Грунтовые анкеры с гибкой тягой и промежуточной опорой: технология установки, метод расчета Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 624.153.7

ГРУНТОВЫЕ АНКЕРЫ С ГИБКОЙ ТЯГОЙ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ОПОРОЙ: ТЕХНОЛОГИЯ УСТАНОВКИ, МЕТОД РАСЧЕТА

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 прикладной геомеханики, тел. (383)205-30-30, доп. 332, e-mail: [email protected]

Гил Нам Хан

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории прикладной геомеханики, тел. (383)205-30-30, доп. 193, e-mail: [email protected]

Рассматриваются грунтовые анкеры с гибкой тягой, несущая способность которых по сравнению с традиционными конструкциями повышена за счет силы трения между тягой и промежуточной опорой (Э-анкеры). На примере сооружения временного крепления котлована станции метрополитена описана технология установки Э-анкера. Приведен вывод формулы для инженерной экспресс оценки его несущей способности.

Ключевые слова: грунтовый анкер, гибкая анкерная тяга, промежуточная опора, сила трения, несущая способность, инженерная формула, технология установки, котлован, временное крепление.

GROUND ANCHORS WITH A FLEXIBLE TENDON AND AN INTERMEDIATE SUPPORT: INSTALLATION PROCEDURE, ENGINEERING CALCULATION METHOD

Evgeny P. Rusin

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., Senior Researcher, Applied Geomechanics Laboratory, tel. (383)205-30-30, extension 332, e-mail: [email protected]

Guil Nam Khan

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., Senior Researcher, Applied Geomechanics Laboratory, tel. (383)205-30-30, extension 193, e-mail: [email protected]

Under consideration are ground anchors (E-anchors) with flexible tendon, bearing capacity of the anchors being greater at the expense of friction force between tendon and an intermediate support as compared to that of conventional structures. The procedure for E-anchor installation is described on the case study, viz., construction of subway-pit temporary support. Formula for engineering express-evaluation of an E-anchor bearing capacity is derived.

Key words: ground anchor, flexible anchor tendon, intermediate support, friction force, bearing capacity, engineering formula, installation procedure, pit, temporary support.

В механике известен эффект, который проявляется при огибании цилиндрической опоры натянутой гибкой нитью и заключается в экспоненциальном нарастании страгивающей силы относительно удерживающей при увеличении угла контакта

между нитью и опорой. Соотношение между этими силами описывается формулой Эйлера [1]. В ИГД СО РАН предложено данный эффект (для краткости назовем его «эй-леровским») использовать в целях повышения несущей способности анкеров с гибкой тягой. При этом роль опоры выполняет смежная тяге область породного или грунтового основания. Тягу вводят в контакт с ней либо путем выполнения монтажной скважины анкера искривленной [2] либо, в случае прямолинейной скважины, посредством нагру-жения анкера под некоторым углом к ее оси [3].

Эффективность рассматриваемого способа увеличения несущей способности анкеров такого типа (Э-анкеров) подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями [4]. Если основание сложено грунтами, в особенности слабыми, то для улучшения эксплуатационных свойств Э-анкеров целесообразно ввести в их конструкцию промежуточную опору. Последняя должна иметь развитую поверхность контакта с основанием и фрикционно взаимодействует с огибающей ее анкерной тягой. Физические и численные эксперименты показали, что введение промежуточной опоры в конструкцию Э-анкеров позволяет существенно улучшить (сделать более жесткой) их нагрузочную характеристику [5].

Рассмотрим технологию установки Э-анкера на примере временного крепления котлована станции метрополитена (рис. 1). Последовательность монтажных операций в этом случае включает:

- рытье приямка 4, проходку анкерной скважины 3 с использованием, например, машины «Форс» [6] 13, предназначенной для высокопроизводительного выполнения вертикальных и крутонаклонных скважин (рис. 1а);

- установку пяты 1 анкера с присоединенным к ней пассивным участком 2 тяги в анкерную скважину 3, ее тампонаж сыпучим заполнителем 7, установку промежуточной опоры 5 в приямке 4, рытье траншеи 6 (рис. 1б);

- укладку активной ветви 2' тяги, ее натяжение и закрепление на силовом поясе 10 посредством захвата-ворота 9, тампонаж приямка 4 и траншеи 6 сыпучим заполнителем 7 (рис. 1в). Элементы технологии успешно опробованы в натурных условиях на полигоне «Зеленая горка» ИГД СО РАН.

