Методика оценки крутящего момента при устройстве винтовых свай

В настоящее время для быстровозводимых временных зданий наиболее перспективными являются фундаменты из металлических винтовых свай, за счет высокой производительности работ по их ввинчиванию, а также возможности их устройства в зимних условиях. Погружение свай в грунт осуществляется за счет винтовых лопастей при действии крутящего момента. 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 M _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 крутящего момента Mкр 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 вели- чины крутящего момента. Однако за рубежом такая практика широко используется. Наибольшую популярность оценки несущей способности винтовых свай приобрело соотношение, предложенное Hoytand Clemence [8]:

F d = K t · M кр , (1) где F _d – несущая способность сваи по грунту, кН; M _кр – крутящий момент, измеренный на проектной отметке нижней лопасти при ввинчивании, кН·м; K _t – коэффициент пропорциональности, который зависит от диаметра ствола сваи.

Соотношение (1) было установлено на основе проведения многочисленных статических испытаний винтовых свай на опытных площадках, сложенных различными грунтами. Основным достоинством расчета несущей способности по величине крутящего момента является оперативность и высокая достоверность полученных результатов. Установив значение коэффициента для конструкции винтовой сваи K _t · и выполнив измерение крутящего момента M _кр , по формуле (1) отыскивается величина ее несущей способности. Поэтому разработка методики оценки крутящего момента M _кр при ввинчивании винтовой сваи является важной практической задачей.

В Кубанском государственном аграрном университете (КубГАУ) совместно с Южно-Уральским государственным университетом (ЮУрГУ, г. Челябинск) ведутся исследования по совершенствованию конструктивных решений и методов расчета винтовых двухлопастных свай в глинистых грунтах. Исследования выполняются под руководством д-ра техн. наук, профессора А.И. Полищука. Автором настоящей работы была разработана методика оценки крутящего момента M _кр при устройстве винтовых двухлопастных свай в глинистые грунты. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на моделях винтовых свай. Методика заключалась в следующем.

Для измерения крутящего момента M _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, тензорезисто-ры подключались к измерительной системе по схеме полного моста. Общий вид тензодинамо-метра представлен на рис. 1.

Перед проведением испытаний была выполнена оценка чувствительности тензодинамометра, которая заключалась в расчете величины деформации 8 1 для случая изменения крутящего момента M _кр в диапазоне от 10 до 1000 Н·м.

Деформация, измеряемая тензорезистором при кручении определялась по следующей зависимости [9]:

81 = -1 т(1 + ц), 83 =- -1 т(1 + Н), (2) EE где 81, 83 - первая и третья главные деформации материала стальной трубы, измеряемые тензорези-сторами, Е – модуль упругости стальной трубы тензодинамометра, р - коэффициент Пуассона стали, т - максимальные касательные напряжения, действующие на поверхности стальной трубы тензо-динамометра.

Величина касательных напряжений может быть определена по формуле:

M кр ^т W , ^p

где Mкр – крутящий 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 Е для изотропного материала, окончательно получим:

⁸ 1 =

16Mкр nD3

/2 G .

Значение деформации, вычисленное по формуле (4) для крайнего нижнего значения из заданного диапазона изменения крутящего момента (Mкр = 10 Н • м), диаметра трубы тензодинамо- метра D=76 мм и толщины стенки t = 4 мм составляет 81 =2,09 е.о.д.

Анализ приведенных результатов показывает, что при данном конструктивном решении тензо-динамометра 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 тензо-динамометра для измерения крутящего момента

Рис. 1. Конструкция тензодинамометра: 1 – тензо-резисторы, наклеенные 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 – отверстие для соединения тензодинамометра с винтовой сваей

Теория расчета строительных конструкций 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, аналогоцифровой преобразователь Е140, соединительные кабели, персональный компьютер. Деформации тензодинамометра воспринимаются тензорезисто-рами 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, автором была проведена градуировка (тарировка) тензодина-мометра. 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 прикладывался ступенчато, на каждой ступени снимались показания с тензодинамометра. По результатам испытаний строился градуировочный график М кр = f ( A U _изм ), который позволяет установить связь между показаниями тензодина-мометра и величиной крутящего момента, приложенного к свае при ее ввинчивании (рис. 2).

Общий вид установки для измерения крутящего момента в процессе ввинчивания свай в лабораторных условиях приведен на рис. 3. Лабораторные экспериментальные исследования для оценки крутящего момента проводились для моделей двухлопастных свай на искусственно приго- товленном глинистом грунте – глине текучепластичной и полутвердой консистенции. Методика приготовления глинистого грунта в лабораторных условиях описана в работе [11]. Физикомеханические характеристики глинистого грунта приведены в таблице.

Модели двухлопастных винтовых свай были изготовлены из углеродистой стали С245 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

ди,ж,мв

Рис. 2. График градуировки тензодинамометра M кр = f ( ∆U изм ): М кр – крутящий момент, Н·м; ∆U изм – изменение напряжения на выходе измерительного моста, мВ

Рис. 3. Процесс ввинчивания модели винтовой двулопастной сваи в глинистый грунт

Физико-механические характеристики глинистого грунта

Грунт Физико-механические характеристики глинистого грунта р 5, г/см3 W р, г/см3 е WL WP IL ф, ° 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 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 рис. 4.

По результатам лабораторных исследований построены графики Мк, = f (t), по которым устанавливалось значение крутящего момента Мкр в зависимости от времени установки t двухлопастных свай. На рис. 5 (1, 2) представлен график ре-зультатовввинчивания 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) проис- ходит 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 c). 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 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 даль-

Рис. 4. Модель винтовой двухлопастной сваи для лабораторных экспериментальных исследований

Рис. 5. График изменения величины крутящего момента М кр , Н·м, от времени установки винтовой двухлопастной сваи в глинистый грунт t , с:

1 – полутвердой; 2 – текучепластичной консистенции

Теория расчета строительных конструкций нейшем 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 тензо-динамометра 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 М _кр , возникающем при их ввинчивании, могут быть использованы для разработки рекомендаций для оценки несущей способности винтовых свай по грунту.