E‑book do e‑materiału Otwory wiertnicze wykonywane dla działalności inżynierskiej i hydrogeologicznej
GIW.12. Wykonywanie prac wiertniczych – Wiertacz , Technik wiertnik
Rodzaje i warunki wykonywania przewiertów, otworów hydrogeologicznych, geotechnicznych i geoinżynierskich
E‑BOOK
Spis treści
Rodzaje i warunki wykonywania przewiertów, otworów hydrogeologicznych, geotechnicznych i geoinżynierskichRodzaje i warunki wykonywania przewiertów, otworów hydrogeologicznych, geotechnicznych i geoinżynierskich
Zakres prac wiertniczych podczas badań geotechnicznychZakres prac wiertniczych podczas badań geotechnicznych
Zakres prac wiertniczych wykonywanych podczas wierceń geoinżynieryjnychZakres prac wiertniczych wykonywanych podczas wierceń geoinżynieryjnych
Dogęszczenie podłożaDogęszczenie podłoża
Wykonanie pali fundamentowychWykonanie pali fundamentowych
ElektroosmozaElektroosmoza
Iniekcja otworowaIniekcja otworowa
Zbrojenie ośrodka gruntowo‑skalnego przez wprowadzenie kotew lub gwoździZbrojenie ośrodka gruntowo‑skalnego przez wprowadzenie kotew lub gwoździ
Zamrażanie gruntuZamrażanie gruntu
Wyżarzanie gruntuWyżarzanie gruntu
Zakres prac wiertniczych przy wykonywaniu horyzontalnych przewiertów kierowanych, mikrotunelingu i metodzie Direct PipeZakres prac wiertniczych przy wykonywaniu horyzontalnych przewiertów kierowanych, mikrotunelingu i metodzie Direct Pipe
Zakres prac wiertniczych wykonywanych podczas wierceń hydrogeologicznychZakres prac wiertniczych wykonywanych podczas wierceń hydrogeologicznych
Netografia i bibliografiaNetografia i bibliografia
Zakres prac wiertniczych wykonywanych podczas wierceń geoinżynieryjnych
Powody modyfikowania podłoża gruntowego:
zabezpieczenie stateczności budowli,
zwiększenie nośności,
redukcja osiadań,
zmniejszenie przepuszczalności hydraulicznej (wodoprzepuszczalności),
zwiększenie odporności na obciążenia dynamiczne,
wyeliminowanie lub zredukowanie zjawisk szkodliwych (np. upłynnienia, sufozji).
Wiercenia geoinżynieryjne umożliwiają modyfikowanie parametrów i właściwości podłoża bez konieczności np. wykopowej wymiany gruntu. Dzięki nim znacznie zmniejszają się koszty wykonywanych prac, dodatkowo ułatwiają one logistykę, jednak wymagają zastosowania specjalistycznego sprzętu wiertniczego.
Wiercenia geoinzynieryjne stosowane są między innymi do:
dogęszczenia podłoża,
wykonywania pali fundamentowych,
przeprowadzenia elektroosmozy,
uszczelniania podłoża przez wprowadzenie iniektu do ośrodka porowatego i szczelinowatego,
zbrojenia masywu skalnego przez wprowadzenie kotew lub gwoździ,
mrożenia masywu skalnego,
wyżarzania masywu skalnego.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
Dogęszczenie podłoża
Wzmocnienie podłoża gruntowego można przeprowadzić za pomocą wibrowania powierzchniowego i wgłębnego. W efekcie prac zwiększa się nośność modyfikowanego podłoża oraz zmniejsza się jego wodoprzepuszczalności. Materiał opracowywany za pomocą wibrowania wgłębnego tworzy kolumny dobrze zagęszczonego gruntu, które rozstawia się na planie trójkąta równobocznego. Wśród sposobów wgłębnego zagęszczenia podłoża wyróżnia się metodę wibrowymiany i wibroflotacji.
Wibrowymiana jest stosowana w gruntach o ziarnistości poniżej , a wibroflotacjia w gruntach żwirowych i piaszczystych, o cząstkach większych niż . W trakcie wibrowymiany formowane są kolumny z kruszywa. Przejmują one obciążenie w słabych gruntach spoistych, które nie poddają się zagęszczeniu własnemu.
