Обоснование геометрических параметров винтового анкера для крепления сваевдавливающей машины к грунту Колесников Алексей Юрьевич

Введение к работе

Актуальность работы. С каждым годом во многих городах России увеличиваются объемы строительных работ, большое количество которых производится в условиях плотной городской застройки. Основной проблемой многоэтажного строительства в черте города, является ограниченность в пространстве. Особенно остро проявляется данная проблема при сооружении свайного фундамента.

На сегодняшний день существует множество технологий сооружения
свайного фундамента. Среди них можно выделить технологию,

предусматривающую погружение свай под действием равномерной статической
нагрузки, приложенной к стволу. Реализация данной технологии в городских
условиях строительства позволит исключить динамическое воздействие на грунт и
фундаменты соседних зданий. При задавливании свай практически отсутствует
шум, а основным преимуществом является использование заводских

сертифицированных свай. Но наряду с достоинствами данная технология имеет и недостатки, которые связаны с возникновением значительных по величине реактивных усилий, возникающих в процессе задавливания сваи. Кроме того, аналогичные проблемы отмечаются и при производстве других видов работ, таких как, например бурение горизонтальных направленных скважин, прокол грунта, испытание грунтов зондированием и др.

Существуют два основных способа компенсации реактивных усилий,
возникающих в процессе работы некоторых строительных машин:

гравитационный и анкерный. В серийно выпускаемых машинах для задавливания свай наибольшее распространение получил гравитационный способ. Он заключается в увеличении массы базовой машины, путем размещения на ней многотонных пригрузов. Все это необходимо для исключения зависания машины на задавлимваемой сваи, что происходит, когда реактивное усилие превышает собственный вес машины.

Менее распространенным является анкерный способ, который

подразумевает крепление машины к грунту анкерными устройствами. Наибольший интерес представляют собой винтовые анкера, так как, оснастив их собственным приводом, появляется возможность крепления машины в любом месте ее базирования без каких либо дополнительных подготовительных работ. Однако применение винтовых анкеров известных конструкций для крепления сваезадавливающих и других машин к грунту затруднительно. Недостатком существующих конструкций винтовых анкеров является их ограниченная удерживающая способность, которая зависит от размеров винтовой лопасти. Таким образом, для удержания больших нагрузок потребуется значительное увеличение размеров винтовой лопасти и глубины погружения анкера, что неприменимо при их использовании для крепления сваезадавливающих и других машин к грунту в стесненных условиях строительства.

Поэтому исследование процесса взаимодействия винтового анкера с
грунтовой средой, а так же влияния геометрических параметров винтового
наконечника на величину удерживающей способности, с целью

совершенствования конструкции винтового анкера и возможностью его применения для крепления сваезадавливающих и других машин к грунту, является актуальной научной задачей.

Целью работы является обоснование геометрических параметров винтового анкерного устройства для временного крепления сваезадавливающих машин к грунту.

Для достижения поставленной цели, необходимо было решить следующие

задачи:

1. На основании анализа конструкций винтовых анкерных устройств, а так же анализа процессов взаимодействия анкера с грунтовой средой, дать предложение по совершенствованию конструкции винтового наконечника.

2. Разработать математическую модель процесса взаимодействия винтового анкерного устройства с грунтовой средой под действием внешней выдергивающей нагрузки, отражающую влияние геометрических параметров винтовой лопасти на величину удерживающего усилия.

3. На основании исследований процесса взаимодействия винтового анкера предлагаемой конструкции с грунтом, установить влияние отношения диаметра ствола к диаметру винтовой лопасти, угла наклона верхней образующей поверхности винтовой лопасти, грунтовых условий на удерживающую способность анкера, а так же установить влияние всех составляющих сил сопротивления грунта деформациям на величину удерживающего усилия винтового анкера.

4. Провести экспериментальные исследования в лабораторных и полевых условиях, направленные на изучение физических прочесов, возникающих в среде, при взаимодействии с ней винтового анкера, а так же провести оценку достоверности выдвинутой гипотезы и аналитических исследований.

5. Разработать рекомендации по выбору основных параметров винтового анкерного устройства, предназначенного для крепления строительных машин к грунту, так же разработать методику расчета величины удерживающего усилия анкера с учетом влияния геометрических параметров винтовой лопасти. Дать сравнительную оценку эффективности применения сваезадавливающей машины с возможностью крепления к грунту винтовыми анкерами и сваезадавливающей машиной серийного производства.

Объектом исследования в диссертационной работе является винтовое анкерное устройство.

Предметом исследования является зависимость величины удерживающего усилия винтового анкерного устройства от его геометрических параметров в процессе взаимодействия с грунтовой средой.

Методы исследования. Для решения поставленных задач, в данной работе использовался комплексный метод, сочетающий в себе анализ результатов уже существующих исследований в данном направлении, теоретические исследования, основанные на математическом моделировании рабочих процессов и экспериментальные исследования, а так же экспериментальная проверка результатов аналитических и лабораторных исследований на натурных образцах в полевых условиях.

