Задача проектирования грунтовой заделки заключается в обосновании ее рациональных параметров. Под рациональными параметрами грунтовой заделки подразумевается сочетание минимальных значений глубины и диаметра погружаемой в грунт части моноопоры, при котором исключается ее проворачивание, выдавливание, осадка и опрокидывание. Значения рациональных параметров зависят друг от друга, от физико-механических свойств грунта заделки и условий ее работы, величин сил нагружения, характера и условий работы моноопоры.

Физико-механические свойства грунта заделки, характер нагружения и условия работы моноопоры обычно заданы и изменять их при проектировании практически сложно, в то время как диаметр труб моноопоры, находящихся в грунтовой заделке, можно изменять. Поэтому при проектировании грунтовой заделки следует обосновать рациональный диаметр труб моноопоры, находящихся в грунтовой заделке. При необходимости уменьшения глубины грунтовой заделки следует увеличить диаметр заглубленной в нее части труб моноопоры и именно для этого диаметра выполнить необходимые расчеты на прочность заделки.

Значения физико-механических свойств донных грунтов, необходимые для расчета параметров грунтовой заделки, определяются при проведении соответствующих инженерных изысканий в заданном районе бурения или по данным фондовых материалов. В табл. 6.1 приведены необходимые для расчетов обобщенные значения сопротивления сдвигу грунтов некоторых генетических типов. Эти значения получены из опубликованных материалов [30, 39].

Расчетное удельное сопротивление пород на боковой поверхности труб моноопоры тf можно принять равным 20 кПа. Это обусловлено тем, что по результатам извлечения из скважин обсадных труб, погруженных ударным способом на глубины 10-15 м в породы Дальневосточных морей, авторами вычислено среднее значение удельного сопротивления пород на боковой поверхности труб равное 21,8 кПа [2]. Удельный вес у

Сопротивления сдвигу грунтов различных генетических типов

пород грунтовой заделки трубчатой моноопоры для приближенных расчетов можно принять равным 20 кН / м³.

Сопротивления по лобовой поверхности имеют наименьшие значения при погружении моноопоры в илистых грунтах. К ним относятся также глинистые грунты, образовавшиеся как структурный осадок в воде при наличии микробиологических процессов. Расчетное сопротивление R по лобовой поверхности трубчатых элементов в глинистых грунтах зависит от консистенции и глубины расположения слоя грунта.

Показатель консистенции 3 глинистых грунтов и супесей по их плотности от твердых до текучих изменяется в пределах 0 < 3 < 1 соответственно, т.е. увеличивается с уменьшением плотности грунта. Ориентировочно значения сопротивления R грунтов по лобовой поверхности внедряемой в них трубчатой моноопоры могут быть оценены по данным табл. 6.2.

После стабилизации моноопоры в морском дне ниже ее башмака осуществляют бурение скважины. Если диаметр скважины близок к диаметру труб моноопоры, то грунт из под ее башмака обычно вымывается или обрушается. В этом случае сила лобового сопротивления оказывается равной нулю. Поэтому при расчете грунтовой заделки на осадку следует учитывать соотношение диаметров моноопоры и скважины.

Чем слабее грунты морского дна, тем на большую глубину необходимо погружать в них моноопору. Вычислим минимально необходимые глубины погружения моноопоры для сравнительно слабых характеристик грунтовой заделки. При расчете грунтовой заделки на проворачивание, выдавливание и осадку в ней моноопоры таким условиям соответствует заделка моноопоры малого диаметра в грунтах с Tf = 20 кПа.

Сопротивления грунтов R, МПа, по лобовой поверхности внедряемых в них элементов [17]

Тормозной момент грунтовой заделки, вычисленный по выражению (6.1) для условий погружения моноопоры из труб диаметром 0,168 м в грунты с Tf = 20 кПа на глубину 4 м (минимальная глубина, рекомендуемая для свай, нагружаемых изгибающими и выдавливающими их силами [26]), составляет 2836 Н-м. Для бурения многих разведочных и инженерно-геологических скважин на море достаточно использовать вращатели, развивающие в 2 раза меньший крутящий момент.

