Уплотнение грунтов

Размещено на http://www.allbest.ru

Для искусственного уплотнения грунтов, гравийно-щебеночных оснований и асфальтобетонных смесей при сооружении земляного полотна оснований и покрытий городских дорог, площадей и улиц применяют широкую номенклатуру машин, осуществляющих уплотнение укаткой, трамбовкой и вибрацией. При уплотнении частицы грунта или материала смещаются и укладываются более компактно за счет вытеснения жидкой и газообразной фаз, что приводит к уменьшению объема грунта (материала) и формированию более плотной и прочной его структуры. При укатке уплотнение происходит под статическим действием массы катка, перекатывающегося по уплотняемой поверхности. При трамбовании уплотнение грунта достигается динамическим воздействием падающего на уплотняемый материал груза. При вибрационном уплотнении вибрирующая масса сообщает колебательные движения частицам материала, в результате чего он получает большую подвижность и уплотняется.

Укатка производится прицепными, полуприцепными и самоходными катками с металлическими (гладкими, решетчатыми и кулачковыми) вальцами и колесами с пневматическими шинами. Прицепные кулачковые катки (рис. 4.57, а) предназначены для послойного уплотнения связных и комковатых грунтов и имеют рабочие органы в виде кулачков специальной формы, прикрепленных к съемным бандажам, надетым на полый барабан, заполняемый балластом (обычно песком). Налипающий на кулачки грунт счищается скребками.

грунт дебаланс вибратор дорожный

Рис. 1 Схемы машин для уплотнения грунтов и дорожных покрытий

Катки выпускаются массой 6…30 т и различаются между собой размерами барабанов, числом, формой и величиной кулачков.

Пневмоколесные катки осуществляют уплотнение смонтированными в один ряд на одной или двух осях пневмоколесами, прнгруженными балластом, и могут быть прицепными (рис. 4.57, о), полуприцепными (рис. 4.57. в) и самоходными (рис. 4.57, г). Прицепные и полуприцепные катки применяют для послойного уплотнения связных и несвязных грунтов, самоходные -- в основном для уплотнения дорожных оснований и покрытий. Прицепные катки имеют общую массу (с балластом) 12,5…42,5 т, уплотняют полосу шириной 2,2…3,3 м при толщине уплотняемого слоя 0,25…0,5 м. Полуприцепные (к одноосным тягачам и пневмоколесным тракторам) катки производительнее и маневреннее прицепных и выпускаются массой 15…45 т. Каждое пневмоколесо прицепных и полуприцепных катков нагружается индивидуальным балластом, имеющим свободное перемещение вместе с колесом в вертикальной плоскости. Это обеспечивает постоянную передачу давления на грунт каждым колесом независимо от неровностей уплотняемой поверхности. Полуприцепные катки движутся со скоростью до 11 км/ч и уплотняют полосу шириной до 2,6 м. Самоходные пневмоколесные катки имеют массу 16…30 т и уплотняют полосу шириной 1,6…2,2 м. Рабочим органом самоходного катка являются передние управляемые и задние ведущие пневмоколеса, взаимная расстановка которых позволяет получать сплошную полосу уплотняемого материала. При работе каток движется челночным способом со скоростью 3…4 км/ч.

Прицепные и самоходные вибрационные катки в 8… 10 раз эффективнее катков статического действия и применяются для уплотнения несвязных и малосвязных грунтов и материалов. Под действием вибрации значительно снижаются силы трения и сцепления между частицами уплотняемого материала, который становится более подвижным. Прицепные катки выпускают со взаимозаменяемыми гладкими, кулачковыми решетчатыми вальцами. Внутри пустотелого вальца прицепного катка (рис. 4.57, д) имеется мощный вибратор направленных колебаний, приводимый в действие от установленного на раме катка двигателя внутреннего сгорания через клиноременную передачу 8. Общая масса прицепных виброкатков 3,6…12 т.

