Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих способов возведения заглубленной части зданий и подземных конструкций 11
1.1 .Традиционные способы устройства заглубленной части зданий 11
1.2. Способы сооружения набивных свай 30
1.3.Особенности изготовления щелевых и траншейных фундаментов 36
1 АТехнологии устройства конструкций типа «стена в грунте» 42
1.5.Способы возведения противофильтрационных завес 47
Выводы по первой главе 52
Цели и задачи исследования 54
Глава 2. Теоретические основы разработки новой технологии 55
2.1. Особенности вибрационной технологии возведения заглубленной части малоэтажных зданий 55
2.2. Процессы возведения заглубленной части малоэтажного здания, реализуемые за счет применения вибрационного метода 69
2.3. Основные положения теории вибрационного погружения в грунт и извлечения различных элементов 71
2.4. О взаимосвязи вибрационных режимов и параметров бетонной смеси при ее укладке и уплотнении в полости грунта 86
2.5. Расчетная оценка несущей способности неглубокой «стены в грунте», устроенной по вибрационной технологии, как фундамента малоэтажного здания 96
Выводы по второй главе 101
Глава 3. Экспериментальные исследования параметров процессов изготовления в грунте несуще-ограждающих конструкций по вибрационной технологии 103
3.1. Описание экспериментального стенда и методики
проведения экспериментальных исследований 103
3.2. Результаты исследований параметров вибрационных и сопутствующих процессов возведения непрерывной бетонной стены в грунте 109
3.3. Рациональные параметры вибрационного извлечения
грунта из контура, ограниченного стеной в грунте 136
Выводы по третьей главе 140
Глава 4. Апробация и перспективы использования разработанной технологии при возведении заглубленной части зданий 142
4.1 Обоснование технологических параметров и режимов работы вибротехнических средств для реальных условий производства работ с учетом щадящего воздействия на окружающие
здания и сооружения 142
4.2. Отработка вибрационной технологии изготовления непрерывной стены в натурных условиях 148
4.3. Перспективные решения применения новой технологии при возведении заглубленной части зданий 156
4.4. Технико-экономические показатели эффективности использования разработанной технологии 163
Выводы по четвертой главе 174
Общие выводы по работе 176
Список использованной литературы 178
Приложения
- Способы сооружения набивных свай
- Процессы возведения заглубленной части малоэтажного здания, реализуемые за счет применения вибрационного метода
- Результаты исследований параметров вибрационных и сопутствующих процессов возведения непрерывной бетонной стены в грунте
- Отработка вибрационной технологии изготовления непрерывной стены в натурных условиях
Введение к работе
Актуальность работы. Современные тенденции развития строительства характерны значительным возрастанием объемов малоэтажной застройки.
Увеличение доли частного сектора, предусмотренное в государственной программе «Жилище», приведет к преобладанию в структуре застройки малоэтажных зданий-коттеджей, «таун-хаузов» и домов усадебного типа.
Для малоэтажных зданий в последнее время разработаны различные конструкции фундаментов: свайные фундаменты на забивных и буронабивных сваях, фундаменты в вытрамбованных котлованах, ленточные фундаменты мелкого заложения, фундаменты из грунтоцементных свай, забивных бетонных блоков и т.п. Перечисленные конструкции фундаментов используются в основном только для домов без подвалов.
Отсутствие подвала создает определенные трудности.
Достоинствами заглубленных помещений являются сокращение потерь тепла через стены и соответствующая двух-трехкратная экономия на отопление, сохранение дневной поверхности грунта для других целей, 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 м жилой площади. Затраты на фундаменты малоэтажных зданий полностью ложатся на стоимость жилой площади одного-трех этажей, а в многоэтажных зданиях на площадь всех этажей.
Высокая стоимость фундаментов объясняется также тем, что уровень индустриализации и механизации работ нулевого цикла значительно ниже уровня, достигнутого при возведении надземной части. В связи с этим проблема совершенствования конструкции фундаментов и технологии работ нулевого цикла малоэтажных зданий является весьма актуальной.
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 и высоком уровне индустриализации.
