4.09.2017

Преобразование грунтовых оснований путем армирования, дренирования и предварительного нагружения

Считается, что изыскатели мало знакомы с тем, как результаты их работы используются впоследствии проектировщиками, например, при выборе типа фундамента будущего сооружения. А ведь принимаемые проектные решения напрямую зависят, в том числе, от грунта, которым сложена строительная площадка. В данной статье изложены варианты локального упрочнения оснований преимущественно в слабых грунтах посредством их армирования композитными элементами фундаментов (КЭФ) стержнями, сетками, лентами, полотнищами; объемного упрочнения оснований поверхностным нагружением штампами (трамбовками), внутренним нагружением напрягаемыми монолитными сваями или раздуваемыми тороидными катками (ТРК) с одновременной активизацией дренирования/ консолидации оснований вертикальными дренами.

 

Игорь Гольдфельд

Технический консультант МАФ/IAFC (г. Москва), к.т.н., ст.н.с.

igoris36@gmail.com

 

Увеличение в России высоты, заглубления и нагрузок гражданских и промышленных объектов, становление рынков недвижимости и землепользования диктуют необходимость строить в любых сложных инженерно-геологических условиях. Потребностью нулевого цикла строительства стало регулируемое преобразование природных грунтов подобно остальным строительным материалам.

На среднепрочные или слабые (намывные, пылевато-песчаные, заторфованные, обводненные) грунтовые основания обычно воздействуют временными статическими или ударными нагрузками; активную зону оснований «прошивают» жесткими изделиями (нагелями, шпунтом, сваями); горизонтальные перемещения грунтов под фундаментами ограничивают контурными обоймами или химически закрепленными зонами исходного грунта [1].

Временные нагрузки вызывают частичные осадки основания до возведения объекта, чем исключают (уменьшают) их возможные значения в процессе эксплуатации. Одновременно выполняется близкое к натуре испытание основания. «Прошивка» активной зоны основания жесткими изделиями снижает его осадки за счет повышения внутреннего трения грунта и восприятия изделиями части напряжений по опасным направлениям. Характерные примеры таких решений – нагельные крепления склонов и откосов, свайные поля из сборных или монолитных железобетонных свай. Контурные обоймы в слабых или длительно консолидирующихся грунтах препятствуют их выдавливанию от центра фундамента на периферию. Известны насыпные основания вертикальных наземных и заглубленных резервуаров с обоймой из рядов свай и плитные фундаменты высотных зданий с контурной «юбкой». Для облегчения «подштопки» контактного слоя основания под оседающими нефтяными резервуарами используют обойму из сплошного шпунта (секущих свай) в верхней части основания.

Последние 30 лет отмечены активным использованием в земляных сооружениях (склонах, дорогах, дамбах, террасах, спортплощадках) скрепляющей арматуры из композитных материалов – пластиков, стеклотканей, нержавеющей стали, однородных и многослойных тканей минерального и/или органического состава [9-11]. Они образуют обширную номенклатуру композитных элементов фундаментов (КЭФ): армирующие сетки и пространственные каркасы, технотканевые ленты и рукава для обсадок, пленочные полотнища выстилок и завес, ячеистые (сотовые) барьеры склонов и откосов, улавливающие экологические фильтры и технологические носители электричества, тепла, холода, влаги [12].

Объемное армирование грунтов КЭФ-элементами обеспечивает восприятие основаниями напряжений по заданным направлениям и в то же время исключает ослабление грунтов из-за повышения уровня воды за преградой («барражного» эффекта) [2-8]. Расчеты армирования грунтов КЭФ-элементами можно свести к нескольким базовым положениям [5-7].

Армирование грунтовых оснований предпочтительно для слабопрочных, сильносжимаемых или структурно-неустойчивых грунтов, а также для передачи на обычные грунты больших статических и неблагоприятных динамических нагрузок. Армируют верхний (защитный) слой склонов и откосов, контактную поверхность оснований столбчатых и щелевых фундаментов, активную зону оснований «площадных» фундаментов в виде плит и контурных обойм, карты искусственных (намытых, насыпных) массивов и конусы отходов. Арматуру располагают в один или два ряда в защитном слое и по контакту; многорядно – в активной зоне под фундаментом, за подпорной стенкой и в грунтовых подушках. Объемное армирование для снижения осадок массивов выполняют в сочетании с активным дренированием для ускорения консолидации. В качестве армирующих элементов используют вертикальные и наклонные сборные и монолитные сваи, технотканевые полосы и полотнища, ленточные дрены из «нетканки», грунтонабивные сваи и др.

