Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Специальность 05.23.08 - Технология и организация строительства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тема:

Разработка технологии монтажа железобетонных труб инженерных сетей на слабых грунтах

Шатилов С.Н.

Москва-2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении дополнительного профессионального образования Государственной академии профессиональной переподготовки и повышения квалификации руководящих работников и специалистов инвестиционной сферы

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Абелев Марк Юрьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Граник Юрий Григорьевич

кандидат технических наук Вашаломидзе Тенгиз Александрович

Ведущая организация: ООО «Новые строительные технологии»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Ученый секретарь диссертационного совета Ширшиков Б.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В бывшем СССР, начиная с 1920-1930 гг., в связи с интенсивным освоением новых промышленных районов в различных природно-климатических и грунтовых условиях и возведением новых поселков и городов бурно развилась и строительная индустрия. С развитием объема выпуска строительных материалов, изделий и конструкций параллельно развивались и различные технологии производства строительных работ по устройству трубопроводов различного назначения.

В течение последних 70-80 лет в больших объемах были возведены и реконструированы различные трубопроводы в различных грунтовых условиях.

Значительное количество водоводов прокладывается в сложных грунтовых условиях - на слабых водонасыщенных глинистых грунтах, а в условиях городской застройки и на насыпных грунтах и на подрабатываемых территориях. При устройстве таких трубопроводов, для обеспечения дальнейшей безаварийной эксплуатации, необходимо обращать особое внимание на конструкции оснований и фундаментов, технологию возведения трубопровода и компенсационную способность трубопровода при возможных осадках и деформациях основания. Как показал опыт эксплуатации водоводов, работающих в сложных грунтовых условиях, игнорирование особенностей их работы при проектировании и устройстве водовода, часто приводит к авариям и повреждениям, требующим дорогостоящих ремонтно-восстановительных работ.

Анализ аварий и деформаций трубопроводов показал, что во многих случаях качество возводимых на слабых водонасыщенных глинистых грунтах инженерных сооружений в основном зависит от правильности и обоснованности применяемых технологий производства работ.

Для строительства водоводов, как в России и бывшем СССР, так и за рубежом широкое применение получили железобетонные предварительно-напряжённые трубы. В бывшем СССР объём производства напорных железобетонных труб в 1991 году достигал 677 тыс. м³ и должен был бы быть увеличен к 2000 г. до 1300 тыс. м³.

В настоящее время в Российской Федерации производство напорных железобетонных труб составляет около 45 тыс. м³ в год, основная часть этих труб являются виброгидропрессованными. Эти трубы используются при устройстве различных инженерных коммуникаций. Распространение напорных железобетонных труб вызвано их высокими технико-экономическими показателями в сравнении с трубами из других материалов.

Целью диссертационной работы является разработка эффективных технологий производства железобетонных виброгидропрессованных труб и устройства трубопроводов из этих труб на слабых грунтах.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- выполнен анализ причин аварий и деформаций трубопроводов, возведенных в слабых водонасыщенных глинистых и насыпных грунтах;

- изучены специфические свойства слабых водонасыщенных глинистых и насыпных грунтов;

- на основании результатов экспериментальных исследований определены причины образования кольцевых трещин в концевых зонах виброгидропрессованных труб на стадии изготовления и описан механизм их образования;

- разработана методика расчёта кольцевых сечений виброгидропрессованных труб со спирально-перекрестным армированием на стадии изготовления;

- разработаны рекомендации по конструированию и технологии изготовления виброгидропрессованных труб со спирально-перекрестным армированием, позволяющие исключить появление трещин в их концевых зонах;

- экспериментально определены компенсационные возможности раструбных и муфтовых стыков железобетонных звеньев канализационных трубопроводов при деформациях земной поверхности;

- исследованы технологии производства земляных работ при устройстве трубопроводов и их оснований с учетом специфических свойств грунтов;

- исследованы технологии возведения трубопроводов на площадках со слабыми грунтами.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- экспериментально установлено деформированное состояние арматуры, бетона, и наружной формы в процессе изготовления виброгидропрессованных железобетонных труб.

- установлены предельные значения трещиностойкости виброгидропрессованных труб со спирально-перекрёстным армированием при испытании их на изгиб по балочной схеме и экспериментально подтверждены теоретические предпосылки, на основании которых определяется величина продольного обжатия таких труб.

- определен механизм появления кольцевых трещин на стадии изготовления виброгидропрессованных труб.

- разработана методика расчёта кольцевых сечений виброгидро-прессованных труб со спирально-перекрёстным армированием на стадии изготовления;

- определены предельные значения компенсационных возможностей стыков железобетонных труб при различных значениях радиуса искривления трубопровода;

- определены значения дополнительных растягивающих напряжений в кольцевых сечениях железобетонных труб в результате искривления трубопровода при осадках основания.

- обоснованы и экспериментально установлены технологические регламенты, комплекты машин, механизмов и оборудования, обеспечивающие качественное выполнение монтажных работ при устройстве трубопроводов;

- разработаны технологические требования, определяющие качество устройства трубопроводов на слабых грунтах.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- разработана инженерная методика расчёта кольцевых сечений виброгидропрессованных труб со спирально-перекрёстным армированием;

- разработаны рекомендации по исключению кольцевых трещин в виброгидропрессованных трубах;

- предложена методика определения компенсационной способности стыковых соединений в зависимости от ожидаемых деформаций грунтов основания и даны рекомендации по обеспечению компенсационной способности безнапорных трубопроводов.

- предложены способы производства земляных работ и монтажа при устройстве трубопроводов на слабых грунтах.

На защиту выносятся следующие положения диссертации:

- результаты экспериментальных исследований виброгидро-прессованных труб со спирально-перерестным армированием на стадии их изготовления и анализ причин появления в них кольцевых трещин.

