Основы теории ударно-вращательного бурения.

При ударном и комбинированном бурении используют инструмент в виде долотчатых коронок, породоразрушающая часть которых имеет форму клина (рис. 6.22). Разрушение прочных пород (f>8-10) происходит в этом случае в трех характерных зонах, клин с углом заострения α внедряется в породу на глубину h под воздействием внешней ударной нагрузки P_Z = dbσ_Z.

Рис. 6.22. Физическая модель разрушения породы долотом:

а – качественная, б – схема сил, действующих на долото;

1÷3 – характерные зоны: 1 – объемного разрушения,

2 – скола, 3 - трещинообразования

Со стороны породы на него действуют: по боковым поверхностям силы нормального давления σμλb (μ – коэффициент трения клина о породу); в вершине клина – сила сопротивления внедрению W_л.

Предельное состояние породы характеризуется условиями прочности породы в зонах 1 и 2 и оценивается, соответственно, пределом прочности породы механическому бурению σ_м.б = 0,5(σ_сж + σ_ск) и пределом прочности породы по сколу σ_ск.

Считают, что клин, внедряясь в породу на глубину h за удар, создает при этом ее предельное состояние.

Рассматривая равновесие клина в этом состоянии в виде суммы проекций указанных выше сил на вертикальную и горизонтальную оси, имеем систему уравнений:

 

где К_з – коэффициент, учитывающий действие лобового сопротивления W_л (К_з =1,3);

S_ск = πb ² / (4 n_уд)– площадь скола за один удар.

С учетом геометрии клина, характеризуемой зависимостью λ = h / cos α /2 из решения первого уравнения получают глубину внедрения клина в породу (h), при которой получается рассматриваемое предельное состояние.

При этом ударную силу, действующую на клин, выражают через энергию единичного удара А_уд и глубину внедрения клина h, предполагая, что предельное состояние породы достигается за один удар.

Р_уд = P_z = 2 А_уд / h

Второе уравнение используют для определения рационального значения частоты ударов n_уд = n_уд.рац. При этом b ≈ D для двухперьевой коронки (m=2).

Критерием рациональности считают скалывание всей площади забоя скважины за один оборот буровой штанги, исходя из чего определяют необходимую для этого частоту ее вращения ω_б.ш. После этого рассчитываем теоретическую скорость бурения V_б и сменную производительность бурового станка.

6.7. Машины и оборудование для погружения свай

Погружные сваи – это специально изготовленные изделия из железобетона или металла стержневой, пластинчатой или цилиндрической формы, предназначенные для принудительного погружения в грунт с целью устройства свайного основания – фундамента.

Для погружения свай используют комплекты машин в составе копров – специальных машин (или копрового оборудования), реализующих комплекс вспомогательных операций установки сваи, и погружателей, обеспечивающих непосредственно заглубление сваи

Рабочее оборудование копрового типа состоит из металлоконструкции, называемой мачтой или копровой стрелой с направляющей для установки и перемещения погружателя, наголовника и механизмов подъемных лебедок и наведения сваи. Последний называется системой наведения, которая обеспечивает изменение вылета стрелы путем ее наклона в продольной плоскости и поворота в поперечной (рис. 6.23).

Рис. 6.23. Гидравлический свайный копер (назначения и характеристики)

Рис. 6.23 (а) Высокочастотный вибропогружатель. Тип 40 VML с устройством захвата и позиционирования шпунта

Рис. 6.23 (б) Пресс для шпунта. Тип 4125

Рис. 6.23 (в) Высокочастотный кольцевой вибропогружатель. Тип 432 VML

Рис. 6.23 (г) Гидравлический молот. Тип Н 110

Рис. 6.23 (д) Бурение 2-х роторным приводом. тип DBA 300Рис. 6.23 (д) Бурение 2-х роторным приводом. тип DBA 300

Рис. 6.23 (е) Бурение со штангой Келли. тип BA 250

Рис. 6.23 (ж) Бурение бесконечным шнеком. Тип BA 250

Системы наведения свай – совокупность дополнительных специальных устройств и механизмов копра, предназначенных для наведения мачты со сваей на точку погружения и корректировки положения сваи в процессе установки и погружения.

Конструктивное исполнение копров производят по конструкции ходовой части (К – колесные, Г – гусеничные, Р – рельсовые), а также по наличию–отсутствию ниже перечисленных конструктивных узлов: поворотной платформы, механизмов изменения вылета и наклона мачты.

По длине погружаемых свай копры разделены на типоразмерные группы, соответственно до 8 м; 12 м; 16 м; 20 м; 25 м; более 25 м.

