МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Всесоюзный научно-исследовательский институт по строительству магистральных трубопроводов

-ВНИИСТ-

& РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА И ОСЕВОГО УСИЛИЯ ПРИ ПОГРУЖЕНИИ ВИНТОВЫХ СВАЙ В ГРУНТЫ

Р 462-82

москва 1983

В настоящих Рекомендациях приведена методика определения величин крутящего момента и осевого усилия -важных технологических параметров погружения винтовых свай в грунты. Точный расчет этих паоаметров необходим, во-первых, для проектирования эффективных конс’гтакций винтовых свай, во-вторых, для рационального выбора и конструирования машин и механизмов для погружения винтовых свай, в-третьих, для создания условий наиболее эф>-фективного и наименее энергоемкого заглубления винто -еых свай в грунты.

Во ВНИИСТе при участии кафедры технологии строи -тельного производства Брестского инженерно-строительного института (БИСИ) с 1968 г, проводится научно-исследовательская работа по изучению процесса погружения винтовых свай, определению технологических параметров и проектированию новых эффективных конструкции винтовых свай. На основании этих исследований разработаны настоящие Рекомендации, которые будут способствовать широкому применению винтовых свай в строительстве.

Рекомендации разработали канд.техн.наук В.В.Спиридонов (ВНЛИСТ), канд.техн.наук В.и.Чернюк и инженеры В.Н.Пчелин и Р.А.Вальчук (ЁЛСЮ.

Замечания и предложения направлять по адресу, Москва, 105058 , Окружной проезд, 19, ВНИИСТ, лаборатория трубопроводов, сооружаемых в особых условиях.

© Всесоюзный научно-исследовательский институт по

строительству магистральных трубопроводов (ВН/Б£Т), 1983

ПРОГРАММА РАСЧЕТА КРУТЯЩЕГО ЖЛЕНТА ДЛЯ ПОГРУЖШ BkidTQBbiX СВАЛ В ЖРЗЛЫЕ ГРУНТЕ

к = IOO е к = 100^

1.    Введем ГП,

2.    Допустим к = I, х = 0, а = 0

3.    Введем е_н су_к

4.    йгпюлим    у=е_к-а    с~уу_к х=х+с а=0

5.    Вставим    н = к + 1

6.    Допустим    В

7.    Если В-т^О , идти к 3

8.    Введем с Btsirbapf*P

9. Вычислим    у = 0,001 cr (1 +55S)U+(i - 90)/150)700(В-1)

10.    Вычислим l = 3ibt^z+2.Zt<Z

11.    Вычислим Ъ = 2jTt²x + Ц(В +t)/2

Л =(Z-p)d/(xB)+2(Z-p)f -t lfW<P(B²-t²) H=(B³-t³)/(d(B*-t²)-ht/2

12.    Вычислим M = I + ЛИ

13.    Печатаем c 6 знаками M

14.    Интервал 2

15.    Идти к I Исполним

Условные обозначения

Ш - число слоев грунта, на которое делится толща основания вдоль боковой поверхности винтовой сваи, ед. (/Л ^ 100); е_к - мощность (толщина) к-го слоя, м; п_к - касательные силы сопротивления грунта по боковой поверхности винтовой сваи к-го слоя, тсД,-С - число ударов ударника Дорнии, ед. ;

В - наружный радиус винтовой лопасти сиаи, м; t - наружный радиус ствола сваи, м;

S - ширина резания (толщина лопасти) у поверхности ствола сваи, ы;

15

Ъ - -угол резания (заострения винтовой лопасти в плане) грунта лопастью, град; г - коэффициент, учитывающий затупление редущей части лопасти V , дол.ед.;

Ь - нормальное удельное давление грунта под кикяим торцом винтовой сваи,тс/м; д - шаг винта лопасти сваи, м; р - осевое усилие на сваю,те; f - коэффициент трения по свае, дол.ед.; ф - касательные силы сопротивления грунта по поверхности ствола сваи на глубине погружения лопасти, тс/м.

