ВИБРОПРОБИВНОЕ ИНЪЕКЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства и может быть использовано как для ускоренного изготовления фундаментных колодцев без выемки грунта, так и для непосредственного изготовления виброинъекционных набивных свай.
Известно устройство для вытрамбовывания скважин в грунте, содержащее привод и рабочий орган, включающий корпус, рабочий наконечник для разрушения грунта, расположенный у нижнего конца корпуса, направляющую, размещенную внутри корпуса в продольном его направлении, ударник, выполненный с возможностью его перемещения вдоль направляющей, причем привод выполнен в виде линейного импульсного двигателя, состоящего из реактора и якоря с многополюсными обмотками и импульсного источника питания, причем реактор с многополюсной обмоткой размещен на внутренней поверхности ударника, а якорь с многополюсной обмоткой на наружной поверхности направляющей (1).
Однако, данное техническое решение обладает низкой производительностью работ и весьма ограниченные технологические возможности (эффективно при диаметрах не более 200 мм), в связи с относительно малой величиной энергии пружинного удара.
Известна новая высокоэффективная самоходная на гусеничном ходу установка фирмы «Bauer» для устройства буронабивных свай, включающая бурораскатывающий рабочий орган для изготовления фундаментных колодцев с уплотненными стенками без выемки грунта, снабженный специальным отверстием для подачи в забой колодца бетонной смеси под давлением с помощью вспомогательного гусеничного самоходного бетононасоса с одновременным поднятием рабочего органа. После изготовления бетонного
ствола сваи производится погружение армокаркаса с помощью специального вибратора. (2)
Данное техническое решение имеет существенно ограниченные функциональные и технологические возможности (установка может выполнять сваи диаметром только от 450 до 600 мм и применяется только на однородных сжимаемых грунтах и совершенно неприемлема для песчаных грунтов с несжимаемыми слоями в присутствии гравия), дорогостоящее и отличается повышенным уровнем сложности и энергопотребления.
Ивестна и новая, не менее эффективная машина Soilmec CM 120 фирмы «Soilmec», представляющая собой модернизированный вариант отечественной машины СМ 120, снабженный специальной двойной системой вращения - обсадной трубы и встроенной во внутрь ее полой шнековой колонны, через которую после погружения обсадной трубы и шнека до проектной отметки и выбуривания колодца производится нагнетание в него бетона с одновременным подъемом и обсадной трубы, и шнека. По окончанию бетонирования (также с помощью вспомогательной бетононасосной установки) в колодец, заполненный бетоном, погружается армокаркас (также с помощью вибратора). (2)
Однако, наряду с очевидными преимуществами над аналогами (возможность применения практически для всех типов грунтов) данному техническому решению также присущи заметные недостатки и ограничения. Предназначенное для работы с диаметрами 350, 400 и 450 мм при использовании двойного ротора, оно практически неэффективно для применения в высокоадгезионных грунтах (мокрые глины и т.п.) и также отличается высоким уровнем энергопотребления и технической сложности
Известно также вибропробивное устройство, взятое нами в качестве прототипа, содержащее рабочий орган, включающий полый, формообразующий корпус, выполненный в виде размерообразующей направляющей трубы со съемным фланцем на одном конце и формообразующего рабочего наконечника с внутренней ударной пятой - на другом, и вибропривод в виде виброударновращающего механизма с ударником, при этом формообразующий корпус и виброударновращающий механизм выполнены с возможностью жесткой связи между собой посредством сцепной муфты, одна полумуфта которой закреплена на съемном фланце формообразующего корпуса, другая - на теле ударника виброударновращающего механизма, причем виброударновращающий механизм выполнен в виде дебалансного вибратора с двусторонним электромеханическим приводом, обеспечивающим раздельные возвратно-поступательное
в вертикальной и возвратно-вращательное в горизонтальной плоскостях движения жестко связанному с вибратором ударнику, расположенному внутри формообразующего корпуса, размещенному с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно его направляющей в вертикальной плоскости и возвратно-вращательного перемещения вместе с ним в горизонтальной плоскости и установленному соосно пяте формообразующего рабочего наконечника посредством роликовых опор, закрепленных на теле ударника по диаметру его сечений через 120 град. с разворотом относительно друг друга на 60 град. (3)
Данное техническое решение имеет существенные преимущества перед аналогами, обеспечивает в сравнении с ними значительное расширение технологических возможностей и не менее значительное уменьшение энергозатрат.
