Введение к работе
Актуальность работа. В строительстве все большее применение получают свайные фундаменты, которые, по данным НИИ оснований и подземных сооружений им.Н.^.Герсеванова, позволяют значительно уменьшить объем трудоемких земляных работ, в 1,5-2,0 раза сократите сроки строительства, на 25-40 % снизить расход бетона, ка 35-40 % -стоимость сооружения фундамента.
Одной из прогрессивных конструкций свайных фундаментов являет^ ся набивная свая-оболочка /НСО/, обладавшая по сравнения с бурона-бивными повышенной /в 2,2-2,6 раза/ удельной несущей способностью при экономии бетона до 30-35 %.
Однако широкое внедрение НСО сдерживается отсутствием необходимого технологического оборудования, позволяищего эффективно уплотнять применяющиеся для них жесткие смеси. Существующая техноло- гия формования НСО путем вибрационного воздействия по касательной на столб бетонной смеси требует сложного оборудования и не обладает достоинствами, присущими более перспективному виброобъемному, методу.
5 связи с этим исследования и создание нового оборудования, з котором используется виброобъемный метод формования НСО, является актуальной задачей.
Работа выполнялась: - по целевой комплексной научно-технической программе Госстроя СССР, ГКНТ и Госплана СССР О.Ц.03І. "Развитие прогрессивных технологий и индустриальных методов строительства на основе создания и широкого применения^эффективных строительных материалов, изделий и конструкция, майш. оборудования и инструмента, обеспечивающих снижение при их применении в строительстве трудоемкости НА 25 % и материалоемкости на.10*./Задание 04.0Г.0І СІІг "Провести исследо-
вания, разработать методы расчета, методы изучения несущей способности, свай, принципы конструирования и устройства свайных фундаментов и выдать задание на проектирование в условиях опытного строительства";
- по плану научно-исследовательских работ министерства образо
вания Республики Казахстан и в соответствии с республиканской
программой * 338 "Научно-технические проблемы машиностроения" и
создания высокоэффективных машин и аппаратов"./Задание 03 "Новые
высокоэффективные строительные и дорожные машины и оборудование"/.
Цель работы состоит в разработке и определении параметров новой высокоэффективной конструкции вибрационной установки для формования НСО из жестких бетонных смесей*
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучение процесса формования столба бетонной смеси высотой до 10 м ' и определение оптимальных режимов его уплотнения;
установление закономерностей распределения динамического давления по высоте вибрируемого столба смеси;
разработка инженерной методики расчета параметров новой конструкции вибрационной установки для формования НСО;
разработка и создание новой конструкции вибрационной установки для изготовления НСО диаметром 900 мм и длиной 10 м;
- разработка методики и проведение экспериментальных исследова
нии на стендах в лабораторных и в производственных условиях.
Объект исследовании. Стенды натурных размеров и опытный образец новой конструкции вибрационной установки для формования НСО из жестких смесей.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- установлена закономерность распределения динамического давле-
> ния по высоте вибрируемого столба бетонной смеси и его влияние ка качество формования НСО;
получены математические модели для определения основных параметров вибрационной установки в зависимости от динамического давления вибрируемой смеси, ее водоцементного соотношения, грунтовых условий скважины и упругих свойств конструктивных элементов рабочего органа;
предложены новые конструкции вибрационных установок, подтвержденные 6-ю авторскими свидетельствами на изобретения и методика инженерного расчета их параметров.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработана методика расчета основных параметров вибрационной установки для изготовления НСО из жестких смесей;
установлены конструктивно-режимные параметры установки по формоаанио НСО длиной до 10 м;
созданы стенды и опытный образец вибрационной установки, позволившие отработать оптимальные режимы и технологию изготовления НСО.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается необходимым объемом экспериментальных исследования на стендах и натурном образце вибрационной установки, применением статистических методов при обработке экспериментальных данных, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Реализация работы. Результаты выполненного исследования- использованы Алматинским строительным управлением Гидроспецстроя Минмонтажспецстроя СССР и Северодвинским специализированным управлением треста Гидроспецфундаментстрой при разработке конструкторской документации на экспериментальный образец вибрацион.юя установки и внедрены в 1987 г. при устройстве фундамента под
транспортную эстакаду Новокузнецкого металлургического комбината а. количестве 368 штук.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях ВНИИГС /Ленинград, 1974г./, Акмолинокого инженерно-строительного института /1978-1993г.г./, научно-технической конференции "Рациональные фундаменты зданий и сооружений в условиях слабых грунтов" /Ленинград, 1982г./, на заседании технического совета Карагандинского НПО фун-даментостроения "Союзспецфундаменттяжстрой" /Караганда, І969 г./, на научно-технической конференции Алматинского автомобильно-дорожного института /Алматы, 1993г./, на заседаниях кафедр ПТСДМиО Строительного института Акмолинского университета /Акмола, 1993,' 1995 г.г./, "Строительно-дорожных машин и оборудования" Алматинского автомобильно-дорожного института /1993, 1996 г.г./.