Приложение 2

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА

Пример I. Определить величину крутящего момента для погружения винтовой сваи в грунт при следующих исходных данных:

глубина погружения сваи Н = 3,39 м, hj = hj = 3,9 м;

грунт - суглинок тугопластичный со с деду ищми расчетными характеристиками:    f =0,4; б_нp i ~ 135000 кг/м²; 2/    =

-2600 кг/м², С = 13 ударам; число слоев грунта п = I; величина осевого усилия Р = 3160 кг; параметры винтовой сваи R_nn = =0,4 м; 1_С = 0,165 м; S = 6 см; у = 135°, ¥ = 16°, а = 0,16 м.

Решение.

По табл.1 в зависимости от ¥ = 16° принимаем коэффициент р₀ = 0,81.

Глубина резания h - R% с = 0,4-0,165 = 0,235 м = =23,5 м.

П6 формуле (4) определяем усилие резания грунта винтовой лопастью

= 13 X 23,5¹*³⁵ (I+0,Ix6)Cl I¹³^.-) X 0,81=1495,6 кг.

По формуле (2) определяем величину реактивного отпора грунта:    _Л

T=TtZ²c6_Kpi + 2% г_с£ ЦЬ_г = 3,14 х 0.I65² х 135 х ГО⁸ +

+ 2 х 3,14 х 0,165 I 3,39 х 2600 = 20673 кг.

По формуле (3) вычисляем значение крутящего момента для погружения винтовой сваи;

15

2 x 3,14 x 0,165^(3,39 x 2600) + П.4956_ (0,4 +

#л ~ ^zc    tl / =

3(RZ-zt    2

2

+ 0,I6o) +

- 3160) +4x3,

1507 + 423 + 4774 = 6704 кг

,14 x 2600(0,4²- 0,I65²)1|~ °«⁴^~ °'¹⁶⁵

JL3(0,4²- 0,165

^r20673 - 3160 _x q _I6 + 2 x 0,4 (20673 -3,14 x 0,4

3.165 j ₌

Пример 2. Определить величину крутящего момента для по-грунения винтовой сваи на глубину Н = 2,93 м с помощью программы расчета крутящего момента для немерзлых грунтов на ЭЦВМ "Наири" при следующих исходных данных:

грунт - суглинок тугопластичный;

f = 0,4; б_нр i = 120 т/м²;    =    2,5 т/м²; п = I;

= Н = 2,93 м; С = 13; Р = 2,37 т;    = 0,4 м;    Z_c =

= С,165 и; S = 0,06 м; а = 0,16 м; г = 135°; IfJ = 16°; f₀ =

= 0,81.

Решение

Перфорируем на ленту исходные данные в следующей последовательности:

I 2,93 2,5 13 0,4 0,16 5 0,06 135 0,81 120 0,16 2,37 0,4 2,5.

.V-кр = 5,972893,

Ввода.: в машицу перфоленту с рабочей программой, затем с исходными данными. Если нет ошибок, пускаем на счет. Результат получаем в виде:

где Мд ъ 5,97 тм.

16

Прллозение 3

ТЕОРЕТИЧЕСКИ РАСЧЕТ ВЕЛИЧИН КРУТЯЦЕГО МОМЕНТА И ОСЕВОГО УС/Х1Я ДНЯ ПОГРУДЕЫД! винтовых свал В ГРУНТЫ

Эффективность внедрения винтовых свай в практику строительства снижается из-за отсутствия надежных, экспериментально проверенных методов расчета величин крутяцего момента к осевого усилия - ванных параметров технологического процесса погружения винтовых свал в грунты, недостаточной изученности вопросов совместной работы винтовых свал с грунтовым массивом, а также физической сущности явлений, пропсходящих в грунтах при внедрении винтовых свал.

Отсутствие достаточно убедительных и хорошо согласуемых с практикой теоретических исследований вопросов погружения,работы и расчета винтовых свал является тормозом, сдерживающим дальнейшее применение конструкций анкерных винтовых свал в качестве фундаментов и причиной некоторых разногласий и ошибок.

.известная по ТУЗС -55 [ IJ расчетная сорила обладает большими (в отдельных случаях в два и более раза) отклонениями по сравнение с опытным:: данными, что не позволяет рекомендовать ее в инженерных расчетах.

