В современном строительстве широко применяются свайные фундаменты. Установка свай производится разными способами, в данной статье рассмотрен только способ вибропогружения. При погружении свай в грунтах возникают вибрации, которые неблаготворно влияют на сам вибропогружатель – преждевременный износ электродвигателя и других деталей, на обслуживающий персонал и другую технику, находящуюся в непосредственной близости от вибропогружателя. Негативное влияние вибраций распространяется и на окружающую застройку: возможно повреждение подземных коммуникаций, конструкций, потеря устойчивости, осадка, просадка фундаментов близлежащих зданий.

Кроме изменения свойств самого здания или сооружения возможно изменение физико-механических свойств грунта, который служит основанием для здания. Часто грунт может локально уплотнятся, что может привести к повреждению конструктива вследствие неравномерности осадки фундамента. При долговременной вибрации, то уплотнение грунта возможно даже на значительном расстоянии от источника, в том числе и от вибрации невысокого  уровня воздействия.

Но наибольшие повреждения могут произойти при одновременном разжижении грунта и, как следствие, уменьшении несущей способности. Такие изменения наиболее характерны водонасыщенным, слабым грунтам.

Для лучшей оценки последствий вибропогружения свай, необходимо учитывать взаимодействие между забиваемой сваей и слоями грунта (взаимное трение), а также влияние вибропогружателя на прилегающий грунт. Из рис. 1 (Схема распространения вибраций в грунте) видно, что чем ближе находится исследуемый объект (в данном случае здание), тем выше амплитуда колебаний, а, следовательно, выше частота и длина распространения волны.

Рис.1 Схема распространения вибраций в грунте

Распределение энергии от копра через сваю в грунте зависит от нескольких факторов. Необходимо учитывать различия между вибрационным и ударным способами погружения свай.

При забивке свай ударным методом энергия периодически передается на оголовок сваи, это приводит к значительным потерям энергии. Энергия удара передается в виде импульса, и после передачи сразу исчезает. Эффективность ударного воздействия часто составляет только 30-60% от номинальной мощности копра, так как во время каждого удара свая получает ускорение, а затем теряет его, при этом необходимо преодолевать силы инерции сваи и динамическое сопротивление грунта.

Вибромолот напротив постоянно связан с оголовком сваи и, таким образом, потери энергии минимальны. Вибропогружатель перемещает сваю вертикально за счет распространения постоянной волны колебаний. Часть энергии вибрации расходуется на трение и преодоление сопротивления в грунте [1].

Для измерения расстояния, на которое может распространяться вибрация, необходимо найти длину волны:

                                                                                                                                                    (1)

 

где С – скорость распространения волны;

        f – частота колебаний.

Скорость волны можно получить с помощью динамических измерений на местности или в лаборатории,  скорость распространения волны зависит от физико-механических свойств грунта и может иметь существенно разные величины. Например, при увеличении жесткости грунта, скорость распространения значительно увеличивается [3].

Важным, но часто не учитываемым фактором является сопротивление сваи Z:

                                                                                                       (2)

 

где Е – динамический модуль упругости;

      r – плотность материала сваи;

     С – скорость распространения волны;

     А – поперечное сечение сваи.

В свае возникает динамическая сила P:

                                                                                                                               (3)

где Z –  сопротивление сваи;

v – скорость вибрации (не путать со скоростью распространения волны C в свае).

Скорость вибрации, распространяющейся в свае, можно оценить эмпирически из простого соотношения [2]:

                                                                                                                           (4)

Существуют 2 пограничных условия, определяющих проникновение сваи в грунт. С одной стороны, первоначальная энергия от вибропогружателя должна быть достаточной для преодоления поверхностного трения почвы и сопротивления грунта.

С другой стороны, собственное сопротивление сваи ограничивает величину динамической силы, которая может быть передана через сваю. Сопротивление (Z) может изменяться в широких пределах (см. уравнение 2), и зависит от материала сваи и ее сечения. Например, сопротивление для стальных шпунтовых свай, находится в промежутке 200-1000 кН/м, в то время как сопротивление бетонных свай может достигать значительно более высокого значения [1].