Для экспресс-оценки несущей способности Э-анкера с промежуточной опорой может быть использована формула Эйлера, в соответствии с которой предельное значение выдергивающей силы ^ равно

^ = е?а ^

(1)

где / - коэффициент трения гибкой тяги по поверхности промежуточной опоры, а -угол охвата гибкой тягой опоры в радианах, ^о - предельное сопротивление пяты анкера выдергиванию. Основная проблема при определении выдергивающей силы по формуле (1) состоит в трудности нахождения силы ^о. Для ее расчета получена инженерная формула

Гь ,

(2)

гн - радиус пяты анкера, <н - нормальное к основанию пяты напряжение, равное

<к =

/ лк V гк

<0 + Р

У гк

(г0 / ГН )

к+1

1

2 с

к +1

+ ■

(го / гН) -1

к

r0 = rh + htg ß, h « Югн, ß = /4-ф/2, к = 2[1 + tgф(^ cos ß + sin ß) ctg ß], у с, p-

объемный вес, сцепление и угол внутреннего трения, = tg ß, üq = у(H — h), H - глубина заложения пяты анкера, H >h.

-1

а

Рис. 1. Технология закрепления ограждения котлована станции метрополитена

Э-анкерами:

1 - пята анкера; 2 - пассивный участок тяги; 2 ' - активный участок тяги; 3 - монтажная скважина анкера; 4 - приямок; 5 - опора; 6 - траншея для укладки троса; 7 - тампонажный сыпучий материал; 8 - подхват; 9 - тросовый захват; 10 - силовой пояс; 11 - граница призмы обрушения; 12 - ограждение котлована; 13 - машина «Форс»

На рис. 2 приведены экспериментальные 1 и расчетные 2 значения сопротивления пяты анкера выдергиванию. Опыты проводились с различными размерами гн, равными соответственно 1.6, 3.3 и 4 см при Н = 1.2 м. Расчеты проводились при следующих значениях параметров, входящих в формулу (2): у= 16677 Н/м3; с = 12кПа; р = 30°. Проделанные исследования показывают, что расхождение цифр, полученных по формуле (2), с опытными не превышает 15%.

кН

40

20

0

0 0.02 0.04 гн ,м,

Рис. 2. Графики зависимости сопротивления ^о пяты анкера выдергиванию от размера гн его пяты: 1, 2 - экспериментальные и расчетные данные соответственно

/

X (

■А

Формулы (1) и (2) при известных значениях параметров Э-анкера, его промежуточной опоры и грунтового основания позволяют вычислять несущую способность проектируемого анкерного крепления с достаточной для практики точностью.

Таким образом, благодаря апробации отдельных технологических операций в натурных условиях и наличию надежного расчетного метода, технологию временного крепления ограждения котлована Э-анкерами можно считать готовой к промышленной проверке.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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

2. Пат. 2061872 Российская Федерация, E21D 20/00. Способ установки анкера [Текст] / С.Б. Стажевский, Д. Колимбас, А.А. Крамаджян, Ю.М. Кашин; заявитель и патентообладатель Институт горного дела СО РАН. - № 5032403/03,; заявл. 16.03.1992; опубл. 10.06.1996, Бюл. № 16. - 10 с.

3. Пат. 2457293 Российская Федерация, E02D 5/80. Способ сооружения грунтового анкера [Текст] / С.Б. Стажевский, А.А. Крамаджян, Е.П. Русин, Г.Н. Хан; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Институт горного дела Сибирского отделения РАН. - № 2011101239/03; заявл. 12.01.2011; опубл. 27.07.2012, Бюл. № 21. - 6 с.

4. Крамаджян А. А. О повышении несущей способности грунтовых анкеров с гибкой тягой [Текст] / А.А. Крамаджян, Е.П. Русин, С.Б. Стажевский, Г.Н. Хан // ФТПРПИ.- 2014.-№ 6. - С. 96-106.

5. Об улучшении нагрузочной характеристики грунтовых анкеров с гибкой тягой / А. А. Крамаджян, Е. П. Русин, С. Б. Стажевский, Г. Н. Хан // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 3. - С. 107-111.

6. Скачков К. Б. Усиление фундаментов набивными сваями. Глубинное уплотнение грунтов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.misd.ru/ cooperation/commercial/10103/ (06.03.2017).

© Е. П. Русин, Гил Нам Хан, 2017