Публикации, По теме диссертации рпубликовано 8 печатных работ и получено 6 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем работа. Диссертационная работа состоит из введения,, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы и приложения. Объем работ составляет 176 страниц, из них 133 страницы машинописного текста, ЬЭ рисунка, 16 таблиц, 78 наименований литературы и приложений на 7 с. . СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность, определена цель и задачи диссертационного исследования,- основные положения, выносимые на защиту, новизна работы.
В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассматривается состояние вопроса. Отмечается, что основным преимуществом объемного вибрирования с вертикально направденннми колебаниями в ее низкочастотном диапазоне, по сравнение с другими способами формования НСО, является возможность
достижения равномерного уплотнения материала сваи по всей ее высоте.
На основе обзора конструкций применяемого оборудования для формования НСО разработаны основные требования к новой установке, сформулированы цель и задачи исследования.
ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ изложены теоретические исследования по обос* новации основных параметров усіановки в зависимости от динамического давления столба смеси, подвижности бетонной смеси, упругости грунта скважины и конструктивных элементов рабочего оборудования.
На основе принятой расчетной схемы виброформования КСО в скважине /Рис.1/, математическая модель системы записывается в виде одномерного аккустического дифференциального уравнения:
- J5* :, эк .
где jTi и UL[Xz) ^/соответственно координата рассматриваемого сечения и продольные смещения столба бетонной смеси; CZ=M^ скорость распространения продольных волн в смеси: здесь Р исо-ответственно модуль упругости и плотность смеси.
Решая дифференциальное уравнение (I) при граничных услови-
Ш± і - / - П " О)
получим выражение для скорости колебаний:
в котором . ^ ^ ^ д '
(5)
Ре /?« - амплитудное значение возмущающей силы вибровозбудите-і' ля. ^. і/* - частота собственных колебаний системы, М. - мао-са колеблющейся системы, / - площадь кольцевого сечения столба
бетонной смеси, ^ - частота собственных колебаний бетонной сме-
» * --.-
си, К*> - коэффициент упругости стержней или арматурных тяг, Кг- коэффициент упругости грунта скважины.
Тогда динамическое давление выразится зависимостью:
Полученная формула позволяет определять значения динамического давления в зависимости от значений: упругости бетонной смеск,представленной в формулах модулем упругости Eg, коэффициентов упругости грунта скважины и арматурных тяг, а также от параметров вибрационной установки. Это позволяет принять динамическое давление, возникающее в вибрируемой смеси, в качестве критерия для анализа режимов работы предлагаемой установки.
На рис.2 представлены теоретические кривые распределения ди-
Расчетная схема "вибро-орган-бетоная смесь"
Зависимость динамического давления от подвижности*' смеси
.»лчзй\
QOM&
-5^й*$
Рис Л,
I и 2 - соответственно прі 0К=4,О и 8,0 см
Рис .'2.
