ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

ПАНТЕЛЕЄНКО ВОЛОДИМИР ІВАНОВИЧ

УДК 624.155.152

РОЗРОБКА І ВИЗНАЧЕННЯ ОСНОВНИХ

ПАРАМЕТРІВ ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ЗАНУРЕННЯ

ФУНДАМЕНТІВ-ОБОЛОНОК

Спеціальність 05.05.04 - Машини для земляних та дорожніх робіт

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: - доктор технічних наук, професор Хмара Леонід

Андрійович, Придніпровська державна академія

будівництва та архітектури, завідувач кафедри

"Будівельних та дорожніх машин"

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Нічке Вільгельм Вільгельмович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, професор кафедри "Підйомно-транспортних, будівельних, дорожніх машин і обладнаня";

- кандидат технічних наук, доцент Пелевін Леонід Євгенович, Київський національний університет будівництва і архітектури, професор кафедри "Будівельних машин".

Провідна установа:

- Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка,

кафедра "Будівельних машин та обладнання", Міністерство освіти і науки України,

м. Полтава.

Захист відбудеться "11 березня 2004р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 08.085.03 у Придніпровській державній академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, к.202.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24-а, к. 202.

Автореферат розісланий 29 січня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Шаленний В.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні роки суттєвий розвиток в будівництві одержали фундаменти із забивних блоків, або фундаменти-оболонки. Розроблено більше 10 типів конструкцій фундаментів-оболонок для різних ґрунтових умов.

При зануренні фундаментів-оболонок утворюється ущільнена зона з підвищеною міцністю, за рахунок чого суттєво підвищується їх несуча здатність. Застосування фундаментів-оболонок дозволяє в 3...4 рази зменшити об`єм земляних робіт, майже повністю виключити опалубочні роботи порівняно з звичайними стрічковими і свайними фундаментами, зменшити витрату бетону в 2...2.5, металу в 1...2 рази, трудомісткість і кошторисну вартість робіт нульового циклу на 40%.

Але процес занурення фундаментів-оболонок вивчений недостатньо добре з точки зору взаємодії з грунтом та ефективного використання копрового обладнання для їх занурення. Мало вивчені фізичні умови процесу занурення, зокрема дія різних параметрів копрового обладнання на ефективність процесу занурення.

Відсутні відомості про дію конструкції наголовників на перетворення удару молота в енергію руху фундамента-оболонки. В той же час застосування фундаментів-оболонок являється широко розповсюдженим в практиці будівництва внаслідок простоти конструкції, прогресивних методів виробництва та високої культури будівництва. А тому дослідження, які направлені на розробку ефективного обладнання для занурення фундаментів-оболонок є актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася згідно з наказом №303 від 21 грудня 1991 року Міністерства вищої освіти України "Про проведення конкурсного відбору проектів наукових досліджень і розробок, що виконуються за рахунок бюджетного фінансування" та рішенням Вченої ради ДІБІ. Тема роботи: "Пошукові дослідження по розробці високоефективного робочого обладнання і технології улаштування поглиблень в грунтах без його виймання на денну поверхню" держбюджет по темі №33, реєстраційний номер 0199U024084.

Мета і задачі дослідження. Підвищення ефективності копрової установки, оснащеної обладнанням для занурення фундаментів-оболонок, визначення основних параметрів обладнання і формування методики його розрахунку. Згідно з поставленою метою дисертаційної роботи сформульовані задачі дослідження:

-обгрунтувати динамічну модель взаємодії в системі "молот-наголовник-оболонка-грунт" при пружнов`язкопластичному опорі грунту та встановити фізичну сутність даного процесу;

-розробити математичні моделі, що описують процес занурення фундаментів-оболонок в грунт і дозволяють дослідити дію різних факторів на ефективність занурення занурення;

-розробити стендове обладнання і методику лабораторних та польових досліджень по встановленню якісної картини та кількісних залежностей процесу занурення фундаментів-оболонок;

-розробити та впровадити у виробництво обладнання для ефективного занурення фундаментів-оболонок та оцінити його техніко-економічну ефективність;

-розробити рекомендації і методику розрахунку основних раціональних параметрів і режимів роботи обладнання для занурення фундаментів-оболонок.

Об'єктом дослідження є процес занурення фундаментів-оболонок в ґрунтову основу.

Предмет дослідження - питання розробки обладнання для ефективного занурення фундаментів-оболонок в грунт та визначення його основних раціональних параметрів і формування методики розрахунку.

Методи дослідження. Дослідження проводились за допомогою математичного моделювання динамічної системи "молот-наголовник-оболонка-грунт" та ґрунтувалась на основі теорії коливань механічних багатомасових систем.

Експериментальні дослідження проводились згідно з багатофакторним плануванням експериментів з використанням тензометричних вимірів при допомозі стандартного устаткування і спеціально розроблених лабораторних стендів.

Наукова новизна одержаних результатів представлена:

-обгрунтуванням динамічної моделі взаємодії системи "молот-наголовник-оболонка-грунт;

- вперше розробленими математичними моделями взаємодії з грунтом фундаментів-оболонок в умовах динамічної дії ударного навантаження, даними у вигляді багатомасових систем;

-розкриттям фізичної суті та основних закономірностей взаємодії елементів системи "молот-наголовник-оболонка-грунт";

-встановленими новими залежностями енергії удару і відказу фундамента-оболонки від параметрів системи "молот-наголовник-оболонка-грунт".

-обгрунтованою і розробленою методикою моделювання процесу занурення фундаментів-оболонок в грунт.

