Введение к работе
Актуальность темы. При выполнении работ, связанных со строительством новых и реконструкции существующих зданий, а также при усилении фундаментов памятников архитектуры и других сооружений значительную долю составляют работы по устройству свайных полей, производство которых происходит в сложных геологических условиях. В современном строительстве существуют и используются различные технологии изготовления свайных фундаментов, такие как забивка свай, погружение свай статическим усилием, сооружение буронабивных свай с креплением стенок скважин от оплывания и обрушения глинистым раствором или обсадными трубами, изготовление свай по технологии вытеснения (уплотнения).
Существующие методы устройства свайных оснований способны решить необходимые задачи, поставленные проектными организациями, но почти во всех случаях встречаются условия, ограничивающие или запрещающие применение известных технологий, например, наличие в непосредственной близости к строительной площадке зданий, являющихся памятниками архитектуры или наличие инженерных сооружений, исключающих воздействие динамических нагрузок.
Наличие таких условий накладывает ограничения на применимость ряда существующих технологий производства свайных работ. В связи с этим, в последнее время все более широкое применение находит способ сооружения фундаментов с помощью буронабивных свай. Однако этот способ является весьма трудоемким и дорогостоящим из-за необходимости применения специальных машин для бурения скважин под защитой обсадных труб, исключающих обрушение их стенок при бетонировании.
Поэтому поиск новых технических решений, исключающих применение обсадных труб, позволяющих временно закреплять стенки для производства бетонных работ при сооружении буронабивных свай, является важной актуальной задачей. Применение новых технических решений определяет необходимость проведения комплексных исследований, направленных на выявление рациональных параметров нового вида рабочих органов и режимов их работы.
Диссертационная работа выполнена в рамках научной программы 10.В «Разработка научных основ рабочих процессов, конструирования, эффективных технологий перевозок, обеспечения надежности и безопасности АТС строительных и дорожных машин», утвержденной приказом ректора СГТУ №67-П от 09.02.2000 г., по госбюджетной программе кафедры «Строительные и дорожные машины» 10.В.03. «Создать эффективные средства механизации строительных и дорожных работ» и в соответствии с темой НИР по проекту № ГР 01200902714 СГТУ.1.16.09. «Разработка научных основ взаимодействия рабочих органов строительных машин с деформируемой средой» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)».
Цель работы – снижение трудоемкости и повышение производительности работ по устройству буронабивных свай за счет укрепления стенок скважин в водонасыщенных грунтах.
Идея работы – создание укрепленной стенки скважины посредством внедрения материала-наполнителя сферическим рабочим органом в водонасыщенный слой грунта.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Провести анализ существующего оборудования и технологий для устройства свайных фундаментов, а также оборудования для проходки скважин в грунтах методом уплотнения.
2. Разработать математическую модель процесса взаимодействия раскатывающего рабочего органа с грунтовой средой.
3. Определить зависимости геометрических и режимных параметров сферического рабочего органа от заданного диаметра скважины и физико-механических свойств грунта.
4. Провести оценку достоверности результатов аналитических исследований экспериментальным путем.
5. Разработать методику расчета и выбора параметров раскатывающего рабочего органа в зависимости от грунтовых условий.
Объектом исследования является процесс формирования укрепленной стенки скважины в водонасыщенных грунтах под воздействием рабочего органа.
Методы исследований. В работе применен комплекс апробированных методов исследований, включающий математическое моделирование процесса взаимодействия рабочего органа с грунтом, интегральное исчисление, современные программные вычислительные средства, методы планирования и статистическая обработка результатов экспериментов.
Достоверность основных научных положений и выводов диссертационной работы основывается на применении комплекса современных методов исследований, включая: анализ и научное обобщение выполненных к настоящему времени исследований по рассматриваемому вопросу; интегральное и дифференциальное исчисления; применение современных вычислительных методов; подтверждение аналитических выводов достаточным объемом экспериментальных данных и удовлетворительной сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований (расхождение не превышает 8%).
На защиту выносятся:
- математическая модель процесса взаимодействия раскатывающего рабочего органа с грунтовой средой;
- установленные зависимости и результаты аналитических исследований;
- результаты экспериментальных исследований, направленные на подтверждение результатов, полученных аналитическим путем;
- методика выбора конструктивных и режимных параметров оборудования для укрепления стенок скважин в водонасыщенных грунтах.
Научная новизна исследований заключается:
- в разработке математической модели процесса взаимодействия сферического рабочего органа с грунтовой средой, описывающей согласованную работу сферического рабочего органа, шнекового питателя и винтового наконечника;
- в определении рациональных геометрических и режимных параметров рабочего органа при взаимодействии его с грунтовой средой, таких как угол наклона полусфер относительно вертикальной оси, частоты вращения рабочего органа, скорость его подачи относительно вертикальной оси;
- в определении зависимости силовых параметров оборудования для осуществления процесса формирования скважины сферическим рабочим органом от диаметра скважины и физико-механических свойств грунта.
Практическая значимость работы заключается:
- в создании опытных образцов рабочего органа для укрепления стенок скважин при различных режимах работы;
- в разработке рекомендаций и методики расчета параметров рабочего оборудования и режимов его работы, позволяющих снизить трудоемкость и повысить производительность работ по устройству буронабивных свай за счет укрепления стенок скважин в водонасыщенных грунтах;
- в создании экспериментального стенда для проведения учебных и научно-исследовательских работ и дальнейшего развития научных исследований по тематике.
Реализация результатов работы:
- результаты научной работы в виде опытного образца оборудования для укрепления стенок скважин в водонасыщенных грунтах переданы в организацию ЗАО «Геотехника-С» для опытной эксплуатации;
- методика определения основных параметров оборудования для устройства скважин в водонасыщенных грунтах, конструктивные решения переданы в ОАО «Саратовский научно-производственный центр «РОСДОРТЕХ»» для создания оборудования для укрепления стенок скважин в водонасыщенных грунтах;
- результаты научных исследований в виде методики определения основных параметров оборудования используются в учебном процессе при выполнении курсового и дипломного проектирования студентами специальности 190205 – «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на: Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Программа У.М.Н.И.К.) г. Саратов, 2009 г.; Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы техники и технологии» (Программа У.М.Н.И.К.) г. Шахты Ростовской обл., 2007 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 1 работа в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы. Структура и последовательность изложения результатов диссертационной работы определены целью и задачами исследования. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и общих выводов. Работа изложена на 111 страницах, содержит 3 таблицы и 50 рисунков, 5 приложений на 19 страницах. Список использованной литературы включает 91 наименование.