Профессор Хикман и профессор Хагерти в своем исследовании экспериментально выявили, что скорость распространения вибрации обратно пропорциональна собственному сопротивлению сваи: чем меньше собственное сопротивление, тем выше скорость распространения вибраций. Таким образом, опытным путем можно подобрать такое сечение и такой материал сваи, чтобы скорость вибраций была незначительной [2].

Зона влияния грунтовых колебаний определяется величиной их затухания, обычно она равна 1дБ/м, но в водонасыщенных грунтах меньше. Опытным путем установлено, что чем дальше находится исследуемый объект от источника вибраций, тем меньше негативное влияние, оказываемое на него. В случаях, когда объект находится близко от источника, влияние вибраций может носить разрушающий характер [1].

Для оценки коэффициента затухания можно использовать следующее соотношение:

                                                                                                                           (5)

где D – коэффициент гашения вибраций в свае (зависит от материала);

      f – частота колебаний;

      C – скорость распространения волны.

Амплитуда колебаний уменьшается с увеличением расстояния R от источника вибрации в соответствии со следующим выражением:

                                                                                                        (6)

 

где A₁ и A₂ – амплитуды колебаний на расстоянии R₁ и R₂ соответственно;

      n – коэффициент, определяется в зависимости от типа волны;

      ɑ – коэффициент затухания волны вибраций [1].

Современные вибромолоты могут работать с переменным статическим моментом, что позволяет снижать амплитуду колебаний за счет снижения статического момента при пуске и остановке вибратора. Это позволяет избежать эффекта резонанса, который в свою очередь является одним из самых важных факторов вибрационного воздействия на здания и окружающие строительные механизмы и машины.

Доказано, что колебания в грунте оказывают негативное влияние на все объекты, находящиеся в зоне их влияния. Для начала рассмотрим влияние колебаний на электрические двигатели вибромолотов, а именно их преждевременные износы и поломки.

Вибрация, превышающая пределы резко уменьшает надежность электродвигателя, а наибольший вред испытывают на себе его подшипники.

Постоянные нагрузки от вибрирующего ротора в подшипниках скольжения вызывают  нарушение масляной пленки,  а баббита начинает плавиться. Иногда баббита может трескаться, и образуются сколы. В подшипниках качения быстро развивается так называемая усталость металла: появление трещин, выбоин на рабочих поверхностях качения, разрыв сепаратора.

Также вполне вероятно появление изгиба или излома вала, отрыв бочки ротора  от вала, появление трещин в станине статора или в торцовой крышке, не исключено повреждение опорной рамы и фундамента, повышение и ускорение износа изоляции обмоток электродвигателя.

Для предотвращения повреждений следует применять амортизирующие средства (демпферы):

такие как прослойки из амортизирующего материала;

и как отдельные опоры:

• пружинные виброизоляторы, в виде одной или нескольких стальных винтовых пружин;
• упругие прокладки, разной формы.

В случае упругой связи электродвигателя и виброоргана, двигатель установлен на подрессорной пригрузочной плите, обеспечивющей необходимое давление при погружении. Установка амортизирующих пру­жин малой жесткости существенно уменьшает отрицательное влияние вибрации на электродвигатель: при погружении сваи вибрируют только свая и виброорган. В тоже время, возрастание массы пригрузочных плит ничтожно мало, а значит не влияет на амплитуду колебаний сваи.

Схема вибромолота с амортизирующими пружинами представлена на рис. 2.

Рис. 2 Схема вибромолота с амортизирующими пружинами

1 – двухвальный бестрансмиссионный вибровозбудитель, 2 – дебалансы, 3 – ударник, 4 – нижняя плита, 5 – наковальней, 6 – амортизирующие пружины, 7 – наголовник.

Также вибрации могут влиять на машиниста, поэтому следует предусматривать как конструктивные способы защиты, так и средства индивидуальной защиты от действия колебаний. К таким способам можно отнести применение защитного кожуха, который мешает распространению колебаний и проникновению лишнего шума в кабину, виброизолирующие площадки и коврики, виброизолированные сидения [4].

