Методика оценки крутящего момента при устройстве винтовых свай

В настоящее время при массовом устройстве винтовых свай широко применяются гидровращатели, которые устанавливаются на базовые машины различных типов: краны-манипуляторы, колесные и гусеничные экскаваторы и др.^{[1, 2]}.

При небольших объемах работ применяется способ ввинчивания винтовых «вручную», в этом случае крутящий момент М_кр создается за счет мускульной силы монтажников. Зачастую диаметр ствола таких свай не превышает 100-120 мм при их длине не более 3-4 м.

Величина М_кр при ввинчивании сваи может быть использована для оценки ее несущей способности по грунту, так как между этими величинами существует корреляционная зависимость, отмеченная многими исследователями^[3‒8]. В отечественных строительных нормах отсутствуют рекомендации по оценке несущей способности по результатам измерения величины крутящего момента. Однако за рубежом такая практика широко используется. Наибольшую популярность оценки несущей способности винтовых свай приобрело соотношение, предложенное Hoytand Clemence^[8]:

Данное соотношение было установлено на основе проведения многочисленных статистических испытаний на опытных площадках, сложенных различными грунтами. Основным достоинством расчета несущей способности по величине крутящего момента является оперативность и высокая достоверности полученных результатов.

Установив значение коэффициента для конструкции винтовой сваи K_t и выполнив измерение М_кр, по формуле, можно отыскать величину ее несущей способности. Поэтому разработка методики оценки крутящего момента М_кр при ввинчивании винтовой сваи является важной практической задачей.

Специалистами научного отдела компании «ГлавФундамент» была разработана методика оценки крутящего момента М_кр при устройстве винтовых двухлопастных свай в глинистые грунты. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях.

Для измерения М_кр, возникающего в реальных условиях при ввинчивании свай, разработана конструкция тензодинамометра, выполненная из стальной трубы с наружным диаметром 76 мм и толщиной стенки трубы 4 мм. Тензорезисторы наклеивались на наружную поверхность трубы под углом 45° к ее продольной оси.

Для передачи крутящего момента от внешнего источника к винтовой свае через тензодинамометр в последнем выполнено по два отверстия в верхней и нижней частях стальной трубы. Для преобразования

возникающих в процессе ввинчивания деформаций в электрический сигнал использовались тензорезисторы марки ПКБ-10 = 100ХА. С целью снижения уровня погрешности измерения, повышения чувствительности тензорезисторов, уменьшения влияния температурной погрешности и компенсации деформации изгиба, тензорезисторы подключались к измерительной системе по схеме полного моста.

Общий вид тензодинамометра представлен на рисунке 1.

Значение деформации, вычисленное по данной формуле для крайнего нижнего значения из заданного диапазона изменения крутящего момента (М_кр = 10 Н^.м), диаметра трубы тензодинамометра D = 76 мм и толщины стенки t = 4 мм составляет ε₁ = 2,09 е.о.д.

Анализ приведенных результатов показывает, что при данном конструктивном решении тензодинамометра уровень регистрируемого сигнала достаточно высок. С учетом повышения чувствительности за счет схемы полного моста сигнал измерительной информации может быть увеличен в четыре раза.

Таким образом, принятая конструкция тензодинамометра для измерения крутящего момента обладает достаточно высокой чувствительностью и обеспечивает приемлемую точность измерений во всем диапазоне изменения крутящего момента. Разработанная конструкция тензодинамометра защищена патентом РФ на полезную модель^[10].

Для регистрации электрических сигналов с тензорезисторов использовалась блок-схема измерения, включающая в себя тензодинамометр, тензометрический усилитель 8АНЧ-26, аналого-цифровой преобразователь Е140, соединительные кабели, персональный компьютер.

Деформации тензодинамометра воспринимаются тензорезисторами и преобразуются в изменение напряжения в измерительной диагонали мостовой схемы. Уровень изменения напряжения в измерительной диагонали моста варьируется в пределах 0,01‒10 мВ и поэтому требует усиления. Для этого используется специализированный тензометрический восьмиканальный усилитель на несущей частоте 8АНЧ-26. Усиленный аналоговый сигнал с усилителя поступает на вход АЦП, где оцифровывается и превращается в цифровой код.

Результаты оцифровки данных записываются в память ПК и могут быть использованы для проведения обработки результатов и дальнейших исследований.

Максимальный уровень сигнала в измерительной диагонали мостовой схемы получается при наклейке тензорезисторов под углом 45° к продольной оси трубы. При этом угол между осями установки

составляет 90°. В том случае, когда возникает отклонение от оптимальных углов установки тензорезисторов, возникает систематическая погрешность, связанная со снижением уровня воспринимаемой деформации.

Для более достоверной оценки результатов экспериментальных исследований на моделях винтовых свай в лабораторных условиях, специалистами была проведена градуировка (тарировка) тензодинамометра. Была собрана измерительная схема, соответствующая условиям ввинчивания моделей в лабораторных условиях.

Нижняя часть тензодинамометра закреплялась в слесарных тисках, через отверстия в верхней части тензодинамометра прикладывался крутящий момент, который создавался путем приложения к свае пары сил с плечом L = 1,0 м. Крутящий момент прикладывается ступенчато, на каждой ступени снимались показания с тензодинамометра.

По результатам испытаний строился градуировочный график М_кр = f (∆U_изм), который позволяет установить связь между показаниями тензодинамометра и величиной крутящего момента, приложенного к свае при ее ввинчивании (рисунок 2).

На рисунке 5 (1, 2) представлен график результатов ввинчивания сваи в глинистый грунт текучепластичной и полутвердой консистенции. Анализируя полученные результаты, можно отметить общую закономерность изменения величины крутящего момента М_кр в процессе устройства винтовых двухлопастных свай в глинистом грунте.

На начальном отрезке времени (до t = 40 с) происходит увеличение М_кр, связанное с мобилизацией сил сопротивления грунта вокруг нижней лопасти. После погружения нижней лопасти величина момента остается постоянной на протяжении примерно 110 с (t ≈ 110 с). При погружении второй лопасти, начиная с момента времени t ≈ 160 с, происходит повторное увеличение М_кр до достижения его максимального значения.

Основываясь на полученных результатах, можно отметить, что крутящий момент М_кр, необходимый для ввинчивания свай в полутвердые грунты, в среднем в три раза больше по сравнению с моментом, возникающем при устройстве свай в текучепластичный глинистый грунт (М_кр = 200 Н^.м и 65 Н^.м соответственно). При погружении второй лопасти в грунт текучепластичной и полутвердой консистенции, происходит увеличение крутящего момента на 35 и 50 % соответственно.

Таким образом, разработанная методика оценки крутящего момента М_кр позволит в дальнейшем подготовить рекомендации по определению несущей способности винтовых двухлопастных свай по грунту.