Расчетные схемы армирования грунтов учитывают слоистость основания, прочность и жесткость армирующей прослойки, возможность проскальзывания арматуры по грунту. Армированная прослойка повышает жесткость основания в целом, но снижает распределительную способность (мембранный эффект) прослойки и ведет к концентрации напряжений на контакте со слабым подстилающим слоем. Армопрослойки с жесткими (короткими или большого диаметра) стержнями рассчитывают по схеме балки на упругом основании, армопрослойки с арматурой из синтетических сеток, лент, рукавов – по схеме гибкой нити. Тип арматуры прослойки предопределяется углом α распределения внутри засыпки напряжений от внешней нагрузки относительно горизонтали: для жестких стержней, каркасов и плит α = 45°, для металлических и полимерных сеток α = 40°, для геотекстильных лент и рукавов α =30 - 35°, для пленочных полотнищ α = 20 - 25°.

Конструктивные приемы сводятся к увеличению диаметров отдельных стержней и всоставе сеток, толщины полотнищ и лент барьеров по сравнению с расчетными значениями, учитывая возможные коррозию, разрывы, истирание в процессе перевозки, монтажа и эксплуатации. Предпочтительна арматура с негладкой и непрямой поверхностью: стержни и волокна периодического профиля или с регулярными утолщениями по длине, ленты и полотнища - шероховатые, перфорированные или с волнистой поверхностью. Наименьший диаметр стальной арматуры 12 мм, размеры сеточных ячеек не должны превышать 5 диаметров стержней в мелких грунтах и 10 - 15 диаметров в крупнообломочных. Расстояние первого ряда арматуры от подошвы фундамента не должно превышать 0,2 м, между рядами арматуры – 1/5 ширины фундамента; концы арматуры заходят на 0,2 - 0,3 м за конус распределения внешней нагрузки. Тонкие малопрочные сетки, ленты и полотнища во избежание проскальзывания слоев укладывают не более, чем в 2 - 3 слоя. Стыки элементов полотнищ должны быть равнопрочны и равнопроницаемы основному материалу. Они выполняются сшивкой, склеиванием, на сварке и соединением по месту полозковыми элементами. При двух и более слоях стыки выполняют по слоям в разбежку с шагом не менее 0,5м.

Рекомендуются такие сочетания грунтов оснований и армирующих изделий:

- крупнообломочные грунты армируют металлическими стержневыми сетками, перфорированными полосами и металлизированными лентами;

- песчаные и песчано-гравийные грунты армируют жесткими металлическими и синтетическими мелкоячеистыми изделиями;

- глинистые грунты со структурной прочностью армируют иглопробивным геотекстилем или синтетическими сетками с шероховатой поверхностью;

- просадочные и суффозионные грунты "армируют" химическим закреплением зон, устройством замещающих грунтовых подушек, грунтонабивных свай и т.д.

Засыпками для грунтовых подушек и свай служат крупнообломочные и песчаные грунты плотные и средней плотности (коэффициент пористости е 0,7), глинистые грунты полутвердой и тугопластичной консистенции (показатель текучести 0 IL 0,5), неагрессивные металлургические шлаки.

Для фундаментов на слабых природных грунтах характерны большие длительные осадки и малая устойчивость. При больших толщах в качестве фундаментов используют сваи, прорезающие всю толщу и опирающиеся острием на прочный слой. При отсутствии такого слоя применяют грунтовые сваи и подушки, песчаные дрены и геотканевые ленты; в просадочных грунтах под фундаменты вытрамбовывают котлованы или уплотняют массив сверхтяжелыми трамбовками.

Сваи при всей надежности являются дорогостоящим решением по материалам и трудозатратам. Песчаные подушки и грунтовые сваи часто не выдерживают испытания временем, ослабляются при подтоплении, прокладке инженерных коммуникаций, реконструкции нулевого цикла. Преобразование слабых и структурно-неустойчивых грунтов направленным армированием позволяет экономично изменять прочностные и деформативные свойства массивов, использовать их в качестве ответственных земляных конструкций и оснований тяжелых сооружений. «Прошивная» арматура из геосинтетиков выполняет при этом как прочностные, так и защитно-дренирующие функции: вода из нагруженного сжатием массива стремится через пористые геосинтетики выйти на поверхность, где организованно отводится дренажом. Геосинтетики подобно обсыпкам дрен отфильтровывают пылевато-глинистые взвеси, не кольматируются сами и предохраняют массив от выноса грунта водой.

