CURS II -1

12. Maşini pentru lucrări de fundaţii

Fundaţiile asigurǎ transmiterea forţelor ce acţioneazǎ asupra construcţiilor la pământ, astfel încât tasǎrile pǎmântului sub acţiunea încărcǎrilor sǎ nu depăşeascǎ limitele admisibile. Fundaţiile determinǎ într-o mǎsurǎ importantǎ siguranţa construcţiilor.

Pentru realizarea construcţiilor pe terenuri slabe este necesarǎ consolidarea acestora astfel încât sǎ poatǎ prelua sarcinile transmise de construcţie. În acest scop se utilizeazǎ o serie de tehnologii:

înfigerea în pamânt a unor elemente de construcţie (piloţi prefabricati, palplanşe, tuburi, profile metalice etc.)

realizarea unor ecrane din beton armat (pereţi mulaţi sau pereţi din beton îngropaţi în pǎmânt)

realizarea unor coloane de fundaţie (piloţi) prin turnarea acestora chiar în terenul de fundare

La executarea lucrărilor de fundaţii, pe lângă maşinile utilizate, în genaral, la alte lucrări (ca de exemplu maşini de săpat, maşini de săpat şi transportat, maşini de ridicat, maşini pentru transportul betoanelor), se utilizează şi maşini speciale şi anume:

- maşini pentru înfigerea elementelor de construcţii în pământ;

- maşini pentru executarea pereţilor turnaţi în pământ (pereţi mulaţi, ecrane);

- maşini pentru executarea coloanelor de fundaţie;

- maşini pentru executarea ancorajelor;

- maşini pentru prepararea şi transportul noroiului bentonitic;

- maşini pentru injectarea unor amestecuri în pământ în vederea consolidării terenului;

- maşini pentru evacuarea apei din zona de lucru (epuismente).

Maşinile de forat au o largă utilizare la lucrări de fundaţii (executarea găurilor pentru coloane de fundaţii şi ancoraje, executarea pereţilor din piloţi secanţi), dar se utilizează şi la alte lucrări ca de exemplu: foraje pentru alimentări cu apă, foraje în cariere pentru dislocarea rocilor cu explozivi, foraje pentru studii geotehnice, foraje pentru executarea tunelelor sub pământ, foraje pentru subtraversarea unor construcţii.

12.1. Maşini pentru înfigerea elementelor de construcţii în pământ

Maşinile pentru înfigerea elementelor de construcţii în pământ se utilizează la următoarele lucrări:

- înfigerea în pământ a piloţilor prefabricaţi din beton, a profilelor metalice, a palplanşelor, a piloţilor din lemn, a ţevilor etc.;

- înfigerea în pământ a tuburilor de protecţie a forajelor pentru coloane de fundaţie;

- executarea găurilor în pământ slab, uşor compactabil, prin înfigerea unor tuburi având capătul inferior astupat;

- executarea coloanelor din balast şi pământ;

- compactarea în adâncime a terenurilor de fundaţie.

De regulǎ, maşinile de înfigere se pot utiliza şi pentru extragerea elementelor de construcţii din pǎmânt în vederea recuperǎrii acestora (tuburi de protecţie, palplanşe).

Se menţioneazǎ ca unele maşini complexe pentru lucrǎri de fundaţii includ şi echipamente pentru înfigerea şi extragerea elementelor de construcţii din pǎmânt.

Dupa metoda de înfigere folosită, maşinile de înfigere se clasifică astfel:

a) maşini de înfigere prin batere/percuţie;

b) maşini de înfigere prin vibrare;

c) maşini de înfigere prin apăsare şi rotire –pentru tuburi

d) masini de înfigere prin metode combinate (vibropercuţie, vibropresare)

12.1.1. Maşini de înfigere prin batere

Maşinile de înfigere prin batere se recomandă la înfigerea elementelor de construcţii în pamânturi coezive.

În figura 12.1 se indică schema unei maşini de înfigere prin batere, care cuprinde două părţi:

a) berbecul (poz. 5), utilajul care realizează lovitura asupra elementului (poz.7);

b) soneta (poz.1-4), utilajul care constituie suportul berbecului, realizând ghidarea berbecului şi a pilotului, precum şi manevrarea acestora.

Dupa sistemul de acţionare, berbecii se clasifică astfel:

- berbec cu acţiune mecanică (greutate ridicată de un troliu şi lăsată să cadă liber);

- berbec diesel;

- berbec pneumatic;

- berbec hidraulic.