Целью диссертационной работы является проведение исследований, направленных на разработку технологии устройства заглубленной части малоэтажных зданий, обеспечивающую комплексную механизацию работ нулевого цикла, уменьшающую стоимость и трудоемкость работ при высокой надежности возводимых фундаментов, обоснование методики расчета рациональных технологических параметров возведения подземных несуще-ограждающих конструкций.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи исследования:
провести сравнительный анализ известных конструктивных и технологических решений устройства заглубленных помещений малоэтажных зданий;
разработать принципиально новое решение возведения в грунте несуще- ограждающих конструкций малоэтажных зданий;
выполнить теоретические и экспериментальные исследования с целью определения рациональных технологических режимов возведения несуще- ограждающих конструкций в грунте;
обосновать эффективность применения разработанных технологических решений устройства заглубленной части малоэтажных зданий, подтвердить предложенные технологические решения на практике;
разработать руководящий технический материал по новой технологии возведения заглубленной части малоэтажных зданий.
Объектом исследования явились строительные технологические процессы возведения в грунте как фундамента, так и несуще-ограждающих бетонных конструкций подвальных помещений малоэтажных зданий. Предмет исследования — изыскание и обоснование путей снижения стоимости и трудоемкости работ, повышения производительности всех технологических процессов устройства в грунте заглубленной части малоэтажных зданий, комплексной механизации работ нулевого цикла на основе применения вибрационного метода. Методика исследований: теоретические и экспериментальные модельные исследования технологических параметров возведения несуще-ограждающих конструкций в грунте по вибрационной технологии с последующей проверкой в производственных условиях;
статистическая обработка полученных результатов исследований и установление сходимости теоретических и экспериментальных данных.
Теоретическими основами исследования стали труды следующих ученых в области теории и практики использования вибрационной техники и технологии: Азбель Г.Г., Афанасьев A.A., Бадьин Г.М., Баркан Д.Д., Блехман И.И., Быховский И.И., Беретов В.В., Годес Э.Г., Головачев A.C., Десов А.Е., Джанелидзе Г.Ю., Ерофеев Л.В., Жоржолиани М.Р., Ильичев В.А., Карпов В.В., Ковалевский Е.Д., Кузьмичев В.А., Лейкин Б.В.,
Лобасов П.Д., Лукин В.М., Лускин А.Я., Маковская H.A., Минаев О.П., Мишаков В.А., Неймарк Ю.И., Ольшевский Г.Ф., Перлей Е.М., Ребрик Б.М., Савинов O.A., Силин К.С., Смородинов М.И., Татарников Б.П., Трофимов В.Е., Цейтлин М.Г., Шаевич В.М. и др.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана технология устройства заглубленной части малоэтажных зданий с использованием навесного сменного оборудования к стреловому самоходному крану;
теоретически и экспериментально доказана целесообразность применения при возведении заглубленной части малоэтажных зданий вибрационной техники и технологии;
определены, экспериментально и теоретически обоснованы рациональные вибрационные параметры, обеспечивающие: погружение в грунт профилировочного элемента с учетом лобового и бокового сопротивления грунта, а также трения в замках; эффективное истечение бетонной смеси из профилировочного элемента и заполнение ею полости в грунте при извлечении элемента; сплошность формуемой бетонной стенки; минимальное динамическое воздействие на грунт основания;
получены результаты исследований, отражающие влияние конструкции профилировочного элемента на сплошность формуемой «стены в грунте» и производительность работ при бетонировании фундамента;
выявлены закономерности влияния вибрационных параметров (амплитуды и частоты колебаний) на скорость погружения профилировочного элемента, скорость истечения бетонной смеси из него;
установлены технологические факторы, влияющие на прочность возводимой «стены в грунте»; построены графические зависимости, показывающие степень влияния этих факторов на прочность возводимого фундамента;
определена несущая способность «стены в грунте», возводимой по новой технологии.
По теме диссертации соискателем совместно с соавторами получен: патент на изобретение № 2173373 «Вибрационное устройство для возведения в грунте несуще-ограждающих конструкций», приоритет от 05.04.2000г.; поданы: заявка на получение патента РФ «Вибрационное устройство для возведения в грунте несуще-ограждающих конструкций», №2003100666, приоритет от 08.01.2003г.; заявка на получение патента РФ «Способ возведения в грунте несуще-ограждающих конструкций и устройство для его осуществления», №2003115761, приоритет от 27.05.2003г.
