ГлавнаяПредназначенные для уплотнения грунтов вибрационные машины в большинстве случаев имеют центробежный возбудитель колебаний. Центробежная сила развивается при вращении эксцентрика. Проекция этой силы на вертикальную ось и является возмущающей или возбуждающей силой, под действием которой развиваются колебательные движения рабочего органа — плиты или вальца. Возмущающая сила периодически изменяется во времени от нулевого значения до своей максимальной — амплитудной величины, при таком изменении меняется не только величина, но и знак возмущающей силы. Амплитудная величина возмущающей силы равна центробежной силе. При центробежном возбудителе колебаний возмущающая сила во времени изменяется по синусоидальному закону. Поэтому рабочий орган машины должен совершать гармонические колебания. Такие колебания действительно происходят, если плита или валец жестко связаны с расположенным под ним вполне упругим основанием, между деформацией которого и действующей на него силой существует линейная зависимость. Однако поверхность грунтового полупространства такими свойствами не обладает и потому развивающиеся колебания могут быть приняты за гармонические лишь условно и только до сравнительно небольших значений возмущающих сил.
Вибрационные плиты в мировой практике строительства получили широкое распространение, они относятся к числу массовых машин, применяемых для работ различного вида. Однако их применение ограничивается уплотнением только несвязных грунтов как крупнозернистых, так и мелкозернистых. Трудность уплотнения грунтов, даже если все они относятся к категории несвязных, зависит от их вида и состояния. Следовательно, параметры вибрационных плит, предназначенных для грунтов разных видов в уплотняемых слоями разной толщины, должны отличаться друг от друга. Поэтому, как правило, такие машины выпускаются сериями, причем отдельные экземпляры плит, входящих в серию, отличаются друг от друга массой и габаритными размерами, а конструкция их в большинстве случаев является подобной.
Возможность уплотнения грунта того или иного вида и состояния определяется массой вибрационной плиты. Поэтому масса или сила тяжести плиты является ее основным параметром. По величине массы вибрационные плиты разделяются на легкие — 500 кг, средние — 500—1500 кг и тяжелые, масса которых превышает 1500 кг.
Наибольшее распространение в настоящее время получили легкие вибрационные плиты, которые применяют при небольших объемах земляных работ.
В России применяют плиты, выпускаемые промышленностью социалистических стран — ГДР, Польши и Болгарии. Плиты выпускаются комплектами, в которые входят главным образом легкие и средние машины.
По принципиальной конструктивной схеме вибрационные плиты бывают одномассными (рис. 85, а), двухмассными (рис. 85, б), виброударными (рис. 85, в).
В одномассных машинах в колебаниях участвует вся масса плиты, в двухмассных — только ее нижняя часть, а верхняя часть подрессоривается и в колебательные движения не вводится. Несмотря на это, она воздействует, однако, на грунт, повышая общее давление. На подрессоренной верхней части обычно размещают двигатель, который здесь работает в спокойных условиях. При одинаковых размерах опорных частей плит и общих масс эффект уплотнения одномассной и двухмассной конструкций приблизительно одинаков, а затрачиваемая на уплотнения грунта механическая работа меньше в случае двухмассной системы, что объясняется пониженными инерционными потерями. Меньшие затраты механической работы и вместе с тем устойчивая работа машины обеспечивается в случаях, когда подрессоривается 40—50% общей массы машины.
Одномассными изготовляют только самые малые модели вибрационных плит, масса которых не превышает 100 кг. Более тяжелые модели, как правило, двухмассные. Двухмассная вибрационная плита опирается на грунт через опорную плиту (рис. 86). Во время работы плиты оператор следует за ней и при необходимости может изменить направление движения нажимом на колонку.
Некоторые типы тяжелых вибрационных плит имеют два виброэлемента направленного действия, которые устанавливаются на одной поперечной оси. Тогда повороты машины могут осуществляться наклоном одного из этих виброэлементов. При их наклонах на одинаковые углы, по в разные стороны машина поворачивается на месте.
Виброэлементы могут быть ненаправленного (рис. 87, а) и направленного (рис. 87, б) действия. В первом случае возбудитель колебаний состоит из одного эксцентрика и потому плита стремится совершать круговые колебательные движения. Виброэлемент направленного действия состоит из двух эксцентриков, вращающихся в разные стороны с одинаковой угловой скоростью. По отношению друг к другу они расположены так, что в каждый момент времени составляющие центробежных сил по одной из осей, обычно горизонтальной, уравновешены, а составляющие по другой, перпендикулярной к первой оси, суммируются. Поэтому колебания вибратора происходят только в одном направлении.
Корпус виброэлемента направленного действия на опорной плите машины может быть установлен шарнирно (см. рис. 87, б). Если корпус повернуть так, чтобы его ось составила с вертикальной осью некоторый угол, то направление суммарной возмущающей силы изменится. При этом появится ее горизонтальная составляющая, благодаря которой может происходить перемещение машины вдоль уплотняемой полосы. Таким образом, машина становится самоходной.
В настоящее время практически все вибрационные плиты выполняются самоходными. Ранее все самоходные машины снабжались виброэлементами направленного действия. В настоящее время установлено, что при выполнении определенных условий самоходность обеспечивается и при виброэлементах ненаправленного действия. Сопротивление передвижению этой машины зависит от направления вращения эксцентрика. Когда центр его вращения близок к центру тяжести системы, то при прямом вращении (рис. 88, а) опорная плита машины стремится занять наклонное положение, при котором ее передний край оказывается ниже, чем задний. Это увеличивает призму волочения грунта и повышает сопротивление движению. Поэтому более рационально обратное вращение эксцентриков (рис. 88, б). При таком вращении вибрационная плита приобретает возможность самопередвижения.
Основным типом является двухмассная самоходная вибрационная плита, снабженная в основном виброэлементами направленного действия, которые приводятся во вращение двигателем внутреннего сгорания. Конструкция большинства машин позволяет осуществлять их групповую работу, для чего две-три машины блокируются в один агрегат. Такие агрегаты оказываются легко управляемыми — для их поворота достаточно наклонить виброэлемент крайней машины.
