CC BY
3
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esi.today 2021, №6, Том 13 / 2021, No 6, Vol 13 https://esi.today/issue-6-2021 .html URL статьи: https ://esi .today/PDF/21SAVN621 .pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Цыганкова, М. А. Исследование технологических параметров оборудования для срезки грунта при устройстве ленточно-оболочечных фундаментов / М. А. Цыганкова // Вестник евразийской науки. — 2021. — Т. 13. — № 6. — URL: https ://esj .today/PDF/21SAVN621 .pdf
For citation:
Tsygankova M.A. Investigation of technological parameters of equipment for cutting soil in the construction of tape-shell foundations. The Eurasian Scientific Journal, 13(6): 21SAVN621. Available at: https://esj.today/PDF/21SAVN621 .pdf. (In Russ., abstract in Eng.).
Цыганкова Мария Анатольевна
ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет», Тюмень, Россия Старший преподаватель кафедры «Строительного производства»
E-mail: maria.grey@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9824-6807 РИНЦ: https://elibrary.ru/author profile.asp?id=768655
Исследование технологических параметров оборудования для срезки грунта при устройстве ленточно-оболочечных фундаментов
Аннотация. Как известно из практического опыта строительства ленточно-оболочечных фундаментов, основные технологические сложности возникают из-за формирования выпуклого вверх цилиндрического грунтового основания под железобетонную оболочку, в связи с чем, автором статьи предложено новое технологическое решение — использование режущего оборудования, перемещаемого вдоль грунтового целика при помощи электрической лебедки. Технология устройства ленточно-оболочечных фундаментов является объектом диссертационного исследования автора, разработка нового режущего оборудования является одной из задач научной работы. В статье рассматривается описание нового режущего оборудования, приводятся рекомендации по сборке режущего оборудования, а также спецификация оборудования. В силу разнообразия геометрических размеров грунтовых целиков предложенное оборудование целесообразно выполнять по принципу «труба в трубу», при этом автором доказано, что высота подъема стрелы режущего оборудования при изменении ширины режущего оборудования находится в пределах допустимых ограничений, заданных проектом. Автором произведен анализ факторов, влияющих на технологические параметры режущего оборудования. Выявлено, что основным фактором является сила сопротивления грунта резанию. Проведено численное исследование силы сопротивления грунта резанию по трем вариантам грунтовых профилей с различными геометрическими параметрами, выявлено, что наиболее весомыми факторами, оказывающими воздействие на силу сопротивления грунта резанию новым оборудованием, являются прочностная характеристика грунта, а именно число ударов динамического плотномера и геометрическая характеристика режущего оборудования, а именно — длина дуги режущего оборудования. Построены графики зависимости для трех вариантов различных грунтовых профилей, выведено линейное уравнение зависимости силы сопротивления грунта резанию от основных влияющих факторов. Так же в статье даны рекомендации по выбору модели электрической лебедки в зависимости от параметров режущего оборудования и грунтового основания. Для оценки качества срезаемой поверхности и работы нового режущего оборудования произведен натурный эксперимент в полевых
условиях. Для эксперимента запроектирована и разработана модель режущего оборудования в масштабе 1:20. В результате произведенного натурного эксперимента отмечена высокая производительность выполнения срезки грунта по криволинейной поверхности, технологическая простота выполнения процесса и высокое качество поверхности грунтового массива.
Ключевые слова: фундамент; технология строительства; ленточно-оболочечный фундамент; фундамент с криволинейной формой контактной поверхности; разработка грунта; оборудование для срезки грунта; сила сопротивления грунта резанию
Введение
Ленточно-оболочечные фундаменты известны еще с 70-х годов, но широкое распространение в практике строительства в то время не получили. В последние годы благодаря научным исследованиям д.т.н. профессора Пронозина Я.А., д.т.н. Тер-Мартиросяна З.Г., д.т.н. Кима Б.Г. и др. ленточно-оболочечные фундаменты заняли свою нишу в фундаментосроении [1-4]. Под руководством д.т.н. Пронозина Я.А. защищено девять диссертационных работ по исследованию ленточно-оболочечных фундаментов, построено свыше 23 зданий в г. Тюмени и Тюменской области.
