О влиянии динамических нагрузок на несущую способность поворотных грунтовых анкеров Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

О ВЛИЯНИИ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ПОВОРОТНЫХ ГРУНТОВЫХ АНКЕРОВ

Арестакес Арамович Крамаджян

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.

Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН), 630091, 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

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.

Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН), 630091, 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

Станислав Борисович Стажевский

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им.

Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН), 630091, Новосибирск, Красный проспект54, доктор технических наук, заведующий лабораторией повышения устойчивости оснований, тел. (383) 217-07-63, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru

Исследовано на полигоне поведение поворотных грунтовых анкеров под воздействием динамических нагрузок. Выяснено, что поворотные анкеры, установленные в основание, сложенное суглинками, нечувствительны к длительным слабым динамическим возмущениям, а при сильных, близких к разрушающим, динамических воздействиях на грунт теряют несущую способность лишь частично.

Ключевые слова: поворотный грунтовый анкер, несущая способность, динамическая нагрузка.

ON THE INFLUENCE OF DYNAMIC LOADS ON THE BEARING CAPACITY OF TURNING GROUND ANCHORS

Arestakes A. Kramadjian

N.A. Chinakal Institute of Mining, Krasny Prospect 54, RU-630091 Novosibirsk, 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, Krasny Prospect 54, RU-630091 Novosibirsk, Russia, Base Stability Enhancement Lab, PhD, senior researcher, phone +7 (383) 217-07-38, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru

Stanislav B. Stazhevsky

N.A. Chinakal Institute of Mining, Krasny Prospect 54, RU-630091 Novosibirsk, Russia, Base Stability Enhancement Lab, DrSc, laboratoty head, phone +7 (383) 217-07-63, e-mail: gmmlab@misd.nsc.ru

The paper discusses results of a field study into turning ground anchors behaviour under dynamic load. It was found that turning anchors installed in loam were not sensitive to long-term weak dynamic disturbances. Being exposed to strong dynamic load close to the ground fracturing one, the anchors lost their load-carrying ability only partially.

Key words: turning ground anchor, bearing capacity, dynamic load.

Несущая способность грунтовых анкеров зависит от прочностных и деформационных характеристик грунта, в котором они установлены. В процессе эксплуатации анкерных устройств грунтовое основание, как правило, подвергается различного рода динамическим воздействиям: от движения транспорта, работы машин и механизмов, взрывов, землетрясений и др. Колебания или вибрация геосреды, вызываемые такими воздействиями, способны привести к уменьшению трения между ее частицами, осадкам и просадкам грунта, снижению его прочности, как следствие, несущей способности (силы F выдергивания) анкеров.

Влияние динамических нагрузок на несущую способность разработанных в ИГД СО РАН поворотных грунтовых анкеров [1] с пластинчатым грузонесущим элементом (пятой, плитой) и гибкой тягой исследовалось на полигоне «Зеленая горка» осенью 2011 года. Испытуемый анкер (рис. 1) с размерами плиты 10 х 150 х 200 мм и диаметром тягового стального троса 10 мм был установлен в сложенное суглинками основание примерно за 2 года до этого.

Рис. 1. Поворотный грунтовый анкер:

1 - анкерная плита; 2 - гибкая тяга (трос)

Для установки использовался пневмопробойник СО-144 [2] с энергией удара 65 Дж, частотой ударов 7 Гц, диаметром корпуса 71 мм. С его помощью анкер был установлен в целиковый грунт на глубину 2 м с наклоном оси

скважины 45о к горизонтали с тампонажем скважины песком. Нагружение конструкции осуществлялось посредством натяжения троса гидродомкратом со сквозным осевым каналом (рис. 2).

Рис. 2. Анкер в процессе натяжения:

1 - домкрат; 2 - трос; 3 - тросовый зажим; 4 - опорная плита; 5 - гидронасос

Нагрузочная характеристика анкера, полученная при его установке, представлена кривой 1 на рис. 3. Из нее следует, что силе выдергивания ^ ~ 25 кН отвечало смещение и свободного конца тяги анкера равное 17 см. Примерно 3 см из этой величины соответствует упругой деформации тяги, что установлено по наблюдениям за сокращением ее длины при разгрузке. Кривая 1 имеет весьма пологий наклон, так как в исходном положении плита ориентирована параллельно скважине и имеет минимальную площадь сопротивления. Последняя растет с поворотом плиты по ходу нагружения, обеспечивая постепенный рост усилия сопротивления выдергиванию.

