Глава 8

ВЫБОР И РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН ДЛЯ ВИБРОПОГРУЖЕНИЯ СВАЙ

При устройстве свайного фундамента в условиях крупного мегаполиса одной из основных задач является сведение к минимуму негативного воздействия строительства на окружающую среду. В частности, это касается динамического и шумового воздействий.

При применении вибропогружателей для погружения свай вблизи существующих зданий и сооружений необходимо, прежде всего, оценить опасность динамических воздействий на них, исходя из влияния колебаний на деформации грунтов оснований близлежащих зданий и сооружений, технологические приборы и оборудование. Кроме того, необходимо сравнить уровнь колебаний при вибропогружении с допустимым по санитарным нормам, приведённым в таблице 8.1.

Таблица 8.1.

Допустимые скорости колебаний вибросистем

Конструкции зданий и сооружений	Допустимые скорости колебаний, см/с, при грунтах основания
	Пески
	плотные	средней плотности	рыхлые
	Глинистые грунты при показателе текучести
	IL < 0,5	0,5 ≤ IL ≤0,75	IL > 0,75
Монолитные железобетонные и каркасные со стальным каркасом	6,0	4,5	1,5
Каркасные с рамным каркасом из монолитного железобетона	4,0	2,0	0,7
Кирпичные блочные и панельные	3,0	1,5	0,5

Значения скорости колебаний V, см/с, зданий и сооружений вычисляют по формуле

_, (8.1)

где и - соответственно амплитуда и частота колебаний, определяемые экспериментально при пробном погружении свай.

Оценку влияния динамических воздействий на деформации оснований, сложенных горизонтальными, выдержанными по толщине слоями песка (допускается уклон поверхности не более 0,2), кроме водонасыщенных мелких и пылеватых, можно не производить при вибропогружении свай на расстоянии до зданий и сооружений свыше 25 м (шпунта — свыше 10 м).

В случае необходимости погружения свай и шпунта на меньших расстояниях до зданий и сооружений должны быть приняты миры по уменьшению уровня и непрерывной продолжительности динамических воздействий. С этой целью используются следующие технологии [23, 24]:

1. погружение свай в лидерные скважины;

2. чередующееся погружение ближайших и более удалённых свай от зданий и др.

При этом необходимо проводить геодезические наблюдения за осадками близлежащих зданий и сооружений.

8.1. Классификация и критерии выбора вибропогружателей.

Процесс вибропогружения происходит по принципу преодоления сопротивления поверхностного трения с помощью «разжижения» грунта вибрацией.

Действие вибропогружателя состоит в создании направленных продольных усилий синхронным и противоположно направленным вращением дебалансов.

Генерируемые в возбудительной коробке вибропогружателя колебания передаются через зажимы на погружаемый элемент. Плотно прилегающий к погружаемому элементу грунт колеблется с меньшей частотой и теряет сцепление с ним, не создавая больше помех для погружения. Таким образом, вибрация погружаемого ствола сваи снижает трение сваи по грунту и обеспечивает быстрое её погружение в несвязные грунты. В водонасыщенных грунтах вибрация приводит к образованию временной водяной прослойки между сваей и грунтом, что значительно сокращает трение и упрощает процесс погружения.

Характерной особенностью вибропогружения является возможность заглубления сваи-оболочки, масса которой в 5…10 раз превышает массу вибропогружателя, тогда как при забивке сваи молот должен иметь массу ударной части не менее половины массы сваи.

Наиболее важными критериями при вибропогружении свай являются центробежная сила, статический момент, частота и амплитуда, величины которых, их сочетание и возможность изменения определяются конструкцией вибропогружателя.

Оборудование для вибропогружения свай включает в себя следующие элементы:

1. вибропогружатель,

2. наголовник для его жёсткого крепления к свае,

3. направляющий каркас,

4. технические средства извлечения грунта из полости погружаемой сваи.

В практике применяются различные типы вибропогружателей:

1. направленного действия;

2. с пригрузочной подрессорной плитой;

3. вибромолоты;

4. низкочастотные;

5. вибророторы двойного действия;

6. вибровдавливатели;

7. виброкабестаны.