Как правило, ленточно-оболочечные фундаменты (ЛОФ) мелкого заложения выполняются по цилиндрическому выпуклому вверх грунтовому массиву (грунтовому целику)1, формируемому в процессе производства земляных работ [5; 6]. По грунтовому основанию криволинейной формы в пролетной части фундамента устраивается железобетонная оболочка, защемленная вдоль образующих в опорные монолитные контуры (ленточные фундаменты) (рис. 1). При осадке ленточных опорных контуров под нагрузкой происходит натяжение арматуры железобетонной оболочки, и, как следствие, происходит обжатие и вовлечение в работу грунта пролетной части и тем самым ленточно-оболочечный фундамент преобразуется в конструкцию, не уступающую по прочности конструкции сплошной монолитной фундаментной плиты [7; 8].
При этом, согласно проведенным исследованиям авторов, высота стрелы подъема оболочки должна быть в пределах f = (1/5 — 1/12)Ь, где f — высота подъема оболочки, L — ширина пролета оболочки. Большое значение для соблюдения данного условия имеет качество устройства подоболочечного грунтового целика.
Рисунок 1. Пролетная часть ЛОФ [5, с. 285 https://cyberleninka.ru/article/n/opyt-ustroystva-fundamentov-zdaniy-povyshennoy-etazhnosti-v-usloviyah-yuga-tyumenskoy-oblasti/viewer]
1 Патент № 2223367 С2 Российская Федерация, МПК E02D27/01. Фундамент: № 2001122570/03: заявл. 09.08.2001: опубл. 10.02.200 / Малышкин А.П., Пронозин Я.А.; заявитель и патентообладатель Тюменская Государственная Архитектурно-строительная академия. — 5 с.: ил. — Текст: непосредственный.
Практический опыт строительства данных конструкций фундаментов [9] показывает, что основную сложность вызывает соблюдение геометрической формы грунтового основания, выполненного по криволинейной поверхности, контактирующей с железобетонной оболочкой [10] (рис. 2). В связи с чем, возникает необходимость решения технологической задачи по снижению трудозатрат на производство земляных работ, обеспечение проектных геометрических размеров грунтового основания, повышение качества поверхности основания под железобетонную оболочку.
б) Применение шаблонов для соблюдения геометрической точности грунтового целика
Рисунок 2. Технология формирования грунтового целика ленточно-оболочечного фундамента (фото сделано автором)
а) Формирование кривизны грунтового целика вручную
Для решения данной технологической задачи предлагается использовать специальное оборудование, разработанное автором, и являющееся предметом диссертационного исследования автора, представляющее собой «режущий нож», выполненный из металлопрокатных профилей и металлических листов, перемещаемый вдоль грунтового целика по направляющим при помощи электролебедки (рис. 3). Спецификация оборудования для срезки грунта шириной пролета Ь = 5 м представлена в таблице 1.
а) Сборка режущего оборудования б) Предлагаемый способ резания грунта
Рисунок 3. Проект оборудования для формирования криволинейной поверхности грунтового целика (разработано автором)
Таблица 1
Спецификация оборудования
Поз. Наименование Кол. Масса, ед. кг/пог. м Общий вес, кг Примечание
1 Металлическая направляющая 2 14,2 170,4 П16 L = 600 см
Режущий нож
2 Металлическая замкнутая труба Толщина стенки 5 мм 2 10,65 21,3 100x50 L = 100 см
3 Металлическая полая труба 6 3,83 6,9 60x30
Толщина стенки 3 мм L = 30 см
Гнутая металлическая труба 50x25
4 Толщина стенки 3 мм 3 3,13 47,9 L = n см 5,1 м
5 Металлические листы (пластины) n 9,43 160,3 100x30 см
Металлические петли 6 шт.
6 на 1 мет. лист 0,07 кг 7,14
Общий вес режущего ножа 243,5
Разработано автором
Методы
Объектом исследования в данной статье является новое режущее оборудование, используемое при формировании выпуклого вверх грунтового основания, входящего в состав конструкции ленточно-оболочечного фундамента и включающееся в работу при естественной осадке фундамента при его нагружении вышерасположенными конструкциями. Исследованию подлежат геометрические параметры грунтового целика и оборудования, прочностные характеристики грунтового основания и технологические параметры оборудования, работа оборудования в полевых условиях с использованием экспериментальной модели.
