Применение безрезонансного вибропогружения при геотехнических работах

Вопрос устройства ограждений котлованов сравнительно недавно стал занимать инженеров проектировщиков, в связи с развитием строительства зданий и сооружений с развитой подземной частью, а так же в условиях стесненной городской застройки. Однако история применения свай в качестве основания тянется еще с древних времен. Долгое время основным (да и, пожалуй, единственным) способом погружения свай являлась забивка. Идея применения вибрационных воздействий для погружения элементов (изначально – свай) всерьез начала прорабатываться в 20 – 40-х годах XX века. Сохранились единичные источники применения вибропогружения в более ранние периоды: так, например, описывается строительство в XVIII веке на территории Шотландии фортификационных сооружений в болотистой местности на деревянных сваях, погружаемых в грунты путем «подпрыгивания и раскачивания» людей на дощатых площадках, закрепленных «на верхней трети» погружаемого элемента. Такой способ можно считать «прародителем» современных вибропогружателей.

В начале середине прошлого века к идее вибропогружения обращались инженеры практически всех европейских стран (особенно Голландии и Великобритании – в силу широкого распространения неустойчивых, водонасыщенных, болотистых грунтов).

В СССР теория вибропогружения была разработана и сформулирована профессором Д.Д. Барканом в 1949 году. Впервые на практике вибропогружатель использовался при строительстве Горьковской ГЭС, проектирование и строительство которой длилось в период с 1948 по 1959 года.

В 1964 году технология вибропогружения достигла масштабного развития, позволив погружать наклонные сваи-оболочки, при строительстве автодорожного моста через реку Южный Буг (самый большой автодорожный мост в СССР на то время).

В настоящие дни вибропогружение, как вид геотехнических работ, начало получать широкое распространение не только в Санкт-Петербурге, но и в Москве. Сдерживающим фактором развития в прошлом являлось массовое строительство в более простых менее проблемных, с точки зрения инженерно-геологических условий, местах. С течением времени, с развитием освоения подземного пространства городской застройки г. Москвы стали появляться стройплощадки с высоким уровнем грунтовых вод, с заглублением подземных частей зданий во влажные и водонасыщенные грунты. Устройство “стены в грунте” не всегда бывает оправдано с экономической точки зрения и требует выполнения большого объѐма подготовительных работ. Также при устройстве “стены в грунте” в водонасыщенных “слабых” грунтах существует свой комплекс проблем. Устройство шпунтового ограждения в сравнении со стеной могло бы решить проблемы, в том числе и экономическую, но традиционные методы погружения забивка и погружение вибропогружателями нормальной и высокой частоты вблизи с существующими зданиями невозможно из-за динамических колебаний, передаваемых от грунта на конструкции зданий.

С появлением поколения безрезонансных вибропогружателей проблема передачи колебаний была решена.

Для того чтобы определить основные преимущества безрезонансного вибропогружения необходимо сначала разобраться в основных принципах работы гидравлического (и не только) вибропогружателя: Вибропогружатель передает вибрацию погружаемому элементу (трубе, шпунту и т. п.) с целью его погружения или извлечения.

Рис.1. Схема работы гидравлического вибропогружателя.

• Гидравлический вибропогружатель;
• Зажим;
• Шланги, соединяющие вибропогружатель и силовой агрегат;
• Дизельный гидравлический силовой агрегат.

Прилегающий к погружаемому элементу грунт, под воздействием вибрации, теряет сцепление с его поверхностью, что способствует погружению в него элемента под действием собственной массы и массы вибропогружателя. Тот же принцип используется для извлечения элемента посредством тягового усилия крана.

Вибрация возникает следующим образом: установленные в редукторе два несбалансированных груза (дисбалансы) одновременно вращаются во взаимопротивоположных направлениях. Одновременное вращение вызывает циклическую вертикальную (вверх и вниз) вибрацию, как показано на диаграмме:

Рис.2. Диаграмма работы вибропогружателя с постоянной амплитудой колебаний.

Установленные парами дисбалансы вращаются с одинаковой угловой скоростью в противоположных направлениях и генерируют центробежные силы. Горизонтальные составляющие этих сил компенсируются, а вертикальные составляющие складываются, образуя центробежную силу F=mr², где:

где m дисбалансный момент, кгм r угловая скорость, рад/сек

Принципиальным отличием безрезонансных вибропогружателей от высокочастотных и вибропогружателей нормальной частоты является возможность изменения частоты и амплитуды непосредственно в процессе погружения.