Fig.12.1. a. Schema unei maşini de înfigere prin batere

1 – maşina de bază cu platformă rotitoare;

2 – catarg (2’-poziţia limită înclinat spre spate; 2’’- poziţia limită înclinat spre faţă);

3 – mecanism de manevrare a catargului pentru poziţiile de lucru şi de transport);

4 – trolii pentru manevrarea berbecului şi a pilotului;

5 – berbec;

6 – ghidajele berbecului;

7 – elementul ce se înfige în pământ (pilot).

Schema cinematicǎ a unei maşini de înfigere prin batere

Fig.12.1. b. Schema cinematicǎ a maşinii de înfigere prin batere

1- maşina de bazǎ cu platforma rotitoare;

2- catarg ce se poate înclina spre faţǎ sau spre spate faţǎ de maşina de bazǎ;

3- berbec ce culiseazǎ pe ghidajele catargului;

4- elementul ce se înfige în pǎmânt (pilot, palplanşǎ, tub);

5- dispozitiv de protecţie şi agǎţare a elementului;

6- dispozitiv de ghidare a elementului;

7- mecanism de manevrare a catargului;

8- cablul troliului de manevrare a berbecului;

9- cablul troliului de manevrare a elementului

Verificarea stabilitǎţii

O cerinţǎ importantǎ pentru maşinile de înfigere prin batere este asigurarea stabilitǎţii maşinii în timpul lucrului. Situaţia cea mai defavorabilǎ pentru stabilitatea maşinii este indicatǎ în figura 12.1, b:

berbecul si pilotul sunt manevrate cu troliile respective; catargul este înclinat spre faţǎ cu unghiul maxβ în raport cu maşina de bazǎ;

înclinarea terenului cu unghiul maxα admisibil, în sens defavorabil; forţa vântului acţioneazǎ în sens defavorabil, cu valoarea maximǎ admisǎ în timpul lucrului.

Fig. 12.1. c –schema de încărcare pentru verificare stabilităţii utilajului

În situaţia indicatǎ mai sus (fig. 12.1, c), se face verificarea stabilitǎţii apelând la o ecuaţie de echilibru a tuturor forţelor ce acţioneazǎ asupra maşinii în raport cu direcţia de rǎsturnare ce trece prin A:

( ) 0i AM F∑ = (12.1)

+= = ≥

+ + +k

G r G rM m m cg cgs ks saM G r G r G r F rr c c p p v vb b (12.2)

unde: ks este coeficientul de stabilitate

Ms – momentul de stabilitate (dat de forţele care asigurǎ stabilitatea maşinii în raport cu direcţia de rǎsturnare posibilǎ, care trece prin punctul A)

Mr – momentul de rǎsturnare (dat de forţele care tind sǎ producǎ rǎsturnarea maşinii în raport cu direcţia de rǎsturnare posibilǎ, care trece prin punctul A)

Gm Gcg Gc Gb Gp – greutǎţile: maşinii de bazǎ, contragreutǎţii, catargului, berbecului şi pilotului

Fv - forţa vântului

rm, rcg,rc, rb, rp, rv – braţele forţelor respective în raport cu punctul de rǎsturnare A

ksa – coeficient de stabilitate admisibil (1,1 …..1,5).

Organul activ al maşinilor de înfigere prin batere este berbecul.

Berbecul mecanic – este un mai metalic lăsat să cadă ghidat, de la o înălţime prestabilită, pe capul elementului care se înfige. În cǎdere, berbecul loveşte pilotul, determinând înfigerea acestuia în pǎmânt. Dezavantajul acestui tip de berbec este productivitatea redusǎ.

Berbecii diesel sau pneumatici se fixează direct pe capul elementului de înfipt.

Berbecii diesel – au o parte fixă (solidară cu elementul ce se înfige), care poate juca rol de piston- la o variantă, sau de cilindru - la altele, şi o parte mobilă (cilindru, respectiv piston –după caz) care, pentru iniţierea funcţionării, este ridicată cu o funie sau cablu şi apoi eliberată. Pe ultima porţiune ghidată a căderii, se produce compresia masei de aer şi apoi injecţia de motorină. Urmează autoaprinderea şi explozia – ca la orice MAI cu apindere prin compresie (MAC). Efectul este dublu: înfigerea exercitată asupra elementului, propulsia părţii mobile şi pregătirea ei în vederea următoarei căderi.

Berbecii pneumatici – au corpul cilindrului fixat pe capul elementului de înfipt, iar pistonul este mobil. Berbecul este alimentat de un compresor cu aer. Pot fi cu acţiune simplă (aerul comprimat asigură doar ridicarea părţii mobile) şi cu acţiune dublă (aerul comprimat acţionează şi la ridicare, dar şi la cădere şi lovire - ca urmare a unei distribuţii automate a aerului).

