Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Задачи исследований
1.1. Классификация способов проходки скважин в грунте 10
1.2. Обзор и анализ оборудования для погружения винтовых свай 13
1.3. Обзор и анализ оборудования для изготовления набивных свай в уплотненном грунте 28
1.4. Обзор исследований процессов завинчивания винтовых свай 37
1.5. Объект, цель и задачи исследований 53
2. Теоретические исследования процесса взаимодействия винтового рабочего органа с грунтом
2.1. Основные положения 56
2.2. Определение конструктивных параметров винтового рабочего органа и винтонабивной сваи 59
2.3. Определение сил сопротивления погружению и извлечению рабочего органа 62
2.4. Определение работы, затрачиваемой на устройство винтонабивной сваи 81
2.5. Анализ силовых и энергетических затрат 93
2.6. Выводы 107
3. Экспериментальные исследования процесса взаимодействия винтового рабочего органа с грунтом
3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 108
3.2. Оборудование для экспериментальных исследований 109
3.3. Условия и порядок проведения экспериментов 115
3.4. Обработка результатов 119
3.5. Результаты экспериментальных исследований 125
3.6. Выводы 130
4. Практическое использование результатов выполненных исследований
4.1. Методика выбора и расчета основных параметров оборудования для устройства винтонабивных свай 131
4.2. Пример расчета 136
4.3. Конструкция навесного оборудования и технология устройства винтонабивных свай 140
4.4.Технико-экономические показатели оборудования 145
5. Выводы по диссертационной работе 146
Литература
- Обзор и анализ оборудования для погружения винтовых
- Определение конструктивных параметров винтового рабочего органа и винтонабивной сваи
- Оборудование для экспериментальных исследований
- Конструкция навесного оборудования и технология устройства винтонабивных свай
Введение к работе
Актуальность работы. Наиболее ответственным и трудоемким этапом в строительстве является возведение оснований и фундаментов.
Продолжительность устройства фундаментов составляет до 15-20% от общей продолжительности строительства. Вместе с тем в области фундаменто-строения имеются большие резервы повышения эффективности и улучшения качества за счет внедрения прогрессивных конструкций фундаментов.
В настоящее время остро стоит проблема сооружения фундаментов в зоне плотной городской застройки. В таких условиях необходимо применять безударные методы строительства, чтобы исключить опасные для соседних сооружений вибрации. Весьма эффективным типом фундаментов, отвечающим поставленным требованиям, а также повышению уровня индустриализации строительства, является фундамент из винтовых свай. Применение винтовых свай, имеющих меньшую длину по сравнению с забивными, для фундаментов опор инженерных сооружений дает возможность существенно сократить их стоимость и сроки строительства.
Винтовые сваи являются перспективной конструкцией, обладающей рядом существенных преимуществ по сравнению с обычными призматическими и цилиндрическими сваями: более высокая несущая способность, универсальность применения в различных грунтовых условиях, возможность установки под значительным углом к вертикали, успешная работа при знакопеременных нагрузках, а также в грунтах, подверженных морозному пучению, безударное погружение в грунт. Но применение металлических винтовых свай заводской готовности характеризуется большим удельным расходом металла, что сказывается на стоимости фундамента, а, следовательно, и сооружения в целом. Железобетонные винтовые сваи не получили распространения из-за трудоемкости их погружения, несовершенства механизмов, используемых для завинчивания, а также низкой надежности таких свай при восприятии крутящего момента. Пути решения этих проблем лежат в устройстве винтовых свай непосредственно в грунте. Такие сваи можно назвать винтонабивными.
Рабочий орган для устройства таких свай представляет собой обсадную трубу, имеющую снизу винтовой башмак с теряемым наконечником. Рабочий орган погружается в грунт путем завинчивания. Процесс проходит безвибраци-онно и с низким уровнем шума. При погружении винтового башмака окружающий грунт раздвигается в стороны в радиальном направлении, тем самым уплотняясь. По достижении проектной отметки в обсадную трубу вставляется арматурный каркас, и производится бетонирование сваи с одновременным извлечением обсадной трубы путем вывинчивания ее вращением в обратную сторону. С помощью этого грунт еще раз уплотняется, а бетон заполняет пустоты, оставленные винтовым башмаком.
