Итак, в процессе колебательных движений происходит отрыв отдельных частиц грунта от общей массы колеблющегося слоя. Оторвавшиеся частицы, находясь под воздействием сил тяжести, будут стремиться занять положение, соответствующее их наименьшему потенциалу, т. е. перемещаться вниз. Неоторвавшиеся частицы образуют общую массу, совершающую вынужденные колебания, но, ввиду действующих сил инерции и продолжающегося отрыва отдельных частиц, сплошность этой массы все более нарушается и тем самым понижается прочность связей частиц, оставшихся в сцеплении. В результате этого при интенсивном вибрировании оказывается, что большая часть частиц находится в состоянии относительных перемещений. При этом чем крупнее частицы, тем на большие расстояния они перемещаются, что в результате и приводит к получению более плотной их упаковки.

Колебательные движения могут характеризоваться несколькими параметрами: амплитудами, скоростями, ускорениями и частотами. Уплотнение грунта, как и других материалов, зависит главным образом от величины ускорения его частиц. Влияние на эффект уплотнения грунтов оказывает также частота колебаний. Оказалось, что в известном интервале частот (175—300 гц) происходят интенсивные тиксотропные превращения как в супесчаных, так и в суглинистых грунтах, благодаря которым резко снижаются связи между отдельными частицами и их агрегатами, что ведет к значительному повышению эффекта приложенных к грунтам внешних сил. Поэтому грунты целесообразно было бы уплотнять вибрационными машинами, работающими в этом интервале частот. Однако в настоящее время достижение этого интервала еще связано с большими трудностями.

По характеру силового воздействия на грунт вибрационный метод уплотнения является «пассивным». Здесь частицы вводятся в состояние колебательных движений и затем предоставляются самим себе, так как их взаимосдвиги происходят в основном под действием переменных по величине и направлению инерционных сил и сил тяжести, а постороннее силовое воздействие относительно незначительно. Поэтому этот метод не эффективен по отношению к связным грунтам, так как уплотнение последних может быть осуществлено только при наличии значительной активной силы, действующей извне в одном направлении и в течение более или менее длительного времени.

На эффект уплотнения грунтов вибрированием существенно влияет их влажность. При вибрировании происходит миграция влаги снизу вверх. Опыты позволили установить, что в среднем при вибрировании оптимальная влажность равна (1,1 —1,2) W0 (W„— оптимальная влажность, определенная методом стандартного уплотнения). В случае возможности удаления поднявшейся на поверхность воды метод также эффективен при уплотнении переувлажненных несвязных грунтов. При влаж-ностях менее оптимальных значений эффект уплотнения сильно снижается и тем больше, чем ниже влажность грунта. Если влажность грунта менее (0,7-т-0,8) W0, то возможность доведения грунта до плотности 0,95бтах становится сомнительной даже в случае продолжительного вибрирования и применения тяжелых вибраторов.

Если увеличивать возмущающую силу, то будут возрастать амплитуды колебаний как вибратора, так и грунта. До определенных значений возмущающей силы колебания вибратора будут носить гармонический или же близкий к нему характер. Затем они приобретут беспорядочный характер, т. е. здесь будут иметь место уже периодические удары площадки машины о грунт.

Амплитуда и характер колебаний вибраторов зависит от отношения возмущающей силы Р к их весу Q. Под возмущающей силой понимается та сила, которая отрывает вибратор от поверхности уплотняемого материала. Эта сила развивается соответствующим механизмом и, изменяясь по периодическому закону, переменна во времени. В данном случае имеется в виду амплитудное (максимальное) значение этой силы, соответствующее какому-то определенному моменту времени периода колебаний.

Для уплотнения грунтов, как правило, применяются вибротрамбую-щие машины. Они так же, как и вибрационные, применимы для уплотнения только несвязных и малосвязных грунтов. Вибрационные машины не получили распространения из-за трудности их передвижения. Однако они широко применяются при уплотнении таких материалов как бетонные смеси.