Однако и это техническое решение содержит ограничения, сдерживающие расширение технологических возможностей вибропробивного устройства.
Они заключаются в том, что механическое разделение двустороннего привода с одним электродвигателем, наряду с жесткой, но разъемной муфтой, позволяет передавать вращающее движение формообразующему корпусу только на этапе подъема его из пробитого колодца.
Невозможность применения вращающего движения на этапе погружения в грунт существенно ограничивает технологические возможности виброударновращающего механизма и вибропробивного устройства в целом в повышении производительности работ при изготовлении фундаментных колодцев.
К тому же эффективность схемы двустороннего привода с одним электродвигателем уменьшается с увеличением диаметра колодца. Требуется установка промежуточного вала, что при неизменных функциональных возможностях усложняет конструкцию и снижает ее надежность.
Наконец, все подшипниковые узлы двустороннего привода, установленного на корпусе дебалансного вибратора, при работе на погружение вибропробивного устройства в грунт подвержены воздействию значительных динамических нагрузок, что приводит к преждевременному выходу их из строя, т.е. к сокращению срока службы всего привода.
Помимо этого, вибропробивные устройства высокоэффективны в водоненасыщенных грунтах 1-3 категории плотности. В водонасыщенных грунтах или в сухих сыпучих песках, без немедленного инъекцирования бетона по мере подъема устройства из пробитого колодца, он может быть тут же засыпан песком или затянут илом.
К тому же, динамика возвратно-вращающих движений неблагоприятно влияет на работу механизмов подъема, вызывая в элементах его кинематических связей напряжения крутильных колебаний.
Таким образом, задачей создания предлагаемого технического решения является дальнейшее повышение эффективности работы вибропробивного устройства путем устранения указанных недостатков, расширения технологических возможностей и уменьшения энергоресурсопотребления.
Поставленная задача решается тем, что вибропробивное инъекционное устройство, содержащее рабочий орган, включающий полый формообразующий корпус, выполненный в виде размерообразующей направляющей трубы со съемным фланцем на одном конце и формообразующего рабочего наконечника с внутренней ударной пятой - на другом, и вибропривод в виде виброударновращающего механизма с ударником, при этом формообразующий корпус и виброударновращающий механизм выполнены с возможностью кинематической связи между собой, причем виброударновращающий механизм выполнен в виде дебалансного вибратора с двусторонним электромеханическим приводом, обеспечивающим возвратно-поступательное в вертикальной и возвратно-вращательное в горизонтальной плоскостях движения жестко связанному с вибратором ударнику, расположенному внутри формообразующего корпуса, размещенному с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно его направляющей в вертикальной плоскости и возвратно-вращательного перемещения вместе с ним в горизонтальной плоскости и установленному соосно пяте формообразующего рабочего наконечника, отличающееся тем, что размерообразующая направляющая труба формообразующего корпуса выполнена полой и состоящей из внутренней - направляющей и наружной - размерообразующей оболочек, между которыми вмонтированы трубчатые бетоноводы, а формообразующий рабочий наконечник имеет разъем в горизонтальной плоскости, причем верхняя формообразующая часть имеет длину размером не более, чем 2 D, и выполнена с внутренней ударной пятой и бетонопроводящими каналами, а нижняя, пробивная - в виде сменного подвижного перевернутого конуса, основание которого, снабженное направляющим хвостовиком, закрывает выходные отверстия бетонопроводящих каналов при погружении устройства, а кинематическая связь формообразующего корпуса и виброударновращающего механизма выполнена постоянной и осуществлена посредством разнесенных по длине ударника двух подвижных, направляющих, одновременно обеспечивающих соосность ударника и ударной пяты формообразующего рабочего наконечника, неразъемных шлицевых муфт, неподвижные полумуфты которых закреплены:
верхняя - на съемном фланце, нижняя - на внутренней стороне направляющей оболочки формообразующего корпуса, а обе подвижные полумуфты - на теле ударника виброударновращающего механизма, при этом для обеспечения раздельных и совмещенных возвратно-поступательного и возвратно-вращательного движений двусторонний электромеханический привод дебалансного вибратора выполнен раздельным в виде двух независимых одноименных приводов в составе двух электродвигателей и двух клиноременных передач, смонтированных на одноименных тумбах съемного фланца формообразующего корпуса, таким образом, что оси вращения одноименных ведущих и ведомых шкивов ременных передач находятся в одноименных горизонтальных плоскостях осей вращения ведущих валов дебалансного вибратора, а формообразующий корпус снабжен опорно-поворотным кругом, подвижная часть обоймы которого закреплена на его фланце, а неподвижная - на подвеске грузоподъемной машины или на направляющей каретке копровой установки.
