ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА та АРХІТЕКТУРИ

ПРЯНИК Сергій Петрович

УДК 624 : 624.154 / 155

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ

УЛАШТУВАННЯ ПАЛЬ З РОЗШИРЕНОЮ П’ЯТОЮ

05.23.08 – технологія та організація промислового та цивільного

будівництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків-2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі промислового та цивільного будівництва в Черкаському державному технологічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | - кандидат технічних наук, професор Донченко Павло Архипович, професор, зав.кафедри промислового та цивільного будівництва Черкаського державного технологічного університету

Офіційні опоненти: | -доктор технічних наук, професор Дюженко Михайло Георгійович, професор кафедри механізації будівельних процесів Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури.

-кандидат технічних наук, доцент Осипов Олександр Федорович,

доцент кафедри технології будівельного виробництва Київського національного університету будівництва і архітектури.

Провідна установа: | Придніпровська державна академія будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться 07.05.2003р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.01 Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий 04.04.2003р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 64.056.01

к.т.н., професор Е.М.Кутовий

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Застосування пальових фундаментів у промисловому та цивільному будівництві замість стрічкових і стовпчастих фундаментів дозволяє зменшити об’єм земляних робіт, скоротити витрати бетону, знизити трудомісткість робіт нульового циклу.

В набивних та суцільних забивних палях постійного поперечного перерізу по довжині їх несуча здатність по матеріалу стовбура в залежності від інженерно-геологічних умов будівельних майданчиків використовується лише на 35 – 60%. Цей недолік можливо усунути шляхом утворення збільшеної площі опирання паль, в результаті чого несуча здатність паль по матеріалу стовбура буде дорівнювати несучій здатності палі по грунту і таким чином буде раціонально використаний матеріал палі.

Питання досліджень, а також теорії і практики застосування в будівництві пальових фундаментів знайшли багатогранне висвітлення у великих і творчих роботах: М.Ю.Абелєва, Н.В.Бойка, І.П.Бойка, Г.А.Дружиніна, М.Л. Зоценка, Д.А.Романова, В.Д.Романова, Ю.П.Рудя, В.І.Фекліна, Н.А.Цитовича, А.М.Ягудіна і багатьох інших вітчизняних та зарубіжних вчених.

Найбільш надійними та економічними отримуються фундаменти при використанні паль з розширеною п’ятою. При цьому їх ефективність суттєво підвищується при застосуванні технологій, які дозволяють отримувати як можливо великі опорні площі розширень. До того ж важливо щоб збільшена була не вся площа поверхні розширеної п’яти палі, а тільки лише її проекція на горизонтальну площину. Останнє являє собою основне завдання при утворенні розширених п’ят паль. При його рішенні такими прогресивними методами як трамбуванням або камуфлетним вибухом виникає побічна проблема, яка міститься в необхідності витрат надмірно великого об’єму бетону на кулеподібну конструкцію розширеної п’яти. Тому іншою важливою задачею є змінення геометричної форми розширення в таку сторону – необхідності досягнення найбільшого співвідношення площі горизонтальної проекції розширення до площ його вертикальних проекцій. Обидві вищезгадані задачі в сукупності найбільш вдало вирішуються в методі утворення розширених п’ят паль витисненням грунту за допомогою спеціального обладнання, а конкретно в способі улаштування буронабивних паль з променевою п’ятою. Остання технологія отримала значне розповсюдження в практиці фундаментобудування, що свідчить про її прогресивність. Однак ця технологія має суттєвий недолік: грунт унизу свердловини ущільнюється тільки в зоні променевих розширень, залишивши неущільненим ( або недостатньо ущільненим) місце безпосередньо під свердловиною. Отже актуальною є задача удосконалення цієї технології. Останнє обумовило вибір теми дисертації.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота здійснювалась у відповідності до плану науково-дослідної роботи кафедри промислового та цивільного будівництва (ПЦБ) Черкаського державного технологічного університету.

Мета роботи: удосконалення технології улаштування трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою, яка забезпечує підвищення якості та надійності, зниження вартості та витрат праці при зведенні фундаментів будівель та споруд.

Робоча гіпотеза полягає у припущенні про можливість розробки таких технологічних рішень, які дозволять влаштовувати трубчасті палі без виймання грунту з розширеною променевою п’ятою, що забезпечує при цьому надійність та контроль несучої здатності п’яти палі.

Об’єкт дослідження – улаштування трубчастих паль невеликих перерізів з розширеною променевою п’ятою без виймання грунту в зв’язних глинистих грунтах при будівництві та реконструкції будівель та споруд.

Предмет дослідження – технологічні та конструктивні параметри улаштування паль з розширеною променевою п’ятою.

Методи дослідження. В роботі застосована комплексна методика досліджень, яка містить пошук, аналіз і узагальнення дослідних та теоретичних даних за темою, моделювання, хронометраж затрат часу,статичні випробування дослідних зразків паль та теорія механіки грунтів.