Основным средством защиты оператора является виброизолированное кресло. Виброизоляторами служат винтовые пружины, работающие совместно с демпферами сухого трения, установленными под сиденьем. Используя такие кресла удается снизить вредное действие вибрации в 1,5 – 2 раза на частотах выше 63 Гц. На низких частотах эффективность пассивных средств значительно снижается ввиду близости резонансов. При вибрировании кабины возможны перемещения сидения, вследствие чего не исключено появление непроизвольных ошибок в управлении. Применяя специальные направляющие конструкции можно снизить или даже исключить риск возникновения перемещений сиденья. Но при использовании данных конструкций эффективность резко падает (при работе на высоких частотах вибрации).

Средства индивидуальной защиты:

• средства защиты верхних конечностей (виброзащитные перчатки, рукавицы, вкладыши);
• средства защиты нижних конечностей (виброзащитные сапоги, стельки, вкладыши) [6];

Для предотвращения разрушения и деформаций окружающей застройки можно использовать следующие конструкции:

• установка фильтрующего шпунтового ограждения по периметру котлована или строительной площадки;
• пробуривание горизонтальных каналов с дальнейшим заполнением их полимерным соединением (пенополиуретаном). Данный способ обеспечивает отличную виброизоляцию, но имеет существенные недостатки – слишком дорогое и сложное производство работ, а также есть риск потери упругости полимерного соединения;
• размещение вертикального или наклонного ряда скважин с заполнителем. Скважины пробуриваются  способом размыва грунта, заполнителем служит водогрунтовая пульпа, изъятая при бурении [7];
• создание экрана из блоков антисептированных древесных опилок, вакуумно упакованных в целлофан. Недостатки: сложность,  трудоемкость, и низкий КПД;
• рытье траншеи с дальнейшим заполнением специальными подушками, наполненными газом. В подушках создается давление, уравновешивающее давление грунта, вследствие чего подушки всегда остаются упругими, не приобретая дополнительную жесткость, по сравнению с другими наполнителями [5];
• производство погружения свай вибропогружателями с частотой вынуждающей силы, превышающей собственную частоту колебаний зданий более чем в 10 раз (вибропогружатель должен иметь частоту более 30 Гц) позволяет также существенно снизить вред, оказываемый вибрацией на окружающую среду [8].

Подводя итог, следует отметить, что существуют различные способы уменьшения или предотвращения вредного воздействия, такие как: применение вибропогружателя с частотой вынуждающей силы, превышающей собственную частоту колебаний зданий более чем в 10 раз; подбор оптимального сечения и материала для свай; устройство виброизоляции (рытье траншей, скважин с наполнителями, установка шпунтового ограждения); применение амортизирующих пружин в вибропогружателях; а также использование индивидуальных средств защиты (специальное сиденье, варежки, рукавицы, стельки, сапоги).

Библиографический список

1. Dr. K. R. Massarsch. Bodenerschütterungen beim Vibrationsrammen // Tiefbau, Heft 6. 109. Jahrgang. Juni 1997, München, S. 336 – 343.
2. Heckman, W. S. & Hagerty, D. J., 1978. Vibrations Associated with Pile Driving. ASCE Journal of the Construction Division, Vol. 104, No. CO4, S. 385–394.
3. ГОСТ Р 52892-2007, Вибрация и удар. Вибрация зданий. Измерение вибрации и оценка ее воздействия на конструкцию, – М.: Стандартинформ, 2008 – 20 с.
4. ГОСТ 12.1.012-90, Вибрационная безопасность. Общие требования, М.: ИПК Издательство стандартов, 1990–  48 с.
5. К.Р. Массарш, Виброизоляция с использованием газонаполненных подушек // Интернет-журнал “Реконструкция городов и геотехническое строительство”, выпуск № 10, 2006
6. С.Г.Кашина. Защита от вибрации: Учебное пособие для самостоятельного изучения и к практическим занятиям для студентов. − Казань: Изд-во Казанского гос. Архитект. − строит.ун-та, 2012. − 133 с.
7. ГОСТ ИСО 8041-2006.Межгосударственный стандарт. Вибрация. Воздействие вибрации на человека. Средства измерений, М.: Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, 2006 – 120 с.
8. Патент: RU 2365710, Устройство для защиты зданий и сооружений от вибрации и способ его возведения, М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, 2009, 3 с.

---

Количество просмотров публикации: Please wait

Все статьи автора «Лашова Светлана Сергеевна»