Wibrowymianę przeprowadza się, wprowadzając kruszywo grube do otworu, w którym pracuje wibrator. Kruszywo jest wgniatane w dno i ściany otworu. Na skutek wibracji tarcie wewnętrzne zmniejsza się w znacznym stopniu, chwilowo zanikają siły międzycząstkowe, a grunt przyjmuje właściwości cieczy o ciężarze zbliżonym do ciężaru gruntu. Następnie cząstki gruntu dążą do przyjęcia możliwie jak najbardziej zwartej struktury, przemieszczając się względem siebie, wypierając z porów gruntowych wodę oraz powietrze, przez co zmniejsza się porowatość i wzrasta zagęszczenie materiału.
Wibroflotację stosuje się w gruntach sypkich, które wzmacniane są przez odpowiednie zagęszczenie.
Proces wibroflotacji (czyli wgłębnego zagęszczania gruntu niespoistego małonośnego) opiera się na zjawisku upłynnienia gruntu. Wynika ono z poziomej wibracji wprowadzanej w grunt zagęszczarki wgłębnej. Na skutek tej wibracji zachodzi zagęszczenie gruntu wokół wibratora, co wynika z usunięcia wody i powietrza przez ziarna gruntu, które dążą do zajęcia najniższego położenia. Gdy zagęszczarka pogrąża się w gruncie, powstaje jego wstępne zagęszczenie, natomiast wokół kolumny rurowej tworzy się lej. Dosypuje się do niego w sposób ciągły piasek, żwir, pospółkę, tłuczeń itp. Dosypany materiał miesza się z gruntem rodzimym, a po zagęszczeniu tworzy kolumnę gruntu. Strefa zagęszczona, którą uzyskuje się w efekcie wibroflotacji, sięga od do od osi działania wibroflota – jest ona zależna od rodzaju gruntu i mocy wibratora. Cykl opadania wibratora do otworu powtarza się, aż grunt ulegnie dogęszczeniu, czego sygnalizacją jest ustanie zagłębiania wibratora.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
Wykonanie pali fundamentowych
Wiercone pale fundamentowe są obecnie coraz częściej stosowane przy posadawianiu fundamentów. W porównaniu do innych metod wykonywania głębokich fundamentów pale wiercone wyróżniają się niskimi kosztami i zgodnością końcowych parametrów technologicznych pala z projektem. W odpowiednich warunkach gruntowych i wodnych wiercenie pali często okazuje się najtańsze spośród wszystkich metod (w przeliczeniu na jednostkę przenoszonego obciążenia). Celem stosowania pali może być przekazanie obciążeń zewnętrznych na warstwy zalegające w głębi podłoża gruntowego lub polepszenie cech mechanicznych podłoża. W praktyce przemysłowej pale fundamentowe (jako konstrukcje wykonywane w specjalnie do tego celu wywierconych otworach) stosuje się do:
przekazania obciążeń z budowli na warstwy nośne, wtedy pale przekazują obciążenie przez swoje podstawy (ostrza lub stopy),
przekazania obciążeń na zalegające w głębi podłoża warstwy o dużej miąższości i znacznej nośności, np.: zagęszczone piaski, żwiry, wtedy pal przekazuje obciążenie przez podstawę oraz przez pobocznicę w obrębie warstwy nośnej,
posadowienia budowli poniżej warstwy gruntu, która może ulec rozmyciu lub może być w przyszłości usunięta lub naruszona przy wykonaniu robót budowlanych,
zakotwienia budowli w gruncie przeciw sile wyporu,
stabilizacji osuwisk – pale doprowadza się do głębokości poniżej płaszczyzny osuwiska,
przyspieszenia robót – obecnie palowanie jest najskuteczniej zmechanizowanym i najszybciej wykonywanym rodzajem fundamentowania specjalnego,
zagęszczenia gruntu niespoistego i przez to zwiększenia jego nośności.
Pale wiercone oraz formowane w gruncie można podzielić na dwie grupy:
pale wykonywane bez zagęszczenia gruntu,
pale wykonywane z zagęszczeniem gruntu.
Do pierwszej grupy zalicza się np. pale wiercone z rurą obsadową (okładzinową), do drugiej pale wiercone świdrem ślimakowym.
