CC BY
35
О НЕТРАДИЦИОННОМ ПОДХОДЕ К ПОВЫШЕНИЮ
НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТОВЫХ АНКЕРОВ С ГИБКОЙ ТЯГОЙ
Станислав Борисович Стажевский
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, д.т.н., заведующий лаб. повышения устойчивости оснований, тел. (383)217-07-63, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru
Арестакес Арамович Крамаджян
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, к.т.н., с.н.с. лаб. повышения устойчивости оснований, тел. (383)217-01-71, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru
Евгений Павлович Русин
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.
Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, к.т.н., с.н.с. лаб. повышения устойчивости оснований, тел. (383)217-07-38, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru
Лабораторными экспериментами подтверждена возможность повышения несущей способности грунтового анкера за счет силы трения его гибкой тяги о грунт, развивающейся при приложении выдергивающего усилия под углом к оси анкерной скважины. Выявлены особенности проявления этого эффекта в условиях модельного грунтового основания.
Ключевые слова: грунтовый анкер, гибкая тяга, сила трения, выдергивающая сила, угол охвата, несущая способность.
ON T HE BEARING CAPACITY ENHANCEMENT OF A GROUND ANCHOR WITH FLEXIBLE TENDON: NON-TRADITIONAL APPROACH
Stanislav B. Stazhevsky
N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 54 Krasny Pr., Novosibirsk, 630091, Russia, Base Stability Enhancement Lab, DrSc, laboratoty head, phone +7(383)217-07-63, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru
Arestakes A. Kramadjian
N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 54 Krasny Pr., Novosibirsk, 630091, Russia, Base Stability Enhancement Lab, PhD, senior researcher, phone +7(383)217-01-71, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru
Evgeny P. Rusin
N.A. Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 54 Krasny Pr., Novosibirsk, 630091, Russia, Base Stability Enhancement Lab, PhD, senior researcher, phone +7(383)217-07-38, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru
Laboratory experiments confirmed the possibility of a ground anchor bearing capacity enhancement at the expense of a friction force developing between the anchor flexible tendon and ground. The effect is realised by means of the pullout force application to the tendon angularly to the anchor hole axis. The peculiarities of the effect manifestation in a model ground have been revealed.
Key words: ground anchor, flexible tendon, friction force, pullout force, enveloping angle, bearing capacity.
В ИГД СО РАН предложен нетрадиционный способ сооружения грунтовых анкеров [1], обеспечивающий существенное увеличение их сопротивления выдергиванию за счет включения в работу потенциала, заложенного в их гибкой тяге. Суть решения заключается в использовании эффекта, который реализуется при
огибании нагружаемой по концам гибкой тягой опорной конструкции. Как известно [2], в случае прочной цилиндрической в сечении опоры (рис. 1а) для преодоления удерживающей силы P, прикладываемой к одному из концов тяги, к другому ее концу необходимо приложить тем большее усилие F натяжения, чем больше угол а охвата ею опоры. Связь между F и P описывается формулой Эйлера [2]:
F = Р • е fa, (1)
где е - основание натурального логарифма, f - коэффициент трения между тягой и опорой. Сила R трения между ними определяется разностью F и P:
R = F - Р = Р • (еfa -1). (2)
а б
Рис. 1. Схемы нагружения гибкой тяги, охватывающей жесткую (а) и деформируемую (локальная область грунтового основания) (б) опору:
1- опора; 2 - гибкая тяга; 3 - замковый конец анкера; 4 - установочная скважина анкера; 5 - тампонирующий материал; ¥ - сила натяжения (полная несущая способность анкера); Р - удерживающая сила (несущая способность замкового конца анкера); а - угол охвата тягой опоры; О-О - ось установочной скважины анкера В приложении к обсуждаемой задаче (рис. 1б) рассматриваемый эффект (назовем его «эйлеровским») реализуется при нагружении анкеров путем натяжения их гибкой тяги 2 не по оси О-О установочной скважины 4, а под углом к
ней. Будем называть конструкции, нагружаемые таким образом, «Э-анкерами». Из (2) следует, что с увеличением угла охвата а гибкой тягой опоры, представляющей из себя локальную область грунтового основания, сила Я трения между ними должна нарастать по экспоненциальному закону. Достаточно высокое значение коэффициента / трения стали по грунту (/ = 0,5-0,6 [3]) позволяет надеяться на результативность использования эйлеровского эффекта для повышения несущей способности Э-анкеров.
Для выяснения степени и особенностей реализации указанного эффекта при взаимодействии анкерной тяги с деформируемой геосредой были проведены лабораторные исследования. Экспериментальный стенд (рис. 2) состоял из плоской емкости 1 с прозрачными стенками (рис. 2а) и включающей блоки 4 системы для нагружения уложенной в модельный массив гибкой тяги 2, имеющей угол а охвата опорной области грунтового основания равный 180° (рис. 2б) или 90° (рис. 2в).