С увеличением диаметра труб моноопоры, находящихся в грунтовой заделке, тормозной момент ее существенно возрастает. Так при погружении на ту же глубину и в тот же грунт труб диаметром 0,324 м тормозной момент грунтовой заделки составит 10 548 Н-м.

Вычисления по выражению (6.3) показывают, что моноопора из труб диаметром 0,168 м, погруженная в те же грунты на глубину 4 м, не выдавливается из грунта при передаче на забой усилия к < 28 кН. Для бурения на рациональных режимах вращательным колонковым способом этого усилия достаточно, для статического зондирования его может оказаться мало.

Так, морская буровая установка "Старт", предназначенная для бурения с моноопоры вращательным и вдавливающим способами, позволяет передавать на забой осевую нагрузку P = = 60 кН. При этом возможно предотвратить выдавливание моноопоры из грунта, если увеличить диаметр или глубину погружения в грунт труб моноопоры, увеличить силу тяжести моноопоры с установленными на ней буровыми механизмами или ограничить значение осевой нагрузки на забой скважины.

Вычисления по выражению (6.4) показывают, что та же грунтовая заделка глубиной 4 м при отсутствии лобового сопротивления (грунт из-под башмака моноопоры вымыт или об

рушен) в состоянии предотвратить осадку моноопоры из труб диаметром 0,168 м при нагружении заделки суммарной продольной силой в пределах до 33,76 кН. Фактическое нагруже- ние грунтовой заделки продольными силами может быть большим. Так, МБУ "Старт" позволяет нагружать ее силой 50 кН.

Предотвратить осадку моноопоры в грунтовой заделке возможно тоже различными конструктивными и технологическими способами: увеличить глубину погружения или диаметр погружаемых в грунт труб моноопоры, обеспечить сохранность лобового сопротивления грунта, исключив его обрушение из-под опорной площади погруженной в него части моноопоры; уменьшить силу тяжести моноопоры с установленными на ней буровыми механизмами и ограничить силу нагружения моноопоры при извлечении из скважины бурового снаряда.

Из анализа полученных результатов следует, что удерживающая или несущая сила грунтовой заделки глубиной 4 м может быть недостаточной для предотвращения выдавливания из грунта или осадки в него моноопоры диаметром 0,168 м. Ограничения режимов по мощности бурения (уменьшение осевой нагрузки на забой скважины при статическом зондировании и тягового усилия при извлечении из нее бурового снаряда) позволяют повысить надежность работы грунтовой заделки. Однако эти методы снижают эффективность бурения.

Увеличение массы моноопоры и установленных на ней буровых механизмов влияет на выдавливание, осадку и опрокидывание моноопоры неоднозначно: препятствует выдавливанию, но способствует осадке и опрокидыванию. Поэтому возможными методами повышения надежности работы грунтовой заделки трубчатой моноопоры являются увеличение длины и диаметра только той части труб моноопоры, которая погружена в грунт морского дна.

В табл. 6.3 приведены примерные значения несущей силы боковой поверхности моноопоры, препятствующей ее выдавливанию и осадке, в зависимости от диаметра труб моноопоры и глубины их погружения в грунт на глубину от 1 до 10 м. Эти значения вычислены по левой части выражения (6.3) и округлены с точностью до целого числа силы (в кН). Вычисления выполнены с использованием данных СНиП [26], учитывающих увеличение расчетного сопротивления Tf песчаных средней плотности и пылевато-глинистых грунтов на боковой поверхности моноопоры по мере возрастания глубины ее погружения и снижения показателя текучести грунта.

По условиям предотвращения опрокидывания глубина погружения в слабые грунты на 4 м моноопоры равного по высо-

Таблица 6.3

Несущая способность грунтовой заделки моноопоры на вертикальные нагрузки, кН, в зависимости от величины ее заглубления l

те поперечного сечения практически любого диаметра тоже недостаточна. Минимально необходимые глубины погружения в грунты с различными значениями коэффициента сдвига т моноопор из труб разных диаметров, вычисленные по выражению (6.17), приведены в табл. 6.4. Эти значения рассчитаны для условий сравнительно высокой прочности труб моноопоры: толщина стенки всех труб 0,014 м, допустимое (расчетное) напряжение 750 МПа.

Приведенные в табл. 6.4 значения необходимой глубины погружения моноопоры в грунт увеличиваются с ростом диаметра ее труб. Обусловлено это тем, что с увеличением диаметра моноопоры повышается ее прочность, а параметры грунтовой заделки определяют, исходя именно из этой прочности.

Таким образом, параметры грунтовой заделки (глубина и диаметр) следует выбирать из условий ее прочности на выдавливание, осадку и опрокидывание моноопоры. Для этого по выражениям (6.3), (6.4) и (6.17) применительно к конкретным физико-механическим свойствам пород грунтовой заделки, условиям и силовым нагружениям ее рассчитывают минимально необходимые значения глубины погружения в нее труб определенного диаметра. Сравнивая эти значения, следует выбрать большее. При необходимости уменьшения вычисленной глубины грунтовой заделки до конкретного заданного значения выражения (6.3), (6.4) и (6.17) следует решать относительно необходимого диаметра погружаемых в грунт труб и тоже выбрать его большее значение.

Таблица 6.4

Значения необходимого заглубления (м) в грунт моноопоры из труб с толщиной стенки 0,014 м и допустимым напряжением 750 МПа

Рациональные параметры грунтовой заделки и конструктивной схемы трубчатой моноопоры для грунтов с используемыми выше при вычислениях физико-механическими свойствами (т = 20 кПа; Tf = 20 кПа; у = 20 кН/м³), можно выбрать по данным табл. 6.3 и 6.4. Порядок выбора проиллюстрируем на следующем примере.

Пример. Исходные данные. Несущая способность моноопоры должна составлять 50 кН. Глубина грунтовой заделки не должна превышать 6 м. Сила лобового сопротивления отсутствует. Показатель текучести грунта 0,7. Определить конструктивную схему и диаметры моноопоры из труб с толщиной стенки 0,014 м и допустимым напряжением 750 МПа.

Порядок определения

1. По табл. 6.3 определяем минимальный диаметр труб моноопоры, находящихся в грунтовой заделке, несущая сила боковой поверхности которых при погружении в грунт с показателем текучести 0,7 на глубину 6 м составляет не менее 50 кН. Этим требованиям удовлетворяют трубы диаметром 0,351 м и более. Несущая способность поверхности труб диаметром 0,351 м, погруженных на глубину 6 м в грунт указанных свойств, составляет 53 кН.

2. По табл. 6.4 для грунтов с т < 20 кПа определяем диаметры труб моноопоры с глубиной грунтовой заделки по условиям опрокидывания, меньшей или близкой 6 м. Такому требованию удовлетворяют трубы диаметрами 0,168; 0,219; 0,273; 0,324; 0,351 и 0,426 м.

3. Выбранные по табл. 6.4 трубы до диаметра 0,351 м включительно оцениваем по их возможности обеспечить прочность моноопоры на требуемой глубине разведываемой акватории. Если на данной глубине акватории прочность моноопоры обеспечивается трубами любого выбранного диаметра, то возможны двух-, трех-, четырех- и пятиступенчатые конструкции моноопоры с уменьшающимися к верху сечениями.

Таким образом, рациональные параметры грунтовой заделки трубчатой моноопоры в морском дне должны определяться из условий выдавливания, осадки и опрокидывания моноопоры по выражениям (6.3), (6.4) и (6.17). Вычисленные значения необходимого погружения нижнего конца моноопоры в плотные грунты морского дна могут оказаться малыми (1-3 м). Однако с учетом рекомендаций [37] сваи и моноопоры, подвергающиеся многократно изменяющимся значениям изгибающих, вдавливающих и выдавливающих сил, желательно погружать в грунт на глубину не менее 4 м независимо от его плотности.

При ограниченных возможностях погружения нижнего конца моноопоры на необходимую глубину в породы морского дна, например, из-за близкого залегания от него крепких пород или по другим причинам, предотвратить опрокидывание моноопоры можно изготовлением специального массивного придонного основания с соответствующим расчетным удалением его опорных точек от оси моноопоры.