Амплитуда A (мм) — общее вертикальное смещение вибрирующих элементов в течение полного оборота эксцентриков. Максимальная амплитуда рассчитывается по формуле: А=2а, а=mr/M, где:

М динамическая масса в вибрации (перемещение части вибропривода + зажима + погружаемого элемента), кг.

Изменение производится оператором через пульт дистанционного управления.

За счѐт изменения вышеупомянутых характеристик можно избежать больших кратковременных вибраций, наступающих в момент, когда частота вибрации совпадает с собственной частотой колебания грунта. В момент пуска машины дисбалансы находятся и начинают вращаться под углом 180 градусов друг против друга, производя нулевую амплитуду колебаний, иными словами, при запуске дисбалансы перемещаются относительно друг друга так, что центробежные силы уравновешиваются. Диаграмма в таком случае будет выглядеть следующим образом:

Рис.3. Диаграмма работы вибропогружателя (во время пуска/остановки) с переменной амплитудой колебаний.

Т.е. в момент пуска и набора частоты вибропогружатель не генерирует колебания.

Таким образом, в самый неблагоприятный момент, во время пуска после остановки, или при извлечении элементов шпунта, когда массив грунта прочно «прилеплен» к поверхности элемента, не происходит полной передачи пиковых вибраций на грунты основания и, соответственно, на конструкции окружающих строений. Постепенно угол поворота дисбалансов увеличивается, и после того как грунт теряет сцепление с поверхностью погружаемого (извлекаемого) элемента, амплитуда и частота достигают нужных значений.

Т.е. полный процесс погружения можно представить в виде графика, представленного на рис.4.

Возможность постоянного изменения частоты и амплитуды колебаний позволяет производить работы даже в условиях стесненной застройки, в случае примыкания к зоне ведения работ разнотипных сооружений (с различной частотой собственных колебаний). При этом не возникает резонансных явлений, т.к. не происходит длительной работы на частоте, совпадающей с частотой собственных колебаний одного из сооружений или какого-либо (каких-либо) из его элементов.

Рис.4. График сопоставления режимов работы вибропогружателей с постоянной и переменной амплитудой колебаний.

В качестве примера приведены фотографии (фото. 1 и фото. 2) устройства шпунтового ограждения вплотную к существующим строениям на объекте: “Строительство административно-бытового здания по адресу: Москва, ЦАО, ул. Сретенка, вл.10/3, стр.1”.

Фото 1.

Фото 2.

Очевидно, что технология безрезонансного вибропогружения обладает рядом преимуществ:

• безрезонансный пуск и остановка;
• низкий уровень шума и вибрации, (уровень шума не выше 50 децибел, что соответствует стандарту Евро 4);
• высокая экологичность;
• низкая потребность в энергии по достижении рабочей частоты через приспособление амплитуды;
• оптимальное приспособление частоты и амплитуды к грунтовым условиям;
• автоматическая стабилизация частоты и избежание резонанса в моменты достижения предельной нагрузки;
• удобная система управления;
• высокая производительность;
• мобильность;
• подготовка к началу работ 20 40мин.
• универсальный гидравлический зажим позволяет производить погружение элементов (шпунта, труб, прокатных профилей, свай и т.д.) практически любых сечений и размеров.

Как уже упоминалось, стало возможным извлечение элементов шпунта для повторного его применения, а, как известно, ни один из известных способов устройства ограждения котлованов не позволяет использовать материалы повторно.

Это поколение вибропогружателей также наиболее приспособлено для работы в сложных переменных грунтовых условиях, за счет подбора оптимальных режимов работы для каждого из инженерногеологических элементов, на конкретной строительной площадке. Кроме того, возможность погружать элементы практически любого сечения, выполненные из различных материалов (сталь, бетон, пластик), открывает возможности для использования вибропогружения в широком спектре геотехнических работ: устройство ограждений котлованов, погружение свай, устройство противофильтрационных завес и геотехнических экранов. Следует заметить, что несмотря на достоинство данной технологии возможность еѐ применения на той или иной стройплощадке должна определятся квалифицированными специалистами на основании конкретных инженерно-геологических условий.