Рабочим органом вибротрамбующей машины является плита, на которой монтируются агрегаты возбудителя колебаний, а иногда и двигатель. Последний часто укрепляется на подмоторной плите, которая расположена над основной плитой и опирается на нее через амортизаторы.

Разновидностью вибротрамбующих машин являются вибрационные катки. Здесь рабочим органом служит жесткий валец, который также специальным механизмом вводится в состояние колебательных движений.

При работе вибротрамбующих машин напряжение на поверхности грунта обычно не превышает 0,5—0,8 кПсм2, но ввиду тиксотропных превращений грунтов даже такие незначительные нагрузки при благоприятных условиях приводят к получению высокого эффекта.

К основным параметрам вибротрамбующих машин относятся их вес, возмущающая сила, частота колебаний и поперечные размеры рабочего органа — плиты, а в случае вибрационного катка — диаметр и ширина вальца.

Получаемые плотности грунтов находятся в зависимости от массы вибратора. По мере роста последней плотность грунта увеличивается. При недостаточной массе требуемая плотность грунта не может быть достигнута ни снижением толщины уплотняемого слоя, ни увеличением продолжительности вибрирования. Чем выше масса, тем быстрее достигается соответствующая ей предельная плотность грунта, а также тем с большей скоростью идет процесс распространения уплотнения в глубину.

С достаточной для практических целей точностью можно полагать, что предельная глубина действия вибротрамбующей машины, на которой еще может быть достигнута максимальная стандартная плотность грунта, равна минимальному поперечному размеру площади контакта его рабочего органа с грунтом. Если требуемая плотность равна 0.956тах, то эта глубина примерно в 1,5 раза больше. С учетом этих соображений и следует выбирать размеры плит вибрационных катков. Однако размерами поверхности контакта определяются потенциальные возможности уплотнения, которые, однако, могут быть реализованы лишь в случае, когда масса вибратора не ниже определенной величины, зависящей от вида и состояния грунта. В противном случае глубина эффективного действия вибратора снижается примерно прямо пропорционально уменьшению его массы.

Вес вибратора может быть сосредоточен на площадке либо частично размещен выше ее и амортизирован от колебаний площадки упругими (обычно пружинными) элементами. В первом случае в колебаниях участвует вся масса вибратора, а во втором колеблется лишь часть этой массы, что снижает инерционные потери.

Чем выше частота колебаний, тем большим должно быть это отношение. Однако здесь влияние частоты учитывается автоматически ввиду того, что, как это будет показано ниже, частоту выбирают в зависимости от удельного статического давления.

Если вибрационная машина снабжена таким ходовым устройством, при котором ее перемещение производится наклоном виброэлементов, т. е, за счет горизонтальной составляющей возмущающей силы, то при чрезмерно больших отношениях возмущающей силы к весу может иметь место, потеря управления.

При некоторых частотах затухание колебаний снижается до минимума, а амплитуды достигают максимального значения. Эти частоты значительно меньше тех, при которых происходят интенсивные тиксотропные превращения грунтов. При этом имеет место как бы резонанс колебаний вибратора со значительной массой грунта, тогда как при частотах, cooti ветствующих интенсивным тиксотропным превращениям, колебания локализируются в значительно меньших объемах грунта.

При таких квазирезонансных частотах возрастают амплитуды, а следовательно, и ускорения, что повышает эффект уплотнения. Поэтому надо’ стремиться к работе на этих частотах, которые невелики и потому легко достижимы. Чем больше масса вибратора, тем ниже квазирезонансные частоты колебаний системы вибратор—грунт и тем, следовательно, меньших значений должны выбираться частоты вынужденных колебаний.

Необходимое время вибрирования, т. е. то время, в течение которого грунт в нижней части уплотненного слоя заданной толщины может быть доведен до требуемой плотности, зависит от вида грунта и его состояния, а также от веса вибратора, возмущающей силы и частоты колебаний.

Наименьшая продолжительность вибрирования соответствует влажности грунта (1,1—-lj2) W0. При повышении Или снижении влажности требуемая продолжительность вибрирования возрастает, что в первом случае происходит из-за необходимости удаления избытков воды.

