Уплотнение грунтов вибрацией будет происходить тем интенсивнее, чем больше будет разница в размерах их частиц и чем меньше будут силы связей между ними. Поэтому эффективно уплотняются вибрированием несвязные песчаные и галечнико-вые грунты, а также гравий и щебень, содержащие в своем составе частицы различной крупности со слабыми связями между ними.

Вибрационные машины классифицируют по способу их перемещения во время работы и по характеру действия возмущающей силы.

По способу перемещения различают прицепные вибрационные машины, самоходные и переносные. По характеру действия возмущающей силы различают вибрационные машины: а) с направленными колебаниями, у которых возмущающая сила имеет постоянное направление и переменную величину, и б) с круговыми колебаниями, у которых возмущающая сила имеет постоянную величину и переменное направление.

В виброуплотняющих машинах применяют дебалансные вибраторы с направленными или круговыми колебаниями (рис. 157). Вибраторы с круговыми колебаниями конструктивно проще вибраторов с направленными колебаниями, но в полезной работе такого вибратора участвует лишь вертикальная составляющая возмущающей силы. Вместе с тем, как показывает практика, вибраторы с направленными колебаниями по сравненнию с вибраторами, имеющими круговые колебания, не увеличивают эффект уплотнения.

Для поверхностного уплотнения грунтов наиболее широкое распространение получили вибрационные катки с гладкими вальцами (реже пневмоколесные) и самопередвигающиеся; вибрационные плиты — глубинные виброуплотнители для уплотнения грунтов в слоях мощностью несколько метров.
Вибрационные катки по способу перемещения разделяют на самоходные и прицепные. Эффективность вибрационных катков по глубине и степени уплотнения грунтов превышает эффективность катков статического действия в 8—10 раз. В связи с этим вибрационные катки получили большое распространение в ряде стран.

Выпускаемые катки имеют большой диапазон применяемых частот (1000—4500 колебаний в минуту) и амплитуд колебаний.

Вибрационные катки создавались на базе катков статического действия, поэтому по внешнему виду, компоновке и конструктивному решению ряда узлов виброкатки имеют много общего с катками с гладкими вальцами. Специфической особенностью всех виброкатков является наличие вибратора и системы подвески рамы к вибровальцу. В большинстве случаев в вибрационных катках применяют дебалансные вибраторы с круговыми колебаниями, которые обычно монтируются внутри вальца.

Рис. 157. Схемы вибраторов:
а — направленного действия; б — ненаправленного действия; 1 – дебаланс; 2 — корпус; 3 — вал

Вибратор работает при большом числе оборотов, поэтому привод дебалансного вала осуществляется через клиноременную передачу. В трансмиссии от двигателя к вибратору обязательно применяется муфта, предназначенная для включения и выключения вибратора в процессе работы катка.

Для подбора оптимального режима в конкретных условиях работы «а вибрационных катках предусматривается возможность изменения частоты вибрации на 15—20% за счет регулирования числа оборотов двигателя или изменения передаточного отношения в трансмиссии (вариатор, коробка перемены передач). Большое внимание уделяется также предотвращению передачи вибрации рабочего органа раме, на которой находится моторист и установлены двигатель и трансмиссия. В этой связи важную роль играет подвеска рамы к вибровальцу. Виброизоляция рамы катка обеспечивается резино-металлическими амортизаторами, а также применением подвесок на пневморезиновых, пружинных и рессорных амортизаторах.

Самоходные вибрационные катки по способу управления подразделяются на катки, управляемые дышлом, и катки, управляемые направляющим вальцом. Катки, управляемые дышлом, могут быть одновальцовыми (с поддерживающим роликом и без него) и двухвальцовыми, а катки, управляемые направляющим вальцом, — двухвальцовыми и трехвальцовыми (двухосными и трехосными).

Самоходные катки, управляемые дышлом, в основном представляют собой легкие катки массой обычно 125—700 и реже 1000—2000 кг. Легкие катки имеют небольшие габариты и обладают высокой маневренностью. Их применяют на работах небольшого объема, а также для уплотнения грунта в стесненных условиях. Двигатель и трансмиссия однавальцовых легких виброкатков располагаются над вальцом. При этом развеска рамы с двигателем и трансмиссией производится с таким расчетом, чтобы центр их тяжести находился на одной вертикали с осью вальца. Рычаги управления трансмиссией на легких катках располагаются непосредственно на раме катка, а на более тяжелых выносятся с помощью тяг на дышло.

