авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Обоснование структуры и рациональных параметров вибрационно-радиального снаряда для уплотнения стенок вертикальных скважин под буронабивные сваи

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ГУБАТЕНКО Марк Сергеевич

Обоснование структуры и рациональных параметров вибрационно-радиального снаряда для уплотнения стенок вертикальных скважин под

буронабивные сваи

05.05.04 – Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Орел - 2011

Работа выполнена в Балаковском институте техники, технологии и управления (филиал) ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

на кафедре «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кобзев Анатолий Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ешуткин Дмитрий Никитович

кандидат технических наук, доцент

Сероштан Владимир Иванович

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Защита диссертации состоится «27» октября 2011 г. в 1400 на заседании диссертационного совета ДМ.212.182.07 при Государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет – учебно-научно-производственный комплекс» по адресу: 302030, г. Орел, ул. Московская, д. 77, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Государственный университет – учебно-научно-производственный комплекс».

Отзывы на автореферат просим направлять в диссертационный совет по адресу: 302020, г. Орел, ул. Наугорское шоссе д. 29.

Автореферат разослан и опубликован на сайте www.ostu.ru «__» 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета: Севостьянов А.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Возведение высотных зданий сопряжено со строительством свайных фундаментов. Их стоимость входит весомой составляющей в общие затраты на строительство. С учетом того, что погружение свай ударным способом в условиях плотной городской застройки недопустимо из-за динамических воздействий на фундамент близлежащих зданий, наиболее распространенными в последние годы являются буронабивные сваи. Их стоимость составляет до 40% от общей стоимости всего сооружения. Поэтому одной из актуальных задач является снижение стоимости работ по строительству фундаментов на буронабивных сваях. Это может быть достигнуто увеличением их несущей способности за счет уплотнения стенок скважин. Поэтому разработка снаряда для уплотнения стенок скважин после бурения является актуальной задачей, позволяющей значительно снизить затраты на строительство высотных сооружений.

Цель работы – повышение несущей способности буронабивных свай и снижение затрат на строительство свайных фундаментов за счет уплотнения стенок скважин вибрационно-радиальным снарядом.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

1. Обосновать выбор рациональной формы поперечного сечения скважины для буронабивных свай и соответствующих этой форме геометрических профилей уплотняющих сегментов вибрационно-радиального снаряда из условия увеличения импульса силового воздействия.

2. Разработать теорию процесса взаимодействия вибрационно-радиального снаряда с грунтом, позволяющую получить наибольший импульс воздействия снаряда на грунт и учитывающую влияние физико-механических свойств грунтов и минимальное усилие проходки скважины.

3. Провести экспериментальные исследования по проверке функциональной работоспособности предложенной конструкции и оценке достоверности теоретических положений определения частоты собственных колебаний грунта, а также по выбору рациональных режимных параметров вибрационно-радиального снаряда.

4. Разработать на основании теории размерностей и подобия зависимости для перехода от параметров модели к параметрам натурного образца.

5. Обобщить результаты теоретических и экспериментальных исследований с разработкой инженерной методики расчета параметров вибрационно-радиального снаряда и оценить эффективность его применения.

Объект исследования вибрационно-радиальный снаряд для уплотнения стенок вертикальных скважин под буронабивные сваи.

Предмет исследования – процесс взаимодействия уплотняющих сегментов с грунтом при уплотнении боковой поверхности скважин.

Методы исследования. Задачи диссертационного исследования решены на основе методов математического моделирования процесса уплотнения стенок вертикальных скважин, численного анализа параметров снаряда, планирования многофакторного эксперимента при поиске оптимальных условий проходки скважины, математической статистики при обработке экспериментальных данных.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается применением современных апробированных методов исследования, численным анализом полученных результатов с использованием ЭВМ и программных продуктов для выполнения расчетов и обработки результатов экспериментальных данных; удовлетворительной сходимостью результатов теоретического и экспериментального исследований.

Научная новизна

- Математическая модель взаимодействия вибрационно-радиального снаряда с различными типами грунтов при различных режимах работы.

- Параметры и конструкция вибрационно-радиального снаряда для уплотнения стенок вертикальных скважин, защищенная патентом РФ на изобретение № 2410518.

- Режимы работы уплотняющего снаряда в зависимости от типа грунтов.

- Методика инженерного расчета параметров снаряда, обеспечивающих уплотнение стенок скважин с максимальной эффективностью.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

1. Обоснование выбора рациональной формы поперечного сечения скважины для буронабивных свай.

2. Закономерность изменения усилия проходки вибрационно-радиального снаряда в зависимости от амплитуды и частоты его колебаний, массы дебалансов вибратора и физико-механических свойств грунта, подтвержденные результатами экспериментальных исследований.

3. Обоснование выбора рациональных параметров уплотняющего вибрационно-радиального снаряда.

4. Методика расчета рациональных конструктивных и режимных параметров вибрационно-радиального снаряда.