9 намического давления по высоте столба смеси в зависимости от ее подвижности. Кривые получены при формовании смеси на частоте 7 Гц в грунтовой скважине с коэффициентом упругости К =2 кН/м. В малоподвижных смесях /кривая I/ изменение динамического давления по высоте происходит более равномерно, а в подвижных /кривая 2/ наблюдается резкое возрастание давления по всей высоте смеси. Объясняется это тем, что в подвижных смесях с малыми значениями коэффициента упругости резонансные явления наступают при низких частотах, в отличие от малоподвижных, у которых эти явления возникают в более высоком диапазоне частот. Эти выводы справедливы при
(J=/. . В этом случае выражение, стоящее в знаменателе уравнения, (5) обращается в уравнение частот:
— -of,/* ді 4+(1+0)л*/Хъ U}
Анализ данного уравнения показывает, что при уменьшении частоты
собственных колебаний бетонной смеси динамическое давление
возрастает вместе с увеличением скорости колебаний столба смеси. Кроме того, на величину динамического давления, а вместе с ним и на режим уплотнения, существенное влияние оказывают значения упругости грунта скважины и арматурных тяг. Из формулы (5) видно, что при их совместном влиянии /при 1 ? I/ уменьшается интенсивность колебаний бетонной смеси, а вместе с ней снижается в дина-' мическое давление. В этом случае столб бетонной смеси можно представить как упругий стержень со Свободным концом / /^/= О/.
На рис.3 приведены графики зависимости давления от коэффициента упругости грунта скважины. Из них видно, что для достижения равномерного уплотнения смеси по высоте столба более предпочтительными являются плотные грунты /Рис.Зв/, тогда как в слабых грунтах, вследствие их малой упругости, размахи колебаний вибрирующего башмака возрастают и приводят к резкому увеличению дина-
10 мьческого давления и расслоению частиц бетонной смеси/Рис.За,б/.
Зависимость динамического давления от упругости грунта скважины
g-/2S.
6J7o
6./7о
а - при Кі =2 кН/м; б - при К* =6 кН/м; в - при &. =12кН/к I, 2 и 3 - соответственно осадка конуса OK = 1,0; 4,0 и 8,0 см.
Рис.3.
Влияние упругости арматурных тяг на режим вибрирования смеси может быть существенным при 2 I, что вытекает из формул (S,7). Это объясняется тем, что в этом случае частота собственных колебаний может приближаться к вынужденным, соответствующим околорезонансному режиму, и привести"к увеличению динамического давления смеси. На рис.4 приведены расчетные графики распределения динамического давления по высоте бетонной смеси с 0К=4,О см в зависимости от значений коэффициента жесткости стержней Ка = 1,8; 2,4 и 3,2 МН/н. Оказалось, что при более гибких тягах /KQ => 1,8 МН/м/ давление резко падает и, соответственно этому, ухудшается степень уплотнения смеси.
ТРЕТЬЯ ПАЗА посвящена экспериментальным исследованиям, це-
лью которых являлась оптимизация режимов виброформования столба бетонной смеси и обоснование параметров9 новой конструкции установки.
На лабораторном стенде изучались закономерности изменения динамического давления в столбе смеси высотой 5 м и диаметром 270 мм, уплотняемой вибропоршневым способом. Исследования проводились с использованием метода математического планирования экспериментов. Расховдение экспериментальных и теоретических данных не превышало 18-22 %.
Опытами установлено, что в бетонной смеси /Рис.5/' с осадкой
Зависимость динамического давления от жесткости арматурных тяг /смесь 0К=ч см/
Зависимость динамического давления от частоты колебаний /смесь ОК=8,0*10,0 см/
&.ЛГ/7о
1,2 и 3 - соответственно при 1^=1,8; 2,4 и 3,2 НН/м
aos а/ аг с.г5 <з/?/?0
1,2 и 3 - соответственно
при J- =7,6; 13,9 и 16,6Гц ;
-
- теоретическая кривая при /« 7 Гц ;
-
- гидростатическое давление.
Рис.4
Рис.5.
