автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Технология возведения шпунтовых сооружений с ледяного покрова с применением метода вибропрокола льда



Министерство путей сообщения РФ Сибирская государственная академия путей сообщения

Пи HpCÍJliZ ¿rl/KvliUQU.

ШЕМЯКОВСКИЙ Георгий Самуилович

ТЕХНОЛОГИЯ ВОЗВЕДЕНИЯ ШПУНТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ С ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ВИБРОПРОКОЛА ЛЬДА

Специальность 05.23.08 — Технология и организация промышленного

и гражданского строительства

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

новосибирск 1905

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

Д-Г. Одинцов

Кандидат технических наук, и.о. профессора

В. С. Ус ольу ев

Ведущая организация — АООТ "Запсибтрансстрой"

Защита состоится 13 июня 1995 года вчасов на заседании специализированного совета К 064.04.01 в Новосибирской государственной академии строительства по адресу:

630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке НГАС.

Диссертация в виде научного доклада разослана 12 мая 1995 г.

Отзывы в 2-х экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного Совета.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

Ф. Каткова

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность проблемы

В России, а также в других странах имеются районы, где строительство транспортных сооружений осуществляется в довольно суровый зимний период. Строятся и намечаются к строительству в этих районах железные и автомобильные дороги, мосты, причальные, берегоукрепительные сооружения на морях, реках и водоемах и другие искусственные сооружения. Отсутствие в ряде случаев в этих районах достаточно развитой строительной базы, недостаток трудовых ресурсов, а также суровые климатические условия, значительно осложняющие производство работ по возведению указанных сооружений, заставляют ученых, проектировщиков и строителей применять наименее трудоемкие и материалоемкие, надежные в эксплуатации конструкции сооружений, например, сооружения из металлического шпунта различных типов. Они применяются при строительстве мостов, причальных и подпорных стенок и других искусственных сооружений.

При относительно малой продолжительности летнего периода в этих районах, а в целом ряде случаев и из-за невозможности производства работ по устройству сооружений летом (наличие большого течения, высокие уровни воды, отсутствие плавучих средств и др.) работы по погружению металлических шпунтовых свай выполняются в зимний период со льда. Кроме того, при производстве работ в летний период для погружения шпунта требуется устройство специальных островков, подмостей или других временных вспомогательных сооружений, на которые затрачиваются большие дополнительные средства, материальные и трудовые ресурсы. Поэтому во многих случаях производство работ со льда является экономически целесообразным. Однако, как показал анализ отечественного и зарубежного опыта строительства, производство работ по погружению шпунта со льда связано с необходимостью предварительного устройства манны (прорези) во льду, куда впоследствии заводится шпунт для погружения в грунт, а также вмороженных в лед направляющих. Устройство и поддержание майны — сложная, трудоемкая и дорогостоящая работа, требующая применения специальных механизмов и устройств. Эта работа особенно осложняется там, где толщина льда превышает 0,8 м, а температура наружного воздуха опускается ниже — 20°С. Именно такие условия и характерны для северных и восточных районов нашей страны и других северных стран. Необходимо также иметь в виду, что устройство майны снижает безопасность выполнения работ со льда. Устройство направ-

ляющих — также трудоемкая и дорогостоящая работа. Поэтому возникает необходимость разработки такой технологии погружения шпунтовых свай со льда, которая исключила бы работы по устройству майны и ее поддержанию в процессе производства работ, а так же упростила бы или исключила вовсе устройство направляющих.

Диссертация посвящена разработке и внедрению именно такой технологии. Она впервые в мировой практике была применена, по предложению автора, при строительстве одного из объектов на Крайнем Севере России. В результате применения этой технологии был получен значительный экономический эффект (см. прил. 1 и 2). Дальнейшее широкое применение новой технологии оказалось возможным после получения автором теоретических и экспериментальных данных, позволяющих учитывать конкретные условия производства работ (состояние ледяного покрова, температура окружающего воздуха, типы свай и др.). Это подтверждает актуальность выбранной темы. Многолетний опыт автора по проектированию и строительству объектов в суровых климатических условиях явился базой для исследований.

При анализе литературных и других источников как отечественных, так и зарубежных, а также в результате выполненных патентных исследований на глубину до 50 лет по СССР, США, Канаде, Великобретании, Германии и Японии не удалось выявить применения где-либо подобной технологии.

1.2. Цель работы

Целью диссертации является разработка нового способа погружения свай со льда на основе экспериментальных исследований, а также разработка и внедрение совершенной технологии производства свайных работ со льда без устройства майны. Задачами исследований явились: выявление закономерностей взаимодействия погружаемого шпунта со льдом и факторов, влияющих на условия погружения шпунта в лед.

На защиту выносятся: новый способ погружения свай в грунт с ледяного покрова (защищен авторским свидетельством), алгоритм расчета параметров сваепогружающего оборудования, новая технология производства свайных работ со льда. Разработанная технология позволяет значительно сократить расходы на возведение шпунтовых сооружений со льда, снизить трудозатраты, улучшить условия труда рабочих и повысить безопасность ведения работ.

Работа выполнена в Сибирской государственной академии путей сообщения.

1.3. Методика исследований

Работа основана на теоретических и экспериментальных исследованиях, анализе и обобщении отечественного и зарубежного опыта строительства транспортных сооружений со льда. Автором выполнены лабораторные испытания погружения шпунтов различной формы и разных размеров в естественный лед, который намораживался в искусственном бассейне, помещенном в большую морозильную камеру. Опыты также производились и в натуре. Было выполнено 80 опытов. Опытные данные обрабатывались математическими методами с использованием многофакторных математических моделей. Достоверность полученных результатов оценивалась сравнением расчетных и экспериментальных данных с фактическими, полученными при натурных испытаниях.

1.4. Научная новизна

Впервые разработаны методика определения расчетных параметров сваепогружающего оборудования при погружении металлического шпунта через лед методом вибропрокола, а также технология погружения металлического шпунта через лед методом вибропрокола.

Получены аналитические зависимости, позволяющие проектировать производство работ по погружению шпунта в конкретных условиях строительной площадки. Новизна разработок подтверждается наличием трех авторских свидетельств, а также отсутствием зарубежных и отечественных патентов в этой области.

1.5. Практическая ценность работы

Разработанные методика подбора сваепогружающего оборудования и технология процесса погружения шпунта позволяют проектировщикам и производителям работ в конкретных условиях строительных площадок создавать проекты производства работ и выполнять работы с высокой экономической эффективностью при соблюдении соответствующих условий безопасности труда.

1.6. Реализация результатов работы

По результатам исследований были выданы соответствующие рекомендации строительным организациям и научно-исследовательскому институту транспортного строительства по применению в практике новой методики и технологии. Кроме того, были поданы заявки на изобретения и получены 3 авторских свидетельства на способы выполнения работ. Результаты работы были внедрены в

3

Нижнеянском порту и при строительстве моста в Новосибирске, а также в тресте Запсибгидрострой при строительстве шпунтовых сооружений.

Рис 1.1 Шпунтовый ряд, устроенный методом вибропрокола льда

1.7. Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и были одобрены на научно-технических конференциях НИИЖТа, в СибЦНИИСе, тресте Запсибгидрострой, на кафедре «Мосты» СГАПС.

1.8. Публикации

Основные результаты работы содержатся в трех научно-технических отчетах, девяти статьях и трех авторских свидетельствах.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Анализ ледовых условий некоторых рек и водоемов Сибири

Для того, чтобы можно было практически использовать результаты данной работы, необходимо хотя бы в самой сжатой форме представить состояние ледовых явлений происходящих на реках и водоемах Сибири. Для строителя и проектировщика эти сведения должны быть отправными моментами для практической ориентации на конкретной строительной площадке.

