ИНЕРЦОИДНЫЙ КЛИН ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН В МЕРЗЛОМ ГРУНТЕ

Полезная модель относится к строительной технике для работ, связанных с погружением железобетонных свай в мерзлый грунт.
Погружение свай в зимних условиях усложняется вследствие наличия мерзлого слоя грунта. Одним из способов погружения свай в этих условиях с минимальными отклонениями от проектных требований может служить погружение свай в предварительно образованные лидерные скважины.
Образование лидерных скважин глубиной соизмеримой с глубиной промерзания грунта, порядка 1-1,5 метров осуществляется с помощью буровых машин или с помощью сваебойного оборудования путем выкернивания на требуемой глубине мерзлоты с помощью забиваемого в грунт полого керноотборника.
Образование лидерных скважин бурением является нецелесообразным и применяется как исключение. Причиной является отсутствие в достаточном количестве требуемых размеров буровых машин, а также отсутствие механизма выравнивания рабочего органа буровой машины в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
Достаточно прогрессивным решением, отвечающим требованиям по качеству работы, является образование лидерных скважин путем выкернивания мерзлого грунта из ствола скважины.
Известен трубчатый лидер для образования скважин в мерзлом грунте передвижными сваебойными агрегатами. (Сменное оборудование передвижных сваебойных агрегатов для образования лидерных скважин в мерзлом грунте / В.М.Карев, В.В.Булдыгин, А.Х.Еникеев // Строительные и дорожные машины. БашНИИСтрой. - 1969. - №11. - С.15)
Лидер представляет собой металлическую трубу, с открытым нижним концом, на котором установлен наконечник в виде кессонного ножа, а верхняя
часть лидера выполнена квадратного сечения размером 30×30 см. В верхней боковой части трубы расположено отверстие для выхода керна грунта в процессе погружения лидера.
Параллельность оси лидера и направляющей стрелы копра достигалась установкой в нижней части стрелы сменного упора с гидравлическим приводом, включенного в общую гидросистему агрегата. Трубчатый лидер работает следующим образом.
Лидер навешивают на сваебойный агрегат с дизель-молотом и устанавливают на точку погружения по шаблону, состоящему из кольца и крестовины и затем погружают на глубину 2,0 м с остановкой ножа в талом слое грунта.
Продолжительность цикла образования трубчатым лидером скважины глубиной 2,0 м и диаметром 420 мм по данным хронометражных наблюдений составляет 6,4 мин.
Применение сменного оборудования на передвижных сваебойных агрегатах для образования скважин в мерзлом грунте трубчатым лидером повышает их универсальность при производстве свайных работ.
Кроме того, благодаря наличию механизмов выравнивания вертикальности направляющей стрелы копра, качество образования скважин трубчатым лидером выше, чем способом бурения, отклонения скважин от проектных положений в плане составляет ±1,5 см и по вертикали до 1 см на один метр глубины.
Недостатками известного трубчатого лидера являются большие затраты энергии на внедрение трубчатого лидера в мерзлый грунт и частые отказы из-за примерзания грунтового керна к телу трубы в период перехода на новую позицию.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является подпружиненный клин для образования скважин в мерзлом грунте (Сменное оборудование передвижных сваебойных агрегатов для образования
лидерных скважин в мерзлом грунте / В.М.Карев, Д.Г.Файзулин // Строительные и дорожные машины. БашНИИСтрой. - 1971. - №3. - С.8)
Подпружиненный клин для образования скважин в мерзлом грунте является сменным оборудованием мобильных сваебойных агрегатов.
Подпружиненный клин состоит из верхней части, выполненной в виде короба прямоугольного сечения, рабочей (погружаемой) часть, выполненной в виде усеченной четырехгранной пирамиды, на конце которой установлен конусный наконечник, состоящий из острия с четырьмя приваренными пластинами, предотвращающими смещение клина от проектного положения в начальный период его погружения в грунт, и амортизирующего устройства.
Амортизирующее устройство состоит из верхней неподвижной опорной плиты и нижней подвижной, между которыми установлены четыре пружины, насаженные на стержни, удерживающие подвижную плиту и приваренные к ней.
Погружение клина в мерзлый грунт осуществляют сваебойным агрегатом с дизель молотом.
Под воздействием ударной возмущающей силы, преодолевая упруго-вязко-пластичное сопротивление, клин погружается в грунт до проектной глубины, т.е. до нижней опорной плиты. При достижении проектной глубины за счет энергии пружин, сжимаемых при ударе свайным молотом, т.е. когда усилие пружин станет большим, чем усилие, удерживающее клин в грунте происходит наддергивание клина с последующим его подъемом.