- методика расчета кольцевых сечений виброгидропрессованных труб со спирально-перекрестным армированием на стадии их изготовления;

- конструктивные и технологические приемы производства виброгидропрессованных труб со спирально-перекрёстным армированием, позволяющие исключить появление кольцевых трещин;

- результаты экспериментальных исследований компенсационной способности стыковых соединений канализационных трубопроводов из железобетонных труб;

- результаты экспериментальных исследований технологий монтажа виброгидропрессованных труб устраиваемых на слабых грунтах.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на научных конференциях и семинарах в НИИЖБ, МГСУ, ГАСИС и НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, а также на заседаниях научно-технических советов строительных организаций г. Москвы.

Внедрение работы. Основные результаты научных исследований внедрены при разработке рабочих чертежей труб со спирально-перекрестным армированием, составлении проектов и строительстве трубопроводов на территории Московской и Ленинградской областей.

Публикации. Основное содержание выполненных научных исследований изложено в 8 научных статьях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы, имеющей 144 наименований. Общий объем диссертации составляет 209 страниц, в т.ч. 142 страницы машинописного текста, 59 рисунков и 19 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертации посвящена анализу технологий изготовления железобетонных напорных труб и технологий производства работ при устройстве трубопроводов на слабых грунтах.

Опыт устройства трубопроводов различного назначения на слабых водонасыщенных глинистых и насыпных грунтах показывает, что, несмотря на успешное строительство и эксплуатацию инженерных коммуникаций, известно много случаев их деформаций и аварий. Анализ многолетнего опыта строительства и эксплуатации различных трубопроводов на слабых грунтах позволил установить причины чрезмерных и неравномерных деформаций грунтов в основании, включая ошибок допускаемых на стадии выполнения инженерно-геологических изысканий, проектирования, строительства и период эксплуатации трубопроводов. При этом в основном неправильно и необоснованно при проектировании объектов определялись физико-механические свойства грунтов оснований трубопроводов, что приводило к неправильному принятию проектных решений и технологий производства работ.

Анализ аварий и деформаций трубопроводов показал, что во многих случаях качество возводимых на слабых водонасыщенных глинистых грунтах инженерных сооружений в основном зависит от правильности и обоснованности применяемых технологий производства работ.

При устройстве инженерных сооружений (трубопроводов), возводимых на слабых водонасыщенных глинистых грунтах, в качестве искусственного основания применяют: песчаные подушки, песчаные сваи, песчаные прорези, известковые сваи, цементацию грунтов, уплотнение пригрузкой и т.д.

В главе приведены изучение и анализ технологий виброгидропрессования на современном этапе, путей совершенствования технологии и конструкций, проблем обеспечения качества труб нового поколения. Основное направление развития данной технологии, позволяющее резко снизить ее трудоемкость и материалоемкость и повысить качество и эксплуатационные характеристики труб - переход на выпуск труб со спирально-перекрестным армированием. Однако внедрение этих труб было остановлено появлением при производстве массового дефекта - кольцевых трещин во втулочной части (до 85-90% от партии).

Анализ существующих представлений о причинах возникновения трещин показал, что они не могут достоверно объяснить характер расположения и раскрытия трещин, а также частоту их появления в зависимости от типа армирования, диаметра и класса труб. Это вызвано тем, что на трещиностойкость кольцевых сечений помимо конструктивных оказывает влияние комплекс различных технологических факторов. Выполненные экспериментально-теоретические исследования посвящены: разработке единого подхода к объяснению причин образования кольцевых трещин в концевых зонах виброгидропрессованных труб с различными типами армирования, который позволяет принять предпосылки для расчёта кольцевых сечений, а также разработать эффективные рекомендации конструктивного и технологического характера для устранения упомянутого дефекта.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям, выполненным с целью определения причин и нагружающих факторов технологического и конструктивного характера, вызывающих массовое образования кольцевых трещин в концевых зонах виброгидропрессованных труб со спирально-перекрёстным армированием в процессе их изготовления и не позволивший внедрить в производство труб эту технологию.

Был проведён комплекс экспериментальных исследований на 44-х натурных образцах виброгидропрессованных труб диаметром 500, 600, 800, 1000, 1200 мм с ортогональным и спирально-перекрёстным армированием на стадии изготовления и распалубки. Базовые исследования проводились при изготовлении 20 труб со спирально-перекрестным армированием диаметром 1200 мм разбитых в зависимости от класса и параметров армирования на 5 партий.

Выполнена оценка деформированного состояния виброгидропрессованных труб со спирально-перекрёстным и ортогональным армированием в процессе распалубки наружной формы и снятия втулочного калибрующего кольца.

Кольцевые деформации, возникающие на внутренней и внешней поверхности трубы в процессе распалубки позволяют предположить, что по мере снятия пружинных болтов, на части длины трубы за втулочным калибрующим кольцом возникает линейная вертикальная двухсторонняя сжимающая нагрузка, которая в процессе распалубки перемещается вдоль образующей трубы в соответствии с направлением распалубки.

Результаты экспериментальных исследований деформированного состояния труб со спирально-перекрёстным армированием в процессе их распалубки позволили:

1. Определить стадию распалубки трубы, на которой происходит образование кольцевых трещин - распалубка формы (снятие 3…5 болта).

2. Наметить расчётную схему трубы для определения усилий, действующих в кольцевых сечениях на стадии распалубки.

3. Определить последовательность обжатия кольцевых сечений труб со спирально-перекрёстным и ортогональным армированием в процессе их распалубки.

