Сравнение вариантов погружения

3.         Сравнение вариантов погружения

Результаты проведенного цикла опытов, в которых сравнивалась погружающая способность различных типов сваебойных средств в глинистых грунтах полутвердой и твердой консистенции (В.В. Верстов, М.Г. Цейтлин, Я.К. Байтингер, Г.Ф. Ольшевский, 1984), позволяет сделать вывод о наибольшей эффективности ударно-вибрационного погружения со сравнительно небольшой энергией единичного удара и высокой частотой в режиме свободного вибромолота и отношении общей массы ударной части к величине вынуждающей силы, обеспечивающей устойчивую работу вибромолота. В таких условиях (в отличие от других сваебойных средств) при эффективном погружении деформации забиваемого шпунта не происходит.

Проведенные исследования и анализ производственного опыта использования средств вибрационной техники повышенной эффективности при погружении и извлечении шпунта позволяют сделать вывод о необходимости погружать шпунт преимущественно вибраторами и вибромолотами, с тем чтобы обеспечить при высокой производительности возможность его виброизвлечения и повторного использования [1].

При погружении шпунта вибрированием производительность почти в 2 раза выше, чем при его забивке.

При вибрационном погружении элементов в грунт с помощью введения дополнительных знакопеременных сил и (или) крутящих моментов можно существенно снизить необходимую для эффективного погружения постоянную составляющую силы, что дает возможность с помощью вибрационных машин относительно небольшой массы погружать в грунт элементы, сопротивление внедрению которых во много раз превосходит силу тяжести вибрирующей системы. В случаях значительного изменения свойств грунта под действием вибраций можно снизить не только величину требуемой постоянной силы, но и величину энергии, затрачиваемой на погружение.

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, усилие извлечения) обеспечивают перемещение сваи в грунте.

В ряде случаев (преимущественно при погружении элементов в маловлажные плотные грунты или при погружении элементов с развитой лобовой поверхностью) целесообразно применять вибромолоты, в которых вибровозбудитель воздействует на погружаемый элемент в основном ударами. Ударно-вибрационный режим может иметь преимущества перед вибрационным также и при наклонном или горизонтальном погружении элементов.

При ударно-вибрационном погружении масса погружаемого элемента, как правило, на должна превышать 3 – 5 т, так как для наиболее эффективного погружения этим методом в условиях значительного лобового сопротивления отношение масс погружаемого элемента и ударной части вибромолота должно приближаться к единице; применение вибромолотов с массой ударной части, превышающей 3 – 5 т, ограничивается долговечностью механизма, резко снижающейся с увеличением массы.

Наиболее эффективно используется вибрационный метод в водонасыщенных песчаных и пластичных глинистых грунтах, причем область применения виброметода охватывает все виды песчаных, а также глинистых грунтов до полутвердой консистенции включительно с содержанием каменных включений до 40% [1].

При погружении шпунта молотами шпунт часто деформируется; с увеличением мощности молота эти деформации шпунта возрастают и оказывают существенное влияние на успех погружения. В результате существенная доля работы ударного оборудования затрачивается не на преодоление сопротивления грунта погружению, а на проталкивание одной деформированной шпунтины в другую.

Так как погружение легких профилей шпунта тяжелыми молотами и сваебойным оборудованием не оправдано, то в том случае, когда по тем и иным причинам погружение шпунта на заданную глубину вибраторами или легкими молотами затруднено, дальнейшее погружение целесообразно вести с применением средств, позволяющих уменьшить сопротивление грунта, а не производить добивку шпунта тяжелым ударным оборудованием, способным сильно деформировать шпунт. В частности в таких случаях может оказаться полезным применение подмыва или наложение постоянного тока.

4.         Погружение металлического шпунта вблизи существующих зданий

Работы по реконструкции действующих предприятий занимают значительное место в строительстве, и объем их непрерывно увеличивается. Это определяет необходимость устройства фундаментов вблизи существующих сооружений высокопроизводительными способами, к которым относится и вибрационный метод.

Вместе с тем при вибрационном погружении, как и при других видах динамических воздействий на погружаемый элемент, вблизи существующих сооружений возникает опасность их неравномерных осадок и повреждений, нарушения работы точного оборудования и вредного влияния на людей.

Строительство сооружений в городских условиях вблизи существующих зданий часто вызывает значительные их повреждения из-за больших осадок. В связи с этим возникает необходимость в расселении жильцов и больших дополнительных затратах на восстановление зданий.

Результаты выполненных исследований и производственный опыт использования средств вибрационной техники вблизи зданий и сооружений позволяет рекомендовать для снижения уровня колебаний грунта при вибропогружении применение вибраторов с меньшим статическим моментом массы дебалансов и высокой частотой.

В настоящее время отсутствуют эффективные способы защиты зданий от колебаний. Существует только один надежный путь – уменьшение исходного уровня колебаний, возникающих при вибрационном погружении и извлечении.