Легкие одновальцовые виброкатки для предотвращения опрокидывания на стоянках снабжают опорными ножками. Тяжелые катки для этой же цели оборудуют специальным поддерживающим вальцом небольшого размера либо колесом с шиной, прикрепляемыми к дышлу катка.

Самоходные катки, управляемые направляющим вальцом, имеют массу в пределах 500—16 000 кг. По внешнему виду и компоновке узлов эти катки не отличаются от катков статического действия. Часто для этой цели на тяжелый трехвальцовый трехосный каток статического действия с двумя управляемыми вальцами вместо среднего статического вальца устанавливают вибровалец.

Прицепные вибрационные катки имеют массу в пределах 1500—12 000 кг с частотой колебаний вибратора 1000—3600 в минуту. Различают прицепные виброкатки с индивидуальным двигателем для привода вибрационного механизма и с отбором мощности тягового трактора.

Прицепной виброкаток с индивидуальным двигателем (рис. 158, а) массой 3000 кг представляет собой валец, внутри которого встроен дебалансный вибратор. На вальце через амортизирующую подвеску укреплена жесткая рама с дышлом со сцепным устройством, при помощи которого каток прицепляется к буксирующему трактору. Для привода вибратора на раме Установлен двигатель (обычно дизель), который передает вращение вала вибратору клиноременной передачей. Двигатель с трансмиссией помещаются на раме над вальцом или позади вальца. В последнем случае для балансировки рамы катка на дышле укрепляется противовес. Для облегчения поворота катка валец часто выполняется разрезным (в виде двух барабанов).

Некоторые конструкции виброкатков приспособлены для работы на откосах каналов с уклоном до 45°. Такие катки перемещаются при помощи лебедки экскаватора или стрелового крана, которые передвигаются по верхней кромке откоса.

Поскольку для перемещения виброкатка не требуется большого тягового усилия, целесообразно применять сцепы из нескольких катков с одним трактором, добиваясь полного уплотнения за один проход.

Рис. 158. Приаепной вибрационный каток

Опытом эксплуатации установлено, что для уплотнения внбро-катками насыпей и, обратных засыпок в земляных сооружениях необходимо бульдозерами разравнивать грунт ровными слоями толщиной от 0,5 до 11,5 м. В летних условиях грунты, подлежащие уплотнению виброкатками, увлажняют поливом 100—150 мъ воды на 1000 ж3 грунта. Зимой грунт укатывают немедленно, не допуская его промерзания.

Типажем на новые машины предусматривается серийный выпуск виброкатков массой от 3 до 1,2 т с возмущающей силой, равной соответственно 8—10 -ь 35—40 тс. Для гидротехнического строительства предусматривается изготовление катков массой до 24 т с возмущающей силой соответственно до 70 тс и производительностью от 200 до 4000 ж3/ч.

Вибрационные плиты применяют для уплотнения слабосвязных и несвязных грунтов, отсыпаемых слоями толщиной 1,2— 1,5 м. Плиты изготовляют самопередвигающимися, прицепными, крановыми и ручными.

Вибрационная плита (рис. 159) состоит из вибрирующей (ударной) и подрессорной частей. Вибрирующая часть — плита, являющаяся рабочим органом машины, представляет собой жесткую сварную конструкцию, в средней части которой устанавливаются два вибратора. Возмущающая сила вибраторов может быть направлена строго вертикально или под углом к вертикали для самопередвижения виброплиты.

Рис. 159. Вибрационная плита:
1 — плита литая; 2 — пружинная подвеска; 3 — шкив; 4 — двигатель; 5 — рама; 6 — аккумулятор; 7 — бак для топлива; £ — кабестан; 9 — вибратор; 10 — звездочка натяжная; 11 — привод кабестана

Над плитой на амортизирующих устройствах подвешивается рама с двигателем, трансмиссией и механизмами управления. Вращение шкиву вибратора передается шкивом трансмиссии. В передней части плиты может быть укреплен кабестан, служащий для самовытаскивания машины при помощи каната, закрепляемого к грунтовому якорю. С обеих сторон плита имеет буксирные тяги для работы челночным способом в прицепе с тягачами.

Виброплиты тяжелого типа массой 5—7 т с большими удельными динамическими нагрузками на поверхность уплотняемого грунта могут быть использованы и для уплотнения связных грунтов. Глубина уплотнения виброплитами определяется мощностью вибраторов и величиной возмущающей силы. С помощью мощных виброплит оказалось возможным уплотнение галечии-ковых грунтов на глубину до 2 м.

Ценным качеством виброплит является то, что они могут передвигаться под воздействием возмущающей силы. При малых габаритных размерах и обычно небольшом их весе виброплиты можно использовать для уплотнения грунтов на площадях малых размеров и на объектах с небольшими объемами работ, а также в условиях, где невозможно или нерационально использование машин других типов.

