Главная
Плиты монтируют на экскаваторах, емкость ковшей которых не превышает 1 м3, и чаще всего на машинах с емкостью ковшей 0,25—0,65 м3 (рис. 80). Иногда трамбующие плиты монтируют на кранах, которые более просты по своей конструкции и потому дешевле. Однако скорость подъема у кранов значительно меньше, чем у экскаватора, что снижает производительность.
Плита (см. рис. 80) относится к машинам заводского изготовления. Простые конструкции — без направляющих, которые заменяются оттяжным канатом, могут быть изготовлены силами строительных организаций. В этом случае сами плиты могут быть железобетонными с высоким коэффициентом армирования. Такие плиты служат продолжительное время при уплотнении однородных мелкозернистых грунтов. При уплотнении грунтов, имеющих, твердые включения, они разрушаются относительно быстро.
Как в России, так и за границей имеются попытки создания специальных трамбующих машин с механическим приводом их рабочих органов — плит или молотов. Эти машины предназначены для линейных работ, т. е. должны работать на полосах большого протяжения.
В серийном производстве находится трамбующая машина Д-471 (рис. 81), у которой рабочими органами служат две плиты, поочередно поднимаемые и свободно сбрасываемые кривошипно-полиспастным механизмом. При массе каждой плиты 1300 кг и высоте падения 1,3 м машина может уплотнять связные грунты толщиной 0,5-0,6 м.
В заграничной практике строительства значительное распространение получили взрывные трамбовки, которые имеют массу от 100 до 2500 кг (рис. 82). Эти трамбовки, как правило, работают на бензине или бензоле. Однако развиваемые трамбовками мощности незначительны и потому этот недостаток не столь существен.
При подъеме вручную, а затем опускании поршня 2 в цилиндр из карбюратора испарительного типа засасывается рабочая смесь, которая затем воспламеняется при помощи запальной свечи. В результате воспламенения смеси цилиндр движется вверх под углом к горизонту, который обусловлен наклоном его геометрической оси. Цилиндр увлекает связанный с ним через резиновые амортизаторы поддон и таким образом вся трамбовка совершает прыжок, высота которого зависит от плотности грунта и по мере его уплотнения возрастает от 25 до 40 см. При прыжке трамбовка продвигается вперед па 10—15 см. После выхлопа поршень 2, продолжая движение, ударяется о крышку цилиндра, а затем, падая вниз, создает в цилиндре разрежение, и цилиндр наполняется новой порцией горючей смеси.
Во время рабочего цикла трамбовка дважды оказывает давление на грунт: во время вспышки рабочей смеси и при ударе. Контактное давление во втором случае примерно в 3—4 раза больше, чем в первом. Удельные импульсы ударов трамбовки о грунт в зависимости от их массы составляют 0,06—0,12 кгс*с/см2, а глубина активной зоны находится в пределах 40—70 см. Нижний предел соответствует трамбовке массой 500 кг, а верхний предел — трамбовке, масса которой равна 2500 кг. Глубина активной зоны трамбовки массой 1000 кг составляет 55—60 см.
Для уплотнения насыпей применяют трамбовки с массой 500 кг и выше, а более легкие используют для уплотнения небольших объемов грунта. Взрывные трамбовки могут работать на уже несколько уплотненном грунте. На рыхлых грунтах, плотность которых ниже (0,8—0,85)σmаx вследствие больших просадок, высота подскока трамбовок незначительна и продвижения их вперед практически не происходит.
Трамбующие плиты на экскаваторах могут быть весьма разнообразными по массе и высоте падения. Для правильного их использования необходимо в каждом отдельном случае по параметрам уплотняющих плит находить соответствующую им оптимальную толщину уплотняемого слоя и необходимое для достижения требуемой плотности число ударов. Необходимо также решать обратные задачи, т. е. применительно к данному виду работ подбирать рациональные параметры трамбующей плиты.
Эффект уплотнения, который определяется глубиной проработки, а следовательно, оптимальной толщиной уплотняемого слоя и достигаемой в итоге плотностью грунта, зависит от массы рабочего органа, скорости в момент удара, а также размеров трамбующей плиты в плане. Достижение требуемой плотности происходит при минимальном числе ударов или проходов машины по одному следу в случае, когда возникающие при ударе контактные давления близки к пределам прочностей грунтов.
Для определения глубины активной зоны h0 при трамбовании: может быть использована формула (51). При этом для связных грунтов α = 1,1—1,2.