2.1.1. Нарастание толщины льда Для установления сроков начала работ на льду, а главное, периода, когда можно выполнять на нем работы, необходимо знать вероятную скорость нарастания толщины ледяного покрова.

При разработке проектов производства работ со льда рекомендуется пользоваться эмпирическими формулами, расчеты по которым более просты и не так трудоемки.

Наиболее распространены формулы вида:

= а т 0., (1)

где Н^ — расчетная толщина льда; а и т — параметры, числовые значения которых устанавливаются по справочным данным с помощью результатов наблюдений, эти значения могут различаться для разных рек и условий строительства; — сумма отрицательных температур за расчетный период.

Для определения скорости нарастания ледяного покрова в реках с медленным течением и на озерах может быть применена формула Неймана:

/гд — 2,7 <0'5, (2)

где / — сумма отрицательных среднесуточных температур за расчетный период, °С.

При отсутствии снегового покрова можно пользоваться формулой Стефана

ЬД = 3,17 *05 (3)

или формулой Г.Р.Брегмана, И.И. Пиотровича, В.Н.Лебедева, Б.Д.Зайкова

ЬД - 1,25 *0-61. (4)

При наличии снега на поверхности льда В.В.Пиотровичем была получена формула:

(\ 0,5

/ 21 I V

Кл-К + —' — К . (5)

О А 1 С 1 » С \-/)

К КРл Крс

трр /г. — толщина снегового покрова; Лол — начальная толщина льда; /д и /с —соответственно коэффициенты теплопроводности льда и снега; р^ — плотность снега; рд — плотность льда.

Следовательно, для определения времени, в течение которого образуется ледяной покров требуемой толщины, необходимо знать среднесуточные температуры воздуха. Данные о предполагаемых температурах на ближайшее время можно получить на метеостанциях.

2.1.2. Данные о ледовых фазах на некоторых реках Сибири В таблицах 2.1, 2.2, 2,3 приводятся данные о ледовых фазах и нарастании толщины льда в некоторых пунктах на реках Оби и Иртыше (по наблюдениям гидрометслужбы и данным д-ра техн. наук К.М.Коржавина и канд. техн. наук И.П.Бутягина).

Таблица 2.1

Даты наступления характерных ледовых фаз (осредненные)

Характерная фаза р.Иртыш в районе г.Омска р.Обь в районе г.Колпа-шево р.Обь в районе г.Сургуг р.Обь в районе г.Лабыт-нанги

Начало весеннего ледохода 25.04 01.05 11.05 27.05

Начало весеннего ледохода 25.04 01.05 11.05 27.05

Очищение реки ото льда 01.05 07.05 17.05 01.06

Начало осеннего ледохода 04.11 02.11 28.10 25.10

Начало ледостава 12.11 10.11 07.11 29.10

Таблица 22,

Нарастание толщины льда по месяцам, см

Пункты наблюдений Месяцы

январь февраль март апрель ноябрь декабр

Лабытнанги 88 102 112 111 50 75

Колпашево 60 68 74 40 30 50

Как показывает практика строительства, а также некоторые исследования, на реках и водоемах Западной Сибири ледоставный период с толщиной льда, позволяющей вести работы со льда составляет в среднем 110—120 суток. Такого промежутка времени часто оказывается вполне достаточно для завершения работ по погружению шпунта или для выполнения значительной части работ. Однако, следует иметь в виду, что в каждом конкретном случае должны быть тщательно изучены состояние и свойства ледяного покрова и намечены мероприятия по обеспечению безопасного производства работ.

Таблица 23

Ледовые фазы в некоторых пунктах Обь-Иртышского бассейна

Наименование пунктов Даты наступления ледовых фаз

Начало весеннего ледохода Очищение реки ото льда Начало осеннего ледохода Начало ледостава Толщина льда, см Прочность на сжатие, МПа

Барнаул 20.04 25.04 01.10 12.11 106 0,96

Камень--на-Оби 22.04 26.04 31.10 05.11 120 0,97

Сургут 01.05 17.05 28.10 07.11 120 1,11

Тюмень 20.04 26.04 31.10 05.11 91 1,02

Нижневартовск 09.05 12.05 29.10 05.11 105 1,22

Лабытнанги 28.05 31.05 23.10 29.10 175 0,80

Томск 19.04 02.05 28.10 05.11 130 0,82

Новосибирск 20.04 24.04 08.11 24.11 98 1,10

Стрежевое 09.05 12.05 28.10 05.11 110 1.22

2.1.3. Основные физико-механические характеристики льда, используемые в расчетах и опытах:

а) физические температура плавления льда — 0°С;

удельный вес при / = 0°С -— 0,91 г\см;

расширение воды при замерзании — 9%;

коэффициент линейного сжатия льда при /= 0...20°С— 0,000055; скрытая теплота плавления — 320 Дж;

б) механические предел прочности льда при сжатии — 1000...7000 КПа; предел прочности на растяжение — 540...2500 КПа;

предел прочности при изгибе — 710...4500 КПа;

предел прочности на срез — 600...1500 КПа;

модуль упругости льда — Ю5...5,5х105 КПа.

На условия производства работ наибольшее влияние оказывает прочность льда при различных видах нагрузок. Установлено, что прочность льда зависит от температуры наружного воздуха. Исследования показывают, что при понижении температуры льда его

прочность существенно повышается. Для учета зависимости прочности льда от температуры К.Н.Коржавиным предложена эмпирическая формула:

К = А - В {, (6)

где f — температура льда,°С; А и В — эмпирические коэффициенты, которые зависят от скорости нагружения образцов льда, см/ мин;

при V = 2 см/мин А = 15; В = 3,4; при V =20 см/мин А = 10; В = 0,5.

2.1.4. Несущая способность ледяного покрова рек Западной Сибири и прогнозирование возможной продолжительности периода производства работ со льда

Все существующие методы расчета несущей способности ледяного покрова можно разделить на приближенные и точные. Точные методы расчета основаны на положении теории плит и балок на упругом основании. Наиболее широкое распространение получили методы К.Е.Иванова, И.С. Песчанского, С.А.Беринштейна.

Эмпирические методы разработаны на основе данных наблюдений за работой ледяных переправ в процессе их содержания и ремонта. Эти методы позволяют с достаточной точностью оценить грузоподъемность ледяного покрова. В основном они применяются при необходимости быстрого принятия решения о размещении на льду тех или иных видов нагрузок. К числу наиболее простых из этой группы относится метод, предложенный П.И.Лебедевым. По этому методу устанавливается, что грузоподъемность ледяного покрова зависит от расчетной приведенной толщины льда, которая определяется из выражения

Л = (/!,-(7)

где И. — приведенная толщина льда, см; ^ — толщина прозрачного, чистого льда, см; /г^ — толщина мутного льда, см; К. — коэффициент, учитывающий структуру льда (раковистая — К^ =1, игольчатая — К{ =2/3); К2 — коэффициент, учитывающий температуру воздуха (при < < 0°С К7 = 1, при / > 0°С

к2 = 4/5).

После определения приведенной толщины льда несущая способность ледяного покрова определяется по таблице 2.4 в зависимости от вида нагрузки.

Практика устройства и содержания ледяных переправ показала, что этот метод дает несколько завышенные результаты.

Таблица 2.4

Масса груза, т Средняя температура воздуха за 3 суток Наименьшее расстояние между грузами, м

Нагрузка -10°С -5°С о°с

Наименьшая толщина льда, см

16 36 40 50 25

Гусеничная 20 40 44 56 25

30 49 54 68 35

40 57 63 80 40

50 63 70 84 40

60 .70 77 98 45

3,5 22 24 31 15

Колесная 6 29 32 40 20

8 34 37 48 22

10 38 42 53 25

15 46 50 64 30

Кроме того, применение его ограничивается видами нагрузок, приведенных в таблице 2.4.