По виду систем наведения копровое оборудование условно разделено на следующие группы:

I – мостовые копровые установки на рельсовом ходу, имеющие автоматизированные или неавтоматизированные системы наведения свай;

II – мостовые копровые установки на рельсовом или гусеничном ходу, не имеющие систем наведения свай;

III – копры навесного типа на базе экскаваторов или кранов, использующие поворотную платформу базовой машины и оснащённые системами наведения свай;

IV – копровое оборудование на той же базе, оснащенное системами наведения;

V – копры или копровое оборудование на базе тракторов или автомашин, не имеющие систем наведения свай;

VI – копры навесного типа на базе тракторов или автомашин, оснащенные системами наведения свай;

VII – копры рельсовые универсальные, оснащённые системами наведения свай;

VIII – копры рельсовые простые и полууниверсальные, имеющие систем наведения свай.

Основными параметрами копров и копровых установок являются:

- наибольшая грузоподъёмность лебёдок подъёма сваи и погружателя;

- максимальные размеры погружаемой сваи (длина, смещение, масса);

- дискретные характеристики рабочей зоны (угол поворота поворотной платформы (при наличии);

- диапазон вылета мачты и углов её наклона;

- размеры рабочего и ходового оборудования (высоту мачты, ширину направляющих для установки погружателя, колею);

- габаритные и массовые характеристики, а также удельное давление на грунт;

- виды используемых погружателей.

Техническую производительность работы копра за смену, шт/см, рассчитывают по формуле:

П_с=Т_см/Т_р.ц,

где Т_см – общая продолжительность смены, ч;

Т_р.ц – продолжительность рабочего цикла погружения одной сваи, ч;

Т_р.ц= t_п+t_в,

t_п - время чистого погружения, ч;

t_в - время вспомогательных операций, ч.

Время выполнения вспомогательных операций в справочной

литературе задаётся от продолжительности рабочего цикла в виде:

T_в= КТ_р.ц,

где К – коэффициент учёта вспомогательных операций, принимаемый в пределах 0,43…0,63 ÷ 0,77…0,83 для копров различных типов.

В соответствии с этим сменную эксплуатационную производительность при Т_см = 8,2 ч можно рассчитать по формуле:

Пэсм=8,2· ((3600tп)/(1-К))Кв,

(6.24)

где К_в – коэффициент использования копра в течение смены;

t_п – время погружения используемого типа сваи, с.

Выбор копра осуществляется по его грузоподъёмности и высоте. Грузоподъёмность копра должна превышать суммарную массу сваи (с), молота (м) и наголовника (н):

М_к  m_c + m_м +m_н.

Требуемая высота копра:

H = h_с + h_м + h_н + h_пп + 1,

где h – высота, соответственно, сваи, молота, наголовника, полиспастной подвески.

Погружатели – специальные машины и механизмы используемые для принудительного погружения свай. По принципу воздействия на сваю различают статические и динамические погружатели.

6.7.1. Оборудование статического погружения свай

Статический метод погружения свай является малошумным и применяется в городских условиях при необходимости ведения работ вблизи фундаментов существующих зданий. Наиболее часто его реализуют по пионерной (лидерной) скважине, что снижает требуемые усилия для погружения и исключает вспучивание грунта в зоне погружения. Лидерную скважину выполняют площадью поперечного сечения несколько меньшей сечения погружаемой сваи.

Работа погружателей статического типа основана на принципе вдавливания и завинчивания свай. Оборудование статического погружения применяют, в основном, при погружении винтовых свай.

Винтовые сваи представляют собой металлический цилиндр (ствол) диметром 0.91.0 м и длиной до 30 м и более, вдоль которого выполнена винтовая лопасть диаметром 1.52.1 м.

Основным видом рабочего оборудования, обеспечивающим режим погружения сваи завинчиванием, являются специальные высокомоментные вращатели, на шпинделе которых имеется патрон для захвата хвостовика сваи – кабестаны. Установка свай и кабестанов на их головку производилась кранами.

Усилие вдавливания составляет:

P = P_гц · n · a < G_экс,

где P_гц – усилие, реализуемое одним гидроцилиндром;

n – число гидроцилиндров;

a – кратность полиспаста (а = 0,5…3,0);

G_экс – эксплутационный вес агрегата.

Погружатели выравнивающего типа в виде системы гидроцилиндров, без полиспастов, используются в сваевдавливающих установках безмачтового исполнения.

Сваевдавливающие установки безмачтового исполнения (рис. 6.24) представляют собой комплект оборудования в составе гидростанции и силовой головки с несколькими гидроцилиндрами подачи и зажима сваи, установленных на подвижной площадке оснащенной гидроцилиндрами продольного и поперечного перемещений в горизонтальной плоскости.