Практическая значимость работы заключается в разработанной методике расчёта конструктивных и режимных параметров вибрационно-радиального снаряда, обеспечивающего увеличение несущей способности буронабивных свай за счет предложенной формы поперечного сечения и уплотнения стенок скважины, что позволяет получить значительный эффект при строительстве свайных фундаментов.

Реализация результатов работы. На ЗАО “Научно-производственная фирма «Авангард-Ф»”, г. Саратов, внедрена методика расчёта конструктивных и режимных параметров вибрационно-радиального снаряда для уплотнения стенок вертикальных скважин, проведено апробирование снаряда.

Результаты диссертационной работы используются также в учебном процессе при изучении дисциплин «Строительные и дорожные машины», «Коммунальные машины и оборудование», в дипломном и курсовом проектировании при подготовке инженеров по специальности «Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».

Апробация работы. Диссертационная работа заслушивалась на заседании кафедры «Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ в 2007-2011 г. Основные результаты исследований докладывались на научно-практической конференции молодых ученых, (Балаково, 2010), научной конференции «Проблемы прочности, надежности, и эффективности», (Балаково, 2007) и IX Всероссийской с международным участием научной-технической конференции «Механики – XXI веку» (Братск, БрТУ, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них 2 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. На конструкцию устройства для уплотнения стенок вертикальных скважин получен патент РФ на изобретение № 2410518.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 112 наименований, приложения. Общий объём диссертации составляет 141 страницу, в том числе 57 рисунков и 7 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель, приведена общая характеристика работы с формулировкой ее научной новизны и практической значимости.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса, который позволил сделать следующие выводы. При бурении скважины под буронабивные сваи давление массива грунта на стенки скважины равно нулю, кроме того при упрочнении бетона происходит его усадка, поэтому для увеличения несущей способности сваи по боковой поверхности необходимо уплотнение стенок скважины. Наибольший эффект уплотнения достигается при динамическом воздействии на грунт, что может быть получено вибрационным воздействием снаряда в радиальном направлении.

По результатам проведенного анализа существующих устройств для уплотнения и расширения стенок вертикальных скважин предложена конструкция вибрационно-радиального снаряда, на которую получен патент РФ на изобретение № 2410518.

На основании проведенного анализа состояния вопроса были сформулированы задачи исследования, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

Во второй главе проведены теоретические исследования, сформулирована и обоснована рабочая гипотеза, суть которой заключается в увеличении несущей способности висячей сваи за счет уплотнения стенок и увеличения периметра скважины.

Согласно СНиП 2.02.03-85 несущая способность висячей сваи Fd, обеспечивается сопротивлением грунта через ее пяту и сопротивлением трения грунта по боковой поверхности:

(1)

где: – коэффициент условий работы сваи в грунте;

– расчетное сопротивление грунта деформации под нижней опорой сваи, кПа;

– площадь поперечного сечения сваи, м2;

– периметр поперечного сечения сваи, м;

– расчетное сопротивление i-го слоя грунта по боковой поверхности сваи, кПа;

– толщина i-го слоя грунта, соприкасающегося с боковой поверхностью сваи, м, принимаемая м;

, – коэффициенты условий работы грунта под нижней опорой и по боковой поверхности сваи, учитывающие влияние способа изготовления сваи.

Анализ данной формулы показывает, что несущая способность висячих свай при одинаковой глубине их погружения в одинаковых грунтовых условиях зависит от двух факторов: площади поперечного сечения сваи, Aсв и периметра поперечного сечения сваи, u. При выборе формы поперечного сечения скважины согласно теории уплотнения принимались только овальные формы, позволяющие сформировать скелет грунта, который затем прорабатывается вибрационно-радиальным снарядом до требуемой плотности.

Для анализа влияния периметра скважин при постоянной площади поперечного сечения рассмотрено 6 профилей, для которых согласно зависимости (1) получены значения несущей способности. На основании этих значений и конструктивного исполнения предложенного в работе снаряда рекомендована форма 6 (рис. 1), обладающая достаточно большой несущей способностью и реализуемая конструктивно с помощью предложенного снаряда.

При уплотнении стенок вертикальных скважин вибрационно-радиальным снарядом возможны два режима его работы:

1) дорезонансный режим, когда частота вынужденных колебаний близка к частоте собственных колебаний грунта (рис. 2);

2) зарезонансный режим, когда частота вынужденных колебаний больше частоты собственных колебаний грунта (рис. 3).

Рис. 1. График зависимости несущей способности сваи Fd, [H] от периметра поперечного сечения сваи u, [м] при постоянной площади поперечного сечения сваи Асв, [м2]

 Расчетная модель взаимодействия-11

Рис. 2. Расчетная модель взаимодействия вибрационно-радиального снаряда со средой при дорезонансном режиме работы

Согласно принципу Даламбера и из полученных дифференциальных уравнений движения снаряда определены значения основных параметров снаряда. Рассматривалась двухмассная модель: масса снаряда и масса дебаланса.