Самоходные виброкатки выпускают одно-, двух- и трехвальцо-выми. Встроенные вибраторы имеют ведущие вальцы. Привод вибраторов -- механический и гидравлический. Масса самоходных виброкатков до 18 т, вынуждающая сила 20…50 кН. Они уплотняют полосу шириной до 1,5 м при скорости рабочего хода 6… 10 км/ч. Малогабаритные двухвальцовые виброкатки массой 0,8… 1,4 т применяют для уплотнения грунтов и покрытий в стесненных условиях при малых объемах работ. Они выпускаются с ручным и рулевым управлением, оборудуются механическими возбудителями колебаний и уплотняют полосу шириной до 0,8 м.

Самоходные комбинированные катки оборудуются ведущим вальцом из пневмомашин и гладким металлическим вибровальцом. Оба вальца имеют шарнирно сочлененную раму. Высокая эффективность уплотнения грунтов и дорожно-строительных материалов достигается за счет последовательного воздействия вибрации и статической нагрузки. Привод ведущих пневмоколес и вибровозбудителя -- гидравлический. Вынуждающая сила вибровозбудителя регулируется в широком диапазоне в зависимости от условий укатки и достигает 150…200 кН. Производительность комбинированных катков при уплотнении несвязных грунтов до 1000 м3/ч.

Трамбующие машины послойно уплотняют насыпные тяжелые связные и несвязные грунты слоями 1…1.5 м, а также грунты в естественном залегании свободно падающими массивными трамбующими органами в виде железобетонных и чугунных плит круглой или квадратной в плане формы с площадью опорной поверхности около 1 м2. Необходимая плотность насыпного грунта достигается за 3…6 ударов плиты по одному месту. Трамбование осуществляется циклично или непрерывно. Цикличное уплотнение грунта обеспечивается плитами массой 1… 1,5 т, подвешенными на стропах к подъемному канату (рис. 4.57, е) экскаватора-драглайна или стрелового самоходного крана. Плиты поднимают” грузовой лебедкой на высоту 1…2 м и сбрасывают на уплотняемый грунт. Частота ударов не превышает 0,05…0,1 с1, энергия единичного удара -- 10… 15 кДж. Трамбующие машины цикличного действия применяют в основном для работы в стесненных условиях на объектах с небольшими объемами работ.

Для уплотнения грунтов на объектах с широким фронтом работ используют самоходные трамбующие машины непрерывного действия на базе гусеничных тракторов класса с ходоуменьши-телями. Рабочим органом таких машин (рис. 4.57, ж) являются две чугунные плиты массой 1,3… 1,4 т, перемещающиеся по направляющим штангам 13. При движении трактора на пониженных скоростях (80…200 м/ч) плиты автоматически поочередно падают после подъема на высоту 1,1…1,3 м на поверхность грунта и уплотняют полосу шириной, равной захвату обеих плит. Частота ударов плит составляет 0,4…0,5 с-1, энергия единичного удара 14… 16 кДж.

Производительность самоходных машин достигает 500 м2/ч. Динамические нагрузки, возникающие при работе трамбующих машин со свободно падающим грузом, вредно влияют на базовую машину, а также расположенные поблизости сооружения и подземные коммуникации.

При выполнении небольших объемов работ по уплотнению несвязных грунтов, щебня и гравия в стесненных условиях применяют самопередвигающиеся вибрационные трамбующие плиты (рис. 4.57, з) с рабочим органом в виде поддона (плиты) 14, на котором установлены один или два двухдебалансных вибратора 15 направленного действия. Привод вибраторов осуществляется от электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания. При работе вибраторов происходит уплотнение грунта и одновременное самостоятельное перемещение виброплиты в заданном направлении под воздействием горизонтальной составляющей вынуждающей силы. Масса виброплит составляет 250… 1400 кг, вынуждающая сила -- 12,5…63 кН.

Развитие уплотняющих машин идет в направлении расширения производства пневмоколесных и комбинированных катков, трамбовочных машин ударного и вибрационного действия, повышения эффективности уплотняющих органов, применения многорежимных вибрационных уплотняющих органов с регулируемыми параметрами, применения гидравлических приводных систем и трансмиссий уплотняющего оборудования, максимальной унификации машин, автоматизации управления машинами, снижения уровня вибрации и шума.