У вибрационных машин виброударного действия разработанных ПКБ и ЦНИИС Минтрансстроя, рабочий орган представляет собой вибромолот, который через пружины опирается на раму. Рама размещается позади гусеничного трактора, снабженного ходоуменьшителем, и укрепляется на блоках гусеничного хода. Ударная часть машины, масса которой находится в пределах 600—2300 кг, вводится в колебательные движения большой амплитуды, чему способствуют настроенные в резонанс вынужденным колебаниям пружины.
По сравнению с вибротрамбующими виброударные машины являются низкочастотными, их частота составляет всего 5—6 Гц. Благодаря высокой скорости в момент удара уплотняющая способность таких машин более высока. Недостатками этих машин являются их низкая долговечность и плохая виброизоляция трактора, которую из-за низкой частоты весьма трудно улучшить.
Во всех случаях, за счет энергии, подводимой к возбудителю колебаний, вводится в состояние колебательных движений та масса вибратора, которая контактируется с поверхностью грунта. За счет кинетической энергии этой массы вводятся в состояние колебательных движений также и расположенные в зоне действия вибратора частицы грунта. Если вибратор не оказывает на грунт ударных воздействий, что наблюдается в случаях, когда не нарушается контакт между опорной плитой и поверхностью грунта, то частицы грунта в процессе их колебательных движений находятся под воздействием только инерционных сил. Эти силы пропорциональны массам частиц, и так как массы неодинаковы, то различаются и возникающие силы инерции. В местах контактов соседних частиц возникают напряжения сдвига, которые в общем пропорциональны разности инерционных сил. До известных пределов эти напряжения уравновешиваются силами сцепления или прочностью связующих водно-коллоидных пленок и потому соседние частицы совершают совместные колебательные движения. Однако после превышения этих пределов происходит относительное смещение этих частиц, которые совершают уже колебательные движения с разными размахами. Развивающиеся на контакте напряжения сдвига пропорциональны инерционным силам. Они определяются не только разностью масс соседних частиц, но и теми ускорениями, которые развиваются при колебательных движениях.
Относительные смещения частиц возникают тем скорее, чем больше различие в массах отдельных частиц, составляющих грунт, и чем слабее будут силы связи между ними. Поэтому успешно уплотняются вибрированием несвязные и слабосвязные грунты. Связный грунт, между частицами которого действуют значительные силы связей, вибрированием уплотняется плохо. Уплотнение связного грунта несколько улучшается, когда вибрационная плита при периодическом отрыве ее от поверхности грунта оказывает и ударное воздействие. Однако эти удары должны быть достаточно интенсивными, что возможно лишь при весьма больших массах вибрационных плит.
В процессе вибрирования свойства грунтов непрерывно меняются, что происходит из-за повышения их плотности и упрочнения структуры, а также в результате тиксотропных превращений. Б. М. Гуменским показано, что при таких превращениях происходит переход физически связанной воды в свободную. После прекращения вибрации свободная вода снова переходит в физически связанную, при этом восстанавливаются силы связей между частицами. Этот процесс восстановления связей, т. е. тиксотропного упрочнения, происходит во времени.
Колебательные движения характеризуются амплитудами и частотами, а также производными этих парам — скоростями и ускорениями. Весьма важным является вопрос, какой из этих парам является определяющим, т. е. может быть принят в качестве критерия эффекта уплотнения. Д. Д. Барканом была показана зависимость уплотнения от ускорений частиц грунта. В частности, им введено представление о вибровязкости грунта, т. е. о вязкости, соответствующей грунту, подвергающемуся вибрационным воздействиям, которая ниже той, которая соответствует тому же грунту в спокойном состоянии. Вибровязкость снижается с ростом ускорений колебаний. Влияние ускорений следует и из описанного выше механизма относительных перемещений частиц грунта при колебательных движениях.
Анализ многочисленных экспериментальных данных позволяет сделать вывод о невозможности оценки эффективности работы вибратора каким-либо одним параметром, потому что при одинаковых амплитудах, скоростях или ускорениях колебательного процесса несомненно влияние па эффект уплотнения частоты и не только потому, что ею определяются развивающиеся при колебательном процессе скорости и ускорения. Для каждой конкретной системы, состоящей из грунта определенного вида и состояния, и возбудителя колебаний, имеющего какую-то массу, из всего диапазона возможных частот вынужденных колебаний можно выделить два характерных значения — частоту, вызывающую квазирезонансные явления, и частоту, при которой происходят интенсивные тиксотропные превращения грунтов.
Частоты квазирезонансных явлений низки и потому легко достижимы. Косвенными опытами удалось установить, что в зависимости от парам системы грунт — виброллита они находятся в пределах 20—70 Гц. Основное влияние на эти частоты оказывает масса вибратора. При увеличении этой массы в 8—10 раз квазирезонансные частоты уменьшаются в 3—4 раза. В зависимости от вида грунта они могут изменяться в 1,5—2 раза.
При квазирезонансном режиме в колебательном процессе участвуют большие массы грунта, что связано со сравнительно малым затуханием, обусловливающим распространение колебаний на значительные расстояния. При этом больших изменений в состоянии грунта не происходит и, следовательно, практически не изменяется и плотность грунта. Работа вибратора в квазирезонансном режиме весьма неустойчива. Практически такая работа возможна в течение только нескольких секунд, по истечении которых вибратор «сходит» с этого режима и продолжает работать вблизи него. В этих условиях расстояния, на которые распространяются колебательные движения, уменьшаются, однако они остаются еще достаточными, чтобы проработать грунт в пределах активной зоны. Уменьшаются и амплитуды колебаний вибрационной плиты и частиц грунта, однако вблизи квазирезонансных частот они сохраняются на более высоком уровне, чем при других более отдаленных от них частотах.
Если при квазирезонансном режиме подводимая к вибратору энергия расходуется в основном на преодоление тех сопротивлений, которые препятствуют распространению колебательного процесса, т. е. затрачивается именно на это распространение, то вблизи резонанса в массе грунта появляются пластические сдвиги, на которые и затрачивается значительная часть энергии. Расстояния, на которые распространяются колебания, естественно, при этом уменьшаются. Из всех возможных режимов работы вибратора именно при квазирезонансном режиме грунт приобретает состояние, при котором его упругие свойства становятся в большей мере «идеальными», чем при всех других режимах работы. При этом как бы блокируются вязкие свойства грунта.