Предложенных П.П.Цюрупой и И.У.Чистяковым [2] способ определения величины крутяцего момента не учитывает целый ряд факторов погружения и параметров винтовых свал (осевое усилие, вид материала свал и т.д.) и по этой причине обладает большой погрешностью расчетов по сравнению с экспериментальными данными.

Рекомендуемая М.Л.Иродовым [з] сравнительно простая и наглядная формула расчета крутящего момента не учитывает сопротивления резания грунта лопастью при погружении сваи, являющегося наиболее весомым составляющим параметром крутящего момента, и будучи увеличенной на 20^,формула дает ре -зультаты на 10-50^ нике экспериментальных.

Более подробный анализ существующих способов расчета технологических параметров погружения винтовых свай приведен в

17

прил.4, в котором доказана также более высокая точность расчетов по предлагаемому нике способу определения величин крутящего момента и осевого усилия при погружении винтовых свай в грунты на основе методов математической статистики и корреляционного анализа.

Крутящие моменты, необходимые для погружения винтовых свай, достигают максимальной величины не только на большой глубине догружения сваи, но и во многих случаях при прохождении лопастью сваи наиболее плотного и прочного грунта. Поэтому расчет рекомендуется вести на самые плотные грунты, кото -рые могут быть встречены сваей.

При погружении винтовой сваи без воздействия на нее осевого усилия машины она заглубляется в грунт вследствие опирания верхней поверхности лопасти на вышележащий грунт. За один оборот винтовая лопасть должна погрузиться на величину шага винта лопасти. Однако если машина, передает свае лишь крутящий момент без осевого усилия, то за один оборот свая погружается, как правило, на величину, меньшую шага винта лопасти. При погружении сваи машиной, способной развивать осевое усилие,свая в начале погружения проходит рыхлый грунт, где за один оборот перемещается на величину, бодыцую шага винта. Затем, по мере углубления, свая попадает в более плотные грунты с большим сопротивлением внедрению и начинает погружаться на величину, сначала равную, а затем меныцую шага винта (рис.1). Во избежание такого явления с увеличением глубины погружения необходимо увеличивать осевое усилие.

Если создать такие условия, при которых сопротивление грунта поступательному движению в любой момент погружения сваи уравновешивалось бы осевым усилием машины, то силы трения лопасти о грунт и величина крутящего момента будут наименьшими, а скорость погружения сваи наибольшей. Соответственно этому энергоемкость погружения винтовой сваи будет минимальной, а эффективность заглубления - максимальной. В этом случае свая за один оборот будет погружаться на величину шага ее винтовой лопасти.

Рассмотрим работу винтовой сваи, когда она находится в однородном (перпендакулщшо оси вращения сваи) грунте с одинаковой во всех точках температурой и влажностью. Материал сваи

Id

Рис Л. Схема сил, действу щих при погружении винтовых свай в грунт:

Рос -осевое усилие на сваю; Мкр -крутящий момент; р, -опорное усилие свай; нг -реактивное усилие гггуята; 6 -перемещение лопасти вследствие сжатия

грунта    1Э

/о

-т J Л~' W-.J

.г, Расчэтная

с xe.ViS

ус.:л.:;: г

)_пелъ:::и осевого

также однороден. Предположим, что касательные усилия по периметру поперечного сечения сваи и нормальные напряжения под торцом сваи распределены равномерно; сшибка от этого допущения для применяемых в практике типоразмеров винтовых свай, очевидно, будет незначительной [4,5,б]. Свая по всей длине, исключая лопасть, имеет постоянные размеры и форму поперечного сечения. Лопасть винтовой сваи изготовлена с соблюдение' :равидьности геометрических форм, без заусениц, шлаковых вг ":?ний и т.д.

Учитывая эти предпосылки, предварительно оделяем значение осевого усилия, а затем величину крутящего г/эпеята для требуемой или расчетной отметки погружения винто: ^: сваи в грунт. Расчетная схема для определения осевого ус..г. л предста-влена на рис.2.

