Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих технологий устройства заглубленной части малоэтажных зданий. 12
1.1. Устройство заглубленных конструкций.зданий при малоэтажном строительстве 12
1,2. Технологии устройства-траншейных фундаментов и конструкций типа «стена в грунте» 21
1.3. Традиционные варианты устройства гидроизоляции для несуще-ограждающих конструкции малоэтажных здании: 26
1.4. Новые направления устройства по вибрационной технологии несуще-ограждающих конструкций малоэтажный зданий 29
1.5. Применение специальных добавок в бетонной смеси для достижения водонепроницаемости подземных частей малоэтажных зданий 39
Выводы по первой главе 42
Глава 2. Теоретические основы разработки новой технологии; 44J
2.1. Специфика вибрационноштехнологии,устройства гидроизолированных фундаментов малоэтажных зданий 44
2.2. Взаимосвязь-вибрационных режимов и параметровпроцесса устройства в полости грунта бетонной гидроизолированной «стены вгрунте» 54
2.3. Снесущей способности гидроизолированной «стены в грунте», устроенной по вибрационной технологии 80
Выводы по второй главе 83
Глава 3.. Экспериментальные исследования параметров процессов изготовлениям грунте гидроизолированных несуще-ограждающих конструкцийпо вибрационной технологии 86
3.1. Описание экспериментального стенда и методики проведеншгэкспериментальных исследований 86
3:2. Технологические операции изготовления заглубленной части малоэтажного здания с гидроизоляционным экраном с применением вибрационного метода 92
3.3. Результаты исследований параметров вибрационных процессов возведения непрерывной гидроизолированной бетонной «стены в грунте» на лабораторном стенде 105
3.4. Параметры вибрационного извлечения грунта из внутреннего контура подземной части малоэтажного здания 116
Выводы по третьей главе 120
Глава 4. Апробация и перспективы использования разработанной технологии возведения гидроизолированной заглубленной части малоэтажных зданий 122
4.1. Анализ технологических параметров возведения гидроизолированной заглубленной части малоэтажных зданий в натурных условиях 122
4.2. Практическое использование вибрационной технологии изготовления непрерывной гидроизолированной несуще-ограждающей конструкции 128
4.3. Технико-экономическая эффективность применения новой технологии 138
Выводы по четвертой главе 150
Общие выводы по работе 151
Список использованной литературы 153
Приложение
- Технологии устройства-траншейных фундаментов и конструкций типа «стена в грунте»
- Взаимосвязь-вибрационных режимов и параметровпроцесса устройства в полости грунта бетонной гидроизолированной «стены вгрунте»
- Технологические операции изготовления заглубленной части малоэтажного здания с гидроизоляционным экраном с применением вибрационного метода
- Практическое использование вибрационной технологии изготовления непрерывной гидроизолированной несуще-ограждающей конструкции
Введение к работе
Актуальность работы. Широко применяемые в практике строительства малоэтажных зданий с подвальным помещением сборные ленточные фундаменты на естественном основании требуют значительных трудозатрат. Высокая стоимость таких фундаментов объясняется тем, что для обеспечения требуемого уровня механизации работ нулевого цикла необходимо использовать широкий комплект машин (экскаватор, бульдозер, трамбовка, стреловой самоходный кран).
Таким образом, существует потребность в разработке более совершенных технологических решений с применением минимального количества технических средств, обеспечивающих снижение стоимости возведения заглубленной части малоэтажных зданий, уменьшение трудоемкости работ при увеличении надежности возводимого фундамента с учетом создания эффективной гидроизоляции и совмещение этого цикла работ с устройством ограждающих конструкций подвала.
На основе сказанного можно сделать вывод о том, что задача
разработки новой технологии устройства малозаглубленных
гидроизолированных «стен в грунте», которые служат в качестве несуще-ограждающих конструкций подземных частей малоэтажных зданий, возводимых в условиях водонасыщенных грунтов является актуальной.
Достоинствами заглубленных помещений являются сокращение потерь тепла через стены и соответствующая экономия на отопление, сокращение расходов на наружный косметический ремонт, повышение пожаробезопасности, защищенность помещений от внешних воздействий.
О необходимости подвалов в индивидуальных жилых домах убедительно свидетельствует и зарубежный опыт строительства. Сборные дома из различных материалов, изготавливаемые европейскими фирмами, строятся, как правило, с подвалом, так как это экономически целесообразно и создает определенные комфортные условия для проживания. Современные жилые и общественные здания без подвала вообще не строятся, так как там,
кроме подсобных и складских помещений, размещаются инженерные коммуникации, что значительно облегчает их эксплуатацию и ремонт.