Можно сделать вывод, что при работе вибраторов выгодно стремиться к достижению квазирезонансного режима, однако ввиду неустойчивости работы колебательных систем вибраторы в этом режиме работать практически не будут. Сам квазирезонансный режим не выгоден при уплотнении грунтов, но работа вблизи этого режима становится выгодной как в отношении глубины проработки, так и достижения необходимой интенсивности колебательного процесса.
Диапазон частот, при которых происходят интенсивные тиксотропные превращения грунтов, ограничен пределами 175—300 Гц и потому практически для мощных вибраторов его еще трудно достигнуть. Вместе с тем именно эти частоты наиболее выгодны. При этих частотах в результате тиксотропных превращений уплотнение грунта происходит наиболее быстро и достигаются весьма высокие плотности. Однако колебания распространяются на сравнительно небольшие расстояния и поэтому такие превращения локализируются в сравнительно небольшом объеме грунта. По-видимому, на таких частотах уплотнение грунта особенно эффективно при работе глубинных вибраторов.
Интенсивные тиксотропные превращения проявляются при влажностях грунтов свыше 1,1 W0. Отмечено некоторое уменьшение нижнего предела интервала частот интенсивных тиксотропных превращений с повышением влажности. Так, при влажности 1,3 W0 он уменьшался до 100 Гц. Поэтому такие частоты можно использовать при уплотнении грунтов повышенной влажности.
В настоящее время легко достижимы частоты, соответствующие квазирезонансным явлениям. На них и следует ориентироваться при уплотнении грунтов. Выбирать значения частоты можно, пользуясь рис. 89. Кривая графика представляет собой среднестатистическую кривую, полученную в результате обработки данных по вибрационным плитам, выпускаемым разными фирмами и хорошо зарекомендовавшим себя в процессе эксплуатации.
Среднестатистическая кривая на графике отображает частоты, весьма близкие к квазигармоническим.
Примерно 1/3 выпускаемых вибрационных плит позволяет регулировать частоту их колебаний. В большинстве случаев такая регулировка ступенчатая и позволяет иметь два значения частоты; высокая частота чаще всего в 2 раза выше низкой.
Характер колебаний вибрационной плиты, так же как и рабочего органа любой другой вибрационной машины, определяется соотношением между возмущающей силой и массой или силой тяжести плиты (рис. 90, а). При одинаковых соотношениях значительное влияние на характер колебаний оказывает частота. Вид и свойства уплотняемого грунта на характер колебаний оказывают менее заметное влияние.
Когда амплитудное значение возмущающей силы Р, которое при эксцентриковом виброэлементе равно центробежной силе, намного меньше силы тяжести вибратора Q, колебания носят гармонический характер (рис. 90, б, тип I). Амплитуды колебаний поверхности грунта даже при работе на рыхлых грунтах и небольших возмущающих силах (P≤0,8Q) меньше тех, которые имеет вибрационная плита. Это указывает на то, что при колебаниях нарушается контакт плиты с поверхностью грунта.
Явление периодических нарушений контакта объясняется реологическими свойствами грунтов. Деформация грунта всегда отстает от соответствующего изменения нагружения и потому, когда плита, меняя направление движения, начинает перемещаться вверх, поверхность грунта еще продолжает двигаться вниз. Перемену направления движения грунт совершает с некоторым опозданием, которое могло бы быть и значительным, если бы не специфическое свойство грунта, согласно которому скорость восстановления обратимой части деформации при разгрузке происходит тем быстрее, чем с большей скоростью эта разгрузка осуществляется.
Если полупространство не обладает упругостью, то контакт между ним и плитой должен утрачиваться лишь в случае, когда возмущающая сила превышает силу тяжести вибрационной плиты. Однако на грунтах это происходит при меньших значениях возмущающих сил — при P≥0,7Q, что указывает на наличие и значительное влияние упругости грунта.
Так как между плитой и поверхностью грунта контакт нарушается, то колебания, даже при небольших возмущающих силах, не являются, строго говоря, гармоническими, но, однако, могут быть приняты за такие с вполне достаточной для практических расчетов точностью.
С увеличением возмущающей силы амплитуды колебаний как вибрационной плиты, так и грунта возрастают. Однако вначале, несмотря на рост амплитуды, характер колебаний все еще может быть принят за гармонический (рис. 90, б, тип II). Затем начинает меняться и характер колебаний. При этом отклонения вибратора от положения равновесия в верхнем направлении превышают его отклонения вниз. При дальнейшем росте возмущающей силы гармонический характер колебаний вибратора полностью утрачивается. Происходят периодические отрывы плиты от поверхности грунта, причем продолжительность пребывания ее в воздухе превышает полупериод колебаний и при определенных условиях может достигать одного, двух и более периодов. Эти колебания характеризуются периодическими ударами вибрационной плиты о поверхность грунта. В зависимости от относительной амплитудной величины возмущающей силы, т. е. от отношения Р/Q, и частоты один удар о грунт может соответствовать двум, трем и более оборотам эксцентрика (рис. 92, б, тип III). Эти колебания можно назвать ударными. Число ударов в минуту m оказывается меньше частоты колебаний вибрационной плиты n. Отношение n/m всегда целое число и может быть равно 1, 2, 3 и т. д.
Колебания такого характера, когда m<n, возникают не только при работе вибрационной плиты на упругом основании. Они появляются и при работе на поверхности, которая может быть принята за абсолютно жесткую. Можно предположить, что под действием относительно большой возмущающей силы вибрационная плита, отрываясь от поверхности, успевает удалиться от нее на значительное расстояние. После перемены направления действия возмущающей силы вибрационная плита за время, соответствующее продолжительности полупериода, не успевает возвратиться на поверхность и, будучи в воздухе, вновь меняет направление своего движения, снова двигаясь вверх. Чем больше частота, тем меньше размах колебаний вибрационной плиты, причем эти раз-махи уменьшаются в большей мере, чем период колебаний. Если при какой-то меньшей частоте вибрационная плита не успевала за полупериод колебаний возобновить контакт с поверхностью, то при большей частоте она при той же относительной величине возмущающей силы уже успевает достигнуть поверхности. Поэтому с повышением частоты растет и та относительная величина возмущающей силы, при которой возникают ударные колебания.
Ударные колебания устойчивы в том смысле, что, возникнув, они в точности сохраняют свои характер в течение длительного времени. При этом остается неизменным и размах колебаний. Вместе с тем колебания являются и неустойчивыми, так как после выключения вибратора и повторного пуска его в ход размах и характер колебаний могут измениться.
