Обоснование параметров оборудования для укрепления стенок скважин в водонасыщенных грунтах

При выполнений работ, связанных со строительством новых и реконструкции существующих зданий, а также при усилении фундаментов памятников архитектуры и других сооруженийзначительную долю составляет работа по устройству свайных полей [1], производство которых происходит в сложных геологических условиях [2]. Зачастую встречаются строительные площадки, где грунт представляет собой «слоеный пирог», состоящий из набора грунтов совершенно различных по своим физико-механическим свойствам [3,4,5]. В современном строительстве существуют и используются различные технологии изготовления свайных фундаментов. Забивка свай, погружение свай статическим усилием, устройство буронабивных свай с креплением стенок скважин от оплывания и обрушения глинистым раствором или обсадными трубами, изготовление свай по технологии вытеснения (уплотнения) грунта — являются основными способами изготовления свайных фундаментов.

Существующие методы устройства свайных оснований [6] способны решить необходимые задачи, поставленные проектными организациями, но почти во всех случаях встречаются проблемы, ограничивающие или запрещающие работы известными технологиями. Это связано с расположением в непосредственной близости к строительной площадке зданий, являющихся памятниками архитектуры, а также сооружений, исключающих воздействие динамических нагрузок и шумовых эффектов. Стесненные условия строительства влекут за собой ограничение площадей складирования необходимых материалов и оборудования, а, соответственно, усложнение технологического процесса работы. Выявленные проблемы дают возможность определить применимость каждой технологии устройства свай. Так, забивку свай запрещено производить в черте города рядом с существующими сооружениями из-за воздействия на них динамических нагрузок.

Погружение свай в грунт статической нагрузкой является организационно сложной технологией из-за больших габаритов и веса установки для возведения данных свай. Это обстоятельство затрудняет перебазировку и монтаж оборудования, а, соответственно, и производство работ в целом.

Установки для изготовления свай в грунте с креплением стенок скважин от обрушения глинистым раствором или обсадными трубами являются высокоэнергоемкими вследствие необходимости обеспечения погружения обсадной трубы на проектную отметку и требуют достаточно большую строительную площадку для складирования оборудования и производства работ.

Технология изготовления свай методом вытеснения (уплотнения) грунта также требует применение высокоэнергоемкой установки для погружения различных раскатывающих рабочих органов на проектную отметку и к тому же ограничивается в условиях попадания более плотных слоев грунта. В этом случае требуется использование дополнительного оборудования для осуществления лидерного бурения.

В связи с представленными ограничениями производства свай по той или иной технологии встал вопрос о создании эффективной, комбинированной конструкции оборудования для устройства свай, а также разработать методику расчета и выбора его основных параметров в зависимости от грунтовых условий.

Для решения данной задачи проведен анализ существующего оборудования и технологий для устройства свайных фундаментов. Рассмотрен перечень оборудования для проходки скважин в грунте методом уплотнения [7,8]. Разработана и исследована математическая модель процесса взаимодействия раскатывающего рабочего органа с грунтом.

Экспериментально проверена достоверность результатов аналитических исследований, а также разработана методика расчета и выбора основных параметров раскатывающего рабочего органа в зависимости от фунтовых условий.

В работе применен комплексный подход, включающий аналитический обзор способов устройства свайных фундаментов и существующих исследований в данной областиматематическое моделирование процесса взаимодействия оборудования с грунтом для формирования устойчивой стенки скважиныэкспериментальные исследования образца рабочего органа в лабораторных условиях.

Данная работа содержит 5 глав.

В первой главе проанализировано состояние проблемы устройства свайных фундаментов, рассмотрены основные технологии и оборудование для устройства свай и выявлены их недостатки. Предложено оборудование по совершенствованию конструкции и технологии устройства свайных фундаментов. Проведен анализ существующих исследований рабочих органов для формирования скважин методом уплотнения и сделаны выводы. Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе проведены исследования процессов взаимодействия сферического рабочего органа с грунтовой средой. В частности, определены силы деформации фунта в зоне его контакта с поверхностью сферического рабочего органа. Найдена форма пятна контакта сферического рабочего органа с грунтовой средой. Определено влияние геометрических параметров сферического рабочего органа и его воздействие на стенки скважины. Установлены следующие режимные параметры работы оборудования: частота вращения рабочего органа и скорость его подачи. Рассчитаны основные геометрические параметры подающего шпекового питателя и винтового наконечника. Определен момент сопротивления вращению сферического рабочего органа, как силовая характеристика взаимодействия его с грунтом. Рассчитаны зависимости толщины уплотненной стенки скважины и времени ее устойчивости от геометрических параметров рабочего органа и физико-механических свойств грунта. Определены производительность оборудования для формирования стенок скважин в водонасыщенных грунтах и удельная энергоемкость процесса взаимодействия его с грунтом.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных лабораторных исследований, направленные на подтверждение результатов, полученных аналитическим путем.