Амплитуда A и фазовый угол колебаний вибрационно-радиального снаряда:

(2)

(3)

где: m ­­­­­– масса колеблющейся системы, кг;

– сила инерции дебаланса, Н;

– угловая частота вынужденных колебаний, рад/с;

–частота собственных колебаний, рад/с;

– коэффициент демпфирования (затухания) колебаний.

Очевидно, что режим работы вибрационно-радиального снаряда для уплотнения стенок вертикальных скважин будет определяться его амплитудой колебаний. На амплитуду колебаний снаряда значительное влияние оказывает фазовый угол колебаний.

Зависимость амплитуды колебаний вибрационно-радиального снаряда от фазового угла колебаний получается подстановкой (3) в (2):

(4)

где: mд – масса дебалансов, кг;

rд ­­­­– эксцентриситет дебалансов, м.

Рис. 3. Расчетная модель взаимодействия вибрационно-радиального снаряда со средой при зарезонансном режиме работы

При значениях фазового угла близком к 90 градусам (рис.4), амплитуда колебаний достигает максимальных значений, что положительно влияет на процесс уплотнения стенок скважины и позволяет передать наибольший импульс массы колеблющихся частей снаряда грунту. Это говорит о том, что рациональным режимом работы вибрационно-радиального снаряда является близкий к резонансному.

На рис. 5 представлена виброграмма колебаний вибрационно-радиального снаряда, которая позволяет определить коэффициент демпфирования для песчаного и глинистого грунтов, необходимый для получения численных значений амплитуды и фазового угла колебаний, а также для решения дифференциальных уравнений движения снаряда.

 График зависимости амплитуды-19

Рис. 4. График зависимости амплитуды колебаний вибрационно-радиального снаряда от фазового угла колебаний в диапазоне от 0 до радиан

Рис. 5. Виброграмма колебаний вибрационно-радиального снаряда

Зависимость коэффициента демпфирования от декремента затухания колебаний:

(5)

Зависимость (5) позволила определить собственные частоты колебаний для песчаных (1410 мин-1) и глинистых (414 мин-1) грунтов.

Согласно моделям взаимодействия вибрационно-радиального снаряда со средой получены значения упругой Fc и вязкой Fb сил сопротивления грунта, а также момента двигателя Мдв для привода вибратора:

(6)

(7)

(8)

Усилие проходки вибрационно-радиального снаряда по скважине складывается из веса снаряда, сопротивления грунта сдвигу и требуемого усилия на уплотнение стенок скважины:

(9)

где: rвиб – радиальные напряжения в грунте при вибрации, Па;

fтр. – коэффициент трения грунта о сталь;

– угол раскрытия уплотняющих сегментов, град.;

с – сцепление грунта, Па;

Sвс – площадь контакта уплотняющих сегментов вибрационно-радиального снаряда с грунтом, м2;

Gвс – суммарный вес снаряда, Н;

d – диаметр получаемой скважины после проходки снарядом, м;

d0 – диаметр лидерной скважины, м.

Радиальные напряжения в грунте при вибрации:

(10)

где Nгр – равнодействующая вязкоупругого сопротивления грунта, Н.

Площадь контакта уплотняющих сегментов вибрационно-радиального снаряда с грунтом:

(11)

где l – длина уплотняющих сегментов снаряда.

Равнодействующая вязкоупругого сопротивления грунта:

(12)

Полученные зависимости (2)-(12) необходимы для определения режимных параметров вибрационно-радиального снаряда.

В результате усилие проходки вибрационно-радиального снаряда зависит от конструктивных и режимных параметров снаряда, а также физико-механических свойств грунтов. Зависимость усилия проходки от угла раскрытия уплотняющих сегментов снаряда приведена на рис. 6.

 Зависимость усилия проходки от угла-29

Рис. 6. Зависимость усилия проходки от угла раскрытия уплотняющих сегментов вибрационно-радиального снаряда

Анализ зависимости усилия проходки снаряда от угла раскрытия уплотняющих сегментов показывает, что рациональным диапазоном изменения угла раскрытия уплотняющих сегментов является диапазон от 0 до 40 градусов. В этом диапазоне изменения угла раскрытия уплотняющих сегментов усилие проходки меняется незначительно.

В третьей главе представлена методика и результаты экспериментальных исследований, определены параметры, изменяемые и контролируемые в ходе эксперимента, приведена методика выбора параметров вибрационно-радиального снаряда.

Целью экспериментальных исследований являлось подтверждение теории взаимодействия вибрационно-радиального снаряда с грунтом и обоснование амплитудно-частотных параметров снаряда, обеспечивающих минимальное усилие проходки при уплотнении стенок скважин в зависимости от свойств грунта.

Для проведения экспериментальных исследований предложена конструкция снаряда (пат. № 2410518 РФ). Схема экспериментального стенда представлена на рис. 7, вибрационно-радиальный снаряд – на рис. 8, общий вид экспериментального стенда – на рис. 9.

Рис. 7. Схема экспериментального стенда



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.