Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса, цель и задачи исследований 9
1.1. Структура исследования процесса забивки сваи в грунт при строительстве свайных фундаментов 9
1.2. Анализ исследований процессов забивки свай в фунт 11
1.3. Физические свойства грунтов и их линейная деформируемость 25
1.4. Математическое моделирование и существующие методы расчета процесса забивки сваи 29
1.5. Методы статического и динамического зондирования грунтов 39
1.6. Оборудование для погружения свай в грунт 43
1.7. Влияние коэффициента восстановления на процесс забивки сваи 47
1.8. Цель и задачи исследования 51
2. Исследование характеристик прочности грунтов и закономерности забивки сваи в грунт 54
2.1. Теоретическое описание рабочего процесса динамического плотномера... 55
2.2. Моделирование динамики процесса забивки сваи в грунт падающим грузом 63
3. Теория и расчет процесса забивки сваи в грунт дизель-молотом 74
3.1. Основные требования к модели и допущения 74
3.2. Математическая модель процесса забивки сваи в грунт дизель-молотом ...76
4. Экспериментальные исследования процесса погружения свай дизель-молотом 101
4.1. Методика проведение натурного эксперимента 101
4.2. Обработка экспериментальных данных натурного эксперимента 103
4.3. Анализ результатов имитационного эксперимента 104
4.4. Имитационный эксперимент забивки сваи трубчатым дизель-молотом 107
5. Планирование и обработка многофакторного имитационного эксперимента 115
Методика расчета конструктивных параметров дизель-молота 121
Общие выводы и результаты 133
Библиографический список использованной литературы
- Физические свойства грунтов и их линейная деформируемость
- Моделирование динамики процесса забивки сваи в грунт падающим грузом
- Математическая модель процесса забивки сваи в грунт дизель-молотом
- Обработка экспериментальных данных натурного эксперимента
Введение к работе
В строительстве широкое распространение получили свайные фундаменты, позволяющие значительно (в 2...3 раза) уменьшить объем земляных работ, сократить (в 1,5..3 раза) расход бетона, снизить (на 20%) трудоемкость работ нулевого цикла [104]. При устройстве свайных фундаментов сокращаются сроки строительства, работы производятся круглогодично. Свайные фундаменты менее чувствительны к изменениям состояния грунта основания, вызванным, например, колебаниями уровня грунтовых вод.
Производство свайных работ должно выполняться в строгом соответствии с технологическими картами, которые являются составной частью проекта по возведению подземной части здания и сооружения. В них указывают порядковый номер каждой сваи, геологические данные фунта на участке и намечают место погружения сваи. В зависимости от формы и размера участка, а также вида грунта, выбирают способ и схему погружения свай. Однако, на основании скудных данных инженерных изысканий проектировщик, по существующим правилам, обязан указать в проекте глубину погружения и несущую способность каждой сваи без исключения, а строитель — погрузить их в проектное положение. Осознавая свою ответственность в первую очередь за надежность фундамента, проектировщик вынужден идти на перерасход свайных работ, увеличивая длину и количество свай в фундаменте, что делает невозможным погружение всех свай до проектной глубины, а значит и исполнение требований проекта. Единственным надежным источником объективной информации о сопротивлении каждой сваи по грунту является отказ при забивке, но эта полезная информация сегодня не используется. Причин здесь несколько. Во-первых, повреждение забиваемых свай исключает возможность контроля их сопротивления по отказу; во-вторых, практически приемлемые методы оперативного контроля отказа свай в процессе их забивки отсутствуют; в третьих, в сложившейся практике принятое на стадии проектирования решение считается окончательным, а корректировка его рассматривается не как разумное исполь-
5 зование дополнительной полезной информации, а ,как исправление ошибки проектировщика. В результате, недопогружение свай до проектной глубины является рядовым явлением и считается неизбежным злом. По оценкам ведущих специалистов перерасход свай в фундаментах в среднем составляет от 30 до 50% [і].
