Обзор и анализ научной проблемы механизации глубокого уплотнения грунтов

Система транспортных связей является стратегически важным условием экономического развития России [1, 2] и других стран [3–15]. Автомобильный транспорт считается самым распространенным видом мобильных средств передвижения, поэтому занимает одно из ведущих мест в этой системе. Автомобили способствуют массовому перемещению пассажиров до мест приложения труда, отдыха, своевременной доставки грузов в пункты назначения, путешествий и т. п.

Надежность и безотказность автомобильного транспорта зависит от многих факторов, одним из которых выступает качество дорожного полотна. В настоящее время дорожное полотно не в полной мере отвечает требуемым показателям: увеличению грузоподъемности транспортных средств, увеличению максимальной скорости, участившимся случаям размыва оснований дорог и гидротехнических сооружений (плотин, дамб и т. п.).

Одной из главных причин низкого качества автомобильных дорог и гидротехнических сооружений выявлена следующая – недостаточное уплотнение насыпных и просадочных грунтов. Возникает необходимость в обеспечении таких грунтов повышенной плотностью и оптимальной устойчивостью от размыва грунтовыми водами путем лучшего уплотнения существующими и новыми дорожно-строительными машинами и оборудованием.

В настоящее время дорожно-строительные машины для уплотнения насыпных и просадочных грунтовых оснований автомобильных дорог и гидротехнических сооружений механическим способом подразделяются на два вида – машины и оборудование для поверхностного и глубокого уплотнения.

Обзор и анализ конструкций

К машинам для поверхностного уплотнения относятся дорожные и грунтовые катки, отличающиеся массой и формой вальцов. Уплотнение грунта производится с постепенным увеличением массы катка и находится в пределах от 0,3 до 0,9 м [16].

Научная школа МАДИ (кафедра «Строительные и дорожные машины») оказала огромное влияние на изучение вопросов взаимодействия рабочих органов строительных машин с обрабатываемой средой [17].

В процессе уплотнения грунтовыми катками часть воды и воздуха вдавливается в массив обрабатываемого грунта, образуя неустойчивую механическую структуру. Увеличение силы сжатия (увеличение массы и мощности машины и навесного оборудования) только увеличивает компрессионное сжатие воздуха и возникновение трещин, ухудшая физико-механические свойства уплотненного грунта [18].

Основным преимуществом грунтовых катков поверхностного уплотнения является простота конструкции вальцов. К недостаткам относятся неравномерная передача напряжений на грунт, низкая производительность уплотнения в пределах толщины слоя, а также недопустимое превышение предельной толщины слоя уплотняемого грунта.

Другой способ уплотнения грунтов, основанный на работе конических элементов (рис. 1), предложен учеными кафедры «Строительные и дорожные машины» МАДИ и защищен авторским свидетельством [19].

Рис. 1. Устройство для уплотнения грунта: 1 – неподвижный корпус; 2 – зубчатый венец;

3, 7 – подшипник; 4 – приводной вал; 5 – болт; 6 – траверса; 8 – ось; 9 – конический элемент;

10 – гайка; 11 – коническая шестерня

Fig. 1. Device for soil compaction: 1 – fixed body; 2 – gear ring; 3, 7 – bearing; 4 – drive shaft;

5 – bolt; 6 – traverse; 8 – axis; 9 – conical element; 10 – nut; 11 – bevel gear

Целью данного устройства является повышение эффективности и качества уплотнения за счет предотвращения сдвига грунта перед коническими элементами. Устройство снабжено синхронизатором вращения конических элементов в виде зубчатого венца и конических шестерен.

Относительными недостатками рассмотренной конструкции являются небольшая глубина уплотнения, возможен выход из строя конических шестерен из-за попадания в зацепление твердых частиц грунта.

Для уменьшения компрессионного сжатия воздуха в массиве грунта может применяться рабочий орган землеройных машин (рис. 2) [20].