Практический интерес представляет влияние изменений характера колебаний плиты на эффект уплотнения. Переход на ударные колебания сопровождается уменьшением числа ударов в единицу времени, но вместе с тем значительно растет размах колебаний. Очевидно, что эффект уплотнения при ударных колебаниях определяется теми контактными давлениями, которые развиваются на поверхности в момент удара и от которых зависят возникающие в грунте напряжения. На эти давления оказывает влияние не размах колебаний, а скорость вибрационной плиты в момент удара. При колебаниях, близких к гармоническим, удары отсутствуют и напряжения в грунтах, как это было уже показано выше, развиваются благодаря инерционным силам частиц грунта. Таким образом, механизмы возникновения напряженного состояния грунта различны.
Многочисленные опыты позволяют установить принципиальную зависимость получаемой в итоге уплотнения плотности грунта от относительной величины возмущающей силы (рис. 91). На участке кривой OA вибрационная плита совершает колебательные движения, близкие к гармоническим, т. е. ударное воздействие плиты здесь отсутствует. Рост плотности на этом участке кривой является следствием возрастания амплитуды колебаний как самой плиты, так и грунта, а следовательно, и развивающихся в грунте ускорений и инерционных сил. На участке AB гармонический характер колебаний вибрационной плиты нарушается. Колебания становятся ударными, однако еще с небольшим размахом, вследствие чего контактные давления малы и потому не компенсируют потери, которые связаны с нарушением гармонического характера движения плиты, повлекшего за собой уменьшение инерционных сил. В итоге уменьшается получаемая плотность грунта.
При дальнейшем увеличении возмущающей силы удар становится все более интенсивным, хотя частота ударов в единицу времени уменьшается, так как все более увеличивается разрыв между m и n. Благодаря повышению импульса удара возрастают контактные давления и развивающиеся в грунтах напряжения, что и является причиной постепенного роста эффекта уплотнения (кривая ВС). Закономерность этого роста может быть отображена экспоненциальной кривой. Если уплотняются несвязные грунты, т. е. пески, которые имеют влажность не менее оптимального значения, то максимальная плотность достигается при такой величине относительной возмущающей силы, которая соответствует точке А. Переход на ударный режим колебаний большего эффекта не даст даже в тех случаях, когда действуют значительные по своей величине возмущающие силы.
Иная картина наблюдается при уплотнении малосвязных и, особенно, связных грунтов. Частицы этих грунтов связаны друг с другом более прочными или просто прочными связями, поэтому уплотнение их становится возможным только при оказании на них значительных усилий. Поэтому вибрационные плиты, предназначенные для таких грунтов, должны обязательно иметь возмущающие силы, значительно превышающие значения, которые соответствуют точкам А и В, т. е. должны работать в виброударном режиме.
При гармоническом характере колебаний вибрационные плиты, несомненно, работают в более спокойном режиме, что повышает их надежность и долговечность. Однако, ввиду малых величин возмущающих сил, они практически лишены возможности самопередвижения и потому должны быть прицепными или навесными. Поэтому все современные самоходные вибрационные плиты независимо от назначения работают в виброударном режиме, т. е. имеют относительно большие значения возмущающих сил. Прицепные и навесные машины применяются чрезвычайно редко.
Представляют интерес значения возмущающих сил, при которых колебания почти гармонические и вместе с тем их амплитуда при этом максимальна (рис. 91, точка А). В зависимости от частоты они принимают следующие значения:
С ростом относительной величины возмущающей силы возрастают контактные давления. Темп этого роста с увеличением относительной величины возмущающей силы уменьшается.
Амплитудные значения контактных давлений под вибрационными плитами могут быть найдены по следующей формуле:
где kпр — коэффициент превышения, который может быть найден из полученного опытным путем рис. 92.
Коэффициент превышения отображает увеличение контактных давлений, возникающее благодаря динамике вибрационной плиты и, в частности, благодаря наличию ударов. Из графика видно, что с увеличением возмущающей силы этот коэффициент уменьшается, что указывает на некоторое уменьшение динамического эффекта, которое, возможно, объясняется повышением инерционных сопротивлении. Однако абсолютная величина контактных давлений продолжает непрерывно возрастать.
С увеличением относительной возмущающей силы возрастает также и напряженное состояние грунта. Закономерность этого роста может быть описана экспоненциальной кривой. Вместе с тем с увеличением возмущающей силы напряжения в грунте по глубине затухают быстрее. Однако, несмотря на это, напряжения в точках грунтового полупространства, расположенных на разных расстояниях от поверхности, с увеличением возмущающей силы возрастают, что повышает также и достигаемую в итоге плотность грунта.
Переход от гармонических колебаний к ударным при рыхлых грунтах происходит при больших значениях возмущающей силы, чем при плотных грунтах.
Существенное влияние оказывает влажность грунта. От нее зависит и эффект уплотнения. При вибрировании происходит миграция влаги снизу вверх. Если грунт содержит достаточное количество воды, то поднимающийся поток влаги уменьшает внутреннее трение грунтов и в результате частицы приобретают более плотную упаковку. Опыты позволили установить, что процесс уплотнения происходит тем успешнее, чем выше влажность грунта. По существу максимальное влагосодержание уплотняемого вибрированием грунта ограничивается его пористостью в плотном состоянии. В тех случаях, когда имеется возможность для удаления поднявшейся на поверхность воды, влажность грунта может быть еще выше. Если такой возможности нет и грунт содержит некоторое количество глинистых (до 3—5%) и пылеватых (до 20—30%) частиц, то плотность грунта, равная (0,98—1) δmax, легче всего достигается при влажности грунта (1,2—1,3) W0, где W0 — определенная методом стандартного уплотнения оптимальная влажность.
При влажностях менее оптимальных эффект уплотнения сильно снижается, и тем больше, чем меньше влажность грунта. Если влажность грунта меньше (0,7—0,8) W0, то возможность доведения грунта до плотности 0,95бmах становится сомнительной даже при продолжительном вибрировании и применении тяжелых вибраторов. Однако хорошо уплотняются вибрированием чистые сухие пески. Одинаковая плотность таких песков в сухом состоянии достигается быстрее, чем при некотором их увлажнении, и даже легче, чем при влажностях более оптимальных. Это свойство следует рационально использовать при строительстве песчаных насыпей в районах с засушливым климатом, применяя для послойного уплотнения вибрационные машины.