W przypadku pali wykonywanych bez zagęszczania gruntu stabilizuje się ściany otworu za pomocą rur obsadowych (okładzinowych) albo płuczki wiertniczej (najczęściej jest to zawiesina iłowa). Rury okładzinowe mają również za zadanie zapobieganie przypływowi wód gruntowych do wierconego otworu. Taki dopływ mógłby spowodować zniszczenie struktury pala. W specyficznych warunkach twardych, zwartych i niezawodnionych gruntów można wykonać otwór bez zabezpieczania jego ściany.
W celu obniżenia kosztów prac po dowierceniu na odpowiednią głębokość rury okładzinowe są wyciągane w trakcie cementowania pala. Zdarza się jednak, że rury pozostają w gruncie w przypadku konieczności wynikającej z zaprojektowanej konstrukcji pala.
Rozmiary pali wierconych wynikają z wielkości wykonanych otworów. Dzięki współczesnym technologiom i urządzeniom można wykonywać pale fundamentowe, których stopy opierają się nawet 80 m poniżej powierzchni, a średnice mogą osiągać 3 m.
Jeśli pale wykonane zostaną świdrami ślimakowymi, znacznie wzrośnie ich nośność dzięki zagęszczeniu gruntu. Wynika to z efektywnego zwiększenia kąta tarcia wewnętrznego skał górotworu. Opór pobocznicy pala wierconego wykonywanego z zagęszczeniem gruntu jest większy niż w wypadku pala tworzonego z rurą osłonową. Wynika to z faktu, że materiał pala zazębia się w strefie kontaktowej z ośrodkiem górotworu w sposób mniej regularny, co poprawia obciążalność pala wierconego.
Współczesne technologie formowania pali wierconych wykonywanych z zagęszczeniem gruntu umożliwiają stworzenie pala w jednym cyklu. Wiercenie świdrem ślimakowym ciągłym prowadzi się dopóty, dopóki osiągnięta zostanie wynikająca z projektu głębokość zapuszczenia pala.
W środku świdra znajduje się przewód służący do tłoczenia mieszanki cementowej. Jest on zamknięty w trakcie pogrążania świdra, a zostaje otwarty po zejściu narzędzia na żądaną głębokość. Cementowanie pala polega na powolnym podciąganiu świdra połączonym z równoczesnym pompowaniem mieszanki wiążącej.
Mieszanka wiążąca tłoczona jest pod ciśnieniem od do . Dzięki temu wyeliminowano zjawisko rozluźnienia ścian otworu. Ciśnienie tłoczenia i przepływ mieszanki cementowej są ciągle kontrolowane, co daje gwarancję ciągłości pracy oraz efektu w postaci żądanej średnicy pala. Na koniec do wykonanego pala wwibrowywane jest zbrojenie stalowe, które zwiększa wytrzymałość pala.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
Elektroosmoza
Elektroosmoza jest jednym ze zjawisk elektrokinetycznych. Polegają one na ruchu cieczy względem fazy stałej utworzonej przez materiał porowaty lub kapilarny pod wpływem napięcia przyłożonego do elektrod, które zanurzone są w roztworze. Kationy płynąc do katody, unoszą ze sobą wodę swobodną, osuszając, stabilizując i wzmacniając grunt. Już przy bardzo małym natężeniu prądu w gruncie tworzą się włoskowate szczelinki – kapilary, ułatwiające podciąganie wody ku górze. Elektroosmotyczne odciągnięcie nadmiaru wody z podłoża uzyskuje się, stosując zespół elektrod – metalowych prętów oraz perforowanej rury zbiorczej do usuwania dopływającej wody. Zamiast rur zbiorczych można stosować igłofiltry. Elektrody dodatnie ustawia się zazwyczaj w rzędach równoległych w odległości jedna od drugiej. Skuteczność osuszania zależy od czasu trwania elektroosmozy. Grunty spoiste o niskim współczynniku filtracji poddane działaniu prądu stałego tracą nasiąkliwość i właściwości pęcznienia. Jednocześnie wzrasta ich wytrzymałość mechaniczna.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
Iniekcja otworowa
Iniekcja otworowa polega na uszczelnianiu i wzmacnianiu ośrodka gruntowego i masywu skalnego przez wtłoczenie zaczynu wiążącego.
