Обоснование параметров и разработка комплекта гидравлического виброоборудования для подачи и уплотнения бетона при сооружении буронабивных свай

Развитие процессов фундаментостроения в России и за рубежом происходит с достаточно интенсивным увеличением доли свайных фундаментов, сооружаемых в транспортном и других видах строительства из железобетона буронабивным методом с погружением в образуемую скважину арматурного каркаса и заполнения ее бетонной смесью, доставляемой непосредственно на место строительства. Для данной технологии, получившей наименование ВПТ (метод вертикально перемещаемой трубы) промышленность ведущих стран освоила выпуск самоходных гидравлических бурильных агрегатов и других сопутствующих средств механизации. Однако этой технологии присущ ряд недостатков, снижающих эффективность использования данного вида фундаментных конструкций. Исследования российских ученых показали, что характеристики буронабивных свайных фундаментов могут быть значительно улучшены, если применить бетонные смеси более высоких марок с обеспечением их подачи и укладки на глубину, в том числе под воду, и виброуплотнение смесей по всей высоте сваи. Кроме того, в большинстве случаев представляется целесообразным предварительное уплотнение основания свай путем втрамбовывания в грунт на определенную глубину сыпучих материалов (щебня, песка). Усовершенствованная технология сооружения буронабивных фундаментов получила наименование «Вибростолб». Для ее осуществления необходимо оборудование вибрационного действия, оснащенное силовыми агрегатами и сменными рабочими органами, обеспечивающее заданные режимы активной обработки строительных материалов с требуемой амплитудой и частотой (АЧХ). Подобного рода оборудование в строительной практике отсутствуетнаиболее близкие к выдвигаемым требованиям зарубежные образцы громоздки, не мобильны, требуют источников мощности в 150−250 кВт и работают по несколько иным, менее эффективным технологиям. Это приводит к значительному увеличению экономических затрат и сложности использования имеющихся средств механизации и технологий как на отдаленных строительных объектах, так и в городском строительстве. Поэтому было признано необходимым создание мобильного отечественного вибрационного оборудования, построенного на принципе модульной компоновки узлов и агрегатов, потребляющего ограниченную мощность и обеспечивающего переменные скоростные и силовые параметры с оперативной их адаптацией к условиям производства работ. Оборудование должно быть полностью гидравлическимего основой должен служить полый вибратор дебалансного типа, оснащенный виброблоками вращательного действия, лишенными жесткой механической связи их валов. Это обеспечивает свободу компоновки вибратора, вариантность расстановки и количества виброблоков на нем и технологичность подачи материалов для укладки и обработки на глубине и по всей высоте сооружаемой сваи.

Работы по созданию нового виброоборудования начались в ОАО ЦНИИС в начале 90-х годов. Были разработаны опытные образцы гидравлических вибраторов дебалансного типа невысокой мощности и сопутствующих устройствпри этом практически полностью отсутствовали научно обоснованные данные по рациональной компоновке и расчету параметров гидравлических виброблоков и всего вибратора, требования к периферийной части гидропривода (насосная станция, зажимающий наголовник, система управления, коммуникации). Требовалось также получить уточненные характеристики вибропередающего секционного ствола переменной длины от вибратора к рабочему органу, расположенному внутри скважины.

Настоящая работа посвящена решению отмеченных выше проблем. Автором изучены материалы российских и зарубежных ученых в области вибротехники и гидравлического приводапроведен математический анализ работы вибросистемы, включающей гидромоторный вибратор, вибропередающий ствол с рабочим органом (виброштампом) и обрабатываемую среду (бетон, щебень). Проведен анализ работы двухвального дебалансного вибратора без жесткой связи вибровалов с установкой возможных условий их синхронного вращения и способов поддержания согласованности в работе с учетом внешних воздействий и внутренних потерь мощности. Определены аналитические зависимости и принципы выбора параметров виброблоков и виброагрегата в целом. Разработана крупномасштабная физическая модель, на которой с высокой степенью приближения изучалась работа технологического снаряда (насосная станция — вибратор — вибропередающий столб — обрабатываемая среда), включающего два или несколько виброблоков с расположением их в единой плоскости и в двухмерном пространстве. В процессе экспериментов изменялись частота вращения, момент дебалансов, расстояние между осями дебалансов, характер внешних нагрузок на вибратор. На основании I полученных аналитических данных и результатов стендовых экспериментов разработаны положения, принятые за основу при разработке конструкторской документации на комплект специализированного оборудования для технологии «Вибростолб».