Чем выше вес машины, тем предельная плотность грунта, соответствующая его параметрам, достигается за более короткое время.

Виброэлементы могут быть ненаправленного и направленного дей-ствия (рис. 112). В последнем случае виброэлемент состоит из двух вращающихся в разные стороны с одинаковой угловой скоростью экецентриг ков, расположенных таким образом, что в каждый момент времени горизонтальные составляющие центробежных сил уравновешены, а вертикальные составляющие суммируются.

Когда вибратор перемещается в рабочем состоянии, т. е. плита совершает колебательные движения, то коэффициент сопротивления перемещению, несколько изменяется. Опытным путем установлено, что при прочих равных условиях коэффициент сопротивления зависит от скорости перемещения вибратора, амплитуды его колебаний, а в случае эксцентрикового возбудителя колебаний при скоростях менее 2 м/мин — еще от направления вращения эксцентриков.

Коэффициент сопротивления растет по мере увеличения скорости. При скоростях движения более 4—5 м/мин можно полагать, что коэффициент сопротивления стабилизируется. Стабильное значение коэффициента /х — 0,5 и следует принять за расчетное.

Расчет силы тяги, необходимой для преодоления уклонов и перемещения, образовавшейся перед машиной призмы грунта, производится общепринятыми методами.

Мощность двигателя расходуется еще на колебательные движения машины и грунта, а также на преодоление трения в подшипниках виброэлементов. Ввиду того, что сопротивления колебательным движениям изучены еще недостаточно, мощность двигателя целесообразно назначать на основе результатов испытаний существующих конструкций машин. Можно считать, что при оптимальных параметрах машины необходима мощность в 5—7 л. с. на 1 т веса колеблющихся частей вибратора.

Рис. 113. Прицепной вибрационный каток

В заключение следует отметить, что наиболее производительными машинами являются катки и особенно с гладкими вальцами и кулачковые среднего типа. При их применении стоимость работ — наименьшая. Однако при необходимости доведения грунта до требуемой плотности (0,98—1,0) бтах более экономичными являются катки на пневматических шинах. Наибольшая производительность и наименьшая стоимость работ служат основными причинами того, что из всех средств для уплотнения грунтов катки получили наибольшее распространение. К.их положительным качествам следует отнести простоту устройства и ухода за ними в процессе эксплуатации. Однако этими катками можно уплотнять грунты при сравнительно малых толщинах слоев и, кроме того, для рентабельной их работы требуется наличие определенного фронта работ.

Трамбование является универсальным способом уплотнения грунтов но и наиболее дорогим. Этот недостаток может быть устранен путем создания производительных и простых по конструкции трамбующих машин.

Вибротрамбующие машины по своим показателям занимают промежуточное положение между катками и трамбующими механизмами.

Наблюдается рост производительности и геометрических размеров кузовов и ковшей транспортных и землеройно-транспортных машин. Поэтому экономически выгодным становится повышение толщины уплотняемых слоев. Очевидно, что перспективными могут быть признаны такие виды машин для уллотнения грунтов, которые при проектировании новых моделей путем подбора соответствующих параметров позволят повысить толщину уплотняемого слоя грунта без повышения стоимости работы.

Рост толщин слоев уплотняемого грунта неизбежно связан с повышением веса машин, при этом вес катков гладких и кулачковых, а также вибротрамбующих и вибрационных машин увеличивается примерно прямо пропорционально квадрату толщины уплотняемого слоя. В такой же зависимости находится и вес рабочих органов трамбующих машин, но вес самих машин повышается в меньшей степени. Вес катков на пневматических шинах тоже увеличивается. Так, при повышении толщины уплотняемого слоя в 3 раза вес пневмокатка увеличивается примерно в 6 раз.

Соответствующий анализ показывает, что даже пр:: значительном увеличении веса глубина активной зоны, а следовательно, и толщина слоя связного грунта в плотном теле при уплотнении его катками с гладкими и кулачковыми вальцами практически не может быть более 30 см.