 

Альтернативные варианты преобразования оснований

В статье предлагаются новые альтернативные варианты преобразования естественных оснований:

«пригрузка» («прошивка») грунта монолитными элементами с преднапряженной арматурой вместо забивных или монолитных элементов с каркасно-стержневым армированием;

образование полостей мягким тороидным катком (ТРК) в монолитных элементах и грунтовом основании для всесторонней пригрузки массива;

повышение прочности - жесткости активной зоны основания высотных объектов комплексным нагружением: внутри массива – напрягаемыми бетонными и грунтовыми элементами, по верху массива - заанкеренными штампами, дополненными активным дренажом.

Выработки для монолитных конструкций в слабых (сыпучих, оплывающих, трещиноватых) грунтах обсаживают до полного заполнения твердеющей смесью жесткими крепями. Затем крепи извлекают, а конструкция твердеет в течение 28 суток в естественном грунтовом массиве до набора проектной прочности. Например, крепи из стальных труб скважин для монолитных цилиндрических свай по мере подачи смеси извлекают методом ВПТ. Смесь уплотняют механическим трамбованием без контроля прочности по длине [13]. Изготовленные таким образом сваи мало трещиностойки к внецентренным и сейсмическим нагрузкам, их арматура не гарантирована от коррозии блуждающими токами и водой даже при нормативном защитном слое, в самом стволе сваи не исключены каверны.

По конструктивным соображениям размеры свай принимают такими, чтобы общая прочность ствола превосходила общее сопротивление сваи по грунту: это ведет к перерасходу материалов и трудозатрат. Кроме того, экономические преимущества монолитной технологии изготовления свай снижаются по сравнению со сборным вариантом из-за уменьшения контактных сопротивлений природного грунта по поверхности скважины при образовании ее способом бурении. Для устранения названных недостатков монолитные элементы предлагается предварительно напрягать.

Исходные положения способа – устройство выработки (при необходимости с обсадкой), закрепление на забое или по высоте ствола рабочей арматуры, заполнение выработки литой твердеющей смесью (раствором, бетоном, композитами), натяжение рабочей арматуры сразу после заполнения смесью всей или части выработки (или приобретения смесью доли проектной прочности). Основы данной технологии разработаны и опробованы в нашей стране в 1980 году [14], в том числе в производственных условиях в 1984 году [15].

Предварительное напряжение монолитных элементов нулевого цикла предлагается в широкой постановке для набивных свай, грунтовых анкеров, опускных колодцев, «стены в грунте», шахтных стволов и контурных обойм. Его можно распространить на столбчатые и плитные фундаменты, сваи-колонны, подземные трубы и футляры, а также наклонные элементы – подпорные стены, буросекущие и кустовые сваи.

Предварительное напряжение целесообразно использовать также для обжатия грунтовых свай и более кардинально – непосредственно грунтовых оснований, что позволит регулировать их поведение в процессе строительной подготовки и эксплуатации. Преднапряженные монолитные элементы и грунтовые основания особо полезны в сейсмических, оползневых и горных районах, при наличии знакопеременных и моментных нагрузок, в грунтах с агрессивными средами. Привычно преднапрягать сборные балки покрытий, шпалы железнодорожного пути, большеразмерные плиты дорог и мостов. В нулевом цикле используют натяжение корней анкеров из цемента и бетона за подпорными стенами, чтобы исключить податливость в грунте, особенно при наличии фасадной облицовки.

 

Технология

Способ предварительного напряжения монолитных конструкций с передачей нагрузки на литой бетон ранее ни применялся, тем более – для фундаментных элементов нулевого цикла. Технология предлагаемого способа на примере буронабивной сваи следующая (рис.1а).

 

Рис. 1. Преднапряженная монолитная бетонная свая ростверкового фундамента: а) с низким ростверком; б) с высоким ростверком; с) с нагнетанием бетона под пяту сваи

 

На забое пробуренной скважины (1) устанавливают упор (2) с заанкеренной в нем продольной рабочей арматурой (3). Затем заполняют скважину литой твердеющей смесью (бетоном) (4), уплотняют смесь виброформованием и на поверхности уложенного бетона размещают дополнительный упор (5) со сквозным каналом (6). Через канал пропускают рабочую арматуру (3), сразу после бетонирования или набора бетоном определенной прочности натягивают арматуру, создавая напряжения сжатия в поперечных сечениях ствола сваи. При этом происходит бочкообразное увеличение площади сечений по длине сваи (8) и создается боковое давление от сваи на стенки скважины, ведущее к повышению сопротивлений грунта по боковой поверхности сваи и к упрочнению окружающего массива. Тем самым набивная свая приближается к забивной по удельной несущей способности на единицу объема сваи (Н/м3) и по эффекту создания уплотненной зоны в грунте.