Считая, что приращение осевого усилия при погружении винтовой сваи является функцией переменных величин, записываем

(6)

ИЛИ

^^P(h, г, if) ^Ti ⁺ Ь_нр i dF_t

(7)

^аР(к,ъ,(р)

h

-    величина поиращения осевого усилия в зависимости от переменных значений h, Z,(p кге ;

- переменная величина изменения гдубины    догружения винтовой сваи, м;

-    переменная величина поворота, рад;

-    переменная величина радиуса сваи, м;

-    произвольные функциональные зависимости;

-    касательные силы сопротивления грунта по поверхности ствола сваи для i -го слоя основания от дневной поверхности, кге/н^

i - нормальное удельное давление грунта под нижним торцом винтовой сваи для i -го слоя грунта, кге/м²;

-    номер слоя грунта в пределах расчетной толщи основания до нижнего торца сваи, ед.;

-    элементарная площадка на боковой поверхности сваи в I чл сечении, м^;

где

&нр.

I

dFi

21

dF- элементарная площадка на никнем торце винтовой сваи, м².

В дифференциальном виде уравнение (2) имеет следующий вид: dP = 7' г_с d(pdh + 6_Hpi idzd(p.    (8)

Интегрируя обе части уравнения (3) в пределах от 0 до Р и 0^s* Z ^ Z_c , O^h , G^(f>^ZX и решая его относительно Р, получаем

р    2м    Zq 2м

fdP- f A z_cdkd(fi + ff    zdzdtp =    (9)

о    о    о    а    о    2.

~ ^lL ^    * ^«p- i ^    '

В окончательном виде величину осевого усилия для погружения винтовых свай Р можно определить по формуле

^lI0>

где Z_c - наружный радиус ствола сваи,и;

П - число слоев грунта, на которое разделяется толща основания в пределах боковой поверхности винтовой сваи, ед.;

- мощность (толщина) Ь -го слоя, м.

Вывод формулы (5) для определения требуемого рационального осевого усилия основан на том факте, что реактивное усилие отпора грунта от погружения ствола и конуса сваи должно гаситься осевым усилием машины, погружающей винтовую сваю, т*е. Т=Р (где Т - реактивный отпор грунта, ? - осевое усилие). 3 действительности Т Ф- Р (Т = Р в идеальном случае). Это влияет на крутящий момент погружения сваи. При Р > Г крутящий момент уменьшается и наоборот,

йрп погружении винтовых свай в грунт работа крутящего момента в общем виде расходуется на преодоление касательных сил с определения грунта лс боковой поверхности ствола :: лопасти зпнтсвс^ свап, сил резания грунта лопастью, трения грунта о лопасть, эактивного отпора грунта.

Рекомендации по определению крутящего момента и осевого усилия при погружении винтовых сваи в грунты

I. ОБ4ИЗ ПОЛОЖЕНИЯ

I.I. Настоящие Рекомендации распространяются на проектирование и устройство свайных опор и анкерных устройств из винтовых свай для трубопроводов и их сооружений, в том числе фундаментов башен РРЛ связи, ЛЭЛ и др., строящихся в районах рас-лростране*1ия немерзлых, сезонномерзлых и вечномерзлых грунтов с сохранением (принцип I) и без сохранения (принцип П) их вечномерзлого состояния.

Рекомендации предназначены для инженеров-проектиров-щиков строительно-монтажных или проектных организаций, а также для строителей, занятых работами по устройству свайных фундаментов из винтовых свай.

1.3.    Рекомендации могут быть использованы при определе -нии и расчете крутящих моментов к осевых усилий при погружении винтовых свай в грунты методами непосредственного завинчивания, установки в предварительно пробуренные (лидерные)или парооттаянные скважины.

1.4.    Рекомендации разработаны на основании и в развитие следуацих нормативных документов:

СНиД Л-18-76 "Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Нормы проектирования";

СНиП П-15-74 "Основания 8даний и сооружений. Нормы проектирования";

СНиП II—17—77 "Свайные фундаменты. Нормы проектирования";

“-.нструкцип по проектированию свайных фундаментов в условия < преимущественного распространения вечномерзлых грунтов (Ъо .кути iCKoro района)" ЪСл 3J-6?;

"У саза ны по технологии погружения и методике расчета вин-т01'ых свай з условиях распэостранения вечномерзлых грунтов"

Рис.З. Расчетная схема для определения момента Mj Таким образом,

^мкр^=мг +^Мг +М₃ +М_Ч +M_{S f}    (II)

где Mj - мохмент, возникающий от сопротивления касательных

сил сцепления грунта по боковой поверхности ствола винтовой сваи;

М2 - момент, возникающий от сопротивления сил реактивного отпора грунта;

“Руководства по технологии и методике расчета анкерных свай в условиях распространения вечномерзлых грунтов" (? 4 С З-d о).