Однако при определении типа вибропогружателя могут возникнуть трудности с его выбором и это, в свою очередь, несомненно, отразится на производительности труда и интенсивности строительства.

Одним из важнейших направлений повышения производительности труда при устройстве свайного фундамента вибропогружением является, по нашему мнению, оптимальный выбор вибропогружателя свай, который определяется некоторым рядом критериев [3, 4].

Критерии выбора вибропогружателей.

В [4] приведены основные условия выбора вибропогружателей свай, которые мы приводим ниже в несколько преображенной записи.

Критерий IV –I вынуждающей силы вибропогружателя

, (8.2)

где F₀ - вынуждающая сила вибропогружателя;

- индекс возможной величины;

- индекс требуемой величины.

Значение требуемой вынуждающей силы вибропогружателя , кН, определяем по формуле

, (8.3)

при

, (8.4)

где - несущая способность сваи;

- коэффициент условий вибропогружения свай, равный 2,8;

- суммарный вес вибросистемы, включая вибропогружатель, свайный элемент и наголовник, кН;

- коэффициент снижения бокового сопротивления грунта во время вибропогружения;

- коэффициент влияния характеристик грунта принимаемый по таблице 1 [17] (ориентировочно для песчаных влажных грунтов средней плотности – 2,6…6,2, от гравелистых до мелких и для глинистых – 1,3…3,5 с показателем текучести от 0 до 0,8);

- коэффициент влияния водонасыщения песков, принимается соответственно:

1. крупные пески – 1,2;

2. средние – 1,3;

3. мелкие и пылеватые – 1,5;

- коэффициент влияния заиления песков (для заиленных – 1,2);

- коэффициент влияния плотности песков, принимается соответственно:

1. для плотных – 1,2;

2. для рыхлых – 0,9.

Необходимое значение минимальной вынуждающей силы вибропогружателя F₀ окончательно принимается:

1. при погружении свай-оболочек (с извлечением грунта из внутренней полости в ходе погружения) - не ниже 1,3 G_вс;

2. при погружении полых свай без извлечения грунта – 2,5 G_вс.

Критерий IV-2: другое значение требуемой вынуждающей силы

, (8.5)

где - коэффициент для трубосвай, принимается равным:

а) 1,3 – при извлечением грунта;

б) 2,5 – без извлечения.

Критерий IV-3 статического момента массы дебалансов

(8.6)

Здесь

, (8.7)

где - суммарная масса вибропогружателя, сваи и наголовника, кг;

- коэффициент для полых свай и свай-оболочек с извлечением грунта из внутренней полости, равный 1,2;

- необходимая амплитуда колебаний при отсутствии сопротивлений грунта, см, принимается по табл. 2 [17]. Для грунтов от водонасыщенных песков и илов до гравелистых песков и твёрдых глин:

1. от 0,7см до 1,4 см при глубине погружения до 20 метров;

2. от 0,9см до 1,6см – при глубине погружения свыше 20 метров.

При окончательном выборе типа вибропогружателя следует учитывать, что при равной вынуждающей силе большей погружающей способностью обладает вибропогружатель с большим статическим моментом массы дебалансов , а при прочих равных условиях следует выбирать вибропогружатель с регулируемыми в процессе работы параметрами.

Ниже приведены дополнительные, по сравнению с нормативными документами, критерии выбора вибропогружателей.

Критерий IV-4 скорости чистого погружения

_, (8.8)

где - возможная скорость вибропогружения сваи;

- требуемая скорость вибропогружения.

По мнению авторов, значение требуемой скорости вибропогружения можно принять в пределах от 0,1 м/мин до 0,2 м/мин.

Величину возможной скорости вибропогружения определяют по формуле (м/мин):

, (8.9)

при

(8.10)

где: - характеристика вибрации;

- половина размаха колебаний верха сваи, м;

- число оборотов эксцентриков в мин.;

- коэффициент, учитывающий отношение статического сопротивление грунта к динамическому при вибропогружении, согласно литературе [4] принимается:

1. для песчаных грунтов – 2,0…6,8;

2. для глинистых – 2,0...4,5;

согласно другим данным рекомендуется:

1. для песков и супесей - 4,5…3,0 от водонасыщенных до маловлажных;

2. для суглинков - 4,0…2,5;

3. для глин - 3,0…2,0 при показателе текучести от 0,75 до 0,25.