Уплотняя чистые пески вибрированием в сухом виде, а при некотором содержании в них глинистых и пылеватых частиц — во влажном состоянии, можно в итоге достигать таких высоких плотностей, какие не могут быть получены никакими другими методами. Эти плотности превосходят максимальные стандартные значения.
В результате миграции при уплотнении грунтов вибрированием влага появляется на поверхности в виде пленки. Пленка воды в зависимости от вида грунта оказывается в той или иной мере насыщенной мелкими частицами. Пленка способствует присасыванию площадки вибратора к грунтовой поверхности. Такое присасывание эквивалентно действию на вибрационную плиту дополнительных сил, которые препятствуют отрыву ее от поверхности грунта.
Эти силы можно назвать удерживающими.
Удерживающие силы прямо пропорциональны контактной поверхности и растут с повышением влажности грунта. По измерениям А. А. Шестопалова, при несвязных грунтах влажностью (1,2—1,3) W0 они достигают 200—400 кгс/м2. Поэтому эти силы следует учитывать, полагая, что сила тяжести вибрационной плиты увеличивается на величину (200—400) F, где F — контактная поверхность плиты, м2.
Глубина проработки и получаемая в итоге плотность грунта зависят от массы вибратора. Поэтому масса и является основным параметром вибрационных плит и вибрационных катков. Этим и объясняется, что отдельные модели серий вибрационных плит, выпускаемых различными фирмами, прежде всего отличаются друг от друга своими массами.
Для достижения в пределах активной зоны требуемой плотности необходимо, чтобы масса вибратора была не меньше определенного значения. Компенсация недостатка в массе машины величиной возмущающей силы возможна лишь в ограниченных пределах.
Массу вибрационной плиты можно характеризовать величиной статического давления, представляющего собой отношение силы тяжести вибрирующей плиты Q к площади ее контакта с грунтом F. Независимость амплитуд колебаний вибрационных плит от статических давлений при условии равенства относительных возмущающих сил хорошо проверена экспериментальным путем. Однако амплитуды колебаний и уровень напряженного состояния грунта зависят от статического давления, повышаясь с его ростом. Это можно объяснить тем, что с увеличением массы колебания вибрационных плит становятся все в большей мере энергоемкими и потому растет также и то количество энергии, которое передается от вибратора к грунту.
Опытным путем установлены необходимые для достижения максимальной стандартной плотности супесчаного грунта минимальные относительные значения возмущающих сил:
Значения возмущающих сил даны в зависимости от статических давлений вибрационной плиты и относятся к оптимальной влажности грунта и к частоте колебаний 40—50 Гц. Из этих данных видна возможность некоторого компенсирования недостатка статического давления величиной возмущающей силы, а также целесообразность уплотнения грунтов при сравнительно малых толщинах слоев, примерно равных 0,5 Bmin (Bmin — минимальный поперечный размер поверхности контакта вибрационной плиты с грунтом в плане, который в большинстве случаев есть нечто иное, как минимальный поперечный размер основания вибрационной плиты). Увеличение толщины слоя до Bmin требует увеличения статических давлений примерно в 4 раза, т. е. применения весьма тяжелых вибрационных плит. Расчеты показывают, что плиты, рассчитанные на уплотнение грунтов слоями, толщина которых близка к Bmin должны иметь статическое давление не менее 2000 кгс/м2, а относительная возмущающая сила должна составлять Р=(8—10) Q. При таких параметрах в узлах вибрационных плит возникнут значительные динамические нагрузки, снизить которые возможно, лишь уменьшив относительную возмущающую силу, а это еще более повысит статическое давление.
Относительная возмущающая сила, даже при толщине слоя 0,5 Bmin, не должна быть меньше, чем 4Q. Вместе с тем нецелесообразно назначать ее и больше чем 6Q ввиду того, что существенного снижения статического давления не произойдет, но зато значительно возрастут инерционные силы. Поэтому лучше относительную величину возмущающей силы назначать равной:
Испытания существующих моделей вибрационных плит показали, что удовлетворительное передвижение их по уплотняемой поверхности и управляемость, т. е. возможность изменения направления движения, возможны лишь в определенном интервале амплитуд колебаний, который зависит от частоты. Так, при частоте 20 Гц этот интервал равен (0,8—1,5) мм, что соответствует P = (2,5—3) Q. При более высоких частотах интервал амплитуд может быть несколько ниже, а диапазон относительных возмущающих сил практически сохраняется таким же. Поэтому можно полагать, что эти значения возмущающих сил и являются теми минимальными, которые необходимы для передвижения самоходных вибрационных плит. При очень больших амплитудах вибрационная плита начинает терять управление и ее работа на поперечных уклонах становится невозможной.
Опыт применения вибрационных плит показал, что, кроме уплотнения несвязных грунтов, они эффективны при уплотнении гравийных и щебеночных, а также крупнообломочных грунтов при том условии, однако, что содержание в них глинистой фракции незначительно. Однако для таких работ пригодны только тяжелые модели вибрационных плит. Связные грунты могут уплотняться вибрационными плитами лишь в случаях, когда подбором соответствующих парам обеспечивается интенсивное ударное воздействие. Однако и при этих условиях по сравнению с несвязными грунтами приходится значительно уменьшать толщину уплотняемого слоя, и потому применение вибрационных плит становится невыгодным. Это подтверждается построенным по опытам Г. А. Грубника рис. 93. На графике оптимальные толщины слоев соответствуют плотности грунта 0,95δmax и выражены в долях от минимального поперечного размера вибрационной плиты в плане. Влажности грунтов во всех случаях были оптимальными. Грунты уплотняли вибрационными плитами с разными значениями статического давления q. Из графика видно, что с увеличением содержания в грунтах глинистых частиц оптимальная толщина слоя резко снижается, что делает практически нецелесообразным и даже невозможным уплотнение связных грунтов.
Испытания и анализ парам существующих вибрационных плит показали, что около 50% их могут уплотнять только наиболее легкие виды несвязных грунтов — пески оптимальной влажности. Для уплотнения супесчаных грунтов предназначены тяжелые виды машин, масса которых, как правило, превышает 1,5 т, а иногда достигает 7 т.