Автор принял активное участие в разработке и изготовлении серийных образцов оборудования, их испытании и применении на объектах транспортного строительства в г. Москве. На основании накопленного практического опыта работы оборудования в реальных условиях и во все времена года, проведено комплексное обобщение данных, на основами которых проведено обоснование параметров виброоборудования для подачи и уплотнения бетона при сооружении буронабивных свай, разработана методика расчета основных конструктивных характеристик составных частей комплекта в зависимости от диаметра сваи и ее высоты, определен типоразмерный ряд модульных конструкций составных частей технологического оборудования. Установлена технико-экономическая эффективность использования нового комплекта оборудования, подтвержденная практическими результатами.

Работа проводилась по тематике филиала ОАО ЦНИИС «НИЦ «Стройтехкомплексы», на имеющейся в его распоряжении экспериментальной базе и с участием предприятий и организаций.

Угличмаш", «Инсотранс», «Спецтехнострой-4» и ряда мостостроительных отрядов.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Технология сооружения буронабивных свай повышенной несущей способности предусматривает виброукладку бетонной смеси на глубину, в том числе под воду и виброуплотнение смеси по всей высоте сооружаемой сваи. В ряде случаев требуется укрепление грунтового основания сваи путем виброштампования в него сыпучих материалов. С этой целью необходимо применения специального вибрационного оборудования, обеспечивающего регулируемость характеристик процесса воздействия на обрабатываемый материал (бетонная смесь, щебень, песок, грунт и т. д.) по амплитуде, частоте и возмущающей силе в режиме вибрации и виброудара. Эти условия наиболее эффективно обеспечиваются средствами механизации, снабженными гидравлическим приводом и системами дистанционного ручного и автоматизированного управления. Однако на сегодняшний день отечественные строители не обеспечены комплектами оборудования, полностью отвечающего выдвигаемым требованиям, необходимым для соблюдения технологических регламентов по сооружению буронабивных свай методом виброуплотнения бетонной смеси. Технология глубинного виброуплотнения и виброштампования сама по себе пионерна, в том числе и для зарубежных стран. Чтобы обеспечить масштабность применения данной новой технологии, необходима разработка специализированного вибрационного строительного оборудования, которое дало бы возможность сооружать буронабивные сваи повышенной несущей способности при любом их диаметре и глубине заложения, принятых в отечественном фундаментостроении на сегодняшний день и на перспективу. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью данной работы является определение исходных технических характеристик, экономических и эргономических требований и создание на их основе комплекта гидравлического вибрационного оборудования, обладающего возможностью модульной компоновки его составных частей. Комплект должен обеспечить реальную возможность виброуплотнения бетонной смеси на большой глубине и грунтовых оснований, в том числе в обводненных грунтах при сооружении буронабивных свай повышенной несущей способности с возможностью принудительного регулирования амплитудно-частотных характеристик агрегатов в требуемых пределах, а также качество выполнения технологических операций при различных условиях строительства и конструкций возводимых сооружений с возможностью постоянства оценки получаемых результатов. НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1. Исследован процесс работы и установлены принципы расчета и конструирования многодвигательных гидромоторных вибраторов дебалансного типа, состоящих из отдельных виброблоков, лишенных жестких механических связей между вибровалами и компонуемых по определенным схемам расстановки с обеспечением синхронности вращения дебалансов в заданных пределах по частоте и амплитуде.