Выполнена экспериментальная оценка влияния силовой наружной формы на образование кольцевых трещин в концевых зонах

Предыдущие исследования показали, что труба в процессе распалубки нагружена двухсторонней линейной сжимающей нагрузкой, приложенной в плоскости вертикальной оси симметрии трубы. Эта нагрузка на данной стадий изготовления изделия может возникать только от пружинных болтов, скрепляющих сегменты наружной формы. Для оценки этой нагрузки, проведено определение деформаций разных частей формы и усилия в пружинных болтах.

Усилия в пружинных болтах при подъеме, сбросе опрессовочного давления и распалубке трубы определяли с помощью 4-х контрольных пружинных болтов, расположенных в цилиндрической части формы около раструба по их раздвижке на основании предварительно построенных тарировочных зависимостей:

,

где N - усилие в пружинном болте (МПа), l- величина сжатия пакета пружин (cм).

В зависимости от величины усилия в пружинном болте после подъема опрессовочного давления для практических целей эту нагрузку на 1 пхсм можно определять по формуле:

q_R = m_rasp х (0,002 - 0,0025) x Nn (кН/пхсм) (1)

где Nb - тарировочное усилие в пружинном болте (кН);

m_rasp - коэффициент равный 1,0 при односторонней распалубке, и равный 1,2 при двухсторонней распалубке.

Исследования кольцевых и осевых деформаций наружной формы в процессе подъёма и сброса опрессовочного давления не позволили выявить различия в характере деформирования обечайки при изготовлении труб с различными параметрами армирования. Средние значения кольцевых и осевых деформаций обечаек формы при подъёме и сбросе опрессовочного давления в цилиндрической части около раструба представлены на рис. 1.

При подъёме опрессовочного давления кольцевые деформации обечайки вызваны радиальным давлением бетонной смеси на наружную форму. Графические зависимости на рис. 1 показывают, что максимальные растягивающие кольцевые деформации обечайки при подъёме опрессовочного давления возникают в раструбной части, что объясняется увеличением радиуса наружной формы в этом месте. Меньшая величина средних кольцевых деформаций в цилиндрической части формы около втулки и раструба (линии 2 и 4) по сравнению с её серединой (линии 3) вызваны влиянием втулочного кольца и перелома профиля формы, от чего возникают местные изгибные деформации формы в этих местах.

При сбросе опрессовочного давления кольцевые деформации обечайки формы уменьшаются. Так как после сброса опрессовочного давления среднее значение кольцевых деформаций растяжения в середине цилиндрической части не велико (линия 3), а около раструба и втулки наблюдаются кольцевые деформации сжатия (линии 2 и 4) можно утверждать, что после сброса опрессовочного давления наружная форма не передаёт радиального давления на поверхность трубы.

Этот факт объясняется тем, что при подъёме опрессовочного давления основной нагрузкой на наружную форму является радиальное давление бетонной смеси:

P_bs~ 0,13 х Рм,

где Рм - опрессовочное давление (МПа).

Так как сцепление формы с трубой на данной стадии изготовления сохраняется, то усилие сжатия формы воспринимается трубой, в результате чего в кольцевых сечениях цилиндрической части трубы должны появляться растягивающие напряжения, которые ориентировочно можно определить по формуле:

(2)

где t - толщина стенки трубы (см);

t_ob - толщина обечайки (см).

Для экспериментальных труб величина = (0,44-0,59) МПа.

Результаты экспериментальных исследований по оценке влияния наружной формы на образование кольцевых трещин позволяет сделать следующие выводы:

1. Наружная форма после подъема опрессовочного давления передаёт на трубу радиальную осесимметричную нагрузку пропорциональную усилию, действующему в пружинных болтах, после сброса опрессовочного давления эта нагрузка исчезает. При этом усилие пружинных болтов локально воспринимается бетоном, «закусанным» в продольных разъёмах формы.

2. В процессе распалубки трубы, «закусывание» бетона с разбалчиваемых продольных разъёмах формы, в зоне ближайшего к уже снятому пружинному болту, уменьшается, и усилие от этого болта передаётся на трубу в виде вертикальной линейной сжимающей нагрузки, величина которой может быть определена по формуле (1).

3. После сброса опрессовочного давления наружная форма остается сжатой в продольном направлении и вызывает в цилиндрической части трубы растягивающее напряжения, которое может быть определена по формуле (2).

4. Величина и вид нагрузки, передающейся от наружной формы в процессе распалубки и вызывающей появление изгибающих моментов и поперечных сил в кольцевых сечениях труб, не зависят от типа армирования трубы. Все выводы, сделанные относительно этих нагружений для труб со спирально-перекрестным армированием, справедливы и для труб с ортогональным армированием.

Рис. 1. Средние кольцевые (а) и осевые (б) деформации обечайки формы во время подъема и сброса опрессовочного давления в раструбной части, 2 - в цилиндрической части около раструба, 3 - в середине цилиндрической части, 4 - в цилиндрической части около втулки

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

- подъем опрессовочного давления

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

- сброс опрессовочного давления

Выполнена экспериментальная оценка влияния втулочного калибрующего кольца на образование кольцевых трещин в концевых зонах труб давления втулочную часть трубы осесимметричной радиальной нагрузкой.

Для оценки нагрузки от втулочного калибрующего кольца были проведены исследования его напряжённо-деформированного состояния в процессе подъёма и сброса опрессовочного давления и распалубке формы.

Полученные данные показывают, что величина кольцевых деформаций торцевой части калибрующих колец, имеющих внутренний вут по модулю при сбросе давления в - 9 раз меньше, чем аналогичные деформации колец не имеющих вута. Это объясняется тем, что торцевая часть трубы со спирально-перекрёстным армированием, из-за сложной конфигурации своего калибрующего кольца, жёстко в нём защемлена и не позволяет ему свободно деформироваться при сбросе опрессовочного давления. При этом торцевая часть таких труб нагружена радиальной нагрузкой, стремящейся развернуть торец трубы наружу. В этом случае во втулочной части этих труб должны возникать изгибающие моменты большей величины, чем у труб традиционного армирования.