О 2.5 5 7,5 10 12.5 15

Рис. 3. Нагрузочные характеристики анкера: 1 - при его установке (осень 2009 г.); 2 - при повторном нагружении (октябрь 2011 г.)

С 2009 по 2011 годы грунтовое основание в окрестности рассматриваемого анкера находилось под воздействием динамических нагрузок, связанных в основном с работой ударных машин при погружении других анкеров в пределах той же испытательной площадки. Кривая 2 на рис. 3 отражает зависимость Р(П), полученную при повторном натяжении анкера в 2011 году. Как видно, в целом данная кривая характеризуется значительно большей крутизной по сравнению с исходной кривой 1. Тяговое усилие ^ = 25 кН было достигнуто в конструкции уже при и ~ 6 см. Без учета начального пологого участка кривой 2, протяженностью около 3 см (см. рис. 3), который соответствует стадии распрямления гибкой тяги анкера, протяженность участка ее активного натяжения составила лишь около 3 см, т. е. была равна величине упругого растяжения троса. Таким образом, смещения его свободного конца при натяжении анкера вплоть до принятого значения ^ оказались обусловленными исключительно деформациями троса - упругими и связан-ными с его распрямлением. Анкерная пята, как и окружающая ее среда, осталась при этом неподвижной.

Полученный результат свидетельствует о том, что испытавший структурные и иные изменения при установке анкера суглинок в окрестности анкерной плиты, несмотря на последующие длительные (около двух лет) относительно слабые динамические воздействия, способен сохранять наведенные начальным натяжением конструкции структуру и прочность.

Поведение анкера изучалось также при возмущении геосреды в его окрестности кратковременными с меняющейся интенсивностью ударными импульсами. Генерировались они тем же пневмопробойником, что использовался для погружения анкера в грунт (рис. 4). Траектория машины была направлена параллельно анкерной скважине. Расстояние г между осями

анкера и машины назначалось таким, чтобы граница зоны наведенных пневмопробойником деформаций геосреды располагалась максимально близко к плите, но не пересекала ее. При этом принималось во внимание, что диаметр области уплотнения вокруг пробиваемой пневмопробойником скважины равен 3-4 ее диаметрам [2].

Рис. 4. Испытания анкера ударной нагрузкой от пневмопробойника: 1 - трос; 2 домкрат; 3 - тросовый зажим; 4 - опорная плита; 5 - пневмопробойник

На рис. 5 представлена характерная кривая, иллюстрирующая изменение силы натяжения анкера при г = 0,3 м по мере продвижения пневмопробойника и его сближения с расположенной на глубине 2 м анкерной пятой. Видно, что на начальной стадии погружения машины вплоть до глубины £ = 0,7-0,8 м (расстояние от головной части машины до анкерной плиты 1,2-1,3 м) сила натяжения анкера оставалась неизменной. Это означает, что интенсивность динамического воздействия на данном этапе оказалась недостаточной для нарушения структуры и прочности грунта в окрестности анкерной пяты. Дальнейшее продвижение пробойника сопровождалось уменьшением натяжения анкера. Связано это с необратимыми деформациями грунта в указанной выше области под влиянием нарастающей динамической нагрузки. Тем не менее, выяснилось, что даже в момент прохождения пробойника на минимальном расстоянии от анкерной плиты (0,3 м при £ = 2 м) спад силы ^ выдергивания анкера не превысил 15 % (см рис. 5).

19.5 -І---------------------------------1

О 25 50 75 100 125 150 175 5,СМ

Рис. 5. Зависимость силы натяжения анкера от глубины погружения

пневмопробойника

Таким образом, уже первые исследования показали, что поворотные анкера, установленные в основание сложенное суглинками, оказываются нечувствительными к длительным слабым динамическим возмущениям, а при достаточно сильных воздействиях на грунт теряют несущую способность лишь частично. Установление области применения поворотных анкеров требует дополнительных исследований их поведения в разнообразных грунтовых условиях.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Стажевский С.Б., Крамаджян А. А., Русин Е.П. и др. Грунтовый анкер. - Патент РФ № 2366779. - БИ № 25. - 2009.

2. Гурков К. С., Климашко В. В., Костылев А. Д. и др. Пневмопробойники. -Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1990. - 218 с.

© А.А. Крамаджян, Е.П. Русин, С.Б. Стажевский, 2012