На защиту выносятся следующие результаты научных исследований и разработок:
анализ существующих способов возведения заглубленной части зданий и подземных конструкций;
рациональная вибрационная технология устройства в грунте заглубленной части малоэтажных зданий;
результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению рациональных технологических параметров и вибрационных режимов возведения несуще-ограждающих конструкций по разработанной технологии;
зависимости: прочности «стены в грунте» от подвижности бетонной смеси, конструкции профилировочного элемента, от скорости извлечения элемента из грунта; скорости вытекания бетонной смеси из профилировочного элемента от вибрационного режима извлечения (частоты и амплитуды колебаний) и других параметров;
руководящий технический материал по вибрационной технологии возведения заглубленной части малоэтажных зданий.
Практическое значение и реализация работы состоят в следующем:
в обосновании расширения области применения вибрационной техники и технологии, позволяющих комплексно механизировать технологические процессы возведения фундамента и ограждения подвала зданий малой этажности;
в разработке ресурсосберегающей вибрационной технологии возведения заглубленной части малоэтажных зданий с использованием навесного сменного оборудования к стреловому самоходному крану;
в разработке, согласовании с производственной организацией и утверждении руководящего технического материала по вибрационной технологии возведения заглубленной части малоэтажных зданий.
Апробация и публикация работы.
Диссертационная работа выполнялась в рамках «Конкурса персональных грантов 2001-2002 гг для аспирантов, молодых ученых и специалистов по исследованиям в области гуманитарных, естественных, технических наук Министерства образования РФ и Российской Академии наук», на котором автор был удостоен двух дипломов. На разработанную в ходе исследований технологию возведения несуще-ограждающих конструкций в грунте получен патент России, поданы две заявки для получения патента на изобретение.
Основные результаты исследований доложены на 53, 54, 55-ой и 56- ой международных научно-технических конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов (СПбГАСУ); 58, 59 и 60-й научных конференциях профессоров, преподавателей и научных работников (СПбГАСУ); международной конференции «Геотехника, наука и практика» (СПбГАСУ, 2000г.); международной научно-практической конференции «Градостроительные проблемы на современном этапе» (ВИТУ, СПб, 2000г.); международной научно-практической конференции «Строительные конструкции XXI века» (МГСУ, Москва, 2001г.); межвузовском научно-практическом семинаре «Современные направления технологии строительного производства» (ВИТУ, СПб, 2003г.).
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 10 печатных работах.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа изложена на 188 стр., состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 109 наименований, приложений. В работе представлено 67 рисунков, 13 таблиц. Общий объем диссертации составляет 213 стр.
Способы сооружения набивных свай
Приоритет в применении набивных свай принадлежит русским строителям. В России в 1899 г. инженером А.Э. Страусом был предложен способ изготовления набивных свай, технология которого состояла из следующих операций: бурение скважины в обсадной трубе, очистка забоя и бетонирование скважины с трамбованием, постепенное извлечение трубы. В настоящее время применяют различные виды набивных свай: буронабивные, вибронабивные, частотрамбованные, фирмы «Беното», грунтовые, камуфлетные, винтонабивные, сваи-инъекторы и др. [6,37,48,70,90, 105,106,107,109].
Набивные сваи применяют в основном на площадках со сложными грунтовыми условиями, при большой толще просадочных грунтов, в случаях, когда применение забивных свай затруднено или невозможно.
Наиболее сложной операцией в процессе устройства набивных свай является качественная укладка бетонной смеси и ее уплотнение. При неправильной технологии работ происходит обрушение стенок скважин, нарушается монолитность ствола сваи. Поэтому в слабых грунтах применяют бетонирование скважин под глинистым раствором и крепление стенок скважин обсадными трубами.
Частотрамбованные сваи бетонируют под защитой обсадной трубы, забиваемой в грунт, с чугунным теряемым башмаком. Башмак препятствует попаданию воды и грунта в трубу, чем обеспечивается более качественное бетонирование. Бетонную смесь подают порциями через воронку, установленную на трубе, и трамбуют паровоздушным молотом двойного действия, одновременно извлекая трубу из грунта по мере бетонирования сваи. Поверхность частотрамбованной сваи получается равномерно рифленной.