Завдання дослідження:

-систематизувати і проаналізувати способи улаштування розширених п’ят паль;

-дослідити технологічний процес утворення розширеної променевої п’яти палі з виявленням зон та ступеню ущільнення грунту навколо променевої п’яти, яка забезпечує підвищення несучої здатності палі;

-дослідити та відпрацювати технологічні заходи улаштування паль з розширеною променевою п’ятою на моделях та дослідно-виробничих зразках в різних інженерно-геологічних умовах з підбором комплектів обладнання і пристосувань та за основним критерієм ефективності нової технології виконати статичні випробування трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою, а також без розширеної п’яти на дослідних ділянках з аналізом отриманих результатів та визначити раціональну область їх застосування;

-розробити спосіб визначення несучої здатності розширеної променевої п’яти трубчастої палі та виконати техніко-економічну оцінку розробленої технології;

-розробити подальші удосконалення технології улаштування паль з розширеною променевою п’ятою.

Наукова новизна роботи міститься в наступному:

- розроблено методику підбору форми розширеної п’яти палі; зроблено розширювач для отримання розширеної променевої п’яти палі при невеликих діаметрах стовбурів трубчастих паль, який відрізняється тим, що лопаті виготовлені з зовнішньою по їх ширині арочною поверхнею і його силове та вимірювальне обладнання розташоване назовні;

- науково обґрунтовано та розроблено нову технологію улаштування трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою без виймання грунту; створено ряд технологічних схем улаштування трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою та визначено область їхнього ефективного застосування;

- розроблено спосіб визначення несучої здатності розширеної променевої п’яти трубчастої палі;

Новизна роботи підтверджується отриманням п’ятьох патентів на винаходи та одного позитивного рішення на винахід.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблена методика підбору форми розширеної променевої п’яти палі дозволяє виконувати аналіз, прогнозування та оцінку нових рішень при утворенні розширеної п’яти палі, дає змогу дослідити конструктивні елементи палі та вплив побічних факторів на вибір технології створення п’яти палі ; удосконалення технологічного обладнання для утворення променевих розширень витискувальної дії у ґрунті дало можливість підвищити якість та надійність їх улаштування та використовувати розширювач для створення розширених променевих п’ят паль з невеликими діаметрами стовбурів(від 100 до 250 мм) ;

- застосування розробленого способу визначення несучої здатності розширеної променевої п’яти трубчастої палі дозволяє оцінювати несучу здатність кожної п’яти пальового поля ще під час утворення променевих порожнин розширювачем та порівнювати між собою отримані результати і таким чином виявляти слабкі ділянки пальового поля і оперативно усувати їх, що є запорукою отримання пальового поля, в якому всі палі з розширеною променевою п’ятою мають однакову несучу здатність, тобто так звану рівноміцну основу, що є гарантією рівномірності осідання будівлі або споруди; пропонований спосіб дозволяє не вдаватись до випробувань паль статичним навантаженням;

- розроблені нові двоклинові та одноклинові конструктивно-технологічні рішення розширювача забезпечують утворення більш довгих променевих розширень, що також підвищує несучу здатність досліджуємих паль та розроблене конструктивно-технологічне рішення улаштування розширювача свердловин під буронабивні палі дозволяє виконувати променеві розширення, збирати грунт та ущільнювати дно свердловини;

-розроблено та впроваджено пропозиції з проектування та технологічні схеми улаштування трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою. Результати цієї роботи дозволяють при розробці проектної і організаційно-технологічної документації будівлі з конкретними інженерно-геологічними умовами вибрати найбільш технологічне і конструктивне рішення трубчастої палі з розширеною променевою п’ятою, комплект технологічного оснащення, розширювача та палезанурювального обладнання, що забезпечить скорочення трудомісткості, тривалості і вартості робіт при улаштуванні трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою. Результати досліджень реалізовано у відповідних методичних рекомендаціях, впроваджено в навчальний процес при розробці дипломних проектів та магістерських робіт, при вивченні дисципліни "Технологія будівельного виробництва". Ефективність впровадження обумовлена збільшенням кола знань та ознайомленням студентів з новими сучасними технологіями пальових фундаментів. Результати досліджень також реалізовано при улаштуванні фундаментів житлового будинку.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися і одержали позитивну оцінку на таких наукових семінарах і конференціях: 1) Третя Українська науково-технічна конференція з механіки грунтів і фундаментобудування, Одеса, вересень, 1997 рік. 2) Щорічні наукові конференції професорів, викладачів, наукових співробітників, аспірантів і студентів Черкаського інженерно-технологічного інституту. Черкаси, 1996 – 2001 рр. 3) VII та IХ Україно-Польські семінари “Теоретичні основи будівництва”. Дніпропетровськ, червень, 1999 рік. та червень-липень, 2001 рік. 4) Друга науково-технічна конференція “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди”. Рівне, листопад, 1999 рік. 5) VIII та Х Польсько-українські семінари “Theoretical Foundations of Civil Engineering”. Warsaw, june – july 2000 та june 2002.