2. Исследован процесс передачи вибровозмущений через жесткую столбчатую конструкцию от источника колебаний (вибратор) к рабочему органу (виброштамп) на большую глубину. Разработаны принципы регулирования параметров оборудования, обеспечивающие поддержание заданных режимов работы виброштампов на переменных глубинах при выполнении технологических операций виброштампования подвижных сред.

3. Исследован процесс работы гидропривода виброоборудования (регулируемый насос — длинномерные гибкие трубопроводыгидромоторы виброблоков), разработана уточненная методика расчета параметров гидропривода (по мощности, давлению, расходу жидкости) и выбору комплектующих элементов, включаемых в состав вибрационного гидрооборудования.

4. Исследовано влияние технологической вибрации на конструкцию серийных гидромоторовразработаны рекомендации по увеличению срока эксплуатации и повышению вибростойкости их конструкции.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Разработан компонуемый на модульной основе комплект гидравлического виброоборудования, обеспечивающий виброуплотнение бетонной смеси, щебня, песка и других сыпучих материалов при сооружении буронабивных сваи и щебеночных фундаментов в слабых и обводненных грунтах, а также вибропогружения арматурных каркасов и других длинномерных металлоконструкций при сооружении столбчатых фундаментов большой длины по бурошнековой технологии.

Изготовлена серия новых комплектов гидравлического виброоборудования, с помощью которого осуществлено сооружение более 2 тысяч свайных фундаментов повышенной несущей способности на объектах транспортного строительства.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Уточненная методика расчета параметров и выбора составных частей (агрегатов) и комплектующих изделий гидравлического вибрационного оборудования для виброуплотнения бетонной смеси, учитывающая динамику запуска инерционных масс, большую длину гибких трубопроводов, регулирование расхода, температурных условий, аккумулирование энергии для зажима наголовника во всем диапазоне изменения давления в гидромоторах виброблоков.

2. Математическая модель расчета и компоновки гидравлических многомоторных вибрационных машин, лишенных жесткой механической связи вибровалов, обеспечивающих выполнение процесса виброуплотнения бетонной смеси.

3. Принципы расчета и компоновки секционных и цельных длинномерных вибропередающих устройств, связующих генератор колебаний (вибратор) с рабочим органом (глубинным виброштампом различного назначения).

4. Рекомендации по увеличению моторесурса серийно выпускаемых промышленностью гидромоторов аксиально-поршневого типа, подвергаемых воздействию технологической вибрации.

ВЫВОДЫ.

Теоретические разработки, экспериментальные исследования и испытания в условиях реального строительства позволили установить следующее.

1. Применение вибраторов с несоединенными механически дебелансными валами для технологии сооружения фундаментов «Вибростолб» является наиболее целесообразным, так как это обеспечивают свободу расстановки виброблоков, наличие по вертикальной оси агрегата полости нужного диаметра и сознательное регулирование соотношения вертикальных горизонтальных колебаний в зависимости от характера производимой операции.

2. Технологический снаряд для выполнения виброобработки материалов в скважине предусматривает верхнее расположение вибратора, соединяемого вертикальным вибропередающим полым стволом с фиксацией на его конце сменных перистых виброштампов. Расположение вибратора внизу, непосредственно возле виброштампа, не представляется целесообразным, поскольку это влечет за собой значительное усложнение и удорожание оборудования и дополнительные сложности при эксплуатации, снижающие производительность трудапри этом КПД вибропередачи при заданной глубине погружения (до 30 м) повышается в пределах, не оправдывающих усложнение конструкции узлов и агрегатов.

