автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Технологические основы механического уплотнения грунтов сферодвижущимися рабочими органами при гидромелиоративном строительстве



.1 р оидиум ВАК России г. ч^судйл ученую степень ДОКТОРА

У

Л/

Саратовский государственный технический университет

Перменов Анатолий Николаевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИЧЕСКОГО УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ СФЕРОДВИЖУЩИМИСЯ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ ПРИ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

на правах рукописи

Специальность 05.23.07. Гидротехническое и мелиоративное строительство

Диссертация на соискание

ученой степени доктора технических наук

Саратов - 1997

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ............................ 6

1. Состояние проблемы уплотнения грунтов в гидромелиоративном строительстве. Цель и

задачи научной работы..................12

1.1. Методы уплотнения грунтов. Классификация, технологические требования и рекомендации .....12

1.2. Характеристика объектов строительства и

условий производства работ ................18

1.3. Типовые технологии производства работ.

Машины и оборудование ................25

1.4. Оценка эффективности работы используемых

средств механизации ....................43

1.5. Анализ сложившейся технико-экономической ситуации в области использования и дальнейшего развития средств механизации.

Цель и задачи научной работы...............54

2. Формирование научных предпосылок к перспективному направлению совершенствования технологических процессов механического уплотнения

грунтов ............................62

2.1. Исследование факторного пространства, определяющего особенности

деформационного поведения грунта ...........62

2.1.1. Вид грунта и его физическое состояние .........64

2.1.2. Вид напряженного состояния и режим

нагружения ..........................68

2.1.3. Характер и продолжительность нагружения.......85

2.2. Технологические принципы традиционных

рабочих органов уплотняющих машин и

оборудования. Основные результаты

исследований ......................... 91

2.2.1. Общие сведения .......................91

2.2.2. Рабочие органы для послойного уплотнения

грунтов.............................92

2.2.3. Рабочие органы для глубинного уплотнения

грунтов ............................. 101

3, Исследование основных параметров и технологических принципов

сферодвижущихся рабочих органов ..........111

3.1. Технологические принципы и особенности работы сферодвижущихся рабочих органов. Результаты предварительных опытов. Цель и

задачи системных научных исследований........111

3.2. Теоретические исследования ...............119

3.2.1. Кинематические характеристики сферодвижущегося конуса.................119

3.2.2. Основные методические положения ...........124

3.3.3. Определение основных параметров рабочего

органа для поверхностного уплотнения грунтов .... 128

3.2.4. Определение основных параметров рабочего органа для глубинного уплотнения грунтов и

образования скважин....................137

3.3. Экспериментальные исследования ...........154

3.3.1. Основные методические положения ..........154

3.3.2. Особенности деформационных процессов .......176

3.3.3. Результаты лабораторных исследований основных параметров сферодвижущихся

рабочих органов .......................185

4. Практическая реализация результатов

научных исследований ..................224

4.1. Методика инженерного расчета основных параметров сферодвижущихся рабочих органов для механического уплотнения

грунтов .............................224

4.2. Предложения по созданию и использованию в народном хозяйстве семейства машин и оборудования со сферодвижущимися

рабочими органами .....................231

4.3. Новые технологии производства типовых

видов работ ..........................237

4.4. Материалы производственных испытаний опытно-экспериментального образца

оборудования СД-601 .................... 243

4.5. Область альтернативного применения сферодвижущихся рабочих органов............244

5. Оценка экономической эффективности практической реализации результатов научных исследований..................255

Заключение .........................259

Литература .........................264

Приложения .........................284

ВВЕДЕНИЕ.

Федеральной программой стабилизации и развития инженерно-технической сферы АПК на 1996-2000 гг., с целью повышения плодородия почв России, а также устранения последствий недостаточного финансирования, намечено реконструировать оросительных систем - 650 тыс. га, обводнить пастбищ, включая их реконструкцию - 2300 тыс. га, оросить - 270 тыс. га, заменить вышедшие из строя трубопроводы на оросительной сети - 5000 км.