При традиционных сборных ленточных фундаментах стоимость нулевого цикла малоэтажных зданий составляет 25-40% общих затрат.
Практика показывает, что относительная стоимость фундаментов
малоэтажных зданий значительно выше, чем у многоэтажных, так как в том и
другом случае используются одни и те же типовые сборные блоки, что
приводит к перерасходу бетона, а следовательно, - к увеличению стоимости 1
м2 жилой площади. Затраты на фундаменты малоэтажных зданий полностью
і ложатся на стоимость жилой площади одного-трех этажей, а в многоэтажных
зданиях на площадь всех этажей.
Непременным условием осуществления строительства в короткие сроки, с минимальными затратами средств, материальных ресурсов является максимальное сокращение сроков выполнения работ нулевого цикла. Это может быть достигнуто при применении комплексной механизации всех видов работ с использованием малого комплекта технических средств.
Целью диссертационной работы является проведение исследований, направленных на совершенствование и отработку конструктивных и технологических решений возведения заглубленных гидроизолированных помещений малоэтажных зданий методом «стена в грунте». При этом эффективность наружной гидроизоляции достигается путем устройства по периметру сооружения гидроизоляционного экрана из специальных составов или применения бетонов с повышенными показателями по водонепроницаемости.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи исследования:
- разработать более совершенные решения возведения в грунте водонепроницаемых несуще-ограждающих конструкций типа «стена в грунте» для малоэтажных зданий с применением виброметода;
- обосновать эффективность предложенных технологических решений
устройства гидроизолированной заглубленной части малоэтажных зданий, подтвердить целесообразность применения новых решений на практике;
провести экспериментальные исследования предложенных решений при этом установить марку бетона по водонепроницаемости гидроизолированных несуще-ограждающих конструкций и прочность сцепления гидроизоляционного экрана с бетонной стеной в грунте;
исследовать рациональные конструктивно — технологические решения, обеспечивающие высокопроизводительную разработку грунта во внутренней полости заглубленной части здания с помощью виброгрейфера;
разработать руководящий технический материал по реализации новой технологии возведения заглубленной части малоэтажных зданий.
Объектом исследования являются строительные технологические процессы возведения в грунте водонепроницаемых несуще-ограждающих бетонных конструкций подвальных помещений малоэтажных зданий в условиях несвязных водонасыщенных грунтов.
Предметом исследования являются параметры технологических процессов устройства в грунте гидроизолированной заглубленной части малоэтажных зданий при комплексной механизации работ нулевого цикла на основе применения вибрационного метода и современных гидроизоляционных материалов.
Методика исследований включает:
- выявление основных изучаемых факторов строительных процессов,
установление влияния на эффективность устройства бетонной
водонепроницаемой «стены в грунте», вибрационных и других параметров
принятой технологии;
- проведение стендовых экспериментальных исследований по погружению
составных профилировочных блоков с одновременным бетонированием
полости в грунте и образованием гидроизоляционного экрана с дальнейшей
проверкой его водонепроницаемости и определением величины адгезии
экрана и отформованного бетона несущей стены в грунте;
- статистическая обработка полученных экспериментальных данных и
установление аналитических зависимостей, характеризующих изменение
параметров изучаемых строительных процессов.
Теоретическими основами исследования стали труды отечественных ученых в области теории и практики использования вибрационной техники и технологии: Азбель Г.Г., Бадьин Г.М., Баркан Д.Д., Белаш Т.А., Белов Г.А., Блехман И.И., Верстов В.В., Головачев А.С., Десов А.Е., Ерофеев Л.В., Ильичев В.А., Карпов В.В., Кузьмичев В.А., Лукин В.М., Лускин А.Я., Лялинов А.Н., Маковская Н.А., Мишаков В.А., Перлей Е.М., Ребрик Б.М., Савинов О.А., Сахаров И.И., Татарников Б.П., Трофимов В.Е., Уздин A.M., Цейтлин М.Г., и др.