Повышение бокового сопротивления грунта обусловлено также «креплением» его цементным молоком, выжимаемым из тела сваи. Дополнительный эффект предварительного напряжения – ускорение твердения бетона (гидратация) вследствие повышения жесткости бетона при выжимании цементного молока.

При высоком ростверке (рис. 1б, сам ростверк не показан) в устье скважины на высоту до низа проектируемого ростверка устанавливают инвентарный воротник (9), который после предварительного натяжения арматуры и твердения бетона снимают. В зависимости от консистенции бетона, значения и времени предварительного натяжения-отпуска арматуры, вида, состояния и напластования грунтов вдоль тела сваи под нижним упором (2) может образовываться полость (7) (рис. 1а, б). Она вызовет дополнительные осадки сваи, исключив из работы пяту. В таком случае под нижний упор по трубке (10, 11) (рис. 1в) нагнетают торкрет–раствор и обеспечивают предельное заполнение полости (7). Работа пяты сваи будет надежнее, если раствор будет затворен на расширяющемся при твердении цементе. Преднапряжение монолитных элементов исключает необходимость в многодельных каркасах, повышает однородность и трещиностойкость материала, снижает значения возможных осадок при эксплуатации.

Общий расчет и проектирование преднапряженного армирования ведутся по правилам для железобетонных преднапряженных конструкций [16]. Особенности возникают при учете бокового расширения ствола из литой или сыпучей смеси: они требуют исследования и нормирования внутреннего трения, коэффициента бокового давления, показателей плотности и упругости литых, частично затвердевших или сыпучих (для грунтовых свай) смесей. При этом следует использовать опытные технологические параметры – исходное и конечное значения натяжения арматуры, расстояния между упорами до и после натяжения, объем заполнителя на скважину в целом и под нижним упором.

Конкурентные преимущества способа преднапряжения монолитного фундаментного элемента можно резюмировать так:

экономия трудозатрат и арматуры по сравнению с ненапряженным аналогом;

повышение сопротивлений грунта по боковой поверхности и прочности несущего массива в целом;

повышение продольной устойчивости длинных свай-стоек в связи с исключением каверн, повышение трещиностойкости тела элемента и коррозионной стойкости арматуры;

ускорение изготовления за счет исключения армокаркаса и ускорения твердения тела элемента;

снижение осадок фундамента.

Для распространения способа необходимо разработать методику расчета с учетом особенностей технологии, запроектировать эталонные рабочие чертежи основных монолитных элементов (сваи, стены в грунте, подпорной стенки, подколонника столбчатого фундамента), отработать технологические приемы, исходя из комплектов оборудования, и провести опробование технологии 4 ... 5 разных элементов с проведением их натурных испытаний. На стадии статьи рекомендуются инженерные предпосылки проектирования предварительно напряженной сваи. Исходим из того, что при создании напряжения в арматуре с передачей усилий на литой бетон деформации ствола сваи по верху (в оголовке) и внизу (под острием) допустимо принять равными. Боковое расширение ствола будет симметричным середине длины сваи, осесимметричным в поперечном сечении и иметь в продольном сечении бочкообразную форму с круговой образующей. Объемы бетона до и после обжатия литой смеси одинаковы; повышением плотности бетона за счет отжатия влаги и снижения пористости пренебрегаем.

Ниже в тексте приведены основные формулы технологических параметров для расчета предварительного напряжения сваи, на рисунке 2 показана расчетная схема по принятым допущениям с образованием уширения ствола в самой опасной по длине зоне, а в таблице 1 отражены принятые средние параметры в момент натяжения арматуры и после набора бетоном сваи проектной прочности.

В процессе выполнения работ замеряют номинальный диаметр и длину скважины (do, lo), количество бетона на бетонирование (V), длину ствола между упорами (ho, h) и усилия в преднапряженной арматуре (Nн/o, Nн) – в момент натяжения и после твердения-стабилизации обжатия бетона.

Диаметр max сечения ствола после обжатия бетона: d =do v [0,5(3ho – h) / h], cм (1)

Max горизонтальное расширение ствола от оси сваи: f = 0,5 (d – do), cм (2)

Обжатие торцов оголовка и острия сваи: s = 0,5 (ho – h), cм                                       (3)

Средняя площадь поперечного сечения ствола: Fσ/ср = V/ h, cм2                      (4)

Модуль деформации литого бетона ствола внутри грунтовой обоймы:

Eσ = 0,5 (Nн/о + Nн )(hо + h) / (hо – h)( Fо + Fσ/ср ), МПа                                         (5)

 

Рис. 2. Расчетная схема предварительного напряжения сваи: 1 бетон; 2 арматура; 3 - упор

Площадь преднапряженной арматуры Fн, усилие предварительного натяжения Nн/о, а также размещение арматуры по сечению ствола сваи подбирают из условия недопущения в приведенном сечении бетона ствола растягивающих напряжений. Суммарная равнодействующая усилий в арматуре (напряженной и обычной) должна находиться в пределах ядра приведенного сечения.