Метод аналогии определения несущей способности ледяного покрова был предложен М.М.Коруновым. Этот метод основан на теории сопротивления материалов, согласно которой при изгибе пластинки (в данном случае ледяного покрова) по цилиндрической поверхности, возникающие напряжения будут равны напряжениям в бруске прямоугольного сечения высотой, равной толщине ледяного покрова, и шириной, равной единице.

Следовательно,

о = 6Р/к2 или а = Рк/21, (8)

шах ' тах 1 х '

где И. — высота бруска; / — момент инерции бруска прямоугольного сечения; Р — сосредоточенная нагрузка.

I = Ъкъ/\2. (9)

Вычислив один раз по формуле (7) приведенную толщину льда /1 и найдя по табл. 2.4 значения Р, можно определить допустимую нагрузку.

Метод аналогии благодаря своей простоте нашел широкое применение при предварительном определении грузоподъемности ледяного покрова.

2.1.5.Нарастание толщины льда и его температура в условиях эксперимента

В процессе экспериментов в холодильной камере автором проводились наблюдения за нарастанием толщины льда в емкости и одновременно за изменением его температуры. Толщина льда замерялась щупом через просверливаемые отверстия во льду электродрелью, а температура — с помощью термометров сопротивления и моста постоянного тока. Это было необходимо для того, чтобы в результате выполнения многих серий опытов можно было установить зависимости условий погружения свай в натуральный лед от его физических свойств и толщины.

2.1.6. Краткая характеристика условий строительства объектов на реках Сибири

Приведенные в данном подразделе материалы могут оказаться полезными для практического использования проектировщиками и строителями при строительстве со льда на некоторых реках Сибири.

Годовой ход уровней р.Оби в ее нижнем течении характеризуется мощным растянутым по времени весенне-летним половодьем, короткой осенней меженью и длительным устойчивым зимним спадом.

Осеннее ледообразование начинается обычно в третьей декаде октября — первой декаде ноября. Замерзает река в среднем через 7 дней после появления ледовых образований. Толщина льда быстро нарастает и к концу марта достигает одного метра, а в районе Салехарда, например, — до 1,5м.

Разрушение ледяного покрова начинается во второй половине апреля, а в конце апреля появляются закраины. Весенний ледоход начинается обычно в середине мая. Таким образом, период возможного производства работ со льда составляет в среднем около пяти месяцев.

Годовой ход уровней воды р. Енисея в районе порта Дудинка характеризуется быстро проходящим весенним паводком и низкой летне-осенней меженью. В зимний период, с октября по май, уровень воды в реке имеет общую тенденцию к понижению, но колебания его под воздействием сгонно-нагонных явлений не прекращаются и амплитуда их достигает 1 м.

Замерзание реки идет очень интенсивно и сопровождается появлением заберегов и шуги. Осенний ледоход бывает очень редко и продолжается не более 1...2 суток. Продолжительность периода ледообразования составляет от 1 до 20 суток. Енисей замерзает между 16 октября и 3 ноября, чаще всего 20—27 октября. В первый месяц после образования ледяного покрова нарастание его толщины

происходит очень интенсивно: уже к 15 ноября толщина льда достигает 0,3—0,5 м. С увеличением снежного покрова интенсивность нарастания льда снижается. К концу зимы средняя толщина льда на Енисее достигает 1,3—1,6 м, а максимальная 1,9 — 3,0 м. В течение всей зимы на Енисее наблюдается образование трещин во льду, как термического, так и динамического происхождения. Из трещин на лед выступает вода, образуя наледи. В местах образования наледей толщина льда достигает 2—2,5 м. Ледоход на Енисее начинается в период с 20 мая по 12 июня. Средние даты характерных ледовых фаз приведены в табл. 2.5. Таблииа 2.5

Средние даты наступления характерных ледовых фаз на р. Енисее у порта Дудинка

Первая подвижка Начало весеннего ледохода Очищение ото льда Начало осеннего ледохода Начало ледостава

31.05 05.06 11.06 20.10 24.10

Здесь возможный период производства работ со льда в среднем составляет около шести месяцев.

Река Яна относится к рекам со смешанным питанием: дождевым и снеговым. Для годового хода уровней реки Яны характерно ярко выраженное весеннее половодье и многочисленные летние паводки. Замерзание протока р. Яны «Главного русла», на котором расположены причалы Нижнеянского порта, начинается с появлением первичных форм льда в среднем 27 сентября.

Таблииа 2.6

Средние даты наступления ледовых фаз на р. Яне у порта Нижнеянск

Первая подвижка Начало весеннего ледохода Полное очищение ото льда Устойчивое ледообразование Начало осеннего ледохода Ледостав

12.06 12.06 15.06 26.09 29.09 03.10

Таким образом, здесь можно вести работы со льда в течение семи месяцев.

Климат северных районов бассейнов рр. Оби, Енисея, Лены, Яны резко континентальный с суровой и продолжительной зимой. Районы портов Лабытнанги,Дудинки, Нижнеянска расположены в Заполярье. Среднемесячная температура января здесь достигает —28 ... а абсолютный минимум —57°С.

Районы портов Сургута и Нижневартовска расположены севернее 60-й параллели. Зима в этих районах также сурова и многоснежна. В районе, приравненном к Северу, расположен и порт Колпашево. Приведенные данные позволяют сделать вывод о том, что ледяной покров в Сибири может с успехом использоваться при производстве строительных работ.

2.1.7. Описание конструкций из шпунта

По типу конструкций сооружения как построенные, так и строящиеся в настоящее время в упомянутых выше районах Сибири, представляют чаще всего одноанкерный или двуханкерный больверк из металлического шпунта «Ларсен V».

При строительстве мостов и других искусственных сооружений в суровых климатических условиях для устройства перемычек, ограждений котлованов также в большинстве случаев используется металлический шпунт разных профилей.

Сооружения из металлического шпунта, выполняемые для Северных районов Сибири, имеют ряд преимуществ по сравнению с другими конструкциями (железобетонные сваи, оболочки, блочная кладка, монолитные ж.б. стенки и т.д.) ввиду отсутствия в этих районах баз строительной индустрии по изготовлению ж.б. конструкций или их тяжеловесности, требующей более мощного оборудования, большого количества транспортных средств.

2.1.8. Характеристика существующих способов производства работ

На выбор способов производства работ по строительству сооружений из шпунта в Сибири влияют многие факторы: суровые климатические условия районов, тяжелые геологические условия площадок, ограниченные возможности строительных подразделений, сложный гидрологический режим рек и водоемов и другие. Рекомендуемые в проектах способы производства работ не всегда осуществлялись на практике ввиду их сложности. Наиболее ответственными и сложными работами по сооружению искусственных сооружений являются свайные работы. В зависимости от условий и сроков строительства, а также объемов свайных работ производится выбор способа забивки свай.

Например, при реконструкции действующих причалов Нижнеямского и Дудинского портов основная часть работ по строительству причальных стенок производилась в зимний период. Для осуществления строительства причалов в Нижнеянском порту Гипроречтрансом под руководством автора был разработан проект производства работ на сооружение первой очереди причалов длиной 95 метров в зимнее время. Свайные работы предусматривалось производить со льда в следующей последовательности: 12

— разбивка и вынос в натуру осей сооружения;

— укладка на лед путей под копер, монтаж копровой установки;

— забивка маячных свай и устройство направляющих для забивки шпунта;

— устройство майны (траншеи) во льду отдельными участками с удалением льда из майны, по мере забивки шпунта;

— забивка шпунта копром со льда.