Новизну розроблених та впроваджених у виробництво конструкцій обладнання для занурення фундаментів-оболонок підтверджують 5 авторських свідоцтв на винаходи.

Практичне значення одержаних результатів визначається:

- рекомендаціями і методикою по визначенню основних раціональних параметрів і режимів роботи обладнання для занурення фундаментів-оболонок;

- розробленим стендовим обладнанням та методикою для проведення експериментальних досліджень;

- використанням результатів досліджень в навчальному процесі ПДАБтаА, ХНАДУ, КДТУ, РДТУ, ПНТУ при підготовці інженерів-механіків;

- впровадженим у виробництво обладнанням для ефективного занурення фундаментів-оболонок в грунт.

Особистий внесок здобувача. В друкованих працях, виконаних у співавторстві, співавторам належить в роботі [1]- аналіз отриманих результатів, в роботі [2]-сформульовані основні припущення для математичної моделі досліджуваного процесу, в роботі [3]-проаналізовано сучасні перспективи розвитку фундаментів-оболонок та обладнання для їх занурення, в роботі [4,5,6]-проаналізовані шляхи використання математичної моделі для дослідження впливу різних факторів на ефективність процесу занурення оболонок, [7,8,9]-проведений аналіз руху

співударяємих тіл. В роботах [10,11,12,13,14] автору належить методика вибору раціональних параметрів обладнання, в авторських свідоцтвах [15,16,17,18,19] обгрунтування і конструктивна розробка основних вузлів обладнання, в роботах [20,21] розробка математичної моделі, в заключному звіті (робота [22]) третій і четвертий розділи.

Реалізація результатів роботи. Комплект обладнання для занурення фундаментів-оболонок в грунт упроваджений в системі ВАТ "Дніпробудмеханізація" та в будівельному управлінні N2 тресту "Дніпроміськбуд". Загальний економічний ефект від упровадження обладнання в цих організаціях склав 113612 грн. на рік (за станом цін на 2003р.).

Основні практичні рекомендації передані Дніпропетровській філії НДІБВ, ВАТ "Дніпробудмеханізація", СБМО “Укрспецекскавація” "

Наукові результати використовуються у навчальному процесі ПДАБтаА, ХНАДУ, КДТУ РДТУ, ПНТУ при підготовці інженерів-механіків по спеціальності 7.090214 "Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні та меліоративні машини і обладнання".

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались і обговорювались: на Всеросійській міжнародній науково-технічній конференції "Автомобільні дороги Сибіру" (Росія, м. Омськ, 1994р.); на першій Всеукраїнській науково-технічній конференції "Прогресивні технології і машини для виробництва будматеріалів, виробів і конструкцій" (м. Полтава, 1996р.); на науково-технічних радах: ВАТ "Дніпробудмеханізація" та СБМО "Укрспецекскавація", (м. Дніпропетровськ, 1999р.); на науково-технічних конференціях ПДАБтаА (1995-2003р.); на наукових семінарах кафедри "Будівельні та дорожні машини" ПДАБтаА (1995-2003р.); засіданні кафедри "Будівельні, дорожні машини та будівництво" КДТУ (м. Кіровоград, 1999р.); засіданні кафедри "Будівельні та дорожні машини" ХНАДУ (м. Харків, 2000р.); на розширеному науковому семінарі кафедри "Будівельні машини та обладнання" ПНТУ імені Юрія Кондратюка (м. Полтава, 2002р.); на міжнародних конференціях "Питання сучасного матеріалознавства" (м. Дніпропетровськ, 2002 і 2003р.р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладені у 22 друкованих працях, з них 14 входять у перелік ВАК України, по тематиці дисертації отримано 5 авторських свідоцтв на винаходи, опубліковано 2 тези доповідей на міжнародних конференціях, виконано 1 звіт по науково-дослідній господарчодоговорній тематиці.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п`яти розділів, загальних висновків, та додатків, складає 229 сторінок, в тому числі 110 сторінок друкованого тексту, 10 таблиць, 63 рисунки, список літератури із 105 найменувань і додатків на 55 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

У ВСТУПІ виконано обгрунтування актуальності теми досліджень, викладена практична користь та наукова новизна дисертаційної роботи, переліковані основні положення, які виносяться на захист.

У РОЗДІЛІ 1 приведений огляд і аналіз конструкцій копрового обладнання і свайних наголовників, які використовуються для занурення паль і паль-оболонок. Показано, що для занурення фундаментів-оболонок доцільно застосовувати копрове

обладнання на базі екскаваторів та кранів.

Огляд наголовників показав, що серійне обладнання для занурення оболонок не виготовляється, а тому необхідні подальші досліди для визначення основних раціональних параметрів обладнання для ефективного занурення оболонок в грунт.

Досліди динамічного опору грунтів при забиванні в нього паль проводили Б.В. Бахолдін, Л.Я. Гінзбург, Д.Д. Баркан, та інші. Більшість дослідників динамічного опору грунту визначають його при допомозі коефіцієнту в`язкості.

В роботі Л.Р. Ставніцера установлено існування критичної швидкості деформування грунту, при підвищенні якої величина реакції практично не залежить від швидкості його деформування. Б.В.Бахолдін, Л.Я. Гінзбург показали, що величина критичної швидкості стосовно до свай залежить від статичного опору грунту.