Berbecii hidraulici – au o alcătuire şi funcţionare mult mai complexă. Masa de lovire este ridicatǎ sub acţiunea presiunii uleiului hidraulic. Maşina de bazǎ trebuie sǎ fie prevǎzutǎ cu instalaţie hidraulicǎ capabilǎ sǎ asigure debitul şi presiunea necesarǎ pentru funcţionarea corespunzǎtoare a berbecului.

Principalii parametri ai berbecului sunt: energia de lovire - El [kJ], masa piesei de lovire m [kg], cursa/ înălţimea de cădere H [m], frecvenţa loviturilor ν [s-1; Hz], masa berbecului M [kg], dimensiuni de gabarit.

Alegerea berbecului se face în funcţie de tipul şi dimensiunile elementului, adâncimea de înfigere şi caracteristicile pământului.

Intervalele în care se încadrează berbecii uzuali sunt prezentate în tabelul 12.1.

La berbecii de tip mai, energia de lovire ( El ) este dată de formula:

(12.3)

Tabelul 12.1. Domeniile în care se încadrează caracteristicile principale ale diverselor tipuri de maiuri

Tipul berbecului Masa părţii de

lovire Energia de lovire Frecvenţa loviturilor Înălţimea de cădere

kg kJ lov/min m Diesel 500…6000 50…250 35…60 3,5…6 Diesel rapizi 1500…4500 35…125 80…100 5….5,6 Pneumatici, cu simplă acţiune 2500…15000 35…200 30…50 4,5….5

Pneumatici, cu dublă acţiune 20…2250 0,25…27 100…500 1,25…4,5

Numărul de lovituri necesare înfigerii se poate calcula în funcţie de berbecul utilizat, masa şi forma elementului de înfipt şi de natura terenului.

În practică, înfigerea se realizează până la o adâncime de refuz, adică până în momentul când adâncimea de înfigere - în mm, dupǎ un numǎr de lovituri succesive, devine constantă şi nesemnificativǎ.

Domenii de utilizare. Cu excepţia berbecului diesel, maşinile de înfigere prin batere pot fi utilizate pentru orice categorie de teren.

Berbecii diesel nu pot fi utilizaţi în terenurile slabe, care opun rezistenţă mică la înfigere, deoarece în aceste condiţii compresia necesară nu poate fi realizată.

12.1.1.1. Berbeci diesel

Berbecul diesel funcţionează pe principiul motorului diesel în doi timpi. Ridicarea piesei de lovire se face sub acţiunea presiunii gazelor rezultate în urma autoaprinderii combustibilului din camera de ardere a berbecului. Construcţia unui berbec diesel tubular este prezentată în figura 12.2, iar fazele ciclului de lucru se indică în figura 12.3.

Fig.12.2. Construcţia unui berbec diesel tubular

Fig.12.3.Fazele ciclului de lucru la berbecul diesel tubular

a) Coborârea pistonului şi alimentarea cu combustibil comandată de pistonul în cădere; b) Compresia aerului, urmată imediat de autoaprinderea combustibilului în camera de ardere, care se încheie cu executarea loviturii; c) Destinderea gazelor rezultate în urma arderii, ridicarea pistonului şi evacuarea gazelor de ardere în atmosferă; d) Continuarea ridicării pistonului şi admisia aerului proaspăt în cilindru.

Deplasarea pistonului pe verticală:

2

0 0 2= + −

gty y v t

y0 –poziţia iniţială a pistonului v0 –viteza iniţială de lansare pe verticală g –acceleraţia gravitaţională t –timpul de urcare

Berbecii diesel au avantajul cǎ nu necesitǎ instalaţii pentru producerea aerului comprimat.

Numǎrul de lovituri pe minut (frecvenţa loviturilor) este 45…60 Hz - mai mic ca la berbecii pneumatici şi hidraulici.

Dupǎ construcţie, berbecii diesel se clasificǎ în douǎ grupe:

a) berbeci diesel cu tijă de ghidare - piesa de lovire este cilindrul berbecului b) berbeci diesel tubulari - piesa de lovire este pistonul berbecului

Fig.12.4 . Înfigerea pilotului pe direcţie

înclinată faţă de verticală Fig.12.5. Echipament de înfigere prin batere cu berbec diesel montat pe excavator hidraulic.

Înfigerea pilotului se poate realiza şi pe direcţie înclinată faţă de verticală (fig.12.4).