Величину радиальной нагрузки, передаваемой от калибрующего кольца на втулочную часть опытных труб, в зоне контроля кольцевых деформаций, приведённую к 1МПа опрессовочного давления можно определить по формуле:

(3)

где - опытные значения кольцевых деформаций калибрующего кольца после сброса опрессовочного;

Р_м - величина опрессовочного давления, МПа;

R_н - наружный радиус трубы;

Радиальную нагрузку от вута Q^col можно определить по формуле:

(4)

где t^an, H^an - толщина и высота верхнего анкерного кольца, соединённого с калибрующим кольцом.

Величина нагрузки Q^col, для опытных труб II - класса составляет ~ 125 кгс/псм.

Выполнены экспериментальные исследования напряжённо-деформированного состояния спиральной и спирально-перекрестной арматуры в виброгидропрессованных трубах в процессе подъёма и сброса опрессовочного давления и снятии обжатия с бетона путем перерубания витков арматуры.

В главе приведены результаты экспериментального определения деформаций спиральной и спирально-перекрёстной арматуры при снятии предварительного кольцевого обжатия с трубы. Исследования проводили на 3-х трубах с ортогональным армированием Ш800 мм, и 2-х трубах со спирально-перекрёстным армированием Ш600 мм. Величины полученных таким образом деформаций укорочения арматуры по абсолютным значениям соответствуют деформациям её удлинения в процессе преднапряжения и передаче обжатия на бетон с учётом соответствующих потерь.

Механизм нагружения трубы может быть представлен в следующем виде. После сброса опрессовочного давления спиральная или спирально-перекрестная арматура нагружает трубу постоянным на цилиндрической части и переменным на длине втулочной части радиальным давлением. одновременно труба в своей втулочной части воспринимает радиальные нагрузки, передающиеся от втулочного калибрующего кольца. Кроме того, наружная форма, имеющая после сброса опрессовочного давления остаточный потенциал сжатия в продольном направлении, вызывает растяжение трубы в ее цилиндрической части. В процессе распалубки трубы, на части ее длины за втулочным калибрующим кольцом в плоскости, проходящей через наружные грани бортов дополнительно нагружает двусторонняя линейная равномерно-распределенная сжимающая нагрузка от наружной формы, значение которой пропорциональная усилиям в пружинных болтах.

Таким образом, кольцевые трещины в концевых зонах виброгидропрессованных труб могут образовываться в результате совместного действия ряда нагружающих факторов: переменного радиального давления от спиральной или спирально-перекрестной арматуры; радиальных нагрузок от воздействия втулочного калибрующего кольца ; осевого растягивающего усилия, передающегося после сброса опрессовочного давления от наружной формы, линейных сжимающих нагрузок, передающихся на трубу от наружной формы на стадии сброса опрессовочного давления и распалубки.

Появление дефекта в виде кольцевых трещин для труб со спирально-перекрестным армированием обусловлено особенностью, применяемой для их производства формоостнаски - использованием калибрующих колец имеющих жесткое соединение с верхним анкерным кольцом и применение пружинных болтов повышенной жесткости (примерно в 2 раза в сравнении с традиционными трубами), что должно приводить к увеличению внутренних усилий в кольцевых сечениях в соответствии с принятыми расчетными схемами.

Способ распалубки, позволяющий максимально снизить внутренние усилия в кольцевых сечениях труб и полностью реализовать обжатие этих сечений на стадии распалубки - распалубка от втулки к раструбу с предварительным сжатием калибрующего кольца. Для чего необходим переход на производство безбуртовых труб с утолщенной стенкой.

В случае невозможности распалубки с предварительным снятием калибрующего кольца (буртовые трубы по ГОСТ 12586.0-83, ее следует вести в следующей последовательности: обрезка продольных стержней и нижнего анкерного кольца, двусторонний отпуск пружинных болтов от раструба ко втулке, обрезка продольных стержней у верхнего анкерного кольца, его съем, съем втулочного калибрующего кольца.

Для снижения нагрузок, передающихся на трубу на стадии изготовления, следует максимально снижать жесткость пружинных болтов и применять втулочное калибрующее кольцо без внутреннего «вута», объединив верхнее анкерное кольцо с крестовиной (запорным кольцом).

Третья глава диссертации посвящена исследованиям трещиностойкости кольцевых сечений концевых зон виброгидропрессованных труб

В главе приведены результаты экспериментальной оценки трещиностойкости кольцевых сечений виброгидропрессованных труб со спирально-перекрёстным армированием при испытании их на изгиб.

С целью определения фактического осевого обжатия виброгидропрессованных труб со спирально - перекрёстным армированием была определена трещиностойкость таких труб при испытании их на изгиб по балочной схеме.

В первой трубе Т-1, со спирально-продольным армированием, арматурные стержни из проволоки ВрII диаметром 5 мм были установлены, но не натягивались. Во второй Т-2 - стержни предварительно напрягались. Третья и четвёртая трубы были выполнены со спирально - перекрёстным армированием. В качестве спиральной арматуры в каркасах использовалась высокопрочная проволока ВII диаметром 3 мм.

Исследования выявили хорошее совпадение экспериментальных и расчётных результатов и показали, что в цилиндрической части труб со спирально-перекрёстным армированием в эксплуатационной стадии полностью реализуется продольное обжатие, величина которого с достаточной для практики точностью определяется по формуле

,

где S - усилие в витках арматурного каркаса;

т - число спиралей каркаса;

- угол наклона спирали к продольной оси трубы (рис. 2).