Моделі системи "свая-грунт" були досліджені рядом вчених для випадків синусоїдального навантаження. Порівняння результатів теоретичних розрахунків віброзанурення свай з дослідними даними показало великі розбіжності. Аналіз, проведений Д.Д. Барканом і О.А. Савіновим показав, що для задовільного сходження результатів необхідно урахувати вплив інерції грунту. Для цього масу сваї необхідно збільшити на деяку величину, яка одержала назву приєднаної маси грунту. Питання про вплив інерції грунту при забиванні свай на величину відказу до теперішнього часу не досліджене. Наголовник, як правило, представляє собою Н-образний сталевий стакан, в який зверху між молотом і наголовником і знизу між наголовником і сваєю вкладають прокладки із якого-небудь в`язкого, низькомодульного матеріалу (дерев`яні, гумові та інші).

М.Н. Герсеванов показав, що наголовник при забиванні палі виконує роль амортизатора або демпфера. Ним було установлено, що величини коефіцієнтів відновлення швидкості при ударі для прокладок із різних матеріалів приблизно дорівнюють 0,45. М.Н. Герсевановим розроблений теоретичний метод дослідження напружень в голові і тілі сваї при забиванні в залежності від жорсткості амортизатора. У подальшому, дослідження цього питання проводилось Б.В. Бахолдіним, Ю.В. Бєляєвим, Ю.І. Васильєвським, Л.Я. Гінзбургом, В.В. Кречмером, Ю.Г. Чернишовим, І.Є. Школьниковим, В.К. Тимошенко, В.І. Осипчуком та іншими дослідниками.

У РОЗДІЛІ 2 обгрунтовані моделі взаємодії з середовищем системи "молот-наголовник-оболонка-грунт" (рис.1,а,б), а також розроблені математичні моделі процесу занурення в грунт фундаментів-оболонок (у подальшому оболонки).

Показано, що математична модель даного процесу представляє собою систему нелінійних диференційних рівнянь, які складаються з рівнянь підсистем "молот-наголовник" і "оболонка-грунт", які необхідно вирішувати спільно.

Висока складність системи диференційних рівнянь не дозволяє одержати її аналітичне рішення, а тому була складена програма, яка дозволяє вирішити систему чисельним методом при допомозі ЕОМ. Програма була реалізована на персональному комп`ютері типу IBM. Вирішення цієї системи рівнянь дає величину зміщення та швидкості всіх тіл, що входять до системи "молот-наголовник-оболонка-грунт", а також значення всіх сил, що діють між тілами в будь-який момент часу.

Найбільш цінним для практики являється дослідження впливу на процес занурення слідуючих факторів:

- граничного опору оболонки грунту (рис. 2);

- висоти підйому молота (рис.3);

- відношення маси молота до маси оболонки (рис.4);

- жорсткість амортизаторів.

З метою одержання аналітичних залежностей між параметрами системи "молот-наголовник-оболонка-грунт" був проведений аналіз одержаних даних з використанням рівнянь регресії. В результаті встановлено, що сила удару Р1 на контактах молот-наголовник і Р2 наголовник-оболонка може визначатись залежностями:

а) б)

Рис.1. Система "молот-наголовник-оболонка-грунт": а- реальна система; б- розрахункова схема: 1- молот; 2- наголовник; 3 -кондуктор; 4 - сердечник; 5- трамбуюча плита; 6-мачта ; 7- оболонка; 8- палець; 9 - упори; 10 - направля-

ючі; 11- прокладка; 12- передаюча плита; 13- амортизатор.

;

,

де mм, mн, mоб, mс - відповідно маси молота, наголовника, оболонки та сердечника; а1, S1 та а2, S2 - товщина і площа амортизуючих прокладок на межі "молот-наголовник" та "наголовник-оболонка"; Н1 - висота підйому молота; R - опір грунту.

Для визначення величини залишкового відказу хороший результат дає встановлена залежність виду:

.

Таким чином, в другому розділі розроблена математична модель системи

"молот-наголовник-оболонка-грунт", розкриті закономірності динамічної взаємодії молота з оболонкою (рис.5,а,б), що занурюється в грунт і встановлено слідуюче:

1.Ударна взаємодія в системі "молот-наголовник-оболонка-грунт" представляє собою багатократні співудари, характер яких залежить від режиму роботи молота.

Рис. 2. Залежність відказу оболонки е Рис. 3. Залежність контактної сили Р від

від опору грунту, R при різній енер- висоти падіння Н1 молота на контактах:

гії одиничного удару Е. 1-молот-наголовник; 2-наголовник-оболонка.

Рис. 4 Залежність відказу оболонки е

від співвідношення мас молота і оболонки з сердечником К при R=200кН. |

а) б)

Рис. 5. Конструктивні схеми

оболонок: а-ФК; б-ФКЦ.

2. Перший співудар молота з наголовником не приводить до зміни знаку його швидкості. Відскок вгору відбувається після декількох співударів.

3. Найбільший вплив на величину контактних сил мають висота падіння молота та жорсткість пружної прокладки. Вплив співвідношення мас молота і оболонки , а також величина опору грунту проявляється значно менше.

4. Основними факторами, які впливають на відказ оболонок, являються: висо-

та підйому молота, опір грунту і співвідношення мас молота і оболонки.

5. Найбільший вплив на величину контактних сил мають висота падіння молота та жорсткість пружної прокладки амортизатора.

У РОЗДІЛІ 3 обгрунтована і викладена методика проведення лабораторних досліджень і обладнання, що використовувалось.

Метою експериментальних досліджень являлось обгрунтування параметрів обладнання для занурення оболонок в грунт, а також визначення опору грунтів при зануренні оболонок.