Успешное решение поставленных задач, в современных экономических условиях, требует использования высокомеханизированных технологий, сберегающих трудовые, материальные и энергетические ресурсы, а также обеспечивающих качество работ в соответствии с требованиями СНиП. В связи с этим важным является активизация поиска нетрадиционных научных решений в области совершенствования технологических процессов производства работ, основанных на реализации новых физических эффектов, способствующих достижению высоких эксплуатационных качеств используемых машин и оборудования. Высокая роль при этом отводится ВУЗовской науке и научно-производственным структурам [13].

В гидромелиоративном и водохозяйственном строительстве наименее механизированными и наиболее трудоемкими являются

работы, связанные с механическим уплотнением грунтов обратных засыпок и слабонесущих оснований, а также представляющих собой неустойчивые массивы.

Подобные работы зачастую относятся к вспомогательным, т.е. сопутствуют основным или выполняются на завершающей стадии строительства. Однако они отличаются не только широким многообразием, но и большими объемами, выполняемыми на площадях, измеряемых десятками и сотнями тысяч гектаров. Исследования [4,5] показывают, что хотя объем подобных работ составляет около 5% по отношению к основным, связанным с разработкой грунта, его перемещением и укладкой, на них занята примерно половина общей численности всех рабочих, выполняющих земляные работы. Качество же их выполнения, как известно, не всегда отвечает требованиям действующих строительных норм и правил. Результаты других исследований [6-10] свидетельствуют о том, что около 90% строительных организаций выполняют эти работы с множеством нарушений СНиП. При этом затраты ручного труда составляют 50...60%. Основная причина проблемной ситуации - низкая эксплуатационная эффективность используемых в данных условиях средств механизации. Следствием ее являются миллиарды рублей, ежегодно расходуемых на ремонтно-восстановительные работы.

Большой вклад в решение этой научно-технической проблемы внесли известные ученые-исследователи: Н.Г.Домбровский, ЮАВетров, Д.П.Волков, А.Н.Зеленин, Е.Р.Петерс, Т.В.Алексеева, Е.М.Кудрявцев, Н.Я.Хархута, А.М.Холодов, Н.Я.Ульянов, В.И.Баловнев, Л.А.Хмара, Б.М.Кизяев, В.С.Казанов, И.А.Недорезов, В.В.Суриков, Д.И.Федоров, В.К.Руднев, Н.П.Вощинин, П.И.Марков, Л.М.Бобылев, В.Ф.Бабков, Д.Д.Баркан, БАБелостоцкий, А.К.Бируля, Ю.Б.Дейнего,

Н.Н.Иванов, Я. А. Кал уже кий, Н.П.Костельов, А.Ф.Лебедев, М.Я.Телегин, Ю.М.Васильев, САВарганов, А.И.Доценко, Н.И.Никишин, А.И.Куликов, В.А.Шилков, В.В.Чепелев, М.МЖуравлев, Ю.П.Кузнецов, А.С.Фишман, Б.А.Кулагин, Э.А.Кузин и многие другие.

Результаты их теоретических исследований и накопленный практический опыт являются основой для дальнейшего совершенствования технологий механического уплотнения грунтов на базе реализации нетрадиционных решений в области создания и развития средств механизации.

Данная работа посвящена созданию технологических основ механического уплотнения грунтов сферодвижущимися рабочими органами, обладающими высокой уплотняющей способностью и универсальными технологическими возможностями.

Основная научная идея, положенная в основу данной работы, состоит в целесообразности реализации в рабочих процессах машин и оборудования для механического уплотнения грунтов, эффектов, вызванных осцилляцией действующих на грунт нагрузок, создаваемых сферодвижущимися рабочими органами.

Цель и задачи исследования. Целью является создание технологических основ механического уплотнения грунтов сферодвижущимися рабочими органами на базе эффектов, вызванных осцилляцией внешних нагрузок.