Применяют данные сваи в любых грунтовых условиях, допускающих забивку инвентарной трубы. Недостатком метода является большой расход металла (теряемый башмак) и необходимость тщательного контроля за качеством ствола, особенно в водонасыщенных грунтах. Рис. 1.10. Технологическая схема устройства буронабивных свай под защитой глинистого раствора: I - бурение скважины; II - устройство уширенной полости; III - установка арматурного каркаса; IV - установка бетонолитной трубы, бетонирование уширенной полости и ствола сваи методом ВПТ; V - установка инвентарной опалубки и бетонирование оголовка сваи; 1 - стреловой кран; 2 - буровой кондуктор; 3 - рабочий орган кондуктора; 4 - цилиндр; 5 - автосамосвал; 6- емкость для глинистого раствора; 7 - уширитель; 8 - арматурный каркас; 9 - бункер для приема бетона; 10 - автобетоносмеситель; 11 - опалубка; 12 - ствол сваи
Обсадные трубы рекомендуется использовать лишь в пределах участков слабых грунтов. Погружают трубы ударными и вибрационными манизмами, а извлекают гидравлическим выдергивателем с использованием вибратора. Извлекают грунт из скважины средствами вращательного и ударно-вращательного бурения. При проходке плывунов и водонасыщенных грунтов в обсадной трубе создают гидростатическое давление путем подачи в нее воды. В дальнейшем скважину бетонируют методом вертикально перемещающейся трубы, а обсадную трубу извлекают так, чтобы ее конец был заглублен в слой бетона на 1,5-2 м. Крепят стенки скважины обсадными трубами не на всю высоту, а только в пределах неустойчивых грунтов.
Сваи «Беното» изготавливают с применением специальных станков (французской фирмы «Беното» и японской «Като»), которыми обсадную трубу погружают в грунт вдавливанием, в сочетании с вращательным
Рис. 1.11. Изготовление набивных свай с выемкой грунта под защитой обсадных труб: а - проходка лидерной скважины виброгрейфером; б - погружение обсадной трубы виброустановкой; в - извлечение грунта из обсадной трубы виброгрейфером; г - бетонирование сваи; д - вибрационное извлечение обсадной трубы; 1 - вибропогружатель; 2 - обсадная труба; 3 - виброгрейфер; 4 - арматурный каркас; 5 - бетонная смесь; 6 - грунт движением трубы. Выемка грунта производится грейфером. Извлекают трубу поступательно-вращательным движением трубы. Выемка грунта производится грейфером. Извлекают трубу поступательно-вращательным движением в процессе бетонирования скважины. При этом обсадная труба должна быть заглублена в бетонную смесь не менее чем на 2 м для существенной экономии металла и цемента при устройстве свайных Многообразие типов набивных свай объясняется различием в способах их устройства: проходка скважин, укладка и уплотнение бетонной смеси. Скважины могут организовываться станками вращательного, ударного, вибрационного, шнекового и всасывающего бурения. Устройство скважин осуществляется с креплением стенок или без него. Стенки скважин крепятся от обрушения грунта обсадными трубами, погружение которых может осуществляться путем забивки, задавливания, вибропогружения или завинчивания. Бетонная смесь может укладываться без уплотнения или с уплотнением, осуществляемым с помощью обсадных труб путем их поперечного вращения, подъема и опускания, а также пневмопрессованием и вибрированием глубинными вибраторами.
К преимуществам буронабивных свай следует отнести: сокращение объема земляных и бетонных работ; снижение потребности в механизмах и транспорте; снижение влияния зимнего периода на темпы и качество работ; возможность использования в качестве основания прочных грунтов, залегающих на большой глубине; возможность передачи на одну сваю нагрузок большого диапазона; возможность устройства свай большого диаметра; отсутствие значительных вибраций и сотрясений в процессе производства работ.
К недостаткам, присущим набивным и буронабивным сваям, относят: повышенное применение ручного труда и технологическую сложность устройства свай, особенно в неустойчивых грунтах; увеличение расхода бетона по сравнению с забивными сваями за счет отсутствия уплотнения грунта около сваи в процессе ее изготовления; сложность контроля за изготовлением свай; большой разброс значений несущей способности одинаковых по размерам свай в идентичных грунтовых условиях, не позволяющий с необходимой точностью определять расчетную нагрузку в стадии проектирования и осложняющий прогноз несущей способности фундаментов из набивных свай. Среди монолитных фундаментов самостоятельную группу составляют траншейные фундаменты [25,32,42,43,48,51,64,71,78].