Рис. 6. Схема стенда для дослідження зусиль занурення оболонок в грунт: 1-контейнер; 2-оболонка; 3-наголовник; 4-тензоланка; 5-реостат; 6-гідроциліндр; 7-рама; 8-гідроросподілювач; 9-насос; 10-масляний фільтр; 11-електродвигун; 12-маслобак.

Стенд для визначення зусиль зануренння в грунтову основу моделей оболонок (рис. 6). складається з металевого контейнера, відкритого зверху. На контейнері закріплена прямокутна рама, з нею шарнірно з`єднаний гідроциліндр штоком вниз, до якого прикріплена тензовимірювальна ланка, що з`єднана з моделлю і тензоапаратурою, яка складається з осцилографа К-700, підсилювача "Топаз-1" і випрямлювача "Гранат". Це забезпечує реєстрацію опору грунтової основи при зануренні моделі в грунт. Таким чином, на осцилографічному папері фіксується одночасно зусилля занурення моделі в грунтову основу і хід поршня гідроциліндра, що дозволяє побудувати по даним осцилограм графіки залежності зусилля вдавлювання від глибини занурення моделі в грунт при різній вологості та міцності (рис. 7).

а) б)

Рис. 7. Залежності зусиль занурення Рв від глибини занурення h при різній вологості W та міцності Суд грунту для моделі Ф-10: а- Суд=1уд; б- Суд=3уд.

Методика обробки результатів експериментів полягала в побудові графіків залежності зусилля вдавлювання від глибини занурення. Дані для побудови графіків одержувались в результаті обробки осцилограм записування зусиль занурення і переміщення поршня гідроциліндра.

Дослідження фізичної суті і якісних закономірностей процесу занурення в ґрунт елементів у формі усіченого конуса, проводилися на будівельних майданчиках міст Дніпропетровська, Вольногорська та Баглея в місцях, характерних з погляду геологічної будови й основних характеристик ґрунту.

Стенд для досліджень (рис. 8) складається з анкерних паль 1, залізобетонних блоків 2, поперечних балок 3, арматури 4 і хомутів 7, що зв'язують анкерні палі з поперечними балками, хомутів 5, що утримують поперечну балку 8 з монтажними кронштейнами 6 у фіксованому положенні, досліджуваної оболонки 9 із сердечником 10, опорної плити 11, гідродомкрата 12 вантажопідйомністю до 500 т зі штоком 13, бетонних плит 14 для передачі навантаження на поперечну балку 8, насосної установки 15, амортизатора 16, свердловин 17, які дають можливість замочування ґрунту на глибину до 5 м.

Основні фізико-механічні властивості ґрунту визначалися за допомогою польової лабораторії Литвинова (ПЛЛ-9) відповідно до ДСТ 5180-75 і ДСТ 5182-78.

За допомогою домкрата 12, зусилля якого через шток 13, упорну балку 8 опорну плиту 11 передається на верхній зріз оболонки 9 відбувається її занурення в ґрунт на величину ходу штока рівну 200мм.

Потім шток гідродомкрата 12 повертається у вихідне положення. Під упорну плиту 8 підкладається бетонна плита товщиною рівною робочому ходу штока гідродомкрата 12 і відбувається наступний етап занурення.

Занурення проводиться на глибину, при який деформація ґрунту стабілізується в повздовжньому і вертикальному напрямках. При цьому утворюється ущільнена зона з областями, що мають різну щільність і форму.

Після занурення до проектної мітки оболонка витягається з ґрунту за допомогою крана і у котловані, що утворився, проводиться визначення розмірів і фізико-механічних властивостей ущільненої зони.

При дослідженні впливу на процес занурення й утворення ущільненої зони замикаючого сердечника і конусоподібних насадок з різним кутом при вершині, сердечник витягається з оболонки і до трамбуючої плити кріпиться відповідна насадка .

|

Рис. 9. Загальний вигляд стенда.

Рис. 8. Конструктивна схема стенда Рис. 10. Формування ущільнених зон при

для досліджень в натурних умовах. зануренні оболонок з відкритою основою.

У РОЗДІЛІ 4 приведено результати експериментальних досліджень закономірностей занурення оболонок в грунтову основу в лабораторних і польових умовах.

За своєю формою ущільнена зона в різних ґрунтах навколо оболонки та інших елементів у формі усіченого конуса наближається до еліпсоїда обертання (рис. 10 і 11,а,б), велика вісь якого збігається з вертикальною віссю оболонки. При цьому істотна частина ущільненої зони формується під основою оболонки. Це одне з відмінностей формування ущільненої зони в порівнянні з зануренням робочих органів з невеликою площею перетину.

а) б)

Рис. 11. Формування ущільнених зон при зануренні оболонок:

а - з замикаючим сердечником; б- з конусоподібною насадкою.

При зануренні оболонок з відкрито основою, площа якої близька до 1 м2 (рис. 10) ущільнена зона, що сформувалася, характеризується наявністю чотирьох областей з різною щільністю. Область з найбільшою щільністю у виді витягнутого в горизонтальній площині еліпсоїда обертання з щільністю близько 2 г/см3 (пробка) частково розташована у внутрішній частині оболонки. Нижче пробки знаходиться область із щільністю 1,9 г/см3 (ядро), вона розташовується безпосередньо під основою елемента, що занурюється, і наближається за своєю формою до кулі, діаметр якої, приблизно, дорівнює: dя=1,1 dз, де dз – зовнішній діаметр основи оболонки. Далі розташовані ще дві області зі щільністю 1,8, 1,7 г/см3. В цьому випадку глибина деформації під основою оболонки досягає: hд=1,9dз.