Сегодня, основным направлением исследований в области забивки свай сваебойным оборудованием является изучение взаимосвязи между физико-механическими свойствами грунтов, сопротивлением свай погружению и теорией удара[2А2436,41,58,66,75/77,92,102,139]. Один из способов определения этой взаимосвязи является математическое моделирование процесса погружения сваи в грунт сваебойными машинами ударного действия. В курсе теоретической механики теорию удара рассматривают как процесс соударения материальных точек и тел со сравнительно малыми относительными скоростями. Для этого используют модель Гюйгенса — Ньютона, в которой интегрально учитываются потери энергии при наличии местных упругопластических деформаций, теоремы об изменении количества движения и о движении центра масс системы при ударе, теорема об изменении главного момента количества движения при ударе, теорема об изменении кинетической энергии и теорема Карно [75].
Основная идея работы состоит в исследовании выходных параметров процесса взаимодействия дизель-молота и сваи с грунтовой средой и выявление закономерностей для математического моделирования технологического процесса забивки сваи.
Объектом исследования является механическая система "дизель-молот — свая - грунт" при забивке сваи в процессе устройства свайных фундаментов.
Предмет исследования — закономерности процесса погружения сваи в грунт.
Целью диссертационной работы является повышение производительности дизель-молота путем научно обоснованного выбора конструктивных и технологических параметров при проектировании дизель-молотов и при производстве строительных работ.
6 Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
Провести анализ состояния теории забивки свай.
Исследовать закономерности погружения в грунт устройств, определяющих прочность грунта и установить зависимость механических характеристик прочности грунтов от числа ударов.
Определить основные закономерности и характеристики погружения сваи в грунт падающим грузом.
Исследовать технологический процесс дизель-молота и разработать математическую модель погружения сваи в грунт дизель-молотом.
5- Разработать методику выбора и расчета рациональных конструктивных и технологических параметров дизель-молотов при проектировании и подборе оборудования для забивки свай.
Методика исследования основывается на использовании математического моделирования динамических процессов погружения свай в грунт; взаимодействия погружаемых свай с грунтовой средой; использовании научных положений механики (в частности теории удара), механики грунтов и теории планирования эксперимента.
Методика исследования включает также применение методов имитационного моделирования на ЭВМ и использования вьршслительной техники и методов вычислительной математики.
Научные положення, защищаемые автором:
аналитические и экспериментальные зависимости, отражающие выявленные закономерности технологических процессов устройства свайных фундаментов из забивных свай;
методику определения оптимальных конструктивных параметров дизель-молотов, основанную на рассмотрении предельной скорости его ударной части, которая принята в качестве ограничения при оптимизации;
методику выбора и расчета рациональных технологических параметров системы "дизель-молот - свая - грунт".
7 Достоверность научных положении, выводов и рекомендаций определяется применением основных положений теоретической механики, механики грунтов, результатами имитационного моделирования на ЭВМ; результатами экспериментальных данных, полученных при устройстве свайных фундамен-тов; результатами сопоставлений теоретических исследований с результатами других авторов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
установлены закономерности изменения сил сопротивления погружению сваи в грунт;
разработана математическая модель, связывающая конструктивные, технологические параметры дизель-молота и физико-механические свойства среды;
разработана методика выбора рациональных конструктивных параметров дизель-молотов при проектировании и технологических параметров при подборе сваебойных средств в процессе забивки свай. Практическая ценность работы заключается в том, что математическая
модель позволяет определить рациональные параметры дизель-молотов при их проектировании, и моделировать реальные рабочие процессы забивки свай в грунт, что сокращает объем натурных испытаний при доводке вновь создаваемых конструкций дизель-молотов и разработку технологии производства работ; математическая модель может использоваться при проектировании свайных фундаментов; рекомендации по выбору сваебойного оборудования позволяют повысить эффективность процесса погружения сваи в грунт. На защиту выносятся;
закономерности процессов погружения в грукг устройств для измерения
прочности грунтов;
закономерности протекания механических процессов погружения сваи в
грунт механическим молотом и дизель-молотом и рекомендации по произ
водству свайных работ;
8 * рекомендации по выбору конструктивных и технологических параметров дизель-молотов.
