6. Расчет основных параметров вибрационных и ударно-вибрационных погружателей

6.1. Расчет параметров вибропогружателей продольного действия

Аналитическое решение задачи погружения достаточно сложно, а надежные значения необходимых параметров грунта, как правило, отсутствуют. Поэтому для определения основных параметров вибропогружателей можно пользоваться упрощенной методикой. Исходными данными для расчета являются: масса погружаемого элемента и жестко соединенных с ним частей вибропогружателя , кг; геометрические размеры погружаемого элемента; глубина погружения , м; характеристика грунтовых условий. Для эффективного погружения сваи в грунт вибропогружателем в каждом случае необходимо, чтобы, во-первых, величины возмущающих сил вибратора были достаточными для преодоления сопротивлений грунта срыву сваи при заданной максимальной глубине ее погружения; во-вторых, амплитуда вибрации сваи в достаточной мере превышала величину начальной амплитуды ; в-третьих, сумма всех равнодействующих сил, приложенных к свае, была достаточной для ее погружения (или извлечения).

Первое условие, необходимое для обеспечения достаточной эффективности вибропогружателя продольного действия, можно представить в виде простой зависимости:

, (6.1)

где − амплитуда возмущающей силы, кН;

− угловая скорость вращения дебалансов, рад/с;

− полная расчетная величина критического сопротивления погружаемого элемента срыву при максимальной глубине ее погружения, кН;

− коэффициент, приближенно учитывающий влияние упругости грунта;

− статический момент дебалансов вибропогружателя, .

Влияние упругости грунта сказывается по-разному при различных частотах вибрирования. Для низкочастотных вибропогружателей ( рад/с), применяемых для погружения тяжелых железобетонных свай и свай-оболочек, величину рекомендуется принимать равной , а для высокочастотных ( рад/с), используемых для погружения элементов с небольшой массой и относительно малым лобовым сопротивлением (металлического шпунта, труб, деревянных свай, профильного металла и т.п.), − равной 1,0.

Расчетная величина критического сопротивления погружаемого элемента срыву при заданной максимальной глубине погружения ,м, может быть упрощенно определена из выражения, кН:

для свай ; (6.2)

для шпунта , (6.3)

где − периметр поперечного сечения сваи, м;

− удельное критическое сопротивление срыву для свай кН/м², и шпунтов, кН/м.

Критическое сопротивление срыву является обобщенной характеристикой свойств грунтов, представляющее собой приближенную оценку сопротивлений грунта срыву. Величина критического сопротивления срыву зависит не только от свойств грунта, но и от размеров и формы сваи, от соотношения между частотами собственных и вынужденных колебаний погружаемого элемента. Величину критического сопротивления срыву следует рассматривать лишь как условную расчетную характеристику свойств грунта при данных размерах сваи.

Значения величин удельного критического сопротивления срыву для различных грунтов, рекомендуемые для практического использования при подборе параметров свайных вибропогружателей различного назначения даны в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Зависимость величины удельного сопротивления срыву

от вида грунтов

Виды грунтов	Для свай, кН/м2			Для шпунтов, кН/м
	Стальные трубы и деревянные сваи	Железобетонные сваи	Открытые снизу сваи-оболочки и колодцы, погружаемые с выемкой грунта	Легких профилей	Тяжелых профилей
Водонасыщенные песчаные и текуче–пластичные глинистые грунты	6	7	5	12	14
Те же грунты, но с прослойкой плотных глинистых грунтов	8	10	7	17	20
Тугопластичные глинистые	15	18	10	20	25
Те же, полутвердые и твердые	25	30	20	40	50

Рассмотрим второе условие. Поскольку при полном срыве амплитуды колебаний сваи оказываются весьма близкими значению , соответствующему случаю отсутствия связей с грунтом ( − амплитуда вибрации сваи как свободного тела, не связанного с грунтом), это условие может быть представлено как

, (6.4)

где − сила тяжести погружаемого элемента, вибропогружателя и других, жестко соединенных с погружаемым элементом частей вибропогружателя, кН;

− необходимая амплитуда колебаний, м;

− коэффициент, принимаемый равным 0,8 для железобетонных свай и 1,0 для остальных погружаемых элементов;

− статический момент массы дебалансов, кг·м.

Чтобы упругость грунта не оказала существенного вредного влияния на процесс погружения сваи, величина должна по крайней мере в раз превосходить величину начальной амплитуды. Этому требованию отвечают данные, помещенные в табл.6.2.

Таблица 6.2

Зависимость амплитуды колебаний , мм,

от вида погружаемых элементов

Типы и размеры погружаемых элементов	Частота колебаний вибропогружателя, Гц
	Песчаные грунты			Глинистые грунты
	5-12	13-17	18-25	5-12	13-17	18-25
Стальные шпунты, стальные открытые снизу трубы и другие элементы с площадью поперечного сечения до 0,015 м2	-	8-10	4-6	-	10-12	6-8
Деревянные и трубчатые с закрытым концом сваи с площадью поперечного сечения до 0,08 м2	-	10-12	6-8	-	12-15	8-10
Железобетонные сваи квадратного или прямоугольного сечения площадью 0,2 м2	0-15	-	-	10-15	-	-
Железобетонные сваи-оболочки большого диаметра, погружаемые с выемкой грунта из полости сваи	6-10	4-6	-	8-12	6-10	-

Из таблицы видно, что чем выше частота вибрации, тем меньше рекомендуемое значение . В грубом приближении можно считать, что амплитуда скорости колебаний для эффективного погружения свай должна находиться в диапазоне м/с. Учитывая это обстоятельство, частоту колебаний вибропогружателя можно представить в виде, рад/с:

, (6.5)

Третье условие может считаться практически выполненным при соблюдении условия, кН:

, (6.6)

где - площадь поперечного сечения сваи, м²; - рекомендуемое значение необходимого удельного давления на сваю, МПа (1 МПа= Н/м²).