Указанная цель определила перечень основных задач исследований, согласно которому необходимо было осуществить следующее:

1. Проанализировать состояние проблемы механического уплотнения грунтов в гидромелиоративном строительстве и пути дальнейшего совершенствования технологических процессов с

позиции формирования научно-обоснованных предпосылок к целесообразности постановки и проведения системных исследований сферодвижущихся рабочих органов.

2. Разработать математические модели процесса взаимодействия сферодвижущихся рабочих органов с грунтом.

3. Разработать методики проведения аналитических и экспериментальных исследований, а также создать технические средства, обеспечивающие реализацию новых технологических процессов.

4. Провести комплекс системных исследований по определению оптимальных конструктивных и режимных параметров сферодвижущихся рабочих органов в соответствии с принятыми критериями оптимизации рабочих процессов.

5. Разработать методические основы расчета и проектирования машин и оборудования со сферодвижущимися рабочими органами.

6. Дать оценку эффективности практического использования результатов исследований и определить область их применения в гидромелиоративном строительстве.

Научная новизна диссертации заключается в разработке метода послойного и глубинного уплотнения грунтов осцилляцией внешних нагрузок, создаваемых сферодвижущимися рабочими органами, а также полученных результатах аналитических и экспериментальных исследований.

Автор защищает:

1. Технологии и технические средства послойного и глубинного уплотнения грунтов методом осцилляции внешних нагрузок создаваемых сферодвижущимися рабочими органами.

2. Особенности деформационных процессов в грунте при силовом нагружении его сферодвижущимися рабочими органами.

3. Закономерности силового взаимодействия сферодвижущихся рабочих органов с грунтом при послойном и глубинном его уплотнении.

4. Математические модели, устанавливающие взаимосвязь между критериями оценки эффективности исследованных рабочих процессов и параметрами рабочих органов, а также рекомендаций по оптимальному их выбору.

5. Рекомендации по выбору и расчету основных параметров исследованных технологических процессов механического уплотнения грунтов и оборудования, оснащенного сферодвижущимися рабочими органами.

Практическое значение работы заключается в том, что ее результаты позволили:

- определить перспективное направление развития технологий механического уплотнения грунтов и средств механизации для их реализации на базе сферодвижущихся рабочих органов;

- создать принципиально новые технологии послойного и глубинного уплотнения грунтов, сберегающие трудовые, материальные и энергетические ресурсы, а также технические средства, не имеющие аналогов в отечественной и зарубежной практике строительства;

- разработать рекомендации по выбору основных параметров сферодвижущихся рабочих органов и базовых машин в зависимости от технологических требований к объекту строительства и эксплуатационных условий;

- создать опытно-промышленные образцы оборудования СД-601 с комплектом сменных сферодвижущихся рабочих органов для послойного и глубинного уплотнения грунтов;

- использовать сферодвижущиеся рабочие органы для других технологических целей, представляющих интерес для гидромелиоративного строительства: устройства набивных свай из грунтовых и других строительных материалов, скважин, производства плиточных и трубчатых изделий из жестких бетонных смесей.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на заседании кафедры "Дорожные машины" в МАДИ (1977 г.); на научно-исследовательских конференциях в МАДИ (1976, 1977 гг.), ВИСИ (1977 г.); на всесоюзном семинаре (г. Челябинск), посвященном вопросам интенсификации процессов землеройно-транспортных машин (1976 г.); на научно-исследовательских конференциях, ежегодно проводимых в СГТУ (1978 - 1996 гг.), на заседаниях научно-технического совета п/о "Строймаш" (г. Саратов) в 1996 г. и международной строительной корпорации М.Р. (г. Скопье, Македония) в 1997г. В целом материалы диссертационной работы докладывалась на расширенном заседании кафедры "Строительные и дорожные машины" СГТУ в 1997 г.