К достоинствам подпружиненного клина можно отнести его хорошую работоспособность, и образованные им скважины отвечают требованиям производства свайных работ.
Недостатком известного подпружиненного клина является его невысокая надежность в работе. Это обусловлено тем, что в процессе забивки клина в грунт, последний испытывает ступенчато увеличивающиеся по модулю сжимающие напряжения, под действием которых граничные с рабочими поверхностями
клина слои грунта сжимаются, деформируются (разрушаются) и уплотняются, освобождая пространство для клина. Диапазон изменения сжимающих напряжений, а следовательно сил трения между клином и грунтом, зависит от величины угла заострения и глубины погружения клина, грануло-метрического состава, влажности и температуры грунта и характера силового воздействия на клин. Отсюда следует, что гарантированное извлечение подпружиненного клина может быть обеспечено для определенных грунтовых и температурных условий.
В реальных условиях производства работ возникают ситуации, когда, например, температура ниже расчетной, или при попадания клина на непроходимое включение еще до достижения проектной глубины, т.е. до упора подвижной опорной плиты в дневную поверхность, подпружиненный клин не наддергивается и становиться неизвлекаемым, вследствие недостаточной по величине силы сжатия пружин при чрезмерно больших силах трения между клином и грунтом. Следовательно известный подпружиненный клин может работать только при определенных грунтовых и температурных условиях и при изменении этих условий снижается его безотказность, а следовательно и надежность его работы.
Кроме того, для погружения подпружиненного клина используется либо тяжелая буровая установка с дизель-молотом, либо сваебойный агрегат с дизель молотом. При производстве свайных работ на свайном поле работает либо две тяжелые машины (буровая установка с дизель молотом), либо два дизель-молота, один из которых работает с подпружиненным клином для образования скважин в мерзлом грунте, а другой работает на забивке свай. Использование такого количества техники повышает стоимость свайных работ.
Задачей предлагаемого решения является создание такого клина для образования скважин в мерзлом грунте, которое позволило бы повысить надежность работы его в любых грунтовых и температурных условиях, за счет исключения отказов при работе и снизить стоимости свайных работ.
Для достижения поставленной задачи в инерцоидном клине для образования скважин в мерзлом грунте, содержащим верхнюю часть и сочлененную с ней нижнюю рабочую часть, выполненную в виде усеченной четырехгранной пирамиды, на конце которой установлен конусный наконечник, с четырьмя приваренными пластинами, предотвращающими смещение клина от проектного положения в начальный период его погружения в грунт, верхняя часть выполнена в виде гильзы и в него дополнительно введены механизм передачи энергии на клин, выполненный в виде инерцоида, состоящего из цилиндрического корпуса соосно и свободно установленного внутри гильзы на подпружиненных роликах, внутри которого расположены круговые беговые дорожки в виде подшипников качения, приводной вал с радиальными прорезями эксцентрично установленный к круговым беговым дорожкам и дебалансы в виде круглых стержней, установленных в прорези приводного вала с возможностью свободного скольжения, два электродвигателя соединенные с помощью двух гидромуфт с концами приводного вала, два штурвала, закрепленные на боковых стенках цилиндрического корпуса инерцоида и подпружиненная траверса, установленная на гильзе.
Отличительными признаками инерцоидного клина для образования скважин в мерзлом грунте от прототипа являются выполнение верхней части клина в виде гильзы, дополнительное введение механизма передачи энергии на клин, выполненного в виде инерцоида, состоящего из цилиндрического корпуса соосно и свободно установленного внутри гильзы на подпружиненных роликах, внутри которого расположены круговые беговые дорожки в виде подшипников качения, приводной вал с радиальными прорезями эксцентрично установленный к круговым беговым дорожкам и дебалансы в виде круглых стержней, двух электродвигателей, соединенных с концами приводного вала с помощью двух гидромуфт, двух штурвальных колес, закрепленных на боковых стенках цилиндрического корпуса инерцоида и подпружиненной траверсы, закрепленной на гильзе.
Благодаря снабжению инерцоидного клина механизмом передачи энергии выполненным в виде инерцоида, он погружается в грунт под воздействием периодически изменяющейся по величине и направлению возмущающей силы, вертикальная составляющая которой изменяется от нуля до своего максимального значения, а ее горизонтальная составляющая (в плоскости вращения ротора) изменяет направление. В результате, погружаясь в грунт, инерцоидный клин совершает колебательное движения относительно острия клина и его вертикального положения, т.е. раскачивается из стороны в сторону и постепенно вдавливается в грунт. При таком погружении грунт не разрушается, а постепенно уплотняется, уменьшаются силы трения между рабочими поверхностями клина и грунта, что приводит к безотказному извлечению клина после достижения им проектной глубины и тем самым повышается надежность его работы в любых грунтовых и температарных условиях.