Толщина уплотняемого слоя определяется минимальным размером опорной площадки плиты В или Г (см. рис. 86). Оптимальную толщину слоя следует выбирать равной половине этого минимального размера и только в наиболее благоприятных условиях, когда плиту применяют для уплотнения увлажненных или абсолютных сухих песков. Однако для достижения требуемой плотности грунта по всей толщине слоя плита должна обладать достаточной массой. Минимальные значения массы в зависимости от вида грунтов могут быть найдены по следующим значениям статических давлений q:
Общая масса плиты определится:
где F — площадь контактной поверхности, которая находится как произведение Г*В (см. рис. 86).
Представляет интерес зависимость, полученная статистическим путем (рис. 94). Она, так же как и график рис. 89, построена на основании анализа парам более чем 50 моделей вибрационных плит. Здесь средние отклонения отдельных значений парам машин не превышали 5—10%. С ростом возмущающей силы растут возникающие в грунтах напряжения. Кроме того, имеется возможность увеличением возмущающей силы компенсировать недостаток в массе вибрационной плиты. Поэтому возмущающую силу выгодно выбирать возможно большего значения, однако верхний ее предел, как правило, ограничивается конструктивными трудностями, которые возникают ввиду необходимости обеспечить достаточные прочность и надежность машины. Эти трудности растут с увеличением массы машины, чем и объясняется отображаемое рис. 94 снижение относительной величины возмущающей силы по мере увеличения общей массы вибрационной плиты. Тем не менее из графика видно, что даже для весьма тяжелых виброплит относительную величину возмущающей силы выбирают не менее чем 3Q.
При эксплуатации вибрационных плит весьма важно правильно выбрать скорости их движения, необходимое число проходов, а также определить возможность их передвижения по уплотняемой поверхности. Скорости движения и необходимое число проходов вибрационных плит взаимосвязаны, так как для достижения требуемой плотности грунт должен подвергаться вибрированию определенное время, которое зависит от вида и состояния грунта, а также от парам вибрационной плиты. Получение этого времени и следует обеспечить в процессе уплотнения. Наименьшее значение необходимой продолжительности вибрирования соответствует несколько переувлажненным несвязным грунтам, влажность которых достигает (1,1—1,2) Wо. У более сухого грунта из-за повышенного внутреннего трения продолжительность вибрирования увеличивается. Она возрастает также и при избыточно влажных грунтах, когда достижение требуемой плотности становится возможным лишь после удаления излишка влаги.
Необходимую продолжительность вибрирования tвиб можно найти так:
где с — число приложений нагрузки, необходимое для доведения грунта до требуемой плотности; на основании опытных данных можно полагать, что для вибрационных плит с правильно подобранными массой и относительной возмущающей силой, которые должны быть не менее значений, обусловленных графиком рис. 96, с = 1,5*10в3—4*10в3; нижний предел относится к пескам, верхний к супесям оптимальной влажности; n — частота колебаний, Гц.
Необходимое число проходов вибрационной плиты по одному следу nпр найдется как
где v — скорость движения вибрационной плиты, м/с; Lпл — длина опорной плиты вибрационной машины, которая может быть принята равной размеру Д (см. рис. 86).
Опыт эксплуатации показывает, что после прохода самоходной вибрационной плиты вследствие образования призмы волочения на поверхности грунта образуются неровности, имеющие волнообразный характер. Эти неровности увеличиваются при последующих проходах плиты. Поэтому число проходов вибрационной плиты не должно быть больше двух, максимум трех. Число проходов не должно быть и менее двух, т. е. нецелесообразны однопроходные машины. Исследования показали, что каким бы интенсивным не было воздействие на грунт однопроходной машины, при повторном ее воздействии всегда образуется дополнительная остаточная деформация. Уплотнение всегда более эффективно, когда в промежутках между повторными силовыми воздействиями имеется некоторая пауза, т. е. «отдых» грунта.
Зона активного действия вибрационной плиты в плане не выходит за контуры этой плиты, т. е. практически уплотняется лишь только тот объем грунта, который расположен непосредственно под опорной плитой вибрационной машины.
Если рассматривать расположенный в пределах глубины активной зоны какой-то объем грунта, который находится под воздействием перемещающейся над этим объемом вибрационной плиты, то поведение этого объема по характеру и интенсивности развивающихся в нем колебаний можно условно разделить на три периода. Во время первого периода рассматриваемый объем грунта вовлекается в состояние колебательных движений. Происходит постепенное нарастание амплитуды колебаний. Второй период характеризуется установившимся режимом колебательного процесса, при этом амплитуды колебаний и развившиеся в грунтах напряжения зависят от интенсивности воздействия на грунт вибрационной плиты и глубины расположения рассматриваемого объема грунта. Третий период — это период затухания колебаний от уровня, соответствующего второму периоду, до полного покоя, что происходит при удалении вибрационной плиты от рассматриваемого объема грунта. В отличие от второго периода, когда действуют установившиеся колебания, первый и третий периоды относятся к переходным процессам. С практической стороны важно выяснить, насколько длительны эти переходные процессы и особенно первый период, за счет которого уменьшается общее время вибрирования грунта.
Вследствие изменения свойств грунта при уплотнении изменяются амплитуды колебаний грунта и развивающиеся в нем напряжения, даже при установившемся режиме колебаний. Амплитуды и напряжения монотонно возрастают до момента, когда практически прекращается развитие остаточных деформаций. Этот момент определяется состоянием грунта и интенсивностью воздействия на него вибрационной плиты. После того как деформации грунта становятся квазиупругими, амплитуды и напряжения стабилизируются на каком-то уровне, определяемом интенсивностью воздействия плиты.
Поэтому под продолжительностью переходного процесса понимается не то время, которое необходимо для стабилизации парам колебательного процесса, а время, необходимое для достижения рассматриваемым объемом грунта таких значений этих парам, которые характерны для мгновенного распространения волн деформаций и напряжений. В этом понимании переходный процесс отображает время, необходимое для «раскачивания» грунта, которое затрачивается на преодоление как инерционных, так и частично вязких сопротивлений.
Исследования переходного процесса, проведенные на вибрационной плите, масса которой могла достигать 600 кг, показали, что длительность этого периода возрастает с увеличением величины возмущающей силы, т. е. с повышением интенсивности воздействия (рис. 95). График относится к рыхлому грунту, плотность которого близка к 0,85 δmax, и соответствует времени, равному 5 с после мгновенного приложения к поверхности грунта вибрационной нагрузки.