Досліди по збільшенню ущільненої зони з використанням замикаючого сердечника (рис. 11,а), показали що формування ущільненої зони починається безпосередньо під основою оболонки. У цьому випадку ґрунт не потрапляє у внутрішню частину, тому при такому способі занурення утворюються тільки три області з різною щільністю: ущільнене ядро з щільністю 1,9 г/см3 і дві нижчележачі області з щільністю відповідно 1,8, 1,7 г/см3. Необхідно відзначити, що при цьому діаметр ущільненої зони і ядра збільшується. Для ущільненого ядра ця залежність буде наступною dя=1,3dз, що дає збільшення несучої здатності в межах 10...15%, при цьому глибина деформації ґрунту під основою в суглинках досягає: hд= 2,2dз.

Для підвищення несучої здатності в просадних ґрунтах доцільно використовувати конусоподібні насадки (рис. 12). В результаті дослідів з різними насадками виявлено, що найбільший приріст обсягу ущільненої зони для щільних ґрунтів дає насадка з кутом при вершині рівному 90…950, а для просадних ґрунтів 100…1100 (рис. 13). В цьому випадку діаметр ущільненого ядра визначається залежністю: dя=1,5dз, а глибина деформації грунту під основою оболонки hд= 2,4dз.

Залежності, які представлені в табл.1. являються результатом математичної обробки дослідних даних на ЕОМ з використанням програми "NAPOLI".

Таблиця 1

Рівняння регресії залежності опору ґрунту від глибини занурення для

оболонок типу Ф-10 при різній міцності ґрунтової основи (суглинок).

№

пп | Оболонка,

(М1:10) | Міцн.С,уд лаб. нат. | Волог.

w, % |

Рівняння регрессії

1. | з сердечн. | 3 30 | 11 | Рв =11752 + 70,1 h – 2,04 10-1 h2

2. | без сердечн. | 3 30 | 11 | Рв =10071 + 78,4 h – 2,42 10-1 h2

3. | з сердечн. | 2 20 | 11 | Рв = 9113 + 42,9 h – 1,16 10-1 h2

4. | без сердечн. | 2 20 | 11 | Рв = 8381 + 44,8 h – 1,29 10-1 h2

5. | з сердечн. | 1 10 | 11 | Рв = 7115 + 26,6 h – 6,83 10-2 h2

6. | без сердечн. | 1 10 | 11 | Рв = 6211 + 33,2 h – 9,72 10-2 h2

Примітка: h, мм; Рв , Н.

Рис. 12. Конструкції конусоподібних Рис. 13 Залежність діаметра ущільненого

насадок, які застосовувались для ядра dя від кута при вершині конусопо-

збільшення ущільненої зони при дібної насадки: 1- для щільних ґрунтів,

зануренні оболонок в польових С,уд =18…26; 2 – для просадних ґрунтів.

умовах С,уд =10…17.

У РОЗДІЛІ 5 приведено опис промислових зразків та технологія роботи обладнання для занурення оболонок, дана методика польових випробувань.

а) б)

в)

Рис. 14. Занурення оболонок при спорудженні нульового циклу (м. Дніпропетровськ): а – наголовник з замикаючим сердечником; б – занурення оболонки

дизель-молотом СП-47; в – будівельний майданчик після занурення оболонок.

Рис. 15. Залежність відказу е від глиби- Рис. 16. Залежність відказу оболонки е

ни занурення оболонки h; 1,2,3,4 – одер- від співвідношення мас К молота и обо-

жані результати відповідно в лютому, лонки з сердечником при різному опорі

березні, травні, і червні місяцях 1995р. грунту R в просадних грунтах з енергією

на будмайданчику (г. Дніпропетровськ). удару 80 кДж.

Експлуатаційні випробування обладнання нової конструкції підтвердили його працездатність і надійність. В процесі його роботи не було виявлено істотних пошкоджень, а тому він рекомендований для подальшої експлуатації в умовах будівельного майданчика (рис.14,а,б,в).

Показано, що копрове обладнання з дизель-молотом, що має масу ударної частини 0,5 т, можна використати для перевірки адекватності математичної моделі реальній системі. Конструкція і параметри копрового обладнання дозволяють проводити дослідження у всьому необхідному діапазоні співвідношень мас молота і занурюваних елементів.

При обробці експериментальних даних, одержаних в польових умовах, використані методи математичної статистики, що дозволяють оцінити достовірність експериментальних даних та розрахунків.

На рис.15 і рис. 16 представлені графіки залежності відказу е від глибини занурення h і від співвідношення мас молота і оболонки з сердечником К на будівельних майданчиках м. Дніпропетровська.

Зіставлення єкспериментальних і теоретичних даних показало, що величини залишкових відказів, дещо менше, в середньому на 18%, ніж при рішенні теоретичної моделі, а пружних відказів - більше в середньому на 12%. Отже, математична модель хорошо описує процес занурення оболонок в грунтову основу.

Практичне втілення створених промислових зразків було здійснено на ремонтно-механічному заводі та в УМБ-2 системи ВАТ "Дніпробудмеханізація" м. Дніпропетровська, де було виготовлено і упроваджено у виробництво вісім комплектів нового обладнання (рис. 14,а,б).

Дано оцінку техніко-економічних показників нового обладнання.

В результаті виконаних теоретичних і експериментальних досліджень в лабораторних і польових умовах сформована методика визначення основних раціональних параметрів копрового обладнання (рис. 1,а, таблиця 2).

