Введение к работе
Актуальность темы исследования. При возведении зданий и сооружений промышленного, гражданского и жилищного назначения на долю устройства фундаментов приходится 7-15% сметной стоимости и 15-20% затрат труда и времени. Поэтому одной из важнейших задач строительной отрасли является поиск надежных и экономичных конструкций фундаментов и рациональных способов их устройства. Тенденции к увеличению нагрузок на основания и сто-хаспгческий характер расггространения, залегания и строительных свойств грунтов требуют создания и внедрения новых прогрессивных технологий и высокопроизводительных машин и механизмов, отвечающих требованиям инду-стриальности, экономичности и надежности.
В практике фундаментостроения все большее распространение получают способы подготовки оснований и устройства фундаментов на набивных сваях (методом уплотнения грунтового массива), которые изготавливаются в пробитых скважинах или вытрамбованных котлованах. Свайные фундаменты на уплотненном основании обладают всеми преимуществами набивных свай: применение в процессе их устройства дешевого товарйого бетона, возможность рационального армирования из условий действия только эксплуатационных нагрузок, отсутствие срубки головных частей недопогруженных свай, а по несущей способности на 1м3 материала они близки к забивным сваям, так как работают е уплотненном грунте. Например, применение свайных фундамеїгтов на уплотнегагом основашги вместо традициошшх конструкций фундаментов на естественном основании и из забивных свай на строительных площадках Казахстана и Узбекистана позволило сократить на 40-60% сметную стоимость работ нулевого цикла, на 35-70% - расход бетона, на 40-50% - арматуры, на 70-90% - объем земляных работ, на - 30-60% - трудовые затраты. Несмотря на явные преимущества опыт стротгельства показывает, что внедряются эти фундаменты недостаточно интенсивно. Существующее положение объясняется тем, что отечественной промышленностью серийно не выпускаются рабочее оборудование устройства уплотненных оснований, а создаваемые самостоятельно строительными организациями образцы машин изготавливаются без достаточного обоснования основных параметров их рабочих органов, что не обеспечивает при погружении требуемую степень уплотнения грунтов. В результате нарушается технология возведения свайных фундаментов на уплотненном основании и, как следствие, возведенные фундаменты не соответствуют проектным требованиям строительных объектов.
Наряду с проблемой создания it совершенствования рабочих органов для вытрамбовывания котлованов и пробивки скважин, актуачьной задачей является определение области эффективного их прігменешш в широком диапазоне физико-механических свойств уплотняемых грунтов строительных площадок. Все это обусловливает необходимость подробного изучения вопросов создают научно-обоснованной инженерной методики выбора и расчета параметров рабочих органов, основанной на закономерностях взаимодействия системы
«грунтовой массив - фундамент строительного объекта - рабочий орган для устройства уплотненных оснований свайных фундаментов». Решение такой задачи в рамках существукшоїх теорий взаимодействия рабочего органа с грунтом не возможно, так как, в частности, вопросы погружения и извлечения рабочих органов с различной геометрией в плотные грунты с учетом параметров лидирующих скважин изучены еще не достаточно подробно. Существующие методики по расчету их параметров и выбору схем производства работ не в полной мере отражают особенности устройства свайных фундаментов на уплотненном основании при возведении строительных объектов. Кроме этого отсутствуют рекомендации по производству работ навесным оборудовашієм в различных грунтовых условиях и соответствующие строительные нормативы в фундаментостроешш. Отмеченное подтверждает актуальность этих проблем, а недостаточность теоретической и практической проработки вопросов механизации работ по устройству свайных фундаментов обусловили необходимость данного научного исследования, охватывающего все этапы создания рабочих органов для Еытрамбовывания котлованов и пробивки скважин, отработку технологии ведения работ и получение необходимых данных для определения рациональной области их применения. Исследования выполнены в соответствии с ішучно-исследовательскон темой «Методологические основы конструнровашія пневматических ручных машин ударного действия и разработка типоразмерно-го ряда машин для строігтельства», № государственной регистрации 01990001587, выполненной в рамках научного направления Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета «Создаше эффективных средств механизации и автоматизации технологических процессов в строительстве (1997-2000г.гл.
