Методика оценки крутящего момента при устройстве винтовых свай

Научные публикации Технология Проектирование


Время чтения: 15 минут Интересно, но нет времени читать?

В данной статье представлена методика оценки крутящего момента при устройстве двухлопастных винтовых свай.

Обоснование необходимости оценки крутящего момента

В настоящее время при массовом устройстве винтовых свай широко применяются гидровращатели, которые устанавливаются на базовые машины различных типов: краны-манипуляторы, колесные и гусеничные экскаваторы, мини-экскаваторы, тракторы, мини-погрузчики и др. [1, 2]. При небольших объемах работ применяется способ ввинчивания винтовых свай «вручную»; в данном случае крутящий момент Мкр 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 крутящего момента Мкр 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 свай 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]: Fd = Kt . Mкр (1), где Fd — несущая способность сваи по грунту, кН; Мкр — крутящий момент, измеренный на проектной отметке нижней лопасти при ввинчивании, кН ∙ м; Kt — коэффициент пропорциональности, который зависит от диаметра ствола сваи.

Соотношение (1) было установлено на основе проведения многочисленных статистических испытаний винтовых свай 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 Kt и выполнив измерение крутящего момента Мкр, по формуле (1) отыскивается величина ее несущей способности. Поэтому разработка методики оценки крутящего момента Мкр при ввинчивании винтовой сваи является важной практической задачей.

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

Подготовка к исследованию крутящего момента в лабораторных условиях

Для измерения крутящего момента Мкр, 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.

Конструкция тензодинамометра

Рисунок 1 - Конструкция тензодинамометра: 1 – тензорезисторы, накленные под углом 45° к продольной оси; 2 – соединительные провода; 3 – стальная труба; 4 – отверстия, выполненные в стальной трубе для передачи крутящего момента; 5 – винтовая свая; 6 – отверстия для соединения тензодинамометра с винтовой сваей

Перед проведением испытаний была выполнена оценка чувствительности тензодинамометра, которая заключалась в расчете величины деформации ε1 для случая изменения крутящего момента Мкр в диапазоне от 10 до 1000 н ∙ м. Деформация, измеряемая тензорезистором при кручении определялась по следующей зависимости [9]: формула1.jpg(2) где ε1, ε3 – первая и третья главные деформации материала стальной трубы, измеряемые тензорезисторами, E – модуль упругости стальной трубы тензодинамометра, μ – коэффициент Пуассона стали, τ – максимальные касательные напряжения, действующие на поверхности стальной трубы тензодинамометра.

Величина касательных напряжений может быть определена по формуле: формула2.jpg(3) где Мкркрутящий момент, действующий на сваю, Н ∙ м; Wp — полярный момент сопротивления сечения стальной трубы тензодинамометра, м3.
Преобразуем формулу (2), используя зависимость между модулем сдвига G и модулем упругости E для изотропного материала, окончательно получим формула 3.jpg(4)
Значение деформации, вычисленное по формуле (4) для крайнего нижнего значения из заданного диапазона изменения крутящего момента (Мкр = 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].

Ход исследований

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. С этой целью была собрана измерительная схема, соответствующая условиям ввинчивания моделей винтовых свай 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 Мкр= f (∆Uизм), который позволяет установить связь между показаниями тензодинамометра и величиной крутящего момента, приложенного к свае при ее ввинчивании (рисунок 2).

График градуировки тензодинамометра

Рисунок 2 - График градуировки тензодинамометра Мкр= f (∆Uизм): Мкр – крутящий момент, Н.м; ∆Uизм – изменение напряжения на выходе измерительного моста, мВ

Процесс ввинчивания модели двухлопастной винтовой сваи

Рисунок 3 - Процесс ввинчивания модели винтовой двухлопастной сваи в глинистый грунт

Общий вид установки для измерения крутящего момента в процессе ввинчивания свай в лабораторных условиях приведен на рисунке 3. Лабораторные экспериментальные исследования для оценки крутящего момента производились для моделей двухлопастных свай на искусственно приготовленном глинистом грунте — глине текучепластичной и полутвердой консистенции. Методика приготовления глинистого грунта описана в работе [11]. Физико-механические характеристики глинистого грунта приведены в таблице.