Научная новизна работы состоит в следующем:
доказана целесообразность применения при возведении водонепроницаемой заглубленной части малоэтажных зданий вибрационных технических средств взамен традиционного комплекта машин;
разработана новая технология устройства гидроизолированной заглубленной части малоэтажных зданий с использованием составных профилировочных блоков, погружаемых в грунт вибрированием;
экспериментально обоснованы параметры вибрационных режимов, обеспечивающих эффективное образование полости в грунте, ее заполнение бетонной смесью и создание сплошного гидроизоляционного экрана;
определены закономерности влияния марки по водонепроницаемости бетонных несуще-ограждающих конструкций с наружным гидроизоляционным экраном от скорости извлечения инвентарных элементов, т.е. времени воздействия вибрации на уплотнение бетонной смеси и гидроизоляционного состава;
установлены формулы для расчета технической производительности устройства по вибрационной технологии гидроизолированной стены в грунте, а также технической производительности выемки грунта из внутреннего контура подвальной части здания вибротехническими средствами.
По теме диссертации соискателем с соавторами получен патент РФ «Способ возведения в грунте несуще-ограждающих конструкций с наружной гидроизоляцией и устройство для его осуществления», (соавт. В.В. Верстов, Г.А. Белов). // Патент на изобретение № 2295005, приоритет от 13 июля 2005г., Бюллетень изобретений №7, 2007.
На защиту выносятся следующие результаты научных исследований и разработок:
сравнительный анализ эффективности существующих технологий устройства заглубленной части малоэтажных зданий;
результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению рациональных технологических параметров и вибрационных режимов возведения гидроизолированной заглубленной части малоэтажных зданий;
параметры вибрационной комплексной технологии устройства методом «стена в грунте» гидроизолированной заглубленной части малоэтажных зданий с требуемыми показателями качества бетона по прочности в условиях водонасыщенных грунтов, включая разработку грунта виброгрейфером во внутреннем контуре подвальной части здания;
зависимости: водонепроницаемости гидроизоляционного экрана несуще-ограждающих конструкций от типа применяемого гидроизоляционного состава, а также от времени вибрационного извлечения профилировочных элементов; прочности сцепления гидроизоляционного состава с бетонной стеной от времени вибрационного воздействия для достижения необходимой марки бетона по водонепроницаемости;
методика выбора рациональных размеров ячеек грунтозаборника виброгрейфера и показателей его производительности при разработке грунта.
Практическое значение и реализация работы состоят в следующем:
- разработана усовершенствованная вибрационная технология возведения
гидроизолированной заглубленной части малоэтажных зданий, позволяющая
комплексно механизировать технологические процессы возведения несуще-
ограждающих конструкций и осуществлять эффективную гидроизоляцию стен подвала зданий малой этажности в условиях водонасыщенных грунтов при выполнении всех строительных процессов с помощью навесного виброоборудования и стрелового самоходного крана;
отработана технология извлечения грунта из внутреннего огражденного бетонной стеной контура виброгрейфером;
составлен руководящий технический материал по вибрационной технологии возведения гидроизолированных несуще-ограждающих стен заглубленной части малоэтажных зданий, утвержденный ЗАО «Строительный трест 28».
Апробация и публикация работы. Апробация предложенной технологии осуществлена ЗАО «Строительный трест №28» в производственных условиях, а также при проектировании и строительстве фирмой ЗАО «Кристалл» малоэтажного коммерческого здания с использованием разработанных решений.
Основные результаты исследований доложены на 58, 59, 60, 61 и 62-ой международных научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов (СПбГАСУ); 62, 64, 65 и 66-й научных конференциях профессоров, преподавателей и научных работников (СПбГАСУ); международной научно-практической конференции «Новые технологии в строительстве доступного жилья» (ПГУПС, СПбГАСУ, С.Петербург 2005г.); международной научно-практической конференции «Современные направления строительного производства.» (ВИТУ, СПб, 2006г.); 2-ой межрегиональной научно-практической конференции «Развитие монолитного домостроения в жилищно-гражданском строительстве» (ОАО «ЛЕННИИПРОЕКТ», СПб, 2009г.).
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 16 печатных работах, в т.ч. 2 работы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ (Журналы «Жилищное строительство» и «Промышленное и гражданское строительство»).
По теме диссертации соискателем с соавторами (В.В. Верстов, Г.А. Белов) получен патент РФ «Способ возведения в грунте несуще-ограждающих конструкций с наружной гидроизоляцией и устройство для его осуществления». // Патент РФ на изобретение № 2295005, приоритет от 13 июля 2005г., Бюллетень изобретений №7, 2007.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа изложена на 169 стр., состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 123 наименования, 3 приложений. В работе представлено 53 рисунка, 18 таблиц.