Публікації. Результати досліджень опубліковано в 11 друкованих працях та отримано 5 патентів на винаходи і 1 позитивне рішення на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 133 найменувань і 5 додатків; містить 225 сторінок, 27 таблиць, 49 рисунків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дається обгрунтування вибору теми та її актуальності, сформульовано мету дослідження, визначаються методи та основні завдання; наведено наукові та практичні результати роботи, відомості про апробацію, публікації, структуру та обсяг роботи. В основу дисертації, як за значенням, так і за обсягом досліджень, покладено завдання, які належать до спеціальності 05.23.08 “Технологія та організація промислового та цивільного будівництва”. Питання конструкцій, основ і фундаментів залучені як вихідні дані для обгрунтування вибору і здійснення нових конструктивно-технологічних схем улаштування трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою, що забезпечує підвищену несучу здатність, їх економічність і якість робіт.

У першому розділі дається огляд наукового стану питання, що розглядається.

Відмічається, що несуча здатність забивних паль по матеріалу стовбура використовується тільки на 35 – 60%. Тому для раціонального використання матеріалу стовбура палі (а саме для того, щоб несуча здатність по матеріалу стовбура дорівнювала несучій здатності палі по ґрунту), необхідно збільшити площу опирання в її нижній частині. У зв’язку з цим систематизовано і проаналізовано методи утворення розширених п’ят паль та обладнання для цього. Визначено найефективніші методи, звернено увагу на їх недоліки.

Серед відомих способів отримання розширених п’ят паль виділені та проаналізовані перш за все такі: 1) метод втрамбовування жорсткого матеріалу; 2) метод розбурювання; 3) метод камуфлетування (тобто за допомогою вибуху); 4) метод розкатування; 5) метод забивки одноразових пристосувань, які залишаються у ґрунті; 6) метод витиснення ґрунту за допомогою спеціального обладнання.

Як було виявлено оглядом, однією з найважливіших технологічних цілей, яку ставлять перед собою дослідники питання улаштування паль з розширеною п’ятою є виготовлення як можливо більшої опорної площі розширення. Іншою важливою задачею є економія бетону, який витрачається на розширену п’яту, що досягається зміненням геометричної форми розширення у таку сторону – необхідності максимізації співвідношення площі горизонтальної проекції розширення до площ його вертикальних проекцій. Обидві вищезгадані задачі в сукупності найбільш вдало вирішуються в методі витиснення грунту за допомогою спеціального обладнання, а конкретно в способі утворювання буронабивних паль з променевою п’ятою. Але відома технологія має суттєвий недолік: грунт унизу свердловини ущільнюється тільки в зоні променевих розширень, залишивши неущільненим (або недостатньо ущільненим) місце безпосередньо під свердловиною. В результаті розкривається фронт робіт для подальших досліджень.

Таким чином на основі проведеного аналізу і узагальнення відомих досліджень обґрунтовано доцільність і актуальність виконання наукової роботи, визначено мету і завдання, які необхідно вирішити.

Другий розділ присвячено експериментально-теоретичним дослідженням технології улаштування паль з променевою п’ятою на моделях. За основу цього дослідження прийнято механічне моделювання, що дозволило ретельно дослідити роботу конструкції з урахуванням дійсних умов улаштування, опирання і завантаження. Лабораторними і полігонними дослідженнями визначено зони формування ущільненого ґрунту. Застосовано теорію простої подібності фізичного моделювання з статистичною обробкою результатів випробувань моделей паль та виявлено методику визначення коефіцієнта переходу від модельних до натуральної величини розмірів і навантажень. Досліджено технологічний процес утворення розширеної променевої п’яти палі за допомогою розширювача оригінальної конструкції, схема якого зображена на рис. 1.

Розроблений математичний апарат, який описує процеси, що відбуваються у грунті та палях з променевою п’ятою. Першочерговою задачею було визначення форми розширеної п’яти, яка залежить від технології її створення. Для цього був розглянутий рух клина розширювача в горизонтальному напрямку із змінним кутом біля вершини.

На рис. 2 представлений поздовжній розріз свердловини з схемою відтиснення грунту в сторону. Під дією стискаючої сили клин розширювача занурюється у горизонтальному напрямку у грунт і має змінний кут при вершині. Величина кута a змінюється від 90° до 15°. В результаті відтиснення грунту клином утворюється крива лінія. Для знаходження рівняння цієї кривої аналізуємо графік (рис. 2) та бачимо, що кожна лінія клину у будь-якій момент часу при його русі є дотичною до даної кривої. Розмір довжини полуклина призначений літерою а. У кожному з утворюваних трикутників гіпотенуза, а вона ж і дотична до кривої, має постійну довжину, яка дорівнює а, але лише змінюються довжини катетів, тобто довжини відрізків на координатних осях ОХ, ОY, які відсікаються цією дотичною. Визначаємо із рівняння дотичної сліди ОТ1 та ОТ2, складемо диференційне рівняння:

+ (y – xy1)2 = a2 або y = xy1 ± (1) д2

Вирішуючи останнє, отримаємо: х2/3+ y2/3 = a2/3 , (2)

а це є рівняння астроїди, параметричне рівняння якої має такий вигляд: х=аcos3a , y=asin3a

Використовуючи цю формулу, були складені математичні залежності для швидкостей та прискорень, які набувають клини розширювача при русі у грунті. Вирахуваний також об’єм грунту, який витискується лопатями розширювача. Досліджені дотичні і нормальні напруження при русі лопатей розширювача у грунті.