а) б)

Рис. 2. Значения единичных изгибающих моментов в кольцевых сечениях виброгидропрессованных труб со спирально-перекрёстным армированием и утолщенной стенкой от радиального давления арматуры .=1 МПа. 1…..8 - для труб диаметром 500, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 2000 мм. а) Максимальные значения; б) Значения в зоне перехода втулочной части трубы в цилиндрическую

компенсационный деформация канализационный трубопровод

По результатам исследований предложены графо-аналитические зависимости для определения усилий в кольцевых сечениях труб со спирально-перекрестным армированием, которые могут производится с учетом предложенных рекомендаций, и разработана инженерная методика расчета кольцевых сечений виброгидропресованных труб со спирально-перекрестным армированием на стадии изготовления, которые можно выпускать на основании вышеприведенных рекомендаций.

Данные расчетов подтвердили качественные выводы, приведенные в главе 2 о причинах появления трещин и подтвердили возможность изготовления виброгидропрессованных труб со спирально-перекрёстным армированием 0…III классов диаметром 500…1600 мм без дефектов в виде кольцевых трещин, что позволяет рекомендовать данную технологию к внедрению в производство с использованием технологических и конструктивных рекомендаций представленных в настоящей работе.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованиям эффективных технологий устройства трубопроводов на слабых водонасыщенных глинистых и насыпных грунтах.

Экспериментально исследовались компенсационные характеристики стыковых соединений трубопроводов.

Задачами этих исследований являлось получение предельных величин осевых и угловых подвижек концов труб в стыках различной конструкции с целью установления их компенсационной способности.

При постановке исследований герметичности и компенсационных характеристик стыков исходили из того, что секционный трубопровод в условиях деформации грунтов основания должен работать как цепь относительно слабо связанных между собой звеньев. Стыковые соединения должны быть подвижны, и работать как компенсаторы.

Компенсационные характеристики стыкового соединения включают величины допустимых деформаций стыка (осевые и угловые), при которых не наступает его разгерметизация, а также величины усилий в трубопроводе, возникающих при этих деформациях.

Для решения задач исследований была проведена серия опытов с секционными железобетонными трубами. Одновременно с задачей установления осевых и угловых компенсационных характеристик стыковых соединений определялись и усилия их разъединения.

Анализ полученных результатов показал, что величина предельных осевых перемещений концов труб в стыке (компенсационная способность стыка) зависит не только от горизонтальных деформаций, но и от угла излома стыка.

Величину предельной осевой компенсационной способности (Д_пр) раструбного стыкового соединения следует определять по формуле

Д_пр = kh, (5)

гдe h - глубина раструба,

k - коэффициент равный для железобетонных труб 0,8 и 0,4 соответственно для труб стыкуемых на герметиках и резиновых кольцах.

Предельную компенсационную способность муфтового соединения независимо от диаметра трубы следует принимать равной 60 мм. Для разгерметизации стыка (перемещение концов труб в стыковом соединении) требуется определенное усилие. Величина этих усилий, очевидно, зависит от наружного диаметра трубы и глубины раструбной щели.

Как правило, при разъединении стыка, срез мастики происходит по наружному диаметру трубы, а не по внутреннему диаметру раструба.

Предельное минимальное значение силового взаимодействия трубы с грунтом (Q), при котором стык начинает работать как компенсатор, может быть выражено зависимостью:

Q = g (h/L) (6)

где g - удельное усилие разгерметизации стыка, кгс/см², равное по опытным данным для раструбных стыковых соединений 0,291 кгс/см²;

h - глубина раструбной щели, для раструбных соединений;

L - длина звена секционного трубопровода, см.

Зависимость силового взаимодействия от перемещения труб в грунте в общем случае имеет криволинейный характер.

Однако для некоторых случаев расчета, удобней представить криволинейную зависимость диаграммой идеально упруго-пластического тела. При этом максимальным будет считаться силовое воздействие, наступившее при некотором значении сдвига о_кр, получившего название критического.

По результатам выполненных исследований, проведенных в полевых условиях, были разработаны рекомендации, направленные на совершенствование проектирования и защиты безнапорных трубопроводов из железобетонных труб на слабых грунтах.

Эти рекомендации распространяются на проектирование строительных мероприятий по защите железобетонных трубопроводов на слабых грунтах.

Рекомендации позволяют проектирование защитных мероприятий как для вновь строящихся, так и для эксплуатируемых железобетонных трубопроводов на слабых грунтах.

Защитные мероприятия железобетонных трубопроводов канализации, предусматриваемые разработанной рекомендацией, направлены на:

сохранение безнапорного режима и вентиляции стоков в трубопроводах при неравномерных осадках грунтов основания;

сохранение герметичности трубопровода при подвижности стыковых соединений в условиях горизонтальных деформаций и неравномерных осадок;

обеспечение прочности отдельных секций трубопровода вусловиях деформирующегося грунта засыпки.

Пятая глава диссертации посвящена исследованиям эффективных способов земляных работ при устройстве железобетонных трубопроводов на слабых грунтах.

По результатам экспериментов было установлено, что выработка механизма в основном определяется продолжительностью рабочего цикла и количеством грунта, разрабатываемого за один цикл. Следовательно, при выборе экскаватора объем ковша должен быть максимальным, а время для его наполнения - минимальным.

В главе приведены результаты экспериментальных исследований эффективности использования экскаваторов при устройстве трубопроводов из железобетонных труб.

Экспериментальные исследования были проведены на площадках строительства многоэтажных домов в различных районах Московской области. Эти площадки расположены в стесненных условиях и сложены слабыми водонасыщенными глинистыми и насыпными грунтами.

Для обоснования эффективности использования экскаваторов необходимо было проведение совместного анализа технических, технико-экономических и стоимостных показателей машин, осложняющихся необходимостью учета экологических факторов, а также стоимостью, эффективностью и доступностью обучения обслуживающего персонала и послепродажной технической поддержки.