Установлены пути повышения технико-экономических показателей работ нулевого цикла при строительстве зданий малой этажности за счет:
применения вибрационной технологии для устройства малозаглубленной бетонной стены в грунте;
обеспечения высокого уровня водонепроницаемости несуще-ограждающих конструкций подвала малоэтажных зданий в условиях водонасыщенных грунтов;
сокращения объема земляных работ по отрывке котлована, обратной засыпке и уплотнению грунта при возведении гидроизолированной заглубленной части зданий;
применения комплексной механизации всех видов работ по возведению заглубленной части зданий на основе применения стрелового самоходного крана и навесного виброоборудования.
Для реализации намеченных путей разработана структурная схема выполнения научных исследований (рис. 1.1.).
Совершенствование конструктивных и
технологических решений устройства
гидроизолированной заглубленной части
малоэтажных зданий
Сравнительный анализ существующих способов устройства заглубленной части малоэтажных зданий, траншейных фундаментов, конструкций «стена в грунте»
Формулирование недостатков существующих технологий
Разработка усовершенствованной технологии производства работ
"I
Использование эффектов, свойственных виброметоду
і —
Формулирование задач диссертационного исследования
Экспериментальные
исследования новых
технологических решений
Обоснование параметров технологических
процессов
Погружение и
извлечение
составного
профилировочного
блока
Устройство несуще-ограждающей конструкции с армированием
Разработка грунта
виброгрейфером во
внутреннем контуре
подвальной части
здания
Уплотнение грунтового основания
Апробация новой технологии с учетом установленных параметров
Выбор оптимальных режимов
работы вибротехнических
средств
Разработка руководящего технического
материала
Оценка технико-экономической эффективности
применения новой технологии
Основные выводы по диссертации
Рис. 1.1. Структурная схема выполнения научных исследований.
Технологии устройства-траншейных фундаментов и конструкций типа «стена в грунте»
Траншейные фундаменты составляют самостоятельную группу среди монолитных фундаментов [24, 32, 42, 43, 57, 60, 74, 82].
Траншейными (щелевыми) фундаментами называют отдельно стоящие опоры, изготовленные способом «стена в грунте». Они характеризуются тем, что имеют прямоугольную или сложную конфигурацию в плане, рассчитаны на восприятие вертикальных и разнонаправленных нагрузок. По технологии изготовления они включают в себя элементы технологии изготовления, как ограждающих подземных конструкций, так и фундаментов в вытрамбованных котлованах.
Как установлено исследованиями, в ряде случаев монолитные траншейные фундаменты являются наиболее экономичными по приведенным затратам, в сравнении с массивными фундаментами, плитами на естественном основании, а также — набивными и забивными сваями. В настоящее время средствами существующей землеройной техники уже может быть обеспечено изготовление щелевых фундаментов сложной конфигурации в плане, что делает их особенно эффективными при восприятии нагрузок разной направленности. При этом, способ производства работ не зависит от очертания фундамента в плане, а прямолинейные участки не оказывают влияния на конструкцию и условия работ стен при воздействии распора грунта [24].
Исследованиями зарубежных и отечественных авторов доказано, что работа траншейных фундаментов в грунте аналогична работе набивных свай, при этом развитая поверхность траншейных фундаментов, даже при использовании сечений простейшего очертания (квадрат, прямоугольник), при одинаковой со сваей площади опирання позволяет увеличить несущую способность фундамента по грунту, либо при одинаковой со сваей несущей способности — уменьшить сечение сваи и сократить расход бетона [24].
За рубежом применяют различные способы изготовления траншейных фундаментов. Так, например, один из наиболее распространенных способов «Barrette», применяемый для устройства траншейных фундаментов, в случаях расположения уровня грунтовых вод ниже отметки основания стены, позволяет возводить фундаменты глубокого заложения [32, 42, 43, 74]. Указанный выше способ устройства траншейных фундаментов заключается в том, что стена бетонируется отдельными участками — «барретами», длиной 1,5-3,0 м, с оставлением между ними зазоров длиной 0,5 м [74]. В траншейных фундаментах сложной конфигурации в плане (сечение типа «Н», «L», «Т» и т.п.), поперечная стенка играет роль диафрагмы, воспринимающей горизонтальные нагрузки и изгибающие моменты. Поэтому фундаменты такого типа, в ряде случаев, применяются взамен наклонных свай[32, 42, 43].
Профили опор типа «Н», «L» и «Т» получают в результате перекрещивающихся разработок грунта.