У третьому розділі викладено програму і методику відпрацювання технології, наведено дані удосконалення технології улаштування трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою. Виконано хронометраж затрат часу у кожному технологічному процесі. Наведено об’єктивну оцінку якості та надійності розробленої технології. Розроблено систему контролю по улаштуванню таких паль.

Дослідження та відпрацювання технологічних процесів улаштування трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою сприяли створенню ряду технологічних схем улаштування з підбором комплектів обладнання та пристосувань.

Якість та збереженість трубчастої палі залежить від передаваємих на неї навантажень. Збереженість верхньої частини та всього стовбура трубчастої палі під час її занурення не може бути гарантована на всі 100% у випадку застосування звичайних наголовників, а тим більше при використанні азбестоцементних труб як стовбурів таких паль. Тому в усіх технологічних схемах передбачено використання таких технологічних пристосувань, як спеціальних сердечників і наголовників при зануренні трубчастої палі у грунт (рис. 3; рис. 4).

Трубчаста паля при зануренні зустрічає тільки силу тертя по її бічній поверхні і тому можливість її пошкодження при забивці виключена. Основне ударне зусилля передається на наголовник та сердечник. Занурення таких паль можливо окрім забивки шляхом вдавлювання або вібровдавлювання. В міцні грунти можливе занурення шляхом забивки у попередньо пробурену лідерну свердловину.

Виконання променевого розширення п’яти рекомендується здійснювати базовою машиною – автокраном за допомогою розширювача витискувальної дії на базуванні домкрата. Для забезпечення надійного розтуляння лопатей розширювача доцільно перед опусканням розширювача в тіло трубчастої палі виконати початковий кут розтуляння 2-5о.

Дослід відпрацювання технології по улаштуванню трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою дозволяє вважати доцільними наступні параметри: при діаметрі стовбура 100-165мм – з трьох “променів”; при діаметрі 165 –300 мм- з трьох або чотирьох “променів”.

Встановлені на основі хронометражу та відповідних розрахунків затрати праці та часу по технологічним процесам улаштування трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою сприяють раціональній організації робіт та служать приладдям для складання технологічних карт, кошторисів, а також алгоритмів оптимального проектування.

Для оцінки якості та надійності розробленої технології виконані статичні випробування в умовах трьох дослідних майданчиків, виявлено переваги трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою (патенти на винахіди №23825А та №33964А) у порівнянні з іншими видами буронабивних і забивних паль. Загальна несуча здатність таких паль з урахуванням рівного опору грунту по бічній поверхні стовбура в 2.5-3.5 разів більше в порівнянні з палями такого ж діаметра без розширень.

Різниця в граничних навантаженнях трубчастих паль без розширеної п’яти та трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою наочно показана на графіках статичних випробувань, що виконані на одному з дослідних майданчиків (рис. 5).

Наведені подальші перспективи удосконалення паль з розширеною променевою п’ятою. Розроблені нові конструктивно-технологічні рішення розширювача свердловин, які забезпечують утворення більш довгих променевих розширень, що також підвищує несучу здатність досліджуємих паль. Це розширювач нахрест двоклиновий з поворотом (патент №2001010082) і одноклиновий з поворотом (патент на винахід №44095А), які впроваджують промені розширень по всьому периметру свердловини. Коротко про те, як досягається більша глибина впровадження клинів у грунт. Для двохклинового: за рахунок того, що кінці клину вдалося розташувати не по центру свердловини, а поблизу поверхні свердловини з протилежної від вершини клину сторони. Для одноклинового розширювача ефект глибокого впровадження в грунт досягається ще більший за рахунок того, що крім згину, упровадження здійснюється ще й за рахунок поперечного зсуву клина. Після виконання одного променевого розширення (одного променю), розширювач повертають на необхідний кут біля його вертикальної осі і проробляють послідовно промені по всьому периметру горизонтального перерізу основи свердловини.

Запропоновано також конструктивно-технологічне рішення улаштування свердловини під буронабивну палю (патент №50915А), яке дозволяє одночасно робити променеві розширення, збирати грунт, що осипається і ущільнювати дно свердловини (див. рис. 6). Дане рішення базується на використанні такої підміченої особливості. Нижній кінець тяги 2 розширювача спочатку при впровадженні лопатів у грунт робить рух догори (на рис. 6 відповідає переміщенню із положення а в положення б), а на зворотному шляху домкрата рух вниз (із положення б в положення в). Останній рух і використовується для ущільнення грунту основи свердловини. Для цього підпружинена штанга 5 з штамп-коритцем 4 фіксується в положенні б відносно тяги 2 заскочкою-шплінтом 8. В результаті при русі із положення б в положення в штамп-коритце ущільнює грунт. При цьому зусилля вдавлювання штамп-коритця в грунт виникає за рахунок відштовхування верхніх лопатей 3 від верхньої поверхні розширеної порожнини у грунті. Одночасно відбувається збирання грунта що осипається в штамп-коритце. Таким чином описана технологія ще зайвий раз підтверджує перспективність паль з променевим розширюванням п’яти.