При исследованиях рассмотрены различные экскаваторы зарубежного производства. Рассматривались особенности выбора полноповоротного гусеничного экскаватора 4-ой размерной группы массой 20...27 т, с обратной лопатой и ковшом 1,0-1,25 м³.

Расчет проводился с использованием разработанной в МАДИ математической модели, описывающей связи между параметрами сооружаемых объектов - эксплуатационным фоном - машины и показателями, характеризующими эффективность ее использования. Критерий выбора экскаватора - стоимость разработки кубометра грунта в наиболее вероятных для России условиях строительства.

Математическую модель образуют системы уравнений, с помощью которых выполнены расчеты. Они описывают все рабочие процессы экскаватора и его агрегатов, а также зависимости технико-экономических показателей экскаватора от его параметров и характеристик внешней среды. Все известные и существенные взаимосвязи и отношения между техническими, стоимостными и эксплуатационными характеристиками учитываются в причинно-следственной или вероятностной форме. Для получения сопоставимых результатов экскаваторы сравнивались при копании траншеи с поворотом платформы на 90° для выгрузки грунта в отвал.

Цены импортных (в рублевом эквиваленте) и отечественных экскаваторов, а также цена топлива, смазочных материалов и средняя по отрасли зарплата персонала соответствуют первой декаде октября 2006 года. По этим данным с учетом наиболее вероятных условий эксплуатации рассчитаны себестоимость машиносмены и затраты, приходящиеся на единицу продукции за весь срок службы машины (удельные приведенные затраты).

Продолжительность рабочего цикла и техническая производительность рассмотренных экскаваторов, рассчитанные по их техническим характеристикам, очень близки. Очевидно, что в такой ситуации продукция отечественных экскаваторов будет заметно дешевле, следовательно, их приобретение и эксплуатация выгодней. Однако практика отечественных строительных подрядчиков свидетельствует об обратном, лучшим чему подтверждением является несокращающийся объем продаж импортных машин в России. Известно, что, несмотря на большую (в 2...3 раза) цену, строительная организация, располагающая свободными средствами, всегда отдает предпочтение импортным экскаваторам. Косвенное объяснение этому факту можно найти, сопоставляя расчетное и фактическое время рабочего цикла сравниваемых машин.

По имеющимся данным, время рабочего цикла импортных машин соответствует заявленному, тогда как паспортные данные отечественных экскаваторов занижены в 2 раза и более (в частности, для ЭО 4225А время реального выполнения цикла составляет 20 с, а для ЕТ 25-26). Отечественные машины отличаются от импортных в худшую сторону по таким показателям, как степень автоматизации систем управления, топливная экономичность, КПД силового оборудования, распределение энергетических потоков в трансмиссии.

Расчеты показывают, что отечественные экскаваторы из-за большой продолжительности рабочего цикла возглавляют список наименее эффективных машин. Однако следует отметить, что их технические характеристики позволяют поднять производительность до приемлемого уровня (рис. 3).

Например, анализ зависимости рабочего цикла и затрат от КПД гидропривода экскаватора ЭО 4225А свидетельствует, что при снижении КПД до 0,5 длительность рабочего цикла и уровень удельных приведенных затрат на разработку грунта заметно возрастают. Кстати, именно этим обстоятельством можно объяснить особое внимание ведущих производителей к постоянной диагностике гидравлического оборудования и тщательной очистке рабочей жидкости, а также компьютерной регулировке режимов работы.

Рис. 3. Зависимость удельных приведенных затрат от дополнительного времени, необходимого экскаваторам ЭО 4225А и ЕТ 25 на выполнение рабочего цикла. Дополнительное время - разность между реальной и заявленной заводами продолжительностью рабочего цикла экскаватора ( ЭО 4225А, ЕТ25, RH200LC, FH 220.3, JS2000LC, Cat325L, JS260LC, ЕТ 18-20)

Ниже приводится определение экономически оправданного уровня затрат на модернизацию отечественных машин. Так, на любую модернизацию экскаватора ЕТ 25 с целью довести его эффективность до уровня FH 220.3, можно израсходовать не более 2 600 тыс. рублей. При этом стоимость кубометра грунта, разработанного ЕТ 25, не превысит таковую для FH 220.3, а цена составит 3 350 тыс. рублей. Наименьших затрат модернизация ЕТ 25 потребует, если выбрать за эталон FH 200LC. В принципе этот подход может использоваться и для оценки затрат на модернизацию импортных машин при необходимости поднять их эффективность до уровня намеченного эталона.

Определим также верхний предел цены, при которой экономическая эффективность машины останется на заданном уровне. Например, если в результате модернизации цена экскаватора ЕТ 25 не превысит 3 654 000 рублей, то себестоимость кубометра грунта, разработанного этой машиной, будет равна таковой для экскаватора JS 200LC стоимостью 3 855 000 рублей.

Срок эксплуатации существенный вопрос и для производителей работ и заказчиков, поскольку экскаватор существует для строителя, но никак не наоборот. И тот момент, когда машина превращается из помощника в обузу всегда полезно определить заранее. Что мы и сделали с помощью математической модели.

В соответствии с ГОСТ 30067-93 «Экскаваторы одноковшовые универсальные гидравлические» ресурс экскаваторов 4-й размерной группы до первого капитального ремонта должен составлять 7 000...8 000 моточасов. В пересчете на календарные сроки это соответствует 2...3 годам двухсменной работы без серьезного ремонта, что для импортной техники вполне реально. Допустим (к сожалению, фирмы не указывают в рекламных материалах этот параметр), что ресурс самого дорогого среди сравниваемых экскаватора JS260L составляет 8 000 моточасов и его цена включает затраты на обеспечение соответствующей надежности. Тогда для экскаватора ЭО 4225А при цене 1 000 тыс. рублей ресурс не должен превышать 4 152 моточасов, а ЕТ 25 при цене 650 тыс. рублей - 3 495 моточасов.