Значення математичних символів в формулах таблиці 2:

Dоп - діаметр опорної плити наголовника; L - мінімальна відстань між осями молота і копровою мачтою; mм - маса молота; mоб - маса оболонки; mн - маса наголовника;mс - маса сердечника; hс- висота сердечника; - напруження в верхній частині оболонки; Fср - площа оболонки у середньому перерізі; Епр, Еб - відповідно модуль пружності прокладок і бетону; V - швидкість співудару молота з наголовником; Эр - розрахункова енергія удару молота; H1 - висота підйому молота; kв - коефіцієнт використання молота; - ККД молота; g - прискорення вільного падіння; H - висота оболонки; dт - діаметр трамбуючої плити; D - внутрішній діаметр основи оболонки; т - товщина трамбуючої плити; R - опір грунту; Р1, Р2 – відповідно зусилля на контактах "молот-наголовник" і "наголовник-оболонка"; S1, S2 i a1, a2 -відповідно площа і товщина прокладок на контактах "молот-наголовник" і "наголовник-оболонка"; е - залишковий відказ; К - відношення маси молота до маси оболонки і сердечника; dм - діаметр мачти; Dоб - діаметр оболонки.

Таблиця 2

Основні параметри копрового обладнання

для занурення фундаментів-оболонок

№

п/п |

Параметр |

Позн. | Од.

вим. |

Розрахункова формула

1. | Допустима маса наголовника | mн | кг

2. | Відношення маси молота до маси оболонки і сердечника | К | - | Для щільних грунтів

для просадочних грунтів

3. | Зусилля на контакті "молот-наголовник" | Р1 | Н

4. | Зусилля на контакті "молот-оболонка" | P2 | Н

5. | Залишковий відказ | е | м

6. | Висота підйому молота | Н1 | м

7. | Коефициєнт вико- ристання молота | кв | -

8. | Напруження в верхній частині оболонки | у

9. | Відстань між осями молота і мачти | L | м | де b = 0,1…0,15м

10. | Діаметр опорної плити | Dоп | м | де ? = 0,03м

11. | Висота сердечника | h | м | h = H + а2+ б, ?е ? = 0,05м

12. | Діаметр трамбую-чої плити | dт | м | dт = D - л, де л= 0,02…0,25м

13. | Товщина трамбую-

чої плити | дт | м | дт = а2 + l, де l = 0,03…0,04м

14. | Розрахункова енергія удару | Эр | кДж | Эр = mм g H1 з, де з = 0,85

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Розроблена математична модель досліджуваного процесу, яка представлена у вигляді системи нелінійних диференційних рівнянь другого порядку, дозволяє встановити величини сил, що діють між тілами багатомасової системи "молот-наголовник-оболонка-грунт", а також зміщення і швидкості всіх тіл, які входять в цю систему з урахуванням фізико-механічних характеристик грунту, дослідити дію опору грунту, висоти підйому молота, співвідношення мас молота і оболонки та жорсткості амортизатора на ефективність занурення оболонок та інших елементів в грунт.

2. В результаті рішення математичної моделі встановлені залежності для визначення сили удару на контактах "молот-наголовник" і "наголовник-оболонка" і залежність для визначення величини залишкового відказу при зануренні оболонок в грунт.

3. Встановлено, що кожний удар молота викликає серію співударів на контакті "молот-наголовник" і "наголовник-оболонка", які носять характер затухаючих механічних коливань, при цьому перший співудар молота з наголовником не приводить до зміни знаку його швидкості.

4. Найбільшу дію на величину контактних сил при співударі молота з наголовником та наголовника з оболонкою чинить висота підйому молота та жорсткість амортизуючого матеріалу, відповідно Н1, а1, а2.

5. Основними факторами, які діють на швидкість і тривалість занурення оболонки в грунт являються: висота підйому молота, співвідношення мас молота і оболонки та опір ґрунту, відповідно Н1, К, R.

6. Обгрунтована динамічна модель взаємодії в системі "молот-наголовник-

оболонка-грунт" при пружнов'язкопластичному опорі ґрунту та встановлена фізична сутність даного процесу, яка полягає в особливостях формування ущільненої зони в залежності від способу і глибини занурення, а також конструкції елементу, що занурюється і грунтових умов. При цьому в результаті експериментів в лабораторних і польових умовах встановлено слідуюче:

- ущільнена зона, яка утворюється в результаті занурення в грунт різних елементів у виді усіченого конусу (штампів, блоків, оболонок, і т. п.) має форму еліпсоїда обертання, неоднорідна по своїй структурі і складається з декількох областей з різною щільністю, геометричними розмірами і формою.

- при зануренні в супісчані грунти ущільнена зона сплюснута і більш витягнута в сторони від вертикальної вісі еліпсоїда, ніж в основі, складеної суглинками, в суглинках ущільнення грунту відбувається в основному вниз під основою елемента і в меншій мірі і в сторони від вертикальної вісі, розміри найбільш ущільненої області зони (ядра) в обох випадках, приблизно, рівні і по формі наближаються до кулі при цьому діаметр ядра при зануренні різними способами визначається слідуючими залежностями:

- з відкритою основою: dя = 1,1dз;

-

-

де dз – зовнішній діаметр основи оболонки.

- оптимальне значення кута при вершині конусоподібної насадки дорівнює: для щільних грунтів 90...950, для просадних 100…1100.

- для суглинків природного складу глибина hд - розповсюдження деформації грунту вниз від основи для оболонок з поперечним перерізом біля 1м2 при різних способах занурення визначається залежностями:

-

-

-

7. Розроблені рівняння регресії для визначення опору грунту в залежності від глибини занурення оболонки при різній міцності та вологості грунту.

