Результат интеллектуальной деятельности: Экспериментальная установка (стенд) для изучения многофакторной зависимости коэффициента демпфирования сваи при взаимодействии с грунтом

Настоящее изобретение относится к области вибрационной техники, а именно к конструкциям свайных фундаментов зданий и сооружений гражданского и промышленного назначения.

Известна и широко применяется вибро-вдавливающая установка, погружающая сваю за счет комбинированного воздействия на нее вибрации и статической нагрузки и состоящая из двух рам. На задней раме находится электрогенератор, работающий от тракторного двигателя, и двухбарабанная лебедка, на передней раме направляющая стрела с вибропогружателем и блочки, через которые проходит к вибропогружателю вдавливающий канат от лебедки. На сваю действует вибрация, создаваемая низкочастотным погружателем с подрессорной плитой (С.С. Атаев, Н.Н. Данилов, Б.В. Прыткин и др. «Технология строительного производства»: Учебник для вузов. – М.: Стройиздат, 1984. - Рис. VIII. 8, б стр. 176).

Недостатком данного технического решения является невозможность определения коэффициента демпфирования β для сваи и грунта.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является вибропогружатель сваи, представляющий собой электромеханическую машину вибрационного действия, подвешенную к мачте сваепогружающей установки и соединенную наголовником со сваей (см. С.С. Атаев, Н.Н. Данилов, Б.В. Прыткин и др. «Технология строительного производства»: Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1984. - Рис. VIII. 6, a, б стр. 174).

Недостатком данного технического решения является вынуждающее вибрационно-силовое действие вибропогружателя, направленного непосредственно на сваю, задающее характеристики вибрации сваи и исключающее инструментальный анализ особенностей ее демпфирования.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является определение демпфирующих характеристик свай при взаимодействии с грунтом.

Поставленная задача решается за счет того, что экспериментальная установка (стенд) для изучения многофакторной зависимости коэффициента демпфирования сваи при взаимодействии с грунтом содержит вибрируемый на вибростенде металлический лоток с грунтом и забитой в него сваей, верхняя часть которой соединена с металлическим наголовником, в котором жестко, симметрично и радиально под углом 180° закреплены две горизонтальные шпильки и одна вертикальная шпилька, ориентированная вдоль продольной оси сваи, с перемещающимися по резьбе шпилек грузами-гирями.

Техническим результатом, достигаемым приведенной совокупностью признаков, является возможность изучения особенностей демпфирования сваи при ее взаимодействии с грунтом за счет втягивания сваи в вынужденную вибрацию через вибрирующий грунт, в результате чего появляется возможность определения коэффициента демпфирования β сваи грунтом.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства поясняющего сущность заявляемого изобретения.

Экспериментальная установка (стенд) для изучения многофакторной зависимости коэффициента демпфирования сваи при ее взаимодействии с грунтом включает модельную сваю 1, забитую в грунт 2, находящийся в металлическом лотке 3 на опорах 4 с основанием 5, закрепленном на опорном столе 6 вибростенда 7. Причем на верхней части сваи 1, изготовленной из конструкционного материала, например из железобетона, жестко закреплен шпилькой 8 металлический наголовник 9 с отверстиями. В верхнем отверстии крепится вертикальная резьбовая шпилька 10 с грузами 11. В боковые симметричные отверстия завинчиваются горизонтальные шпильки 12 с грузами (гирями) 13, перемещающимися по резьбе в горизонтальной плоскости. Положения грузов 11 и 13 на шпильках 10 и 12 фиксируются гайками 14, датчики ускорений 15, соединенные с измерительной системой вибростенда, жестко крепятся на наголовнике 9 сваи 1 и на опорном столе 6 вибростенда 7.

Работает устройство следующим образом. Модельная свая 1 забивается в грунтовый массив 2. Грунт 2 помещен в металлический лоток 3, установленный на опорах 4 с основанием 5, закрепленным на опорном столе 6 вибростенда 7. В верхней части сваи 1, находящейся в грунтовом массиве 2, жестко закреплен шпилькой 8 металлический наголовник 9 с отверстиями. В верхнее отверстие помещается и крепится, например, с помощью резьбового соединения вертикальная шпилька 10 с грузами 11, обеспечивающими необходимую вертикальную нагрузку сваи 1. В боковые симметричные отверстия завинчивается горизонтальная шпилька 12 с грузами (гирями) 13, которые могут перемещаться по резьбе в горизонтальной плоскости. Положение грузов 11 и 13 на шпильках 10 и 12 фиксируются гайками 14. На наголовнике сваи, а также на опорном столе вибростенда жестко крепятся датчики ускорений 15, соединенные с измерительной системой вибростенда.

При работе вибростенда 7 свая 1 втягивается в колебательный процесс через грунтовый массив 2. Изменяя частоту ω колебаний опорного стола 6 вибростенда 7 и замеряя при помощи датчиков относительную амплитуду колебаний А сваи, можно построить ее амплитудно-частотную характеристику А(ω) в районе резонансной частоты ω_рез (Фиг. 2), задаваемой величиной массы груза 13 (М) и его состоянием (L) от точки закрепления шпильки 12 в металлическом оголовке 9. При этом резонансная частота ω_рез колебаний груза 13 массой М на консольной балке длиной L приближенно определяется по формуле [1]:

Коэффициент потерь η на частоте колебаний ω_рез определяется по формуле [2]:

где ω₂ и ω₁ представляют собственные частоты резонансных амплитуд, определенных на уровне А_о=A_peз/n, отсюда, n=2(1/2).

Перемещением грузов 13 обеспечивается изменение ω_рез и построение зависимости коэффициента потерь от частоты вынужденных колебаний ω. Изменением массы грузов 11 обеспечивается построение зависимости коэффициента потерь от нагрузки сваи 1. Изменением амплитуды колебаний вибростенда обеспечивается построение зависимости коэффициента потерь от амплитуд колебаний грунтового массива.

Таким образом, в предлагаемой экспериментальной установке втягивание сваи в колебательный процесс осуществляется через колеблющийся грунтовой массив, что соответствует реальному сейсмическому явлению.

За счет смешения грузов по горизонтальным шпилькам изменяется резонансная частота колебаний сваи, за счет чего обеспечивается возможность определения зависимости коэффициента демпфирования сваи от частоты внешнего воздействия.

Симметричное расположение грузов на шпильках обеспечивает вертикальное перемещение сваи, поскольку горизонтальные центробежные силы взаимно компенсируются. Несимметричное расположение грузов на шпильках вызывает не только вертикальные, но и горизонтальные колебания, что обеспечивает двухкомпонентный анализ указанной зависимости.

Изменение массы груза, закрепляемого на вертикальной шпильке, позволяет варьировать вертикальную нагрузку на сваю. Система управления вибростенда обеспечивает проведение испытаний сваи при различных амплитудах и частотах колебаний стенда.

Критериями подобия при моделировании сваи служат следующие зависимости: mω²/k (критерий подобия по частоте); mk/с² (критерий подобия по сопротивлению), где m - приведенная масса сваи, k - приведенная жесткость сваи в грунте, с - коэффициент сопротивления, ω - частота колебаний сваи.

Предлагаемая экспериментальная установка позволяет определить зависимость коэффициента демпфирования при взаимодействии сваи с грунтом от частоты внешнего воздействия, амплитуды колебаний, типа, плотности, влажности и температуры грунта, вертикальной и горизонтальной нагрузки на сваю, а также материала сваи (коэффициента трения).