CC BY
193
УДК 624.153.7 + 531.7 А.А. Крамаджян, Е.П. Русин ИГД СО РАН, Новосибирск
ОБ АВТОМАТИЗАЦИИ ИССЛЕДОВАНИЙ НАГРУЗОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВЫХ АНКЕРОВ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ
Приведено описание конструкции и технологии монтажа поворотных грунтовых анкеров с гибким грузонесущим элементом. Сформулированы требования к автоматизированному измерительному комплексу для исследований в натурных условиях нагрузочных характеристик таких анкеров. Дано описание такого комплекса и изложены результаты испытаний с его помощью анкеров указанного типа в натурных условиях.
A.A. Kramadjian, E.P. Rusin
Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Novosibirsk,
Krasny Prospekt 54, 630091, Russian Federation
ON AUTOMATION OF GROUND ANCHOR LOAD DIAGRAM STUDY IN THE FIELD CONDITIONS
Design of turning ground anchors with flexible load-carrying element and method for their installation are described. Requirements to an automated measuring system for the study of the anchor load diagram in field conditions are formulated. Description of such system is given and results of the tests of this type of anchors in field conditions with the use of the system is set forth.
Одним из наиболее эффективных средств повышения устойчивости грунтовых массивов является их усиление анкерами. Анкерное крепление представлено широкой гаммой конструктивных решений и технологий [1-4]. Вместе с тем, большой объем работ по усилению грунтов заставляет специалистов всего мира обращаться к поиску все более надежных, простых, недорогих в изготовлении и монтаже конструкций анкеров [5]. Результатами такого поиска, проводимого в ИГД СО РАН, стали удовлетворяющие этим требованиям дилатансионные анкеры с замком из сыпучего материала и технологии для их возведения [6-8].
В настоящее время в ИГД СО РАН начаты работы с целью создания «песчаных» анкеров нового поколения [9], которые, наряду с высокой несущей способностью должны обеспечить простоту конструкции, экономичность, высокую производительность монтажа. Их основная конструктивно-технологическая особенность состоит в том, что при погружении в грунт грузонесущая плита (пята) анкера ориентирована торцом в направлении его перемещения, создавая минимальное сопротивление. Это позволяет использовать для установки анкера легкую технику. Последующее натяжение тяги анкера обеспечивает разворот пяты в пространстве с нарастанием сопротивления F выдергиванию до его максимального значения *
F . Данная величина определяется свойствами грунта, площадью опорного элемента, прочностью троса. Анкеры этого типа получили название
«поворотные грунтовые анкеры с гибким грузонесущим элементом и нарастающим сопротивлением выдергиванию» (далее - поворотные анкеры).
При приложении к поворотному анкеру выдергивающего усилия его плита совершает в грунте достаточно сложное движение. Понятие о нем можно получить из эксперимента с моделью анкера в плоском стенде (рис. 1). Продольное (параллельное оси скважины) перемещение и плиты сочетается с поперечным (перпендикулярное оси скважины) х, а также с поворотом. Кинематика плиты диктуется величиной эксцентриситета ^ точки В крепления к плите троса - то есть расстоянием от этой точки до центра А плиты (рис. 1а). В общем случае, при величине ^ более некоторого критического значения, плита способна совершить поворот более, чем на 180° (см. рис. 1 а). Интересно, что при этом поперечный дрейф плиты по ходу нагружения меняет направление на противоположное (рис. 16).
а б
Рис. 1. Перемещение плиты поворотного анкера в грунте:
а) слева направо - последовательные стадии перемещения; 6) траектория центра плиты. F - выдергивающая сила; А - центр плиты; В - точка крепления троса к плите; ^ - эксцентриситет точки В; и, х - продольное и поперечное перемещения центра А плиты соответственно
-------трос; ------------- ось скважины; .............. траектория
центра А плиты
Важно то, что, как показали лабораторные эксперименты, по виду зависимости выдергивающего усилия F от перемещения и можно приближенно оценивать пространственное положение плиты (угол а ее поворота относительно оси скважины), соответствующее точкам кривой ¥(и). Это может быть продемонстрировано с использованием результатов представленного на рис. 1 лабораторного опыта. Диаграммы функций 1<Уи), Р(а) и а(и) для него приведены на рис. 2. Видно, что диапазон перемещения
и = 50-60 мм, на протяжении которого происходит переход кривой нагружения 1'Ти) на ее запредельную ветвь (рис. 2а), соответствует переходу плиты через положение примерно перпендикулярное оси скважины при а ~ 90-105° (рис. 26, в).