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, могут иметь заложения до 80 м и ширину (в плане) - до 1 м. 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 кустового или массового расположения.
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.
Процессы возведения заглубленной части малоэтажного здания, реализуемые за счет применения вибрационного метода
В рамках решения поставленных задач важно определить рациональные вибрационные режимы погружения и извлечения, конструктивные параметры профилировочного элемента и грунтозаборника, а также режимы укладки и уплотнения бетонной смеси, которые при минимальном динамическом воздействии на грунт основания обеспечивали бы эффективное погружение профилировочного элемента, а также позволяли бы отформовать в полости грунта сплошной траншейный фундамент с необходимой прочностью бетона и требуемой несущей способностью по грунту основания.
Теоретические и экспериментальные исследования были направлены на обоснование рациональности новой технологии и определение рациональных вибрационных и других параметров технологических процессов (таблица 2.1), позволяющих эффективно решать следующие основные задачи: преодоление при погружении профилировочного элемента в грунт лобового и бокового сопротивлений, а также трения в замках; интенсивное истечение бетонной смеси из профилировочного элемента при его вибрационном извлечении из грунта при одновременном качественном уплотнении смеси в грунтовой полости; обеспечение сплошности и непрерывности возводимой бетонной стены в грунте; снижение сил бокового трения при погружении в грунт и извлечении грунтозаборника в процессе разработки грунта во внутреннем контуре, с обеспечением полного заполнения грунтозаборника грунтом и высокой скорости последующего извлечения и разгрузки грунта уменьшение до допустимых норм динамического воздействия на грунт основания при погружении и извлечении профилировочного элемента и грунтозаборника, а также в процессе формования бетонной стены в грунте и ее армирования. При вибрационном погружении элементов в грунт с помощью введения дополнительных знакопеременных сил можно существенно снизить необходимую для эффективного погружения постоянную составляющую силы, что дает возможность с помощью вибрационных машин относительно небольшой массы 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 Эффективность вибрационного погружения и извлечения элементов определяется главным образом приложением значительных периодических сил, которые совместно с постоянными силами (сила тяжести системы, безынерционное нажатие, усилие извлечения) обеспечивают перемещение элемента в грунте.
Теоретическое изучение процесса вибропогружения свай, труб и других подобных элементов (Баркан Д.Д., Савинов O.A., 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 [26,75,95]: при амплитудах и частотах колебаний, меньших некоторых величин, зависящих от вида грунта и размеров лобовой и боковой поверхности погружаемого элемента, элемент перемещается относительно грунта с малой скоростью, а окружающий его грунт вовлекается в колебания; при увеличении амплитуды и частоты колебаний до некоторого критического значения, наступает «срыв» (эффективное проскальзывание) погружаемого элемента 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 4,56 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) элемента с грунтом. Общее уравнение погружения (извлечения) в грунт элемента при продольных колебаниях, рассматриваемого как твердое тело, может быть записано в следующем виде [75,95]: ш0-х"= Р(0 + 3 + Б - в (х, х\ Я, ); (2.1) где ш0 - масса вибрирующей системы; Р(1) - продольное динамическое воздействие на погружаемый элемент; - сила тяжести; Б - статическое усилие; О - сила сопротивления грунта погружению; Б - сопротивление грунта по боковой поверхности; Я - сопротивление грунта по лобовой поверхности; х - осевое перемещение. Определение наиболее эффективных вибрационных режимов в зависимости от вида функций Р(1) и изучение закономерностей этих процессов с учетом изменения сопротивления грунта в являются задачами вибропогружения и виброизвлечения.
При теоретических исследованиях процесса вибрационного погружения элементов в грунт используют различные расчетные модели взаимодействия погружаемого элемента 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.
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 определенной 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).
Состав возможных этапов движения в рассматриваемом периоде (цикле) определяется принятой расчетной схемой решаемой задачи и отражается алгоритмом.
