Глава XXII. ВИБРАЦИОННЫЕ МАШИНЫ ДЛЯ ПОГРУЖЕНИЯ СВАЙ, ШПУНТА И ДЛЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ

1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА ВИБРАЦИОННОГО ПОГРУЖЕНИЯ

Вибрационным погружением принято называть внедрение твердого тела в сопротивляющуюся среду под действием постоянной и знакопеременной сил.

Введением знакопеременной составляющей можно существенно снизить постоянную составляющую силы, необходимую для эффективного погружения. Это дает возможность с помощью вибрационных машин относительно небольшой массы погружать преимущественно в песчаные и глинистые грунты элементы, сопротивление внедрению которых во много раз превосходит силу тяжести вибрирующей системы. В случаях значительного изменения свойств грунта под действием вибрации, что имеет место в водонасыщенных грунтах, можно добиться не только снижения требуемой для погружения постоянной силы, но и энергии, затрачиваемой на погружение.

Сопротивление грунта складывается из лобового, воспринимаемого торцом погружаемого элемента, и бокового, действующего на его стенки.

При вибрировании свай в той или иной степени (в зависимости от грунтовых условий и режима колебаний) сопротивления грунта уменьшаются. Так силы динамического бокового сопротивления грунта снижаются по сравнению со статическими в 2—10 раз. Динамическое лобовое сопротивление в маловлажных грунтах остается приблизительно равным статическому, а в грунтах, насыщенных водой, снижается до 2 раз. При погружении в слабые водонасыщенные грунты возникающее знакопеременное гидродинамическое давление под острием сваи приводит к разуплотнению частиц грунта и их последующему разжижению. В этом случае уменьшается сопротивление грунта как по боковой, так и по лобовой поверхностям.

При вибрационном погружении в маловлажные грунты для эффективности процесса решающее значение имеют удары торца погружаемого элемента о грунт, который при этом уплотняется и выпирается в стороны. Существенного уменьшения сил динамического сопротивления грунта по лобовой поверхности в сравнении со статическими силами не происходит.

В плотных глинистых и маловлажных песчаных грунтах, физико-механические свойства которых в процессе вибрирования изменяются мало, эффективность процесса погружения определяется главным образом не уменьшением сопротивления грунта, а приложением к погружаемому элементу дополнительных периодических сил.

При вибрационном погружении или извлечении, когда динамическое воздействие на сваю осуществляется жестко соединенным с ней вибровозбудителем, эффективность процесса определяется главным образом приложением к свае значительных периодических сил, которые совместно с постоянными силами (сила тяжести системы, безынерционное нажатие, сила извлечения) обеспечивают перемещение сваи в прилегающем к ней массиве грунта.

В некоторых случаях (преимущественно при погружении элементов в маловлажные плотные грунты) целесообразно применять устройства (вибромолоты), в которых вибровозбудитель воздействует на погружаемый элемент в основном ударами. Осуществляемый вибромолотами режим погружения обычно называют ударно-вибрационным.

Длина погружаемого элемента должна быть не более длины распространяющейся в нем упругой волны. При превышении этого предела существенными становятся упругие деформации погружаемого элемента, что вызывает повышение расхода энергии при замедлении или даже остановке процесса вибропогружения. При погружении длинных металлических элементов может быть эффективным режим продольного упруггли резонанса, при котором частоту вынуждающей силы выбирают близкой собственной частоте упругих колебаний погружаемого тела.

Масса элемента, погружаемого вибрационным способом, практически не ограничивается. Известен опыт вибрационного погружения колодцев-оболочек с массой свыше

При ударно-вибрационном погружении масса погружаемого элемента не должна превышать так как для наиболее эффективного погружения этим методом отношение масс погружаемого элемента и ударной части вибромолота должно быть равно приблизительно единице, а применение вибромолотов с массой ударной части, превышающей ограничивается долговечностью вибромолотов, надежность которых резко снижается с увеличением массы ударной части.

Вибрационный метод по сравнению с другими способами целесообразно применять при погружении элементов со сравнительно малой площадью поперечного сечения. Наибольшее распространение вибрационный метод получил при погружении металлического шпунта и свай-оболочек, а также при буровых работах.

Погружение трубчатых элементов имеет ряд особенностей, главнейшими из которых являются: а) преобладающее влияние бокового сопротивления грунта; б) образование грунтовой пробки; в) колебания грунта и воды во внутренней полости погружаемых элементов.

Эффективность вибрационного погружения и извлечения трубчатых элементов повышается при применении продольно-вращательных колебаний, а при ударно-вибрационном методе — при продольных ударах и вращательных колебаниях. Применение ударно-вибрационного вдавливания также дает наибольший эффект при погружении трубчатых элементов.