конуса ОК =8,0-10,0 см при частотах вибровозбуждения 7,6 /кривая
12 I/, 13,9 /кривая 2/ и 16,6 Гц /кривая 3/ динамическое давление повышается и составляет соответственно 0,13, 0,17 и 0,27 МПа. При этом в диапазоне частот от 7,6 /кривая I/ до 13,9 Гц /кривая 2/ изменения давления по всей высоте вибрируемой смеси незначительны, что свидетельствует о равномерности процесса уплотнения по высоте столба смеси. При дальнейшем увеличении частоты вибрирования до 16,6 Гц /кривая 3/ динамическое давление увеличилось почти в 2 раза и составило 0,27 МПа. Это превышение давления является значительным и вызвано, в основном, появлением резонансны) явлений, которые, как отмечено выше, приводят к ухудшению процесса уплотнения. Следовательно, стендовые эксперименты подтвердили теоретические положения о преимуществах низкочастотной вибрации с большими амплитудами /5 + 8 мм/, позволяющими достигать наиболее равномерной степени уплотнения столба смеси.
Этими экспериментами,кроме того, установлено, что при увеличении высоты столба выше 6,0 м происходит зависание смеси в форме, вследствие чего нарушается контакт вибропоршня со столбом бетонной смеси и процесс уплотнения значительно ухудшается. В связи с этим вибропоршневой метод не применим для формоваяния НС большой высоты.
Для изготовления НСО больших размеров предложена новая конструкция вибрационной установки, защищенная авторскими свидетель ствами на изобретения /9,10,11,12,13 и 14/. Особенностью установ ки является повышение эффективности уплотнения за счет создания вертикально направленных колебаний с помощью соединенных между собой башмака и сердечника.
В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приведены результаты экспериментов на двух стендах натурных размеров и опытном образце новой установки При исследовании динамического давления был применен стенд, в
котором уплотнение смеси производилось в трубе диаметром 270 мм и высотой 2,5 м. Давление смеси фиксировалось датчиками, вмонтированными с шагом 0,5 м по высоте трубы. Оказалось, что при частоте колебаний порядка 10 Гц давление в нижнем сечении вибрируе-' мой смеси подвижностью OK = 4,0 см составило в среднем около 0,12 МПа. При этом амплитуды колебаний смеси и вибровозбудителя были одинаковыми и составили порядка 2,6*3,5 мм, что. подтверждает правильность принятого в теоретических исследованиях допущения об отсутствии проскальзывания трубы-вибросердечника относительно столба бетонной смеси. Вместе с тем установлено, что объемное формование вибросердечником и башмаком ведет к повышенному на 12-17$ удельному расходу энергии по сравнении с вибропоршневым.
С целью отработки технологии был создан специальный.стенд для изготовления НСО'длиной 1,5 м, с наружным и внутренним диаметрами соответственно 270 мм и 130 мм, на этом же стенде для сраэнения была изготовлена вибронабивная свая таких же размеров. Сваи изготовлялись из бетона марки МІ50 с водоцементным отношением В/Ц = 0,55 и осадкой конуса OK = 1,0 см. Формование свай производилось на частоте 9,4 Гц. Испытания показали, что прочность материала НСО была на 20-24 %, а несущая способность на 12-14% выше, чем у вйбронабивной сваи, при этом экономия бетона составила порядка 30-35 %..
На втором этапе эксперименты проводились в производственных условиях строительной площадки г.Северодвинска. Площадка была сложена из насыпного грунта толщиной 9,0-9,5м, покрывающего прослойки торфа и супечи.На экспериментальном образце вибрационной установки в соответствии с требованиями ГОСТ 5686-78 были изготовлены три НСО длиной 8,0 м, с наружным и внутренним диаметрами соответственно 900мм и 300мм. Для сравнения с ними были изготовлены
14 три вибронабивные сваи таких же размеров. Принятая длина свай была ограничена грунтовыми условиями строительной площадки, а также техническими возможностями вибропогружателя ВП-І, имеющегося в строительном управлении г.Северодвинска. Для изготовления свай применялся бетон марки 14200 с осадкай конуса 3+5 см и водоцемент-иым отношением В/Ц =0,45, уплотнение производилось при частоте 7,0 Гц. В процессе формования вибрографом ВР-І замерялись амплитуды колебаний виброустановки и столба бетонной смеси, которые оказались равными и находились в пределах 2,5+3,2 мм. Синхронность их колебаний говорит об отсутствии взаимного срыва и достаточной проработке смеси по всей ее высоте, подтверждаемое высокой прочностью у откопанных свай. Прочность НСО была на 17-21 % выше, чем у вибронабивных. Датчиками, установленными по высоте трубы вибросердечника, регистрировались значения динамического давления в столбе формуемой смеси. Максимальное значение давления, как и во всех предыдущих экспериментах, имело место у вибрирующего башмака и составило 0,49 МПа /Рис.6/. Такое давление в 1,4 раза превышает напряженное состояние грунта стенок скважины, что ведет к расширению полости скважины, увеличению диаметра пяты сваи и,следовательно, к повышению несущей способности НСО.