Алгоритмом задаются условия окончания того или иного этапа движения - переход к другой совокупности действующих сил и моментов, а также условия завершения цикла. Однако последовательность этапов и даже их количество в цикле часто бывают неизвестны и выявляются лишь в процессе решения, что затрудняет использование приближенных методов расчета, поскольку для их применения необходимы данные для определения характера движения.
В тех случаях, когда возможно применение приближенных методов, с их помощью удается получить решение в аналитической форме, позволяющее непосредственно вычислять искомые характеристики процесса.
Результаты исследований параметров вибрационных и сопутствующих процессов возведения непрерывной бетонной стены в грунте
Вибрационное погружение одного элемента (рис.3.4) осуществлялось в следующей последовательности: 1. к наголовнику вибропогружателя жестко крепился профилировочный элемент и ослаблялся трос лебедки; 2. профилировочный элемент опускался в направляющий кондуктор, жестко скрепленный с грунтовым лотком; 3. включался вибропогружатель и элемент погружался под действием вибрации и силы тяжести системы. На профилировочных элементах были нанесены риски, расположенные через каждые 10 см. При каждом погружении элемента замерялось время погружения каждого участка элемента. Производилось измерение частоты и амплитуды колебаний профилировочного элемента, а также мощность приводного электродвигателя вибропогружателя. Результаты анализа исследований параметров и изучение процесса погружения профилировочного элемента в грунт показали: - с увеличением глубины скорость погружения элемента падает; - в пазах элемента образуется грунтовая пробка высотой около 20 см; - из-за негерметичности конструкции башмака внутри элемента образуется столб воды; - при снижении скорости погружения увеличивается расход потребляемой приводом электродвигателя энергии; - увеличение статического момента массы дебалансов (увеличение амплитуды колебаний) приводит к увеличению скорости погружения элемента в грунт. Рис.3.4. Вибрационное погружение профилировочного элемента в грунт через направляющий кондуктор. Вибрационное погружение в замок нескольких профилировочных элементов (рис.3.5) осуществлялось в следующей последовательности: - 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: - 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.3.6); с увеличением количества погруженных в грунт элементов (из-за уплотнения песка в лотке) увеличивается потребляемая приводом электродвигателя мощность (рис.3.7). а - скорости погружения профилировочного элемента от глубины погружения; б - амплитуды колебания профилировочного элемента от глубины погружения; 1,2,3 - последовательное погружение в грунт соответственно 1-го, 2-го и 3-го элемента 2-й этап. Изучение процесса извлечения профилировочного элемента из грунта, погруженного в замок и отдельно стоящего.
Извлечение профилировочного элемента из грунта производилось в следующей последовательности: - погруженный в грунт элемент жестко скреплялся с вибропогружателем, натягивался трос лебедки; - включался вибропогружатель и под действием усилия натяжения троса элемент извлекался из грунта; - измерялась амплитуда и частота колебаний, потребляемая мощность, усилие в тросе. В результате исследований были получены следующие результаты: - при извлечении элемента мощность, амплитуда и частота колебаний остаются практически неизменными; - под действием силы тяжести в профилировочном элементе с перемещающимся башмаком происходит открытие последнего, который колеблется вместе с элементом; - статическое усилие извлечения элемента, отдельно погруженного, из грунта без вибрации составило 460 Н, погруженного в замок, - 997Н; - статическое усилие извлечения элемента из грунта с вибрацией как для одиночно стоящего элемента, так и для погруженного в замок составило 360 Н, при общем весе извлекаемой системы в 350 Н; Езеют извлечения, с 2- усилие извлечения профилировочного лемента - 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 профилировочного элемента с вибрацией возникает при запуске электродвигателя и его торможении, и составляет 29 % (рис.3.8). Экспериментальные данные по исследованию процесса погружения в грунт профилировочных элементов представлены в таблице 3.1. 