Для уплотнения дорожных покрытий в последнее время широкое применение находят вибрационные машины. К ним относятся виброкатки, поверхностные вибромашины, бетоиоотделочные машины и глубинные вибраторы. Эти машины применяются при уплотнении цементобетонных и асфальтобетонных покрытий, щебеночных и гравийных оснований дорог, а также слоев грунта, укрепленного цементом.

Вибромашины могут быть самоходными, прицепными, навесными и переставляемыми. Прицепные и самоходные вибрационные катки применяются при уплотнении как асфальтобетонных покрытий, так и при уплотнении различного рода оснований дорог. Поверхностные вибромашины служат для уплотнения грунтов, щебеночных и гравийных оснований и покрытий дорог. Для уплотнения цементобетонных покрытий применяются специальные бетоиоотделочные машины (финишеры). При толщине покрытий свыше 25 см для уплотнения бетонной смеси используются глубинные вибраторы.

Привод вибрационной машины осуществляется как от двигателей внутреннего сгорания, так и от электродвигателей.

В настоящее время находит применение также комбинированный привод: дизель-электрический, дизель-гидравлический и электропневматический.

Для придания рабочему органу машины колебательных движений устанавливается специальный возбудитель колебаний -- вибратор. Колебания от вибратора через рабочую плиту, валец или корпус вибратора передаются уплотняемой среде.

Рис. 2 Основные принципиальные схемы дебалансов вибраторов: а -- секторный дебаланс; б -- дебаланс в виде эксцентричного диска; в -- виброэлемент с раздвижными дебалансами; г и д -- регулируемые стержневые виброэлементы; е -- схема двухвального вибратора направленного действия; ж -- схема одновального вибратора направленного действия

По принципу действия различают центробежные, инерционные и вибраторы ударного действия. В центробежных вибраторах возмущающая сила создается за счет вращения неуравновешенных масс. Возмущающая сила инерционных вибраторов развивается в результате возвратно-поступательного движения масс. В вибраторах ударного типа возмущающая сила возникает при соударении подвижных масс.

Все механические вибраторы можно разделить на регулируемые и нерегулируемые, одночастотпые и поличастотные, направленного и ненаправленного действия.

Основные принципиальные схемы дебалансов вибраторов показаны на рис. 186. Сечение неуравновешенных частей -- дебалансов -- чаще всего имеет форму кольцевого сектора, круга или прямоугольника. Оптимальная форма и размеры дебалансов выбираются из условия минимума веса дебаланса и его момента инерции при заданной величине возмущающей силы.

Кинетический момент вибратора, выполненного в виде уравновешенного диска с дебалансными массами, установленными с постоянным шагом а (рис. 186, г и д), равен геометрической сумме кинетических моментов отдельных дебалансных масс.

Различают регулируемые вибраторы с плавным и ступенчатым изменением центробежной силы. Наиболее совершенными являются регулируемые вибраторы с плавным изменением, осуществляемым на ходу машины.

В вибраторах направленного действия возмущающая сила имеет определенное направление и изменяет только свою величину.

Направленные колебания можно получить установкой двух дебалансных валов, вращающихся в противоположные стороны с равным числом оборотов.

При этом горизонтальные составляющие центробежных сил взаимно уравновешиваются (рис. 186, е).

Направленные колебания можно осуществить и при одновальном вибраторе, установив его на специальной маятниковой подвеске (рис. 187).

На вибромашину в этом случае передается только составляющая центробежной силы, действующая по оси подвески у.

По оси х центробежная сила уравновешивается силами инерции маятниковой подвески и на вибромашину не передается.

Рис. 3 Схема вибратора с маятниковой подвеской

Одновальный вибратор направленного действия показан на рис. 186, ж. Здесь два дебаланса вращаются в противоположные стороны с одинаковой угловой скоростью. Суммарная возмущающая сила равна геометрической сумме вертикальных составляющих центробежных сил. По сравнению с двухвальными такие вибраторы более компактны и имеют меньшие габариты, однако они более сложны по конструкции.

