В статье представлены сведения о структурной схеме построения обобщенной модели комплекта навесного оборудования для уплотнения грунтов вдавливанием, его конструкция, последовательность выбора и расчета основных параметров. В соответствии с условием минимальной энергоемкости процесса уплотнения рациональные конструктивные параметры навесного оборудования определялись на основании параметров забивных рабочих органов натурных размеров, применяемых в условиях военного и гражданского строительства с учетом физико-механических свойств уплотняемых грунтов.

This article describes a structural diagram of constructing the generalized model of the complete set of the hinged equipment for soil compaction. The design of the equipment, choice sequence and key parameters calculations are presented. In line with the condition of minimum energy consumption process of soil compaction, the rational design parameters of the hinged equipment were determined on the basis of the parameters of the full-scale driving working tools used under conditions of military and civil construction taking into account physical and mechanical properties of the compacted soil.

ВВЕДЕНИЕ

Реализация технологии локального уплотнения в строительной отрасли подразумевает достижение заданной степени уплотнения грунта в процессе взаимодействия рабочего органа строительной машины и грунта. Анализ влияния составляющих технологии на конечный результат является сложной научно-практической задачей [1–3]. Для научно обоснованного учета всех факторов и раскрытия конечных целей проводимого исследования указанная проблема рассматривается как единая техническая система на основе применения положений системного подхода с целью обеспечения требуемой плотности грунта в зоне погружения элементов комплекта рабочих органов навесного оборудования. На рис. 1 показана обобщенная модель навесного оборудования.

Рис. 1. Структурная схема построения обобщенной модели навесного оборудования

При исследовании навесного оборудования, как сложного объекта, и определении рациональных функциональных и параметрических требований к элементам его конструкции также необходимо учитывать:

– внешние факторы, обусловливающие связь предмета исследования с внешней средой и другими ее подсистемами;

– современные тенденции разработки новых и совершенствования существующих сменных рабочих органов (РО) к базовым машинам.

Выбор окончательного конструктивного решения осуществляется на основе экономико-технологического обоснования эффективности применения навесного оборудования на строительном объекте. В результате выполненного обзора аналитических и экспериментальных исследований, анализа современного состояния механизации и технологии производства работ установлены необходимость и актуальность совершенствования навесного оборудования по уплотнению грунтов в процессе формования выемок комплектом РО навесного оборудования.

В ходе теоретических исследований был проанализирован процесс взаимодействия комплекта РО навесного оборудования с грунтом при формовании уплотненной выемки штампом, основанием и пуансоном, а также определены рациональные конструктивные и режимные параметры навесного оборудования. Результаты теоретических исследований были использованы при разработке конструкции навесного оборудования, расчетная схема которого представлена на рис. 2 [4]. Комплект РО навесного оборудования включает: базовую машину-носитель 1; направляющую мачту 2; комплект рабочего оборудования 3, обеспечивающего уплотнение грунта ударным погружением молота штампа 4, и вдавливанием основания 6 и пуансона 7 гидросиловым устройством 5.

1 – базовая машина-носитель; 2 – направляющая мачта; 3 – погружающее оборудование; 4 – штамп; 5 – гидросиловое устройство; 6 – основание; 7 – пуансон

Рис. 2. Расчетная схема вдавливания комплекта рабочих органов навесного оборудования

Суммарную силу вдавливания F_ВД основания и пуансона гидросиловым устройством в грунт определяли из уравнения

(1)

где G_БМ, G_НМ, G_ПО, G_ШТ, G_ОСП – соответственно вес базовой машины, направляющей мачты, погружающего оборудования, РО (штампа), основания и пуансона, Н;

l_БМ, l_НМ, l_ВД – соответственно расстояние до точек горизонтальной проекции сил, обусловленных массой базовой машины и навесного оборудования, а также суммарной силы вдавливания основания и пуансона в грунт гидросиловым устройством, м.

На рис. 3 представлена расчетная схема сил взаимодействия РО, основания и пуансона навесного оборудования с грунтом.