Четвертий розділ присвячений використанню результатів досліджень в практиці фундаментобудування. Запропоновано метод проектування фундаментів з трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою з урахуванням технологічних особливостей їх улаштування, визначено раціональну область застосування пропонованої технології. На основі умови раціонального використання матеріалу стовбура палі, а саме: рівності несучої здатності палі по

матеріалу стовбура несучій здатності по грунту одержані рекомендації по розмірам лопатей розширювача. Вивід останнього наводиться нижче.

Як відомо, несуча здатність висячої забивної палі без розширеної п’яти, яка працює на осьове стиснення, може бути визначена як сума розрахункових опорів ґрунтів основи під нижнім кінцем палі та по її бічній поверхні: (3)

де c - коефіцієнт умов роботи палі у ґрунті; cR, cf - коефіцієнти умов роботи ґрунтів відповідно під нижнім кінцем та на бічній поверхні палі, які враховують спосіб занурення; R - розрахунковий опір ґрунту під нижнім кінцем палі; A0 - площа поперечного перерізу палі; fi - розрахунковий опір і-го шару ґрунту основи по бічній поверхні палі; li - товщина і-го шару ґрунту, який торкається з бічною поверхнею палі; u - периметр поперечного перерізу палі.

З іншого боку залізобетонні трубчасті палі, заповнені бетоном, з ненапруженою арматурою у вигляді спіралі при розрахунку по міцності на центральне стиснення повинні задовольняти умові:

(4)

де Rb - міцність бетону відповідного класу; Аb - площа перерізу бетону; Rsc - розрахунковий опір стиснутої арматури; Аs - площа перерізу арматури; - розрахунковий опір розтягу спіралі;

- зведений переріз спіралі; (5)

s - крок спіралі; - площа поперечного перерізу стержня спіралі; d1 - діаметр спіралі.

При використанні азбестоцементних труб як стовбурів паль в формулі (4) другий і третій члени рівняння дорівнюють нулю.

Несуча здатність висячих паль в значній мірі залежить від величини лобового опору грунту. Це означає, що з збільшенням площі поперечного перерізу паль в нижній частині підвищується несуча здатність їх по грунту.

Опір грунту по бічній поверхні ребер розширеної променевої п'яти вивчений недостатньо. Розглянемо закономірності розподілу зусиль в грунті біля розширеної променевої п'яти палі, яка отримується методом витиснення грунту. П'ята палі являє собою багаторебристу конструкцію. У вертикальній площині розмір ребра дорівнює 2а, а в горизонтальній площині - 2а+D. Зусилля, яке виникає в розширеній п'яті, можна умовно розділити на зусилля тертя, яке діє по бічній поверхні в вертикальній площині та зусилля, яке діє по горизонтальній площині п'яти палі. Для цього необхідно знати сумарну вертикальну площу зіткнення з грунтом в межах п'яти палі.

(6)

де а - розмір розширення.

Ширина лопаті "в" залежить від внутрішнього діаметра палі d. Кількість пар лопатей може бути прийнята при проектуванні від 2 до 6 шт. При постійному внутрішньому діаметрі палі збільшення кількості лопатей, а значить і ребер тягне за собою збільшення бічної поверхні п'яти палі, а отож, і збільшення сил тертя по її бічній поверхні. Контактні напруження на горизонтальній площині проекції збільшуються за рахунок ущільнення грунту в межреберних просторах. Це збільшення залежить від коефіцієнта консистенції грунту. Зусилля, яке діє на поверхні криволінійних ребер п'яти буде дорівнювати:

(7)

Зусилля, яке діє на горизонтальній проекції п'яти палі, дорівнює:

(8)

де fn- розрахунковий опір грунту по бічній поверхні п'яти; n- кількість ребер розширень;

Загальний опір п'яти палі Fп=F0+Fбіч. (9)

Отримані формули для визначення несучої здатності грунту по бічній поверхні і біля торця розширеної променевої п'яти палі дають можливість більш точніше розраховувати несучу здатність п'яти палі.Для раціонального використання матеріалу стовбура палі потрібно, щоб несуча здатність висячої палі по ґрунту дорівнювала міцності стовбура палі: Fd = Fст (10)

Для цього спочатку підставимо загальну площу поперечного перерізу променевих розширень (променів) п’яти АЛ у формулу (3) з урахуванням зусилля тертя по бічній поверхні ребер п’яти Fбіч, а далі підставимо до формули (10), отримаємо:

с(сRR(А0 + пАл) + Fбіч + uсffili) = Fст (11)

З формули (11) шляхом нескладних перетворень отримаємо площу променевих розширень:

(12)

п - коефіцієнт умов роботи ґрунту під променевими розширеннями.

З урахуванням міцності стовбура палі (4) формула (12) буде мати вигляд:

(13)

Ширина променевого розширення “b” є постійною величиною, яка залежить від внутрішнього діаметра порожнистої палі та ширини лопаті розширювача.