Результаты
Использование режущего оборудования предполагается для грунтовых целиков, имеющих различную ширину, согласно проектной документации и высоту подъема стрелы цилиндрической поверхности, находящейся в пределах от 1/5L до 1/12L, где L — ширина грунтового целика. В силу возможного разнообразия грунтовых целиков по ширине, и как следствие, по высоте подъема стрелы, рекомендуется при сборке конструкции оборудования использовать гнутые трубы разного диаметра, по принципу «труба в трубу» (рис. 4).
Рисунок 4. Изменение размера режущего оборудования (разработано автором)
При проведении анализа запроектированного оборудования по заданному принципу, было установлено, что с изменением ширины оборудования изменяется и высота подъема стрелы оборудования, но при этом она находится в пределах проектного значения от 1/5L до 1/12L (рис. 5), что является определяющим фактором при принятии решения о выборе данного оборудования для формирования криволинейной поверхности грунтового массива.
Рисунок 5. Изменение размеров режущего оборудования с использованием системы «труба в трубу» (разработано автором)
При работе режущего оборудования, перемещаемого вдоль грунтового целика при помощи электрической лебедки, большое значение имеет сила сопротивления грунта резанию, которая, согласно исследованиям Зеленина А.Н., зависит от множества факторов [11]. Наиболее весомыми факторами являются прочностные характеристики грунтового массива, определяемые числом ударов динамического плотномера и геометрические параметры режущего оборудования: длина дуги режущего оборудования и угол наклона режущего ножа.
В рамках исследования было рассмотрено три варианта наиболее распространенных грунтовых профилей, используемых в практике строительства при возведении ленточно-оболочечных фундаментов (рис. 6).
Отличительной чертой данных вариантов является различная ширина грунтовых целиков: 3 м, 4,5 м, 6 м и, как следствие, различная длина дуги грунтового профиля (определяющая длину дуги режущего оборудования Lдро), которая помимо ширины целика (Ь) определяется и заданной высотой подъема стрелы которая должна быть в пределах 1/5Ь-1/12Ь.
Рисунок 6. Исследуемые варианты грунтовых профилей (разработано автором)
Расчет силы сопротивления грунта резанию новым оборудованием для каждого из трех вариантов производился с использованием формулы, выведенной Зелениным А.Н. [11, с. 100, ф. 42] с учетом геометрических особенностей режущего оборудования. При этом наиболее весомыми факторами, влияющими на силу сопротивления грунта резанию, являются: число ударов динамического плотномера (С); длина дуги режущего оборудования (Ьдро); режим резания (а).
в) Вариант 3
Рисунок 7. Зависимость силы сопротивления грунта резанию от С и а: а) Вариант 1; б) Вариант 2; в) Вариант 3 (разработано автором)
Вестник Евразийской науки 2021, №6, Том 13 ISSN 2588-0101
The Eurasian Scientific Journal 2021, No 6, Vol 13 https://esi.today
Для каждого из трех вариантов была рассчитана сила сопротивления грунта резанию при заданных геометрических параметрах, при изменении числа ударов динамического плотномера в границах от 1 до 34, при трех вариантах режимов резания — 30, 60 и 90 градусов.
В результате расчета были построены графики зависимости силы сопротивления грунта резанию (рис. 7).
Анализ графиков, построенных по трем вариантам грунтовых профилей, показал, что сила сопротивления грунта резанию новым оборудованием увеличивается с увеличением числа ударов динамического плотномера и увеличением угла наклона режущего оборудования.
В рамках проведенного численного исследования методом многофакторного анализа, который производился с учетом наиболее весомых факторов, влияющих на силу сопротивления грунта резанию новым оборудованием, а именно:
Х1 — число ударов динамического плотномера в границах 1-34 (С);
Х2 — длина дуги режущего оборудования в границах 3,05-6,2 м (Ьдро);
Х3 — режим резания в границах 30; 60; 90 градусов (а), была выведена эмпирическая формула для определения силы сопротивления грунта резанию:
P = 582,8 + 549,6С + 321,6LOTO + 90,43а +
ДРО (1)
+ 303,3^дро + 85,3Са + 49^Дроа + 47CLwOa ( )
где: Р — сила сопротивления грунта резанию; C — число ударов динамического плотномера; Ldpo длина дуги режущего оборудования; а — угол резания.