Забивка шпунта по направляющим при работе со льда производилась в заранее прорубленные во льду траншеи по осевой линии шпунтового ряда. Траншеи во льду предусматривалось пробивать вручную с предохранением их от замерзания путем постоянной выколки намерзающего льда. Забивка шпунта по проекту предусматривалась копром С-532 с дизельмолотом С-1047. Подача шпунта в направляющие производилась портальным краном «Кировец» грузоподъемностью 5 т, установленным на существующей причальной стенке.

В действительности же, по предложению коллектива инженеров при участии автора данной работы, забивка шпунта производилась с помощью вибропогружателя непосредственно через лед, без разработки траншеи во льду, что принесло значительную экономию трудозатрат, сократило стоимость работ и сроки их выполнения, а также повысило безопасность ведения работ.

При возведении сооружений из стального шпунта наибольшее распространение получили следующие способы забивки шпунта: со льда; с подмостей; с естественного берега;

с искусственных грунтовых насыпей (островков); с плавсредств (летний период).

При строительстве со льда ранее принятыми методами работы выполнялись по следующей технологии.

Рис 2.1 Установка шпунта с вибропогружателем краном в направляющую траншею

При достижении достаточной толщины льда и его прочности, соответствующих требованиям безопасности при работе со льда, вдоль осевой линии шпунта пробивается борозда (майна) шириной, равной ширине поперечного сечения шпунта, и длиной, равной длине захватки 20—50 м. Вырубка майны проводится вручную пешнями. Производят также нарезку майн с помощью буровых машин, если таковые имеются, а затем раскалывают лед и вытаскивают его наружу или утапливают под ледяной покров. Вдоль майны с береговой стороны через 3—5 м пробуривают или вырубают отверстия во льду, в которые забивают маячные сваи для устройства направляющих, служащих для предотвращения отклонений шпунтового ряда оси. Обычно маячными сваями и направляющими служит шпунт или прокат различного профиля. В качестве сваебойных агрегатов применяются, в основном, рельсовые копровые установки с дизельмолотом или краны с копровыми стрелами. Типы копровых агрегатов, а также масса ударной части дизельмолотов определяются длиной забиваемого шпунта и его массой и, кроме того, грунтовыми условиями. Иногда для погружения шпунта применяются также вибропогружатели (Нижнеянск, Дудинка).

К достоинствам способа забивки шпунта со льда следует отнести следующее:

ввиду вмораживания в лед маячных свай достигается устойчивость направляющих и повышается точность забивки шпунтового ряда;

лед является дополнительной направляющей, препятствующей отклонениям шпунтин при забивке в ту или другую сторону от оси шпунтового ряда;

освобождается фронт работ для производства анкеровки шпунта.

К недостаткам этого метода относится увеличение трудовых затрат и стоимости забивки в связи с устройством и поддержанием майны во льду, а также усложнение работ из-за частого появления наледей вследствие колебаний уровней воды в реке. При недостаточной толщине льда появляется необходимость намораживания льда в местах работ тяжелых грузоподъемных кранов для повышения несущей способности ледяного покрова. Кроме того, работа со льда требует особого соблюдения правил техники безопасности и в связи с этим дополнительных мероприятий.

При работе с подмостей установка сваебойных агрегатов и копров на них позволяет вести работы по забивке шпунта и свай практически в течение всего года, за исключением периода ледохода и весеннего паводка. Забивка шпунта с подмостей широко применялась в Сургуте и Нижневартовске, а также при строительстве причалов и других

сооружений в районах Сибири. Обычно применяют деревянные и инвентарные металлические подмости. Подмости сооружаются на отдельные участки и при трех — четырех кратной оборачиваемости повышают сметную стоимость причала незначительно. Однако при большой высоте сооружения, а также при длине шпунта более 15 м, усложняется заводка его в направляющие. В этом случае высота подмостей увеличивается и, следовательно, увеличивается расход материалов на их устройство, а при применении тяжелого сваебойного оборудования требуется устройство специальных эстакад.

При забивке шпунта с естественного берега или с искусственной насыпи в тех случаях, когда сооружение строится в ковше (заглубленная акватория) или за перемычкой, появляется возможность производить свайные работы непосредственно с отметок дна котлована. Это наиболее удобный и экономичный вариант. Осуществляется он в меженний летне-осенний и зимний периоды, когда отметки уровня воды в реке ниже отметки дна котлована под сооружение. Так осуществлялось строительство некоторых объектов в г. Нижневартовске и в г. Аабытнан.

В мостостроении широко применяется отсыпка островков для устройства свайных опор. Такой же метод применяется и при строительстве некоторых причальных сооружений типа отдельно стоящих палов и бычков. Отсыпка искусственного основания из дренирующего грунта с отметкой верха выше на 1,0...1,5 м строительного уровня была рекомендована в проекте причалов высокой воды в порту Дудинка. При строительстве по этому варианту увеличивается продолжительность строительного сезона, что очень важно в суровых климатических условиях. Этот способ экономичен, так как большая часть отсыпки входит в полезную насыпь сооружения.

При строительстве новых отдельно стоящих пр1гчалов, опор мостов и других сооружений в летнее время применяется метод забивки шпунта с плавсредств. В качестве плавсредств служат баржи -площадки грузоподъемностью от 300 до 1000 т или плашкоуты, собранные из понтонов серий КС. На плавсредства устанавливают сваебойные и другие машины, необходимые для забивки шпунта. В паре со сваебойным оборудованием, установленным на плавсредствах, на погрузчно-разгрузочных операциях могут работать как плавучий кран, так и сухопутные стреловые краны, установленные также на плавсредствах. Этот способ наиболее дорогой из перечисленных выше и требует наличия плавсредств у строительных организаций (баржи, плавкраны, понтоны и т.д.) С плавсредств, например, производилась забивка шпунта в причальную стенку в порту Колпашево (Томская область), а также в перемычки опор коммунальных мостов в г.Новосибирске.

В табл. 2.7 приведены стоимости и затраты труда по различным способам производства работ.

Таблица 2.1

пп Обоснование Наименование работ Стоимость, Р Затраты труда в чел.-дн.

1. ЕРЕР 7-46 Забивка стального шпунта с земли дизельмолотом 15,4 1,24

2. ЕРЕР 7-46 То же с подмостей 26,8 2,84

3. ЕРЕР 7-51 Забивка стального шпунта дизельмолотом с плавсредств 21,1 0,83

4. ЕРЕР 7-63 Забивка стального шпунта вибропогружателем с земли 8,8 0,8

5. ЕРЕР 7-63 7-174 То же с подмостей 20,2 2,4

6. ЕРЕР 7-63 13-43 То же со льда 9,3 0,9

Примечание. Стоимость забивки указана в ценах 1984 г., затраты труда приведены к 1-му территориальному району. Стоимость и затраты труда по устройству и разборке подмостей и пробивке траншей для шпунта во льду даны в пересчете на 1 т забиваемого шпунта, исходя из условий, что длина шпунта составляет 20 м, а масса 1м — 100 кг.

В зависимости от принятых способов погружения шпунта несколько меняется состав комплекта и потребности в машинах и оборудовании. Для некоторых способов производства работ потребность в машинах и механизмах приведена в табл. 2.8.

2.1.9. Экспериментальные исследования процесса вибропрокола льда шпунтом

Вибропрокол льда может осуществляться в большом диапазоне изменения температур наружного воздуха и, следовательно, физико-механических характеристик ледяного покрова, которые прямым образом связаны с температурами наружного воздуха и влияют на процесс вибропрокола. Частые изменения температур наружного воздуха возможны только в лабораторных условиях. Поэтому в основу методики экспериментов было положено выполнение всех работ в лаборатории.