În figura 12.5 se prezintă un echipament de înfigere prin batere cu berbec diesel montat pe un excavator hidraulic.

Berbeci diesel tubulari (fig.12.6)

Faţǎ de berbecul cu tijǎ de ghidare, berbecul diesel tubular are:

Avantaje: uzurǎ redusǎ, energie de lovire mai mare, pompǎ de combustibil de joasǎ presiune.

Dezavantaj: înǎlţimea mai mare a berbecului.

Fig.12.6. Schema constructivǎ şi diagrama presiune-volum pentru berbeci diesel tubulari

1- piston cu cap sferic; 2- cilindru; 3- orificii de legǎtura cu atmosfera; 4 – talpǎ cilindrului, cu locaş sferic; 5 – pârghie care comandǎ introducerea combustibilului în cilindru; 6 – dispozitiv de fixare la elementul ce se înfige în pǎmânt (pilot); 7 – pilot; p – presiunea în camera cilindrului; V – volumul camerei cilindrului

Fazele ciclului de lucru la berbecul diesel tubular sunt urmǎtoarele:

ab – cǎderea pistonului pâna la închiderea orificiilor; când pistonul atinge pârghia 5, se introduce combustibil în cilindru (la presiune redusǎ);

bc – închiderea orificiilor cilindrului de legǎtură cu atmosfera;

cd – comprimarea aerului în cilindru dupǎ închiderea orificiilor;

d - executarea loviturii, care determinã şi pulverizarea combustibilului aflat în locaşul sferic;

de - autoaprinderea combustibilului în camera de ardere a berbecului;

ef – ridicarea pistonului sub acţiunea presiunii gazelor rezultate din arderea combustibilului;

fg – evacuarea gazelor din cilindru în atmosferǎ;

ga – pǎtrunderea aerului proaspǎt în cilindru.

6

Înainte de începerea procesului de înfigere în pǎmânt, berbecul se aşeazǎ pe capǎtul superior al pilotului cu ajutorul troliului sonetei. Pentru pornirea berbecului se ridicǎ pistonul în poziţia limitǎ superioarǎ, dupǎ care este lǎsat sǎ cadǎ.

Reglarea înălţimii de cǎdere a pistonului, respectiv a energiei de lovire, se realizeazǎ prin reglarea cantitǎţii de combustibil introdus de pompǎ în cilindru. La încetarea alimentǎrii cu combustibil şi loviturile înceteazǎ.

În pamânturi slab coezive, la începutul înfigerii este posibil ca, sub acţiunea presiunii gazelor de ardere, sǎ se realizeze un avans mare la pilot, în detrimentul ridicǎrii piesei de lovire – înǎlţime insuficientǎ pentru realizarea unei noi lovituri (recul mic). În acest caz, funcţionarea berbecului se opreşte şi trebuie reluat procedeul de ridicare a pistonului.

12.1.1.2. Berbeci pneumatici

Berbecii pneumatici necesită o sursă de aer comprimat pentru acţionare. La berbecii pneumatici cu simplă acţiune piesa de lovire se ridică sub acţiunea presiunii aerului comprimat şi cade sub acţiunea gravitaţiei, iar la berbecii cu dublă acţiune aerul comprimat acţionează asupra piesei de lovire şi în faza de coborâre a acesteia.

Fig. 12.7 Berbec pneumatic cu acţiune simplǎ Fig. 12.8. Berbec pneumatic cu acţiune dublǎ

În figura 12.7 se prezintă un berbec pneumatic cu simplă acţiune. Alimentarea cu aer comprimat se face prin tija pistonului 2, prin furtunul 1, piesa de lovire fiind în acest caz cilindrul 3. Cilindrul este ghidat pe catargul 4 al sonetei, ca şi capişonul 5 de protecţie a pilotului.

Berbecul pneumatic cu dublă acţiune din figura 12.8, utilizat la înfigerea palplanşelor 6, este rezemat pe elementul ce se înfige şi fixat de acesta cu ajutorul unor plăci 5. Alimentarea cu aer comprimat se face prin furtunul 4 şi distribuitorul pneumatic 3, montat pe corpul 2 al berbecului. Manevrarea berbecului se face prin agăţarea urechii 1 în cârligul sonetei sau al macaralei.

Berbecii pneumatici au avantajul că asigură frecvenţe de lovire mult mai mari ca berbecii diesel (mai ales cei cu dublă acţiune), dar prezintă dezavantajul că necesită o sursă de aer comprimat.