Целью изобретения является снижение энергоемкости разработки грунта за

Рис. 2. Рабочий орган землеройных машин: n1 – шаг винтовой линии конуса штанги; n2 – шаг винта наконечника; 1 – приводная конусная штанга;

2 – винтовой наконечник; 3 – конусные катки;

4 – цилиндрические катки; 5 – оси; 6 – выступы

Fig. 2. Working body of earthmoving machines: n1 – pitch of the screw line of the rod cone; n2 – pitch of the tip screw; 1 – drive cone rod; 2 – screw tip; 3 – cone rollers; 4 – cylindrical rollers; 5 – axes; 6 – projections

счет использования катков для создания тягового усилия в рабочем режиме. Может использоваться для расширения скважин или при разработке мерзлого грунта методом крупного скола. Использование предлагаемого изобретения позволяет снизить энергоемкость разработки грунта за счет того, что взаимодействие катков и грунта сводится к перекатыванию катков по винтовой уплотненной поверхности грунта с преодолением сил трения качения.

Недостатками описанной конструкции считаются:

– катки установлены большим основанием книзу, а меньшим основанием – кверху, и образующиеся выступы будут создавать дополнительное сопротивление при внедрении рабочего органа землеройных машин в обрабатываемый грунт, чем только увеличивают осевое усилие;

– зазоры между приводной конусной штангой и катками являются конструктивно минимальными и могут способствовать заклиниванию катков от налипающего грунта на поверхности катков, что способствует переходу от трения качения в трение скольжения и увеличивает сопротивление качению рабочего органа.

Учеными Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (НГАСУ) была предложена новая техника и технология строительства зданий и сооружений на трамбованном грунте, доведенная до промышленного использования [21].

Ученые НГАСУ, сравнивая различные типы катков и принимая во внимание их существенные недостатки при эксплуатации, разработали новую технику, которая представляет собой агрегат для глубинного трамбования грунта (рис. 3). Устройство используется для предударного уплотнения насыпного грунта, а также для образования котлованов заданной формы для размещения прогрессивных столбчатых полосовых фундаментов. По сравнению с существующими методами уплотнения грунта производительность агрегата увеличивается в 5–8 раз, энергопотребление (расход топлива) снижается в 3 раза. Передача ударных импульсов через грунт при работе агрегата на близко расположенных зданиях и сооружениях в 2–3 раза меньше, чем при уплотнении грунтов падающими трамбовками.

Относительными недостатками агрегата являются низкая производительность, увеличенная себестоимость производства работ, существенно большие динамические нагрузки на рабочий орган и поэтому относительно малая надёжность оборудования, большая площадь контакта рабочего органа с поверхностью грунта котлована, достигающая примерно 3,5 м2, дополнительные усилия на преодоление сопротивления силы трения двух поверхностей, компрессионное сжатие воздуха в массиве грунта.

Рис. 3. Рабочий орган агрегата для глубинного трамбования грунта

Fig. 3. The working body of the unit for deep tamping of soil

С целью уменьшения силы трения в процессе глубокого уплотнения грунтов применяют способы раскатки скважин различными устройствами в виде спиралевидных снарядов (рис. 4) для образования свай без выемки грунта [22–27] путем вытеснения его в радиальном и вертикальном направлениях неуплотненного массива грунта.

Рис. 4. Спиралевидные снаряды: а – Омега (Бельгия, фирма «Френки фондейшон»); b – Де Вааль (США); c – Беркель; d – Скрюсол; e – Бауэр (Германия, фирма «РГТ Раммтехник»); 1 – теряемый башмак; 2 – отверстие для подачи бетона

Fig. 4. Spiral projectiles: a – Omega (Belgium, Frankie Fondation company); b – De Waal (USA); c – Berkel; d – Skrusol; e – Bauer (Germany, RGT Rammtechnik company); 1 – lost shoe;

2 – hole for concrete supply

Шнековая головка перемещения грунта для установки свай (рис. 5) позволяет уплотнять более стойкие, а также песчаные грунты [28] за счет увеличения шага винтового шнека от начала к середине головки. Такое конструктивное решение позволяет уменьшить крутящий момент при внедрении шнековой головки в грунт. Постепенно увеличивающийся диаметр сердечника шнековой головки снизу-вверх позволяет эффективнее уплотнять грунт.