Przeprowadzenie iniekcji wymaga wykonania otworu w rejonie górotworu, który należy doszczelnić lub wzmocnić. Iniekcję można podzielić na:
iniekcję klasyczną,
iniekcję ciśnieniową,
iniekcję wysokociśnieniową z hydraulicznym urabianiem gruntu i skał – jet grouting (iniekcja ciśnieniowo‑strumieniowa),
iniekcja ciśnieniowa z mechanicznym urabianiem gruntu i skał (iniekcja ze zruszaniem gruntu).
Wybór metody iniekcji otworowej wynika z rodzaju uszczelnianego ośrodka i jego parametrów fizycznych. Ze względów technologicznych metody iniekcji dzieli się na cztery grupy, biorąc pod uwagę charakterystykę ośrodka gruntowego i masywu skalnego:
iniekcja w skałach sypkich (wypełnianie wolnych przestrzeni porowych),
iniekcja wypełniająca, rozumiana między innymi jako zatłoczenie wiążącego materiału podsadzkowego do pustek w górotworze,
iniekcja w spękanym masywie skalnym, powodująca wypełnianie szczelin, płaszczyzn przemieszczeń i kanałów przepływu płynów,
kotwienie lub sprężanie masywu skalnego.
Przyjmując jako kryterium sposób zatłaczania zaczynów uszczelniających w skały, wyróżnia się:
metodę ciśnieniową,
metodę obiegową,
metodę rurociągową.
Projektowane parametry techniczne i technologiczne muszą uwzględniać właściwości fizyczno‑mechaniczne gruntów i skał, stosowanego zaczynu uszczelniającego oraz możliwości wyposażenia technicznego. Optymalną technologię zatłaczania iniektu ustala się w oparciu o dobrą znajomość mechanizmu przebiegu zabiegu, znajomości litologii i charakterystyki pustek w górotworze. Z punktu widzenia hydromechaniki przepływu proces iniekcji należy rozpatrywać jako przepływ cieczy, o zmiennych w czasie parametrach reologicznych i fizycznych w ośrodku porowatym, szczelinowatym lub w pustkach w górotworze. Zaczyn przepływając przez pory lub szczeliny, powoduje wypieranie wody. Wypełnia zawodnione przestrzenie porowe, szczelinowe i pustki skalne.
Do realizacji prac związanych z uszczelnieniem lub wzmocnienia ośrodka gruntowego‑skalnego metodą iniekcji otworowej potrzebne są:
wiertnica do wiercenia otworów iniekcyjnych,
osprzęt i materiał potrzebnych do uzbrojenia otworu iniekcyjnego,
węzeł do przygotowania zaczynu uszczelniającego,
agregaty pompowe do zatłaczania zaczynu uszczelniającego przez otwór iniekcyjny do ośrodka gruntowo‑skalnego.
aparatura kontrolno‑pomiarowa przebiegu procesu iniekcji.
Metodę wiercenia otworów iniekcyjnych dobiera się, uwzględniając rodzaj przewiercanych skał. Wiercenia mogą być przeprowadzane metodą udarową, obrotową lub inną, gwarantującą uzyskanie wymaganej głębokości. Wybrany sposób wiercenia otworów nie może pogarszać naturalnych warunków oraz parametrów fizyczno‑mechanicznych skał (gruntów), które występują w uszczelnianym ośrodku. Stosując metodę wiercenia obrotową, należy przestrzegać zasady, aby używana płuczka nie oddziaływała oraz nie zmieniała właściwości skał w strefie przyotworowej. Najczęściej w tego typu wierceniach jako płuczkę wiertniczą wykorzystuje się wodę, płuczkę bentonitową lub płuczkę samorodną.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
Zbrojenie ośrodka gruntowo‑skalnego przez wprowadzenie kotew lub gwoździ
Gwoździe gruntowe to pręty stalowe, umieszczane w otworach o średnicy od do . Nie poddaje się ich wstępnemu obciążeniu. Podczas stabilizacji zboczy lub ścian wykopów otwory pod gwoździe wierci się pod kątem nachylenia ok. . Wypełnia się je zaczynem cementowym. Następnie wprowadza się do nich pręty stalowe stanowiące rdzeń gwoździa. Gwoździowanie gruntu służy do zabezpieczenia stateczności skarp, wykopów i osuwisk.
