СПОСОБ ПОГРУЖЕНИЯ ТРУБЧАТОЙ СВАИ В ВЕЧНОМЕРЗЛЫЙ ГРУНТ Российский патент 2009 года по МПК E02D7/22 

Изобретение относится к области строительства, а именно к сооружению свайных несущих конструкций в вечномерзлом грунте.

В настоящее время весьма перспективным является производимый без бурения термовращательный способ погружения полых трубчатых свай в вечномерзлый грунт, при котором одновременно производят оттаивание грунта и погружение сваи, осуществляемое путем передач на сваю крутящего момента и вдавливающего осевого усилия [см., например, SU 1666674, RU 2109881].

В процессе погружения сваи происходит трение ее торца и боковой поверхности о грунт, сопровождающееся преобразованием передаваемой свае механической энергии в тепловую энергию и оттаиванием вмещаемого и окружающего грунта, который выдавливается из-под торца сваи под действием осевого усилия.

Основными параметрами, определяющими режим погружения по рассматриваемому способу, являются параметры, характеризующие передаваемые на сваю крутящий момент и осевое усилие, такие как угловая скорость вращения сваи, величина вдавливающей осевой нагрузки, величина или скорость вертикальной осевой подачи сваи. Указанные параметры влияют на процесс тепловыделения в зоне нагрева грунта и погружаемой сваи и при заданных ее размерах зависят от физико-механических и теплофизических свойств конкретного грунта. При этом указанные параметры режима погружения должны быть взаимоувязаны друг с другом так, чтобы оттаявший за счет воздействия теплового потока и выдавливаемый под действием приложенного осевого усилия грунт успевал удаляться из-под торца сваи по мере ее погружения в грунт. Таким образом, при осуществлении рассматриваемого способа актуальной является задача выбора оптимального соотношения параметров, определяющих режим погружения сваи.

Известен способ погружения трубчатой сваи в вечномерзлый грунт [RU 2199627], включающий вращение сваи с одновременной ее вертикальной подачей под действием приложенной к свае вдавливающей осевой нагрузки, который выбран авторами в качестве ближайшего аналога.

В данном способе, включающем вращение сваи с одновременной ее осевой подачей под действием приложенной к свае вдавливающей осевой нагрузки, регулируют величины осевой подачи сваи, вдавливающей осевой нагрузки и угловой скорости вращения сваи с использованием зависимостей, учитывающих размеры сваи и физико-механические и теплофизические свойства грунта.

Величину осевой подачи h определяют из соотношения

где h - величина осевой подачи, мм/об,

P_T - величина вдавливающей осевой нагрузки, кгс,

f - коэффициент трения стали о грунт,

k - термический эквивалент работы, кал/кгм,

k₁ - удельная теплоемкость льда, кал/г,

t° - температура мерзлого грунта, °С,

k₂ - теплота плавления льда, кал/г,

q - удельная масса льда, г/мм³,

k_L - коэффициент льдистости мерзлого грунта,

δ_св - толщина стенки сваи, мм,

δ' - расширение торцевой плоскости зоны трения вследствие радиальных биений торца трубы.

Величину угловой скорости вращения сваи ω определяют известным образом, например, по зависимости, связывающей величину осевой подачи h и заданную производительность погружения сваи при использовании конкретного оборудования.

В том случае, если определенная указанным образом угловая скорость вращения сваи ω превышает максимально допустимую расчетную величину, увеличивают величину осевой подачи h путем изменения параметров Р_T, f и/или δ, и вновь определяют величину угловой скорости вращения ω по вышеуказанным зависимостям, осуществляя указанные манипуляции до тех пор, пока не находят значение угловой скорости сваи ω, лежащее в допустимых пределах.

В рассматриваемом способе параметры режима погружения определяются из расчета теплового взаимодействия нижнего торца трубчатой сваи с кольцевой поверхностью грунта при условии постоянного поддерживания указанного контакта. Однако в рассматриваемом способе при расчете параметров режима погружения не учитывается их связь с гидродинамическими процессами движения слоя оттаявшего грунта у торца и боковой поверхности сваи, что снижает точность выбора параметров режима погружения.