Таблица 2.8

Потребное количество машин и механизмов для забивки шпунта (на 1 т погружаемого шпунта) (СНиП гл.17, табл.19-9м, 17-10г)

Наименование работ Наименование машин и механизмов Потребное кол-во маш.- смен

1. Забивка стального шпунта с земли или с подмостей Копровые установки с ударной частью массой 1,13 т 0,25

Краны гусеничные, Ют 0,02

Краны автомобильные, 5 т 0,02

2. Забивка стального шпунта с плавсредств Краны автомобильные, 5 т 0,06

Краны гусеничные, 1,5 т 0,01

Краны плавучие, 5 т 0,02

Копры плавучие с ударной частью 1,25-1,5 т 0,17

Буксиры, 150 л.с. 0,019

Понтоны, 20 т 0,2

3. Погружение шпунта вибропогружателями с земли и подмостей Краны гусеничные, 10-15 т 0,13

Вибропогружатели 0,11

Краны автомобильные, 5 т 0,03

Режим температур при выполнении экспериментов был максимально приближен к натурному, с учетом конкретных условий строительства в Западной Сибири и на Севере. Практика показывает, что натурные работы со льда производятся преимущественно при температурах наружного воздуха от 0 до — 20°С. При более низких температурах выполнение работ затруднено, но не исключено.

Эксперименты проводились в холодильной камере шириной 2,5 м, длиной 3,0 м и высотой 2,2 м. В камеру помещалась металлическая ванна с прозрачными стенками и размерами 2,0x0,7x1,0 м , в которой намораживался лед.

Так как размеры камеры были ограниченны, применение в экспериментах свай и вибраторов натурных размеров не представлялось возможным. Поэтому опыты выполнялись со сваями уменьшенных размеров.

Основным принципом моделирования явилось получение в основании (на острие) сваи давления на лед в интервале, включающем все возможные значения, имеющие место в натуре. Поэтому модели комплектов свай с вибраторами были подобраны с учетом получения давления на острие (20...400)х105Па.

вибропогружатель холодильная камера

мометров намораживания льда

Рис 2.2 Экспериментальная установка по вибропроколу льда Вибраторы выбирались с частотой и амплитудами колебаний в значительном диапазоне, охватывающем частоты серийных вибраторов, выпускаемых промышленностью. Характеристики вибраторов и свай приведены в таблицах 2.9 и 2.10. Таблииа 2.9

Характеристика вибраторов

Тип Угловая скорость, об/мин Масса, кг Возмущающая сила, Н Амплитуда колебаний, мм Амплитуда колебаний со сваей, мм

ИВ-21 2800 26 8000 3,0 2,60

ИВ-70 2800 20 4000 2,0 1,65

ИВ-36 2800 36 4000 1,1 1,00

ИВ-19 2800 12 2000 1,6 1,20

С-378 3000 46

Модельные сваи различных размеров и форм погружались в специально устроенные универсальные направляющие, которые позволяли установить в них сваи различных размеров и форм.

Опыты проводились сериями. Для каждой серии в холодильной камере намораживался лед при различной температуре наружного воздуха внутри камеры. Температура льда замерялась с помощью

специальных электротермометров, предварительно проградуирован-ных и установленных в три яруса по толщине льда. Температура воздуха в камере регистрировалась приборами, входящими в комплект камеры, автоматически. Лед намораживался при температурах О...-20°С, что соответствовало натурным условиям. Скорость погружения свай замерялась секундомером. Глубина погружения свай определялась с помощью делений, нанесенных белой краской на самих сваях с интервалом 1 см.

Таблица 2.10

Спецификация свай

Профиль и его номер Поперечное сечение, см2 Масса сваи, кг Длина, м Допустимая критическая нагрузка (продольная), Н

1_ №4 2.35 1.4 0.7 25000

1_ №4 2.35 1.6 0.8 24500

1_ №4 2.35 2.0 1.0 24500

С №5 5.05 3.5 0.7 45000

С N2 5 5.05 4.0 0.8 44500

С N2 5 5.05 5.0 1.0 44000

С N2 10 10.9 6.3 0.7 152000

С N2 10 10.9 7.2 0.8 151000

С № 10 10.9 9.0 1.0 150000

с1 = 100 мм 10.0 1.0 1.0 180000

Амплитуда и частоты колебаний системы «свая-вибратор» замерялись с помощью вибрографа типа ВР—1. Экспериментальные данные обрабатывались с использованием многофакторных математических моделей.

Для построения многофакторных математических моделей использован шаговый регрессионный метод. Статистические модели построены на выборке из 80 опытов. Каждый опыт включает в себя по 20 факторов. Коэффициенты уравнений регрессии определены с доверительным интервалом 95%. Для каждого из рассматриваемых параметров (зависимых переменных) были построены модели первой и второй степеней. Все расчеты выполнены на персональном компьютере РС АТ 386.

В нижеприведенных выражениях (10) — (17) приняты следующие обозначения:

— прочность льда на сжатие, КПа;

— средняя температура льда, °С;

/ — средняя температура наружного воздуха за сутки, °С;

Л — толщина льда, см;

V — скорость погружения сваи, см/с;

В — возмущающая сила вибратора, Н;

Р — расчетное давление на острие сваи, Па;

п — угловая скорость, об/мин;

Гк — критическое напряжение, Па;

А — измененная амплитуда колебаний связи с вибратором, мм. Регрессионное уравнение для прочности льда на сжатие (стандартная ошибка 5, 99% при доле объясненной вариации 81,27%):

Я = 22.57 - 0,75944 х <л (10)

или (стандартная ошибка 6.78% при доле объясненной вариации 77.21%):

Я = 15.63 - 1,0292 х / - 0.1059 х А . (11)

Л Н А

Для средней температуры льда (стандартная ошибка 16% при доле объясненной вариации 98,16%):

/ = -0,8588 - 0,1727 х / + 0,027609 х к . (12)

л н л у /

Для скорости погружения сваи (стандартная ошибка 7,05% при доле объясненной вариации 99,74%):

У = 0.1937 + 0,036726 х йд + 0.000060465 хВ -

- 0.00080593 хР + 0.002359 х / . (13)

о н х /

Для возмущающей силы вибратора (стандартная ошибка 4.21% при доле объясненной вариации 99.91%):

. Я~= 1270,1 + 1.5847 хРх - 0.097452хРо2 - 3.2082 хк1-- 1.2493 хРх1н - 21.24°хРоЛ+ 840.74 хУп2 + 1861.7 хУ +

+ 74.746 х ( - 10.938 х к] . " (14)

или (стандартная ошибка 0.57% при доле объясненной вариации

99,99%):

В = 39939 - 0.005044 х п2 + 60.188 хУх ¿н+0.2406 хУх п + + 1.4673 X /г X / + 0.11089" хР X /г . " (15)

Л Н О л 4 '

Для критического напряжения (стандартная ошибка 19,41% при доле объясненной вариации 93,37%):

Г = 7663.3 + 1068.6 х /н — 39.947 х /н2 + + 0.10309хР х И + 0.024338х /г хВ ." (16)

О А А 4 '

Для определения измененная амплитуда колебаний связи с вибратором (стандартная ошибка 9,54% при доле объясненной вариации 96,70%):

А= 33.608 - 0.087488 х п + 0,39522 х /в . (17)

Экспериментальные исследования показали, что эффективность вибропрокола льда в значительной степени зависит как от физико-механических характеристик льда, так и от параметров системы «свая-вибратор».

Установлено также, что начальная амплитуда колебания от состояния льда практически не зависит. Опыты показали, что амплитуда колебаний в большей степени зависит от параметров системы и можно сделать вывод о том, что чем меньше амплитуда колебаний, а, следовательно частота колебаний больше, тем скорость погружения больше. Анализ виброграмм показал, что амплитуды и частоты колебаний в процессе погружения свай изменяются. В начале погружения амплитуды являются наибольшие, а затем, по мере заглубления свай в лед, уменьшаются.