При теоретических исследованиях процесса вибрационного погружения элементов в грунт используют различные расчетные модели взаимодействия погружаемого элемента и грунта, основанные на известных экспериментальных фактах, главные из которых состоят в следующем. Если амплитуда колебаний сваи меньше предельной величины упругих деформаций грунта, то свая колеблется вместе с окружающим грунтом и ее погружение не происходит. С увеличением амплитуды колебаний сваи начинается ее проскальзывание относительно грунта. При полном «срыве» сваи амплитуда ее колебаний превосходит амплитуду прилегающего к ней грунта в десятки и сотни раз и деформации грунта при погружении сваи приобретают в основном пластический характер. Вязкая составляющая проявляется при проскальзывании сваи относительно прилегающего грунта, и ее зависимость от скорости колебаний носит существенно нелинейный характер.

Рис. 1. Расчетный график «сопротивление — осадка»: а — для чистопластической модели сопротивления грунта; для упругопластической модели лобового сопротивления грунта

При теоретическом исследовании наиболее распространены две апробированные расчетные схемы механизма сопротивления грунта, находящиеся в соответствии с экспериментальными данными для широкого круга грунтовых условий:

1) чистопластическая, в которой предполагается, что между боковыми поверхностями сваи и грунтом действуют силы сухого трения; в этой модели динамическое лобовое сопротивление представлено как невесомая пробка, перемещение которой возможно, если приложенная к ней сила превышает силу сопротивления грунта, интерпретируемую как сила сухого трения; таким образом, в чистопластической модели для обеспечения погружения сваи сумма сил, приложенных к ней, должна превышать постоянную за один цикл погружения силу сопротивления грунта по боковой и лобовой поверхностям; зависимость между динамическим сопротивлением грунта и осадкой сваи х представлена на рис. 1, а;

Рис. 2. Расчетная схема вибрационного погружения масса дебалансов)

2) комбинированная, включающая чистопластическую модель сопротивления грунта по боковой поверхности и упругопластическую по лобовой поверхности. В упругопластической модели зависимость между динамическим лобовым сопротивлением и осадкой сваи может быть представлена в виде диаграммы Прандтля (рис. 1, б), упругопластическая модель динамического лобового сопротивления грунта отличается от пластической наличием идеальной (без диссипативных потерь) пружины, расположенной между торцом сваи и невесомой пробкой и моделирующей упругие свойства грунта. В этой модели движение пробки, т. е. пластическая деформация грунта, становится возможным лншь после того как реакция пружины на пробку превзойдет силу динамического лобового сопротивления грунта.

Кроме этих двух основных моделей в некоторых исследованиях используют и более сложные модели механизма сопротивления грунта — упругопластическую по боковой и лобовой поверхностям, упруговязкопластическую с учетом присоединенной массы грунта и т. д.

При математическом описании процессов вибрационного и ударно-вибрационного погружения и определении периодических решений в основном используют методы гармонического баланса, малого параметра, припасовывания, последовательных приближений.

Расчетная схема вибрационного погружения при использовании комбинированной модели механизма сопротивления грунта изображена на рис. 2. Соответствующая математическая модель имеет вид

где расстояние от поверхности грунта до нижнего конца сваи, отсчитываемое вертикально вниз; соответственно масса и сила тяжести вибрирующей системы (для вибровозбудителей с подрессоренным пригрузом в величину входит также сила тяжести пригруза); К — суммарный статический момент массы дебалансов вибровозбудителей; угол поворота дебалансов; приведенный к дебалансному валу момент инерции вращающихся частей вибровозбуднтеля, крутящий момент двигателя, приведенный к валу вибровозбудителя; динамическое сопротивление грунта по боковой поверхности; ускорение свободного падения.

Динамическое сопротивление грунта по лобовой поверхности

здесь коэффициент упругой жесткости грунта; у — координата нейтрального положения сваи, при которой смещения, соответствующие переходу от упругих деформаций к пластическим.

Исследование изображенной на рис. 2 полной динамической системы обычно выполняют при анализе динамики вибрационных погружателей (для уточнения затрат энергии, определения нагрузок на детали и т. п.).

Для расчетов основных параметров погружения вынуждающая сила в соответствии с результатами теоретических и экспериментальных исследований может быть принята изменяющейся по синусоидальному закону.

Для вибрационного погружения характерна высокая скорость процесса, при которой преобладает пластическая составляющая сопротивления. Поэтому в большинстве случаев имеются основания для использования в расчетах чистопластической схемы механизма сопротивления грунта. При таких упрощающих допущениях вибрационное погружение может быть описано уравнением

здесь

— угловая скорость вращения дебалансов (принимают

Математическая модель ударно-вибрационного погружения описывает в общем случае систему с тремя степенями свободы (дебалансы, корпус ударной части и свая).

При расчете ударно-вибрационного погружения к указанным выше допущениям обычно добавляют допущение о мгновенном и абсолютно неупругом ударе.

(кликните для просмотра скана)

Соответствующая математическая модель имеет вид

где с — коэффициент упругой жесткости рабочих пружин вибромолота; соответственно масса и сила тяжести вибромолота; координата, отсчитываемая от верхнего торца погружаемого элемента; предварительное натяжение рабочих пружин вибромолота; — начальный фазовый угол вынуждающей силы; соответственно масса и сила тяжести погружаемого элемента; сила пригруза к погружаемому элементу; координата погружаемого элемента, отсчитываемая от его положения, достигнутого в предыдущем цикле