Предлагаемое техническое решение имеет существенные преимущества перед прототипом и, обладая представленными конструктивными элементами и связями между ними, создает широкие перспективы дальнейшего расширения функциональных и технологических возможностей, при ощутимом энергоресурсосбережении, а именно:
- модернизировать вибропробивные устройство по патенту на полезную модель №40332, МПК Е 02 D 7/18 (прототип);
- заменить такие методы устройства фундаментных колодцев и набивных свай как бурение, погружение вибраторами инвентарных обсадных труб, закрытых снизу теряемым железобетонным башмаком, бурение с раскаткой без выемки грунта, погружение шнека и обсадной трубы двойной системой вращения, с последующим или единовременным инъекцированием колодцев бетоном;
- создать унифицированный ряд высокопрозводительных малоэнергоемких вибропробивных инъекционных устройств для изготовления однородных, компактных, с отличными структурными характеристиками и высокой несущей способностью виброинъекционных железобетонных набивных свай диаметром - 400 мм, 530 мм, 630 мм, 820 мм и 1020 мм, в соответствии со СНиП II Б.5 - 67*; во всех типах грунта, и тем самым;
- снизить удельные показатели энергоресурсопотребления за счет:
а) применения раздельных независимых электромеханических приводов с двумя электродвигателями, установленных на свободном от колебательных движений формообразующем корпусе с горизонтальным расположением осей вращения ременных передач в одноименных плоскостях приводных валов дебалансного вибратора, а также двух подвижных направляющих неразъемных шлицевых муфт, осуществляющих кинематическую связь виброударновращающего механизма с погружаемым формообразующим корпусом, что при сохранении всех преимуществ прототипа, дополнительно позволяет:
1 - осуществлять как раздельные, так и совмещенные возвратно-поступательные и возвратно-вращательные движения вибропробивного устройства, что дополнительно и существенно облегчит его работу и уменьшит энергозатраты на преодоление сопротивления грунта;
2 - Уменьшить знакопеременные напряжения кручения в сечениях элементов вибропробивного инъекционного устройства от вращающего момента посредством передачи его двумя разнесенными по их длине шлицевыми муфтами, что позволяет уменьшить размеры этих сечений;
3 - освободить все подшипниковые узлы приводов дебалансного вибратора от значительных динамических нагрузок, что повысит их эксплуатационную надежность, продлит срок службы и, следовательно, уменьшит эксплуатационные материальные затраты;
4 - исключить (в связи с исключением необходимости включений и выключении, а также наличием опорно-поворотного круга) преждевременный износ деталей системы кинематической связи формообразующего корпуса и виброударновращающего механизма, в том числе и деталей обслуживающего механизма подъема, что также уменьшит эксплуатационные затраты;
5 - оптимизировать условия работы клиноременных передач, что повысит эффективность их работы и уменьшит материальные затраты на их эксплуатацию.