На основании этого можно сделать вывод о том, что частоты колебаний возрастают с увеличением глубины погружения в связи с повышением температуры льда и, как следствие, значительным снижением сопротивления льда погружению. Все это говорит о том, что наибольший эффект вибропрокола может быть достигнут при более высоких температурах льда. Опыты показали, что с увеличением возмущающей силы и массы вибраторов при прочих равных условиях скорость погружения свай возрастает, что видно из таблицы 2.11.

Установлено, что при остановке на некоторое время вибратора, а затем при его пуске погружение сваи не возобновлялось. Это позволяет сделать предположение о том, что в процессе вибропрокола льда под острием сваи и по боковой ее поверхности происходит таяние льда, вокруг сваи как бы создается тончайшая водяная пленка, играющая роль смазки и снижающая силы трения сваи по льду.

При прекращении процесса вибропрокола происходит быстрое смерзание сваи со льдом и сопротивление погружению значительно возрастает.

Таблица 2.11

Даннае характерных испытаний

№ опыта Поперечное сечение на острие сваи, см Масса вибратора, кг Масса сваи, кг Возмущающая сила, Н Давление на острие сваи, МПа Скорость погружения сваи в лед, с м/с

7 10,9 12 6,3 2000 2,1 0

9 10,9 36 9,0 4000 4,0 0

9 10,9 26 9,0 8000 7,8 0

6 5,05 26 5,0 8000 16,0 1,14

4 5,05 26 3,5 8000 16,5 1,50

1 2,35 26 1,6 8000 35,0 1,80

Опыты также показали, что при нормальном погружении свай

форма и размеры скважин, образующихся в процессе погружения, соответствуют формам и размерам поперечных сечений погружаемых свай.

Выброс крошки льда на поверхность наблюдается только в первый момент погружения, когда происходит механическое разрушение верхних,

п 9 о г " наиболее прочных

Рис /._> След, оставленный сваей во льду при _,г

вибропроколе слоев льда. 1рещини

разломов льда вокруг

свай не наблюдается. Это говорит о том, что целостность ледового покрова не нарушается и несущая его способность сохраняется. Выполненные эксперименты позволили установить зависимости, которые дали возможность разработать методику подбора свае-погружающего оборудования при использовании метода вибропрокола льда.

2.1.10. Технологический процесс погружения

металлическогошпунта со льда методом вибропрокола и рекомендации по его использованию

Как уже отмечалось, производство работ со льда во многих случаях, особенно в районах Сибири и Крайнего Севера, дает большие возможности для осуществления круглогодичного строительства гидротехнических и других сооружений и, кроме того, имеет целый ряд преимуществ по сравнению с другими способами производства работ. Целью внедрения новой технологии является совершенствование существующих методов производства работ для снижения затрат труда и стоимости строительства, повышение безопасности ведения работ, а также сокращение сроков строительства в суровых климатических условиях. Такая цель полностью отвечает задачам, стоящим перед строителями.

В данной работе на основе эспериментов, выполненных как в лабораторных условиях, так и в натуре, а также результатов проведенных ранее исследований приводятся рекомендации по новой технологии погружения металлического шпунта со льда при строительстве различного рода сооружении на реках и водоемах.

Технологический процесс погружения шпунта с использованием метода вибропрокола льда включает следующие операции:

— устройство траншеи-направляющей глубиной 20...40 см и шириной, равной высоте профиля шпунта. Ось траншеи должна совпадать с осью шпунтового ряда;

— укладку сваи на подставку и скрепление ее с вибропогружателем;

— подъем сваи с вибропогружателем и заводку ее в замок предыдущей погруженной до проектной отметки сваи, опускание сваи и установка ее на дно траншеи-направляющей;

— строповку сваи с закрепленным на ней вибропогружателем;

— включение вибропогружателя и погружение сваи путем вибропрокалывания льда;

— снятие вибропогружателя и наголовника со сваи.

В соответствии с описанным технологическим процессом назначается комплект основных механизмов и приспособлений, в который должны войти:

— кран с расчетными параметрами: необходимая грузоподъемность крана, необходимый вылет стрелы крана, необходимая высота подъема крюка крана;

— подставки для укладки шпунта в положение, удобное для скрепления с вибропогружателем;

— стропы с расчетными параметрами: расчетная грузоподъемность стропа, расчетная высота стропа;

— вибропогружатель с наголовником и расчетными параметрами: мощность электродвигателя вибропогружателя, статический момент массы дебалансов, частота колебаний, возбуждающая сила, масса вибропогружателя;

— комплект инструмента для устройства траншеи-направляющей и для скрепления сваи с вибратором;

— источник электроэнергии.

Тип крана и его технические параметры следует выбирать в зависимости от конкретных условий производства работ. Нужно, однако, иметь в виду, что необходимая грузоподъемность крана на необходимом вылете должна в 1,2...1,4 раза превышать массу вибропогружателя с погружаемым элементом.

Стропы должны иметь коэффициент запаса прочности, равный 6. Расчетная высота стропов определяется по формуле:

к =Н - к - к - /1+0,5, (18)

ркамв ^ '

где Н^ — высота подъема крюка крана; к^ — возвышение предыдущей погруженной шпунтины над поверхностью льда; к^ — наибольшая высота шпунтин в данной конструкции; к^ — высота вибропогружателя с наголовником.

Методика выбора сваепогружающего оборудования приводится ниже.

Параметры вибропогружателя определяются исходя из следующих соображений.

В настоящее время создана модель и разработана теория погружения свай в грунт вибрационным методом. Однако некоторые вопросы физических явлений, происходящих при вибропогружении свай, все еще не полностью изучены. Вопросы же вибропогружения свай в лед до сего времени не были изучены вовсе. В связи с этим можно рекомендовать выбирать параметры вибропогружателя на основе данных, полученных в результате выполненных экспериментов, а также по аналогии с теорией погружения шпунта, созданной для грунта, где грунт рассматривается как среда, обладающая упругими свойствами твердого тела.

С определенными допущениями можно считать, что лед также является средой, обладающей упругими свойствами. По аналогии с вибропогружением шпунта в грунт будем считать , что на процесс его вибропогружения в лед большое влияние оказывают амплитуда и частота колебаний системы «свая—вибратор». В свою очередь, амплитуда и частота колебаний зависят от механических свойств льда, массы и размера погружаемого шпунта, а также от параметров возбудителя колебаний, которым является в данном случае вибропо-

гружатель. Следовательно, параметры вибропогружателя должны быть подобраны таким образом, чтобы амплитуда и частота колебаний погружаемого элемента обеспечивала погружение шпунта в лед с заданной скоростью и на требуемую глубину. Очевидно, что подбор параметров вибратора может быть выполнен на основе теории, устанавливающей зависимость колебаний погружаемого элемента от параметров вибратора, массы, длины и других характеристик погружаемого элемента, а также от свойств льда. Учитывая, однако, что свойства льда могут в значительной степени меняться в зависимости от окружающих условий, а теория колебаний погружаемого элемента в общей постановке очень сложна, введем некоторые допущения и ограничения с целью упрощения расчетов по подбору параметров вибропогружателя, но при условии, что эти допущения не повлияют на окончательные результаты. Колебания погружаемого элемента будем рассматривать только в направлении погружения (продольные колебания), так как только эти колебания оказывают существенное влияние на лед под торцом шпунта.

Лед рассматривается как среда, обладающая упругими свойствами твердого тела. Реакции льда, действующие на элемент (шпунт) при его колебании считаются линейными функциями перемещения и скорости колебаний. Допускается, что силы трения, возникающие по боковой поверхности шпунта, на колебания погружаемого элемента влияния не оказывают вследствие небольшой их величины.

Будем считать, что модуль упругости материала металлического шпунта бесконечно велик, тогда погружаемый элемент можно рассматривать как абсолютно твердое тело.