Особенностью устройства траншейных фундаментов с применением средств буровой техники является использование глинистого раствора в качестве средства по удержанию грунтовых стенок траншеи от обрушения.
Как показали исследования, наличие тонкого слоя глинистого раствора в период отрывки траншей и при бетонировании оказывает существенное влияние на свойства контактных поверхностей грунт-раствор-бетон, которые в дальнейшем определяют величину сил трения, действующих по боковой поверхности формуемой (или устанавливаемой) конструкции [32, 42, 43]. Другим решением, уменьшающим объем земляных работ, кроме устройства сплошной монолитной плиты является устройство несуще-ограждающих конструкций подвала способом «стена в грунте», которое нашло большое применение при устройстве подземных сооружений значительной глубины.
Принципиальное отличие способа «стена в грунте» состоит в том, что ограждающие стены подземного сооружения создаются в узкой выработке (траншее или сплошном ряду пересекающихся скважин) по контуру сооружения, и уже под защитой возведенных стен удаляется грунт из внутреннего объема подземного сооружения [42, 43].
Устойчивость стен узкой контурной выработки, в объеме которой устраивают стены сооружения, обычно обеспечивается тем, что в процессе откопки выработка заполняется тиксотропным глинистым раствором.
Общим достоинством многочисленных разновидностей способа «стена в грунте» является то, что нет необходимости ведения каких либо работ на поверхности за пределами контура возводимого сооружения. Он позволяет устраивать стены любой сколь угодно сложной формы в плане. Общим же его недостатком является необходимость ведения бетонирования под глинистым раствором, что не обеспечивает высокого качества бетона и полной водонепроницаемости [32, 74].
Из вариантов способа «стена в грунте» при строительстве подземных сооружений получили применение:
Откопка траншеи шириной 0,5-1,2 м и захватками длиной 3-6 м плоским грейфером и устройство монолитного железобетона путем опускания арматурных каркасов и бетонирования методом вертикально перемещающейся трубы ВПТ (рис. 1.5). При большом заглублении траншеи каркасы составляют из отдельных блоков, которые стыкуют по мере опускания в раствор. В каркасах предусматривают места для установки бетонолитных труб. Оборудование и механизмы для бетонирования должны обеспечивать непрерывность укладки бетонной смеси в траншею с интенсивностью не менее 0,3 м /м и равномерное заполнение бетонной смесью всей бетонируемой захватки [32]. Технологическая схема производства работ при устройстве конструкций из монолитного железобетона: а - разработка траншей грейфером под защитой глинистого раствора; б -опускание арматурного каркаса; в - бетонирование методом ВПТ; 1 - подача глинистой суспензии; 2 - подача бетона; 3 - откачка глинистой суспензии При бетонировании методом ВПТ в торцах захватки устанавливают ограничители, служащие опалубкой и придающие необходимую форму для устройства принятого стыка между захватками (рис.1.6.). Неизвлекаемые железобетонные перемычки используют при разработке траншей и бетонировании захваток через одну. При длине захваток более 3 м бетонирование обычно выполняется через две трубы одновременно. В работах применяют бетонную смесь, способную обеспечивать свободное прохождение по бетонолитной трубе и распределение по площади захватки без расслоения [43, 74].
Взаимосвязь-вибрационных режимов и параметровпроцесса устройства в полости грунта бетонной гидроизолированной «стены вгрунте»
В рамках решения поставленных задач важно определить рациональные вибрационные режимы погружения и извлечения, конструктивные параметры составнго профилировочного блока и грунтозаборника, а также режимы укладки и уплотнения бетонной смеси и гидроизоляционного состава, которые при минимальном динамическом воздействии на грунт основания обеспечивали бы эффективное погружение профилировочного блока, а также позволяли бы отформовать в полости грунта сплошной траншейный водонепроницаемый фундамент с наружным гидроизоляционным экраном с необходимой прочностью бетона и требуемой несущей способностью по грунту основания [17, ПО].
Теоретические и экспериментальные исследования проводятся с целью обоснования целесообразности новой технологии и определения рациональных параметров технологических процессов (таблица 2.1.), позволяющих эффективно решать следующие основные задачи: преодоление при погружении профилировочных блоков в грунт лобового и бокового сопротивлений, а также трения в замках; содействие интенсивному истечению бетонной смеси и гидроизоляционного состава из профилировочных элементов при их вибрационном извлечении из грунта при одновременном качественном уплотнении смеси и гидроизоляционного состава в грунтовой полости; обеспечение сплошности и непрерывности возводимой бетонной стены в грунте и ее гидроизоляционного экрана; снижение сил бокового трения при погружении в грунт и извлечении грунтозаборника в процессе разработки грунта во внутреннем контуре, с обеспечением заполнения грунтозаборника грунтом и высокой скорости последующего извлечения и разгрузки грунта; уменьшение динамического воздействия на окружающий грунт основания при погружении и извлечении профилировочных элементов и грунтозаборника, а также в процессе формования бетонной стены в грунте и гидроизоляционного экрана.