Сократив формулу, убрав значения факторов, оказывающих малозначительное влияние на силу сопротивления грунта резанию, формула преобразуется следующим образом:
P = 582,8 + 549,6С + 321,6L^O + 90,43а + 303,3^дро + 85,3Са (2)
Сила сопротивления грунта резанию является значимым фактором для определения тягового усилия лебедки, при помощи которой производится перемещение режущего оборудования вдоль грунтового целика.
Таблица 2
Выбор модели лебедки в зависимости от параметров режущего оборудования и грунтового основания
Наименование показателей электрических лебедок при перемещении режущего ножа Ед. изм. Модель электрических лебедок
ЛМ-0,35 ТЛЧ-14А ТЛ-14Б ЛМЧ-1 ЛМ-1,25
Тяговое усилие на канате Т 0,35 0,42 0,63 1,0 1,25
Канатоемкость барабана М 80 80 50 100 250
Скорость намотки каната м/с 0,2 0,45 0,35 0,3 0,37
Скорость намотки каната м/мин 12 27 21 18 22,2
Мощность электродвигателя кВт 1,5 3,0 3,0 4,0 4,0
Напряжение В 400 400 400 400 400
Масса (без каната) кг 75 280 220 270 320
Управление Электрическое
При числе ударов динамического плотномера число 1-21 22-34 1-2 3-21 1-11 22-34 12-34 12-34
При максимальной глубине резания м 0,2 0,2 0,4 0,4 0,6 0,4 0,6 св. 0,6
При максимальной ширине резания м 3,5 3,5 5 5 6,5 5 6,5 св. 6,5
При массе режущего оборудования т 0,157 0,157 0,222 0,222 0,29 0,222 0,29 св. 0,29
Разработано автором
Тяговое усилие лебедки влияет на скорость намотки троса на барабан лебедки, что в свою очередь влияет на выбор модели лебедки (табл. 2), что в свою очередь определяет время работы оборудования при срезке грунта, т. е. влияет на трудоемкость производства работ.
Согласно расчету и сравнению трудоемкости работ при производстве выпуклой вверх цилиндрической поверхности грунтового целика вручную и при помощи нового режущего оборудования, было выявлено, что затраты труда при производстве срезки грунта при помощи перемещаемого лебедкой оборудования сокращаются в 6 раз по сравнению с ручным формированием грунтового целика при помощи штыковых и совковых лопат.
В рамках оценки качества срезаемой поверхности при помощи нового режущего оборудования был произведен натурный эксперимент в полевых условиях. Для эксперимента была запроектирована и разработана модель режущего оборудования в масштабе 1:20 (рис. 8).
а) проект модели режущего оборудования а) натурная модель режущего оборудования Рисунок 8. Экспериментальная модель режущего оборудования (разработано автором)
Эксперимент производился в летнее время года, в теплую сухую погоду. Эксперимент производился в три этапа: 1 этап — подготовительные работы; 2 этап — срезка растительного слоя; 3 этап — основные работы по срезке грунтового основания.
Подготовительный этап включал разработку вручную траншей и ямы, укладку направляющих для перемещения режущего оборудования, монтаж и закрепление ручной лебедки (рис. 9). Далее производилась срезка растительного слоя (рис. 10), осуществляемая при помощи перемещения режущего оборудования вдоль направляющих при помощи ручной лебедки. Основной этап (рис. 11) включал срезку грунтового основания, залегающего ниже растительного слоя, так же за счет перемещения режущего оборудования вдоль направляющих при помощи ручной лебедки.