Реализация работы: результаты исследования использованы в технологическом процессе устройства свайных фундаментов ОАО "Строительный трест №1" г. Омск, при подборе сваебойного оборудования.
Апробация работы: материалы работы докладывались и обсуждались на Международной научной конференции посвященной 70-летию образования СибАДИ (2000 г), на Межрегиональной научно-технической конференции "Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование" (Броня -2002) , IV Международной научно-технической конференции, посвященной 60-летию ОмГТУ в ноябре 2002 года.
Публикации. По результатам исследования опубликовано 8 печатных работ, из них 2 работы в журнале " Строительные и дорожные машины".
Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка использованной литературы, приложений; общий объем диссертации 163 страницы машинописного текста, в том числе 44 рисунка, 18 таблиц, библиографический список использованной литературы из 143 наименований и 11 приложений на 16 страницах.
Физические свойства грунтов и их линейная деформируемость
Механика грунтов есть механика природных дисперсных тел и составляет часть общей геомеханики, в основу которой положены законы теоретической механики (механики твердых абсолютно несжимаемых и абсолютно упругих тел), закономерности строительной механики деформируемых тел (законы упругости, пластичности, ползучести), а также закономерности, описывающие водопроницаемость, контактную сопротивляемость сдвигу и структурно-фазовую деформируемость [133,135].
Грунты представляют собой сложнейшие минерально-дисперсные образования, состоящие из разнообразных взаимно связанных частиц, обладающих различными механическими свойствами. Применение к грунтам общей теории напряжений, разработанной для сплошных упругих тел, требует особого рассмотрения. Так, в любых дисперсных телах внешняя нагрузка передается от одной частицы к другой лишь через точки контакта частиц, которые в большинстве случаев расположены незакономерно или по некоторой структурной сетке [36,135]. В тоже время, профессор Герсеванов Н.М. (1931) показал, что неточность в определении напряжений в грунтах (например, глинах) по общей теории сплошных тел не будет большей, чем при определении напряжений в стали, которая также состоит из зерен кристаллов, хотя и весьма малых размеров. Однако определение напряжений в грунтах является значительно более сложной задачей, чем в сплошных телах. Под действием внешней нагрузки отдельные фазы (компоненты) грунтов по-разному сопротивляются силовым воздействиям и по-разному деформируются, что является главнейшей особенностью напряженно-деформированного состояния грунтов [і 35].
Как показывают многочисленные исследования [13,3336,135], зависимость между относительными деформациями и напряжениями для грунтов, при значительных напряжениях, будет нелинейной. Эту зависимость можно представить функцией где ссс,а„ - коэффициенты, определяемые опытом; о -напряжение, не превосходящее начальной прочности структурных связей; а - действующее нормальное напряжение; т - параметр нелинейности, определяемый опытным путем.
Принимают, что коэффициент ас (1.13) обратно пропорционален модулю упругости Е с Е Величина коэффициента ап зависит от модуля общей деформации Е0 грунтаПри изменениях внешних давлений ( порядка 03--2,0 МПа, а для плотных и твердых грунтов и до 2,0... 7,0 МПа) с достаточной для практических целей точностью зависимость между деформациями и напряжениями грунта может приниматься линейной ( 0 - а, рис.4), что значительно упрощает расчеты и не вносит в них недопустимых погрешностей [135].
Тогда диаграмма нормальных налря- о жений (рис,4) в процессе забивки сваи, представляющая собой зависимость деформации Д от напряжений имеет явно выраженный линейный участок О - а и зону текучести а - Ь. В процессе забивки сваи грунт у лобовой поверхности течет в радиальном направлении от оси сваи, освобождая полость для ее погружения. Суммарные упругие деформации сваи при забивке имеют малую величину порядка Az. = 6..Л2мм. Максимальную деформацию стальной арматуры сваи можно оценить по формуле где F -ударная сила, F = az А, тогда для az =2-106Паимодуля упругости для стали Е = 2Д-10пПа
Аналогичным образом можно оценить величину упругой деформации грунта под оголовком сваи, которая также оказывается весьма малой. Таким образом, упругими деформациями сваи и грунта можно пренебречь в виду малости по сравнению с общим перемещением сваи при ударе.