Przy zabezpieczeniu wykopu techniką gwoździowania roboty ziemne wykonuje się warstwami o wysokości dostosowanej do rodzaju gruntu. Odstęp od kolejnych rzędów otworów wynosi od do . Następnie na gwoździe nakłada się siatkę stalową, a tą kolejno pokrywa betonem natryskowym, czyli torkretem.
Kotwie również służą do zabezpieczania warstw zboczy. Składają się z głowicy, cięgna oraz buławy przenoszącej obciążenia na przylegający do niej grunt. Wyróżnić można dwa rodzaje kotew gruntowych: czasowe – tworzone z myślą o pracach budowlanych, ich eksploatacja wynosi do dwóch lat, oraz stałe, które są wykorzystywane przez lat. Kotwie wykonuje się, wiercąc w gruncie otwór o średnicy ok. , jego głębokość i kąt zależą od projektu. Po wywierceniu otwór wypełnia się wlewką z zaczynu cementowego i wprowadza się szkielet (cięgno kotwi). Szkielet składa się ze stalowej liny lub sztywnego pręta oraz przewodów iniekcyjnych z zaworami. Po wykonaniu wlewki (w celu uformowania buławy) oraz trwałym osadzeniu kotwi (po związaniu zaczynu) wykonuje się iniekcję zaczynem cementowym, który mocuje kotew w otworze. Po związaniu iniektu napręża się kotew oraz dociska powierzchnię zabezpieczanej ściany.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
Zamrażanie gruntu
Sztuczne zamrażanie gruntu jest stosowane w wypadku podłoża nawodnionego podczas budowy podziemnych wyrobisk kopalnianych, do osłony głębokich wykopów oraz w hydrotechnice w celu stworzenia chwilowych wodoszczelnych ekranów. W zależności od czasu zamrażania i stopnia obniżenia temperatury można utworzyć z zamarzniętego gruntu ściankę pełną, która przejmuje obciążenia od parcia wody i gruntu znajdującego się poza strefą zamrożoną, uniemożliwiającą przedostanie się wody do wykopu. Instalację rurową do zamrażania umieszcza się w specjalnie wywierconych w gruncie otworach. Roztworami do zamrażania mogą być: schłodzony chlorek wapnia , chlorek manganu , chlorek sodu lub amoniaku . Krążenie roztworu zamrażającego powoduje powstanie cylindrycznych stref zamarzniętego gruntu o średnicy zwiększającej się w procesie schładzania. Z upływem czasu strefy powstałe wokół poszczególnych komór chłodniczych łączą się ze sobą, tworząc pełną, ciągłą ściankę zamrożonego gruntu.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
Wyżarzanie gruntu
Obróbka termiczna podłoża, szczególnie w gruntach pylastych i ilastych, umożliwia wzmocnienie podłoża przez wyżarzanie. Podczas spiekania w gruncie zachodzą nieodwracalne zmiany wskutek skomplikowanych procesów chemicznych. Pod wpływem wysokiej temperatury (700° C) minerały węglanowe i ilaste tworzą nowe związki. Wzmocnienie metodami termicznymi wykonywane jest przez: wtłaczanie pod ciśnieniem w wywiercone w gruncie otwory powietrza rozgrzanego do 600‑800° C lub przez termiczną i termochemiczną obróbkę gruntów gorącymi gazami o temperaturze dochodzącej do 1100° C (produktami spalania paliw, wzbogaconymi o specjalne domieszki) wprowadzanymi w grunt pod ciśnieniem przez rury żaroodporne. Przekazywanie ciepła w głąb gruntu następuje przez promieniowanie, konwekcję i kondukcję. Po obróbce trwającej około 10 godzin w temperaturze 850‑900° C wytrzymałość gruntu wokół otworu dochodzi do 2,5 MPa, a po 24 godzinach – nawet do 20 MPa i jest zbliżona do wytrzymałości betonu.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
Powiązane materiały
Technologia wykonywania przewiertówTechnologia wykonywania przewiertów
Technologia wykonywania otworów hydrogeologicznychTechnologia wykonywania otworów hydrogeologicznych
Technologia wykonywania otworów geotechnicznychTechnologia wykonywania otworów geotechnicznych
Technologia wykonywania otworów geoinżynieryjnychTechnologia wykonywania otworów geoinżynieryjnych
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści