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.
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.
В настоящей главе описано буровое неспециализированное оборудование, применяемое для изготовления различных видов набивных свай.
Буровые работы состоят в бурении цилиндрических полостей — скважин и шурфов. Как известно, скважинами называют полости цилиндрической формы диаметром более 75 мм, 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 применяются различные, способы, разделяемые на две основные группы: механические и физические.
Механические способы бурения для свайных работ в свою очередь можно подразделить на три подгруппы: 1) вращательное бурение сплошным и кольцевым забоем с применением различных типов сверл, коронок, шарошечных долот; 2) ударное бурение, к которому относится ударно-канатное и бурение перфораторными молотками; 3) вибробурение различными по конструкции трубчатыми бурами-желонками.
К физическим способам бурения относят термический, гидравлический, электрогидравлический и некоторые другие. Из таких способов начинают применять термический и термомеханический; другие методы находятся пока в стадии экспериментов.
Вращательное бурение скважин основано на разрушении пород в забое скважины резцами рабочего органа (коронки) под действием осевого давления, создаваемого весом бурового снаряда или специальным механизмом, и окружного усилия, создаваемого механизмом вращения.
По способу бурения различают бурильные машины с непрерывным погружением рабочего органа, отрывающие скважину за один проход, и бурильные машины с периодическим погружением рабочего органа, отрывающие скважину за несколько проходов. На бурильных машинах первого типа в качестве рабочего органа применяют длинные шнеки, а на машинах второго типа — лопастные буры и короткие шнеки.
При использовании шнекового бура основная масса вынимается за 1-2 захода. При действии лопастного бура грунт, разрыхляясь кромками лопастей, оканчивающихся ножами, попадает на их винтовую плоскость, которой извлекается на поверхность. Извлеченный на поверхность грунт при включении повышенной скорости под действием центробежных сил разбрасывается вокруг скважины. За один заход разрабатывается от 40 до 80 см скважины.
В грунтах, 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 отнести простоту и маневренность в работе, возможность бурения глубоких скважин, высокую их производительность. Недостатки, таких станков — резкое снижение производительности при бурении крепких пород.
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 при шарошечном бурении выносятся на поверхность струей воды, сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью, а иногда используется откачка бурового шлама специальными илососами с последующей утилизацией шлама.
Недостатки этого способа — необходимость дополнительных процессов и устройств, для извлечения разбуриваемых пород на поверхность.
Буровой снаряд при ударно-канатном бурении 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 (рис. 12.1).
Рис. 12.1. Элементы бурового снаряда для ударно-канатного бурения:
а — долото; 1 — резец; 2 — ключевые выемки; 3 — тело; 4 — корпус с винтовой нарезкой; б — ударная штанга; в — ножницы; г — замок
При ударном бурении, производимом соответствующими станками, происходит последовательный подъем и опускание бурового снаряда, который рабочей частью — лезвием долота — наносит удары по забою, разрушая породу и заглубляясь в нее.
После каждого удара буровой снаряд поворачивается вокруг своей оси вследствие раскручивания стального каната и, снова ударяя по забою, равномерно разрушает породу по всей площади забоя. Разработанную породу в скважине разжижают водой, образуя шлам. Забой скважины периодически очищают вычерпыванием шлама желонкой.
Преимущество ударно-канатного способа бурения заключается в возможности бурения скважин значительных диаметров на большую глубину. Недостатки этого способа бурения — низкая производительность и высокая стоимость работ.
Принцип вибробурения основан на погружении трубчатого бура под действием импульсов, создаваемых вращением дебалансов вибратора, размещенного вокруг трубы. Специальные устройства препятствуют перемещению бура вверх под действием сил реакции со стороны забоя.
Преимущество вибробурения состоит в возможности значительного, повышения производительности работ на устройстве скважин. Недостатки его — ограниченность сферы применения определенными грунтовыми условиями, глубиной и диаметром скважины.
Способ огневого бурения скважин с помощью огнеструйных горелок основан на свойстве разрушения пород на забое скважины высокотемпературными газовыми струями, выходящими из сопел горелок со сверхзвуковой скоростью.