8. Установлена залежність кількості ударів молота від глибини занурення оболонок при різной енергії удару при зануренні оболонок механічним молотом, виявлена залежність суммарної енергії ударів від енергії одиничного удару, залежність опору грунту зануренню оболонок від сумарного витрати енергії в різних грунтах.

9. Виявлена залежність відказу оболонки від співвідношення мас молота і оболонки з сердечником при різному опорі гpунту в щільних непросадних и просадних грунтах з різної енергією удару. Установлено, що для ефективного занурення оболонок необхідно дотримувати наступні умови:

–

–

10. При дослідженні оболонок на різних стадіях занурення виявлено, що без-

дефектність занурення на потрібну глибину дотримується при товщині амортизаційного шару гуми 100…150мм, що відповідає розрахунковій величині. При цьому енергія одиничного удару знаходиться в межах 160кДж.

11. В результаті експериментів в умовах будівельної площадки, було установлено, що оптимальна енергія ударів молота при зануренні оболонок в маловологі суглинки складає 90…130 кДж.

Допустима маса обладнання для занурення оболонок та його геометричні параметри: висота сердечника, відстань між віссю молота і мачти, діаметр та товщина трамбуючої плити визначаються по залежностям, приведеним в таблиці 2.

12. Результати польових експериментів показують, що математична модель

адекватно описує процес занурення оболонок в грунт, розходження результатів теоретичних і експериментальних досліджень не перебільшують 12…18%.

13. Розроблена методика визначення основних раціональних параметрів обладнання для занурення фундаментів-оболонок дозволила створити високоефективну машину для роботи в умовах будівельного майданчика

Створене і впроваджене у виробництво робоче обладнання підтвердило справедливість методики розрахунку його основних параметрів.

14. Загальний економічний ефект від експлуатації одного комплекту обладнання в різних організаціях склав 113612 грн. на рік (за цінами на 2003р.) за рахунок підвищення продуктивності обладнання Птех на 20…26%, зниження матеріалоємно-сті Gуд на 12…15%, енергоємності процесу занурення оболонок в грунт Nуд на 14…17%.

Питаннями подальших наукових досліджень можуть бути раціональні параметри обладнання стосовно до мерзлих і тривких грунтів, ударним машинам різного типорозміру та автоматизація процесу занурення оболонок.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах:

1. Хмара Л.А., Осипчук В.И., Пантелеенко В.И. Исследование процесса погружения фундаментов-оболочек в грунтовое основание.// Механизация строительства, №6, 1995.-С.13-15.

2. Хмара Л.А., Пантелеенко В.И. Математическое моделирование погружения в грунт фундаментов-оболочек.// Сб.науч.тр./АН Украины Компьютерное моделирование и оптимизация механических систем и процессов. Ин-т кибернетики им. В.М. Глушкова, 1994.-С.65-75.

3. Пантелеєнко В.І., Осипчук В.І. Методичні основи для визначення деяких параметрів багатомасової системи "молот-наголовник-оболонка-грунт".// Зб. наукових праць ПДАБА. Наукові дослідження для будівництва, 1994.- С.111-116.

4. Хмара Л.А., Пантелеенко В.И. Формирование математических моделей и исследование процесса погружения фундаментов-оболочек в грунт.// Сб. науч. тр. Приднепровской государственной академии строительства и архитектури. Выпуск 4.

Машины для земляных работ. -1998.- С.98-106.

5. Пантелеенко В.И. Исследование процесса погружения фундаментов-оболочек в грунт.// Сб. науч. тр. Приднепровской государственной академии строительства и архитектури. Выпуск 10. Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование.- 2000.- С.180-184.

6. Хмара Л.А., Пантелеєнко В.І. Дослідження і визначення основних параметрів обладнання для занурення фундаментів-оболонок.// Вісник Придніпровської Державної Академії Будівництва та Архітектури, №1, 2002.- С.52-56.

7. Хмара Л.А., Пантелеенко В.И. Высокоэффективное оборудование для погружения фундаментов-оболочек в грунт.// Строительство, материаловедение, ма

шиностроение. -Днепропетровск: ПГАСиА. - 2002.- Выпуск 15, Часть 3 - С.95-96.

8. Хмара Л.А., Пантелеенко В.И. Погружение тонкостенных фундаментов-оболочек в грунтовое основание.// Всеукраїнський міжвідомчий збірник наукових праць Гірничі, Будівельні, Дорожні та Меліоративні машини. Випуск №58, Київ -

2002.-С.44-50.

9. Хмара Л.А., Пантелеенко В.И. Исследование взаимодействия системы "молот-наголовник-оболочка-грунт" с грунтовым основанием.// Сб. науч. тр. Приднеп-

ровской государственной академии строительства и архитектури. Выпуск 15. Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование.

2002.- С.161-170.

10. Хмара Л.А. Пантелеєнко В.І. Дослідження та розробка копрового обладнання для занурення тонкостінних фундаментів-оболонок при спорудженні нульового циклу будівель різного призначення // Вісник Українського Державного Університету Водного Господарства та Природокористування. Частина 6. Машинознавство, математичне моделювання. Збірник наукових праць, Випуск 5, Рівне – 2002- С. 94-102.

11. Хмара Л.А. Пантелеєнко В.І. Методика вибору та призначення раціональних параметрів обладнання для занурення фундаментів-оболонок // Збірник наукових праць, Української Державної Академії Залізничного Транспорту, Випуск 50, Харків –2002. -С. 10-16.