По истечении 30 суток, необходимых для полного набора прочности отформованного бетона, были проведены испытания свай, которые подтвердили эффективность новой установки: несущая способность у НСО была выше на 27 %, чем у'вибронабивной /Рис.7/. Расчеты показали, что удельная несущая способность у НСО составила 760 кН/м , что'б 2,78 раза выше, чем у вибронабивной сваи, равной -280 кН/м . Полученные данные подтверждают достоинства и перспективность применения новой 'вибрационной установки для формования НСО непосредственно в грунтовой скважине.
изменение динамического, давления смеси по высоте сваи длиной 8,0 м и диаметром 900 мм
Результаты статических испытаний свай
а2 Ц4 Р,Л/1а
2й
ЄО SO
О.чы
у-2
1 - гидростатическое
давление;
2 - динамическое давление.
Рис.6.
I - НСО;
2 - вибронабивная свая.
Рис.7.
Эффективность предложенной конструкции установки была подтверждена в производственных условиях при изготовлении 368 шт. НСО длиной 6,0 м и диаметром 900 мм под транспортную эстакаду Новокузнецкого металлургического комбината Алма-Атинским Гидроспецстроем в 1985 г.
В ПЯТОЙ ГЛАВЕ представлены расчеты ожидаемого экономического эффекта, составляющего 214200 руб. /по ценам 1985 г./, даны рекомендации по применению и внедрении НСО, изготавливаемых с использованием новой вибрационноя установки, с учетом ґрунтових условна ОБЩИЕ заводы И РЕЗУЛЬТАТЫ
-
Выявлены основные факторы, влияющие на качество НСО, и основные пути совершенствования оборудования для их изготозления.
-
Разработаны новые конструкции виброустановок /азт.сз. на
16"
изобретения П 876853, 1057628, 10655«, II93235, I7I5970 и 1742^18/ для формования НСО больших размеров из малоподвижных бетонных смесей.
-
В качестве критерия для выбора параметров вибрационной установки принято динамическое давление в вибрируемой смеси, рациональные значения которого находятся в низкочастотном диапазоне от 0,1 др 0,5 МПа.
-
Аналитическим путем получено выражние динамического давления (Г-ВгХ.1 » по величине которого устанавливается оптимальный режим виброформования смеси в скважине, выявлено влияние на величину давления упругих свойств грунта скважины и стержней, соединявших башмак с вибросердечником.
-
Разработана и реализована методика проведения опытов на основе теории планирования экспериментов, позволившая значительно сократить объем работы при достаточном-уровне достоверности полученных данных.
6.' Стендовыми и производственными экспериментами установлено, что во избежание резонанса уплотнение бетонных смесей необходимо производить при следующих частотах: малоподвижные смеси с осадкой конуса ОК-0.0+5,0 см - в пределах 10-17 Гц, подвижных 0К=6,О+ 10,0 см - 5-Ю Гц.
-
Разработана методика расчета и даны рекомендации по выбору параметров вибрационной установки для формования НСО.
-
Изготовлен и прошел испытания в производственных-усло^ виях опытный образец вибрационной установки для формования ИСО, несущая способность которых была в 2,7 раза выше, а расход бетона на 30-35 % ниже, чем у сваи сплошного сечения.