Приведенные выше зависимости справедливы не только для однородных оснований. Они могут быть использованы и для слоистых основании при условии, что свойства отдельных пластов грунта являются однородными [8]. Грунты различают по многим признакам, наиболее важными из которых являются их физические и механические свойства
Моделирование динамики процесса забивки сваи в грунт падающим грузом
Нормальные напряжения cZy характеризующие прочностные свойства грунта, определены по таблицам из работ [і 19,121],
На боковую поверхность сваи, погруженной в грунт, действует касательная сила трения, являющаяся функцией силы нормального давления от эпюры нормальных распределительных сил со стороны грунта определяемая по формуле Rx =fa3A2=fa-x4bzJ (221)
Коэффициент трения скольжения сваи о грунт можно принимать равным тангенсу угла внутреннего трения грунта f = tg p,
Технологический процесс забивки сваи в грунт содержит также три этапа: свободное падение груза; соударение масс груза и сваи; процесс погружения сваи в грунт. Груз, падая с высоты Н, приобретает скорость и наносит удар по неподвижной свае. Рассматривая этап взаимодействия масс m tt , как неупругий удар, полагаем, что после соударения они движутся как единая масса со скоростью f/2, определяемой по формуле
Дня сваи, как для тела, совершающего поступательное движение в грунте, можно записать основное уравнение динамики материальной точки
После подстановки в (2,23) выражений (2.20), (2.21), разделения переменных и соответствующих преобразований, получим дифференциальное уравнение движения сваи в грунте где z- ускорение сваи; & - круговая частота; Bj - постоянная правой части дифференциального уравнения. По физической сущности 5j представляет собой замедление сваи (отрицательное ускорение) при движении в грунте. Рассмотренные величины определяются по формулам где f -коэффициент трения скольжения; cz - нормальные напряжения на лобовой поверхности сваи; тх - нормальные напряжения на боковой поверхности сваи.
Уравнение (2,24) являясь линейным неоднородным дифференциальным уравнением второго, порядка по форме записи левой части напоминает дифференциальное уравнение свободных колебаний материальной точки. В действительности процесс, описанный дифференциальным уравнением (2,24) погружения сваи в грунт является монотонно затухающим. На рассмотренной схеме (рис. 21) отсутствуют восстанавливающие силы и силы упругости. Сила лобового сопротивления Рт рассматривается как постоянная, не зависящая от координаты z. Сила бокового трения Рл не является восстанавливающей, хотя математически является линейной функцией координаты z. Такая сила по своей физической сущности не способна вызвать колебательный переходный процесс. В данном случае большую практическую ценность представляет тот факт, что дифференциальное уравнение (2.24) имеет аналитическое решение, позволяющее описать координату z и скорость z движения сваи в грунте:
Исследование переходных процессов погружения 2и скорости z движения сваи в грунте выполнено для реального случая из практики забивки свай, который характеризуется следующими параметрами: глубина погружения сваи 3 м; сечение квадратной сваи b х Ъ - 0,3 х 0,3 м; масса падающего груза гпх =1800 кг; масса сваи с закрепленными на ней элементами молота т2 =1960 кг; прочность грунта rz -1,5МПа; боковые нормальные напряжения на поверхности сваи 7Х = 0,705 МПа; коэффициент трения скольжения / = 0,476; высота падения груза Я = 2Д м.
На (рис.22) представлен переходный процесс движения сваи в грунте для первого удара груза о сваю. Характер кривой глубины погружения z сваи соответствует уравнению (2-25),
Время движения сваи в грунте для заданных условий составило t1 = 0,071с, глубина погружения сваи за один удар zx = 0,276 м. Интенсивность погружения сваи за равные промежутки времени снижается и равна нулю в конце времени удара.
Математическая модель процесса забивки сваи в грунт дизель-молотом
Разработка программы исследования, исследование ударных процессов, определение закономерностей изучение влияния различных факторов, параметров цикла, геометрических размеров - все это входит в задачу математического моделирования, выполнением которого заканчивается нахождением приемлемого конструкторского решения варианта и режимов работы. Общим методологическим принципом, положенным в основу данных аналитических исследований забивки сваи в грунтовое основание, является представление его как процесса забивки в идеализированную однородную среду с предварительно заданными характеристиками [53]. В целом, важнейшим требованием к модели системы "дизель-молот - свая - фунт" является соответствие результатов исследования опыту.