Рис. 4 Схемы бегунковых (поводковых) вибраторов: а -- одно-частотного; б -- поличастотного

В дебалансных вибраторах центробежная сила дебалансов полностью передается на подшипники вала вибратора. С целью разгрузки подшипников предложена конструкция бегункового вибратора (рис. 188, с). Здесь дебаланс, выполненный в виде цилиндрического ролика, катится по внутренней поверхности беговой дорожки. Движение к ролику от водила передается через специальный поводок. Центробежная сила, возникающая при вращении водила, передается непосредственно на корпус виброэлемента. Подшипники ролика нагружены только тем усилием, которое необходимо для преодоления сопротивления перекатыванию его по беговой дорожке.

В случае применения дебалансных роликов (рис. 188, б) возникают две центробежные силы различной частоты. Одна возмущающая сила развивается вследствие вращения ц. т. ролика относительно оси О, а вторая -- ввиду вращения ролика относительно своей оси 0V Движение ролика в этом случае можно представить состоящим из поступательного вместе с центром ролика и вращательного относительно этого центра.

При установке нескольких дебалансных роликов различного диаметра результативная возмущающая сила равна геометрической сумме составляющих возмущающих сил. Большое значение при этом имеют начальные углы установки дебалансных роликов.

В существующих конструкциях поличастотных бегунковых (поводковых) вибраторов дебалансные ролики свободно перекатываются по беговой дорожке только за счет сил трения. Уменьшение сил трения при вибрации, чему способствует наличие масла в корпусе вибратора, силы инерции при пуске, а также противодействующий момент дебалансной части создают условия для проскальзывания ролика относительно беговой дорожки. Это вызывает уменьшение частоты вращения ролика и в некоторых случаях -- его остановку. Наличие скольжения изменяет характер результативной возмущающей силы, делает ее переменной и не позволяет иметь стабильный режим вибрации. Параметры бегунковых поличастотных вибраторов необходимо выбирать с учетом отсутствия отрыва и скольжения ролика. При заданных параметрах необходимо создавать условия, при которых коэффициент трения ролика по беговой дорожке корпуса вибратора будет больше минимального.

В ряде вибромашин широко распространено применение выдвижных дебалансов. Последние рекомендуются для вибромашин, подвергающихся частому включению, особенно тех, где приводом служит двигатель внутреннего сгорания. При этом выдвижные дебалансы значительно уменьшают пусковой момент двигателя. Принципиальная схема их устройства приведена на рис. 189.

Для возбуждения колебаний вибромашин применяются также планетарные бесподшипниковые одночастотные и поличастотные вибраторы. Различают вибраторы с наружной и внутренней обкаткой. В виброэлементе с наружной обкаткой дебаланс, приводимый во вращение двигателем, обкатывается своей наружной поверхностью внутри втулки, закрепленной в корпусе вибратора.

Рис. 5 Конструкции вибратора с выдвижным дебалансом

Наличие дебалансного ролика позволяет получить поличастотный режим вибрации. Низкая частота равна частоте вращения вала привода, высокая -- частоте обкатываний бегунка.

В некоторых вибрационных машинах находят применение виброударные механизмы. Во время работы вибромашины подвижная часть сообщает плите вибрационные колебания (через опорные пружины) и ударные импульсы (через шабот). Таким образом, виброударный механизм оказывает одновременно как ударное, так и вибрационное воздействия. Устойчивый режим работы имеет место в тех случаях, когда отношение числа оборотов виброэлемента к числу ударов представляет собой целое число. Устойчивость работы ударного механизма зависит от соотношения масс подвижной части и плиты, жесткости опорных пружин и начального зазора.

Ударный режим работы оказывает более интенсивное воздействие на уплотняемую среду и значительно повышает эффективность уплотнения до ожно-строительных материалов по сравнению с обычным вибрационным режимом. Виброударные механизмы применяются в машинах для изготовления железобетонных изделий, в вибромолотах для погружения свай и шпунта, а также в ручном инструменте.

Кроме механических нашли распространение гидравлические, пневматические, электромагнитные и электродинамические вибраторы.

