Особенности взаимодействия гибкого элемента анкера с грунтовым основанием Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 624.153.7

ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГИБКОГО ЭЛЕМЕНТА АНКЕРА С ГРУНТОВЫМ ОСНОВАНИЕМ

Станислав Борисович Стажевский

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект 54, доктор технических наук, заведующий лабораторией повышения устойчивости оснований, тел. (383)217-07-63, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru

Арестакес Арамович Крамаджян

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории повышения устойчивости оснований, тел. (383)217-01-71, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru

Евгений Павлович Русин

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории повышения устойчивости оснований, тел. (383)217-07-38, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru

Рассматривается проявляющийся при охвате опоры гибким протяженным элементом эффект, описываемый формулой Эйлера. Подтверждена реализация и выявлены особенности его проявления при взаимодействии гибкого элемента с деформируемым грунтовым основанием. Доказана возможность существенного повышения несущей способности анкеров с гибким тяговым элементом (тросом, лентой, тонким стержнем и т.п.) за счет использования указанного эффекта.

Ключевые слова: грунтовый анкер, гибкая тяга, сила трения, выдергивающая сила, угол охвата, несущая способность.

FEATURES OF GROUND ANCHOR FLEXIBLE ELEMENT INTERACTION WITH SOIL BASE

Stanislav B. Stazhevsky

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Head of Laboratory for Stabilization of Understructures, tel. (383)217-07-63, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru

Arestakes A. Kramadzhyan

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, PhD Eng, Senior Researcher, Laboratory for Stabilization of Understructures, tel. (383)217-01-71, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru

Evgeny P. Rusin

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, PhD Eng, Senior Researcher, tel. (383)217-07-38, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru

The effect described by Euler's formula was studied in the field. A lengthy flexible element enveloping a soil support was loaded with external tension forces. It was found that the pullout force exceeded the holding force due to the friction force developed between the element and soil. Thus, realization of the effect in the conditions of a soil base was confirmed. The peculiarities of the effect manifestation in a natural soil base have been revealed. It was proved that bearing capacity of ground anchors having flexible tendon (rope, belt, thin rod and the like) could be considerably increased at the expense of the effect.

Key words: ground anchor, flexible tendon, friction force, pullout force, enveloping angle, bearing capacity.

В ИГД СО РАН разработан способ сооружения грунтового анкера с гибкой тягой (трос, лента, цепь, тонкий стержень и т.п.) [1], позволяющий существенно повысить несущую способность устройства. Суть решения состоит в использовании реализующегося при взаимодействии гибкого элемента с охватываемой опорой эффекта, который описывается формулой Эйлера [2]:

F = Р • e fa, (1)

где F — сила натяжения, приложенная к одному из концов тяги; Р -удерживающая сила на другом его конце; e - основание натурального логарифма; а - угол охвата тягой основания; f- коэффициент трения между тягой и опорой. Согласно (1) при указанных условиях сила натяжения F экспоненциально возрастает с увеличением угла охвата а.

В работе [3] рассмотрены результаты лабораторных исследований «эйлеровского» эффекта в приложении к грунтовым анкерам. Ниже представлены результаты исследований этого вопроса в натурных условиях.

Исследования проводились на полигоне «Зеленая горка» ИГД СО РАН. Характеристики грунта экспериментальной площадки, залегающего ниже почвенного слоя, представлены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики рабочего слоя грунта в районе экспериментальной площадки_

Краткая характеристика грунта Мощност ь, м Глубина залегания h, м Сцепление С, МПа Угол ф внутреннего трения, град Коэффициент водонасыщения Sr, %

Суглинок легкий пылеватый, еупесь песчанистая слабая 2,4 - 3,5 0,3 - 1,2 0,020 -0,022 23 - 30 0,8

Состоит площадка из котлована 1 размерами в плане 500*250 см и глубиной ~ 150 см, такой же глубины параллельной ему траншеи 2 размерами 500*100 см, и целика 3 между ними шириной 400 см (рис. 1).

Рис. 1. Площадка полигона:

1 - котлован; 2 - траншея; 3 - целик; 4 - борт целика

Для выяснения особенностей развития эйлеровского эффекта были проведены опыты, которые в целом воспроизвели те, что были реализованы в лабораторных экспериментах с гибкой тягой [3]. Отличались полевые исследования от последних тем, что проводились в грунтовом с повышенной влажностью целике 3 естественного сложения, гибкая тяга в ситуации с углом охвата а = 180° устанавливалась и нагружалась не в вертикальной, а горизонтальной плоскости.