Достоверность результатов и научных положений достигается путем использования основных положений механики грунтов при взаимодействии рабочих органов строительных машин с грунтовой средой, применением современных информационных и аналитических методов исследования на основе математического моделирования и проведении экспериментальных исследований на основе планирования эксперимента с дальнейшей обработкой полученных результатов, а также экспериментальной проверкой результатов аналитических

исследований в лабораторных условиях на моделях анкерных устройств и в полевых условиях на натурных образцах винтовых анкеров.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель процесса взаимодействия винтового наконечника анкерного устройства с грунтовой средой, отличающаяся от существующих тем, что верхняя поверхность винтовой лопасти анкерного устройства образована косым геликоидом.

2. Впервые получены функциональные зависимости величины удерживающего усилия винтового анкерного устройства от геометрических параметров его винтовой лопасти.

3. Предложена методика выбора рациональных геометрических параметров винтового наконечника анкерного устройства, отличается тем, что в ней учитывается геометрическая форма винтовой лопасти.

4. Предложена методика определения критических нагрузок на винтовое анкерное устройство, отличающаяся тем, что в ней учитывается угол наклона косого геликоида, образующего верхнюю поверхность винтовой лопасти.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель процесса взаимодействия винтового анкерного
устройства, новой геометрической формы винтового наконечника с грунтовой
средой;

2. Функциональные зависимости величины удерживающего усилия
винтового анкерного устройства от геометрических параметров его винтового
наконечника и грунтовых условий;

3. результаты экспериментальных исследований процесса взаимодействия
винтового наконечника анкерного устройства с грунтом, а так же
экспериментальная проверка результатов аналитических исследований в
лабораторных условиях на моделях анкерных устройств и в полевых условиях, на
натурных образцах винтовых анкеров;

4. методика выбора основных геометрических параметров винтового
наконечника анкерного устройства для временного крепления строительных
машин к грунту, в зависимости от требуемой величины удерживающего усилия и
методика расчета величины удерживающего усилия в зависимости от
геометрических параметров винтового наконечника и грунтовых условий.

Практическая значимость работы заключается:

в разработке новой геометрической формы винтового наконечника анкерного устройства для временного закрепления сваевдавливающих и других машин к грунту при выполнении отдельных видов строительных работ в результате которых возникают реактивные нагрузки;

в разработке методики выбора и расчета основных геометрических параметров винтового наконечника анкерного устройства для временного крепления строительных машин к грунту;

- в методике расчета величины удерживающего усилия анкерного устройства в зависимости от геометрических параметров его наконечника и грунтовых условий;

- в создании экспериментального стенда для проведения учебных и научно-исследовательских работ и дальнейшего развития научных исследований в данной тематике;

Новизна предложенной геометрической формы винтовой лопасти подтверждена патентом на полезную модель.

Реализация работы:

- разработанный метод выбора рациональных геометрических параметров винтового анкерного устройств для временного закрепления строительных машин к грунту, а так же предложение конструктивного исполнения навесного оборудования для временного крепления сваевдавливающих и других машин к грунту внедрены в ЗАО «Геотехника – С»;

- методика определения основных геометрических параметров винтового анкерного устройства для временного крепления строительных машин к грунту, внедрены в организацию ОАО «Спецдортехника».

- результаты научных исследований в виде методики выбора и расчета
основных параметров виннового анкерного устройства, а так же

экспериментальный стенд используются в учебном процессе при выполнении курсового и дипломного проектирования, а так же при выполнении НИР студентами специальности «23.05.01 – «Наземные транспортно-технологические средства».

Апробация работы. Основные положения и результаты данной работы
докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Инновации
и актуальные проблемы техники и технологий» 2010г. в г. Саратове, на
Всероссийской научно-технической конференции «Создание эффективных
средств механизации в строительных и дорожных отраслях» октябрь 2012 года в г.
Саратове, на международной конференции «Applied and Fundamental Studies» 8 –
10 марта 2013г. St/Louis, Missouri, USA, на международной научно-техической
конференции «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» 18 –
19 апреля 2013г, на международной научно-технической конференции
«Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» 18 – 19 апреля
2013г в г. Могилеве, на симпозиуме «Перспективные и научные достижения
современности» 17 – 24 февраля 2014г. г. Одесса, на международной научно-
практической конференции «Проблемы и инновации в области механизации и
технологий в строительных и дорожных отраслях» 19 – 20 июня 2014г. в г.
Саратове; на международной конференции «Проблемы и инновации в области
механизации и технологий в строительных и дорожных отраслях» 25-26 мая 2015г
в г. Саратове; на международной конференции «Проблемы и инновации в области
механизации и технологий в строительных и дорожных отраслях» 3-4 июня

2016г в г. Саратове.

Публикации. По теме диссертационной работы было опубликовано 22 научных работ, из них 2 патента на изобретение, 2 работы опубликованные в изданиях рекомендованных ВАК РФ, 1 монография, 3 работы, опубликованные в сборниках по материалам международных конференций, проходивших за рубежом, 5 работы опубликованы в материалах международных конференций, проходивших в РФ, 7 работ опубликовано в сборниках Всероссийских научных конференций.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, материал изложен на 173с. из них 154с. основного текста, содержит 57 рисунков, 6 таблиц, библиографический список из 122 наименований и 3 приложений.