5. Свайные погружатели вибрационного действия

5.1. Общие сведения о вибрационном погружении и извлечении свай

Погружение и извлечение свай (труб, шпунтов, свай-оболочек) с помощью вибрации основано на сообщении продольных колебательных движений свае и окружающей среде (грунту, песку). Впервые экспериментальные данные о процессах вибропогружения и виброизвлечения были получены Д. Д. Барканом в 1934 г., который установил возможность значительного снижения постоянной силы, необходимой для погружения или извлечения сваи, в случае, когда она совершает продольные колебания. Так, например, для того, чтобы погрузить сваю-оболочку под действием статической нагрузки, потребовались бы усилия от 10³ до 10⁴ , однако благодаря колебаниям, возбуждаемым вибрацией, свая-оболочка погружается под действием сил тяжести собственной и вибропогружателя. Д. Д. Баркан объяснил эффект вибрационного воздействия резким изменением механических свойств грунта под влиянием вибраций в зоне, примыкающей к погружаемой или извлекаемой свае, что подтверждено экспериментальными исследованиями, проведенными в различных грунтовых условиях. Так, под влиянием вибрации при погружении свай в водонасыщенные пески в зоне, окружающей погружаемую сваю, происходит разжижение песка и резкое снижение сил сопротивления. Экспериментальными исследованиями влияния вибрации на изменение внутреннего трения песка установлено, что при постоянной амплитуде коэффициент внутреннего трения песка постепенно уменьшается с увеличением частоты вибрации и затем резко падает в некотором критическом интервале частот и дальнейшее увеличение частоты почти не влияет на коэффициент внутреннего трения. При постоянной частоте с увеличением амплитуды коэффициент внутреннего трения песка также убывает и после некоторого предела увеличение амплитуды не приводит к его дальнейшему снижению. Эффект вибрационного воздействия увеличивается пропорционально диаметру зерен песка и существенно зависит от его влажности. Характер уменьшения сопротивления при вибропогружении сваи в песчаных и глинистых грунтах различен. В маловлажных грунтах сопротивление при вибрационном погружении сваи изменяется незначительно, тогда как в водонасыщенных − резко уменьшается. Существенное влияние на характер изменения свойств грунта имеют величины действующих динамических сил. При слабых динамических воздействиях эффект вибрирования определяется в основном изменением напряженного состояния грунта в зоне вибрирующей сваи. В то же время при сильных динамических воздействиях происходит разрушение структуры грунта, который приобретает свойства вязкой среды, что приводит к значительному уменьшению сопротивления погружению сваи. Физическая картина вибрационного погружения сваи в грунт сложна и недостаточно изучена. Она может быть существенно разной. Так, например, при погружении в слабые водонасыщенные грунты возникающее знакопеременное гидродинамическое давление под острием сваи приводит к разуплотнению частиц грунта и к их последующему разжижению. Сопротивление погружению уменьшается как по боковой, так и по лобовой поверхности. Опускание сваи происходит под действием силы тяжести погружаемой системы (сваи вместе с вибропогружателем или вибромолотом). В то же время при вибрационном погружении в маловлажные грунты решающее значение для эффективности процесса имеют удары торца сваи о грунт, который при этом уплотняется и выпирает в стороны.

К ак для песчаных, так и для глинистых грунтов при работе вибраторов с частотами около 100 и при поперечных ускорениях до 1,5 g основной причиной уменьшения поверхностного трения являются поперечные деформации при распространении продольных упругих волн вдоль погружаемого элемента. По мере погружения сопротивления растут, а амплитуда вибрации снижается. Поэтому имеется предельная глубина погружения сваи, которая зависит от параметров вибровозбудителя, массы колеблющихся элементов, размера дополнительной пригрузки, величины и формы поперечного сечения сваи, свойств грунта. Картина погружения сложнее этой схемы, так как, во-первых, торец сваи довольно часто отрывается от грунта и периодически ударяет по нему, так что внедрение осуществляется не только действием небольшой постоянной силы (силы тяжести погружаемой системы, а нередко и дополнительной пригрузки), но и более значительной ударной силой (при обязательном наличии постоянной). Во-вторых, при погружении длинных свай или труб необходимо учитывать их деформации и волновые явления. В связи со сложностью явлений, сопровождающих вибрационное погружение в различных условиях, даже при проведении достаточно чистых экспериментов трудно оценить, в какой мере эффект вибрирования определяется приложением к погружаемому элементу дополнительных периодических сил и в какой мере - изменением свойств грунта, так как эти процессы неразрывны. Такая оценка может быть выполнена в результате анализа затрат энергии при вибрационном погружении.

Известно, что энергия, необходимая для перемещения вибрирующего тела, должна быть больше энергии, требуемой при перемещении тела без вибрирования. Если же при перемещении вибрирующего тела расход энергии уменьшается, то это означает, что изменяются физические свойства контактной зоны соприкасающихся тел, т.е. истинный коэффициент трения. Так, например, в маловлажных песках энергия, затраченная на вибропогружение сваи, значительно больше той энергии, которая потребовалась бы для статического задавливания свай с той же скоростью. Другой результат получается при вибрационном погружении сваи в водонасыщенные пески. В этом случае расход энергии при вибропогружении сваи значительно уменьшается по сравнению с энергией статического задавливания, что свидетельствует о резком снижении сил сопротивления погружению, т.е. об изменении свойств грунта. Таким образом, в настоящее время энергетический критерий является наиболее надежным показателем, по которому можно судить об изменении свойств грунта при вибрационном воздействии на него. Наибольший эффект от использования вибрирования достигается в том случае, если параметры, конструктивное решение и вспомогательная оснастка вибрационной машины отвечает специфике выполняемых работ. Учет особенностей того или иного вида работ при создании вибрационного оборудования и его рациональное агрегатирование со вспомогательными устройствами позволяет разрабатывать и применять наиболее эффективную вибрационную технологию.