Задачей заявляемого способа является повышение точности выбора параметров режима погружения сваи.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в способе погружения трубчатой сваи в вечномерзлый грунт, включающем вращение сваи с одновременной ее вертикальной подачей под действием приложенной к свае вдавливающей осевой нагрузки, параметры режима погружения сваи регулируют с использованием зависимостей, учитывающих размеры сваи и физико-механические и теплофизические свойства грунта. Согласно изобретению в качестве регулируемых параметров режима погружения сваи используют скорость вертикальной подачи сваи Vп, величину вдавливающей осевой нагрузки Р_Т и угловую скорость вращения сваи ω, которые определяют с использованием номограммы, построенной в логарифмической системе координат, в которой по оси абсцисс отложены значения величины (a_th/δ_th), представляющей собой отношение температуропроводности грунта в талом состоянии a_th к толщине прослойки талого грунта под торцом сваи δ_th, изменяющиеся в пределах от 1 до 1000 м/ч, по оси ординат отложены значения скорости вертикальной подачи сваи Vп, изменяющиеся в пределах от 1 до 100 м/ч, при этом номограмма содержит два семейства графических зависимостей Vп от величины (а_th/δ_th), первое из которых представляет собой совокупность графических зависимостей вида

Vп=A·[1/(a_th/δ_th)³],

построенных при постоянных, но разных значениях функции А, задаваемых из диапазона ln А=1÷9,

а второе представляет собой совокупность графических зависимостей вида

построенных при постоянных, но разных значениях функции В, задаваемых из диапазона В=1,5÷2000,

причем функция А определяется математической зависимостью, имеющей вид

А=1200(P_T·F_T)·(а_th ³/ν·ρ_th·δ_СВ ²), м⁴/ч⁴,

где

Рт - величина вдавливающей осевой нагрузки, Н,

Fт - площадь торца сваи, м²,

ν - кинематическая вязкость талого грунта, м²/ч,

ρ_th - плотность оттаянного грунта, кг/м²,

δ_св - толщина стенки сваи, м,

а функция В определяется математической зависимостью, имеющей вид

B=[π·ω·D_СВ·(Р_Т/F_T)·tgϕ]/[(L_О·(W_tνt-W_w)·ρ_d-T_z·C_f], м/ч,

где ω - скорость вращения сваи, 1/с,

Dсв - диаметр сваи, м,

Fт - площадь торца сваи, м²,

ϕ - угол внутреннего трения талого грунта,

Lo=3,35·10⁵, удельная теплота фазовых превращений лед-вода, Дж/кг,

Wtvt - суммарная влажность мерзлого грунта, %,

Ww - влажность грунта за счет незамерзшей воды, %,

ρ_d - плотность сухого грунта, кг/м³,

Tz - средняя по глубине погружения сваи температура мерзлого грунта, °С,

C_f - теплоемкость мерзлого грунта, ккал/°С·м³.

В частном случае выполнения изобретения (при решении "прямой" задачи) при заданных величинах вдавливающей осевой нагрузки Рт и скорости вращения сваи ω находят требуемую скорость вертикальной подачи сваи Vп графическим путем, для чего по вышеприведенным математическим зависимостям для функций А и В определяют их конкретные значения при известных размерах сваи и входящих в указанные математические зависимости параметрах, характеризующих физико-механические и теплофизические свойства конкретного грунта, наносят полученные конкретные значения функций А и В на поле номограммы в виде отрезков графических зависимостей, параллельных графическим зависимостям семейств номограммы, и принимают в качестве искомой скорости вертикальной подачи сваи Vп ординату точки пересечения указанных отрезков графических зависимостей.

В частном случае выполнения изобретения (при решении "обратной" задачи) при заданной скорости вертикальной подачи сваи Vп и известных параметрах конкретного грунта a_th и δ_th находят требуемые величины вдавливающей осевой нагрузки Рт и скорость вращения сваи ω, для чего вычисляют конкретное значение величины (а_th/δ_th), из точек на осях координат номограммы, соответствующих заданной скорости вертикальной подачи сваи Vп и вычисленному значению величины (a_th/δ_th), восстанавливают перпендикуляры к осям, находят точку пересечения указанных перпендикуляров на поле номограммы, определяют соответствующие указанной точке пересечения конкретные значения функции В и величины ln А, по которой находят конкретное значение функции А, после чего по указанным выше математическим зависимостям для функций А и В определяют искомые значения величины вдавливающей осевой нагрузки Рт и скорости вращения сваи ω.