Во ВНИИГСе были проведены экспериментальные исследования с целью выяснения влияния на уровень колебаний грунта следующих факторов: вибрационных параметров погружаемых элементов и их размеров, образования грунтовой пробки в процессе погружения, изменения направленности колебаний погружаемого элемента, извлечения грунта из полости погружаемого трубчатого элемента (лидирование и опережающая выемка), выбега после отключения электродвигателя вибропогружателя [1].

Вибропогружатели металлического шпунта имеют частоты 16 – 25 Гц, которые менее опасны для окружающих зданий. В связи с этим при устройстве шпунтовых ограждений основным мероприятием по уменьшению уровня колебаний грунта является применение динамического торможения при выбеге вибропогружателя.

Вдавливание свай и шпунта является одним из надежных и простых способов устройства свайных фундаментов и ограждений котлованов вблизи существующих зданий и сооружений, а также в условиях реконструкции.

Способ вдавливания свай имеет следующие преимущества: отсутствуют динамические нагрузки на погружаемую сваю и рядом расположенные здания и сооружения; ликвидируются шум и загазованность воздуха, что удовлетворяет условиям охраны окружающей среды; энергоемкость значительно ниже, чем у ударного и других способов.

Необходимость генерирования минимального уровня колебаний при использовании вибрационного метода в фундаментостроении заставляет предъявлять жесткие требования к вибрационной технике и технологии производства работ. Наиболее ярким примером этого являются вибрационная техника и технология погружения (извлечения) металлического шпунта.

Применение шпунта при устройстве фундаментов вблизи существующих зданий обусловлено широким спектром решаемых с его помощью задач. Например, весьма надежным средством борьбы с образованием воронки оседания и предотвращения продольного прогиба протяженных зданий и сооружений, а также для выравнивания осадки гибких сооружений, возводимых на слабых грунтах, является разъединительный шпунтовый ряд [5]. Наиболее экономичными и быстровозводимыми являются рабочие и приемные шахты, необходимые при микротуннелировании – современной технологии прокладкитрубопроводов или футляров (кожухов инженерных сетей, стволы которых устраиваются возведением шпунтового ограждения) [6].

Использование вибропогружателей для погружения шпунта вблизи существующих зданий полностью не исключает опасность неравномерных осадок. Самый надежный путь защиты зданий – уменьшение исходного уровня колебаний, генерируемых при вибрационном погружении или извлечении шпунта. Частично решить эту задачу удается с помощью так называемых «городских» вибропогружателей, вибрационные параметры которых являются результатом теоретических и экспериментальных исследований. Однако сложным вопросом остается регулирование статического момента массы дебалансов. В процессе работ величина статического момента массы дебалансов и, соответственно, амплитуда колебаний вибрирующей системы должны обеспечивать погружение, т.е. вибрирование погружаемого элемента относительно прилегающего к нему грунта в условиях эффективного проскальзывания («срыва»), иначе говоря, отсутствие «присоединенной» к элементу массы грунта. Эффективность такого решения объясняется тем, что в состоянии «срыва» шпунта относительно прилегающего грунта интенсивность затухания колебаний в нем возрастает, а отношение амплитуд колебаний погружаемого элемента и окружающего его массива грунта составляет два-три порядка.

На фундаменты, расположенные вблизи места погружения (извлечения), существенно влияют процессы пуска и «выбега» (остановки) вибропогружателя, так как при этом в грунте могут возбуждаться резонансные колебания, амплитуда которых значительно превышает амплитуду колебаний в рабочем режиме. При достаточной мощности привода скорость прохождения через резонанс во время пуска достаточна велика (по опытным данным ВНИИГС время выхода вибропогружателя В-402 на номинальное число оборотов в процессе пуска не превышает 0,5 с), и амплитуда колебаний грунта, а также расположенных вблизи зданий и сооружений не успевает достичь опасных значений. Для вибропогружателей других типов при недостаточной мощности привода существует опасность затяжного пуска, требующая принятия специальных мер виброзащиты.

Экспериментально установлено, что при выбеге вибропогружателя на поверхности грунта в течение нескольких секунд возбуждаются резонансные колебания, амплитуда которых в зависимости от грунтовых условий (типа погружаемого элемента и т.п.) может практически в два раза превысить амплитуду колебаний грунта при номинальном режиме работы вибропогружателя.

В качестве меры борьбы с этим опасным явлением в современных «городских» вибропогружателях применяется динамическое торможение приводного двигателя для ускоренного прохождения через резонанс. Это позволяет значительно снизить резонансные амплитуды во время «выбега» при одновременном сокращении времени их воздействия.