1.СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ В ГИДРОМЕЛИОРАТИВНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ НАУЧНОЙ РАБОТЫ

1.1. Методы уплотнения грунтов. Классификация, технические требования и рекомендации

В практике гидромелиоративного строительства помимо основных видов земляных работ, связанных с разработкой грунта, его перемещением, укладкой и планировкой, приходится выполнять весьма трудоемкие работы по его укреплению с целью повышения несущей способности и устойчивости к действию различного рода эксплуатационных нагрузок и климатических факторов. Необходимость проведения таких работ возникает практически на всех стадиях строительства и обуславливается разными причинами: использованием территорий, грунтовые массивы которых в природном залегании отличаются структурно-неустойчивым сложением и обладают слабой несущей способностью; возведением инженерных сооружений, способных оказывать длительное влияние на изменение физико-механических свойств грунта; уменьшением несущей способности грунтового основания в результате изменения режима подземных вод повышения их уровня под влиянием различных факторов, являющихся результатом деятельности человека (возведение плотин, ирригационных сооружений, водозаборов, зданий, засыпка стоковых оврагов и др.); появлением очагов внезапных осадок и местных сдвигов грунта, вызванных сотрясением массива в результате проведения взрывных и других видов работ, оказывающих аналогичное воздействие.

Как следует из анализа [11,12] и др. источников информации, укрепление грунтов в основном осуществляется тремя методами: конструктивным, упрочнением структуры путем механического уплотнения и упрочнением структуры химическим и физико-химическим воздействиями на нее.

Конструктивный метод предполагает: устройство грунтовых подушек, шпунтовых ограждений, создание боковых пригрузок, армирование грунта. Принципиальное его отличие от последующих двух состоит в том, что он позволяет улучшить условия работы грунта без упрочнения его структуры. Так, например, грунтовые подушки способствуют снижению удельных давлений, действующих на слабонесущее основание, а шпунтовые ограждения и дополнительные пригрузки - предотвращают выпирание слабого грунта из-под фундамента или насыпи в стороны. Укладка в грунт арматуры способствует увеличению несущей способности основания или устойчивости возводимого сооружения. Этот метод укрепления грунтов относится к числу дорогостоящих и применяется тогда, когда другими методами это сделать не представляется возможным.

Наибольшее распостранение получил механический метод структурного упрочнения грунтов путем воздействия на них уплотняющими нагрузками различного характера (статического, вибрационного, ударного, комбинированного). Структурное упрочнение в этом случае достигается за счет изменения физико-механических свойств грунта. Уровень и характер используемых нагрузок определяется условиями производства работ, включая грунтовые, и требованиями предъявляемыми к объекту строительства. Уплотнение грунта может осуществляться как с поверхности слоями различных толщин, так и глубинным образом, путем устройства набивных свай из

грунтовых материалов или смесей различного состава. Реализация данного метода включает в себя следующую последовательность технологических операций: устройство скважины, подготовка материала-заполнителя, заполнение скважины, уплотнение материала {две последний операции могут осуществляться одновременно).

Принимая во внимание то, что набивные сваи представляют собой отдельно стоящие конструкции из упрочненного строительного материала, этот метод укрепления грунтов можно рассматривать как комбинированный, так как, в этом случае одновременно улучшаются условия работы грунтового массива или несущего основания. Несмотря на высокую эффективность данного метода укрепления грунтов и на то, что приоритет разработки основных принципов его принадлежит отечественному фундаментостроению (А.Э. Страус, САТер-Галустов, Е.А. Хлебников и др.) в нашей стране он получил гораздо меньшее применение, чем за рубежом. Удельный вес набивных свай в общем объме свайных конструкций пока еще не велик - не превышает 10% [13].

Одним из факторов, сдерживающих применение набивных свай в отечественной строительной практике, является их высокая материалоемкость, которая создает диспропорцию между прочностью материала сваи и ее несущей способностью по грунту [14]. Так в условиях их неравно-прочности используется примерно 30% несущей способности сплош