При вибрационном погружении составных профилировочных блоков в грунт с помощью введения дополнительных знакопеременных сил можно существенно снизить необходимую для эффективного погружения вертикальную статическую составляющую силы, что дает возможность с помощью вибрационных машин погружать в грунт элементы, сопротивление внедрению которых во много раз превосходит силу тяжести вибрирующей системы. В случаях значительного изменения свойств грунта под действием вибраций можно снизить не только величину требуемой постоянной силы, но и величину энергии, затрачиваемой на погружение [9,11,13,86,107].
Эффективность вибрационного погружения и извлечения блоков определяется главным образом приложением значительных периодических вертикальных сил, которые совместно с постоянными силами (сила тяжести системы, безынерционное нажатие, усилие извлечения) обеспечивают перемещение блока в грунте [9,11,13,86].
Теоретическое изучение процесса вибропогружения свай, труб и других подобных элементов (Баркан Д.Д., Савинов О.А., Лускин А.Я. , Цейтлин М.Г., Верстов В.В.) и анализ результатов исследований преодоления сил бокового и лобового сопротивлений грунта позволил установить следующие зависимости и факты [25,86,107]: при амплитудах и частотах колебаний, меньших некоторых величин, зависящих от вида грунта и размеров лобовой и боковой поверхности погружаемого блока, блок перемещается относительно грунта с малой скоростью, а окружающий его грунт вовлекается в колебания; при увеличении амплитуды и частоты колебаний до некоторого г критического значения, наступает «срыв» (эффективное проскальзывание) погружаемого блока относительно прилегающего грунта, причем с увеличением частоты колебаний критическая величина амплитуды «срыва» уменьшается и при этом резко падает уровень колебаний окружающего грунтового массива; после того как срыв произошел, боковое сопротивление становится значительно меньше статического (в 2-4 раза — в глинистых грунтах, в 4,5-6 раз в водонасыщенных грунтах); при достаточной интенсивности колебаний в условиях срыва влияние упругости и инерционности грунта по боковой поверхности элемента невелико; при погружении в маловлажные пески и плотные глины снижения лобового сопротивления не наблюдается.
На основании этих экспериментальных фактов построены расчетные модели взаимодействия погружаемого (извлекаемого) грунтозаборника с грунтом [86,107].
Общее уравнение погружения (извлечения) в грунт блока при продольных колебаниях, рассматриваемого как твердое тело, может быть записано в следующем виде [86,107]: где т0 - масса вибрирующей системы; P(t) — продольное динамическое воздействие на погружаемый элемент; Q - сила тяжести; S — статическое усилие; G - сила сопротивления грунта погружению; F - сопротивление грунта по боковой поверхности; R - сопротивление грунта по лобовой поверхности; х - осевое перемещение; х - скорость; х" - ускорение.
Определение наиболее эффективных вибрационных режимов в зависимости от вида функций P(t) и изучение закономерностей этих процессов с учетом изменения сопротивления грунта G являются задачами вибропогружения и виброизвлечения [86,107].
При теоретических исследованиях процесса вибрационного погружения блоков в грунт используют различные расчетные модели взаимодействия погружаемого блока и грунта.
Теория вибрационного погружения связана с изучением существенно нелинейных систем, в которых нелинейность определяется как силами сопротивления, так и динамикой самого вибровозбудителя, например, при рассмотрении его динамической модели [86,107].
При теоретическом исследовании процессов вибрационного погружения (извлечения) движение изучаемых систем принимается с периодом, равным времени одного или нескольких оборотов дебалансов. В математической модели процесса этот период представляется в виде следующих друг за другом этапов движения, характеризующихся опреде ленной совокупностью действующих сил и моментов. Каждый этап описывается или уравнениями динамики, представляющими собой дифференциальные уравнения второго порядка (движение системы), или уравнениями статики, представляющими собой тригонометрические уравнения первого порядка (стоянка системы) [86,107].