Расчет площади приведенного сечения бетона учитывает его ослабление трубчатыми элементами, каналами и полостями, если их общая площадь превышает 3%. Продольная напрягаемая и ненапрягаемая арматура участвуют в расчете приведенного сечения, если их суммарная площадь составляет более 0,008 площади сечения бетона. В таблице 1 даны формулы приведения элементов сечения; аналогично по формулам (3, 4) определяют момент инерции Jб/п относительно центра тяжести Оσ/п .

Коэффициенты приведения ni (строки 1 и 2 таблицы 1) учитывают марки напрягаемой и ненапрягаемой арматуры, бетонов ствола и заполнителей. При расчете арматуры и усилий предварительного натяжения учитываются потери от релаксации напряжений в арматуре, температурных перепадов, усадки бетона и податливости грунта вокруг сваи.

Таблица 1. Принятые средние параметры в момент натяжения арматуры и после набора бетоном сваи проектной прочности

№ пп.

Характеристика элемента

Формула приведения

1

Коэффициент приведения арматуры

na = Еа / Еσ

2

Коэффициент приведения материала-заполнителя полости и трубок

nз = Ез / Еσ

3

Площадь приведенного сечения

Fσ/п = Fσ – Fпол + nз Fз+nа Fа + nн Fн

4

Статический момент площади приведенного сечения относительно растянутой грани

Sσ/п = Sσ – Sпол + nз Sз + nаSа +nнS

5

Положение центра тяжести приведенного сечения от растянутой грани

у = Sб/п / Fб/п

Быстровозводимой конструкцией композитных элементов фундаментов (КЭФ), так и универсальным строительно-монтажным приспособлением является тороидный каток (ТРК) [17]. Например, ТРК можно использовать в качестве анкера для крепления склонов и откосов, инвентарного упора при статических испытаниях грунтов штампами и сваями; катка - для прикатки изоляции, высушивания поверхности и сбора вредных проливов; домкрата - для подъема грузов, исправления кренов и раздвижки разрушенных элементов сооружений.

Использование ТРК облегчает бестраншейную прокладку магистральных трубопроводов и городских коммунальных сетей на слабых грунтах и под водой; формирование полостей в железобетонных конструкциях – сборных панелях стен и перекрытий, монолитных элементах фундаментов. Мягкие катки удобны для укатки рулонной изоляции подземных сооружений и пленочных выстилок водоемов со сложной формой поверхности, разрушения старых построек и массивов, уплотнения грунтовых оснований дорог и склонов земляных террас. В качестве примера остановимся подробнее на мягком тороидном катке, предлагаемым в качестве пустотообразователя в монолитных элементах нулевого цикла (в частности, набивных сваях) и при преобразовании армо- и свайно-грунтовых оснований.

Каток ТРК включает (рис.3) тороидной формы барабан (1) из гибкого материала, наполнитель (2) в полости барабана, клапаны (3) подачи-выпуска наполнителя, жесткий сердечник (4) по оси барабана и тягу (5) – бесконечную ленту вдоль его образующей.

 

Рис. 3. Конструкции цилиндрического, с сердечником и конического (справа-внизу) тороидов для барабана катка

 

Материал барабана (1) – непроницаемая для наполнителя конфекционная или композитная ткани (типа СВМ, «Кевлара», плотной резины), допускающие мойку и чистку скребком. Наполнитель (2) – воздух, вода, креозотовое масло, рапа (зимой) или глинистая суспензия с добавкой кругло-волокнистой металлофибры. Клапаны (3) – обратные, по возможности более плоские располагают внутри полости вдоль ее образующей в количестве не менее двух равномерно по длине.

Перемещается каток сердечником (4) или тягой (5) вручную и с помощью лебедки: поступательно вдоль оси ТРК – выворачиванием барабана-тороида, вращательно поперек оси – качением самого барабана. Таким образом, форма тороида обеспечивает перемещение пустотообразователя без трения по стенкам полости, исключает складки и разрывы при уплотнении грунтосклонов и укатке пленочной изоляции.

Хранится и перевозится ТРК в виде плоского сложенного рукава, на месте работ монтируется подачей в полость барабана (1) наполнителя (2), установкой сердечника 4 (тяги 5) и т.д. По завершении работ барабан моется снаружи со скребками и промывается внутри полости напорной струей воды.