б) отсутствия колебательных движений формообразующего корпуса в вертикальной плоскости при вдавливании корпуса в грунт, что исключает его утрамбовку, снижает лобовое сопротивления грунта, и, как следствие, уменьшает расход энергии на его преодоление;
в) установления минимальной длины формообразующего рабочего наконечника, что уменьшает на его боковых стенках сопротивление погружению корпуса в грунт и делает эту величину расчетной;
г) управления применением возвратно-вращательных движений при выемке формообразующего корпуса из пробитого колодца резко уменьшает сопротивление подъему;
- повысить производительность работ за счет:
а) увеличения скорости внедрения устройства в грунт, в свою очередь за счет:
1. отсутствия возвратного движения формообразующего корпуса при погружении;
2. возможность передачи возвратно-вращательного движения формообразующему корпусу при погружении;
3. оптимального фазового угла встречи ударника с пятой наконечника, при котором обеспечивается наибольшая скорость соударения, а также за счет того, что удар происходит на оптимальном периоде вращения дебалансов.
б) ускорения изготовления виброинъекционных набивных свай во всех типах грунта за счет:
1. равномерной подачи под конролируемым давлением бетонной смеси под рабочий наконечник с дополниельным уплотнением ее при подъеме устройства из пробитого колодца;
2. погружения армокаркаса в заполненный бетоном колодец самим устройством. В итоге существенно уменьшаются время и затраты на изготовление качественных с повышенной несущей способностью свай, что создает высокий хозяйственный эффект.
Расчетный технологический цикл изготовления указанной сваи глубиной 12 м и диаметром 630 мм, в сухих грунтах 3 категории плотности, предлагаемым устройством с использованием бетононасоса СБ-170-1, не превышает 12 минут. При этом суммарная установочная мощность приводов составляет 15 квт, что
соответствует такому критерию полезной модели как «новизна».
На фигуре 1 - изображено вибропробивное инъекционное устройство.
Вибропробивное инъекционное устройство состоит из формообразующего корпуса 1 (Фигура 1) и виброударновращающего механизма 2, выполненных с возможностью постоянной кинематической связи между собой посредством двух подвижных направляющих неразъемных шлицевых муфт 3, неподвижные полумуфты которых закреплены: верхняя - на съемном фланце 4, нижняя - на внутренней стороне направляющей оболочки 6* формообразующего корпуса 1, подвижные полумуфты - на теле ударника 10 виброударновращающего механизма 2.
Формообразующий корпус 1 состоит из раздвигающего грунт конусообразного полого с внутренней пятой формообразующего рабочего наконечника 5, образующего заданный диаметр колодца, и полой размерообразующей трубчатой направляющей 6, состоящей из внутренней -направляющей 6* и наружной - размерообразующей 6** трубчатых оболочек, обеспечивающей заданную глубину колодца, и закрытой сверху фланцем 4 с проходными отверстиями для ударника 10 виброударновращающего механизма 2 и трубчатых бетоноводов 11.
Формообразующий рабочий наконечник 5 имеет разъем в горизонтальной плоскости, причем верхняя формообразующая часть 5* выполнена полой с внутренней ударной пятой и бетонопроводящими каналами, а нижняя 5** - пробивная в виде сменного подвижного перевернутого конуса, основание которого закрывает выходные отверстия бетонопроводящих каналов при погружении устройства.
Виброударновращающий механизм 2 включает в себя дебалансный вибратор 7 с двумя раздельными приводами 8 и 9, обеспечивает как раздельные, так и совмещенные возвратно-поступательное и возвратно-вращательное движения кинематическижестко связанному с вибратором ударнику 10, расположенному внутри формообразующего корпуса 1 с возможностью перемещения вместе с ним в горизонтальной плоскости и относительно его размерообразующей направляющей 6* в вертикальной плоскости соосно пяте формообразующего рабочего наконечника 5 посредством шлицевых муфт 3.
Корпус вибратора 7 содержит установленные в подшипниковых опорных узлах два ведущих вала 12, 13 и два ведомых - 14, 15, на которых попарно смонтированы дебалансы 16 и 17, и которые кинематически связаны межу собой попарно в горизонтальной и вертикальной плоскостях зубчатыми колесами 18 и 19.
Ведущие валы 12 и 13 посредством ременных передач 22 и 23 получают вращение от электродвигателей 8 и 9, смонтированных на тумбах 24 и 25 съемного фланца 4, соответственно, таким образом, что оси ведущих валов 12 и 13 и оси выходных валов электродвигателей 8 и 9 находятся в одноименных параллельных горизонтальных плоскостях.