Установки работают в комплекте с самоходным стреловым краном грузоподъемностью 40 т. обеспечивающим монтаж установки и подачу свай.

Рис. 6.24. Сваевдавливающая установка:

а) общий вид в рабочем положении, б) общий вид в транспортном положении,

в) схема работы

6.7.2. Оборудование динамического погружения свай

Динамическое погружение свай является более универсальным и производительным. При этом используются следующие способы погружения: ударные, вибрационные, комбинированные. По принципу действия динамические погружатели разделяют на молоты, вибропогружатели, вибромолоты.

Основными характеристиками динамических погружателей являются:

- энергия единичного удара;

- частота ударов;

- вынуждающая сила.

Главным параметром молотов и вибропогружателей является мощность установленных двигателей. К числу основных относят энергию единичного удара и частоту ударов – для молотов; величину вынуждающей силы, амплитуду и частоту колебаний – для вибропогружателей и вибромолотов. Для машин с дебалансным вибровозбудителем колебаний к числу основных параметров относят также значение кинетического момента дебалансов.

Молоты – машины ударного действия, обеспечивающие импульсную передачу усилий верхнему торцу забиваемой сваи для ее принудительного погружения.

Ударной парой молотов – погружателей является «ударник-наковальня». Роль последней выполняет шабот, закрепляемый на верхнем торце сваи на предварительно установленный наголовник. Наголовник предназначен для защиты торца сваи от разрушения.

Важными параметрами молотов является энергия единичного удара (Ае, Дж) и частота ударов (f, Гц), формирующие ударную мощность. N₃₁=А_еf. При одной и той же ударной мощности частота ударов является определяющей для достижения повышенных скоростей забивки.

Молоты разделяют по основным признакам:

 По энергоносителю (механические, гидравлические, дизельные);

 Степени участия привода в формировании скорости движения ударника: простого действия (только на этапе обратного хода), двойного действия (на обоих этапах);

 Регулировка скорости удара (регулируемые и нерегулируемыея);

 Исполнению ударника: со свободным ударником (дизель-молоты, вибромолоты); С ударником жестко соединительным со штоком исполнительного гидроцилиндра (гидромолоты).

Гидравлические молоты – являются высокопроизводительными, универсальными, динамическими погружателями, как по конструкции погружаемых элементов так, по характеристикам грунта и температурным условиям эксплуатации (рис. 6.25)

В таких молотах используется обычно гидропривод двойного действия, обеспечивающий переодический подъем и опускание, с ударным взаимодействием в закоючительной фазе, ударной части (бабы) с ноголовником, одетым на торец сваи.

Рис. 6.25. Гидравлический молот

а) конструктивная схема б) гидравлическая схема

Пневмогидроаккамулятор применен с целью реализации энергии, запасаемой им при подъеме ударной части, на этапе ее рабочего хода. Смена рабочего и холостого ходов ударной части происходит автоматически за счет специального распределительного клапана, называемым клапаном - пульстором.

Дизельные молоты (дизель-молоты) в отличии от гидравлических являются молотами простого действия. В них применен свободнопадающий ударник. Подъем ударника после соударения с шаботом происходит за счет энергии газов, образованных в камере сгорания. Первоначальный подъем производят специальным подъемно-сбрасывающим устройством (кошка).

Вибромолоты и вибропогружатели – машины вибрационного типа, в приводе которых применен механический дебалансный вибропогружатель направленного действия (рис. 6.26).

Рис. 6.26. Вибропогружатель:

а) общий вид, б) схема работы при разных значениях вынуждающей силы

В качестве двигателей используют электрические и все шире – гидравлические. Для их питания используется вспомогательное силовое оборудование в виде электро и гидростанций.

Вибромолоты, имея в приводе ударную пару, реализуют виброударный режим, воздействия на сваю, а вибропогружатели, не имея таковой – вибрационный. Тем не менее характер воздействия самой сваи с грунтом у обеих типов машин виброударный.

В настоящее время вибромолоты и вибропогружатели выпускаются в основном с гидроприводом, обеспечивающим широкие возможности погружения различных свай от железобетонных до металлических труб диаметром до 3,0 м и длиной свыше 10 м.

Эффект вибрационного погружения изделий состоит в снижении постоянной составляющей усилия погружения в случае совместного действия ее с динамической нагрузкой знакопеременного характера. Указанный эффект проявляется при значениях амплитуд вибрации погружаемого элемента превосходящих предел упругости деформаций грунта.

В диапазоне стандартных частот погружения, составляющих 23÷29 Гц, в диапазоне мощности установленного двигателя от 30 до 1080 кВт, амплитуды вибропогружателей составляют приблизительно 20 ÷ 30 мм.

В диапазоне повышенных частот нагружения (около 40 Гц) диапазон амплитуд колебаний составляет: 19÷23 мм при мощности 200 кВт и 11÷17 мм у вибропогружателей мощностью от 200 до 660 кВт.

Они входят в состав сменного оборудования специальных гидравлических экскаваторов.

6.8. Основы теории рабочих процессов погружения свай.

Рабочий процесс погружения сваи в грунт происходит под действием внешней нагрузки, создаваемой погружателем, а также силы тяжести погружателя, наголовника, самой сваи, а в ряде случаев и дополнительного пригруза. Зависимости силы сопротивления грунта погружению свай от глубины погружения называют несущей способностью сваи.

Наряду с этим имеются расчётные зависимости для определения несущей способности сваи при забивке её молотом и проектного отказа сваи – величины погружения за один удар. Установление времени погружения заданного типа сваи на расчётную глубину Н_р, в конкретных грунтовых условиях определённым типом погружателя является основной задачей, решение которой позволяет обоснованно проверить выбор рабочего оборудования.

Рассмотрим последовательно процесс динамического погружения свай без учета и с учетом упругих свойств грунта (рассматривается упрощенная модель погружения сваи, предложенная д.т.н. И.Н. Быховским, соответствующая программе курса теоретической механики, излагаемого студентам общестроительных специальностей вузов).

В качестве исходных примем следующие характеристики системы «молот – свая – грунт»:

1. Характеристики погружения: расчётные значения глубины Н_р и времени tп погружения.

2. Характеристики сваи:

масса сваи с учетом жестко присоединенных к ней элементов mс;

площадь поперечного сечения S;

периметр р;

длина сваи L_с.

3. Характеристики молота:

масса ударной части m;

масса молота, воспринимаемая сваей mм;

предударная скорость ударной части υ;

коэффициент полезного действия молота η_мех.

4. Характеристики грунта в виде сил лобового и бокового сопротивлений погружению сваи: W_л, W_б.

Коэффициент трения скольжения боковой поверхности сваи о грунт µ = 0,8.

Считаем, что процесс забивки сваи в грунт есть устойчивый, периодически повторяющийся процесс ударного взаимодействия ударной части молота и сваи.

Рабочий процесс забивки сваи молотом условно разделяем на два этапа. На первом этапе, продолжительность которого мала – (t→0), рассматриваем ударное взаимодействие ударной части молота и неподвижной сваи, в результате чего свая начинает движение со скоростью υ_c, а ударник отскакивает от нее со скоростью υ. Это описывается в рамках теории центрального соударения двух свободных дискретных масс двумя зависимостями: первой, полученной из теоремы об изменении количества движения системы при ударе и второй – определением коэффициента восстановления скорости при ударе R, соответственно:

υ_с = (1+R) · (m/(m+m_с)) υ;

υ`– υс = – R(υ – 0),

(6.25)

где R – коэффициент восстановления скорости при ударе, определяющий интенсивность удара. Он зависит от того, насколько скорость ударяющего тела превышает скорость ударяемого: υ`– υ_с = –R(υ–0).

При известном значении предударной скорости ударника υ, заданном значении R, массовых характеристиках ударника и массы сваи mc из этих уравнений могут быть определены значения υ_с и υ`.

Второй этап взаимодействия – этап послеударного перемещения сваи во временном интервале 0 < t ≤ t_п. При этом кинетическая энергия сваи T, приобретённая на первом этапе, расходуется на преодоление сил лобового W_л и бокового W_б сопротивлений грунта: определяющих работу сил сопротивления.

На основании этого может быть составлено уравнение (модель) погружения сваи в грунт в дискретной форме в виде:

где H – глубина погружения сваи.

Для высокочастотных вибромолотов, частота ударов которых составляет f_уд = 1/T = 8÷12 Гц, процесс погружения сваи можно рассматривать как непрерывный в виде

где f_уд = /(2) - частота ударов молотом по свае, Гц, выраженная через угловую частоту вращения его дебалансного вала , с^-1 и число его оборотов, приходящихся на один удар . Остаточная величина погружения сваи за удар в соответствии с представленной на рис. 6.27 моделью погружение составит:

Рис. 6.27. Динамическая модель погружения сваи с учетом

упруго-демпфирующих свойств грунта

Предельную глубину погружения Н_пр получим из (6.27), приравняв нулю скорость погружения. Решение проводим с учетом Z_ост.