Из графика видно, что переходный процесс удлиняется по времени с увеличением относительной величины возмущающей силы и особенно интенсивно в зоне, где совершается переход от квазигармонических к ударным колебаниям. Рост продолжительности переходного процесса происходит в результате увеличения абсолютной величины амплитуд колебаний грунта, так как на достижение больших амплитуд затрачивается и большее время. Кроме того, при определенных значениях относительных возмущающих сил появляются кратные колебания, которые при постоянных оборотах эксцентрикового вала снижают частоту ударов вибрационной плиты о грунт. Как видно из графика, продолжительность переходного процесса растет с повышением частоты колебаний вибрационной плиты. Это связано С инерционными сопротивлениями, которые возрастают с повышением частоты колебаний. Рис. 95 относится к амплитудам колебаний частиц грунта. Аналогичные зависимости были получены и в отношении развивающихся в грунтах напряжений.
Продолжительность переходного процесса увеличивается с глубиной. Поэтому чем на большей глубине расположен рассматриваемый объем грунта, тем большее время требуется для достижения колебаний, которые соответствуют параметрам вибрационной плиты и состоянию грунта. Продолжительность переходного периода на глубине, равной Вmin, в 2—3 раза больше, чем на поверхности.
Непосредственные измерения показали, что третий период, во время которого происходит затухание колебаний рассматриваемого объема грунта, возникает в момент съезда задней кромки опорной плиты вибрационной машины с точек поверхности, расположенных непосредственно над рассматриваемым объемом грунта. Третий переходный период протекает значительно быстрее первого, причем колебания затухают тем скорее, чем глубже расположен рассматриваемый объем грунта. Поэтому в отличие от первого периода, где процесс возникновения колебаний начинается на поверхности и распространяется в глубину, в третьем периоде процесс затухания колебаний возникает на какой-то глубине и быстро перемещается к поверхности. Продолжительность всего процесса обычно составляет 0,2—0,3 с.
Абсолютное время первого переходного периода, как это следует из изложенного, определяется состоянием грунта и параметрами воздействия вибрационной плиты и в зависимости от этих факторов на поверхности грунта и вблизи этой поверхности находится в пределах от 0,2 с до нескольких секунд. Поэтому скорости вибрационных машин не должны быть излишне большими.
В этой связи интересны результаты исследований, проведенных М. И. Капустиным, А. А. Шестопаловым, В. Н. Владимировым и Г. Н. Поповым, в результате которых установлено, что увеличение скорости движения вибрационных плит и вибрационных катков сверх определенных их значений влечет за собой уменьшение амплитуд колебаний грунта. Так, при увеличении скорости от 15 до 30, а затем и до 60 м/мин амплитуды колебаний грунта соответственно уменьшались на 15—20, а затем и на 30—50%. Скорости движения современных самоходных вибрационных плит достигают 20 м/мин. Поэтому скорость движения плиты должна быть увязана с ее длиной Lпл (см. рис. 86, размер Д). Можно рекомендовать соблюдение следующего неравенства:
где v — скорость движения вибрационной плиты; tпер — время первого переходного периода; k — коэффициент превышения, который должен выбираться как k≥5.
С другой стороны, на основании формул (100) и (101) можно заключить, что должно соблюдаться также еще следующее неравенство:
позволяющее выбрать такую скорость вибрационной плиты, которая обеспечивает получение числа приложений нагрузки, необходимое для достижения требуемой плотности грунта.
Сила тяги, необходимая для перемещения вибрационной плиты по горизонтальной грунтовой поверхности, может быть определена как
где f1 — коэффициент сопротивления передвижению плиты (главным образом сопротивления грунта).
Когда вибрационная плита не совершает колебательных движений, f1 — не что иное, как коэффициент трения плиты о грунт. Для стальных или чугунных плит f1 = 0,6—0,7.
При колеблющейся плите коэффициент сопротивления зависит от скорости ее движения и направления вращения эксцентриков (рис. 96). При малых скоростях движения сопротивления очень малы. С ростом скорости возрастает и сопротивление передвижению плиты. Приближенно этот рост может быть описан экспоненциальной кривой. При скоростях движения более 4—5 м/мин (а именно эти скорости и имеют практическое значение) коэффициент сопротивления движению стабилизируется. При обратном вращении эксцентрикового вала на малых скоростях движения (<2,0 м/мин) сопротивления выше, чем при прямом вращении. При более высоких скоростях наблюдается обратная картина. Некоторое влияние на коэффициент сопротивления движению оказывает амплитуда колебаний плиты. Увеличение амплитуды с 0,1 до 0,8 мм при малых скоростях движения снижает коэффициент сопротивления в 1,5 раза.
Стабильное значение коэффициента сопротивления движению и следует принимать за расчетное. Это стабильное значение лишь на 20% меньше коэффициента трения и в среднем может быть принято равным 0,5. Сопротивления, связанные с преодолением уклонов, определяют обычными методами. Наличие призмы волочения повышает коэффициент сопротивления движению при первом проходе плиты по рыхлому грунту до 0,7.
У плиты направленного действия при вращении эксцентриков развивается сила тяги Т, которая определяется как
где Px — проекция на горизонтальную ось суммарной возмущающей силы, образующейся от вращения в разные стороны эксцентриков; P0 — центробежная сила одного эксцентрика; ω — угловая скорость вращения эксцентриков; α — угол наклона оси виброэлемента направленного действия к горизонту (см. рис. 87, б).
Очевидно, что
где m и G — соответственно масса и сила тяжести эксцентрика, кг и кгс; r — радиус вращения его центра тяжести, см; n — число оборотов эксцентрика в минуту; q — ускорение свободного падения, см/с2.
Из формулы (105) видно, что тяговое усилие периодически изменяется во времени от пуля до амплитудного значения, которое равно:
Вертикальная составляющая возмущающей силы Py определяет амплитуду вертикальных колебаний вибрационной плиты
Амплитудное значение этой составляющей равно
Из формул (107) и (109) видно, что с уменьшением угла повышается скорость движения вибрационной плиты, но одновременно снижается амплитудное значение вертикальной составляющей возмущающей силы, а следовательно, и интенсивности воздействия плиты на грунт. Следует учесть еще необходимость соблюдения неравенств (102) и (103). Поэтому у современных вибрационных плит скорости движения ограничивают: у легких моделей 6—12 м/мин, а у тяжелых типов 15—20 м/мин.