Винтонабивная свая, сохраняя все положительные свойства винтовой, обладает меньшей стоимостью за счет сокращения удельного расхода металла. По сравнению с буронабивными сваями имеет увеличенную несущую способность за счет устройства сваи в уплотненном грунте. Для изготовления винтонабив-
ной сваи требуется гораздо меньше времени, чем для буронабивной, т.к. в процессе изготовления грунт не извлекается на поверхность, что также исключает операции по его удалению со стройплощадки.
Все вышеизложенное определяет актуальность работ по разработке эффективной конструкции оборудования для устройства винтонабивных свай.
В качестве объекта исследований настоящей работы выбрана конструктивно-технологическая система «вращатель-винтовой рабочий орган-грунтовый массив».
Предметом исследований являются закономерности процесса взаимодействия системы.
Цель работы - повышение эффективности устройства винтонабивных свай за счет обоснования конструктивных и режимных параметров оборудования.
Задачи исследований:
проведение системного анализа существующего оборудования для погружения винтовых свай;
разработка математической модели процесса взаимодействия винтового рабочего органа с грунтом основания;
обоснование выбора формы и рациональных конструктивных параметров винтового рабочего органа;
экспериментальная проверка и подтверждение полученных аналитических зависимостей;
разработка методики расчета основных параметров навесного оборудования.
Методика исследований основывается на проведении структурного анализа системы «вращатель-винтовой рабочий орган-грунтовый массив», использовании математического моделирования процесса взаимодействия рабочего органа с грунтом и научных положений теоретической механики и механики грунтов.
Методика исследований включает также экспериментальную проверку результатов теоретических исследований, применение статистической обработки результатов экспериментов.
На защиту выносятся: математическое описание процесса силового взаимодействия рабочего органа с грунтом основания, расчетные зависимости для определения крутящих моментов и сил сопротивления погружению и извлечению рабочего органа, а также работы, затрачиваемой на изготовление сваи, методика определения рациональных параметров рабочего органа, инженерная методика выбора и расчета основных параметров навесного оборудования для устройства винтонабивных свай.
Научная новизна работы характеризуется следующими результатами: систематизирован материал по конструкциям машин и оборудования, способам изготовления свай и исследованиям в этой области, на основании чего разработана соответствующая классификация; составлено математическое описание процесса взаимодействия рабочего органа с грунтом. Установлены закономерности изменения крутящих моментов и сил сопротивления погружению и из-
влечению рабочего органа, а также работы, затраченной на изготовление скважины, от прочностных показателей грунта и конструктивных параметров рабочего органа.
Практическая ценность работы заключается в разработке методики выбора и расчета основных параметров навесного оборудования для устройства винтонабивных свай применительно к конкретным грунтовым условиям.
Данная методика расчета может применяться в проектно- конструкторских бюро учреждений и предприятий, занимающихся проектированием и производством оборудования для образования скважин в грунте.
Реализация полученных результатов. По результатам работы разработано и передано во ФГУП Конструкторское бюро транспортного машиностроения, г.Омск, техническое задание на конструкцию рабочего органа для устройства винтонабивных свай в грунте, отличающуюся высокими технико-экономическими показателями.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на:
международной конференции «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений», Омск, 2006 г;
международной конференции «Проблемы механики грунтов и фунда-ментостроения в сложных грунтовых условиях», Уфа, 2006 г;
конференции «Проблемы создания и совершенствования строительных и дорожных машин», Белгород, 2006 г;.
конференции «Актуальные проблемы проектирования и устройства оснований и фундаментов зданий и сооружений», Пенза, 2006 г; . -
международной конференции «Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века», Омск, 2006 г;
международном конгрессе «Машины, технологии и процессы в строительстве», Омск, 2007 г;
Юбилейной конференции, посвященная 50-летию РОМГГиФ, Москва, 2007 г;
64-й научно-технической конференции НГАСУ, Новосибирск, 2007 г;
международной конференции «Геотехнические проблемы XXI века в строительстве зданий и сооружений». II Академические чтения им. профессора А.А. Бартоломея, Пермь, 2007 г.
Публикации. В процессе выполнения работы подана 1 заявка на изобретение (регистрационный №2008138780 от 29.09.2008) и опубликовано 12 статей, в том числе 2 в изданиях, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа по структуре состоит из введения, четырех глав и заключительных выводов. Объем работы — 172 листа машинописного текста, включая 60 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 120 наименований и 2 приложений.