где a₁ и a₂ – коэффициенты сопротивления зависящие от частоты ударов f_уд, начальной скорости сваи υ _c и мехнических характеристик грунта.

Дополнительно учитывая постоянную составляющую силы давления, передаваемую сваей на грунт. Она складывается из веса сваи с присоединенным к ней молотом и возможного дополнительного пригруза:

Qп = (mc + mн ) g + Qдоп

(6.30)

В этом случае:

где Ω₀ – собственная частота колебаний сваи.

Интегрированием (6.31) определяем также время погружения сваи до расчетной отметки:

где:

При расчете t_п величины υ_с и Ω_о приняты постоянными.

При вибрационном процессе погружения сваи, реализуемом вибропогружателями в правой части (6.25) появляется вынуждающая сила:

Р = Р_о·sin ωt,

где Р_о = 2ω²m_оr – амплитудное значение этой силы (2m_оr = К – кинетический момент дебаланса вибровозбудителя);

ω – угловая частота вращения дебалансов вибровозбудителя;

ωt – угол поворота дебаланса, отсчитываемой от горизонтальной оси.

Решение получаемого уравнения проводят при нулевых начальных условиях. Тогда время цикла воздействия на грунт

где f_кол – частота колебаний вибропогружателя; для низкочастотных вибропогружателей f_кол ≈ 7÷9 Гц; для высокочастотных f_кол ≈ 20÷25 Гц.

Для реализации процесса погружения сваи амплитуда вибрации сваи должна быть больше предела упругих деформаций грунта. Только в этом случае реализуется колебательное проскальзывание боковой поверхности сваи относительно массива грунта, а также частиц и слоёв грунта в осевом направлении перемещения сваи, под её нижнем торцом, а также в радиальном направлении. Указанные явления приводят к эффекту снижения сопротивления внедрению сваи в грунт под действием постоянной силы тяжести, создаваемой самой сваей, вибропогружателем, а иногда и пригрузом.

Для качественно реализации работ по погружению свай используют средство автоматизации контроля технологических процессов, включающих устройства:

- выверки свай по направлению погружения и в плане;

- контроля высотной отметки свай;

- определние несущей способности свай.

Эффективность рабочего процесса погружения свай определяется правильностью подобранного погружателя и режимом его работы применительно к конкретным условиям погружения. В этом случае реализуется максимальная скорость погружения. Для эффективного погружения используют САУ, обеспечивающие реализацию максимальной скорости погружения независимо от изменения условий погружения.

Структурная схема такой САУ для вибромолота с дебалансным вибровозбудителем направленного типа представлена на рис 6.28. Эта система автоматического регулирования, поддерживающая постоянное значение управляемой величины, которой является значение угла положения дебалансов вибровозбудиеля в момент удара . При поддержании значения , устанавливаемого задающим устройством, возникающее рассогласование ликвидируется исполнительным механизмом винтового типа, за счет изменения величины начального зазора Х₀ между ударником и наковальней

Рис. 6.28 Структурная схема САУ реализации максимальной скорости погружения сваи вибромолотом при изменении грунтовых условий:

В – вибровозбудитель колебаний направленного типа;

Д , Дtуд – датчики угла поворота дебалансов в момент удара ф и времени удара;

З – задающее устройство, реализующее;

ЛУ – логический блок;

У-П – блок усиления и преобразования сигналов;

ИУ – исполнительное устройтсво

При этом, после каждого удара погружение сваи будет происходить с максимальной скоростью, ввиду реализации максимальной величины энергии единичного удара (Ауд = А уд max) в конкретных условиях погружения. Это иллюстрируется графиками, где различие грунтовых условий отражено значениями - отношение собственной и вынужденной частот колебаний упруго – подвешенного ударника вибромолота). В этом случае реализуется самонастройка максимально возможной для указанных условий погружения () предударной скорости ударника и, как следствие, максимальное значение Ауд = А уд max ~

6.9. Машины и оборудование для уплотнения грунтов

Механизация этой операции осуществляется грунтоуплотняющими машинами, выполненными либо в виде рабочего оборудования к базовым СМ (тракторам, экскаваторам, кранам), либо специализированными машинами, различного конструктивного исполнения. Используется глубинное и поверхностное уплотнение.

6.9.1. Машины и оборудование глубинного уплотнения (и образования скважин)

Технологии глубинного уплотнения грунтов предусматривают использование пробойников и раскатчиков грунта, глубинных вибраторов, а также оборудования для вытрамбовывания углублений (рис. 6.29, 6.30).