Принципиально новым в заявляемом способе является использование описанной выше номограммы для регулирования указанных выше искомых параметров режима погружения, то есть для выбора каких-либо из них при известности других в зависимости от размеров сваи и свойств конкретного грунта. При этом в основу построения кривых семейств номограммы положены осуществленные авторами заявляемого изобретения расчеты тепловых, механических и гидродинамических процессов при погружении сваи, основанные на результатах экспериментально-теоретического анализа термовращательного способа погружения.

При расчетах теплового взаимодействия погружаемой сваи с вмещающим грунтом и при гидравлических расчетах движения слоя оттаявшего грунта у торца и боковой поверхности сваи была исследована связь параметров режима погружения с величиной δ_th - толщиной прослойки талого грунта под торцом сваи.

Под действием теплового потока грунт под торцом сваи оттаивает, а оттаявший грунт под действием осевой вдавливающей нагрузки Рт выдавливается из-под торца сваи, способствуя ее погружению в грунт. При этом процессы оттаивания грунта и его удаления находятся в динамическом равновесии, характеризуемом толщиной δ_th, определяемой в свою очередь скоростью оттаивания грунта (скоростью вертикальной подачи сваи Vп), величиной осевой вдавливающей нагрузки Рт и гидравлическим сопротивлением при выдавливании оттаявшей массы из-под торца сваи. При уменьшении δ_th скорость оттаивания грунта (скорость вертикальной подачи сваи Vп) растет, а температура грунта у торца сваи уменьшается. По мере увеличения δ_th указанная температура растет, а скорость вертикальной подачи сваи Vп падает. Уменьшение δ_th достигается увеличением осевой вдавливающей нагрузки Рт и созданием условий для возможного удаления оттаявшего грунта за околосвайное пространство.

На основании произведенных авторами исследований и расчетов были получены два вида зависимостей, связывающих параметр режима погружения Vп и величину δ_th:

и

,

где

а

в которые входит широкий круг указанных выше величин, определяющих размеры сваи и физико-механические и теплофизические свойства грунта. При этом в уравнение (1) входят параметр режима погружения Рт, а в уравнение (2) - параметры режима погружения Рт и ω.

Используемая в заявляемом способе номограмма представляет собой решение в графическом виде приведенной выше системы уравнений (1) и (2) относительно Vп и δ_th.

Параметры Vп и (a_th/δ_th), где a_th - температуропроводность грунта в талом состоянии, являются осями логарифмической системы координат, в которых построена номограмма, и изменяются соответственно в пределах от 1 до 100 м/ч и от 1 до 1000 м/ч. Указанные пределы рассматриваемых параметров соответствуют возможно допустимым диапазонам изменения функций А и В соответственно ln A=1÷9 и B=1,5÷2000, которые были получены при подстановке в функции А и В всех возможных значений входящих в них величин, которые указанные величины могут принимать на практике.

Таким образом, заявляемый способ позволяет определить параметры режима погружения с высокой точностью, так как они находятся с использованием номограммы, в основу построения семейств кривых которой, а также в основу графического расчета точек, наносимых на ее поле, положены зависимости, учитывающие большое количество взаимосвязанных параметров и величин, характеризующих как тепловые и механические, так и гидродинамические процессы при погружении свай.

На фиг.1 представлен пример выполнения номограммы и определения требуемой скорости вертикальной подачи сваи Vп при заданных величинах вдавливающей осевой нагрузки Рт и скорости вращения сваи ω (прямая задача); на фиг.2 представлен пример выполнения номограммы и определения требуемых величин вдавливающей осевой нагрузки Рт и скорости вращения сваи ω при при заданной скорости вертикальной подачи сваи Vп и известных параметрах конкретного грунта а_th и δ_th (обратная задача).

Способ осуществляют следующим образом.

В логарифмической системе координат, в которой по оси абсцисс откладывают значения величины (a_th/δ_th), представляющей собой отношение температуропроводности грунта в талом состоянии а_th к толщине прослойки талого грунта под торцом сваи δ_th, которые изменяются в пределах от 1 до 1000 м/ч, а по оси ординат откладывают значения скорости вертикальной подачи сваи Vп, которые изменяются в пределах от 1 до 100 м/ч, строят первое и второе семейства графических зависимостей Vп от величины (а_th/δ_th) по формулам соответственно (1) и (2). При этом первое семейство зависимостей (1), которые имеют вид наклонных прямых, строят при постоянных, но разных значениях А, изменяющихся в пределах ln А=1÷9, а второе семейство зависимостей (2), которые имеют вид кривых, строят при постоянных, но разных значениях В, изменяющихся в пределах В=1,5÷2000.