При определении глубины активной зоны по формуле (51) отношение напряжений может быть заменено отношением импульсов и поэтому эта формула примет вид:
где i и ip — соответственно удельный импульс плиты и предельный удельный импульс, при котором контактные давления равны пределу прочности грунта; значения iр приводились в п. 6; Bmin — минимальный поперечный размер плиты в плане.
Глубина активной зоны при уплотнении несвязных грунтов в 1,2—1,3 раза больше, чем при уплотнении связных грунтов. Как и при других средствах уплотнения, оптимальную толщину следует выбирать равной глубине активной зоны в тех случаях, когда требуемая плотность равна 0,95 δmах, и равной 0,5 h0, когда требуемая плотность равна (0,98—1) δmах.
Развивающееся на поверхности грунта контактное давление определяется массой трамбующего устройства и его скоростью в момент удара. Прежде всего по этим параметрам необходимо найти удельный импульс i. Для этой цели можно воспользоваться, формулой (31), из которой следует:
где Q — сила тяжести трамбующего органа, кгс; Нпад — высота его свободного падения, см; F — площадь трамбовки в плане, см2.
Далее необходимо убедиться, что развивающиеся на поверхности контактные давления не превышают предела прочности и вместе с тем достаточны для достижения требуемой плотности грунта. Расчет следует вести по отношению к концу процесса уплотнения, когда плотность грунта уже почти достигла требуемых значений, потому что именно конец процесса вызывает наибольшие трудности. Амплитудное значение контактного давления может быть найдено по формуле (32). Необходимые для этого значения безразмерного коэффициента а и времени удара т могут быть найдены из табл. 3 и 4. Коэффициент а зависит не только от скорости трамбующей плиты в момент удара v1, которая определяется как
но и от статического давления, которое может быть найдено как частное от деления силы тяжести трамбующей плиты Q на площадь в плане F. Ввиду того что рассматривается конец процесса уплотнения, то время удара, определяемое по табл. 4, следует выбирать по требуемой плотности. Чтобы убедиться, что контактные давления не превышают предела прочности грунта, достаточно сопоставить найденное по формуле (32) значение с данными табл. 43.
По мере роста требуемой плотности необходимые для ее достижения напряжения повышаются, причем зависимость этих напряжений от требуемой плотности носит прогрессирующий характер. С другой стороны, напряжения, необходимые для получения одной и той же деформации, а следовательно, и плотности, зависят от глубины расположения слоя, понижаясь с увеличением этой глубины. Таким образом, чем глубже расположен рассматриваемый объем грунта, тем меньше сжимающие напряжения требуются для получения одной и той же плотности грунта.
По-видимому, это объясняется тем, что на грунт, кроме сжимающих напряжений, действуют еще боковые давления, которые также способствуют его уплотнению. Эти боковые давления возрастают с глубиной. Для проверки достаточности сжимающих напряжений по формуле (33) и рис. 16 можно найти значения тех сжимающих напряжений, которые при данных параметрах трамбующей плиты развиваются в нижней части активной зоны, т. е. на глубине z=1,2Bmin. Формула (33) при этом примет следующий вид:
Опытным путем установлено, что для достижения требуемой плотности грунта в слое толщиной, равной глубине активной зоны, в нижней части этого слоя должно действовать сжимающее напряжение σz, величину которого следует выбирать в долях от предела прочности грунта σp как:
Коэффициент у зависит от требуемой плотности грунта и имеет следующие значения:
Если рассчитанные по формуле (93) значения удовлетворяют условию (94), то выбранная машина пригодна для уплотнения грунта в слое, толщина которого равна глубине активной зоны. В противном случае необходимо уменьшать толщину уплотняемого слоя грунта и определять по формуле (33) для этой толщины напряжение, которое будет действовать в нижней части слоя, и его соответствие условию (94).