Рисунок 9. Подготовительный этап проведения натурного эксперимента (разработано автором)
Рисунок 10. Первый этап. Срезка растительного слоя (разработано автором)
Рисунок 11. Основной этап проведения натурного эксперимента (разработано автором)
В результате произведенного натурного эксперимента была отмечена высокая производительность выполнения срезки грунта по криволинейной поверхности, технологическая простота выполнения процесса и высокое качество поверхности грунтового массива.
Выводы
1. Ленточно-оболочечный фундамент является инновационной конструкцией в фундаментостроении, разработанной как альтернатива сплошной монолитной плите, при этом расход бетона и стали при устройстве ЛОФ снижается примерно на 30 % при высоких прочностных и эксплуатационных характеристиках фундамента.
2. Ограничением широкого использования конструкций ленточно-оболочечных фундаментов является мало изученность технологии строительства, в частности производство земляных работ при формировании криволинейного выпуклого вверх грунтового основания.
3. С целью снижения трудоемкости производства земляных работ при формировании криволинейной поверхности грунтового массива, а также с целью повышения качества поверхности подоболочечного массива грунта, предлагается использование нового режущего оборудования, перемещаемого вдоль грунтового целика по направляющим при помощи электролебедки.
4. Предлагаемое режущее оборудование, выполненное по принципу «труба в трубу», позволяет производить срезку грунта любой ширины согласно проектной документации, при этом высота подъема стрелы будет находиться в пределах заданных проектных размеров.
5. Наиболее весомым фактором, влияющим на трудоемкость производства работ новым оборудованием, является сила сопротивления грунта резанию.
6. На силу сопротивления грунта резанию в большей степени влияет число ударов динамического плотномера и длина дуги режущего оборудования. Построены графики зависимости силы сопротивления грунта резанию новым оборудованием от влияющих факторов. Выведена формула по определению силы сопротивления грунта резанию в зависимости от переменных факторов.
7. Приведена таблица по выбору модели электрической лебедки в зависимости от параметров режущего оборудования и грунтового основания.
8. Приведено описание натурного эксперимента в полевых условиях с использованием модели режущего оборудования в масштабе 1:20.
9. Применение нового оборудования для срезки грунта снижает трудоемкость производства земляных работ, уменьшает технологические сложности при формировании криволинейной поверхности грунтового основания, повышает качество поверхности грунтового массива, являющегося основанием для железобетонной оболочки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пронозин, Я.А., Перспективные фундаменты на сильносжимаемых грунтовых основаниях: Монография / Я.А. Пронозин, Л.Р. Епифанцева, Ю.В. Наумкина, Р.В. Мельников, О.С. Порошин. — М.: Издательство АСВ, 2017. — 350 с.
2. Пронозин, Я.А. Технологические аспекты и экономические показатели устройства ленточных фундаментов мелкого заложения, объединенных пологими оболочками / Я.А. Пронозин, М.А. Цыганкова, Д.В. Волосюк — Текст: непосредственный // Вестник ПНИПУ «Строительство и архитектура». — 2014.
— № 3. — С. 179-193.
3. Тер-Мартиросян, З.Г. Ленточные фундаменты мелкого заложения, объединенные пологими оболочками, на сильносжимаемых грунтах / З.Г. Тер-Мартиросян, Я.А. Пронозин, Н.Ю. Киселев — Текст: непосредственный // Основания, фундаменты и механика грунтов. — 2014. — № 4. — С. 2-6.
4. Ким, Б.Г. Устройство ленточных фундаментов мелкого заложения объединенных пологими оболочками / Б.Г. Ким, Я.А. Пронозин, Д.В. Волосюк — Текст: непосредственный // Механизация строительства. — 2014. — № 9 (843). — С. 914.
5. Пронозин, Я.А. Опыт устройства фундаментов зданий повышенной этажности в условиях юга Тюменской области / Я.А. Пронозин, М.А. Степанов, Д.В. Волосюк, АН. Шуваев, Г.И. Рыбак — Б01: 10.22227/1997-0935.2018.3.282292 — Текст: непосредственный // Вестник МГСУ. — 2018. — Т. 13. вып. 3(114).
— С. 282-292.
6. Пронозин, Я.А. Фундаменты-оболочки — опыт применения / Я.А. Пронозин, Д.В. Волосюк, М.А. Цыганкова — Текст: непосредственный // Строительный вестник Тюменской области. — 2013. — № 3. — С. 58.