В четвертой главе приведена оценка эффективности применения оборудования для формирования стенок скважин в водонасыщенных грунтах.

В пятой главе даны рекомендации к проектированию нового оборудования. Разработана методика инженерного расчета основных параметров оборудования для формирования стенок скважин в водонасыщенных грунтах.

В заключении приведены основные выводы по работе.

В работе содержатся следующие научные результаты, выносимые на защиту:

— математическая модель процесса взаимодействия раскатывающего рабочего органа с грунтовой средойустановленные зависимости и результаты аналитических исследований.

— результаты экспериментальных исследований, направленные на подтверждение результатов, полученных аналитическим путем.

— методика выбора конструктивных и режимных параметров оборудования для укрепления стенок скважин в водонасыщенных грунтах.

Практическая ценность работы заключается:

— в создании опытных образцов рабочего органа для укрепления стенок скважин при различных режимах работы;

— в разработке рекомендаций и методики расчета параметров рабочего оборудования и режимов его работы, позволяющих снизить трудоемкость и повысить производительность работ по устройству буронабивных свай за счет укрепления стенок скважин в водонасыщенных грунтах;

— в создании экспериментального стенда для проведения учебных и научно-исследовательских работ и дальнейшего развития научных исследований по тематике.

Реализация результатов работы:

— результаты научной работы в виде опытного образца оборудования для укрепления стенок скважин в водонасыщенных грунтах переданы в организацию ЗАО «Геотехника-С» для опытной эксплуатации;

— методика определения основных параметров оборудования для устройства скважин в водонасыщенных грунтах, конструктивные решения переданы в ОАО «Саратовский научно производственный центр „РОСДОРТЕХ“» для создания оборудования для укрепления стенок скважин в водонасыщенных грунтахрезультаты научных исследований в виде методики определения основных параметров оборудования используются в учебном процессе при выполнении курсового и дипломного проектирования студентами специальности 190 205 — «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование».

Основные положения и результаты работы докладывались на Всеросийской научно-практичской конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» Программа У.М.Н.И.К. 17−18 сентября 2009 г в г. Саратове и Всеросийской научно-практичской конференции молодых ученых «Актуальные проблемы техники и технологии» Программа У.М.Н.И.К. 2007 г в г. Шахты Ростовской обл.;

Основные результаты и выводы по работе.

В диссертации дано новое решение актуальной научно-технической задачи, состоящее в разработке математической модели и методики расчета оборудования, предназначенного для повышения производительности производства работ по устройству буронабивных свай.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Анализ существующих способов технологий и оборудования для устройства буронабивных свай показал, что в настоящее время практически отсутствует технология и оборудование для сооружения буронабивных свай с креплением стенок скважин от обрушения без применения обсадных труб, а также отсутствуют исследования, позволяющие создавать оборудование для временного укрепления стенок скважин.

2. Разработана математическая модель процесса взаимодействия сферического рабочего органа с грунтовой средой, отражающая зависимость параметров, характеризующих процесс укрепления стенки скважины, от параметров рабочего органа, режимов его работы и физико-механических свойств грунта.

3. Получены функциональные зависимости угла наклона полусфер, частоты вращения рабочего органа и скорости его подачи от физико-механических свойств грунта и заданного времени устойчивости стенки скважины. Установлено, что угол наклона полусфер не должен превышать величину угла внутреннего трения материала-наполнителя, значение которого соответствует 30 — 32°. Частота вращения рабочего органа находится в зависимости от угла наклона полусфер и физико-механических свойств грунта, численное значение которой находится в пределах 30 < п < 35 мин" 1. Скорость подачи рабочего органа относительно оси скважины находится в обратной зависимости от заданной толщины стенки скважины, необходимой для ее стабилизации.

4. Экспериментальными исследованиями подтверждена зависимость толщины стенки скважины от угла наклона полусфер а, частоты вращения рабочего органа п и скорости его подачи относительно оси скважины v. Получены численные значения момента сопротивления вращению рабочего органа и толщины формируемой стенки скважины при заданных физико-механических свойствах материала-наполнителя и различных скоростях погружения рабочего органа v и углах наклона полусфер а. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных показало достаточную сходимость (расхождение не превышает 8%).

5. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана методика инженерного расчета оборудования для формирования стенок скважин в водонасыщенном грунте, позволяющая определять угол наклона полусфер относительно вертикальной оси а, частоту вращения рабочего органа п, скорость подачи рабочего органа относительно оси скважины v, момент сопротивления вращению рабочего органа М при заданных параметрах радиуса скважины R, времени устойчивости стенки скважины t' и степени водонасыщения грунта.

Выполненные исследования и их анализ позволяют определить направление дальнейших работ: создание конструкции рабочего органа способного формировать стенку скважины без устройства лидирующей скважины;

— разработка полого сферического рабочего органа для бетонирования скважины при его извлечении.