Экономически обоснованный ресурс модернизированного экскаватора ЕТ 25 должен возрасти до 6 973 моточасов, а рабочий цикл сократиться до 9,3 секунд. Для торговых организаций важно, что конечная цена модернизированной модели экскаватора должна включать и расходы на ее рекламу.

При этом важным являются вопросы организации. Приведенные в таблицах и на диаграммах значения показывают технические возможности машин. Снижение их реальной эффективности обычно становится результатом не очень хорошей организации работы, либо недостаточной квалификации персонала, обеспечивающего технологический процесс. Коэффициент использования времени смены оказывает значительное влияние на стоимость разработки кубометра грунта. Независимо от длительности рабочего цикла повышение коэффициента использования времени ведет к снижению затрат на разработку кубометра грунта.

При плохой организации работ (низкий коэффициент использования времени смены) отечественные машины (на графике - ЭО 4225А) эффективнее импортных. Иными словами, дорогая импортная техника становится прибыльней отечественной только при высокой интенсивности ее использования. В частности, на виртуальном строительном объекте экскаваторы JS 200LC и ЭО 4225А при коэффициенте использования времени 0,9 равноценны. При худшей организации работ эффективнее будет отечественная машина, при лучшей - импортная (рис. 4).

Результаты сопоставления экскаваторов позволяют сделать следующий выводы:

- затраты на разработку грунта рассмотренными отечественными и импортными экскаваторами практически одинаковы, но производительность отечественных машин в 2 - 2,5 раза ниже, чем импортных;

- целесообразность приобретения импортной техники в значительной мере определяется уровнем организации работ на строительном объекте;

- стоимость разработки кубометра грунта сильно зависит от качества гидравлических агрегатов экскаватора, их долговечности и степени очистки рабочей жидкости;

- системы управления отечественных экскаваторов не позволяют полностью реализовать их технические возможности и нуждаются в серьезном улучшении.

Рис. 4. Влияние уровня организации работ на эффективность экскаватора при производстве земляных работ. Условные обозначения: JS 200LC, Т_цикла = 14,6с, JS 200LC, Т_цикла = 11,6с, JS 200LC, Т_цикла = 9,6с, ЭО 4225А, Т_цикла = 20,0с, ЕТ 18020, Т_цикла = 19,0с,

Было установлено, что проектирование и производство земляных работ при устройстве трубопроводов на площадках со слабыми грунтами должны быть произведены с учетом специфических свойств этих грунтов.

Шестая глава диссертации посвящена исследованиям эффективных способов монтажа железобетонных труб и устройства оснований труб на слабых грунтах.

Исследовались различные технологии строительства трубопроводов с учетом их назначения и вида прокладки, от материала труб, их длины, диаметра, толщины стенок, наличия и вида изоляции, а также от возможности обеспечения строительства монтажными элементами (трубными секциями, плетями).

В связи с тем, что из трубопроводов водоснабжения и водоотведения могут происходить аварийные утечки, в результате чего резко изменяются физико-механические характеристики грунтов, были рассмотрены проектные решения по устройству естественных и искусственных оснований трубопроводов. Основное внимание уделялось выбору типа основания в зависимости от гидрогеологических условий, размеров и материала укладываемых труб, конструкции стыковых соединений, глубины укладки, транспортных нагрузок и местных условий.

Проведенные натурные наблюдения показали, что несущая способность труб в значительной мере зависит от характера опирания их на основание. Было установлено, что трубы, уложенные в грунтовое ложе с углом охвата 120°, выдерживают нагрузку на 30-40% большую, чем трубы, уложенные на плоское основание. Увеличение угла опирания трубы более 120° является нецелесообразным, так как несущая способность трубы изменяется очень незначительно, а затраты на подготовку основания весьма существенны. Это относится и к устройству естественного основания под трубопроводы в виде цилиндрического ложа или выкружки.

На экспериментальных площадках железобетонные напорные гидровибропрессованные трубы всех диаметров, которые предусматривались программой экспериментов укладывали на глубину до 5 м.

В водонасыщенных грунтах, хорошо отдающих воду, железобетонные виброгидропрессованные экспериментальные трубы укладывали на бетонное основание, располагаемое на гравийно-песчаной или щебеночной подготовке толщиной 0,20-0,25 м. Монтажные осадки при таком способе устройства основания составили от 18 мм до 25 мм, что по условиям эксплуатации трубопроводов допустимо.

На площадках с водонасыщенными глинистыми и насыпными грунтами наиболее простым является устройство плоского грунтового основания путем планировки и уплотнения (послойно) подушки из вынутого грунта.

На экспериментальных площадках выбор кранов для прокладки трубопроводов из виброгидропрессованных труб производился в два этапа. Вначале, на I этапе выбирали несколько технически пригодных типов или марки кранов по вылету их крюка и грузоподъемности, а на II этапе по технико-экономическим показателям вариантов кранов выбирали наиболее экономичный, который и принимают для трубоукладочных работ.

На экспериментальных площадках железобетонные виброгидропрессованные трубы на слабых грунтах укладывают на естественное или искусственное основание. Стыки напорных труб (раструбные или муфтовые) заделывались резиновыми уплотнительными кольцами, а безнапорных (раструбные или фальцевые) - смоляной или битумизированной прядью.

Монтаж труб производился стреловыми кранами, причем трубы с бермы траншеи подавались раструбами вперед по ходу монтажа и обязательно против течения жидкости. Перед укладкой первой трубы в начале трассы устанавливался бетонный упор, обеспечивающий устойчивое положение первым двум-трем трубам при их соединении в раструб.