Потрібна довжина розширення “а” буде дорівнювати: (14)

де n - кількість променевих розширень у п’яті палі.

Розроблений спосіб визначення несучої здатності трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою (патент на винахід №36315А). Спосіб базується на зв’язку між роботою розширювача та опором грунту, а саме в фіксуванні критичних та граничних напружень. Спосіб полягає в наступному. Після занурення трубчастої палі у грунт під час формування розширення клином на тязі розширювача встановлюється динамометр. Підтягуванням домкрата за тягу з упором на трубу здійснювали занурення лопатей клина у грунт малими частками із зупинками. Занурення клина у грунт за короткий термін складає один цикл, за який фіксується по динамометру зусилля занурення на малому відрізку шляху, граничне зусилля за час зупинки (після деякого часу) та визначається площа зіткнення лопатей клина з грунтом . Переміщення у грунті окремими циклами продовжується до повного розкриття лопатей розширювача. Далі обчислюються всебічні критичні та граничні напруження, які залишаються постійними для випробуваного грунту у дотичній площині:

(15)

де половина змінного кута при вершині клина розширювача ; Аі =аі b (16)

де довжина ділянки лопаті, яка стикається з грунтом; ширина лопаті.

Потім знаходять розрахункове вертикальне напруження за формулою трьохосного стиснення:

(17)

де - коефіцієнт бічного тиску грунту .

Потім обчислюють розрахункове граничне навантаження за формулою

(18)

де S -площа проекції розширення на горизонтальну площину.

Несучу здатність Fd розширеної п’яти знаходять за формулою з БНіП: Fd=гc(Fu/гg) (19)

де гc -коефіцієнт умов роботи; гg -коефіцієнт надійності по грунту.

Використання в практиці фундаментобудування пропонованого способу визначення несучої здатності розширеної променевої п’яти палі дозволяє оцінювати несучу здатність кожної п’яти пальового поля ще під час утворення променевих порожнин розширювачем і таким чином дає можливість не прибігати до трудомістких статичних випробувань.

В цьому розділі розроблено методику підрахунку енерговитрат, що необхідні для улаштування трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою і доведено їх ефективність. Приведено відомості з техніки безпеки.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення конкретної науково-практичної задачі, що виявляється в розробці раціональних конструктивно-технологічних рішень по улаштуванню пальових фундаментів з розширеною променевою п’ятою з контролем їх несучої здатності для малоповерхових цивільно-житлових та промислових будівель і споруд.

1. Систематизовані та проаналізовані відомі способи отримання розширених п’ят паль з позиції найбільшого розповсюдження, це: 1) метод втрамбовування жорсткого матеріалу; 2) метод розбурювання; 3) метод камуфлетування (тобто за допомогою вибуху); 4) метод розкатування; 5) метод забивки одноразових пристосувань, які залишаються у ґрунті; 6) метод витиснення ґрунту за допомогою спеціального обладнання.

Однією з найважливіших технологічних цілей, яку ставлять перед собою дослідники питання улаштування паль з розширеною п’ятою є виготовлення як можливо більшої опорної площі розширення. Іншою важливою задачею є економія бетону, який витрачається на розширену п’яту, що досягається зміненням геометричної форми розширення у таку сторону – необхідності максимізації співвідношення площі горизонтальної проекції розширення до площ його вертикальних проекцій. Обидві вищезгадані задачі в сукупності найбільш вдало вирішуються в методі витиснення грунту за допомогою спеціального обладнання, а саме в способі улаштування буронабивних паль з променевою п’ятою, який є перспективним напрямком у фундаментобудуванні на зв’язних грунтах. Проте у відомій технології улаштування цих паль грунт внизу свердловини ущільнюється тільки в зоні променевих розширень, залишаючи не ущільненим (або недостатньо ущільненим) місце безпосередньо під свердловиною. Це суттєво знижує несучу здатність цих паль. До того ж способи по контролю несучої здатності будь яких розширених п’ят паль ще в момент їх улаштування не розроблені.

2. Розроблений математичний апарат, що описує процеси в грунтах і палях з розширеною променевою п’ятою. Досліджена геометрична форма розширеної п’яти, яка залежить від технології її створення. Отримані формули для обчислення об’єму грунту, який витискується лопатями розширювача. Складені математичні залежності для швидкостей та прискорень, які набувають клини розширювача при русі у грунті. Досліджені дотичні та нормальні напруження, що впливають при цьому на технологію руху розширювача.

3. Розроблена технологія улаштування забивних трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою, в якій усуваються недоліки, які присутні буронабивним палям з променевою п’ятою. При улаштуванні трубчастих паль не відбувається виймання грунту. Тому грунт під п’ятою палі ущільнений, що значно підвищує їх несучу здатність.

4. Реальність та доцільність конструктивно-технологічних рішень трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою підтверджені теоретичними і полігонними дослідженнями та малими результатами розбіжностей між ними. Розроблено розширювач, силове та вимірювальне обладнання якого розташоване назовні та лопаті мають зі зовнішнього боку арочну поверхню по їх ширині.