3-й этап. Исследование влияния конструкции башмака профилировочного элемента, вибрационного воздействия и состава бетонной смеси на скорость истечения бетонной смеси из элемента. Как показали теоретические исследования, скорость истечения бетонной смеси из элемента зависит от интенсивности вибрационного воздействия, подвижности и состава бетонной смеси, а также от площади выходного сечения для бетонной смеси из элемента. В связи с этим, данный этап экспериментальных исследований был посвящен изучению вышеуказанных зависимостей применительно к двум конструкциям профилировочных элементов. Последовательность технологических операций при проведении экспериментов была следующая: - в профилировочный элемент с закрытым башмаком сверху загружалась бетонная смесь определенного состава; - жестко крепился вибропогружатель; - элемент приподнимали над емкостью и включали вибропогружатель; - измерялось время истечения бетонной смеси, амплитуда и частота колебаний профилировочного элемента. В результате исследований были получены следующие результаты: - на скорость истечения бетонной смеси из профилировочного элемента существенно влияет площадь выходного сечения, чем она больше, тем выше скорость истечения; - вибрационный режим извлечения профилировочного элемента (амплитуда и частота колебаний), подвижность бетонной смеси и ее состав также влияют на скорость вытекания смеси; - время вытекания бетонной смеси из профилировочного элемента уменьшается с увеличением подвижности бетонной смеси, увеличением амплитуды колебаний, уменьшением количества крупного заполнителя в бетонной смеси; все перечисленные выше факторы в наибольшей степени влияют на скорость истечения бетонной смеси из профилировочного элемента с перемещающимся башмаком и в меньшей степени — при выполнении нижней части элемента в виде открывающихся створок; при истечении бетонной смеси из профилировочного элемента с перемещающимся башмаком в начальный момент времени бетонная смесь вытекает быстрее, затем под действием вибрации уплотняется внутри профилировочного элемента, скорость вытекания падает и остается постоянной до конца процесса; увеличение на 8 % содержания гранитной крошки в бетонной смеси привело к увеличению времени вытекания ее на 27-85% для профилировочного элемента с перемещающимся башмаком и на 14-60% - при открывающихся створках (рис. З.9.); повышение статического момента массы дебалансов в 1,67 раза снизило время вытекания бетонной смеси на 29-235% для профилировочного элемента с перемещающимся башмаком и на 50-125% - при открывающихся створках (рис.3.10.); увеличение площади сечения для выхода бетонной смеси 2,2 раза увеличивает скорость ее истечения 2-6 раз (сравниваются две конструкции профилировочного элемента, рис. 3.11);
Отработка вибрационной технологии изготовления непрерывной стены в натурных условиях
Опытные траншейные фундаменты были изготовлены на строительной площадке ЗАО «Строительный трест №28». Инженерно-геологические условия были определены по ближайшим известным геологическим скважинам участка проведения опытных работ. Было установлено, что основанием под опытные фундаменты являлась пылеватый суглинок мягкопластичный. (Е = 70 кГс/см2, = 0,51). Уровень грунтовых вод был зафиксирован на отметки -2,1м. Всего было проведено две опытные работы: 1. Изготовление «стены в грунте» длиной равной длине 6 профилировочных элементов. 2. Изготовление «стены в грунте» длиной в два профилировочных элемента с целью статического испытания нагрузкой. При возведении фундаментов в качестве грузоподъемной машины использовался кран КС 5361, в качестве вибратора - вибропогружатель В- 402 со следующей технической характеристикой: номинальная мощность приводного электродвигателя — 55 кВт; статический момент массы дебалансов (регулируемый), - 300, 600, 900, 1200 кгс-см; частота колебаний - 24, 33 Гц; габаритные размеры - 1500х 1100x2400 мм; масса-3250 кг. Для проведения опытных работ было изготовлено три профилировочных элемента с нижней частью в виде открывающихся створок. Поперечные размеры профилировщиков составляли в плане 300x700 мм, высота элементов — 3500 мм. Процесс изготовления «стены в грунте» в натурных условиях включал следующие технологические операции: - присоединение вибропогружателя к профилировочному элементу; - вибропогружение первого профилировочного элемента до проектной отметки; - отсоединение вибропогружателя; - присоединение вибропогружателя ко второму профилировочному элементу с последующей стыковкой за счет направляющих выступов и пазов с первым элементом, находящимся в грунте; - вибропогружение второго профилировочного элемента до проектной отметки; - погружение в замок третьего элемента аналогично погружению второго профилировочного элемента; - отсоединение вибропогружателя; - ослабление гибкой связи в профилировочном элементе и его заполнение бетонной смесью; - присоединение вибропогружателя к профилировочному элементу; - виброизвлечение 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; - объем уложенной бетонной смеси, соответствие его расчетному; - средняя скорость извлечения профилировочного элемента; - амплитуда и частота колебаний профилировочного элемента. Весь комплекс работ по возведению опытного участка бетонной стены выполнялся из бригады рабочих в составе 3 человек. Апробация возведения «стены в грунте» в натурных условиях показала, что разработанная конструкция профилировочного элемента и вибрационная технология производства работ позволяют отформовывать в грунте сплошной траншейный фундамент. 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%, что говорит об уплотнении, как бетонной смеси, так и грунтовой полости.
