Фундаменты опор мостов из жб оболочек - Вибропогружатели

ГЛАВА IV
ВИБРОПОГРУЖАТЕЛИ
§ 1. ОПИСАНИЕ ВИБРОПОГРУЖАТЕЛЕЙ

Опыт применения вибропогружателей ВП-1 и ВП-3 на строительстве моста через р. Янцзы показал, что они не пригодны для погружения сборных железобетонных оболочек больших диаметров. Так, например, вибропогружатель ВП-3 с возмущающей силой 42,5 т смог погружать оболочку диаметром 1,55 м, весом 35—40 т на глубину 20—22 м в песчаные грунты только при интенсивном внутреннем и наружном подмыве.
Необходимость заглубления оболочек диаметром от 0,55 до 6 м в грунты различных категорий, а также в скважины, пробуренные в скальных породах, потребовала создания более мощных и совершенных вибропогружателей—ВП-4, ВП-5, ВП-УА и ВП-УБ.
При разработке конструкции и определении параметров вибропогружателей ВП-4 и ВП-5 был учтен производственный опыт погружения шпунта, свай и труб в Советском Союзе и предварительные данные погружения железобетонных оболочек диаметром 1,55 м вибропогружателем ВП-3.
К моменту проектирования и изготовления вибропогружателей ВП-4 и ВП-5 в Советском Союзе были известны три схемы погружения и три основных типа вибропогружателей.
К первому и самому распространенному типу относятся вибропогружатели монолитной конструкции марок БТ-5, 101, 104, ВП-1, ВП-3 и др. Вибропогружатель с жестко закрепленным на нем электродвигателем монтируется и жестко крепится на погружаемом элементе. Вынужденные колебания вибропогружателя с той же частотой передаются погружаемому элементу. По этой схеме погружение элемента в грунт происходит за счет его собственного веса и действия вертикально направленной, периодически действующей возмущающей силы вибропогружателя.

Вторым, достаточно распространенным типом являются вибропогружатели с подрессоренной пригрузкой марки ВПП-2. По этой схеме вибропогружатель жестко закреплен через промежуточное соединительное звено с погружаемым элементом. На вибропогружателе монтируется подрессоренная цилиндрическими пружинами пригрузочная плита, на которой размещен и закреплен электродвигатель вибропогружателя. Жесткость пружин подбирается так, чтобы амплитуда колебаний пригрузки была значительно меньше амплитуды вынужденных колебаний вибросистемы.
Авторы этого типа вибропогружателя, вводя в конструкцию вибромашины пригрузочную плиту, стремились создать метод погружения, при котором погружение элемента происходило бы за счет вибрации в комбинации с ударом.
Третьим и сравнительно новым типом вибропогружателей являются вибромолоты. Схема погружения вибромолотами отличается от предыдущих схем тем, что вибратор прикрепляется к наголовнику с помощью пружинного устройства. При надлежащем выборе параметров вибратора возникают частые удары его бойка о наголовник, жестко прикрепленный к погружаемому элементу. Кроме того, на погружаемый элемент будет действовать реакция пружин, вызывающих вынужденные колебания вибросистемы. По этой схеме погружение должно происходить за счет силы удара в комбинации с вибрированием. Недостаток этой схемы заключается в том, что удар производится вибратором, а следовательно, и мотором, который к нему жестко прикреплен. Подвешенный на пружинах корпус вибропогружателя с вмонтированными в него двумя электродвигателями с дебалансами бойком днища ударяет о наковальню промежуточной плиты, жестко связанной с погружаемым элементом.
Опыт работы со всеми тремя типами вибропогружателей показал, что первый тип вибропогружателей достаточно работоспособен, имеет сравнительно высокий энергетический коэффициент полезного действия и достаточно эффективную погружающую способность.
Второй тип вибропогружателей с подрессоренной пригрузкой в производственных условиях показал достаточно эффективную погружающую способность, конструктивную сложность, недостаточно устойчивую работоспособность отдельных его узлов, а при сравнении энергетическая характеристика его уступает характеристике вибропогружателей первого типа.
По данным проф. Д. Д. Баркана, абсолютное значение мощностей, потребляемых вибропогружателем ВПП-2, достигает 75—100 кВт, а значение мощности, потребляемой вибропогружателями первого типа, при погружении шпунта на одну и ту же глубину 11 м не превышало 40—45 кВт. Величина мощности, потребляемой самим вибропогружателем для преодоления внутренних сопротивлений, у ВПП-2 больше, чем у других вибропогружателей.