Схема на рис. 2а иллюстрирует общую ситуацию на экспериментальной площадке при проведении опытов; фотография на рисунке 2б - котлован 1 площадки, в который выходят концы [Т-образного, нагружаемого силами P, F стального троса 2. Активный его конец пропущен через опорную плиту 3, домкрат 4 марки ДП10Г254 и закреплен на нем захватом 5. Домкрат соединен шлангами с ручным гидравлическим насосом 6 марки НРГ-7080Р, который оборудован манометром 7 для контроля усилия F, прикладываемого к активной ветви троса 2.

Для создания [Т-образной петли 2 использовался трос диаметром 10 мм. Протягивали его от домкрата 4, находившегося в котловане 1, в траншею 8 и обратно через горизонтальные параллельные между собой проложенные на расстоянии друг от друга 150 см в целике 9 скважины 10, 10' диаметром 65 мм. Пройдены они были пневмопробойником ДЖЛ-974. Конец пассивной ветви троса 2 крепили к динамометру 11 растяжения Э0Р-3-50Н (предел измерений 5-50 кН), оснащенному цифровым индикатором 12 марки R320. С другой стороны к динамометру присоединяли тягу 13 анкера, пята 14 которого жестко фиксировалась в противоположном от рабочего борту котлована 1.

а

Котлован 1 Целик 9 Траншея 8

Рис. 2. Схема (а) и фотография (б) нагружения [Т-образного троса:

1 - котлован; 2 - трос; 3 - опорная плита; 4 - домкрат; 5 - зажим троса; 6 насос;

7 - манометр; 8 - траншея; 9 - целик; 10,10'- скважины; 11 - динамометр; 12 - цифровой индикатор; 13,14 - соответственно, тяга и пята «мертвого» анкера

Основной целью экспериментов с [Т-образной гибкой тягой являлось определение коэффициента К = Г/Р, характеризующего эффективность работы эйлеровского эффекта в условиях слабого грунтового основания

площадки. Натяжение системы посредством домкрата велось до значения

*

Г « 30 кН.

Решению тех же задач были подчинены опыты с ^-образным тросом, натяжение которого осуществлялось в вертикальной плоскости. При этом угол а охвата тросом грунтовой опоры был равен 90°.

Основные результаты исследования особенностей развития эйлеровского эффекта при взаимодействии гибкого тягового элемента со слабыми грунтовыми опорами, огибаемыми им на углах 90 и 180°, представлены на рис. 3. Видно, что зависимость Р = /(Р) для грунтового основания, как и для песка в лабораторном эксперименте [3] фактически имеет линейный характер. Из рисунка следует, что углы наклона 6\, 62 графиков 1, 2 соответственно равны ~ 56 и 67°, а вкладом ¥г эффекта «резания» в величину сопротивления тросов выдергиванию из основания можно пренебречь. Отсюда с точностью, достаточной для практики, коэффициент К = ПР составляет для тросов с углами охвата а, равными 90 и 180°, соответственно 1,5 и 2,5.

/Л кН

35

Г А

30 25 20 15 10 5

0

1 _-

N

V

Г

Р, кН

10

12

14

16

18

Рис. 3. Зависимость выдергивающей силы Р от удерживающей Р : при углах охвата а равных 90° (1) и 180° (2)

Таким образом, проведенные исследования показывают, что при взаимодействии криволинейной гибкой тяги анкера с грунтом естественного сложения эйлеровский эффект проявляется столь же отчетливо, как и в случае жесткой цилиндрической опоры. Результатом его реализации становится восприятие анкерной тягой части усилия выдергивания, что ведет к росту несущей способности анкера в целом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Стажевский С.Б., Крамаджян А.А., Русин Е.П., Хан Г.Н. Способ сооружения грунтового анкера. - Патент РФ № 2457293. - БИ № 21. - 2012.

2. Бутенин Н.В., Лунц Я., Меркин Д.Р. Курс теоретической механики. В двух томах. Т. I: Статика и кинематика.- 4-е изд., исправл. - М.: Наука, 1985. - 240 с.

3. Стажевский С.Б., Крамаджян А.А., Русин Е.П. О нетрадиционном подходе к повышению несущей способности грунтовых анкеров с гибкой тягой // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Новые направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 3. - С. 35-40.

© С. Б. Стажевский, А. А. Крамаджян, Е. П. Русин, 2014