Розроблені технологічні схеми і правила улаштування трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою, виконаною нижче стовбура а також з вікнами і закритим нижнім кінцем, підібрано комплекти палебійного обладнання, розширювача і пристосувань.

5. Розроблений та апробований спосіб подвійного динамічного контролю несучої здатності цих паль. Перша складова способу така сама, як і в звичайних забивних палях (по відмові). Друга складова базується на зв’язку між роботою розширювача та опором грунту, а саме в фіксуванні критичних та граничних напружень. Застосування даного способу в практиці фундаментобудування дозволяє отримувати дані про несучу здатність кожної без винятку палі та відповідно уникнути трудомістких статичних випробувань даних паль.

6. Статичними випробуваннями підтверджена відносно висока несуча здатність трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою, яка в 2.5 – 3.5 разів більше у порівнянні з трубчастими палями такого ж діаметра без розширеної п’яти. Проведений порівняльний аналіз зі звичайними забивними палями показав також наступне. Застосування при забивці трубчастих паль з металевим сердечником замість суцільних залізобетонних паль дозволяє окрім забезпечення улаштування розширеної п’яти також економити арматурну сталь, яка міститься в звичайній забивній палі. За рахунок вказаних факторів вартість фундаментів при переході від традиційних технологій до трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою зменшується, а надійність збільшується. Тому розроблені технології можуть бути рекомендовані для широкого впровадження в практику фундаментобудування. Раціональною областю застосування є зв’язні глинисті грунти твердої, полутвердої та тугопластичної консистенції.

7. Розроблен метод проектування фундаментів на трубчастих палях з розширеною променевою п’ятою з урахуванням технологічних властивостей їх застосування. На основі умови раціонального використання матеріалу стовбура палі, а саме: рівності несучої здатності палі по матеріалу стовбура несучій здатності по грунту отримані рекомендації по розмірам лопатей розширювача.

8. Розроблена методика визначення витрат енергетичних ресурсів на улаштування трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою, яка відрізняється тим, що підрахування енерговитрат виконується з урахуванням витрат на виготовлення будівельних матеріалів, конструкцій фундаментів, транспортні роботи а також особливості виконання будівельних робіт. В результаті впровадження трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою замість трубчастих паль без розширеної п’яти при будівництві житлового будинку за умовою рівного розрахункового навантаження на палі економія склала: азбестоцементних труб –41%, бетону класу В 15 – 37 %, енергоресурсів – 32 %, при цьому питома несуча здатність фундаменту збільшилася на 46 %.

9. Розроблені нові конструктивно-технологічні рішення розширювача, що забезпечують утворення більш довгих променевих розширень, що також підвищує несучу здатність досліджуємих паль. В даних рішеннях уперше застосовані двоклинові та одноклинові конструкції розширювача, які в результаті багаторазових поворотів розширювача навколо його вертикальної осі виконують найбільш глибокі витиснення грунту по всьому периметру основи свердловини. Пропоновано також конструктивно-технологічне рішення улаштування розширювача свердловин під буронабивні палі, що дозволяє виконувати променеві розширення, збирати грунт та ущільнювати дно свердловини. При цьому остання операція здійснюється не за рахунок забивки, а за допомогою механічного витиснення грунту спеціальним штампом з зусиллям, яке виникає від гідродомкрата за рахунок самовідштовхування системи конструкції розширювача від верхніх поверхонь виконаних порожнин у грунті в основі свердловини.

Основні положення дисертації опубліковані в таких роботах:

1. Донченко П.А., Пряник С.П., Лескович С.М. Технологія руху клина у грунтовому масиві // Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 1996. –Вип.1. –С. 79-84.

2. Донченко П.А., Пряник С.П. Утворення п’яти палі клином із змінним кутом при вершині // Труди Третьої Української науково-технічної конференції з механіки грунтів і фундаментобудування.- Том 2. – Одеса. – 1997. – С. 377-378.

3. Донченко П.А., Пряник С.П. Зондування грунтів // Експрес-новини: наука,техніка,виробництво. -Київ– 1997. - №19-20. – С.14-16.

4. Донченко П.А., Пряник С.П., Розрахунок елементів поширювача променевої п’яти палі // Будівництво. Матеріаловедення. Машинобудування // Зб. наук. пр. – Дніпропетровськ: ПДАБіА, 1998. – С.25-27.

5. Пряник С.П. До питання визначення зусиль тертя та опору грунту біля поширеної п’яти палі // Матеріали Україно-Польського семінару ‘Теоретичні основи будівництва’ 7. Зб. наук. пр. Придніпровської держ.академії будівництва та архітектури та Варшавського технічного університету ‘Теоретичні основи будівництва’. –Варшава 1999. –С.163-164.

6. Пряник С.П. Експериментальні дослідження несучої здатності забивних паль з променевою п’ятою // Матеріали Другої науково-технічної конференції ‘Ресурсоекономні матеріали, конструкції,будівлі та споруди’. Зб. наук. пр. Вісник Рівненського державного технічного університету. –Рівне,1999. –Вип.3. –С.242-248.