12. Хмара Л.А., Пантелеенко В.И. Создание копрового оборудования для погружения фундаментов-оболочек // Механизация строительства, №1, Москва-2003. С. 4-7.

13. Хмара Л.А., Пантелеенко В.И. Исследование качественных закономерностей процесса погружения фундаментов-оболочек в грунт // Строительство, материаловедение, машиностроение. -Днепропетровск: ПГАСиА. - 2003.- Выпуск 22, Часть 2 - С. 236-240.

14. Хмара Л.А., Пантелеенко В.И. Исследование, разработка и создание высокоэффективного копрового оборудования для погружения фундаментов-оболочек // Сб. науч. тр. ХНАДУ Автомобильный транспорт, серия Совершенствование машин для земляных и дорожных работ. Выпуск 11, Харьков-2003.- С. 24-26.

15. Хмара Л.А., Пантелеенко В.И. Исследование и разработка высокоэффективного оборудования для погружения тонкостенных фундаментов-оболочек в грунтовое основание // Строительные и дорожные машины, №6, Москва - 2003.- С. 37-40.

16. Авторское свидетельство № 1490226 СССР: Е02 D 13/10. Наголовник. Шатов С.В., Тимошенко В.К., Хмара Л.А., Пантелеенко В.И., Дяченко Ю.Т., Эпштейн В.Л. Заявл. 13.04.87; Опубл. 01.03.89.

17. Авторское свидетельство №1571138 СССР: Е02 F 5/32. Наголовник для забивки конических блоков. Шатов С.В., Тимошенко В.К., Хмара Л.А., Пантелеенко В.И. Дяченко Ю.Т., Эпштейн В.Л. Заявл. 04.12.87; Опубл. 15.02.90.

18. Авторское свидетельство №1583542 СССР: Е02 D 7/20, 27/26. Устройство для возведения фундаментов в выштампованных котлованах. Шатов С.В., Тимошенко В.К., Хмара Л.А., Пантелеенко В.И., Дяченко Ю.Т., Эпштейн В.Л. Заявл. 20.09.88; Опубл. 08.04.90.

19. Авторское свидетельство № 1527379 СССР: Е02 D 7/02. Устройство для погружения пустотелых блоков. Шатов С.В., Тимошенко В.К., Хмара Л.А.,

Пантелеенко В.И. Дяченко Ю.Т., Эпштейн В.Л. Заявл. 07.01.88; Опубл. 08.08.89.

20. Авторское свидетельство № 1653837 СССР: Е02 D 13/10. Наголовник для забивки конических блоков. Шатов С.В., Тимошенко В.К., Хмара Л.А., Пантелеенко В.И., Дяченко Ю.Т., Эпштейн В.Л. Заявл. 06.03.89; Опубл. 08.02.91.

21. Хмара Л.А., Пантелеенко В.И. Математическое моделирование процесса погружения в грунт фундаментов-оболочек.// Материалы Всероссийской международной научно-технической конференции "Автомобильные дороги Сибири".- Россия, Омск:-1994.- С.21.

22. Хмара Л.А., Пантелеенко В.И. Математическое моделирование процесса погружения в грунт фундаментов-оболочек.// Тезисы докладов первой Всеукраин-

ской научно-технической конференции. "Прогрессивные технологии и машины для производства стройматериалов, изделий и конструкций". - Полтава:- 1996.- С. 90.

23. Исследование процесса погружения железобетонных цельноформованных фундаментов-оболочек, разработка эффективных методов и средств их погружения.// Заключительный отчет. Тема №9. Днепропетровск - 1988 - 245с.

АНОТАЦІЯ

Пантелеєнко В.І. Розробка і визначення основних параметрів обладнання для занурення фундаментів-оболонок.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.04.-машини для земляних та дорожніх робіт. Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, Дніпропетровськ, 2003.

Дисертація присвячена рішенню актуальної проблеми розробці обладнання

для ефективного занурення фундаментів-оболонок в грунт, визначенню його основних раціональних параметрів і формуванню методики розрахунку.

Застосування фундаментів-оболонок дозволяє зменшити об`єм земляних робіт, витрати бетону, металу та кошторисну вартість робіт нульового циклу.

Але процес занурення фундаментів оболонок вивчений ще не достатньо добре з точки зору взаємодії з грунтом та ефективного використання обладнання для їх за-

нурення. Мало вивчені фізичні умови процесу занурення, зокрема дія різних параметрів занурення на ефективність процесу.

В роботі обгрунтована модель взаємодії з середовищем системи "молот-наголовник-оболонка-грунт", а також розроблена математична модель процесу за-

нурення в грунт фундаментів-оболонок, яка представляє собою систему нелінійних диференційних рівнянь другого порядку, висока складність системи диференційних рівнянь не дозволяє одержати її аналітичне рішення, а тому була складена програма

для рішення системи чисельним методом на ЕОМ.

Робота включає теоретичні, лабораторні і натурні дослідження процесу занурення, на основі яких розроблені рекомендації та методика по визначенню основних раціональних параметрів обладнання для занурення фундаментів-оболонок.

Експлуатаційні випробування обладнання нової конструкції підтвердили його надійність і працездатність.

Ключові слова: обладнання, фундамент-оболонка, грунт, дослідження, методика.

АННОТАЦИЯ

Пантелеенко В.И. Разработка и определение основных параметров оборудования для погружения фундаментов-оболочек.- Рукопись.Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.04.-машины для земляных и дорожных работ. Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Днепропетровск, 2003.

Диссертация посвящена решению актуальной