а б в
Рис. 2. Экспериментальный стенд - емкость с уложенной в нее тягой (а), система нагружения гибкой тяги с углом а охвата ею опорной области грунтового основания равным 180° (б) и 90° (в):
1 - емкость; 2 - гибкая тяга (трос); 3 - грунт; 4 - блок
Опыты проводились следующим образом. В емкость 1 (см. рис. 2а) помещалась гибкая тяга 2 - стальной трос диаметром 1,5 мм, которому придавалась ^образная (см. рис. 2а) или L-обрaзнaя форма. После этого емкость 1 заполнялась влажным уплотнявшимся механической трамбовкой песком с крупностью
частиц до 0,5 мм. В результате формировался модельный грунтовый массив 3 с заключенным в нем изогнутым тросом (см. рис. 2 б, в). К его выходящим из грунта и перекинутым через блоки 4 концам с помощью гирь или динамометров прикладывались выдергивающая Р и удерживающая Р силы (см. рис. 2б, в). При каждом наперед заданном значении Р сила Р наращивалась до начала проскальзываний троса в геоматериале.
Такая схема нагружения гибкой тяги аналогична используемой при выводе классической формулы Эйлера. Как уже отмечено, в «геотехнических» ситуациях тросом охватывается не жесткое тело, а податливый грунт. Трос 2 вместе с силами, прикладываемыми к его концам, может рассматриваться при этом как нагружаемый усилием Р анкер с гибкой тягой, сопротивление пяты которого выдергиванию равно Р. Отсюда полученные в опытах результаты могут быть распространены на Э-анкеры.
В ходе опытов кроме сил Р и Р измерялись развивавшиеся под их действием перемещения иР и иР соответствующих концов гибкой тяги. Это позволяло судить о характере поведения троса при нагружении и о возможных изменениях его конфигурации. Опыты показали, что перемещения иР удерживаемого силой Р (пассивного) конца троса меньше перемещений иР его нагружаемого силой Р (активного) конца. Это означает сокращение длины контактирующего со средой криволинейного отрезка тяги на величину иР - иР. Происходит оно за счет того, что скольжение троса по участку грунтовой опоры сопровождается еще и внедрением в нее (рис. 3).
а б
Рис. 3. Деформация и-образной (а) и L-образной (б) тяги при нагружении:
1- емкость; 2 - гибкая тяга (трос); 3 - грунт.
Исходное положение тяги показано пунктиром Из экспериментов следует, что выдергивающая сила Р, которая приводит к проскальзыванию тяги по грунту, существенно превышает силу Р, удерживающую пассивный конец троса от перемещений (рис. 4). Обеспечивается это за счет трения Я, которое развивается на участке охвата тросом опорной области грунта. В исследованном диапазоне сил Р, Р, Я их соотношения Р/Р, Я/Р при а
о ^^ о
= 180 составили > 5,0 и > 4,7 соответственно (кривая 1, см. рис. 4). При а = 90 -F/P > 2,5 , R/P > 1,5 (кривая 2, см. рис. 4). Как видим, сила R = F - P, развивающаяся на контакте тяги с грунтовой опорой, не только сопоставима с P, но и способна многократно превышать ее. Отсюда следует, что вклад гибкой тяги в несущую способность Э-анкеров может быть сравним со вкладом в нее их пяты и даже, как это ни парадоксально, превышать его.
F, H
Рис. 4. Зависимость силы натяжения от удерживающей силы: 1, 2 - эксперимент; 3, 4 - расчет по формуле Эйлера
Проделанные исследования показали, что специфика реализации эйлеров-ского эффекта в условиях грунтового основания отражается на характере зависимости Р (Р). Если в случае жесткой опоры эти силы, согласно классической формуле Эйлера, связаны линейно, а отношение Р/Р при заданных коэффициенте трения / и угле охвата а цилиндрической опоры - величина постоянная, то в случае грунта данное условие выполняется не совсем точно. Об этом свидетельствует рис. 4, на котором наряду с экспериментальными кривыми 1 и 2 для сравнения пунктиром представлены зависимости Р (Р), рассчитанные по формуле (1) для тех же углов а = 180о (линия 3) и а = 90о (линия 4) при /= 0,6. Некоторое отклонение опытных данных от линейности объясняется влиянием напряженно-деформированного состояния (НДС) грунта в окрестности врезающегося в него троса. Другая подтвержденная экспериментами особенность Э-анкеров состоит в том, что, по понятным причинам, даже при Р = 0 выдергивающая сила Р нулю не равна (кривые 1 и 2, см. рис. 4).
Таким образом, проведенные исследования показывают, что при взаимодействии криволинейной гибкой тяги анкера с деформируемой модельной геосредой эйлеровский эффект проявляется столь же ярко, как и в ситуации с жесткой цилиндрической опорой. Результатом его реализации становится пре-
дельно эффективное восприятие анкерной тягой части усилия Р выдергивания, что для грунтовых анкеров означает существенный рост в целом их несущей способности.
В условиях деформируемого основания эйлеровский эффект реализуется с особенностями: для Э-анкеров характерны нелинейность зависимости Р (Р), а также отличие от нуля, при равенстве ему Р, значения Р. Данные особенности обусловлены влиянием на гибкий элемент НДС взаимодействующего с ним податливого грунтового основания.
Для выяснения специфики реализации эйлеровского эффекта в различных грунтовых условиях и реальном масштабе требуются натурные исследования и численное моделирование.
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. Барсов И.П., Станковский А.П. Строительные машины и их эксплуатация. - М: Стройиздат, 1971. - 368 с.
© С.Б. Стажевский, А.А. Крамаджян, Е.П. Русин, 2013