Установка на цилиндрическом корпусе инерцоида двух штурвальных колес позволяет повернуть его на 180° тем самым диаметрально поменять направление возмущающей силы и наддернуть клин преодолев кратковременное сопротивление.
Кроме того, такое выполнение инерцоидного клина позволяет использовать в качестве базовой машины, на которую подвешивается клин, башенный кран и отказаться от использования тяжелых и дорогостоящих машин (буровая установка с дизель молотом или дизель-молот) при образовании лидерных скважины и тем самым сократить стоимость свайных работ.
На фиг.1 показан общий вид инерцоидного клина для образования скважин в мерзлом грунте, на фиг.2 его принципиальная схема, на фиг.3 - разрез I-I на фиг.2
Инерцоидный клин содержит верхнюю часть в виде гильзы 1, нижнюю рабочую часть 2, сочлененную с нижним основанием гильзы 1, и выполненную в виде усеченной четырехгранной пирамиды, на конце которой установлен конусный наконечник 3, с четырьмя приваренными пластинами 4, два
электродвигателя 5, две гидромуфты 6, подпружиненную траверсу 7, механизм передачи энергии на клин в виде инерцоида 8, два штурвала 9 (фиг.2), прикрепленные к корпусу инерцоида 8, шкворень 10, фиксирующий корпус инерцоида.
Механизм передачи энергии на клин в виде инерцоида включает цилиндрический корпус 11 свободно и соосно установленный на подпружиненных роликах 12 (фиг.3) внутри гильзы 1. Внутри цилиндрического корпуса 11 расположены круговые беговые дорожки 13 в виде подшипников качения, закрепленных на внутренней поверхности корпуса 11, приводной вал 14 с радиальными прорезями 15, эксцентрично установленный к круговым беговым дорожкам 13 и соединенный с электродвигателями 5 с помощью гидромуфт 6, дебалансы 16 в виде круглых стержней, установленных в прорези 15 приводного вала с возможностью свободного скольжения. Количество круговых беговых дорожек 13 равно количеству дебалансов 16. Торцы цилиндрического корпуса 11 закрыты крылышками 17.
Инерцоидный клин для образования скважин в мерзлом грунте работает следующим образом.
Вначале инерцоидный клин навешивают на грузовой крюк башенного крана и устанавливают вершину конусного наконечника 3 клина на точку погружения. Затем включают электродвигатели 5 и клин начинает погружаться в грунт удерживая вертикальность как отвес на грузовом канате на время рабочего хода траверсы 7, что совпадает с достаточной глубиной внедрения клина в грунт, после чего грузовая лебедка крана растормаживается и внедрение клина продолжается до упора гильзой 1 в поверхность грунта. Извлечения забитого клина осуществляют следующим образом. Вначале его надергивают, чтобы преодолеть кратковременное сопротивление порядка 40 т.с. Для этого убирают шкворень 10, фиксирующий цилиндрический корпус 11 инерцоида, с помощью штурвала 9 корпус 11 проворачивают в гильзе 1 на 180° и снова фиксируют его. Затем на короткое время - достаточное чтобы
надернуть клин включают электродвигатели 5. После того как инерцоидный клин наддернули останавливают работу электродвигателей 5, убирают шкворень 10, с помощью штурвала 9 цилиндрический корпус 11 возвращают в прежнее положение, и снова фиксируют его, а затем с помощью крана полностью извлекают клин из грунта.
Внедрение клина и его наддергивание при извлечении осуществляется в результате действия сил инерции - возмущающей силы, возникающей при вращении приводного вала 14, которое приводит в движение дебалансы 16. В момент, когда центр тяжести дебалансов 16 находится на максимальном расстоянии от оси вращения приводного вала 14, возмущающая сила определяющаяся по известной формуле
будет иметь наибольшее значение, а когда центр тяжести дебалансов 16 совпадает с осью вращения приводного вала 14 значение возмущающей силы равно нулю. Суммарная максимальная возмущающая сила определяется по формуле:
При m=1,  R=0,32 м, η=0,9
(Величина R=0,32 получена из расчета, что D=1 м, d=0,5D, e=0,25D) возмущающая сила одного дебаланса составит
При известном сопротивлении внедрению клина в мерзлый грунт количество дебалансов в инерцоидном клине с заданными параметрами определено по формуле