Автор выражает благодарность СВ. Лобанову за помощь, оказанную при проведении экспериментальных исследований.
Обзор и анализ оборудования для погружения винтовых
Погружение винтовых свай, анкеров и якорей (которые являются аналогами винтовой сваи, работающими исключительно на выдергивание) в грунт может осуществляться вручную или механизированно. Вручную погружение выполняют при установке незначительного количества винтовых опор небольших размеров специальными воротками или рычагами. Простейший тип воротка конструкции ВНИИмонтажспецстрой состоит из двух рычагов, соединенных болтами. При ручном завинчивании винтообразных элементов используются специальные кондукторы, исключающие перекосы ствола при несогласованном приложении усилий на рычаги воротков [74].
С целью устранения трудоемких ручных операций по завинчиванию анкеров и свай используются различные приспособления и механизмы. Так, для завинчивания винтовых анкеров с диаметром лопасти 0,4..0,8 м применяются механизированные круговые воротки или тросовые кабестаны [29-34,42], мало чем отличающиеся друг от друга. Они просты в изготовлении, однако при использовании их возникают трудности: требуются массивные кондукторы или направляющие патроны, закрепляемые на силовой раме дополнительной самоходной машины; уходит много времени на частые перестановки кабестана, так как при большой длине ствола от направляющего стакана до кабестана в нем возникают значительные изгибающие усилия; невозможно погружать сваи в твердые грунты из-за отсутствия осевой силы пригруза.
Еще более совершенны в техническом отношении электрокабестаны, способные развивать значительные крутящие моменты, достаточные для завинчивания свай больших размеров. В сравнительно короткий срок в нашей стране было разработано несколько типов электрических кабестанов, выполненных примерно по одинаковым конструктивным схемам. Кабестаны для завинчивания свай применяют при строительстве мостов, на строительных площадках, имеющих высокий уровень механизации. Электрокабестаны рассчитаны на погружение винтовых свай средних и больших размеров с диаметрами стволов 0,5..1,5 м и винтовых лопастей 1..3 м. Так, наиболее мощный механизм для завинчивания свай кабестан КЗС-75-150, развивающий крутящий момент 1500 кНм, позволял погружать сваи диаметром 1,3 м с лопастями диаметром до 3 м на глубину в несколько десятков метров [108].
В дальнейшем была разработана наиболее мощная модель электрического кабестана, рассчитанного на создание крутящего момента в 3000 кНм. Он предназначен для погружения винтовых свай сверхглубокого заложения с диаметрами стволов 1,2.. 1,5 м при диаметрах винтовых лопастей более 3 м.
Но погружение винтовых свай при помощи кабестана характеризуется трудо- и энергозатратами, необходимыми для восприятия реактивного крутящего момента. Производились попытки создать кабестан, лишенный этого недостатка. Машиной, уравновешивающей реактивный момент, является уравновешенный кабестан. Отличительная особенность этой машины - одновременное погружение двух винтовых свай вращением их в противоположных направлениях. Однако опыт работы с такой машиной показал, что она имеет недостатки. При погружении двух свай для каждой из них требуется различный по величине крутящий момент, хотя сваи и находятся на близком расстоянии одна от другой, но конструкция машины позволяет передать только одинаковые крутящие моменты. Кроме того, такой машиной можно погружать только четное число свай, причем на определенном расстоянии одну сваю от другой, соответствующем параметру конструкции машины, что ограничивает размеры винтовых лопастей.
Гораздо более совершенными в техническом отношении являются гидрокабестаны [29], которые завинчивают сваи, преобразовывая возвратно-поступательное движение штока гидроцилиндра во вращательное движение патрона. При этом применяют способ завинчивания свай с передачей крутящего момента через верхнюю часть ствола. В разработанном В.Н. Железко-вым гидрокабестане непрерывного действия завинчивание свай обеспечивается при прямом и обратном ходе гидроцилиндра.