В тех случаях, когда требуемая плотность равна (0,89—1) σmax, проверку соответствия трамбующей машины условиям ее применения можно вести более упрощенным методом, используя рис. 83, который получен опытным путем и относится к грунтам оптимальной влажности, уплотняемым в слое толщиной, равной глубине активной зоны. Верхний кривая графика относится к импульсам, выше которых уже может быть превзойден предел прочности грунта. Нижняя кривая отображает минимальные значения импульсов, ниже которых указанная плотность грунта не может быть достигнута даже и при весьма большом числе ударов по одному следу. При таком методе проверки зависимость достигаемой плотности от контактных давлений заменена зависимостью се от удельных импульсов. Ранее было показано, что возникающие в грунтах напряжения определяются соотношением массы штампа и его скорости в момент удара и потому при одних и тех же импульсах могут быть различными. Поэтому такая замена влечет за собой некоторую неточность. Эта неточность ощутима, когда сопоставляются трамбующие устройства с сильно отличающимися друг от друга параметрами, например, плита, имеющая большую массу при малой высоте падения, с плитой малой массы, сбрасываемой с большой высоты. Высокие скорости удара повышают амплитудные значения контактных давлений, однако они и более быстро затухают с глубиной. Поэтому повышение скорости удара может и не привести к увеличению глубины активной зоны или к повышению напряженного состояния грунта на какой-то глубине от его поверхности. Поэтому такая замена не вносит существенной ошибки, когда сопоставляются трамбующие плиты, высота падения которых отличается друг от друга даже в 2—3 раза, однако лишь при условии равенства удельных импульсов ударов.
При уплотнении естественных грунтовых оснований удельные импульсы ударов должны в 1,5—2 раза превышать значения, определяемые по рис. 85. Однако при таком высоком импульсе неизбежно некоторое разрыхление поверхности грунтового основания, которое уплотняют затем менее интенсивным воздействием плиты, т. е. уменьшают высоту ее падения в 2—4 раза.
Таким же методом можно решить и обратную задачу, когда требуется, применительно к данным условиям работы, подобрать параметры, т. е. спроектировать трамбующую машину.
Затрата механической работы наименьшая в том случае, когда грунт уплотняют слоями оптимальной толщины, которая соответствует развивающемуся при ударе амплитудному значению контактного давления. Эта толщина выбирается равной глубине активной зоны по формуле (90). Уменьшать эту толщину выгодно-лишь в случаях, когда требуется достижение высоких плотностей грунтов — (0,98—1) δmах. Как и при других средствах уплотнения, такое уменьшение должно составлять 1,5—2 раза.
При повторных ударах плиты о грунт накопленная необратимая деформация возрастает как вследствие многократности приложения нагрузок, так и ввиду того, что при каждом новом ударе из-за увеличивающейся жесткости грунта увеличиваются контактные давления. Накопленная деформация прямо пропорциональна логарифму числа приложения нагрузок. Многочисленными опытами, проведенными как в лабораторных условиях, так и при испытании различных трамбующих машин, установлено, что в итоге, т. е. когда сказывается также и влияние роста контактных давлений, накопленная деформация также пропорциональна логарифму числа ударов. Это обстоятельство, казалось бы, позволяет достаточно просто определять расчетным путем то число ударов плиты, которое необходимо для достижения требуемой плотности. Однако ранее уже указывалось, что вследствие большой «чувствительности» логарифмической зависимости определение необходимого числа проходов этим методом влечет за собой большие ошибки. Поэтому для определения числа ударов n лучше пользоваться рис. 84, который построен по результатам испытаний различных трамбующих машин, или приближенной формулой
где H — толщина уплотняемого слоя; H0 — оптимальная толщина слоя; к — коэффициент, в зависимости от требуемой плотности имеющий следующие значения:
Работа, затрачиваемая на подъем трамбующей плиты, равна A = Q Hпод.
Если tпод — время подъема плиты, то необходимая мощность двигателя определится как
где η — общий коэффициент полезного действия привода, который определяется по кинематической схеме машины.
Частота ударов при трамбовании грунта обычно не более 40— 60 в минуту. При такой относительно небольшой частоте тиксотропное снижение прочности в большей своей части успевает восстановиться в промежуток времени между ударами и потому влияние на эффект уплотнения практически не оказывает. Это положение относится к грунтам оптимальной и менее чем оптимальной влажности.
Анализ показывает, что если создавать трамбующие машины, рассчитанные на уплотнение грунтов в слоях все большей толщины, то по мере увеличения толщины растет производительность машины, а стоимость уплотнения единицы объема грунта несколько снижается. Однако вместе с ростом толщины слоя должна увеличиваться также и масса рабочего органа, а следовательно, и масса всей машины. В среднем можно полагать, что масса рабочего органа возрастает прямо пропорционально квадрату толщины уплотняемого слоя. Поэтому увеличивать толщину слоя выгодно лишь до определенных пределов. В настоящее время при связных грунтах таким пределом является толщина слоя 0,8—1,0 м.