Состав возможных этапов движения в рассматриваемом периоде (цикле) определяется принятой расчетной схемой решаемой задачи и отражается алгоритмом.
Технологические операции изготовления заглубленной части малоэтажного здания с гидроизоляционным экраном с применением вибрационного метода
1-й этап. Исследование процессов погружения в грунт профилировочных блоков, оснащенных продольными замками шпунтового типа и погруженных «в замок». Вибрационное погружение блока (рис.3.3.) осуществлялось в следующей последовательности: 1) к наголовнику вибропогружателя жестко крепился профилировочный блок и ослаблялся трос лебедки; 2) профилировочный блок опускался в направляющий кондуктор, жестко скрепленный с грунтовым лотком; 3) включался вибропогружатель и блок погружался под действием вибрации и силы тяжести системы. На профилировочных блоках были нанесены риски, расположенные через каждые 10 см. При каждом погружении блока замерялось время погружения каждого участка блока.
Производилось измерение частоты и амплитуды колебаний профилировочного блока, а также мощность приводного электродвигателя вибропогружателя. Результаты анализа исследований параметров и изучение процесса погружения профилировочного блока в грунт показали [14, 45,48,50]: - с увеличением глубины скорость погружения блока падает; - в пазах блока образуется грунтовая пробка высотой около 20 см; - при снижении скорости погружения увеличивается расход потребляемой приводом электродвигателя энергии; - увеличение статического момента массы дебалансов (увеличение амплитуды колебаний) приводит к увеличению скорости погружения блока в грунт. Вибрационное погружение «в замок» нескольких профилировочных элементов (рис.3.4.) осуществлялось в следующей последовательности [14, 45]: - первый профилировочный элемент жестко соединялся с вибропогружателем и производилось погружение элемента до необходимой отметки через направляющий кондуктор; - второй элемент стыковался при помощи направляющих выступов и пазов с первым элементом; - повторялось погружение второго элемента аналогично первому; - погружался в стык третий профилировочный элемент. В результате исследований были получены следующие данные [48,50]: - при погружении элементов из-за трения в замках происходит взаимодействие соседних элементов, что в ряде случаев приводит к погружению рядом стоящего элемента либо к его приподнятию из грунта; - погружение элемента необходимо всегда вести через направляющий кондуктор, который не дает возможности заваливаться вибропогружателю с профилировочным элементом, что снижает влияние на соседние элементы; - с увеличением глубины погружения снижается скорость погружения и амплитуда колебаний профилировочного элемента при неизменном статическом моменте массы дебалансов и частоте колебаний (рис.3.5.); - с увеличением количества погруженных в грунт элементов (из-за уплотнения песка в лотке) увеличивается потребляемая приводом электродвигателя мощность, которая определялась при помощи Ваттметра (рис.3.5.). а - графики зависимости амплитуды колебаний составного профилировочного блока и элемента от глубины погружения; б - графики зависимости скорости погружения составного профилировочного блока и элемента от глубины погружения; 1 - вибрационное погружение в грунт основного профилировочного элемента для создания несуще-ограждающей конструкции, выполненной из гидротехнического бетона; 2 - вибрационное погружение в грунт составного профилировочного блока для создания несуще-ограждающей конструкции с наружным гидроизоляционным экраном. 1,2,3 — последовательное погружение в грунт соответственно 1-го, 2-го и 3-го составных профилировочных блоков. 2-й этап.
Изучение процесса извлечения основного и дополнительного профилировочных элементов из грунта, погруженного в замок составного профилировочного блока. Последовательное извлечение профилировочных элементов из грунта производилось в следующей последовательности: - погруженный в грунт основной элемент блока жестко скреплялся с вибропогружателем, натягивался трос лебедки; - включался вибропогружатель и под действием усилия натяжения троса основной элемент извлекался из грунта; - измерялась амплитуда и частота колебаний, потребляемая мощность, усилие в тросе; - такая же последовательность технологических операций осуществлялась при последующем извлечении дополнительного элемента. В результате исследований были получены следующие результаты: - при извлечении элементов мощность, амплитуда и частота колебаний остаются практически неизменными; - статическое усилие извлечения элемента, отдельно погруженного блока, из грунта без вибрации составило 460 Н, погруженного в замок, - 997Н; - статическое усилие извлечения элемента из грунта с вибрацией как для одиночно стоящего основного элемента, так и для погруженного в замок в виде составного блока составило 360 Н, при общем весе извлекаемой системы в 350 Н; - из-за трения в замках происходит извлечение элементов стыкующихся к извлекаемому; для избежания этого процесса необходимо, чтобы амплитуда колебаний была свыше 2 мм. - максимальное отклонение от веса вибросистемы при извлечении основного профилировочного элемента с вибрацией возникает при запуске электродвигателя и его торможении, и составляет 29 % (рис.3.7.). зависимости усилия извлечения основного профилировочного элемента из грунта с вибрацией от времени: 1 - усилие, соответствующее массе вибросистемы; 2 - усилие извлечения основного профилировочного элемента
Практическое использование вибрационной технологии изготовления непрерывной гидроизолированной несуще-ограждающей конструкции
Вибропогружатель В-16.60 предназначен для погружения в водонасыщенные песчаные и пластинчатые грунты и извлечения из них металлического шпунта, труб, свай и других подобных элементов (шпунт — плоский, корытный, типа Ларсен и т.п.). Способ соединения с погружаемым элементом - зажим с гидроприводом. Вибропогружатель имеет систему амортизации, которая позволяет ему работать со стреловым самоходным краном соответствующей грузоподъемности.