Целью работы является научное обоснование методов расчета и создание рабочих органов ударного действия для вытрамбовывания котлованов и пробивок скважин под свайные фундаменты на уплотненном основании.
Идея работы заключается в достижении требуемой степешг уплотнения грунтов вытрамбовыванием котлованов и пробивкой скважин рабочими органами при погружении их в предварительно пробуренные лидирующие скважины.
Задачи исследования:
выявление логических взаимосвязей между элементами в наиболее распространенных конструкциях рабочего оборудования для устройства оснований свайных фундаментов и сведение их в структурную схему;
установление закономерностей силового взаимодействия с грунтом при погружении сбрасываемых и забивных рабочих органов и извлечении их из вытрамбованных котлованов и пробитых скважин;
определение рациональных параметров лидирующих скважин, применительно к рабочим органам для устройства уплотненных оснований свайных фундаментов;
создание новых рабочих органов для вытрамбовывания котлованов и пробивки скважин, испытание и внедрение в производство опытных образцов оборудования.
Методы исследования. В работе применены: анализ и научное обобщение существующего опыта, расчетно-аналитические методы, математическое моделирование рабочих процессов навесного оборудования, экспериментальные исследования и экономико-технологический анализ эффективности их применения на строительном объекте.
Основные научные положения, защищаемые автором:
при вытрамбовывании котлованов и пробивке скважин пирамидальными рабочими органами увеличение числа боковых граней ог 3 до б при условіш равенства площадей поперечного сечения позволяет без увеличения энергоемкости процесса увеличить в 1,6 раза глубину погружения рабочего органа в грунт за один удар;
условию минимальной энергоемкости процесса образования скважин и котлованов соответствует рабочий орган пирамидальной формы с рациональным! значениями углов: наконечника р=30 ; корпуса а=0,6...2,1 и раструба Y=14...30;
увеличение радиуса лидирующей скважины при неизменной геометрии пирамидаттьного рабочею органа вызывает снижение сил сопротивления его внедрению по параболическому закону со степенным показателем, характеризующим процесс изменения физико-механических свойств грунта, а силы сопротивления извлечению рабочего органа изменяются линейно;
рационачъные соотношения между параметрами пирамидального рабочего органа и лидирующей скважины, полученные из условия обеспечения плотности грунта купл >0,95, обеспечивают уменьшение сил сопротивления по-гружяшю, извлечению и ход отрыва рабочих органов, соответственно, в 1,8; 1,7 и 1,5 раза, а зона смещений частиц грунта ограничивается 2...4 диаметрами вписанной окружности поперечного сечения рабочего органа,
методика инженерного расчета параметров лидирующих скважіш, ос-нованлая па рациональном соотношении геометрических параметров рабочего органа и лидагругощей скважины, обеспечивает с учетом физико-механических свойств грунта требуемую его плотность в процессе пробивки скважіш и вытрамбовывания котлованов.
Достоверность положений, изложенных в работе, подтверждена экспериментальными исследованиями, выполненными на стендах и рабочем оборудо-Еашш в производственных условиях, использованием апробированных результатов научных исследований отечественных и зарубежных ученых в области фундаментостроегася, практическим опытом применения выдвинутых научных лоложешш в работе строительных организаций н высокой эффективностью применения навесного оборудования при вытрамбовывашш котлованов и про-бігвке скважіш.
Научная новизна работы заключается в следующем:
выявлены и представлены в виде структурной схемы взаимосвязи между физико-механическими свойствами грунтовых сред, технологическими требованиями при устройстве уплотненных оснований свайных фундаментов, техническими параметрами рабочего оборудования, позволяющие установить особенности рабочего процесса при вытрамбовывании котлованов и пробивке скважин;
установлена степень влияния параметров лидирующих скважин на ве-личгагу сил сопротивлешія внедрению и извлечению пирамидального рабочего органа с наконечником, корпусом и раструбом, положенная в основу метода определения силовых характеристик;
определены основные параметры пирамидальных рабочих органов ударного действия, обеспечивающие требуемую степень уплотнешш грунта при условии минимальной энергоемкости процесса вытрамбовывания котлована и пробивки скважины;
получены аналитические зависимости по определению рациональных параметров лидирующих скважин применительно к рабочим органам ударного действия с различной геометрией и учитывающие физико-механические свойства уплотняемых грунтовых сред.