Наряду с тяжелыми вибрационными плитами, перемещаемыми трактором или переставляемыми краном, в последнее время создано много различных типов самоходных и навесных многосекционных виброуплотнителей. Рабочим органом последних является несколько виброплит, подвешенных к раме гусеничного или колесного тягача.

Типажем на новые машины предусматривается серийный выпуск самолередвигающихся виброплит массой от 125 до 6000 кг с возмущающей силой от 0,9 до 25 тс.

Глубинные виброуплотнители

Для уплотнения несвязных грунтов на всю глубину слоя, подлежащего уплотнению, применяют глубинные виброуплотнители, работающие гидровибрационным методом. При этом методе уплотнения отпадает необходимость в послойном уплотнении грунта в насыпях и обратных засыпках, что позволяет уменьшить сроки выполнения и стоимость работ.

Гидровиброуплотнители применяют и для подводного уплотнения песчаных грунтов. До сих пор для такого уплотнения не было никаких механизмов.,
Принцип гидровибрационного метода заключается в сочетании работы водной струи, действующей под давлением, с вибрацией. Впервые этот метод был предложен в 1935 г. в Германии, а с 1947 г. получил применение в США и Англии под названием метода виброфлотации для уплотнения песчаных грунтов на глубину 5—15 м. Гидровибрационная установка состоит из глубинного гидровибратора, подвешенного к крюку самоходного стрелового крана, и передвижной электростанции (при отсутствии централизованного электроснабжения).

Принципиальная конструктивная схема гидровибратора приведена на рис. 160. Он состоит из корпуса и штанги, соединенных между собой через прокладку. В корпусе вибратора помещен электродвигатель, вал ротора которого соединен при помощи муфты с валом вибратора, имеющим неуравновешан-ный груз — дебаланс. Штанга во время работы гидравибратора практически не участвует в передаче колебаний; ее длина назначается исходя из намечаемой глубины уплотнения. Вода к гидровибратору подается при помощи гибких шлангов от насосной установки с оптимальным давлением 600—800 кн/м2 (6—8 ат). К соплам вибратора вода подается по каналам (путь воды показан стрелками).

Уплотнение грунта при помощи гидровибрационных установок производится путем последовательного погружения и извлечения гидровибратора в различных точках.

Каждый отдельный цикл работы гидровибрационной установки состоит из следующих последовательных операций:
1. Гидровибратор устанавливается при помощи самоходного крана вертикально над местом погружения, включается его электродвигатель, и подается вода через нижнее сопло.
2. Производится погружение гидровибратора в грунт под действием собственного веса на требуемую глубину уплотнения. Скорость погружения зависит от веса гидровибратора, начальной плотности и гранулометрического состава грунта и обычно составляет 1—2 м/мин. Во время погружения происходит предварительное уплотнение и образование воронки.
3. При достижении требуемой глубины погружения поток воды переключается на верхние сопла, а подача воды через нижнее сопло прекращается. Образовавшаяся вокруг гидровибратора воронка засыпается песком при помощи бульдозера или лопат.
4. Производится извлечение гидровибратора с остановками через каждые 30— 40 см при продолжающейся подаче воды через верхние сопла. Во время извлечения по мере осаДки грунта производится его подсыпка.

Рис. 160. Гидравлический вибратор

После каждого цикла работы гидровибратора образуется столб уплотненного грунта диаметром 3—5 м и глубиной, равной глубине погружения. Расположение точек погружения на площади уплотняемого массива грунта и расстояния между точками устанавливаются расчетом в зависимости от необходимой плотности основания.

Опыт эксплуатации экспериментальных образцов глубинных виброуплотнителей в различных производственных условиях показал, что необходимы виброуплоткители следующих типов:
а) легкий — для уплотнения слоев грунта толщиной до 1,5 м;
б) средний — для уплотнения слоев от 1,5 до 4 ж и в) тяжелый — для уплотнения слоев от 3 до 10 м.

По конструкции виброуплотнители всех типоразмеров одинаковы и представляют собой комплект секций, соединенных в штангу. Нижняя головная секция — гидровибратор имеет вибромеханизм и систему отверстий для нагнетания воды в грунт, а остальные секции штанги являются сменными; количество этих унифицированных секций зависит от глубины уплотнения грунта.

Типажем на новые машины предусматривается выпуск глубинных виброуплотнителей мощностью от 4,5 до 14 кет с номинальной глубиной уплотнения грунта соответственно от 1,5 до 10 м.