Для строительства трубопроводных систем нефти и газа представляет интерес способ завинчивания свай и анкеров силовой установкой экскаватора Э-153 или ЭО-2651. Установка автономна и маневренна, в ней частично устранены недостатки, присущие круговым кабестанам. При завинчивании анкеров силовой установкой экскаватора можно легко изменить режимы погружения. Осевое усилие пригруза регулируют грузом на площадке. Установкой можно легко проверить несущую способность сваи или анкера, выдергивая их.
Наиболее простой установкой, предназначенной для завинчивания свай и анкеров небольших размеров с диаметром ствола до 0,15 м, является вращатель анкерный гидравлический ВАГ-11, состоящий из силового агрегата и механического привода. Также используются достаточно маневренные и универсальные установки ВАГ-101, ВАГ-201, ВАГ-202, представляющие со бой навесное оборудование к серийно выпускаемому трактору Т-108 М, экскаватору Э-304В и трубоукладчику Т-1530В. Более удобны в эксплуатации установки с боковым расположением рабочего органа ВАГ-201 и ВАГ-202, принципиально отличающиеся друг от друга базовой машиной и подвеской вращателя. ВАГ-101, ВАГ-201 и ВАГ-202 развивают крутящий момент 10, 20 и 30 кНм соответственно и позволяют завинчивать анкеры на глубину до 4 м [74].
В связи с увеличением диаметров строящихся трубопроводов до 1440 мм и больше, связанной с этим необходимостью погружения винтовых анкеров больших размеров и на большую глубину, в настоящее время разрабатываются гидравлические вращатели МЗА-205 и ВАГ-206, базой которых является трелевочный трактор ТТ-4. Эти машины более компактны в транспортном положении, быстроходны и маневренны. Машина ВАГ-206 обеспечит завинчивание винтовой сваи или анкера на глубину до 5 м с вылетом вращателя до 8 м.
Винтовые сваи и анкера также нашли применение в установках для статического зондирования грунта. При составлении проекта свайного фундамента для определения прочностных характеристик грунта и установления глубины залегания несущего слоя основания выполняют статическое зондирование грунтов установками СП-59 и СП-72, разработанными ГГТИ Фунда-ментпроект Главспецстроя, в месте заложения фундаментов. Установка статического зондирования СП-59 монтируется на самоходном шасси Т-16М, а установка СП-72 - на шасси автомобиля ЗИЛ-130, поэтому последняя более мобильна, маневренна и имеет лучшие технико-экономические показатели транспортировки, погружения винтовой сваи и усилия вдавливания зонда. Установки СП-59 и СП-72 развивают крутящий момент 6,25 и 11 кНм соответственно.
Определение конструктивных параметров винтового рабочего органа и винтонабивной сваи
Обзор исследований процесса взаимодействия винтовой сваи с грунтом показывает, что теоретическое решение задачи в общей постановке пока не найдено. Экспериментальные исследования сводились к получению опытных данных в конкретных грунтовых условиях, а теоретические решения заканчивались приближенными уравнениями, полученными в результате использования гипотетических расчетных схем, нередко далеких от действительного процесса. Для инженерно-конструкторских расчетов наибольший интерес представляют работы, в которых определяются зависимости деформаций и напряжений в грунте от приложенной нагрузки. В то же время не подлежит сомнению, что характер и величина напряжений в массиве грунта оказывает решающее влияние на величину сил сопротивления погружению и извлечению рабочего органа, что ставит задачу поиска зависимостей, связывающих степень напряженности грунта с силами сопротивления [45].
В процессе образования скважины грунт сминается рабочим органом и вытесняется из полости скважины. С точки зрения теории упругости, при завинчивании рабочего органа в грунт как в анизотропное полупространство устанавливается сложная связь между компонентами деформации и компонентами напряжения [22]. Кроме того, при значительных деформациях, имеющих место при внедрении винтового рабочего органа, состояние пластического течения грунта с учетом скорости деформации описывается сложной системой дифференциальных уравнений [7].
В механике грунтов и теории их разрушения механическими способами испытание фунтов прессиометром является одним из методов исследования закономерностей деформирования и установления различных характеристик. При этом деформация массива грунта, прилегающего к зонду, происходит в радиальном (горизонтальном) направлении, что особенно важно при исследованиях винтовых рабочих органов.