Мощность установленных на вибрационных плитах двигателей затрачивается на колебания самой плиты, грунта, а также на преодоление сопротивлений при их перемещениях. На основании анализа существующих конструкций вибрационных плит можно установить необходимые мощности:
Вибрационные катки относятся к весьма эффективным средствам уплотнения грунтов и особенно несвязных и малосвязных. Основная цель, которая преследуется при создании вибрационных катков, — это некоторое уменьшение их массы при сохранении того же эффекта уплотнения грунтов. Получаемый эффект может быть оценен коэффициентом Кэ, который представляет собой отношение
где q — линейное давление обычного гладковальцового катка, которое необходимо для доведения грунта до требуемой плотности в слое оптимальной толщины; qв — определяемое при тех же условиях линейное давление вибрационного катка.
Коэффициентом Kэ оценивается возможное уменьшение массы катка при условии получения одинаковой уплотняющей способности. Он зависит от гранулометрического состава грунта (рис. 97) и его влажности. График получен нами совместно с Г. Н. Поповым. Кривая относится к грунтам оптимальной влажности. Из графика видно, что эффективность вибрационного воздействия уменьшается с повышением содержания в грунтах глинистых частиц. Наиболее эффективны вибрационные катки при уплотнении песчаных грунтов с содержанием глинистых частиц менее 4—5%. В этом случае масса вибрационного катка при том же уплотняющем эффекте может быть в 4,5—5,5 раз меньше, чем такого же гладковальцового катка, а при одинаковых массах катков толщина слоя, уплотняемого вибрационным катком, может быть больше в 2—2,5 раза. При уплотнении супесчаных грунтов масса катка может быть уменьшена в 2 раза. При уплотнении средних и тяжелых суглинков экономия в массе составляет всего 30—10%. Поэтому требование о необходимости уплотнения связных и, особенно, высокосвязных грунтов тяжелыми катками справедливо и для вибрационных катков. При связных грунтах экономия в массе не окупает затрат, связанных с расходом мощности и с усложнением конструкции катка. Поэтому следует полагать, что вибрационные катки с гладкими вальцами, так же как и вибрационные плиты, эффективны при уплотнении несвязных грунтов, в том числе содержащих крупные включения.
Вибрационными иногда устраивают и кулачковые катки. Эти катки применяют для уплотнения связных и преимущественно несколько переувлажненных грунтов.
Вибрационные катки с гладкими вальцами выполняют прицепными и самоходными, вибрационные кулачковые катки — как правило, прицепными. У таких катков обычно виброэлементы располагаются внутри вальца, а для их привода служит двигатель, размещаемый позади вальца. Важным элементом конструкции такого катка является система виброизоляции рамы и трактора-тягача.
До недавнего времени прицепные вибрационные катки имели сравнительно небольшую массу, которая не превышала 0,5—2 т, а линейное давление обычно составляло 1—5 кгс/см. Однако, ввиду малой эффективности таких катков и их практической непригодности для уплотнения грунтов, содержание глинистых частиц которых превышает 5—6%, массу катков стали увеличивать. В настоящее время тяжелые модели имеют линейное давление 50—60 кгс/см. Общая сила тяжести таких катков достигает 10—15 тс. Такими моделями возможно уплотнять и связные грунты, однако оптимальная толщина слоев по сравнению с такими же невибрационными катками может быть увеличена всего на 15—25%.
В заграничной практике строительства имеются прицепные вибрационные решетчатые катки. Здесь вибрация главным образом способствует лучшей очистке катка от налипшего грунта и несколько увеличивает глубину проработки несвязного грунта, особенно содержащего крупные включения.
В странах Западной Европы широко распространены самоходные двухвальцовые вибрационные катки (рис. 98). Эти катки обладают сравнительно небольшой массой и потому их полная сила тяжести Q обычно находится в пределах 600—1200 кгс. Амплитудное значение возмущающей силы этих катков, которая развивается в результате вращения эксцентриков, обычно составляет (4—5) Q. Частоту колебаний выбирают в пределах 50—55 Гц. Для оператора предусматривается место на самом катке, либо он следует за ним. В последнем случае каток снабжается длинной рукояткой, на которую и вынесены все рычаги управления.
В отличие от прицепных эти катки снабжаются вальцами сравнительно небольшого диаметра. Так, если диаметр вальцов прицепных катков находится в пределах 1000—1800 мм, то диаметры вальцов этих катков выбирают равными 400—600 мм. Однако ширина вальцов здесь намного превышает их диаметр. Так, отношение ширины к диаметру обычно равно 1,4—1,7. Некоторые конструкции этих катков позволяют спаривать их в агрегаты, которые обычно состоят из двух катков. Вибрационными, а одновременно и ведущими обычно являются оба вальца — передний и задний. Просвет между вальцами, который определяется разностью M—D (см. рис. 98), обычно небольшой (0,5—0,6) D, где D — диаметр вальца. Это способствует вовлечению в колебательные движения не только тех объемов грунта, которые расположены непосредственно под вальцами, но, начиная с некоторой глубины, и объемов грунта, расположенных между ними. Катки, имеющие такую небольшую массу, обычно применяют для уплотнения песчаных грунтов, в том числе и гравелистых. Для уплотнения более тяжелых разновидностей несвязных грунтов, а также естественных оснований, сложенных несвязными грунтами, применяют катки, имеющие большую массу. Сила тяжести этих катков достигает 3 и даже 5 тс.
Вибрационные катки, как прицепные, так и самоходные, работают в ударном режиме. Поэтому в зависимости от величины относительной возмущающей силы удар вальца о грунт происходит за два, три и более оборотов эксцентрикового вала. Опытами Г. Н. Попова установлено, что переход к ударному режиму (см. рис. 93, точки В) происходит при P≥2Q. Можно полагать, что размах колебаний вальца катка увеличивается прямо пропорционально относительной величине возмущающей силы. Такая закономерность имеет место до P=8Q, после чего она приобретает экспоненциальный характер. С повышением возмущающей силы возрастают контактные давления и напряженное состояние грунта. При прочих равных условиях увеличение диаметра вальца приводит к уменьшению контактных давлений. Максимальное контактное давление, как показывает опыт, с точностью до 7—10% может быть определено как