Средняя скорость погружения первого профилировщика в грунт составила 0,9 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.
Результатов статического испытания траншейного фундамента вдавливающей нагрузкой, изготовленного по вибрационной технологии, и опирающегося на пылеватые мягкопластичные суглинки, максимальная нагрузка составила 65 тонн (приложение 1, отчет ПКТИ) при осадке 53,4 мм. С учетом коэффициента надежности Yk=l,2 по СНиП 2.02.03-85 (п.3.10), на траншейный фундамент, изготавливаемый по вибрационной технологии, опирающегося на пылеватые мягкопластичные суглинки, расчетная нагрузка может быть принята — 54,2 тонн.
Предварительно рассчитанная несущая способность траншейного фундамента, в соответствии с грунтовыми условиями места испытания фундамента, определялась по формуле СНиП 2.02.03 При возведении заглубленных конструкций в стесненных условиях, когда нет возможности разрабатывать котлован без крепления откосов, применяют различные конструкции крепления: распорные, подкосные, шпунтовые и др. [29].
В настоящее время одним из наиболее распространенных способов крепления котлованов является шпунтовые ограждения из металлического шпунта типа «Ларсен».
Существенное преимущество шпунтового ограждения состоит в том, что при устройстве ограждения в неустойчивых грунтах, особенно при наличии в разрезе слоев грунта типа плывунов, слабый слой может быть при погружении шпунта эффективно прорезан и полностью перекрыт. Это исключает многие негативные моменты, связанные с водопонижением, отбором лишнего объема грунта [16].
Однако, в некоторых случаях после возведения ограждения из шпунта и устройства подземных конструкций, отказываются от дальнейшего его извлечения по причине возникновения динамического воздействия на существующие здания, что приводит к существенному повышению стоимости строительства подземных конструкций.
В данном разделе диссертации предлагается технология возведения в грунте тонких бетонных подпорных стенок, устраиваемых с использованием вибрационного оборудования, как альтернатива крепления откосов котлованов из металлического шпунта.
Технология возведения в грунте подпорной стенки по вибрационной технологии включает последовательное вибрационное вдавливание в грунт на разную глубину при помощи вибропогружателя и троса лебедки крана-экскаватора (копра) профилировочных элементов разного поперечного сечения, которые плотно сопрягаются между собой за счет направляющего кондуктора и подвижной каретки, а также их последующее наполнение бетонной смесью с последовательным вибрационным извлечением, в результате которого образуется несуще- ограждающая бетонная стена, способная выполнять роль подпорной стенки, элементы которой имеют разную глубину погружения и увеличенную в локальных зонах площадь поперечного сечения.
Для возведения в грунте подпорной стенки требуется Следующее оборудование и машины: кран-экскаватор или копер с вертикальной направляющей; вибропогружатель и как минимум два профилировочных элемента, которые имеют разное поперечное сечение. Первый профилировочный элемент продольного ограждения имеет меньшую высоту, чем второй профилировочный элемент вертикальной стойки. Профилировочный элемент вертикальной стойки состоит из двух полых прямоугольных профилей, жестко соединенных между собой сплошным ребром вдоль поперечной оси по всей высоте элемента.
Для вертикального погружения в грунт профилировочных элементов в нижней части вертикальной направляющей крана-экскаватора (копра) монтируется направляющий кондуктор, а в верхней части - подвижная каретка, которая имеет возможность перемещения вдоль вертикальной направляющей с помощью полиспастной системы. Для этого на каретке закреплен трос лебедки крана-экскаватора (копра), идущий через систему неподвижных блоков, установленных на вертикальной направляющей, и создающий вдавливающее усилие на погружаемый профилировочный элемент.