Было установлено, что при монтаже трубопроводов из раструбных железобетонных труб наиболее трудоемкой операцией является введение втулочного конца трубы с резиновым кольцом в раструб ранее уложенной. Для облегчения ее применяют различные приспособления, устройства и механизмы. В частности, используют двух-трехтросовые наружные натяжные приспособления, реечные и гидравлические домкраты, внутренние натяжные приспособления, рычажные и шестеренчатые лебедки, бульдозеры и экскаваторы.

Основными техническими требованиями к оборудованию для монтажа труб на резиновых уплотнительных кольцах являются: обеспечение соосности труб и создание необходимого осевого усилия для их стыковки. Для монтажа труб с зачеканкой стыковых соединений следует обеспечить механизированное уплотнение волокнистых материалов в раструбной щели.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе исследований обоснованы и экспериментально установлены технологические регламенты, комплекты машин, механизмов и оборудования, обеспечивающие качественное производство земляных и монтажных работ при устройстве трубопроводов из железобетонных труб.

2. Экспериментально установлено деформированное состояние арматуры, бетона, и наружной формы в процессе изготовления виброгидропрессованных железобетонных труб и предельные значения трещиностойкости виброгидропрессованных труб со спирально-перекрёстным армированием при испытании их на изгиб по балочной схеме.

3. Определен механизм образования кольцевых трещин на стадии изготовления виброгидропрессованных труб со спирально-перекрёстным армированием и разработана методика расчёта виброгидропрессованных труб на стадии изготовления.

4. Разработана методика оценки и выбора рациональных технологических решений по производству земляных работ при устройстве трубопроводов на слабых грунтах.

5. Было установлено, трудоемкость всех работ при устройстве оснований трубопроводов на слабых грунтах по предложенной технологии вдвое меньше, чем при применении ранее принятых способов и составляет от 0,19 до 0,33 чел.-дней на 1 п/м трубопровода.

6. Проектирование и производство земляных работ при устройстве трубопроводов на площадках со слабыми грунтами должны быть произведены с учетом специфических свойств этих грунтов. В слабых водонасыщенных глинистых и насыпных грунтах с повышенной влажностью, производительность роторных экскаваторов резко падает из-за прилипания грунта. Поэтому траншеи в таких грунтах, а также местах переходов через естественные и искусственные препятствия, на криволинейных участках разрабатывают одноковшовыми экскаваторами с обратной лопатой.

7. Расчеты показывают, что отечественные экскаваторы из-за большой продолжительности рабочего цикла возглавляют список наименее эффективных машин. Однако следует отметить, что их технические характеристики позволяют поднять производительность до приемлемого уровня. Проведенные расчеты показали, что затраты на разработку грунта рассмотренными отечественными и импортными экскаваторами практически одинаковы, но производительность отечественных машин в 2-2,5 раза ниже, чем импортных, а стоимость разработки кубометра грунта сильно зависит от качества гидравлических агрегатов экскаватора, их долговечности и степени очистки рабочей жидкости.

8. Установлено, что при круглогодичном строительстве трубопроводов с различной глубиной заложения должны быть приняты мероприятия обеспечивающие сохранность подготовленных оснований и их уплотненное состояние разработки траншей и монтаже трубопроводов из виброгидропрессованных труб.

9. Проведенные натурные наблюдения показали, что несущая способность труб в значительной мере зависит от характера опирания их на основание. Было установлено, что трубы, уложенные в грунтовое ложе с углом охвата 120°, выдерживают нагрузку на 30-40% большую, чем трубы, уложенные на плоское основание. Увеличение угла опирания трубы более 120° является нецелесообразным, так как несущая способность трубы изменяется очень незначительно, а затраты на подготовку основания весьма существенны. Это относится и к устройству естественного основания под трубопроводы в виде цилиндрического ложа или выкружки.

10. Проведенные исследования показали, что несущая способность оснований трубопроводов зачастую используется нерационально. Фактическое давление по подошве трубопроводов составляло всего 20-30% от расчетного сопротивления естественного (неуплотненного) грунта. В этом случае эффект обжатия основания давлением от фундаментов является несущественным.

11. Было установлено, что наибольший эффект уплотнения грунтов основания за период эксплуатации трубопроводов происходит в том случае, когда давление по подошве фундаментов составляет 80% и более от расчетного сопротивления естественного (неуплотненного) грунта (р ? 0,8R).

12. Для обеспечения проектного качества работ при монтаже трубопроводов кольца в щели раструбных и муфтовых соединений должны быть обжаты на 40-50% толщины их сечений. Нельзя допускать их перекручивания. При нарушении герметичности (водонепроницаемости) стыков их ремонтируют, для чего устанавливают дополнительные резиновые кольца или их отрезки на дефектное место с помощью специального съемного хомута.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Авторское свидетельство №1481069. «Форма для изготовления виброгидропрессованных труб из бетонных смесей». Авторы: Шатилов С.Н. и др. 22.01. 1989 г.

2. Авторское свидетельство №1491731. «Устройство для навивки спирально-перекрестного каркаса из арматурной проволоки для виброгидропрессованных труб». Авторы: Шатилов С.Н. и др. 8.03. 1989 г.

3. Авторское свидетельство №1502351. «Способ формования виброгидропрессованных трубчатых изделий». Авторы: Шатилов С.Н. и др. 22.04. 1989 г.

4. Авторское свидетельство №1673465. «Способ распалубки виброгидропрессованных труб из бетонных смесей». Авторы: Шатилов С.Н. и др. 1.05. 1991 г.

5. А.Л. Ционский, В.С. Гершвальд, Т.И. Мамедов, С.Н. Шатилов, А.Я. Савчук. Опыт применения высокопрочной стабилизированной проволоки при производстве виброгидропрессованных труб на Гниванском заводе «Спецжелезобетон». ВНИИЭСМ. Серия 3. Вып. 5. 1986 г.

...