1.5.    Лрк проектировании свайных фундаментов яз винтовых свай, кроме настоящих Рекомендаций и перечисленных нормативных документов(дп.1.4, 1.10), надлежит руководствоваться действу нщими нормативными документами по проектированию соответствующих конструкций.

1.6.    Проект свайного фундамента из винтовых свай рассчитывают на основе инженерно-геологических и мерзлотно-грунтовых изысканий с учетом местного опыта строительства, а также с учетом результатов полевых испытаний свай.

1.7.    Полевые испытания свай в вечномерзлых и немерзлых грунтах следует выполнять исходя из требований СНиП П-18-75 и СНиП П-17-77.

1.6. В материалах до инженерно-геологическим изысканиям должны быть следующие сведения, достаточные для определения величин крутящих моментов и осевых усилий:

данные, характеризующие инженерно-геологические условия строительной площадки (распространение и залегание грунтов,их состав, сложение, строение и температурный режим, толщина сдоя сезонного оттаивания и промерзания, сведения о мерзлотных процессах, о климатических условиях района строительства и др.);

результаты полевых и лабораторных исследований и испытаний грунтов, включая определения их механических, прочностных и теплофизических характеристик;

исходные данные для прогнозирования возможных изменений мерзлотных и гидрогеологических условий и требования по охране природной среда и др.

1.9.    При производстве работ по погрукеки:о винтовых свал в грунты запрещается нарушать растительный покров строительной площадки, поэтому в проекте должны быть предусмотрены соответствующие мероприятия.

1.10.    Б целях безопасного производства работ при погружении винтовых сван б грунты следует руководствоваться следующими документами:

"Правилами техники безопаснее':.: при строительстве магистральных стальных трубопроводов" (К., Недра, 1972);

СЯкГГ L-4-80 "Техника безопасности е строительстве";

4

"Руководством по технологии и методике расчета анкерных свай в условиях распространения вечномерзлых грунтов*(Р 433-8J;

ГОСТ 12.3.016-79 ССБТ "Антикоррозионные работы при строительстве. Требования безопасности".

1*11. Контроль эа выполнением настоящих Рекомендаций и безопасным ведением работ в период строительства и эксплуатации свайных (фундаментов из винтовых свай осуществляет: инспекции Госгортехнадзора, котлонадзора, пожарная, мерзлотная и санитарная инспекции, действующие мерзлотные станции или станции, организованные заказчиком объекта в соответствии с требованиями п.1.5 СНиП II—18—76.

2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЕЕЛДОШ КРУТЩЕГО МОМЕНТА И ОСЕВОГО УСИЛИЯ ДШ ПОГРУЖЕНИЯ винтовых свай В ГРУНТЫ

2.1. Величину осевого усилия Р (расчетная схема рис.2) определяют ив условия

Р = Т,    (I)

где Т - величина реактивного отпора грунта при погружении винтовой сваи, определяемая по формуле

⁽²⁾

где Z_c - наружный радиус ствола винтовой сваи, м;

i - номер слоя грунта в пределах расчетной толщи основания от дневной поверхности до нижнего торца сваи, ед.;

П - число слоев грунта, на которое разделяется толща основания в пределах боковой поверхности винтовой сваи, ед.)

- мощность (толщина) 6-го слоя грунта, и;

$кръ - нормальное удельное давление грунта под нижним торцом винтовой сваи для i -го слоя грунта,кг -м²;

*Xi - касательные силы сопротивления грунта по поверхности ствола сваи для / ^-го слоя основания от дневной поверхности, кге/м^ ¹

В случае несоблюдения условия (I) (Диктуемого трудностью постоянного поддерживания пашиной для погружения винтовых свай равенства осевого усилия Р и реактивного отпора грунта Т,недостаточностью осевого усилия Р, развиваемого установкой, и т.д.) дальнейший расчет крутящего момента ведут по фактическим значениям осевого усилия Р.