Основным видом деформации грунта при погружении винтового рабочего органа является радиальное сжатие, приводящее к уменьшению пористости грунта и к увеличению его плотности. Поэтому при исследовании этого явления в первую очередь необходимо установить закономерности, характеризующие зависимости между нормальными контактными напряжениями ап и радиальной деформацией сжатия грунта х.
Наиболее простой и в то же время учитывающей неравномерность грунтовых условий, в которых возможна работа оборудования, является модель сопротивления грунта смятию, принимаемая согласно гипотезе Берн-штейна- Летошнева [44,49,5]. Сопротивление грунта по мере возрастания деформации определяется из зависимости: где а - напряжение на контактной поверхности элемента, Сі - коэффициент общей деформации грунта, х - величина деформации, fi - показатель, характеризующий процесс деформации.
Исследованиями А.К. Бируля [11,4] было установлено, что показатель jLi может принимать различные значения для одного и того же грунта в зависимости от его влажности W. Так, например, ц.=0 при W F, fi=0,5 при W=(0.7-K).8)F, fi=\ при W=(0.4-K).7)F, где F - верхний предел пластичности.
Экспериментальными исследованиями Н.А. Ульянова [99,100] также установлено, что закон деформации грунта (2.1) может быть использован не только для оценки процесса сжатия, но и при восстановлении упругой деформации грунта. При этом вместо коэффициента общей деформации С і в формулу (2.1) вводится коэффициент упругой деформации С2, а вместо величины общей деформации х - величина упругой деформации U [99,100]. Процесс деформации грунта под нагрузкой весьма сложен и многообразен, так как отдельные виды деформаций имеют разную физическую сущность и подчиняются различным законам. Поэтому при проведении теоретических исследований вводится ряд допущений, основными из которых являются следующие: - перемещение частиц грунта в процессе внедрения происходит в направлении, перпендикулярном перемещению рабочего органа, т.е. внедрение рабочего органа эквивалентно расширению полости в грунте от нулевого радиуса до радиуса рабочего органа [37,19]; - силы сопротивления, действующие на поверхность винтовой лопасти, сосредоточены на линии ее срединного диаметра; - деформации от сжатия при погружении элементов рабочего органа в грунт суммируются; - напряжения, вызванные деформацией грунта от внедрения в него рабочего органа, постоянны на расстоянии радиуса лопасти от оси скважины в направлении, перпендикулярном данной оси. 2.2. Определение конструктивных параметров рабочего органа для устройства винтонабивных свай
При проведении аналитических исследований процесса взаимодействия винтового рабочего органа с грунтом вначале необходимо определить конструктивные параметры рабочего органа для устройства винтонабивных свай (рис. 2.1).
Конструктивные параметры винтового рабочего органа Конструктивными параметрами рабочего органа являются: радиус башмака R; половина угла заострения конуса (3; наружный радиус обсадной трубы г; длина участка трубы, взаимодействующего с грунтом, h; угол заострения винтовой лопасти 2ос, ширина лопасти В; - угол подъема винтовой линии лопасти у, - высота башмака Н.
Выбор ширины лопасти В и длины обсадной трубы h рабочего органа производится из условия получения необходимой несущей способности вин-тонабивной сваи, учитывая возможности применяемой техники (развиваемый ей крутящий момент и вертикальную вдавливающую силу). Радиус обсадной трубы г выбирается с учетом необходимой прочности материала ствола сваи на эксплуатационные нагрузки (увеличение радиуса трубы ведет за собой возможность увеличения радиуса армирования сваи, количества рабочей арматуры в сечении, а также увеличение площади бетонного сечения). Число витков лопасти назначается равным 1,25 с учетом ножевой и хвостовой части [12,41,74]. Ширина раскрытия лопасти (вычисляется через угол заострения лопасти 2а) назначается из условия возможности пробетонирования скважины в местах внедрения лопасти, исходя из требований нормативных документов принимается равной не менее 5 см. Шаг винта лопасти назначается из двух условий - рационального распределения величин крутящего момента и вдавливающей силы, и обеспечения минимального расстояния в свету между витками лопасти для избежания заклинивания между ними крупных включений в проходимом грунте
Оборудование для экспериментальных исследований
В результате вывода зависимостей, связанных с силовыми и энергетическими параметрами, получен ряд выражений процесса изготовления вин-тонабивной сваи, характеризующих взаимодействие рабочего органа с грунтом.