Рис. 6.29. Глубинные дебалансные вибраторы для уплотнения

грунта в технологии устройства щебеночных свай:

а) конструкция, б) общий вид, в) технологическая схема работ

Рис. 6.30. Оборудование для вытрамбовывания углублений:

а – на базе экскаватора на базе драглайн:

1 – шарнир, 2 – направляющая штанга, 3 – каретка, 4 – трамбовка,

5 – опорная плита, 6 – зубья;

б – на базе экскаватора с прямой лопатой:

1 – серьга, 2 – оголовок, 3 – направляющая стойка, 4 –каретка,

5 – трамбовка, 6 – зубья, 7 – опорная плита, 8 – распорка;

в – на базе трактора:

1 – оголовок, 2 – элемент жесткости, 3 – направляющая рама,

4 – каретка, 5 – трамбовка, 6 – опорная плита;

г – на базе сваебойного оборудования:

1 – шаблон трамбовки, 2 – подвеска, 3 - молот

Пробойники– самодвижущиеся машины ударного действия, предназначенные для пробивания сквозных и глухих скважин произвольного направления в грунтах I¸IVкатегорий, в основном, методом прокола (реже – продавливания), а также для забивки металлических труб и анкеров, бестраншейной укладки в скважины асбестоцементных и полиэтиленовых труб, глубинного уплотнения грунта, рыхления слежавшихся насыпных материалов, бестраншейного ремонта подземных коммуникаций, а также для выполнения других работ (рис. 6.31,)

Рис. 6.31. Пробойники:

а) общий вид с устройством для запуска, б) схема гидропневмопробойника:

1 – корпус, 2 – ударник, 3, 4, 5 – камеры (сливная, обратного хода рабочего хода),

6 - гидрораспределитель

Главными параметрами пробойников являются: энергия удара на прямом ходу – энергия единичного удара, частота ударов, диаметр, длина образуемой скважины и забиваемых труб, а также скорость пробивания скважины и забивания трубы.

Реализация технических характеристик по скорости пробивки и допустимым отклонениям от планируемой трассы предопределяет дополнительные требования к грунтам: отсутствие в них валунов размером более 0,15 м, остатков строительных конструкций, нецелесообразность использования в скальных, мерзлых, водонасыщенных грунтах.

Пробойники имеют цилиндрическую форму корпуса с заостренной передней частью. Диаметр корпуса соответствует диаметру образуемой скважины. Корпус выполняет функции рабочего органа и движителя машины.

Рабочий процесс проходки скважины обеспечивается за счет периодических ударов, наносимых ударником по корпусу машины в направлении проходки. Необходимым условием проходки является компенсация реакции отдачи ударного механизма силами трения о стенки скважины. При нарушении этого условия перемещение пробойника не происходит. Этим же объясняется необходимость наличия специальных устройств для запуска, имитирующих силы трения о корпус машины со стороны грунта, а также ограничений по минимальной глубине пробивки скважин и отсутствию в грунте пустот. С целью расширения диаметра первоначально образованной скважины используются специальные расширители, закрепляемые на корпусе пробойника. Они позволяют расширить скважину в 1,5…2 раза по сравнению с ее первоначальным размером.

Пробойники бывают реверсивными и нереверсивными. Последние используются для проходки сквозных скважин, а реверсивные – для проходки глухих. Их особенностью является наличие двух ударных пар: ударник – передняя часть корпуса, ударник – задняя часть корпуса. Процесс реверсирования обеспечивается оператором.

Работа ударного механизма осуществляется за счет пневматики или совместного действия пневматики и гидравлики (пневмопробойники, гидропневмопробойники).

Пневмопробойники (рис. 6.31) используют в качестве энергоносителя сжатый воздух давлением 0,5…0,7 МПа с удельным расходом 0,05….0,22 (м³/с)/кВт

В соответствии с назначением (для проходки скважин, забивки труб, универсальные) выпускаемые пневмопробойники имеют энергию единичного удара при прямом ходе от 15…500 Дж и выше (3000 Дж), ударную мощность в диапазоне 0,1…6,0 кВт и обеспечивают пробивку скважин способом прокола диаметром 55…200 мм без расширителей и до 300 мм – с расширителями, а также забивку стальных труб диаметром до 530 мм.

Гидропневмопробойникиоснащают гидро- приводом замкнутого объема с движущимся потоком рабочего вещества (минеральное масло или водная эмульсия) давлением 5…32 МПа.

Рабочее вещество подается с помощью выносных (чаще) и встроенных насосных установок с электроприводом. Во всех машинах рабочий ход ударника происходит в результате действия сжатого газа, находящегося в замкнутом объеме камеры прямого хода. Обратный ход ударника осуществляется под действием давления рабочей жидкости.