В настоящее время все большее применение находят гидравлические вибропогружатели различных производителей, приводимые в действие от автономно стоящих дизельных силовых агрегатов или от гидравлических систем экскаваторов. Вибропогружатели работают от автономного дизельного агрегата. Дизельный молот приводит в действие гидравлические насосы, которые прокачивают масло в вибропогружатель и обеспечивают работу мотора вибратора. Агрегаты оснащены противошумовыми глушителями. Управление, контроль и регулировка происходят с помощью электронной системы управления с пульта ДУ или бескабельного радиоуправления (рис. 20).

Рис. 20. Принципиальная схема компоновки комплекта оборудования для работы гидравлического вибропогружателя

1 – дистанционное управление; 2 – дизельный агрегат; 3 – гидравлические масляные шланги; 4 – эластичная подвесная опора шлангов; 5 – амортизатор; 6 – гидравлический двигатель; 7 – дебаланс; 8 – погружаемый элемент; 9 – гидравлические зажимы

Как указывается, например в [7,8], вибрационное погружение шпунта и других элементов с относительно малым лобовым сопротивлением вблизи существующих фундаментов необходимо выполнять высокочастотными вибропогружателями (с частотой не менее 30 Гц), желательно с плавным регулированием параметров колебаний. На необходимость снижения амплитуды колебаний указывалось еще в [10]. Дальнейшие экспериментальные исследования подтвердили необходимость повышения частоты вынужденных колебаний с целью снижения уровня колебаний окружающего грунта [9]. За рубежом применение высокочастотных вибропогружателей (38 Гц) в условиях плотной городской застройки является обязательным. Таким образом, для вибропогружателей, предназначенных для погружения (извлечения) шпунта и других элементов с относительно малым лобовым сопротивлением вблизи существующих зданий, частота вынужденных колебаний должна находиться в пределах 30–38 Гц, причем глубина регулирования частоты весьма мала. Поэтому фактически достаточно иметь постоянную величину частоты, находящуюся в вышеуказанном диапазоне.

Литература

1.   Цейтлин М.Г., Верстов В.В., Азбель Г.Г. Вибрационная техника и технология в свайных и буровых работах. Л.: Стройиздат, 1987.

2.   Раюк В.Ф., Рукавцов А.М., Осипов И.В., Алтапов С.Н. Особенности строительства заглубленного помещения в шпунтовом ограждении вблизи существующего здания // Рациональная технология производства специальных строительных работ: Сб. науч. Тр. / Всесоюз. науч.-исслед. ин-т гидромеханизации, сан.-техн. и специальных строительных работ / Под ред. канд. техн. наук В.В. Верстова. – Л., 1991. – 112 с., 47 ил.

3.   Раюк В.Ф., Матвеева Н.М. Расчет ограждающих стен подземных сооружений с учетом взаимодействия с фундаментами близлежащих зданий // Технология и оборудование для специальных строительных работ: Сб. науч. тр./ВНИИГС. – Л., 1984.

4.   Баркан Д.Д. Виброметод в строительстве. М.: Госстройиздат. 1959, 313 с.

5.   Левкин А.А. Напряженно-деформированное состояние оснований зданий при наличии разъединительного шпунтового ряда: Автореф. дис. канд. техн. наук / СПбГАСУ. СПб., 1996.

6.   Верстов В.В. Устройство ограждений стволов шахт для микротуннелирования в условиях городской застройки // Монтажные и специальные работы в строительстве. 1999. №9.

7.   Маковская Н.А., Глозман Л.М. Способы устранения негативных воздействий на здания и сооружения при возведении конструкций глубокого заложения // Реконструкция городов и геотехническое строительство. 1999. №1. С. 90–96.

8.   Улицкий В.М., Шашкин А.Г. Геотехническое сопровождение реконструкции городов. Изд-во АСВ, М.: 1999.

9.   Цейтлин М.Г., Азбель Г.Г., Изофов В.О. Результаты исследований и перспективы вибрационного метода при устройстве фундаментов вблизи существующих сооружений // Экспресс-информация ЦБНТИ ММСС СССР. Серия «Специальные строительные работы». №6, М., 1983.

10.      Савинов О.А., Лускин А.Я. Вибрационный метод погружения свай и его применение в строительстве. М.: – Л.: Госстройиздат, 1960.

11.      Татарников Б.П. Присоединение для соединения вибровозбудителя со сваей: А. с 135830 СССр от 18.07.1960 // Б.И. 1961, №3.

12.      Цаплин С.А. Вибрационный копер для забивки свай: А. с. 105358 СССр от 5.11.1949 // Б.И. 1957, №2.

13.      Верстов В.В., Певзнер М.З., Цейтлин М.Г. Вибромолот: А. с. 468978 СССР, МКИ Е02d 7/18 от 30.06.1972 // Б.И. 1975, №16.

14.      Александров В.П., Фильков В.А. Технология и организация строительных и гидротехнических работ. Транспорт, М: 1980.

15.      Верстов В.В., Белов Г.А. Совершенствование технологических решений по погружению и извлечению шпунта вибрационным методом // Вестник гражданских инженеров. 2007. №4. С. 38–44.