2.2. Величину крутящего момента Мкр для погружения винтовых свай (расчетные схемы рис.3-7) вычисляют по формуле

(3)

где Rjj - наружный радиус винтовой допасти сваи, м; а - шаг винта лопасти сваи, ы; f - коэффициент трения грунта по свае, дол.ед.;

Q - усилие резания грунта винтовой лопастью,    опре

деляемое по одной из формул: для немерзлых грунтов

d-ch^l3SU^fa,№)(i*^-)P₀i    <*>

для мерзлых грунтов

у~дп

l-Ch{J + 0,ttS){! +    ,    ¹

где С - число ударов, характеризующее плотность грунта;

определяют экспериментально с помощью ударника ДорНИИ или по табл.1, 2, в зависимости от вида грунта, гранулометрического состава, температуры и влажности, ед. (прил.З); h^z    глубина резания грунта, см;

S - ширина резания (толщина лопасти) у поверхности ствола сваи, см;

f - угод резания (заострения винтовой лопасти в плане) грунта лопастью, град; р₀ - коэффициент, учитывающий влияние угла заострения лопасти W (см.рис.5, дрил.З) на усилие резания Q , дод.ед., определяют по табл.З в зависимости от угла V (прил.З);

Л - коэффициент, учитывающий затупление рел^щей части лопасти, дол.ед.; Д =0,85 для острой реяущей части, Д =1 - для слегка затупленной, Д = 2 - для тупой.

2.3. Для определения значений крутящих моментов, необходимых для погружения винтовых свай, рекомендуется производить расчеты на ЭЦВМ.

В приложениях I, 2, 3, 4 даны соответствующие материалы.

?

Приложение I

ПРОГРАММА РАСЧЕТА КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ДМ ПОГРУЖЕНИЯ ШШОШХ СВАЛ В НЕЖРЗШЕ ГРУНТЫ

к = 100 е к = 100 д,

1.    Введем гп

2.    Допустим к = I, х = 0, а = 0

3.    Введем В_н Цк

4. Вычислим у = е_к ~ а с=уу_к    х=х+с-    q=o

5.    Вставим k=k+/

0. Допустим В-р

7.    Если В-ГЛ^О идти к 3

8.    Введем с В t 5 z г b <Эр f Ф

а. Счислим Z ~ J,35La {JOu ⁽B~t})

10.    Внчислим у =Q0Wrc(7H0S)(!t(z-90)/l80)expZ

11.    Вычислим 2 - bvt^z+ 2jrtx

12.    Вычислим L** 2xt^zx + y(B-r t)/Z

Л = (Z-p)aHvB) +2f(2~P) + Ч*Ф{В²-^)

H = (B³~t^d)/(3(B^z-t*)) + t/2

13.    Вычислим M-L+ЛИ

14.    Печатаем с 6 знаками М

15.    Интервал 2

16.    Дцти к I Исполним I

Условные обозначения

Щ - число слоев грунта, на которое разделится толща основания вдоль боковой нсьэрхности винтовой сваи, ед.,

Ш * ЮО);

В_н - мощность (толщина) х-го слоя, м;

(£_К - касательные спин сопротивления грунта по боковой поверхности винтовой сваи к-гс слоя,тс/м^;

С - число ударов ударника Дорнии, ед.;

В - нарумлшл радиус винтовой лопасти сваи, щ

II

t - наружный радиус ствола сваи, м;

S - ширина резания (толщина лопасти) у поверхности ствола сваи, м;

2 - угол резания (заострения винтовой лопасти в плане) грунта лопастью, град;

Г - коэффициент, учитывающий влияние угла заострения лопасти V , дол.ед.;

Ь - нормальное удельное давление грунта под нижним торцом винтовой сваи,тс/н²;

(3 - шаг винта лопасти сваи, м;

Р - осевое усилие на сваю, то;

f - коэффициент трения грунта по свае, дол.ед.;

ф - касательные силы сопротивления грунта по поверхности ствола сваи на глубине погружения лопасти,тс/м.

1