых труб.

При возведении свайных фундаментов с применением буронабивных свай, на не уплотнённых песчаных основаниях бурение скважин производят под защитой обсадной стальной толстостенной трубы, цель которой сохранять геометрическую целостность скважины до момента укладки в неё бетонной смеси [3, 4]. При этом следует отметить, что как такового расчёта обсадных труб, применяемых при бурении скважин под сваи, в нормативной литературе, как действующей, так и уже не действующей, нет. В связи с этим была поставлена задача изучить механизм обрушения стенок буровой скважины и определить максимально возможное обжимающее давление, действующее на наружную поверхность обсадной трубы [2]. Была проведена серия лабораторных экспериментов по извлечению обсадных труб из разуплотнённого песчаного массива с целью фиксации формы и численных параметров обрушения стенок буровой скважины [1]. Исследования показали, что форма обрушения стенок скважины со стороны дневной поверхности грунтового массива имеет кольцеобразную форму, повторяющую форму скважины. Толщина кольца обрушения стенок скважин, имеющих диаметр от 300 до 1500 мм, постоянна и соответствует 0,6d (где d – диаметр буровой скважины) вне зависимости от глубины выработки. Соответственно форму обрушения стенок скважины можно представить в виде трубы с внутренним диаметром, соответствующим диаметру самой буровой скважины с толщиной стенки 0,6d и длиной, равной глубине выработки. При этом введём допущение, что в момент обрушения стенок скважины будут отсутствовать силы трения между обрушившимся грунтом и грунтом, находящимся в равновесии в окружающем массиве, а также отсутствуют силы трения между обрушившимся грунтом и обсадной трубой [4]. Согласно вышеописанному, вес обрушившегося грунта будет приложен к последнему участку обсадной трубы, опирающемуся на забой скважины высотой 1 п.м.

Согласно результатам проведённых экспериментов, т. е. зная геометрическую форму обрушения грунта стенок буровой скважины, выполненной в неуплотнённых песчаных основаниях, а также принятые выше допущения, можно произвести расчёты на прочность обсадных труб, изготавливаемых из пластических материалов по нижеописанной методике.

Максимальное давление на внешнюю сторону обсадной трубы, на уровне забоя буровой скважины, можно определить по формуле

$P=\frac{F}{A} , \left(1\right)$

где F − вес грунта обрушения, кН, определяется как вес трубы по формуле

$F=\pi \left(R^2-r^2\right)H\times {\gamma }_{гр} , \left(2\right)$

где R – радиус обрушения грунта, м, со стороны дневной поверхности, определяемый по формуле

$А=2\pi rH=2\pi \mathrm{0,5}dH=\pi dH, \left(4\right)$

где d – диаметр скважины, м.

r – радиус буровой скважины, м;

H – глубина буровой скважины, м;

γ_гр – удельный вес грунта обрушения стенок буровой скважины, кН/м³;

А – площадь внешней поверхности 1п.м обсадной трубы, м², на которую оказывает давление потерявший устойчивость грунт стенки скважины, вычисляется по формуле

$А=2\pi rH=2\pi \mathrm{0,5}dH=\pi dH, \left(4\right)$

где d – диаметр буровой скважины, м;

Н – глубина буровой скважины, м.

Подставляя выражения (2) и (4) в формулу (1), получим

$P=\frac{\left(R^2-r^2\right){\gamma }_{гр}}{d} , \left(5\right)$

где R – радиус обрушения грунта со стороны дневной поверхности, определяемый по формуле (3), м;

r – радиус буровой скважины, м;

d – диаметр буровой скважины, м;

γ_гр – удельный вес грунта обрушения стенок буровой скважины, кН/м³.

