Определение величины отказа забивной сваи при погружении в грунт

Чернюк В.П., Семенюк С.М.

Достоверный расчет величины погружения забивных свай в грунт на стадии проектирования фундаментов имеет важное значение для нормирования трудовых и денежных затрат, контроля несущей способности свай, определения времени погружения свай и сроков производства работ, создания наименее энергоемких технологий погружения и рационального выбора сваебойной техники.

В практике строительства отказы и продолжительность энергоемких технологий погружения свай определяют фактически на стадии производства работ после забивки пробного числа свай (в количестве 5-20 штук), что объясняется отсутствием соответствующей надежной методики расчета. Нормативными документами предпи-сывается «отказ определять как среднее значение из 10 последних ударов в залоге, а последний залог следует принимать равным 30 ударам при забивке свай паровоздушными одиночного действия или дизельными молотами». Отказы свай рассчитывают по формуле Н.М. Герсеванова, но и она дает большие погрешности в связи с наличием в ней ряда эмпирических коэффициентов (η, М, ε2).
В этой связи предлагается способ расчета величины погружения забивной сваи в грунт от действия одного или нескольких ударов сваебойного молота с целью определения величины осадки (отказа), коэффициента полезного действия (к.п.д.) и времени погружения сваи с использованием классических положений механики при свободном соударении тел.
Теоретические положения механики при свободном соударении тел не дают возможности точно определить величину отказа и кпд погружения, так как процесс погружения свай происходит в более сложных условиях (некоторая масса грунта налипает на сваю, а под ней образуется грунтовое ядро, обусловливающее погрешности вычислений по классическим формулам теории удара) и зависит от значительного числа влияющих факторов – физико-механических свойств грунта, параметров сваи (массы, размеров, материала, конфигурации), типа сваебойного оборудования, формы соударяемых тел и условий соударения.

Экспериментальная часть. В общем случае погружение сваи можно представить как процесс соударения трех тел – ударной массы молота, массы сваи с учетом наголовника и неподвижной части молота и массива грунта, протекающий в условиях пластической деформации грунта (рис. 1).
Работа, совершенная ударной массой ту за один удар, равна кинетической энергии молота массой ту+тн, сваи массой те и наголовника массой тнаг после нанесения удара (рис. 1, в):
, (1) 2A=2yнснагmmmmV+++⋅
где ту – масса ударной части молота;
тн – масса неподвижной части молота;
тс – масса сваи;
тнаг – масса наголовника;
V – совместная скорость движения ударной массы и масс сваи с наголовником и неподвижными частями молота после нанесения удара.

Вестник Брестского государственного технического университета. 2012. №1
а – до начала падения перед нанесением удара;
б – после падения ударной массы перед нанесением удара;
в – после падения ударной массы в момент нанесения удара;
г – после отскока ударной массы после нанесения удара
Рис. 1. Процесс взаимодействия ударной части молота массой my со сваей массой mc, наголовником массой mнаг и неподвижной частью молота массой тн на четырех этапах погружения
Для простоты в дальнейшем будем считать, что масса сваи и неподвижных частей молота с наголовником тн + тс + тнаг = М, поэтому:
, (2) 2A=2ymМV+⋅

Из равенств количеств движения ударной массы перед нанесением удара ту, масс сваи с наголовником и неподвижных частей молота после нанесения удара М (рис. 1, в) будем иметь ту •Vy = (ту + М)•V. Подставляя это значение в выражение (2), получим:
, (3) 22A=2()уууmVmМ⋅⋅+
где Vy – скорость движения ударной массы в конце падения (рис. 1, б).
Приняв во внимание, что в конце падения (рис. 1, б), но с учетом подскока ударной части молота на высоту h после нанесения удара (рис. 1, г), будем иметь . В технической литературе [2] величину h принимают равной 0,4 и 0,6 м соответственно для трубчатых и штанговых дизель-молотов, что соответствует примерно (0,15.0,33)Н, где Н – высота падения ударной массы. Проведенные нами дополнительные эксперимен-тальные исследования по отскоку металлических грузов от железо-бетонных поверхностей позволили установить, что высота отскока h составляет: h=(l-μ)H, где μ=0,35.0,45 – коэффициент отскока. В работе [2] также отмечено, что «при ударе молота по голове сваи возникают упругие деформации молота и сваи. Внешне работа упругих сил выражается тем, что молот с ударной массой ту, ударившись о сваю, подскочит на высоту h». 2уVgH= 2()уVgHh=−
При проведении экспериментальных исследований измерялась величина отскока металлических шаров разной массы (50 и 5 г) от деревянных, металлических и железобетонных поверхностей с высоты падения H=3;2,5;2;1,5;1;0,5 м. Некоторая часть результатов исследований величины отскока шаров h от бетонных поверхностей с высоты падения H представлена в табл. 1. По результатам исследований были построены графики зависимостей (рис. 2). ()hfHμ=