Универсальные преимущества ТРК обусловлены гибким материалом барабана и его геометрической формой - тороидом. Топологически тороид родственен тору [18]: имеет одну полость, две равноплощадные (наружную и внутреннюю) поверхности, две связи, ориентированность и хроматический порядок. От сгиба, растяжения, перекручивания эти свойства тороида не меняются, и их полезно использовать для раскроя и конструирования изделия. Например, топологическое различие поверхностей – наружной (рабочей) и внутренней (полостной) позволяют делать каждую поверхность с иной фактурой и материалом: рабочую поверхность – рифленой, губчатой, металлизированной, сменной, с карманами; внутреннюю – из тонкой пленки, гладкой, непроницаемой для воздуха, коррозионностойкой к наполнителю.

Топологическая связность «два» говорит о возможности раскроя барабана ТРК из простейшей плоской ленты длиной А шириной В в два этапа: сначала ленту перегибают по ширине в плоско сложенный рукав, затем рукав перегибают по длине выворачиванием (подобно чулку), соединяя свободными концами в оболочку барабана. Для окончательного оформления барабана тороидную оболочку накачивают воздухом с минимальным избыточным давлением ро, не меньшим утроенной поверхностной плотности материала тороида.

Для расчета технологических параметров ТРК используют 4 характеристики барабана (рис. 3) – диаметр, длину, давление наполнителя и перегибную жесткость. В таблице 2 даны формулы для подсчета характеристик. Складчатость (kf) зависит от габаритов сердечника. Наибольшая складчатость теоретически составляет 50% площади заготовки барабана без сердечника; наименьшая (нулевая) - при использовании сердечника диаметром, равным диаметру барабана катка (D dc).

Коэффициент складчатости может быть выражен линейной зависимостью:

kf = 0,5 (1–dс / D)                                 (6)

 

Таблица 2. Формулы для подсчета характеристик барабана

Наименование характеристики

Формула вычисления

Площадь ленточной заготовки

Sl = A x B

Диаметр барабана

D = B / π

Рабочая длина ТРК

Lo = 0,5 [A – 0,5 (B – π dc)]

Общая длина -- « --

L = Lo + 0,5 (B / π – dc )

Площадь поверхности – « --

S = π ( D + dc ) [ Lo + 0,25π (D – dc ) ]

Площадь складок -- « --

Sf = Sl – S

Коэффициент складчатости

kf = Sf / Sl

Объем полости барабана

V = π (D2 – dc2 ) [8 Lo + π ( D – dc )] / 32

Давление в наполнителе

p = poVo/V, где Vo , V и po , p – начальные и конечные значения объемов и давлений в полости барабана катка

 

Усилия перемещения катка сердечником вдоль – выворачиванием и поперек – вращением зависят от складчатости, перегибной жесткости оболочки барабана и поверхностного трения пары «барабан – сердечник». «Перегибная» жесткость оболочки Еп формируется видом материала, габаритами сердечника и барабана и полостным давлением р. Она устанавливается опытным путем для каждого ТРК вместе с коэффициентом поверхностного трения пары «барабан – сердечник».

Примерные расчеты показывают, что предложенные решения снижают стоимость работ по сравнению с принятыми нынешней практикой до 30 – 45%. Каждое из решений может быть реализовано за 3 ... 5 месяцев путем разработки методики расчетов, проектирования рабочих чертежей и проведения опытных натурных работ.

Особенность кинематики продольного перемещения катка сердечником состоит в сложном поступательно-вращательном движении барабана и простом поступательном движении сердечника. При достаточном полостном давлении р наполнителя контур торцов барабана можно считать жестким, а проскальзывание поверхности барабана по стенкам полости – отсутствующим. Рассмотрим кинематику торца катка подробнее (рис. 4).

Поверхность барабана, контактирующая с сердечником, движется со скоростью движения сердечника и параллельно ему. Часть поверхности, которая вступила в контакт например с бетоном обсадки, имеет нулевую скорость. Из-за огибания торцов барабана ТРД отстает от сердечника.

 

Рис. 4. Кинематика перемещения барабана ТРК сердечником при образовании полости: 1 – барабан; 2 – сердечник; 3 – форма пути (циклоида) точки М; 4 – эпюра поступательных скоростей точек торцов барабана; 5- контур срединной линии полости

 

Кинематику оболочки по торцам барабана можно уподобить движению жесткого колеса, катящегося без скольжения по прямой. Любая точка торца, как и точка обода колеса, описывает при вращении вокруг поступательного подвижного центра путь в форме циклоиды [18].

Параметрическое задание циклоиды имеет вид:

X = r (α—sinα) , Y = r (1—cosα),                   (7)

где: r - половина высоты полости; α - центральный угол с началом отсчета от вертикали 0-0, в радианах.