Все уплотняемые материалы представляют собой упруго-вязко-пластичные системы, свойства которых в настоящее время недостаточно изучены. Нет также и обоснованной теории деформирования таких сред. Поэтому при выборе мощности двигателя, определении амплитуд колебаний и т. п. лучше всего руководствоваться опытными данными. Вместе с тем в настоящее время разработаны методы расчета, основанные на предположении, что уплотняемый материал обладает только упругим или только вязким сопротивлением, а иногда учитываются как упругие, так и вязкие свойства. Однако во всех случаях исходные зависимости упрощаются, так как в противном случае задача становится неразрешимой. Результатами решения таких задач можно пользоваться главным образом для относительного сопоставления различных вариантов при проектировании вибрационных машин.

Предполагая колебания гармоническими, а уплотняемую среду -- абсолютно упругой и имеющей вязкое сопротивление, находят ту мощность двигателя, которая необходима для работы вибратора. Эта мощность расходуется на сообщение колебательного движения уплотняемой среде, а также на преодоление трения в подшипниках виброэлементов.

Коэффициент вязкого сопротивления зависит от площади рабочей плиты вибромашины.

Общий расчет деталей и узлов вибромашины на прочность производится с учетом динамических нагрузок. При расчетах необходимо учесть, что в случае резонанса отдельных деталей, т. е. при совпадении их собственных частот колебаний с вынужденными, в них возникают большие дополнительные напряжения. Поэтому при проектировании следует определять собственные частоты колебаний основных деталей машины. При этом в первом приближении все детали и узлы вибромашины можно представить в виде балок, пластин или мембран с определенным характером распределения масс.

При уплотнении гравийных, щебеночных и асфальтобетонных покрытий широкое применение нашли самоходные вибрационные катки. Виброкатки имеют меньшую металлоемкость и энергоемкость, большую маневренность и транспортабельность по сравнению с невибрационными катками и в то же время обеспечивают требуемую степень уплотнения и необходимую ровность покрытия.

Асфальтобетон, уплотненный виброкатками, при правильном подборе параметров катка и режимов вибрации имеет большую плотность и механическую прочность, а следовательно, меньшую водонасыщаемость, чем при уплотнении обычными катками. Важным является и то, что при виброуплотнении не происходит дробления скелетного материала, что позволяет использовать местные слабые горные породы.

Однако при уплотнении виброкатками верхнего слоя асфальтобетонного покрытия происходит выдавливание битума на поверхность, что недопустимо при устройстве шероховатых покрытий. Для самоходных катков наблюдается явление потери тяговой способности или управляемости, что налагает определенные ограничения на выбор параметров. Значительный шум, возникающий при работе катка, и передача вибраций окружающим сооружениям и коммуникациям ограничивают применение вибрационных катков в городских условиях и на промышленных площадках. Важную роль играет также амортизация механизмов катка и рабочего места оператора. Все эти причины ограничивают использование вибрационных катков.

Виброкатки для уплотнения дорожных покрытий выполняются самоходными одновальцовыми, двухвальцовыми и трехвальцовыми. В последнем случае третий валец является дополнительным (прицепным или навесным). Наибольшее распространение получили двухвальцовые самоходные вибрационные катки. Вибрационным может быть как ведущий, так и управляемый валец.

Рис. 6 Принципиальная схема вибрационного двухвальцового самоходного катка: 1 -- двигатель внутреннего сгорания; 2 -- рама катка; 3 -- вибровалец; 4 -- механизм привода; 5 -- управляемый валец; 6 -- механизм управления

В нашей стране предусматривается выпуск самоходных виброкатков весом 125, 400, 1500 и 4000 кг.

Самоходный вибрационный каток показан на рис. 191. Вибрационный каток отличается от обычного моторного катка наличием дебалансного вибратора ненаправленного действия, установленного в заднем приводном вальце, упругой подвески вибровальца и механизма привода вибратора, выполняемого обычно в виде клиноременной передачи.

В настоящее время теория уплотнения дорожных покрытий виброкатками еще не разработана, поэтому выбор основных параметров следует производить, исходя из опытных данных.

При проектировании катков следует обеспечивать возможность регулирования частоты колебаний и величины возмущающей силы в более или менее широких пределах. Это позволит применять каток для уплотнения различных материалов и каждый раз выбирать наиболее выгодный режим работы.