- полезная величина мощности, расходуемая на погружение сваи, кВт;

- суммарный вес вибросистемы (вес сваи и вибратора с наголовником), т.

(8.11)

при

, (8.12)

где - полная потребляемая активная мощность в конце погружения, определяемая ваттметром, квт;

- КПД электродвигателя вибропогружателя (по рекомендациями [4] принимается равным от 0,8 до 0,9);

- потребляемая мощность холостого хода, квт;

- доля паспортной мощности (равная 0,25 для низкочастотных вибропогружателей);

- паспортная мощность электродвигателя, квт.

Значение возможной скорости вибропогружения также можно определить по обобщённой формуле, рекомендованной как для метода забивки, так и для метода вибропогружения, например

, (8.13)

где - возможная скорость вибропогружения, м/мин;

-коэффициент, тс/м², зависящий от типа сваи, согласно [17] принимается:

1. для железобетонных свай с наголовником – 150 тс/м²;

2. для деревянных – (80 – 100) тс/м²;

3. для стальных с наголовником - 500 тс/м²;

- расчётная энергия удара, тс*м, зависящая от величины вынуждающей силы и принимаемая в пределах от 450 тс*м до 3500тс*м соответственно для значений вынуждающей силы от 10 тс до 80тс [17];

- коэффициент, вводимый для метода вибропогружения, зависящий от вида грунта и принимаемый в пределах 0,7 -1,3 (меньшее значение соответствует глинистым грунтам, большее – гравийным) [17];

- полный вес вибропогружателя, тс;

- коэффициент восстановления удара, при применении вибропогружателей равен нулю;

- вес сваи и наголовника, тс;

- вес подбабка при использовании вибропогружателя равен нулю;

Критерий IV-5 чистого времени погружения

, (8.14)

где - возможное значение чистого времени вибропогружения;

- требуемое значение чистого времени вибропогружения.

Чистое время вибропогружения свай запишем в виде

, (8.15)

где - толщина расчётного слоя, м;

- среднее значение скорости погружения при прохождении сваей i-го слоя, определяемое по приведённым выше формулам возможных скоростей для различных глубин погружения свай, м/мин.

Критерий IV-6 производительности

_, (8.16)

где - эксплуатационная производительность вибропогружения свай.

Основные положения по расчётам эксплуатационной производительности изложены в литературе [1, 3, 11, 22, 23, 24].

Критерий V-1 сохранение прочности материала сваи при вибропогружении (сравнение возникающих сжимающих напряжений)

_, (8.17)

где - нормальные напряжения в поперечном сечении материала сваи в процессе вибропогружения.

_, (8.18)

где - допустимое нормальное напряжение.

При сжатии возможные нормальные напряжения определяем по формуле:

(8.19)

где: - возможная вынуждающая сила вибропогружателя т;

- суммарный вес вибросистемы (вес сваи и вибратора с наголовником), т;

- площадь поперечного сечения ствола сваи, м².

При растяжении возможные растягивающие напряжения определяем по следующей формуле:

(8.20)

Критерий V-2 сохранение прочности материала сваи оболочки при разрыве внутренним давлением жидкости, заполняющей полость при вибропогружении (сравнение возникающих растягивающих напряжений)

. (8.21)

где - возможное напряжение разрыва при вибропогружении, вызываемое явлением гидравлического удара жидкости, заполняющей внутреннюю полость оболочки во время вибропогружения.

Жидкостью может быть вода акватории, и даже слабые грунты в текучем состоянии, например илы. Здесь возможные напряжения разрыва оцениваются специальными расчётами. Однако при применении различных технологических мероприятий, защищающих трубчатую сваю от явлений гидравлического удара, они могут быть снижены.

По нашему мнению, значимость таких проверок на прочность и устойчивость (в общем случае – надёжность) элементов сооружений непосредственно в процессе строительства сегодня существенно возрастает, поскольку возрастает со временем динамичность строительных технологий.