Гидропневмопробойниками обеспечивается пробивка скважин диаметром 50…800 мм и глубиной 20…50 м. При этом энергия единичного удара составляет 1000.6000 Дж при использовании в качестве рабочего тела минерального масла и до 500 Дж – водной эмульсии. Пробивку скважин диаметром до 530 мм осуществляют способом прокола, а больших – продавливания. В последнем случае грунт удаляют через центральное отверстие в корпусе машины.

6.9.2. Машины и оборудование поверхностного уплотнения

Грунтоуплотняющие специализированные машины поверхностного уплотнения по конструктивному исполнению разделяют на катки, виброплиты и трамбовки.

Виброплиты – специализированные грунтоуплотняющие машины (или рабочее оборудование) вибрационного действия с рабочим органом в виде плиты (рис. 6.32).

Рис. 6.32. Виброплиты:

а) ручные реверсивные виброплиты, б) прицепная (к виброкатку) виброплита

Трамбовки - специализированные грунтоуплотняющие машины (или рабочее оборудование) ударного или вибрационного действия, с рабочим органом в виде плиты (рис. 6.33).

Рис. 6.33. Ручные вибротрамбовки

Виброплиты и трамбовки имеют подвесное, прицепное и ручное исполнение. В последнем случае направление их перемещения задается оператором, удерживающим машину.

Привод грунтоуплотняющих машин вибрационный или виброударный (за исключением катков статического действия, обеспечивающих процесс уплотнения созданием статического поля напряжений в грунте).

Вибрационный привод характеризуется наличием в нем вибрационного механизма, преобразующего вращательное движение на входе в колебательное (вибрационное) на выходе, где установлен рабочий орган. В качестве вибрационных механизмов используют дебалансныекругового и направленного действия. Изменением положений дебалансов получают колебания различного направления и интенсивности.

Грунтоуплотняющее машины с вибрационным приводом реализуют режимы как вибрационного (без отрыва рабочего органа от грунта), так и виброударного уплотнения-вибро­трамбования (с отрывом рабочего органа от грунта). Интенсивность уплотнения здесь выше, что обеспечивает возможность уплотнять и связные глинистые грунты.

Основной технической характеристикой всех грунтоуплотняющих машин являются максимальная толщина уплотняемого слоя грунта, указываемого обычно отдельно для связных и несвязных грунтов при оптимальной влажности.

Среди конструктивных параметров выделяют массу машины и рабочего органа, его размеры, а также характеристики режима работы: вынуждающую силу, амплитуду и частоту колебаний рабочего органа (как в уплотняемой среде, так и в воздухе), максимальные значения удельной нагрузки, передаваемой грунту р, и контактных напряжений σ₀.

При ударном уплотнении деформация грунта определяется числом нагружений n и величиной импульса контактных напряжений:

где σ₀(t) – зависимость контактного напряжения от времени;

Т – длительность импульса;

или величиной удельного ударного импульса: i = I/S_po, где S_po – площадь трамбующего рабочего органа.

Основным видом грунтоуплотняющих машин являются катки.

6.9.3. Катки

Катки – специализированные передвижные (самоходные или прицепные) машины, предназначенные для поверхностного уплотнения грунта и строительных составов пневматическими колесами или металлическим цилиндром-вальцом (одним или двумя) в результате их качения и вибрационного перемещения (рис. 6.34, 6.35).

Рис. 6.34. Вибрационный пневмоколесный каток

Рис. 6.35. Вибрационный вальцовый каток

Наиболее широкое распространение получили вибрационные катки.

Рама катков бывает цельной или шарнирно-сочлененной. Соединение вальцов с рамой машины производят с помощью упругодемпфирующей подвески. Обычно грунтовые катки оснащают двумя вальцами, с гладкой и кулачковой поверхностью или одним гладким вальцом со сменным кулачковым бандажом.

Кулачковые вальцы используют для уплотнения глинистых грунтов на начальных этапах работ. На заключительных этапах используют гладкие вальцы или дополнительное прицепное рабочее оборудование в виде вибрационных плит. Последнее – для слабо-связных грунтов.

Современные катки имеют регулируемый гидрообьемный привод (рис. 6.36).

Рис. 6.36. Схема привода виброкатка:

а) общая компановка, б) схема регулирования параметров вибрации

В современных катках используются системы управления вынуждающей силой дискретного и непрерывного действия, в том числе автоматические.