При этом ведущие шкивы 26 и 27 ременных передач 22 и 23 смонтированы на выходных концах валов электродвигателей 8 и 9, а ведомые 28 и 29 - на концах ведущих валов 12 и 13 вибратора 7, соответственно.
Верхняя 20 подвижная и нижняя 21 неподвижная части обоймы опорно-поворотного круга 30, связывающего все устройство с механизмами подъема копровой установки или грузоподъемной машины (на рисунке не показаны), закреплены на съемном фланце 4 формообразующего корпуса 1 и в корпусе направляющей каретки копровой установки или специальной подвески ГПМ, соответственно.
Вибропробивное инъекционное устройство работает следующим образом.
Посредством грузоподъемной машины или копровой установки устройство выводится на ось будущего колодца, В этом положении при запуске электродвигателя привода 8 крутящий момент через ременную передачу 22, передается ведущему валу 12 и далее кинематически связанному в горизонтальной плоскости через зубчатые колеса 18, ведомому валу 14. Получающие таким образом вращение дебалансы 16 создают возмущающую силу, приводящую в возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости весь механизм 2, который через ударник 10, направляемый шлицами ходовых муфт 3, воздействует ударом на пяту наконечника 5 корпуса 1, погружая последний в окружающий грунт, концентрично раздвигая и уплотняя его.
При этом электродвигатель 9 и, соответственно, ременная передача 23, ведущий 13 и ведомый 15 валы, а также смонтированные на них дебалансы 17, создающие всему механизму 2 возвратно-вращательное движение в горизонтальной плоскости, остаются неподвижными.
Привод этого движения включают при необходимости преодолеть возростающее сопротивление грунта при погружении устройства.
В этом случае, при запуске двигателя 9, крутящий момент через, ременную передачу 23, передается ведущему валу 13 и далее кинематически связанному в вертикальной плоскости через зубчатые колеса 19 ведомому валу 15.
Получающие таким образом вращение дебалансы 17 создают возмущающую силу, приводящую в возвратно-вращательное движение в гоизонтальной плоскости весь
виброударновращающий механизм 2, который через шлицевые муфты 3 передает это движение формообразующему корпусу 1.
Таким образом реализуется возможность как раздельного, так и совмещенного возвратно-поступательного и возвратно-вращательного движений устройства при погружении, существенно ускоряющих этот процесс.
При достижении заданной глубины посредством механизма подъема начинают извлечение устройства из пробитого колодца. В этот момент включается бетононасос (на фиг.1 не показан) и бетонная смесь под давлением, опуская нижнюю конусную часть наконечника 5**, начинает равномерно поступать по бетоноводам 11 под наконечник устройства, уплотняясь под действием вибрации и образуя однородную структуру сваи.
Параллельно, при работе электродвигателя 9 продолжается возвратно-вращательное движение формообразующего корпуса 1, который на протяжении всего подъема устройства выглаживает уплотненные стенки образованного колодца и дополнительно уплотняет бетонную смесь, заполняющую колодец, после чего тем же устройством в него погружается армокаркас.
Повороты формообразующего корпуса 1 в подшипниках качения опорно-поворотного круга 30 резко снижает напряжения кручения в сечениях элементов вибропробивного инъекционного устройства и элементов подвески его к подъемным механизмам (на фиг.1 не показанных).
Положительный эффект от использования данного технического решения выражается в повышении эффективности работы за счет: вышеперечисленного расширения технологических возможностей устройства; повышения производительности изготовления фундаментных колодцев без выемки грунта и виброинъекционных железобетонных набивных свай, в полном диапазоне применяемых набивных свай в соответствии со СНиП II Б.5 - 67*, при значительном снижении энергетических и материальных затрат; обеспечения уплотнения окружающего грунта и, как следствие, повышения несущей способности свай; снижения объемов и стоимости земляных работ и свайных фундаментов в целом.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР №1818415, МПК Е 02 D 7/20.
2. М.В.Лебедев и др. «Новые типы буронабивных свай». Сборник научных статей Международной научно-практической конференции, г. Пенза, 2004 г.
3. РФ, Патент на полезную модель №40332, МПК Е 02 D 7/18 (прототип), 2004 г.