1 – упор; 2 – рабочий орган; 3 – гидроцилиндр; 4 – направляющая стойка;

5 – подвижная траверса; 6 – основание; 7 – пуансон

Рис. 3. Расчетная схема сил взаимодействия комплекта рабочих органов навесного оборудования с грунтом

При извлечении РО из грунта возникают значительные силы сопротивления, зависящие от:

– физико-механических свойств грунта: угла внутреннего трения j, деформации поперечного сечения скважины x, плотности грунта до уплотнения r₀, коэффициента уплотнения грунта К_УП;

– параметров РО: массы m_ШТ, высоты корпуса Н_К, углов наклона апофем граней корпуса a к оси РО;

– параметров гидропривода базовой машины: давления Р_Н, расхода Q_Н гидронасоса и объема рабочей жидкости V_Б в гидросистеме управления;

– конструктивных особенностей гидросилового устройства: усилий вдавливания F_ВД и извлечения F_ИЗ, скорости извлечения u_ИЗ, хода отрыва h_ИЗ штампа, длины L_ОСН и ширины В_ОСН основания, диаметра D_П и высоты Н_П пуансона, угла наклона его боковой поверхности bк оси РО (см. рис. 3).

В процессе взаимодействия подвижной траверсы гидросилового устройства с РО в отформованной выемке под влиянием сил упругости грунта возникают: сила сопротивления F^К₁, нормальная к боковой поверхности корпуса, и соответствующая сила трения F^К₂, действующая по боковой поверхности РО.

Общее усилие извлечения РО из грунта определяется из условия статического равновесия сил системы «рабочий орган – грунт» и равно сумме сил сопротивления R_å, обусловленной нормальной реакцией грунта на боковую поверхность и весом РО G_ШТ. На основании изложенного сила извлечения РО из грунта определяется выражением

(2)

где F^К₁ – сила, нормальная к боковой поверхности корпуса, Н;

j – угол внутреннего трения грунта, град;

a – угол наклона апофемы грани корпуса к оси РО, град;

G_ШТ – то же, что в формуле (1).

При реализации этого усилия в процессе извлечения основание опирается на дневную поверхность и уплотняет грунт вокруг устья скважины с формованием выемки пуансоном. Высота пуансона определяется с учетом коэффициента относительной деформации уплотняемого грунта по формуле согласно [5]

(3)

где К₀ – коэффициент относительной деформации уплотняемого грунта;

S_ШТ – площадь поперечного сечения РО, м²;

N – число граней РО.

Диаметр пуансона D_П вычисляется по формуле

(4)

где D_ЗВ – диаметр зоны выпора грунта при погружении РО, м;

D_от.осн – диаметр отверстия основания, м;

К_упл – коэффициент уплотнения грунта;

r₀, r₁ – соответственно плотность грунта до и после уплотнения основанием-пуансоном, кг/м³.

Пуансон, установленный коаксиально оси РО, имеет угол наклона bбоковой поверхности в соответствии с условием

(5)

где b – угол наклона боковой поверхности пуансона к оси РО, град;

j – то же, что в формуле (2).

Напряжение в грунте, возникающее в результате воздействия на него через основание и пуансон гидросиловым устройством, определяется выражением

(6)

где Р₁, Р₂ – соответственно давление в поршневой и штоковой полостях гидроцилиндра, Н/м²;

D, d – соответственно диаметр цилиндра и штока гидроцилиндра, м;

h_М – механический КПД гидроцилиндра;

D_П, D_от.осн – то же, что в формуле (4).

Давление рабочей жидкости в гидросистеме в процессе извлечения РО из отформованной выемки гидросиловым устройством определяется выражением

(7)

где а – длина стороны правильного N-угольника, лежащего в основании наконечника РО, м;

Н_К – высота корпуса РО, м;

C₁ – коэффициент общей деформации грунта, Н/м³;

S_ПОР – площадь поперечного сечения поршня гидроцилиндра гидросилового устройства, м²;

k– коэффициент, зависящий от формы поперечного сечения РО:

– для многоугольника при N = 3 k= 1,591; при N= 4 k= 0,764; при N= 5 k = 0,524; при N = 6 k= 0,405;

– для круга k = 0,066.

На основании ранее выполненных авторами исследований для уплотняемых грунтов тугопластичной консистенции с углом внутреннего трения jв диапазоне от 14^о до 22^о были приняты следующие интервалы [2]:

– коэффициент общей деформации C₁ грунта – от 1,1×10⁶ до 2,9×10⁶ Н/м³;

– коэффициента относительной деформации К₀ – от 0,026 до 0,064.

Поперечное сечение рабочего органа имело вид правильного N-угольника или круга. Высота корпуса рабочего органа изменялась от 3 до 6 м.Площадь основания S_ОСН навесного оборудования изменялась от 0,277 до 0,831 м².