Исследование полученных зависимостей производилось путем решений выражений для крутящего момента, вертикальной силы и работы при различных значениях конструктивных параметров и прочностных показателей грунта. Результаты исследований представлены графическими зависимостями (рис. 2.12-2.31).
Диапазон изменения основных параметров выбран с учетом технической возможности получения величины каждого параметра и реальных условий применения навесного оборудования. В связи с этим при проведении теоретических исследований применялся следующий диапазон изменения основных параметров:
Длина обсадной трубы и ее радиусы выбраны в соответствии с номенклатурой диаметров труб по ГОСТ 8732-79. Интервал угла заострения конусного наконечника, угла подъема винтовой линии лопасти, угла заострения лопасти принят бесконечно малым, так как это дает высокую точность вы числений и при этом соответствует возможностям современных средств вычислительной техники. Пределы изменения указанных величин рассмотрены максимально широкие, несмотря на невозможность или нецелесообразность исполнения рабочего органа с такими конструктивными параметрами, для демонстрации корректности выполненных аналитических исследований, а также для лучшего понимания процессов, происходящих в грунте при внедрении рабочего органа.
При составлении графических зависимостей выражения для извлечения рабочего органа не рассматривались ввиду того, что отличие их от выражений для погружения состоит лишь в постоянной величине Ко- Исходя из этого, вид графиков получится идентичным, а значения величин для извлечения можно получить из графиков для погружения путем умножения ординат на коэффициент относительной деформации Ко.
График зависимости крутящего момента от половины угла заострения наконечника при изменении радиуса его основания (рис. 2.12) имеет четко выраженный экстремум. Видно, что минимум крутящего момента приходится на угол 45. При небольшом радиусе изменение угла заострения не сильно сказывается на величине момента, с увеличением радиуса до 0,1365 м изменение угла заострения на 5 от оптимального влечет изменение момента на 3%. График зависимости вертикальной силы от половины угла заострения имеет похожий вид, но с минимумом силы при угле заострения 30. При увеличении радиуса изменение угла заострения влияет на силу чуть сильнее, чем на момент.
Рекомендуется принимать угол заострения равным 90, т.к. работа крутящего момента при погружении наконечника гораздо больше работы вертикальной силы (при радиусе 0,1365 м работа момента равна 148 кДж, работа силы - 34 кДж) (см рис. 2.22). Эти графики при изменении коэффициента общей деформации (рис. 2.14, 2.15) имеют аналогичный вид. М„ кНм
С, а) крутящий момент; б) вертикапьная сила Графики зависимости крутящего момента и вертикальной силы от угла подъема винтовой линии наконечника (рис. 2.13), а также башмака (рис. 2.16) при изменении его радиуса показывают соотношение между этими видами силовых воздействий на элемент. Нулевой угол подъема соответствует нулевому шагу лопасти; это означает невозможность погружения рабочего органа в грунт, а только проворачивание его на месте. В соответствии с этим, при нулевом угле имеется какой-то конечный момент, а сила также равна нулю. Условный угол подъема 90 означает, что рабочий орган просто залавливается в грунт вертикальной силой без действия момента. Это видно на графиках - сила принимает определенное значение, момент равен нулю. Причем чем больше угол подъема, тем меньшая требуется величина момента и тем большая величина вертикальной силы. Чем больше радиус, тем сильнее влияет изменение угла подъема на изменение величины усилий.
Графики зависимости крутящего момента и вертикальной силы от угла раскрытия лопасти при изменении ее радиуса (рис. 2.18) имеют достаточно плавный вид. Это показывает, что при небольших радиусах лопасти угол ее раскрытия до 20 слабо влияет на величины момента и вертикальной силы (изменяются на 20% при изменении угла раскрытия на 10). При больших радиусах это влияние существенно увеличивается, причем тем больше, чем больше угол.
Графики зависимости крутящего момента и вертикальной силы от угла подъема винтовой линии лопасти при изменении ее радиуса (рис. 2.19) имеют определенное значение момента и нулевую вертикальную силу при нулевом угле подъема. Это было пояснено выше. Стремление величин к бесконечности при угле, стремящемся к 90, объясняется тем, что при таком угле невозможно обеспечить шаг винта лопасти, и, соответственно, длина винтовой линии лопасти будет бесконечной, а, значит, и усилия па ней также бесконечны.