В случае определения скорости вертикальной подачи сваи Vп при заданных величинах вдавливающей осевой нагрузки Рт и скорости вращения сваи ω (при решении прямой задачи) осуществляют следующие действия.

При известных размерах сваи δ_св, Dсв и, соответственно, вычисленном Fт, известных значениях Рт и ω, задаваемых с помощью используемого оборудования, известных характеристиках грунта, часть из которых (а_th, ν, ϕ, Lo, C_f) находят для конкретного вида грунта из справочников, а часть (ρ_th, Wtvt, Ww, ρ_d, Tz) определяют для конкретного вида грунта в результате предварительно произведенных геологоразведочных исследований, вычисляют расчетные значения ln А и В с использованием соответственно формул (3) и (4).

На поле номограммы наносят отрезки прямой и кривой, соответствующие расчетным значениям ln А и В.

Из точки пересечения нанесенных на поле номограммы указанных отрезков прямой и кривой проводят линии, параллельные осям координат. В качестве искомой величины Vп принимают ординату точки пересечения указанных отрезков прямой и кривой.

Зная абсциссу точки пересечения нанесенных на поле номограммы отрезков прямой и кривой можно также определить значение параметра δ_th.

Так на фиг.1 представлен пример решения прямой задачи, в частности, для сваи диаметром 325 мм с толщиной стенки 8 мм, погружаемой с помощью бурового станка, создающего осевое усилие Рт=103 кН и ω=21 об/мин в мерзлые суглинки, тугопластичные при оттаивании.

Для примера, представленного на фиг.1, были получены расчетные значения ln A₁=6,5 (A₁=665) и В₁=190 м/ч.

На поле номограммы нанесены отрезки прямой и кривой, соответствующие расчетным значениям ln A₁=6,5 и B₁=190.

Из точки C₁ пересечения нанесенных на поле номограммы отрезков прямой и кривой проведены линии, параллельные осям координат. В качестве искомой величины скорости Vп принята ордината точки C₁ пересечения отрезков прямой и кривой, соответствующих значениям In A₁=6,5 и В₁=190, которая составляет величину 86 м/ч.

Абсцисса точки C₁ имеет значение (a_th/δ_th)=33 м/ч. При условии, что для рассматриваемого вида грунта a_th=1,77·10^-3 м/ч, параметр δ_th составляет величину 0,054·10^-3 м (0,054 мм).

В случае определения величины вдавливающей осевой нагрузки Рт и скорости вращения сваи ω при заданной скорости вертикальной подачи сваи Vп и известных параметрах конкретного грунта а_th и δ_th (при решении обратной задачи) осуществляют следующие действия.

Для известного из справочника значения а_th и заданного (например, известного из практики) значения δ_th вычисляют значение величины (а_th/δ_th). Из точек на осях координат номограммы, соответствующих заданной скорости вертикальной подачи сваи Vп и вычисленному значению величины (a_th/δ_th), восстанавливают перпендикуляры к осям и находят точку пересечения указанных перпендикуляров на поле номограммы.

Определяют соответствующие указанной точке пересечения конкретные значения функции В и величины ln А. Зная значение ln А, определяют конкретное значение функции А. Затем по указанным выше математическим зависимостям (3) и (4) для найденных значений функций А и В определяют искомые значения величины вдавливающей осевой нагрузки Рт и скорости вращения сваи ω.

Так на фиг.2 представлен пример решения обратной задачи, в частности, для сваи диаметром 325 мм с толщиной стенки 8 мм, погружаемой с помощью бурового станка в мерзлые суглинки, тугопластичные при оттаивании, со скоростью вертикальной подачи Vп=20 м/ч при значениях параметров грунта а_th=1,77·10^-3 м/ч и δ_th=0,085·10^-3 м (при этом a_th/δ_th=21 м/ч).

Из точек на осях координат номограммы Vп=20 м/ч и (a_th/δ_th)=21 м/ч проведены перпендикуляры к осям до их пересечения в точке С₂.

Определяем соответствующие точке С₂ значения ln A₂=5,27, при этом А₂=195 м⁴/ч⁴ и В₂=45 м/ч.