Расчёт толщины стенки обсадной трубы следует вести исходя из того, чтобы обжимающее трубу давление от обрушившегося грунта не превышало предельной жесткости кольца самой обсадной трубы, т. е. соблюдалось следующее неравенство:

$P<S , \left(6\right)$

где P – максимальное внешнее давление на внешнюю поверхность обсадной трубы, определяемое по формуле (5), кН/м²;

S – жесткость кольца поперечного сечения обсадной трубы, вычисляемая по формуле

$S=\frac{EJ}{D_{ср}^3} , \left(7\right)$

где Е – модуль деформации материала обсадной трубы, кПа;

J – момент инерции площади поперечного сечения кольца обсадной трубы на единицу длины, м⁴/м, определяемый по формуле

$J=\frac{t^3}{12} , \left(8\right)$

где t – толщина стенки обсадной трубы, м;

D_ср – средний диаметр кольца обсадной трубы, м, определяемый по формуле

$D_{cp}=\left(r_{скв}+\frac{t}{2}\right)\times 2 , \left(9\right)$

где r_скв – радиус буровой скважины, м;

t – толщина стенки обсадной трубы, м.

Расчёт на прочность выполнялся на минимальную толщину стенки для обсадных труб, изготовленных из стеклопластика (с модулем упругости материала E = 30000 МПа и его плотностью ρ = 1800 кг/м³) и ПВХ(НПВХ) (Е = 3000 МПа, ρ = 1410 кг/м³), при этом определялся и их вес. Согласно исходным данным, для проведения расчёта была принята буровая скважина глубиной 10,0 м, пробуренная в неуплотнённом песчаном основании, имеющем удельный вес 17,5 кН/м³. Диаметр скважин был принят от 300 до 1000 мм, с шагом 100 мм, а также диаметрами 1200 и 1500 мм. Для аналитического сравнения был выполнен расчёт минимальной толщины стенки стальной обсадной трубы. Результаты расчётов приведены в табл. 1. При выполнении сравнения толщин стенок труб можно отметить, что толщина стенки обсадной трубы, материалом которой служит ПВХ(НПВХ), в среднем в 2,9 раза больше, чем у стальной трубы, а у трубы из стеклопластика в 1,7 раза больше, чем у стальной.

Таблица 1. Результаты расчётов толщин стенок обсадных труб, изготовленных из стали, стеклопластика, ПВХ(НПВХ)

Во второй части расчёта, зная минимальную толщину стенок обсадных труб из стали, стеклопластика и ПВХ(НПВХ), был вычислен их вес и проведено между ними сравнение. Вес обсадных труб приведен в табл. 2. Результаты сравнения показывают, что трубы из ПВХ(НПВХ) в среднем легче стальных в 1,9 раза, а трубы из стеклопластика легче стальных в 2,6 раза.

Таблица 2. Вес обсадных труб, изготовленных из стали, стеклопластика, ПВХ(НПВХ)

Результаты выполненных расчётов показывают, что минимальная толщина стенки трубы, изготовленной из стеклопластика, по сравнению со стальной в среднем в 1,6 раза меньше, а вес самой обсадной трубы, изготовленной из стеклопластика, в 2,6 раза легче классической стальной трубы. При этом следует отметить, что разницу толщины труб из стеклопластика и стали на величину в 60 % нельзя считать критичной, поскольку это существенно не сказывается на положении арматурного каркаса в теле будущей буронабивной сваи. При этом более лёгкий вес пластмассовых обсадных труб существенно снизит расходы на транспортировку и погрузо-разгрузочные работы. Следует также отметить, что стыковка пластмассовых труб производится менее технологически сложным оборудованием по сравнению с электросваркой, соответственно сокращаются расходы на оплату привлекаемых высококвалифицированных кадров. Еще двумя фактами в пользу применения обсадной трубы из пластика следует считать её дешевизну по сравнению с аналогичной трубой, изготовленной из стали, и неподверженность коррозии. На основе вышеизложенного можно сказать, что пластмассовые трубы, с модулем упругости материала 30000 МПа и более, могут быть использованы в качестве обсадных труб не только по прочностным параметрам, но и в первую очередь по экономическим.

About the authors

Dmitry V. Popov

Author for correspondence.
Email: popov38@yandex.ru

Phd in Engineering Science, Associate Professor of the Structural Mechanics, Engineering Geology, Bases and Foundations Chair

References

Supplementary files