Значение отношения силы тяжести к амплитуде возмущающей силы проверяется по одному из выражений:

(6.7)

или

, (6.8)

где − частота колебаний вибропогружателя, Гц;

− коэффициенты принимаемые равными:

для стального шпунта

для легких свай (деревянных, трубчатых)

для тяжелых свай (железобетонных свай

и свай-оболочек)

Для нормального погружения свай величина должна быть в раза больше величины , значения которого приведены в табл.6.3.

Таблица 6.3

Зависимость давления от вида и размеров погружаемых элементов

в водонасыщенные песчаные и слабые глинистые грунты

Виды и размеры погружаемых элементов
Стальные трубы малого диаметра и другие элементы с площадью поперечного сечения до 0,015 м2	0,15 – 0,3
Деревянные и стальные трубчатые (с закрытым концом) сваи с площадью поперечного сечения до 0,08 м2	0,4 – 0,5
Железобетонные сваи квадратного и прямоугольного сечения площадью до 0,2 м2	0,6 – 0,8

Выбор параметров свайного вибропогружателя проводится в следующем порядке.

1. Используя формулы (6.2) или (6.3) и данные табл. 6.1, определяют полную расчетную величину критического сопротивления сваи срыву при заданной глубине ее погружения .

2. Определяется ориентировочное значение силы тяжести , , сваи и соединенных с ней частей вибропогружателя и затем рассчитывается примерная величина статического момента дебалансов по формуле, :

. (6.9)

Рекомендуемая амплитуда колебаний , необходимая для эффективного погружения, определяется по данным табл.6.2.

Затем вычисляется необходимая угловая скорость вращения дебалансов ω, рад/с, или частота колебаний вибровозбудителя , Гц, по формулам

рад/с, (6.10)

где в кН;

Гц, (6.11)

где в .

При использовании формулы (6.10) статический момент, находят из выражения, :

. (6.12)

где − амплитуда колебаний, ;

− сила тяжести вибропогружателя со сваей, .

В тех случаях, когда вначале неясно, в каком диапазоне будет находиться частота , сначала следует определить эту частоту по формуле (6.5) или из условия, Гц:

. (6.13)

Если величина или определены этим методом, то статический момент массы дебалансов, кг·м, рассчитывается по формулам:

(6.14)

и

. (6.15)

3. Используя табл. 6.3, определяют минимальную силу тяжести по (6.6) и проверяют, удовлетворяет ли эта сила тяжести условиям (6.7) или (6.8). Если при этом окажется, что полученная по (6.7) сила тяжести , то увеличить ее до ; если же окажется, что , то увеличить величину возмущающей силы до такого значения, при котором соблюдается условие (6.7). При выполнении расчетов по (6.8) в случае необходимости увеличивается либо сила тяжести, либо амплитуда вынуждающей силы (за счет увеличения или Θ).

4. Окончательно устанавливается статический момент дебалансов, частота колебаний и сила тяжести вибропогружателя и, в случае необходимости, дополнительной пригрузки, а затем проверяются окончательно эти параметры по формулам (6.1), (6.4), (6.5) и (6.7).

5. Определяется мощность приводного двигателя, :

, (6.16)

где - диаметр цапф валов вибровозбудителя, .

В формуле учтен КПД передачи от двигателя к вибровозбудителю, равный , коэффициент трения качения в подшипниках вибровозбудителя, равный , и дополнительный расход мощности на колебания грунтового массива, принятый от мощности, расходуемой на преодоление сопротивления грунта. Мощность можно рассчитать также и по одной из следующих формул, :

; (6.17)

; (6.18)

, (6.19)

где − мощность, необходимая для преодоления сопротивлений в механизме вибратора;

− мощность, необходимая для преодоления сопротивлений грунта;

− КПД передачи от двигателя к валам вибратора (можно принимать = 0,9 ).

,

где − амплитуда возмущающей силы, ;

− частота вращения вала вибратора, ;

− коэффициент трения качения в подшипниках, приведенный к диаметру цапфы вала (можно принимать ).

.

Этой составляющей общей мощности можно пользоваться при подборе параметров свайных вибропогружателей. Полученное значение в каждом случае целесообразно повышать на 10-20%, так как в формуле не учтены потери энергии на колебания грунтового массива. Мощность, рассчитанная по формуле (6.17) не учитывает потерь в трансмиссии и подшипниках; для определения мощности электродвигателей полученное по этой формуле значение следует разделить на КПД трансмиссии и других механизмов и устройств, которые в зависимости от конструкции вибропогружателя составляют 0.8-0.95 (в бестрансмиссионном вибропогружателе следует учитывать только потери в подшипниках и в механизме синхронизации).