Грунт

Физико-механические характеристики глинистого грунта

ρs, г/см3

W

ρs, г/см3

e

WL

WP

IL

φ, °

с, кПа

Глина полутвердая

2,76

0,24

1,88

0,820

0,41

0,20

0,19

16

22

Глина текучепластичная

2,76

0,36

1,87

1,01

0,41

0,20

0,76

5

11

Таблица - Физико-механические характеристики глинистого грунта

Модели двухлопастных винтовых свай были изготовлены из углеродистой стали С246 и имели следующие геометрические параметры: длина 700 мм, диаметр ствола и лопастей 57 мм и 150 мм соответственно. Расстояние между лопастями было принято 300 мм, равное двум диаметрам лопасти сваи. Данное расстояние (300 мм) выполнено кратно шагу винтовой лопасти (60 мм), с тем чтобы последующая лопасть ввинчивалась по пути, пройденному нижней лопастью, тем самым, не нарушая структуру грунта. Модели винтовых свай ввинчивались на глубину 0,6 м вручную, при устройстве также контролировалась вертикальность их положения и фиксировалось время их ввинчивания t, с. Конструкция модели винтовой сваи изображена на рисунок 4.

Модель двухлопастной винтовой сваи

Рисунок 4 - Модель винтовой двухлопастной сваи для лабораторных экспериментальных исследований

По результатам лабораторных исследований построены графики Мкр = f(t), по которым устанавливалось значение крутящего момента Мкр в зависимости от времени установки t двухлопастных свай. 

График изменения величины крутящего момента

Рисунок 5 - График изменения величины крутящего момента Мкр, Н.м, от времени установки винтовой двухлопастной сваи в глинистый грунт t, с: 1 – полутвердой; 2 – текучепластичной консистенции

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 Мкр в процессе устройства винтовых двухлопастных свай в глинистом грунте. На начальном отрезке времени (до t = 40 с) происходит увеличение крутящего момента, связанного 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 крутящего момента Мкр до достижения его максимального значения.

Основываясь на полученных результатах, можно отметить, что крутящий момент Мкр, 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 (Мкр = 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 Мкр позволит в дальнейшем подготовить рекомендации по определению несущей способности винтовых двухлопастных свай по грунту.

Выводы

  1. На основе лабораторных экспериментальных исследований разработана методика оценки крутящего момента, возникающего при ввинчивании винтовых двухлопастных свай в глинистый грунт. Методика основана на использовании тензодинамометра специальной конструкции, патентная новизна которого защищена патентом РФ на полезную модель.

  2. Результаты экспериментальных исследований работы двухлопастных винтовых свай в глинистом грунте и данные о крутящем моменте Мкр, возникающем при их ввинчивании, могут быть использованы для разработки рекомендаций для оценки несущей способности винтовых свай по грунту.

Литература

  1. History repeats. Screw piles come of age ‒ again / A.J. Lutenegger, J. Kempker // Structural Engineer. ‒ 2009. ‒ №1. ‒ P. 26‒29.

  2. Chance. Power-installed Foundations, Guy Anchors and Installing Equipment / Bulletin 01-9707. ‒ Rev. 3/07. ‒ P. 12‒13.

  3. Perco, H.A. Energy Method for Predicting the Installation Torque of Helical Foundations and Anchores / H.A. Perco // New Technological and Design Developments in Deep Foundations. ‒ ASCE, 2000. ‒ P. 342‒352.

  4. Deardorff, D.A. Torque Correlation Factors For Round Shaft Helical Piles / D.A. Deardoff // Deep Foundations Institute Symposium on Helical Piles Foundation. ‒ 2007. ‒ 20 p.

  5. Железков, В.Н. Винтовые сваи в энергетической и других отраслях строительства / В.Н. Железков. ‒ СПб.: Прагма, 2004. ‒ 125 с.

  6. Пономаренко, Ю.Е. Особенности нормативной документации при проектировании фундаментов из винтовых анкеров и свай / Ю.Е. Пономаренко, Н.Б. Баранов // ОФМГ. ‒ 2013. ‒ №1.

  7. Сваи и свайные фундаменты: конструкции, проектирование и технологии / Р.А. Мангушев, А.Л. Готман, В.В. Знаменский, А.Б. Пономарев; под ред. Р.А. Мангушева. ‒ М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2015. ‒ 311 с.

  8. Hoyt, R.M. Uplift Capacity of Helical Anchors in Soil / R.M. Hoyt and S.P. Clemence // Proceeding of the 12th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. ‒ 1989. ‒ Vol. 2. ‒ P. 1019‒1022.

  9. Икрин, В.А. Сопротивление материалов с элементами теории упругости и пластичности: Учебник для студентов, обучающихся по направлению 653500 «Строительство» / В.А. Икрин. ‒ М.: Изд. АСВ, 2004. ‒ 424 с.



Была ли информация для Вас полезной?
13
0
1

Статьи по теме