Третий тип вибропогружателей (вибромолот) еще не нашел широкого практического применения, хотя результаты опытной эксплуатации доказывают необходимость применения этой системы вибрирования в тех случаях, когда при погружении приходится преодолевать значительные лобовые сопротивления. Медленное внедрение этого типа вибропогружателей объясняется отрицательными данными испытаний, показавших, что сила удара вибропогружателем об элемент воспринимается всеми узлами его конструкции и электромотором. В результате электродвигатели этих вибропогружателей очень быстро выходят из строя.
За прототип вибропогружателей ВП-4 и ВП-5 был выбран вибропогружатель монолитной конструкции.
К вновь создаваемой конструкции вибропогружателей ВП-4 и ВП-5 были предъявлены следующие требования:

1. параметры вибропогружателей должны были обеспечить погружение железобетонных оболочек с боковой площадью в 220 м² весом 80—100 т на глубину до 30—35 м в водонасыщенные пески без заклинивания их грунтом и сбрасывания мощности электродвигателем вибропогружателя;
2. величина возмущающей силы вибропогружателя должна была быть больше веса погружаемой оболочки на 20—30%;
3. погружающее давление, развиваемое вибросистемой, должно быть достаточным для преодоления сниженных действием вибрирования лобовых и боковых сопротивлений грунта погружению элемента;
4. конструкция вибропогружателя должна быть монолитной и в соединении с погружаемым элементом представлять жесткую вибросистему;
5. конструкция узлов и деталей вибропогружателя и конструкция электродвигателя и пускорегулирующей аппаратуры должны быть износоустойчивыми.

Параметры новых типов вибропогружателей были определены по методике, рекомендованной Савиновым и Лускиным1.

1 О. А. Савинов, А. Я. Лускин. «Об основах вибрационного метода погружения свай». Доклады ВНИТО строителей «Новое в области оснований гидротехнических сооружений», Лениздат, 1953.
w — угловая скорость вращения эксцентриков в 1 сек;
q — ускорение силы тяжести;                                                 
S— периметр боковой поверхности в см²;
F — площадь поперечного сечения железобетонной оболочки в м²;
Н — глубина погружения оболочки в см;
Р — необходимое давление в кг/см².
Зная из опытных данных, что удовлетворительное погружение оболочек в различные грунты низкочастотными вибропогружателями происходит при амплитуде вынужденных колебаний вибросистемы не ниже 12—15 см, а величина критического сопротивления различных грунтов срыву колеблется в пределах 1,2—2,0 т/м², были определены параметры вибропогружателей ВП-4 и ВП-5.
Основные параметры вибропогружателей ВП-4 и ВП-5 приведены в табл. 17.

Таблица 17

Примечание. Цифры в знаменателе относятся к вибропогружателям, имеющим эксцентрики с меньшим радиусом.

Вибропогружатели ВП-4 и ВП-5. Вибропогружатель ВП-4 представляет собой монолитного типа одночастотную шестивальную вертикально направленного действия вибромашину. Вибропогружатель снабжен дублирующими сменными дебалансами. Наличие дублирующих эксцентриков с большим радиусом инерции дает возможность, в случае производственной необходимости, работать вибропогружателем в одночастотном или двухчастотном режимах. 