В соответствии с условием минимальной энергоемкости процесса извлечения штампа c поперечным сечением в виде правильного многоугольника с числом граней N = 3–6 и в виде круга из грунта установлено следующее:

– в гидросистеме базовой машины-носителя для обеспечения необходимого усилия извлечения РО, например, из грунта с j= 14^о, в соответствии с рис. 4 давление рабочей жидкости с увеличением угла a от 0^о до 18^о для N = 3 возрастает в 3,14 раза, а для N = 6 – в 2,58 раза;

– для грунта с коэффициентом общей деформации C₁ от 1,1×10⁶ до 2,9×10⁶ Н/м³ в соответствии с рис. 5 с увеличением площади поперечного сечения РО в 2 раза высота пуансона увеличивается в 2,46 раза;

– для грунта с коэффициентом общей деформации C₁ от 1,1×10⁶ до 2,9×10⁶ Н/м³ в соответствии с рис. 6 с изменением числа граней поперечного сечения рабочего органа N от 3 до 6 площадь поперечного сечения пуансона увеличивается в 1,33 раза;

– для грунтов при изменении их коэффициентов общей деформации C₁ от 1,1×10⁶ до 2,9×10⁶ Н/м³ минимальные значения величины работы извлечения РО находятся в диапазоне углов апофем граней от 0,6^о до 3,1^о;

– для грунтов с коэффициентом общей деформации C₁ от 1,1×10⁶ до 2,9×10⁶ Н/м³ в диапазоне изменения углов a апофем граней РО от 0^о до 5^о в соответствии с рис. 7 площадь основания увеличивается для Н_К = 3 м в 4,92 раза и для Н_К = 6 м – в 8,22 раза.

Рациональные конструктивные параметры навесного оборудования определялись на основании параметров забивных РО натурных размеров, применяемых в условиях военного и гражданского строительства с учетом физико-механических свойств уплотняемых грунтов. Проведенный анализ позволил выявить закономерности изменения параметров комплекта РО навесного оборудования с учетом обеспечения коэффициента уплотнения грунта К_упл³ 0,95 в отформованной выемке.

С целью получения данных, позволяющих выполнить качественную и количественную проверку ранее полученных аналитических зависимостей, а также для подтверждения правомерности предлагаемых конструкторских решений осуществлены экспериментальные исследования. Была разработана методика их проведения, выполнено описание стендов, оборудования и измерительной аппаратуры.

Основной объем стендовых экспериментальных исследований проводился на моделях РО навесного оборудования. Были выполнены замеры давления рабочей жидкости в гидроприводе, перемещения при погружении и извлечении моделей основания и пуансона и моделей РО пирамидальной и круглой форм с площадью поперечного сечения от 0,01 до 0,03 м² и длиной 1,00 м. Также в процессе испытаний контролировалась плотность поверхностного слоя грунта в отформованной выемке.

Результаты экспериментальных исследований, выполненные на моделях, проверялись в производственных условиях на извлекающем оборудовании натурных размеров с площадью рабочей поверхности пуансона от 0,182 до 0,243 м² и забивных РО с площадью поперечного сечения от 0,045 до 0,152 м². Так, в соответствии с рис. 8, при извлечении РО из грунта с изменением числа граней N от 3 до 6 и круга при условии равенства их площадей поперечного сечения ход отрыва увеличивается в среднем в 1,1 раза.

- - - - – аналитическая; ?- -? – экспериментальная

Рис. 8. Зависимость хода отрыва корпуса РО h_ИЗ от числа граней N и различных площадей его поперечного сечения

При выполнении экспериментов установлено, что в процессе ударного погружения РО в зависимости от типа грунта площадь зоны нарушенной дневной поверхности грунта в 1,2–1,6 раза превышает площадь его поперечного сечения. Выполненными комплексными стендовыми и натурными исследованиями установлено, что при извлечении РО одновременно осуществляется доуплотнение основанием дневной поверхности отформованной выемки, а усилия извлечения с пуансоном в среднем в 1,16 раза меньше, чем без него.

В ходе исследований было установлено, что экспериментальные данные превышают значения теоретических расчетов в среднем не более чем на 24 %, что является приемлемым для практики строительного производства.