За последнее время имеет место тенденция к повышению частот колебаний. Для самоходных виброкатков рекомендуется частота 50--70 гц.

Дальнейшее увеличение частоты ограничивается техническими возможностями создания надежной и долговечной конструкции вибратора катка.

Характер колебаний не оказывает существенного влияния на степень уплотнения. Поэтому в виброкатках, за редким исключением, используются вибраторы с круговыми колебаниями.

При излишне больших амплитудах колебаний наблюдается потеря тяговой способности и боковой устойчивости.

Рекомендуемые рабочие скорости перемещения находятся в пределах 1,2 -- 2,2 км/ч. В некоторых случаях рабочая скорость движения катка достигает 6 км/ч. При этом необходимое число проходов по одной полосе несколько повышается. Предварительная подкатка уплотняемого материала производится обычным катком или виброкатком с выключенным вибратором.

Выбор геометрических параметров, тяговый и прочностные расчеты, определение мощности и т. д. производится теми же методами, что и для обычных прицепных и самоходных катков.

Глубинные вибраторы применяются для уплотнения бетонных смесей при строительстве дорожных и аэродромных покрытий повышенной толщины, а также при изготовлении железобетонных изделий и массивных бетонных строительных конструкций.

По частоте различают вибраторы нормальной (50 гц) и повышенной (150--300 гц) частоты.

В качестве привода используются асинхронные двигатели нормальной и повышенной частоты, портативные двигатели внутреннего сгорания, пневматические и гидравлические двигатели. По передаче мощности от двигателя к вибромеханизму различают вибраторы со встроенным двигателем и вибраторы с гибким валом. По характеру перемещения глубинные вибраторы можно разделить на ручные и перемещаемые в пакетах с помощью кранов или других транспортных средств.

В СССР производятся электромеханические и пневматические вибраторы. Конструкция электромеханического вибратора представлена на рис. 192, а. Внутри круглого корпуса на подшипниках качения установлен дебалансный вал. Привод вала вибратора осуществляется от асинхронного двигателя, вмонтированного в тот же самый корпус. Мощные подвесные глубинные вибраторы со встроенным двигателем имеют планетарный бесподшипниковый вибромеханизм с внутренней обкаткой.

Вибраторы с гибким валом (рис. 192, б) применяются при уплотнении бетонной смеси в густоармированных конструкциях. В этих вибраторах двигатель соединяется с вибромеханизмом гибким валом длиной около 3,6 м. В качестве возбудителя колебаний используются дебалансные и планетарные вибромеханизмы с внешней и внутренней обкаткой. Конструкция рабочей части (наконечника) с внутренней обкаткой приведена на рис. 192, в.

Планетарный пневматический вибратор показан на рис. 192,г. Он состоит из цилиндрического наконечника, внутри которого смонтирован планетарный возбудитель с внутренней обкаткой. Сжатый воздух поступает к двигателю по внутреннему шлангу.

Изменением давления воздуха производится регулирование частоты колебаний.

Применение дебалансного бегунка позволяет получать поличастотный режим вибрирования с частотой до 350 гц.

Рис. 7 Основные типы глубинных ручных вибраторов: а -- электромеханический вибратор со встроенным двигателем; б -- внешний вид вибратора с гибким валом; в -- рабочий наконечник вибратора с гибким валом; г -- пневматический планетарный вибратор с внутренней обкаткой

Радиус действия вибратора определяется опытным путем или на основе закона распространения кольцевых волн в среде с вязким сопротивлением.

Мощность привода вибратора можно определить по формуле (VII 132) При проектировании ручных глубинных вибраторов следует обратить внимание на размещение вибромеханизма в корпусе вибратора. Оно должно быть таким, чтобы обеспечивать равномерную амплитуду колебаний по длине виброэлемента.

Вместе с тем рукоять вибратора не должна под-гергаться колебательным движениям.

Список используемых источников

1)http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/85555/%D0%94%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B6%D0%BD%D1%8B%D0%B5

2) http://stroy-technics.ru/article/vibratsionnye-mashiny-dlya-uplotneniya-dorozhnykh-pokrytii

Размещено на Allbest.ru