7. Пронозин, Я.А. К вопросу использования оболочек и мембран в качестве сплошных фундаментов зданий и сооружений / Я.А. Пронозин, О.С. Порошин, Р.В. Мельников — Текст: непосредственный // Вестник гражданских инженеров.
— 2010. — № 4(25). — С. 78-85.
8. Тер-Мартиросян, З.Г. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных по прогнозу осадки крупномасштабной модели ленточно-оболочечного фундамента / З.Г. Тер-Мартиросян, Я.А. Пронозин, Л.Р. Епифанцева, О.С. Порошин — Текст: непосредственный // Современные проблемы науки и образования. — 2015. — № 2. — С. 209.
9. Ким, Б.Г. Опыт возведения ленточных фундаментов мелкого заложения, объединенных пологими оболочками в сложных инженерно-геологических условиях г. Тюмени / Б.Г. Ким, Я.А. Пронозин, М.А. Цыганкова, Д.В. Волосюк — Текст: электронный // Современные проблемы науки и образования. 2013. №№ 5. URL: http://www.science-education.ru/111-10407 (дата обращения: 25.11.2021).
10. Цыганкова, М.А. Технологические особенности производства земляных работ при устройстве мелкозаглубленных фундаментов-оболочек / М.А. Цыганкова // В сборнике: Архитектура — строительство — транспорт материалы 73-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. — 2017. — С. 84-89.
11. Зеленин, А.Н. Машины для земляных работ [Текст]: (Основы теории разрушения грунтов, моделирование процессов, прогнозирование параметров): Для вузов по специальности "Строит. и дор. машины и оборудование" / Под ред. д-ра техн. наук, проф. А.Н. Зеленина. — М.: Машиностроение, 1975. — 422 с.
Tsygankova Maria Anatolievna
Industrial University of Tyumen, Tyumen, Russia E-mail: maria.grey@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9824-6807 RSCI: https://elibrary.ru/author profile.asp?id=768655
Investigation of technological parameters of equipment for cutting soil in the construction of tape-shell foundations
Abstract. As it is known from the practical experience of the construction of strip-shell foundations, the main technological difficulties arise due to the formation of a convex upward cylindrical soil base under a reinforced concrete shell, in connection with which, the author of the article proposed a new technological solution — the use of cutting equipment moved along the ground whole using an electric winch. The technology of the device of tape-shell foundations is the object of the author's dissertation research, the development of new cutting equipment is one of the tasks of scientific work. The article discusses the description of the new cutting equipment, provides recommendations for the assembly of cutting equipment, as well as the specification of the equipment. Due to the variety of geometric dimensions of the ground pillars, it is advisable to carry out the proposed equipment according to the "pipe to pipe" principle, while the author proved that the height of the boom of the cutting equipment when changing the width of the cutting equipment is within the permissible limits set by the project. The author analyzes the factors affecting the technological parameters of cutting equipment. It is revealed that the main factor is the strength of the ground resistance to cutting. A numerical study of the strength of the ground resistance to cutting was carried out according to three variants of soil profiles with different geometric parameters, it was revealed that the most significant factors affecting the strength of the ground resistance to cutting with new equipment are the strength characteristics of the soil, namely the number of strokes of the dynamic density meter and the geometric characteristics of the cutting equipment, namely the arc length of the cutting equipment. Graphs of dependence for three variants of different soil profiles are constructed, a linear equation of the dependence of the strength of the soil resistance to cutting on the main influencing factors is derived. The article also provides recommendations on the choice of an electric winch model depending on the parameters of the cutting equipment and the soil base. To assess the quality of the cut surface and the operation of the new cutting equipment, a full-scale experiment was carried out in the field. A model of cutting equipment on a scale of 1:20 was designed and developed for the experiment. As a result of the full-scale experiment, the high productivity of performing soil cutting on a curved surface, the technological simplicity of the process and the high quality of the surface of the soil massif were noted.
Keywords: foundation; construction technology; band-shell foundation; foundation with a curved shape of the contact surface; soil development; equipment for cutting soil; the strength of soil resistance to cutting