Рис. 103. Вибропогружатель ВП-4:
1 — корпус вибропогружателя; 2 — переборка; 3 — гнезда подшипников; 4 — грузовой вал; 5 — эксцентрик; 6 — электромотор; 7 — шестерни привода; 8 — крышка корпуса; 9 — двери; 10 — болты крепления; 11 — конусный патрубок

Переоборудованный на одночастотный режим работы вибропогружатель на всех грузовых валах имеет одинаковые по весу и радиусу инерции дебалансы, вращение которых происходит с одинаковой скоростью. Переоборудованный на двухчастотный режим работы вибропогружатель ВП-4 имеет на верхних и нижних грузовых валах эксцентрики радиусом 330 мм общим весом 1 876 кг, а на средних—эксцентрики радиусом 215 мм и общим весом 432 кг.
Скорость вращения верхних и нижних грузовых валов в два раза меньше скорости вращения средних валов.
К основным узлам вибропогружателя относятся (рис. 103):
1) корпус вибропогружателя, 2) грузовые валы с эксцентриками, 3) цилиндрические шестерни грузовых валов, 4) конусный патрубок с фланцем, 5) электромотор, 6) пускорегулирующая аппаратура.
Электромотор вибропогружателя типа АМ-6 представляет собой обыкновенный асинхронный двигатель с фазовым ротором мощностью 155 кВт при 735 об/мин. Пускорегулирующая аппаратура позволяет регулировать обороты мотора в семи диапазонах в пределах от 300 до 735 об/мин. Потребляемая нагрузка вибропогружателем в двухчастотном режиме достигает 300 а при напряжении 380 в. Развиваемая при этом возмущающая сила вибропогружателя в 90 т дает возможность погрузить железобетонную оболочку диаметром 1,55 м и весом 40 т в мелкозернистые водонасыщенные грунты на глубину 20 м.
Шестеренчатый привод имеет основные и дублирующие шестерни, позволяющие при соответствующем перемонтаже их работать вибропогружателю то на одночастотном, то на двухчастотном режимах. При двухчастотном режиме вращение дебалансов с различными угловыми скоростями приводит к тому, что изменение центробежных сил инерции эксцентриков во времени не будет совпадать, поскольку периоды колебаний эксцентриков различны по величине.    
Происходит фазовое смещение кривых центробежных сил инерции эксцентриков верхних и нижних валов относительно середины. Величины центробежных сил инерции в отдельные периоды будут то складываться, то вычитаться, давая в итоге результирующую центробежных сил вибропогружателя, изменяющуюся по кривой сложного порядка (рис. 104).
Вибропогружатель ВП-5 представляет собой двухчастотную восьмивальную вибромашину; он однотипен с вибропогружателем ВП-4. Внешний вид, габариты, конструкция и принцип работы у вибропогружателей ВП-4 и ВП-5 одинаковы. Сократив межцентренное расстояние грузовых валов с 560 до 430 мм, удалось в один и тот же по габаритам корпус вмонтировать вместо шести восемь грузовых валов, увеличив радиус эксцентриков на 25 мм.

Рис. 104. График изменения величины возмущающей силы вибропогружателя ВП-4 в зависимости от положения эксцентриков
Рис. 105. Кинематическая схема шестеренчатого привода вибропогружателя ВП-5:
1 — шестерня на валу двигателя; 2 — валы с эксцентриками одного ряда; 3 — валы с эксцентриками второго ряда
Кинематическая схема (рис. 105) привода позволяет первому и третьему рядам грузовых валов вращаться со скоростью 450 об/мин, а второму и четвертому — 900 об/мин. Развиваемая при этом возмущающая сила достигает 120 т.

Если первому и. третьему рядам грузовых валов сообщить скорость вращения в 500 об/мин, а второму и четвертому— 1 000 об/мин, то возмущающая сила вибропогружателя достигает 135 т.
Вращение грузовых валов вибропогружателя ВП-5 с различными угловыми скоростями приводит к изменению центробежной силы инерции эксцентриков по кривой сложного порядка (рис. 106).