Относительными недостатками являются преобладающая сила трения скольжения большой площадью контакта, достигающей примерно 4 м2, что требует большой мощности базовой машины (более 100 кВт) с ее большой массой (более 70 т), и ограничение диаметра скважины до 610 мм.

Устройство для бурения и уплотнения грунта (рис. 6) применяется при изготовлении опор фундаментов [29]. Устройство 1 для бурения и уплотнения грунтов состоит из трамбовочного наконечника 1А, жестко соединенного с валом 3, который соединён с концевой частью батареи стержней, перемещаемых бурильной машиной. Батарея стержней вставлена в покрывающую трубу 14. Между трамбовочным наконечником 1А и трубой 14 установлен цилиндрический трамбовочный элемент, приспособленный для формирования диаметра уплотнения грунта.

Рис. 5. Шнековая головка перемещения грунта для установки свай

Рис. 6. Устройство для бурения и уплотнения грунта

Fig. 5. Screw head for moving soil for installing piles

Fig. 6. Device for drilling and compaction of soil

Относительными недостатками являются малый угол конуса трамбовочного наконечника без плавного перехода конусной части в цилиндрическую часть трубы, преобладание трения скольжения, что создает дополнительное осевое усилие со стороны дорожно-строительной машины при работе данного устройства.

Известно устройство вращающегося проникновения (рис. 7). Данное изобретение относится к способу роторной проходки, позволяющему строить скважину в массиве без выхода грунта путем сжатия и создания высокого давления на грунт, и к устройству для роторной проходки [30].

a)

b)

Рис. 7. Устройство для вращающегося проникновения: а – вид спереди; b – вид сверху; 1 – защитный корпус; 2 – поворотная головка; 2а – ось вращения; 2b – орбитальная ось; 3 – конусообразный ротор; 3b – верхняя часть; 3с – основание; 5 – приводное устройство; 7 – приводной механизм; 20 – защитный кожух; 22 – планки; 25 – направляющая линия

Fig. 7. Device for rotating penetration: a – front view; b – top view; 1 – protective housing; 2 – rotary head; 2a – axis of rotation; 2b – orbital axis; 3 – cone–shaped rotor; 3b – upper part; 3c – base; 5 – drive device; 7 – drive mechanism; 20 – protective casing; 22 – slats; 25 – guide line

Рис. 8. Экспериментальный образец конусного раскатчика: 1 – эксцентриковый вал; 2 – конус; 3 – крышка подшипника; 4, 5 – болтовое крепление; 6, 7 – подшипниковые опоры;

8, 9 – стопорные кольца

Fig. 8. Experimental sample of a cone roller: 1 – eccentric shaft; 2 – cone; 3 – bearing cover; 4, 5 – bolt fastening; 6, 7 – bearing supports; 8, 9 – locking rings

Относительными недостатками может быть скручивание (смещение от оси вращения) роторов при уплотнении грунта, сложность конструкции, отсутствие винтового наконечника для уменьшения осевого усилия.

Е.И. Кромским и др. предложен конусный раскатчик (рис. 8) для глубокого уплотнения грунта [31], который обкатывает уплотняемый грунт малой площадью контакта, обеспечивая энергоэффективность технологического процесса. Конструктивной особенностью конусного раскатчика является пересечение оси участков эксцентрикового вала в точке, совпадающей с вершиной конусной оболочки. В этом случае предотвращается рыскание вершины конуса в процессе работы и обеспечивается перемещение вершины конуса в пространстве строго по вертикали.

Сравнительными недостатками конусного раскатчика являются динамическая неуравновешенность (раска-чиваемость) стрелы базовой машины

(приводного вала экспериментального стенда) во время технологического процесса и большое

осевое усилие на приводной вал.

Выводы

• 1.    Проведен обзор существующих конструкций машин и механизмов для поверхностного и глубокого уплотнения грунта.

• 2.    Проведен анализ данных конструкций на предмет возможного применения технических решений при проектировании нового устройства для глубокого уплотнения грунтов при строительстве гидротехнических сооружений и дорог.

• 3.    Выявлены относительные недостатки данных конструкций.