На основе полученных теоретических и экспериментальных данных была разработана инженерная методика расчета параметров комплекта РО для уплотнения грунтов. Инженерная методика позволила в соответствии с поставленной задачей разработать новую конструкцию навесного оборудования для уплотнения грунта с формованием выемок под набивные сваи. На экспериментальном заводе АООТ «Союзспецфундаментстрой» (г. Караганда, Казахстан) был изготовлен экспериментальный образец навесного оборудования (рис 9, 10), учитывающий конструктивные особенности и техническую характеристику базовой машины-носителя крана РДК-25, на базе которого был смонтирован сваебойный копер КСБ-12.

Ожидаемый технико-экономический эффект от применения данного навесного оборудования заключается в повышении на 26,6 % несущей способности набивной сваи на уплотненном основании, формируемом комплектом рабочих органов, что в свою очередь обеспечивает сокращение расхода строительных материалов: арматуры – на 12,0 %, бетона – на 23,0 %.

ВЫВОДЫ

1 В результате выполненных поиска и анализа существующих технологий локального уплотнения грунта обоснована актуальность механизации уплотнения грунтов оснований путем образования в них отформованных выемок погружными рабочими органами с последующим их извлечением специализированным оборудованием.

2 На основе системного подхода выявлены функциональные связи в технической системе «рабочий орган – основание – пуансон – грунт», обоснована необходимость создания новой конструкции навесного оборудования, позволяющего устранить выпучивание грунта с одновременным обеспечением требуемой степени его уплотнения, а также формованием требуемой выемки с учетом технологии производства работ, физико-механических свойств грунта и параметров рабочих органов.

3 Разработана математическая модель силового взаимодействия комплекта рабочего оборудования с грунтом, учитывающая геометрию основания, пуансона и рабочего органа и условия обеспечения коэффициента уплотнения грунта К_упл³ 0,95 на основе аналитических зависимостей для определения параметров процесса формования выемок вдавливанием пуансона.

4 Из условия минимизации энергоемкости процесса формования выемки получены аналитические зависимости, позволяющие достичь требуемой степени уплотнения грунта комплектом рабочего органа при условии превышения площади основания в 1,44–1,96 раза над площадью поперечного сечения рабочего органа.

5 Установлены зависимости влияния геометрии рабочего органа на параметры пуансона и основания:

– при увеличении числа граней поперечного сечения рабочего органа от 3 до 6 площадь пуансона увеличивается в 1,33 раза;

– при увеличении площади поперечного сечения рабочего органа в 2 раза высота пуансона увеличивается в 2,46 раза;

– в диапазоне изменения углов апофем граней рабочего органа от 0^о до 5^о площадь основания увеличивается: для H= 3 м – в 4,92 раза, для H= 6 м – в 8,22 раза.

6 Экспериментальными исследованиями установлено, что с изменением числа граней N поперечного сечения рабочего органа от 3 до 6 и круга при условии равенства их площадей поперечного сечения его ход отрыва увеличивается в среднем в 1,1 раза. Разработанная инженерная методика выбора и расчета рациональных параметров комплекта рабочего органа позволила создать и испытать образец навесного оборудования УКС-7 на базе сваебойного копра КСБ-12 по уплотнению грунтов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абраменков, Э. А. Средства механизации для подготовки оснований и устройства фундаментов / Э. А. Абраменков, В. В. Грузин. – Новосибирск: Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет, 1999. – 215 с.

2. Грузин, А. В. Грунтовые среды в условиях статического и динамического нагружения / А. В. Грузин, В. В. Грузин, Э. А. Абраменков. – Омск: Издательство «ОмГТУ», 2009. – 140 с.

3. Грузин, А. В. Извлечение рабочих органов в технологиях изготовления скважин под фундаменты на уплотненном основании: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.23.08. – Новосибирск: НГАСУ, 2002. – 26 с.

4. Патент на изобретение № 15034. Способ сооружения в грунте скважин под набивные сваи для свайных фундамента и устройство для его осуществления. В. В. Грузин [и др.]. – Алматы, РГКП НИИС РК. Опубл. 15.11.2004. Бюл. № 11.

5. Абраменков, Д. Э. Технология и механизация подготовки оснований и устройства свайных фундаментов: монография / Д. Э. Абраменков, А. В. Грузин, В. В. Грузин, Л. В. Нуждин; под общ. ред. В. В. Грузина. – Караганда: Болашак-Баспа, 2002. – 264 с.