3. Основой комплекта специального виброоборудования может служить одноили двухмоторные виброблоки модульной конструкции, образующие типоразмерный ряд из трех базовых моделей. Число блоков может составить 2, 3 или 4, скомпонованных на единой базовой конструкции в один ряд («классика»), в два ряда вертикально («этажерка»), в горизонтальной плоскости («крест» и «звезда»). Остальные составные части комплектов оборудования также могут быть выполнены на основе модульной компоновки с тремя уровнями модульности.

4. Режим синхронизации вращения вибровалов может быть сознательно выдержан со степенью точности от 0 до 100%. При правильном выборе регулируемых параметров виброоборудования и конструктивной компоновке технологического снаряда обеспечиваются:

— виброподача бетонной смеси с частотой до 2000 к/мин. при радиальной составляющей от 15 до 20%;

— виброуплотнение уложенной бетонной смеси с частотой 1500 к./мин. при радиальной составляющей от 30 до 50%;

— виброштампование щебня в грунт с частотой 600 — 900 к/мин. при радиальной составляющей, близкой к нулевому значению;

— вибропогружение арматурных каркасов в свежеуложенный бетон с частотой до 1200 к/мин. при радиальной составляющей не более 10%.

5. Для корректировки синхронного режима вращения виброблоков в периоды разгона и установившегося движения целесообразно использовать серийно выпускаемые делительные клапаны (делители потока) — при использовании в вибраторе более двух виброблоков их соединение с делительным клапаном следует выполнять по бортовой схеме.

6. Для привода вибровалов наиболее целесообразно использовать аксиально-поршневые гидромоторы (по условиям регулирования, запуска, высоких КПД, высокого давления, вибростойкости и стойкости к перегрузкам). Срок службы гидравлических вибраторов (при регламентированной замене моторов) — от 1000 до 2500 час. активной работы в зависимости от режимов нагружения. Продление сроков службы гидромоторов обеспечивается путем периодического смещения фаз вращения поршневой группы гидромотора относительно положения дебалансов с шагом 90 градусов.

7. Для обеспечения добротности гидропривода оборудования необходимо конструктивно предусматривать:

— запас по расходу (по производительности насоса) на 20 — 25% от расчетно-максимального;

— запас по давлению на 15 — 20% от расчетно-максимального;

— скорость протекания рабочей жидкости по трубопроводам: рабочие длинномерные линии к гидродвигателям — 12 м/слиния всасывания -0,5 — 1,0 м/слинии слива — 4 м/с.

— рабочий диапазон температуры жидкости в масляном баке — 40−80°С.

8. Наличие гидроаккумулятора в гидросистеме виброоборудования с учетом его возможностей заполняться рабочей жидкостью и разряжаться с различным интервалом времени, обеспечивает:

— поглощение пиков давления при гидравлических и динамических нагрузках на гидромоторы, в особенности в период разгона вибровалов с места;

— сглаживание пульсации жидкости, подаваемой насосом;

— накопление потенциальной энергии в виде объема жидкости, находящейся под давлением, которая необходима для гарантированного поддержания усилия в системе механизмов наголовника, предназначенных для зажима сменных рабочих органов.

9. При параллельном соединении гидромоторов запуск необходимо осуществлять при настройке насоса не на нулевую, а на начальную производительность Q3anycK, соответствующую минимальной устойчивой частоте вращения гидромоторов, что позволит в короткий период преодолеть зону их неустойчивой работы и ввести гидромоторы в синхронный режим. При необходимости запуска вибратора от нулевой скорости с плавным нарастанием частоты вращения до рабочей целесообразно воспользоваться синхронизирующим устройством, в качестве которого в эффективно применим делитель потока.

10. Необходимость обеспечения свободного выбега гидромоторов вибраторов при остановке вибратора во избежание высоких динамических перегрузок привода и механизмов, если остановку оборудования производить принудительным путем.

11. При вибропередаче колебаний от вибратора до рабочего виброштампа происходит падение амплитуды колебаний. Амплитуда колебаний на один метр обрабатываемой сваи уменьшается на 0,7 — 1,5%.