Учитывая, что лед на реках и водоемах Сибири имеет ограниченную толщину, не превышающую 2,0 м, нет необходимости приводить здесь подробные теоретические выкладки по определению параметров вибропогружателя, который бы обеспечивал погружение шпунта на большие глубины. Ограничимся только практическими рекомендациями по подбору параметров, обеспечивающих вибропрокол льда указанной толщины.

Введем некоторые понятия:

начальная амплитуда вибраций, условимся, что это амплитуда, при которой шпунт начинает погружаться в лед;

эффективная амплитуда колебаний — амплитуда, соответствующая максимальной скорости погружения;

критическое сопротивление срыву шпунта, отнесенное к единице длины шпунта, — условная расчетная характеристика свойств льда при данных размерах сваи,

Т =В / }1 ,

к ' ш

где В — возмущающая сила вибратора; к^ — глубина погружения шпунта;

Р— начальное давление на сваю, отнесенное к единице площади поперечного сечения сваи — давление, при котором свая начинает погружаться в лед.

Для успешного погружения сваи в лед в каждом случае необходимо соблюдение следующих условий:

— величины возмущающих сил вибратора должны быть достаточными для преодоления сопротивления льда срыву сваи при заданной глубине ее погружения;

— амплитуда вибраций сваи должна в достаточной мере превышать величину начальной амплитуды;

— равнодействующая всех приложенных к свае внешних сил должна быть достаточной для обеспечения необходимой скорости погружения шпунта.

Первое условие можно представить в виде зависимости:

В=^>Х„Г(, (19)

8

где В — возмущающая сила вибратора; К — момент дебалансов; со — частота колебаний (угловая скорость); § — ускорение силы тяжести; Хо — некоторый коэффициент приближения, учитывающий влияние упругости льда; Т — расчетная величина критического сопротивления срыву сваи при максимальной глубине ее погружения.

Для низкочастотных вибраторов Хо рекомендуется принимать равным 0,6-0,8, а для высокочастотных — 1.

Расчетная величина критического сопротивления срыву сваи определяется из зависимости:

Т =Л I , (20)

Кр А кр 4 '

где /гл — толщина льда, м.

Как показали натурные испытания вибропогружателя шпунта, значения / могут колебаться в пределах (5...40)х104 н/м в зависимости от типа шпунта, толщины льда и состояния льда. Предварительно, на основании опытов, можно сделать вывод, что чем ниже температура льда, тем выше значение / .

Второе условие можно записать в виде зависимости:

, к _ „

с^ ' <21>

;e Qo — сумма масс сваи, вибропогружателя и пригрузки (если она меется); А^ — необходимая амплитуда; k — безразмерный коэф-ициент, равный 0,8—1,0 в зависимости от состояния льда. Третье условие будем считать практически выполненным, когда

Qo>PF, (22)

île Pq — необходимое удельное давление на сваю; F — площадь оперечного сечения сваи.

Для успешного погружения шпунта достаточно, чтобы величина Рд ыла в 2_3 раза выше величины начального давления. Кроме того, олжно соблюдаться условие:

Уг < ^ < Уг , (23)

де у1 = 0,15 и у2 — 0,5 — эмперические коэффициенты.

Подбор параметров вибропогружателя производится в следующем юрядке:

— на основании исходных данных, характеризующих состояние ьда, с помощью формулы (20) определяют величину Т ;

— ориентировочно назначают величину Qo, выбирают величину 1 , значения которой колеблются в пределах 5...20 мм в зависимости iT свойств льда, и вычисляют примерную величину К по формуле:

К =А Q /k ,

l затем по формуле:

ш = ^tTJK (24)

¡ычисляют необходимую частоту вибрирования (угловую скорость фащения дебалансов вибратора);

— пользуясь данными о необходимом давлении Ро, значения которого колеблются в пределах 2...12 МПа в зависимости от :остояния льда и размеров поперечного сечения сваи по формуле '22) определяют необходимую минимальную массу вибропогру-кателя со сваей и проверяют, удовлетворяет ли эта масса условию

[23);

Если в результате расчетов получится, что Q < у^ В, то увеличивают ее до Q = yt В. Ехли же окажется, что у2 В, то увеличивают величину возмущающей силы до такого предела, при котором соблюдается условие (23);

— окончательно задаются моментом эксцентриков и числом эборотов вибратора, а также массой вибропогружателя, а затем проверяют принятые параметры по формулам (19),(21),(20);

— располагая параметрами необходимого вибропогружателя, определяют необходимую мощность электородвигателя по формуле:

N = (Ж + / К^ , (25)

где XV — общая мощность, необходимая для преодоления сопротивлений в механизме вибратора; — мощность, необходимая для преодоления сопротивления льда; К — коэффициент, учитывающий потери энергии в передаче от двигателя к валам вибратора.

Рекомендации по подсчету величин УУ и ХУ^ имеются в справочной литературе по свайным работам.

После подсчета всех необходимых параметров вибропогружателя подбирают из серийно выпускаемых вибропогружателей тот, который имеет параметры, максимально приближенные к расчетным.

На основе натурных испытаний автором разработана упрощенная методика подбора вибропогружателей с учетом всех факторов, влияющих на процесс вибропрокола льда. Она может служить для ориентировочного ( весьма грубого ) подбора вибропогружателя. Зная максимальную массу погружаемой сваи и руководствуясь неравенством:

К =^=<0,3, (26)

Я.

где Ки — коэффициент масс; — масса сваи; — масса вибропогружателя; ориентировочно определяют необходимую массу вибропогружателя.

Затем определяют минимально необходимую возмущающую силу в соответствии с неравенством:

Кд = — > 10 , (27)

<7св

где К — динамический коэффициент.

Затем подбирают вибропогружатель с соответствующей В и^, но с числом колебаний в минуту п > 400. Окончательно пригодность вибропогружателя определяется по удельному давлению сваи на лед, которое должно составлять не менее 8 МПа.

Ледорезная машина, или комплект инструмента для устройства траншеи-направляющей выбираются в зависимости от конкретных условий производства работ. Источником тока может служить, как постоянная, так и временная АЭП, или передвижная электростанция. Следует, однако, иметь ввиду, что мощность источника тока должна быть в 2...2,5 раза больше мощности электродвигателя вибропогружателя.

Сооружения из металлического шпунта в настоящее время широко применяются в гидротехническом строительстве, а также при строительстве многих видов искусственных сооружений в транспортном строительстве. Во всех случаях, когда производство работ по возведению этих сооружений предусматривается со льда, возможно применение предлагаемой технологии. Однако непременным условием применения этой технологии является наличие достаточной несущей способности ледяного покрова реки или водоема, где производятся работы.

В настоящее время ведутся обширные исследования в Арктике и Антарктиде. Они, в часности, направлены на освоение этих районов в перспективе. Следовательно, возникает вопрос о возведении сооружений на льдах. Одним из видов фундаментов таких сооружений, несомненно, станут сваи. Для их устройства с успехом сможет применяться рекомендуемая технология погружения свай в лед.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная работа дала возможность сделать вывод о технической возможности и экономической целесообразности применения вибропрокола льда при строительстве гидротехнических и других сооружений из металлического шпунта со льда.

В результате выполненных исследований разработана технология погружения металлического шпунта в грунт через лед без устройства майны.

Установлены зависимости, позволяющие разработать методику подбора сваепогружающего оборудования.

Разработана методика подбора сваепогружающего оборудования для вибропрокола льда при погружении металлического шпунта.

Внедрение разработанной технологии позволило значительно снизить стоимость возведения сооружений из металлического шпунта, сократить трудозатраты, повысить технологичность и безопасность работ, значительно сократить сроки возведения сооружений, повысить производительность труда, что подтверждается прилагаемыми актами внедрения (приложение 1 и 2).

Экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии подсчитан для треста «Запсибгидрострой», исходя из следующих соображений.