Не вдаваясь в дальнейшие подробности, отметим только, что такая взаимосвязь позволяет в натурных условиях судить о положении плиты по характеру изменения нагрузочной характеристики ¥(и) и соответственно корректировать ход нагружения анкера.
а б
спп
а: )0
5 о ЗИП
* зии | 200 <75 а — 1 пп
а. ф 5 0 <! -й со с
5 0 1С Угол пов >0 15 орота а° >0 2С
спп
3: 0
гс ^тии о эпп
те ^ии 1 2 200 -Й0
О. Ф = о <! со с
5 0 1( Переме )0 15 щение >0 2( с10'3, м Ю 25
в
ТПП
О 0
Р О о.
£ ±ии о с
>. о <
5 0 1С Переме )0 15 щение (. >0 2С с10'3, м >0 25
Рис. 2. Нагрузочные и кинематические характеристики анкера, полученные в
стенде. Зависимости:
а) выдергивающей силы /*’ от перемещения и; 6) выдергивающей силы /*’ от угла поворота а плиты анкеров; в) угла поворота а плиты анкера от
перемещения и
Другая особенность поворотных анкеров - достаточно большие величины перемещений, необходимых для приведения их в рабочее состояние и для нагружения до полной потери несущей способности. В частности, в эксперименте, показанном на рис. 1, эти величины составляют 1.25 и 5.75 продольного размера I плиты анкера соответственно. В натурном
масштабе при I равном, например, 0.2 м, эти цифры выглядят как 0.25 и 1.15 м.
Из вышесказанного ясно, что в экспериментальных исследованиях поворотных анкеров для выявления всех необходимых нюансов механики их поведения необходимо подробно, то есть с высокой частотой дискретизации, фиксировать значения силы F и перемещения и при весьма большом диапазоне изменения последней характеристики.
Отсюда понятной становится целесообразность автоматизации натурных исследований поворотных анкеров с возможностью регистрации большого массива данных. Приобретенный в лабораторных и полевых исследованиях опыт стал основой для разработки в ИГД СО РАН технического задания на автоматизированный Программно-технический комплекс для испытания грунтовых анкеров (ПТК-ИГА). Комплекс запроектирован и изготовлен ООО НПФ «Индустриальные технологии», г. Новосибирск и совместно с ИГД СО РАН испытан в условиях полигона и стройплощадки, по результатам испытаний доработаны его механические части и программное обеспечение. Комплекс ПТК-ИГА (рис. 3) состоит из узла 1 встройки домкратов и датчиков, в который устанавливаются сменный гидравлический домкрат 2 с полым штоком, датчики силы 3 и перемещения 4, соединенные с блоком аналого-цифрового преобразования 5. Последний посредством интерфейсного кабеля 6 связан с блоком обработки данных, в качестве которого используется мобильный компьютер (на рисунке не показан). Выдергивающее усилие передается с домкрата 2 на тяговый трос 7 испытуемого анкера через кулачковый зажим 8. При необходимости трос 7 удерживается вспомогательным фиксатором 9. Домкрат 2 приводится в действие ручной гидравлической станцией 10.
Рис. 3. Общий вид аппаратной части комплекса ПТК-ИГА:
1 - узел встройки домкратов и датчиков; 2 - гидравлический домкрат с полым штоком; 3 - датчик силы; 4 - датчик перемещения; 5 - блок аналогоцифрового преобразования; 6 - интерфейсный кабель; 7 - тяговый трос
анкера; 8 - зажим троса; 9 - вспомогательный фиксатор троса; 10 - насосная
станция
Нагрузочная часть комплекса рассчитана на усилие до 500 кН и ход нагружения до 250 мм, при недостаточности этого хода нагружение ведется ступенями с перехватом троса.
Программная часть комплекса разработана на основе программы LabView и представляет собой виртуальный прибор с органами управления, с помощью которых можно вводить изменения условий проведения эксперимента, осуществлять калибровку датчиков, изменять конфигурацию измерительной системы и корректировать ход процесса указателем мыши и с клавиатуры.
В ходе эксперимента регистрируются текущие значения выдергивающей силы и перемещения тягового троса. Массив данных запоминается в памяти мобильного компьютера как в реальном времени по ходу проведения эксперимента, так и после окончания эксперимента в виде файлов на жестком диске.