Для проведения опытных работ было изготовлено три составных профилировочных блока (шесть профилировочных элементов: три основных и три дополнительных) с нижней частью в виде открывающихся створок. Поперечные размеры профилировщиков составляли в плане 300x700 мм -основные профилировочные элементы для создания бетонной стены в грунте, 50x700 мм - дополнительные профилировочные элементы ДЛЯ создания гидроизоляционного экрана, высота элементов - 3000 мм. Процесс изготовления «стены в грунте» в натурных условиях включал следующие технологические операции: - присоединение вибропогружателя к составному профилировочному блоку; - вибропогружение первого профилировочного блока до проектной отметки; - отсоединение вибропогружателя; - присоединение вибропогружателя ко второму профилировочному блоку с последующей стыковкой за счет направляющих выступов и пазов с первым блоком, находящимся в грунте; - вибропогружение второго профилировочного блока до проектной отметки; - погружение в замок третьего блока аналогично погружению второго профилировочного блока; - отсоединение вибропогружателя; - ослабление гибкой связи в основном профилировочном элементе и его заполнение бетонной смесью; - заполнение основного профилировочного элемента бетонной смесью, а дополнительного элемента гидроизоляционным составом; - присоединение вибропогружателя к основному профилировочному элементу; - виброизвлечение основного профилировочного элемента на поверхность с периодическим осаживанием; - присоединение вибропогружателя к доплнительному профилировочному элементу; - виброизвлечение дополнительного профилировочного элемента на поверхность с периодическим осаживанием; - погружение извлеченного профилировочного элемента в следующую позицию со стыковкой с третьим, находящимся в грунте, элементом. При проведении работ измерялись следующие параметры: - глубина погружения элементов; - средняя скорость погружения элемента в грунт; - наличие воды в основании элемента после достижения заданной глубины; - крупность заполнителя бетонной смеси; - подвижность бетонной смеси и гидроизоляционного состава; - объем уложенной бетонной смеси, соответствие его расчетному; - объем уложенного гидроизоляционного состава, соответствие его расчетному; - средняя скорость извлечения профилировочных элементов; - амплитуда и частота колебаний профилировочных элементов. Весь комплекс работ по возведению опытного участка бетонной стены выполнялся из бригады рабочих в составе 3 человек. Промышленный эксперимент возведения «стены в грунте» в натурных условиях показал, что разработанная конструкция составного профилировочного блока и вибрационная технология производства работ позволяют отформовывать в грунте сплошной траншейный фундамент с наружным гидроизоляционным экраном. Использование бетонной смеси с осадкой конуса 4 см позволяет при периодическом осаживании элемента качественно уплотнить бетон (тело фундамента без видимых крупных пустот, каверн и шеек). Перерасход бетонной смеси при формовании «стены в грунте» составил 9%, а гидроизоляционного состава - 4% что говорит об уплотнении, как бетонной смеси и гидроизоляционного состава, так и грунтовой полости. Средняя скорость погружения первого составного профилировщика в грунт составила 0,8 м/мин, остальных — 0,45 м/мин. Погружение и извлечение профилировочных элементов осуществлялось при частоте колебаний 33 Гц и амплитуде 8 мм. Замеры колебаний вибрографом показали снижение амплитуде в конце погружения до 4 мм. Некоторые фотографии промышленного эксперимента в натурных условиях новой технологии показаны на рис.4.2. — 4.8.