Основные требования к модели можно сформулировать следующим образом [53,99]: модель должна быть адекватной реально протекающему процессу забивки сваи в грунт и обеспечивать удовлетворительную сходимость результатов теоретического и экспериментального исследования; модель должна включать в себя минимально необходимое число исходных параметров, характеризующих процесс забивки сваи в грунт и допускать исследование аналитическими и численными методами; модель должна обеспечивать получение зависимостей в общем виде для вычисления искомых величин, исследования и управления процессом динамики забивки сваи в грунт; модель должна обеспечивать получение инженерной методики расчета с конкретными формулами для оценки функционирования системы "дизель 75 молот - свая - грунт" приемлемой для широкого круга инженерно-технических работников. При исследовании модели возможны следующие допущения: теория продольно-волновой деформации свая, описываемая в работах 4,80] ввиду малости деформации сваи относительно глубине погружения за один удар не учитывается и свая представляет собой абсолютно твердое тело; после очередного удара молота свая погружается в грунт на определенную величину, упругие силы грунта, действующие на лобовую поверхность сваи, не перемещают сваю в обратном направлении; перед очередным ударом молота свая неподвижна; удар молота по свае рассматривается в рамке классической теории удара; сопротивление движению сваи в грунте включает в себя сопротивление на лобовой и боковой поверхностях; эпюра нормальных напряжений на боковой и лобовой поверхностях является постоянной при одном ударе; в качестве рабочего тела во всех термодинамических расчетах процессов дизель-молотов принимают идеальный газ, процессы сжатия, сгорания и расширения описывают, пренебрегая временем сгорания топлива, утечками газа через зазоры между поршнем и цилиндром, дифференциальным уравнением первого закона термодинамики для закрытой термодинамической системы, которое решают совместно с уравнением состояния идеального газа; состояние рабочей смеси в цилиндре полностью равновесное.
Равновесное состояние означает, что температура, давление и концентрация компонентов в газовой смеси в каждой точке объема цилиндра одинаковы. При нормальной работе дизель-молота соблюдается механическое равновесие (равенство давлений) в цилиндре, термическая и концентрационная неоднородность компонентов не приводят, как правило, к существенным отклонениям результатов от действительных при математическом моделировании термодинамических процессов [3,6,49,67,132].
Математическая модель процесса забивки сваи в грунт дизель-молотом 3.2.1, Функциональные схемы дизель-молотов
Около 90% свай в мире при устройстве фундаментов зданий и сооружений погружали в грунтовые основания в 20 веке с помощью дизель-молотов. Совершенствование конструкции и выбор рациональных параметров дизель-молотов возможно только на основе теории рабочего процесса забивки свай. Наибольшее распространение в строительстве получили штанговые (рис.27,а) и трубчатые (рис.275б) дизель- молоты.
Функциональные схемы а) штангового и б) трубчатого дизель-молотов: 1-ударная часть; 2 шабот; 3- свая; 4- упругий элемент; 5 направляющая ударной части; 6- амортизирующая прокладка
Для математического описания процесса забивки сваи дизель-молотами представлены функциональные схемы (рис.27), которые по своему предназначению аналогичны и отличаются конструїсгивньїм исполнением (в дальнейшем в работе все перечисленные части дизель-молота,
Обработка экспериментальных данных натурного эксперимента
Линия Uj характеризует переходный процесс скорости ударной части дизель-молота; линия U2 соответствует процессу изменения скорости сваи при заглублении, обусловленному ударным импульсом и давлением в рабочей камере при расширении газа. Линии zh z2 характеризуют, соответственно, процессы перемещения ударной части молота и сваи.