В качестве примера приведем результаты проведенных с использованием комплекса ПТК-ИГА испытаний одного из вариантов конструкции поворотного анкера с размерами грузонесущей плиты 150x200x10 мм в условиях стройплощадки. В результате эксперимента для данного анкера была зафиксирована нагрузочная характеристика Г(и) (рис. 4), по виду которой можно заключить следующее. Специальные конструктивные мероприятия, описание которых в данной публикации в связи с патентованием опущено, позволили на небольшом перемещении (около 50 мм) набрать более 80 % полной несущей способности. Благодаря этим же мероприятиям максимальное значение выдергивающей силы достигнуто при перемещении 135 мм, что составляет всего около 0.68 продольного размера плиты. При дальнейшем нагружении величина F почти не изменялась, что говорит о достижении максимально возможного для данных условий угла поворота плиты. Некоторое снижение F можно отнести, вероятно, на счет небольшой глубины заложения анкера, то есть близости дневной поверхности. Пилообразный вид диаграммы Е(и) объясняется цикличным действием ручного поршневого насоса гидравлический станции и упругими свойствами грузонесущего троса анкера. Анализ данных описанного здесь автоматизированного эксперимента позволил определить испытанный вариант конструкции анкера как перспективный для дальнейшей доработки и внедрения.
о 1 " 1 I " I 4 I 11 I I ч 11 I I I I 111 I I I I м I I I I I I I 11 I I I I I 11 I I I I I I I м I I I 1111 I I I I 11 11 I I I I I 11 I I I I I I 11 I I I I • « 11 и м 11 11 I I I I I » I I I I I 11 « I I I I I I 11 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 2S0
Перемещение и-10 \ M
Рис.4. Зарегистрированная в условиях стройплощадки с использованием комплекса ПТК-ИГА нагрузочная характеристика одного из вариантов
конструкции поворотного анкера
Таким образом, в результате разработки автоматизированного Программно-технического комплекса для испытания грунтовых анкеров ПТК-ИГА создан эффективный исследовательский инструмент для полевых и натурных условий. ПТК-ИГА позволяет значительно снизить трудоемкость экспериментальных работ, повысить точность и детальность фиксируемых нагрузочных характеристик, получить более полную информацию для анализа механического поведения грунтовых анкеров различных конструкций.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Xanthakos, P.P. Ground Anchors and Anchored Structures [Текст] / P.P. Xanthakos -Англ. / Wiley, John & Sons. -1991. - 708 pp.
2. Strebel, R. Erd- und Felsanker - Ein state-of-the-art-report - Interne Berichte Nr.5 [Текст] / R. Strebel - Нем. / ETH-Zurich. - 1995. - 48 pp.
3. Barley, A.D., and Windsor C.R. Recent advances in ground anchor and ground reinforcement technology with reference to the development of the art [Текст] - Англ. / A.D. Barley, C.R. Windsor/ Proceedings of GeoEng 2000, International Conference on Geotechnical and Geological Engineering, Melbourne, November 12 - 19, 2000. - Pp. 1084-1094.
4. Смородинов, М.И. Анкерные устройства в строительстве [Текст] / М.И. Смородинов / М.: Стройиздат. - 1983. - 183 с.
5. Widmann, R., ed. Anchors in Theory and Practice [Текст] / R. Widmann (ed.) - Англ. / - Proceedings of the International Symposium on Anchors in Theory and Practice. Salzburg, Austria, 9-10 October 1995. - A.A.Balkema, Rotterdam, Brookfield, 1995. - 459 pp.
6. Stazhevsky S., Kolymbas D. Vorgespannte Anker nach dem Dilatanzprinzip [Текст] / S. Stazhevsky, D. Kolymbas - Нем. // Geotechnik, No.4, 1993. - Pp. 202-203.
7. Stazhevsky S.B., Kolymbas D. Sand-anchors, theory and application [Текст] / S. Stazhevsky, D. Kolymbas - Англ. / Anchors in Theory and Practice. Proceedings of the International Symposium on Anchors in Theory and Practice. Salzburg, Austria, 9 - 10 October, 1995. - A.A. Balkema, Rotterdam, Brookfield, 1995. - Pp. 367-371.
8. Русин Е.П., Смоляницкий Б.Н., Стажевский С.Б. Грунтовые анкеры, машины и технологии для их монтажа [Текст] / Е.П. Русин, Б.Н. Смоляницкий, С.Б. Стажевский // ФТПРПИ. - 2007. - № 6. - С. 82 - 88.
9. Стажевский С.Б. и др. Грунтовый анкер [Текст] / С.Б. Стажевский / Патент РФ № 2366779. - БИ № 25. - 2009.
© А.А. Крамаджян, Е.П. Русин, 2010