Для найденных значений функций А₂=195 м⁴/ч⁴ и В₂=45 м/ч искомые значения величины вдавливающей осевой нагрузки и скорости вращения сваи, вычисленные с использованием зависимостей (3) и (4), составляют соответственно величины Рт=30,2 кН и ω=17 об/мин.

Изобретение относится к области строительства, а именно к сооружению свайных несущих конструкций в вечномерзлом грунте. Задачей заявляемого способа является повышение точности выбора параметров режима погружения сваи. Способ погружения трубчатой сваи в вечномерзлый грунт включает вращение сваи с одновременной ее вертикальной подачей под действием приложенной к свае вдавливающей осевой нагрузки. При этом регулируют скорость вертикальной подачи сваи Vп, величину вдавливающей осевой нагрузки Рт и угловую скорость вращения сваи ω с использованием номограммы, построенной в логарифмической системе координат, в которой по оси абсцисс отложены значения величины (а_th/δ_th), представляющей собой отношение температуропроводности грунта в талом состоянии a_th к толщине прослойки талого грунта под торцом сваи δ_th, а по оси ординат отложены значения скорости вертикальной подачи сваи Vп. Номограмма содержит два семейства графических зависимостей Vп от величины (a_th/δ_th), в основу построения которых положены расчеты тепловых, механических и гидродинамических процессов при погружении сваи. Указанная номограмма обеспечивает возможность выбора в зависимости от размеров сваи и свойств конкретного грунта скорости вертикальной подачи сваи Vп при известности Рт и ω, а также возможность выбора вдавливающей осевой нагрузки Рт и угловой скорости вращения сваи ω при известности Vп и a_th, δ_th. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ погружения трубчатой сваи в вечномерзлый грунт, включающий вращение сваи с одновременной ее вертикальной подачей под действием приложенной к свае вдавливающей осевой нагрузки, при этом параметры режима погружения сваи регулируют с использованием зависимостей, учитывающих размеры сваи и физико-механические и теплофизические свойства грунта, отличающийся тем, что в качестве регулируемых параметров режима погружения сваи используют скорость вертикальной подачи сваи Vп, величину вдавливающей осевой нагрузки Рт и угловую скорость вращения сваи ω, которые определяют с использованием номограммы, построенной в логарифмической системе координат, в которой по оси абсцисс отложены значения величины (а_th/δ_th), представляющей собой отношение температуропроводности грунта в талом состоянии a_th к толщине прослойки талого грунта под торцом сваи δ_th, изменяющиеся в пределах от 1 до 1000 м/ч, по оси ординат отложены значения скорости вертикальной подачи сваи Vп, изменяющиеся в пределах от 1 до 100 м/ч, при этом номограмма содержит два семейства графических зависимостей Vп от величины (a_th/δ_th), первое из которых представляет собой совокупность графических зависимостей вида

Vп=A·[1/(a_th/δ_th)³],

построенных при постоянных, но разных значениях функции А, задаваемых из диапазона ln А=1÷9,

а второе представляет собой совокупность графических зависимостей вида

построенных при постоянных, но разных значениях функции В, задаваемых из диапазона В=1,5÷2000,

причем функция А определяется математической зависимостью, имеющей вид

A=1200(P_T·F_T)·(a_th ³/ν·ρ_th·δ_CB ²), м⁴/ч⁴,

где Рт - величина вдавливающей осевой нагрузки, Н;

Fт - площадь торца сваи, м²;

ν - кинематическая вязкость талого грунта, м²/ч;

ρ_th - плотность оттаянного грунта, кг/м²;

δ_CB - толщина стенки сваи, м,

а функция В определяется математической зависимостью, имеющей вид

B=[π·ω·D_CB·(Рт/Fт)·tgϕ]/[Lo·(Wtvt-Ww)·ρ_d-T_z·C_f], м/ч,

где ω - скорость вращения сваи, с^-1;

Dсв - диаметр сваи, м;

Fт - площадь торца сваи, м²;

ϕ - угол внутреннего трения талого грунта;

Lo=3,35·10⁵, удельная теплота фазовых превращений лед-вода, Дж/кг;

Wtvt - суммарная влажность мерзлого грунта, %;

Ww - влажность грунта за счет незамерзшей воды, %;

ρ_d - плотность сухого грунта, кг/м³;

T_z - средняя по глубине погружения сваи температура мерзлого грунта, °С;

C_f - теплоемкость мерзлого грунта, ккал/(°С·м³).