12. При расстановке виброблоков по определенным схемам следует отдавать предпочтение их возможным вариантам в зависимости от выполняемых технологических процессов:

— при расстановке в вертикальной плоскости — виброштампование щебня и вибропогружение арматурных каркасов диаметром свыше 1 м;

— при расстановке в горизонтальной плоскости — виброуплотнение бетонной смеси и вибропогружение арматурных каркасов диаметром более 1 м;

13. Для сооружения буронабивных свай диаметром от 0,6 до 1,7 м глубиной до 30 м достаточно комплекта виброоборудования мощностью 40 кВтдля сооружения свай диаметром до 3 м на глубину 50 м необходим комплект виброоборудования мощностью 120 кВт, если оборудования с такой мощность отсутствует, то существует возможность совместной работы двух или трех данных комплектов.

РЕКОМЕНДАЦИИ.

В качестве рекомендательных документов, обеспечивающих разработку перспективных комплектов гидравлического оборудования для работы по технологии «Вибростолб» в работе приведены:

1. Методика расчета комплекта гидравлического вибрационного оборудования для подачи и уплотнения бетонной смеси при сооружении буронабивных свай.

2. Типоразмерный ряд модульных виброблоков с приводом от серийных отечественных гидромоторов аксиально-поршневого типа.

3. Методика расчета и выбор составных частей гидропривода вибрационного оборудования.

4. Принципиальные схемы составных частей гидравлического привода.

5. Схемы расстановки модульных виброблоков с индивидуальным приводом вращения вибровалов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Виноградов О. В., Ходоров И. В. Физическая модель для исследования модульных конструкций гидромоторных вибраторов с регулируемыми параметрами. Труды ОАО ЦНИИС. Вып. 216. «Совершенствование конструкций транспортных сооружений для экстремальных условий» -М., ОАО ЦНИИС, 2003, с. 32 — 45.

2. Виноградов О. В., Ходоров И. В. Методика лабораторных исследований процесса объемного виброштампования жесткого материала в основании буронабивной сваи. Труды ОАО ЦНИИС. Вып. 216. «Совершенствование конструкций транспортных сооружений для экстремальных условий» — М., ОАО ЦНИИС, 2003, с. 58 — 65.

3. Виноградов О. В., Ходоров И. В. Опыт устройства основания, укрепленного щебеночными сваями, при строительстве железнодорожной насыпи левобережного подхода к Андреевскому мосту. Труды ОАО ЦНИИС. Вып. 205. — «Актуальные вопросы транспортного строительства» — М., ОАО ЦНИИС, 2001.

4. Виноградов О. В., Ковров Г. В. Модульные комплекты оборудования для монтажных работ при строительстве мостов. Труды Научнотехнич. конференции «Современные технологии строительства, реконструкции, ремонта и содержания искусственных сооружений на автомобильных дорогах» — М., 2002, с. 88 — 96.

5. Виноградов О. В., Ходоров И. В., Смирнов А. Ю. Технология сооружения буровых свай повышенной несущей способности.

Вибростолб". Труды Научно — технич. конференции «Современные технологии строительства, реконструкции, ремонта и содержания искусственных сооружений на автомобильных дорогах» — М., 2002, с. 128- 139.

6. Виноградов О. В. Повышение надежности работы гидромоторов в вибрационном и ударном режимах нагружения. Труды ОАО ЦНИИС. Вып.220. «Транспортные сооружения. Расчеты, испытания, строительство». М., ОАО ЦНИИС, 2004, с.79−90.

7. Виноградов О. В., Иванов Ю. Е., Панин И. А. Пути совершенствования подбивочных блоков путевых машин типа ВПРМ-Г. Труды ОАО ЦНИИС. Вып.220. «Транспортные сооружения. Расчеты, испытания, строительство». М., ОАО ЦНИИС, 2004, с. 170−180.