Путь точки М по циклоиде составит: LM = 8 r sin2(1/4)α                                   (8)

Длина полуветви пути (изображена на рис. 4 поз. 3): LH2 M = 4r                      (9)

Радиус кривизны: Rk = 4r sin(1/2)α (в вершине RM = 4r)                         (10)

Период (базис) цикла: P=2πr                       (11)

Точка Омц касания барабаном стенки полости есть мгновенный центр вращения, так как скорость здесь Vмц = 0: точка одновременно принадлежит барабану ТРД и неподвижной поверхности полости. Векторы скоростей перемещения точек торцов барабана направлены перпендикулярно линиям, соединяющим эти точки с мгновенным центром Омц. Значения скоростей этих точек пропорциональны их расстояниям до мгновенного центра, т.е. Vм = Vс (сердечник), Vо = Vδ (барабан). Откуда следует: Vс/Vδ = 2                     (12)

Разница пути, пройденного при перемещении барабана сердечником, определяется через разницу их поступательных скоростей за время t:

ΔL = Lс – Lδ = (Vс – Vδ) t = 0,5 Vс t = 0,5 Lс            (13)

Таким образом, линейное отставание барабана от сердечника не зависит от габаритов взаимодействующих частей ТРК и всегда составляет половину пути сердечника. Этот результат ощутим физически, если представить скорость ТРК как скорость перемещения средней линии оболочки, промежуточную между скоростью сердечника (Vс) и скоростью неподвижной опорной поверхности бетона (V = 0). Полученный вывод подтверждается опытами на макетах и важен для проектирования оборудования и технологии работ с ТРК в качестве пустотообразователя. Расчетные усилия в оболочке барабана можно определять приближенно: в торцах тороидного барабана – по формулам для тора, в примыкающих участках – по формулам для цилиндра.

Основные требования к любому внедряемому новшеству – возможность использования прежних базовых технологии и оборудования, ускорение работ, экономия материалов, не ухудшение качества, соблюдение норм техники безопасности и стройэкологии. Рекомендуемый способ образования монолитных свай с помощью ТРК (рис. 5). предусматривает образование скважины, при необходимости – ее обсаживание крепью, установку каркаса (или нижнего упора с продольной арматурой – при напряженном варианте), опускание и фиксацию в сечении скважины ТРК (нескольких ТРК – при больших сечениях сваи), монтаж бункера – питателя с подающей трубой, бетонирование тела сваи методом ВПТ, извлечение крепи по мере бетонирования, демонтаж бункера и выкатывание ТРК сразу или после набора бетоном долевой прочности

Предлагаемая технология не требует кардинальной модернизации возведения обычных монолитных элементов, используя то же оборудование и набор работ. Дополнения сводятся к приобретению ТРК, натяжной станции, в некоторых случаях – перестановке бетонолитной трубы.

Давление наполнителя внутри ТРК не должны быть меньше бокового давления бетонной смеси (грунта) на глубине установки. Давление регулируется в зависимости от технологии возведения сваи: подачей-выпуском воздуха, подбором размера и длины сердечника, нагревом-охлаждением воздуха. На одном сердечнике и по сечению элемента допускается размещать несколько тороидов; форма полости может быть переменного сечения по длине.

Наличие полости позволяет проводить установку - натяжение рабочей арматуры и после твердения бетона. Полость может быть использована для решения последующих технологических задач – установки шумовых и радиационных датчиков, тепловых или холодильных устройств и пр.

Исходя из наличия сверхпрочных СВМ-технотканей с углепластиковой арматурой, выдерживающей на разрыв до 5000 МПа (что в 5 раз превышает прочность прядевых нитей стальных тросов), и реальных сечений ТРК (диаметры 0,07 - 2 м) наибольшее давление наполнителя может составить до 50 атм. Это позволяет образовывать полости в сваях длиной до 50 – 70 м и диаметром 0,5 – 3 м (например, на морских добычных платформах).

ТРК можно использовать для разрушения аварийных труб, подземных тоннелей, грунтовых массивов, расширения / крепления грунтовых выработок. Способ разрушения тороидом или усиления с его помощью аварийных конструкций отвечает всем требованиям модернизации в стесненных условиях: технология проста, технически безопасна и экологически предпочтительна (нет шума, пыли, вибрации).

Возможная область «созидательного» использования тороида – послойная укатка слоев и откосов искусственных земляных сооружений; санация смотровых колодцев инженерных сетей, протекающих подземных переходов и метро, коррозированных труб теплотрасс; «потерянная» опалубка для бетонирования прокольных футляров и подводных туннелей, протяжки под водой дюкеров большого диаметра.