7. Пряник С.П. Визначення параметрів палі з променевою п’ятою // Proc.of the Polish-Ukrainian Seminar Theoretical Foundations of Civil Engineering, No 8. Collected scientific papers of Prydnieprovsk State Academy of Civil Engineering and Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering. Theoretical Foundations of Civil Engineering. –Warsaw (Poland). –2000. –P.522-527.

8. Донченко П.А., Пряник С.П. Технологія улаштування комбінованих порожнистих паль з закритим нижнім кінцем та з поширеною променевою п’ятою // Основи і фундаменти: Міжвід. наук.-техн.зб. –К.: КНУБА, 2001. –Вип. 26. –С. 17-28.

9. Пряник С.П. Технологія улаштування трубчастих паль з променевою п’ятою та спосіб визначення несучої здатності цих паль //Матеріали Україно-Польського семінару ‘Теоретичні основи будівництва’ 9. Зб. наук. пр. Придніпровської держ.академії будівництва та архітектури та Варшавського технічного університету ‘Теоретичні основи будівництва’.–Варшава 2001.С.143-146

10. Донченко П.А., Пряник С.П. До питання забезпечення системи контролю якості виконання робіт з улаштування трубчастих паль з променевою п’ятою.// Вісник Черкаського інженерно-технологічного інституту. – 2001. –Вип.2. –С. 90-94.

11. Пряник С.П. Дослідження напружено-деформаційного стану грунтів в зоні розширених променевих п’ят паль // Proc.of the Polish-Ukrainian Seminar Theoretical Foundations of Civil Engineering, No 10. Collected scientific papers of Prydnieprovsk State Academy of Civil Engineering and Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering. Theoretical Foundations of Civil Engineering. –Warsaw (Poland). –2002. – Vol. II, - Р. 793-796.

12. Патент № 23825А Україна, МПК 6 Е 02 D 7/00. Спосіб улаштування палі з променевою п’ятою. / П.А.Донченко, С.П.Пряник. -№ 97052139; Заявл. 08.05.97; Опубл. 31.08.98, Бюл. № 4.–3с.

13. Патент № 33964 А Україна, МПК 6 Е 02 D 5/22. Спосіб улаштування забивної трубчастої палі з поширеною п’ятою. / П.А.Донченко, С.П.Пряник. -№ 99052534/7683; Заявл. 05.05.99; Опубл. 15.02.2001,Бюл. №1. – 4с.

14. Патент № 36315 А Україна, МПК 6 Е 02 D 5/22. Спосіб визначення несучої здатності променевої п’яти забивної трубчастої палі. / П.А.Донченко, С.П.Пряник. -№ 99126536/9005; Заявл. 01.12.99; Опубл. 16.04.2001, Бюл. №3. – 3с.

15. Патент № 44095А Україна, МПК 7 Е 02 D 5/22. Розширювач свердловин під набивні палі в зв’язних грунтах. / П.А.Донченко, С.П.Пряник. -№ 2001042878; Заявл. 26.04.2001; Опубл. 15.01.2002, Бюл. №1. – 5с.

16. Патент 2001010082 Україна; МПК 7 Е 02 D 3/02. Розширювач свердловин під набивні палі в зв’язних грунтах. / П А. Донченко, С.П.Пряник. Заявл. 03.01.2001.

17. Патент № 50915 Україна; МПК 7 Е 02 D 3/02. Розширювач свердловин під набивні палі в зв’язних грунтах. / П А. Донченко, С.П.Пряник. № 2001031526; Заявл. 06.03.2001; Опубл. 15.11.2002. Бюл. № 11.

Анотації

Пряник С.П. Удосконалення технології улаштування паль з розширеною п'ятою. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.08 - технологія та організація промислового та цивільного будівництва. – Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, м. Харків, 2003, Міністерство освіти і науки України.

Дисертація присвячена удосконаленню технології улаштування паль невеликого поперечного перетину з розширеною променевою п’ятою. В відомій технології буронабивних паль з променевою п’ятою грунт внизу свердловини ущільнюється тільки в районі променевого розширення, залишаючи неущільненим (або недостатньо ущільненим) місце безпосередньо під свердловиною. Це суттєво знижує несучу здатність буронабивних паль.

Розроблена технологія забивних трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою, в якій усуваються недоліки, які присутні буронабивним палям з променевою п’ятою. При улаштуванні трубчастих паль не відбувається виймання грунту. Тому грунт під п’ятою палі ущільнений, що значно підвищує їх несучу здатність.

Реальність та доцільність конструктивно-технологічних рішень трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою підтверджені теоретичними і полігонними дослідженнями. Розроблено розширювач, силове та вимірювальне обладнання якого розташоване назовні та лопаті мають зі зовнішнього боку арочну поверхню по їх ширині.

Розроблені технологічні схеми і правила улаштування трубчастих паль з розширеною променевою п’ятою, підібрано комплекти обладнання і пристосувань.

Розроблені нові конструктивно-технологічні рішення розширювача, які забезпечують утворювання більш довгих променевих розширень, що також