Конструкция навесного оборудования и технология устройства винтонабивных свай
В качестве примера рассмотрим вариант устройства винтонабивных свай глубиной 8 м, диаметром ствола 0,325 м и диаметром сваи 0,8 м, соору-женных в глинистом грунте полутвердой консистенции с С 1=2900 кН/м и С2=45300 кН/м3, углом внутреннего трения 22, показателем д=1 и коэффициентом трения грунта по стали 0,4.
Принимается угол заострения конусного наконечника 2/3=90. Число витков лопасти п принимается равным 1,25. Назначается ширина раскрытия лопасти Ь=5 см. Для предварительного подбора принимается угол подъема винтовой линии лопасти у=10.
Коэффициент ослабления давления на обсадную трубу в случае использования коэффициента упругой деформации для определения радиуса обсадной трубы не вычисляется, т.к. давление указанное давление равно нулю.
Для расчетов принимается коэффициент трения грунта по стали f=0.4, т.к. величина его меньше, чем величина коэффициента трения грунта по грунту (tg22=0.404) и коэффициент трения несхватившегося бетона по стали fi=0.3. Высота столба бетонной смеси Нб принимается равной 1,25 м.
Навесное оборудование предназначено для устройства винтонабивных свай в песчаных и пылевато-глинистых грунтах. Основными частями навесного оборудования являются рабочий орган и механизм его погружения и извлечения.
Рабочий орган представляет собой обсадную трубу 4 и 7 с башмаком 2 в нижней части, имеющим на своей боковой поверхности винтовую лопасть 3, закрытым снизу теряемым конусным наконечником 1 (рис.4.2). При погружении на рабочий орган передается крутящий момент и вертикальная вдавливающая сила. Путем вращения с поступательным перемещением рабочий орган внедряется в грунт, образуя скважину характерной винтовой формы. Рабочий орган имеет несколько секций, количество которых различно в зависимости от необходимой глубины заложения сваи. Необходимость разделения на секции обусловлена невозможностью погружения сразу на проектную глубину всего рабочего органа, т.к. предполагается, что при данных конструктивных параметрах глубина заложения свайных элементов может достигнуть 18-20 м. Первая (рабочая) секция имеет на конце винтовой башмак с наконечником, остальные являются трубами, особым образом стыкующимися с рабочей секцией. Для закрепления трех степеней свободы, получаемых при завинчивании и вывинчивании рабочего органа, применяются следующие элементы стыка: для восприятия крутящего момента используются зубчатые вырезы в рабочей и последующих секциях; для предотвращения поперечного смещения секций в процессе погружения и извлечения - трубчатых хомут 5, привариваемый к низу каждой секции; для восприятия выдергивающих усилий при извлечении — определенное количество заглушек 6, вставляемых в специальные отверстия в обсадной трубе в месте стыка. Этими мерами обеспечивается геометрическая неизменяемость системы в процессе всего цикла изготовления скважины.
Погружающий механизм состоит из вращателя и гидроцилиндров, обеспечивающих вертикальную подачу рабочего органа. При изготовлении скважины первая секция рабочего органа заводится снизу в трубу вращателя, последующие при достижении верхом секции поверхности грунта опускаются сверху в отверстие в трубе вращателя, а затем стыкуются с предыдущей секцией. Регулируя крутящий момент вращателя и давление в гидроцилиндрах, необходимо добиваться погружения рабочего органа за один оборот на величину шага лопасти, величины момента и силы при этом назначаются предварительным расчетом для определенных глубин погружения, учитывая изменение грунтовых условий с глубиной.
Коробка отбора мощности с помощью карданного вала соединена с раздаточной коробкой. Посредством карданного вала раздаточная коробка соединена с коробкой передач. В коробке передач имеется механизм включения и выключения насоса для питания гидродомкратов аутригеров и гидроцилиндров механизма подъема рабочего органа и насоса для привода гидромотора подачи вращателя. В зависимости от характера работы, в коробке передач может включаться одна из двух линий: линия завинчивания и линия вывинчивания. От коробки передач с помощью карданного вала крутящий момент передается коническому редуктору, установленному на основании трубы рабочего органа.