Рассмотрим детально характер протекания динамических процессов при заглублении сваи дизель-молотом в грунтах 1-й категории прочности (а2=2,1 МПа) и коэффициенте восстановления при ударе 7С=0 (рис.32, а). При соударении масс в рабочей камере одновременно происходит сгорание топлива и свая начинает двигаться вниз.
Вследствие кратковременности процесса сгорания топлива {t# 0,003... 0,005 с) делаем допущение о мгновенности этого процесса т.е_? полагаем, что на индикаторной диаграмме (рис. 29) точки с, d совпадают и находятся на одной вертикали с отрезком Ь - с. Начальная скорость сваи на диаграмме (рис.327 а) характеризуется точкой а. Дальнейшее увеличение скорости сваи на участке а -Ь диаграммы обусловлено действием давления газа при сгорании топлива в рабочей камере Участок Ь-с диаграммы характеризуется резким снижением скорости сваи вследствие действия на нее значительных сил сопротивления на лобовой и боковой поверхностях со стороны грунта Точка с диаграммы соответствует моменту окончания процесса погружения сваи в грунт. Обозначим на диаграммах t3 - время погружения сваи в грунт.
Одновременно в этот же период времени происходят переходные процессы ударной части дизель-молота. В начальный момент после соударения масс ГП] и т2 ударная часть ( при коэффициенте восстановления К=0) движется вниз вместе со сваей. Проекция скорости ударной массы Uj в системе координат О X Y имеет , как уже отмечено выше, отрицательный знак и характеризуется точкой дна диаграмме (рис.32, а). На ударную часть дизель-молота действует в этот момент силы давления газа в рабочей камере, возникающие при сгорании топлива, которые обеспечивают быстрое торможение ударной массы ть изменяют направление ее движения и осуществляют разгон ударной части при движении вверх. Участок d-e характеризует процесс разгона ударной массы вплоть до полного раскрытия рабочей камеры в точке е диаграммы . В этот момент полость рабочей камеры сообщается с атмосферой, исчезают силы, действующие на донышко цилиндра и сваю со стороны сгоревших газов.
Обозначим на диаграммах рабочего процесса дизель-молота t4 -время разгона ударной части под действием давления расширяющегося газа в рабочей камере. После истечения времени t4 начинается отскок ударной части от сваи при свободном полете ее вверх.
Обозначим на диаграммах ts время свободного отскока ударной части от сваи, В течение времени ts ударная часть поднимается над сваей на высоту Н ото (рис, 28), В этот период зависимость скорости ударной части от времени t на диаграмме является линейной, а ее перемещение (кривая г представляет собой параболическую зависимость. В точке к диаграммы скорость ударной части равна нулю и она находится на высоте Н от сваи (рис.28, а), заняв исходное состояние для нанесения следующего удара по свае. Разработанная программа рабочего процесса дизель-молота позволяет методом численного интег-рирования определять время ts свободного полета ударной части молота вверх.
Для проверки адекватности результатов численного интегрирования дифференциальных уравнений определим время О по аналитической зависимости где скорость ударной части в точке е диаграммы в момент начала свободного полета вверх.
Высоту отскока ударной части можно вычислить по формуле Расчеты параметров свободного отскока ударной части от сваи по приведенным формулам Галилея-Ньютона и методами численного интег рирования [25,45,82]дают совпадающие результаты. Полное время рабочего цикла дизель-молота складывается из рассмотренных элементов рабочего процесса Тц =h+h + 3 +ОА- З) + 5 3-36) где tj - время свободного падения ударной части; t2- время сжатия воздуха в рабочей камере; t3 - время погружения сваи в грунт при ударе; t4 -время расширения газа в рабочей камере; 1$ - время свободного полета вверх ударной части молота.
Особенность формулы (3.36)э связанная с наличием слагаемого в скобках, вызвана тем, что время t3 погружения сваи в грунт в малопрочных грунтах может быть больше времени t4 разгона ударной части расширяющимися газами, в этом случае слагаемое в скобках имеет отрицательное значение
Для определения количества топлива, затрачиваемого на выполнение процесса забивки сваи используем закон сохранения энергии. Сделаем допущение о том, что энергия свободного падения вниз ударной части молота и энергия ее свободного отскока вверх равноценны.