Личный вклад автора заключается в формулировке идеи и цели работы, в выполнении теоретических и экспериментальных исследований, анализе их результатов, разработке методик выбора и расчета параметров рабочих органов ударного действия, создании новых конструкций машин и оборудования для вытрамбовывания котлованов и пробивки скважин под набивные сваи и участии в их производственных испытаниях и внедрении.
Практическая ценность. Полученные аналитические закономерности, инженерная методика, алгоритм и программы выбора и расчета параметров рабочих органов ударного действия позволили создать эффективные оборудование для вытрамбовываши котлованов и пробивки скважин, сформировать их типоразмерные ряды. Разработаны строительные нормы по механгоации устройства коїпгческих набивных свай с использованием навесного оборудования УКС и проектированию технологии производства работ.
Реализация работы в промышленности. Пракпгческие рекомендации и выводы, полученные на основании результатов исследований, используются на практике АООТ «Союзспецфундаментстрой» и АОЗТ «Стройкою) (Республіпса Казахстан); ТПО «Узстроймеханизация» (Республика Узбекистан) при разработке нормативно-технической документации и использовании рабочего оборудования для устройства уплотненных оснований свайных фундаментов. Опытные партии и образцы установок и навесного оборудовашш для вытрамбовывания котлованов и пробивки скважин внедрены в промышленное, гражданское и жилищное строительство, обеспечивая рациональное использование строительных материалов, низкую себестоимость фундаментов и высокую эксплуатационную надежность. Эксплуатация машин и оборудовашш проводилась
при строительстве промышленных и гражданских объектов ТПО «Узстройме-хагапация», корпуса производства ПАН-нити второй очереди завода химического волокна в г. Кустапае, корпуса медсаігчасти в г. Темиртау, на строительных площадках г. Караганды, г. Чимкента, г. Лениногорска, поселках Кульсары и Тенгиз Гурьевской области. Всего внедрено в производство 40 образцов установок и навесного оборудования. В результате применения средств механизации было сэкономлено 644 т арматурной стали, 4410 т цемента, 9500 м3 сборного железобетона и 426,7 тыс. усл. ед. при сокращении объемов производства земляных работ и уменьшешш трудовых затрат в процессе подготовки уплотненных оснований и при возведении свайных фундаментов на различных строительных объектах.
Апробация работы. Результаты исследования докладывались на 2-м Всесоюзном координационном совещании-семинаре «Механизированная безотходная технология возведения свайных фундаментов из свай заводской готовности» (Владивосток, 1988), на республиканской научно-технической конференции ((Технический прогресс в проектировании промышленных предприятий. Организация управления проектным процессом» (Караганда, 1989), на республиканской научно-технической конференции «Новая техника и технология при производстве строительных и открытых горных работ в районах Сибири и Севера» (Красноярск, 1990), на республиканском научно-практическом совещании «Теоретические и технологические аспекты создания и применения силовых импульсных систем» (Караганда, 1990), на Всесоюзном координационном совещанші-семинаре «Механизированная безотходная технология возведения свайных фундаментов (Владивосток, 1991), на Международном семинаре-совещании «Новые методы строительства в сложных грунтовых и сейсмических условиях» (Ташкент, 1995), на 1-й Казахстанской национальной геотехнической конференции с иностранным участием «Проблемы фундаментострое-ния в грунтовых условиях новой столицы» (Акмола, 1997), на Международной научной конференции «Научно-технический прогресс - основа развития рыночной экономики» (Караганда, 1997), на Ученом Совете Казахстанской на-ционачьной геотехнической ассоциации (Темиртау, 1999), на научно-техническом совещании АООТ «Карагандагиго» (Караганда, 2000), ); на научно-техническом совещании ОАО «ПСО Карагандастрой» (Караганда, 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликована одна монография, 2 пре-принта, 24 статьи и получено 16 авторских свидетельств на изобретения.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы, приложений, изложенных на 291 странице машинописного текста, и содержит 121 рисунок, 19 таблиц, список литературы из 191 наименования и 6 приложений на б5страиицах.