Если ТРК используют для восстановления овальных большеразмерных подземных конструкций, он закатывается внутрь конструкции и заполняется литым твердеющим раствором, дисперсно-армированными фиброволокнами.

ТРК выгодно использовать для укатки рулонной гидроизоляции подземных объектов, пленочных выстилок склонов и водоемов. Их качество существенно зависит от непроницаемости стыков и отсутствия воздушных «мешков» под уложенным материалом. При наличии защемленного воздуха приклеенные материалы отрываются воздухом или водой, расширяющимися при изменении температур.

 

Рис. 5. Технологические схемы образования полостей в теле свай:

а) по периметру б) по оси сечения

1 – скважина; 2 – обсадка; 3 – бетонолитная труба; 4 – приемный бункер; 5 – тороид; 6 – бетон.

 

Серийные тяжёлые жесткие катки для названных целей неудобны: они не укатывают лотки и ендовы, вызывают разрывы материалов при разворотах. Если в двухслойную изоляцию или выстилку закачать воздух и залить тонким слоем воды 5...10 мм, то негерметичные стыки можно выявить по месту «пузырения».

 

Список литературы
1. Гинзбург Л.К. и др. Усиление фундаментов в слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтах / Ж-л «Основания, фундаменты и механика грунтов». Стройиздат, М., 6, 1995, 18-20 с.
2. Vidal H. La Terre Armee: Realisations recentes // Annales 1.T.B. T P, N259 – 260, 1969.-39 p.
3. Барвашов В.А., Перков Ю.Р., Федоровский В.Г. Расчет земляного полотна, армированного синтетическими тканями // Тр. «ГипроДорНИИ», М., 1975. - 39-43с.
4. Крутов В.И., Попсуенко И.К. Расчет армированных массивов лессовых грунтов //Тр. НИИОСП, вып. 70, Стройиздат, М., 1980. - 45-57 с.
5. Барвашов В.А., Воронель Д.А. Сооружения из армированного грунта (обзор) // ВНИИИС, М., 1984. – 68 c.
6. Джоунс К.Д. Сооружения из армированного грунта // Стройиздат, М., 1989-280 с.
7. Тимофеева Л.М. Армирование грунтов (теория и практика применения).// Пермь, ППИ, 1991. – 477 c.
8. Бизиман О. Б. Устройство сооружений из армированного грунта. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. // Минск, 1984. - 155с.
9 . Композиционные материалы (справочник).– Киев, Наукова Думка, 1985. - 592 c.
10. Материалы и изделия для строительства дорог (справочник под ред. Горелышева Н.В.) // Транспорт. – М. –1986.
11. Материалы для пневматических конструкций и инженерного имущества (каталог-справочник для служебного пользования)// ЦНИИТЭнефтехим. – М.-1990.
12. Гольдфельд И.З. Композитные элементы фундаментов и рукавно-торовые технологии их выполнения // Ж-л «Основания, фундаменты и механика грунтов». Стройиздат, М., № 5, 1997, 10-15 с.
13. Патент США № 2963869, кл.61-53, 1960.
14. Гольдфельд И.З., Гуща Ю.П. Авт. свидетельство СССР № 1118745 «Способ изготовления набивной сваи» // МКл. Е 02 D 5/34 (5/42), 1980.
15. Едунов Н.Ф., Гопштейн Л.С. Применение буронабивных свай, способных работать при знакопеременных нагрузках, вместо фундаментов и анкерных плит // «Энергетическое строительство», 1984, № 4.
16. СП 63.13330.2012 *»Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения» // НИИЖБ им. А.А. Гвоздева ОАО «НИЦ Строительство», М.
17. Гольдфельд И.З. Патент РФ № 2079596 " Каток " // БИ № 14. - М.– 1997.
18. Фрид Э. и др. Малая математическая энциклопедия // Изд-во Академии Наук Венгрии. - Будапешт, 1976.- 362-368 с.

 

Уважаемые читатели! Если у Вас после прочтения какой-либо статьи появилось желание высказаться по затронутой проблеме, Вы можете подготовить свою статью или развернутый комментарий и выслать его на электронный адрес info@geoinfo.ru. Наиболее интересные комментарии будут отбираться редакцией и публиковаться под указанной Вами в письме статьей. Если же Ваш материал превысит по объему 3-4 страницы, то мы с удовольствием опубликуем его как отдельную статью. Обращаем Ваше внимание, что все комментарии и статьи должны сопровождаться данными автора: имя и фамилия, должность и место работы, контактный e-mail.

© ООО «ГеоИнфо» 2016

Яндекс.Метрика

Пользовательское соглашение - оферта