По данным треста в ближайшие пять лет будут строиться сооружения из металлического шпунта в объеме 12 тыс. тонн. Если принять, что 30 % шпунта будет погружено по предлагаемой технологии (что является вполне реальным), то с учетом подтвер-

жденной экономии на каждой тонне шпунта (см.прилагаемый акт внедрения новой технологии от 25 февраля 1981 г.) общий экономический эффект за пятилетие составит:

Э = 0.3 V Э' , (28)

где Э — общий экономический эффект за пятилетие; V — объем работ за пятилетие, т; Э' — экономия в руб. на одной тонне забиваемого шпунта по данным треста (см. приложение №2); 0,3 — коэффициент, учитывающий объем забивки шпунта со льда.

Э - 12000 X 40 X 0,3 - 144000 Р (в ценах 1984 г.).

Учитывая, что трест может увеличить объем работ, а также и то, что процент забиваемого со льда шпунта может быть повышен, можно ожидать практически более высокого экономического эффекта.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

"УТВЕЩАО"

Начальник Нижнеянского речного порта ЛОРПа

^_М.Латхо

26 апреля 1974 г-

АКТ

испытания способа погружения металлических пщунтовых свай в лед

пос.Нижнеянск 24 апреля 1974 г.

Мы, нижеподписавшиеся, доцент Новосибирского института инженеров железнодорожного транспорта т.Шемяковсвсий Г.С., главный инженер Нижнеянского речного порта т.Королев A.A., начальник технического отдела Нижнеянского речного порта т.Бфюков А.Н., составили настоящий акт в том, что в процессе производства работ по забивке металлических шцунтовых свай причальной набережной в Нижнеянскоы речном порту нами испытан и осуществлен в натуре новый способ погружения щунта "Ларсен-У". Перед забивкой гапунта майна не устари-вадась.

Шцунтина,- длиной 16 м, весом 1,6 т ставилась непосредственно на поверхность льда, на шпунтину устанавливался и закреплялся вибратор C-I0Q3.

фи включении вибратора происходило плавное, свободное погружение шцунта в лед. Лед толщиной около 2,0 м шпунтина проходит за 20» 30 сек., далее ппунт погружается в грунт.

После испытаний ут^фМ^ш^б принят к производству работ.

U.П. Подрш: ¡^Р.Шемяковекий

У 1*\ ./'¿^.Королев

Копия верна: • Бирюков

Приложение 2

"УТВЕРадш"

Главный инженер треста "Залсибгидрострой"

"Запсибгидрострой'

В.В.Гончаров 17 марта 1961 г.

АКТ

о внедрении способа вибропрокола льда, разработанного НШКГоы совместно с трестой "Запсибгидрасгрой* цри погружении металлического шцунта на причалах общего пользования в г.Нижневартовске (тема № 49-80)

г.Нижневартовск

25 февраля 1981 г.

Нами, нижеподписавшимися, начальником производственного отдела треста т.Шевцовым В.В., гл.инженером.треста ЗСГС.т.Гончаровыи В.В. в 1980 году при строительстве оторочгси причалов применен способ виброцрокола льда, разработанный НИЖГои совместно с трестом "Зад- . сибгидросгрой". Производилось погружение шцунта "Ларсен-У" длиной до 10 м вибропогружателем типа ВПА-2А при температуре наружного воздуха от -10° до -30°С. Толщша льда составляла 0,8 м. Шпунт под воздействием вибрации проходил толщу льда.за 20-30 сек. Майна во льду предварительно, не устраивалась.

Производительность труда была повышена на 15-2055. .....

Экономический эффект составил 12 тыс.рублей на 300 т шунта.

Копия вер»

И. П.

флцюиз водителей работ

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Г.С.Шемяковский, А.Н.Бирюков, А.А.Королев. Технология погружения металлических шпунтовых свай со льда без устройства майны //Межвузовский сборник научных трудов, вып.188/1. НИИЖТ, 1986.

2. Г.С.Шемяковский. К вопросам совершенствования свайных работ со льда //Межвузовский сборник научных трудов, вып.197/

10. НИИЖТ, 1987.

3. Г.С.Шемяковский. Новый способ погружения шпунтовых свай со льда /Информационный листок № 258/80. ЦНТИ. Новосибирск, 1980.

4. Г.С.Шемяковский. Способ вибропрокола льда при производстве свайных работ. Информационный листок № 507/81. ЦНТИ. Новосибирск, 1981.

5. Г.С.Шемяковский, А.А.Королев, А.Н.Бирюков. Способ вибропогружения свай в грунт с ледяного покрова /Авторское свидетельство № 922233.

6. Г.С.Шемяковский, Д.В.Рощункин, А.Е.Якунин. Рабочий орган виброустановки для образования скважин в ледяном покрове /Авторское свидетельство № 883305.

7. Г.С.Шемяковский, Д.В.Рощункин, А.Е.Якунин. Рабочий орган для образования скважин в ледяном покрове /Авторское свидетельство № 968298.

8. Г.С.Шемяковский. Методика подбора сваепогружагащего оборудования при вибропроколе льда //« Экономика и технический прогресс в транспортном строительстве». НИИЖТ,1988.

9. Г.С.Шемяковский. Повышение эффективности технологии свайных работ со льда / /«Вопросы ускорения технического прогресса на железнодорожном транспорте». НИИЖТ,1986.

10.Г.С.Шемяковский. Новый способ производства свайных работ со льда при строительстве транспортных объектов / / «Вопросы повышения надежности и эффективности работы железнодорожного транспорта». НИИЖТ, 1982.

11. Г.С.Шемяковский. Повышение эффективности технологии свайных работ со льда //«Совершенствование экономики, организации и планирования строительства на железных дорогах».НИИЖТ,

1986г.

12.Г.С.Шемяковский. Способ устройства скважин в ледяном покрове /Информационный листок № 182—85. ЦНТИ. Новосибирск, 1985.

13. Г.С.Шемяковский. Новая технология устройства свайных фундаментов //Тезисы доклада на Всероссийской международной конференции «Автомобильные дороги Сибири». СибАДИ, 1994.

СОДЕРЖАНИЕ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ...........................1

1.1. Актуальность проблемы............................................................1

1.2. Цель работы................................................................................2

1.3. Методика исследований............................................................3

1.4. Научная новизна.........................................................................3

1.5. Практическая ценность работы...............................................3

1.6. Реализация результатов работы..............................................3

1.7. Апробация работы......................................................................4

1.8. Публикации..................................................................................4

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ........................................................4

2.1. Анализ ледовых условий некоторых рек и водоемов

Сибири..........................................................................................4

2.1.1. Нарастание толщины льда.............................................5

2.1.2. Данные о ледовых фазах на некоторых реках Сибири................................................................................6

2.1.3. Основные физико-механические характеристики льда, используемые в расчетах и опытах...................7

2.1.4. Несущая способность ледяного покрова рек Западной Сибири и прогнозированиевозможнои продолжительности периодапроизводства работ

со льда................................................................................8

2.1.5 Нарастание толщины льда и его температура

в условиях эксперимента..............................................10

2.1.6. Краткая характеристика условий строительства объектов на реках Сибири...........................................10

2.1.7. Описание конструкций из шпунта............................. 12

2.1.8. Характеристика существующих способов производства работ........................................................ 12

2.1.9. Экспериментальные исследования процесса вибропрокола льда шпунтом........................................16

2.1.10. Технологический процесс погружения металлического шпунта со льда методом вибропрокола

и рекомендации по его использованию.....................23

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................29

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................31

Приложение 1....................................................................................31

Приложение 2..................................................................................32

Список опубликованых работ...........................................................33

Подписано в печать 10.05.95 2.4 печ. л. 1.8 уч.-изд. л. Заказ № 142 Тираж 80 экз

Издательство СГАПС 630023, Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191