Наиболее широкие возможности здесь у регулируемых вибровозбудителей. Последние в автоматическом режиме в зависимости от изменяющейся плотности материала устанавливают требуемое направление воздействия с соответствующей амплитудой колебаний (и частотой колебаний) вальца. На первых и основных проходах реализуют вертикальное воздействие с наибольшей амплитудой колебаний (2,0-2,5 мм) при пониженных частотах, оказывающее эффект уплотнения в основном на среднюю и нижнюю часть слоя материала. При последующих проходах реализуется наклонное воздействие на уплотненный материал с несколько меньшей амплитудой и частотой колебаний. На заключительном этапе уплотнения при достаточной плотности прорабатываемого слоя материала устанавливается режим горизонтального воздействия, оказывающий эффект уплотнения на верхнюю часть слоя материала. Величина амплитуды колебаний 0,6-1,0 мм при повышенной частоте.

Схемы видов вибрационных катков показаны на рис. 6.37, где прослеживается их эволюция к исполнению с двумя приводными и рабочими вибровальцами.

Рис. 6.37. Основные виды исполнения катков и их эволюция:

а) прицепной (к базовому тягачу), б) самоходный с одним ведущим обрезиненным

вальцом, в) самоходный с двумя ведущими вальцами и одним вибровальцом,

г) самоходный с одним приводным и одним вибровальцом, д) то же, с двумя

приводными и двумя вибровальцами

Основными характеристиками катков являются их эксплуатационная масса, число и размеры рабочих органов, скоростные режимы движения: рабочий и транспортный, число и характеристики вибровозбудителей колебаний: амплитуда и частота. Указанные параметры формируют значения контактных давлений и погонной нагрузки по длине вальца, определяющие толщину уплотняемого слоя и производительность. На рис. 6.38 приведена диаграмма оценки производительности катков в зависимости от их массы для различных видов грунтов.

Рис. 6.38. Диаграмма ориентировочной оценки максимальной толщины слоя

и производительности катков в зависимости от их массы для различных

видов грунтов:

□ – каток с кулачковым вальцом.

Оптимальные значения отмечены знаком: +

Процесс уплотнения грунта производится при движении катка в диапазоне его рабочих скоростей Vр (м/ч). При этом грунт уплотняется послойно в с глубиной каждого слоя h0 (м), называемой эффективной. Указанная глубина уплотнения достигается за несколько проодов n, число которых зависит от созаваемого катком контактного давления на грунт, определяемого его характеристиками, режимом работы и свойствами грунта. Для заданной длины участка уплотнения L (м)значение часовой экспуатационной производительности составит:

Пэ = L(B-b)h0zKв/ ((L/Vp + tп) n) (6.34)

где B - ширина полосы уплотнения

b - ширина перектытия смежных полос

z - число уплотняемых слоев

tп - время разворота катка за цикл

Kв - коэффициент использования катка по времени.

Современные вибрационные катки оснащены автоматическими устройствами контроля степени уплотнения грунта и поддержания эффективного режима работы (рис. 6.39).

Рис. 6.39. Структурная блок-схема микропроцессорного индикатора

непрерывного контроля плотности грунта:

1 – датчик колебаний рабочего органа, 2 – виброизмерительный

преобразователь, 3 – регистрирующий электронный блок, 4 – микро-

процессор, 5 – индикатор контроля плотности, 6 – источник питания

6.10. Основы теории рабочих процессов машин для прокола и уплотнения грунта.

В этих технологиях используются, в основном, машины динамического принципа действия. Рабочие процессы динамических машин вибрационного и ударного действия реализуются путем серии периодических воздействий рабочего органа машины на грунт. При этом происходит энергетическая подпитка грунта, представляющего собой среду с упругими и демпфирующими свойствами. Существует два вида рабочих процессов: ненакопительного и накопительного характера.

В первом виде рабочих процессов зона обработки среды поглощает энергию рабочего органа лишь однажды, не накапливая ее. Это обусловлено значительной скоростью перемещения рабочего органа вдоль обрабатываемой поверхности V, превосходящей отношение размера r зоны уплотнения к полупериоду вынужденных колебаний рабочего органа, равного p/w, где w – угловая частота вынужденных колебаний вальца, рад/с.

При невыполнении указанного условия, а также при отсутствии продольного перемещения рабочего органа вдоль уплотняемой поверхности средой обработки (грунтом) накапливается энергия, получаемая от рабочего органа в каждом цикле нагружения. Причем, поступление энергии в грунт при нагружении снижается от цикла к циклу. В этом случае имеет место предельное состояние системы «рабочий орган – грунт», при котором приток энергии в грунт прекращается. Дальнейшее его нагружение будет приводить лишь к потере энергии привода в связи с тем, что за счет упругих свойств грунта она будет возвращаться либо рабочему органу, либо свае. Этому состоянию соответствует предельная глубина уплотнения или погружения сваи.

Дата добавления: 2015-07-14