Calculul energiei consummate şi al puterii de lovire a berbecului pneumatic

Energia de lovire a berbecului:

22

2 2lmv QE v

g= = [daNm]

unde: m este masa pistonului ce realizează percuţia; v- viteza de lovire a berbecului ( 6 /v m s≤ ); Q –greutatea pistonului [daN].

Puterea de lovire a berbecului:

60 100l

lE nP ⋅

=⋅

[kW] ; 60nT

= [lovituri/min]; 1 2 6...T t t t= + + + [s]

unde: n- turaţia; T- durata ciclului de lucru al berbecului; 1 6,...t t - timpii în care pistonul de lucru parcurge diferite lungimi din cadrul ciclului cinematic (cursa sa de ridicare/ coborâre).

Notaţii:

1,A A - suprafaţa coroanei circulare superioare, respective inferioare a pistonului;

1,p p - presiunea de lucru a aerului comprimat (6…8 daN/cm2), respectiv presiunea spaţiului de legătură cu atmosfera;

Q – greutatea pistonului [daN];

H – cursa totală a pistonului berbecului;

1h - cursa de ridicare a pistonului berbecului realizată sub presiunea de lucru p ;

2h - cursa de ridicare a pistonului berbecului în timpul schimbării poziţiei distribuitorului;

3h - cursa de ridicare a pistonului berbecului efectuată cu distribuitorul fixat pe poziţie de coborâre;

1h ′ - cursa de coborâre a pistonului berbecului realizată sub presiunea de lucru p ;

2h ′ - cursa de coborâre a pistonului berbecului în timpul schimbării poziţiei distribuitorului;

3h ′ - cursa de coborâre a pistonului efectuată cu distribuitorul comutat pe poziţie de ridicare;

1 2 6, ,...v v v - vitezele pistonului la sfârşitul curselor 1 2 3 1 2 3, , , , ,h h h h h h′ ′ ′ ;

F- forţele de frecare dintre piston şi corpul acestuia ( 0,1F Q≈ ).

Diagrama forţelor active şi de rezistenţă (rezistive) ce acţionează asupra pistonului berbecului în timpul curselor - în gol şi activă (de lucru), sunt prezentate mai jos.

Cursa în gol (de ridicare) Cursa activă (de coborâre)

Diagramele forţelor active şi de rezistenţă care acţionează asupra pistonului

Lucrul mecanic efectuat de piston - în timpul cursei de ridicare Lr va fi:

1 11 1 1 2 1 3 1 1( ) ( ) ( ) 0

2 2rp p p pL h pA p A h A A h p A pA QH FH+ +

= − + − + − − − =

Lucrul mecanic efectuat de piston - în timpul cursei de coborâre Lr va fi: 2

1 11 1 1 2 1 3 1 1( ) ( ) ( )

2 2 2cp p p p mvL h pA p A h A A h p A pA QH FH+ +′ ′ ′= − + − + − + − =

Din ultima relaţie rezultă viteza de lovire a pistonului:

6,0cLvm

= ≤ [m/s]

Lucrul mecanic L1 efectuat de piston pe parcursul cursei h1 : 21 1 1 1

1 1 1 1 12 ( )( )

2mv h pA p A Q FL h pA p A Q F v

m− − −

= − − − = ⇒ =

Lucrul mecanic L2 efectuat de piston pe parcursul cursei h2 :

( ) 1 12 22 12 1 21 1

2 2 1 2 1 1

2 ( )2 2( )

2 2 2

p p p ph A A Q Fm v vp p p pL h A A Q F v v vm

+ +− − −−+ +

= − − − = ⇒ = + <

La finele cursei de ridicare, viteza finală 3 0v =

Lucrul mecanic L4 efectuat de piston pe parcursul cursei 1h ′ :

p1

24 1 1 1

4 1 1 1 42 ( )( )

2mv h pA Q p A FL h pA Q p A F v

m′ + − −′= + − − = ⇒ =

Lucrul mecanic L5 efectuat de piston pe parcursul cursei 2h ′ :

1 12 2 2 125 41 15 2 1 5 4 4

2 ( )( ) 2 2( )2 2 2

p p p ph A A Q Fm v vp p p pL h A A Q F v v vm

+ +′ − + −−+ +′= − + − = ⇒ = + >

La finele cursei 3h ′ , viteza va fi 62 cLv vm

= =

Diagrama variaţiei vitezelor pistonului pe toată durata ciclului cinematic este redată mai jos.

Diagrama variaţiei vitezelor pistonului pe durata ciclului cinematic

Timpii de parcurgere a fiecărei porţiuni de cursă (se va considera valoarea medie a vitezei):

3 31 2 1 21 2 3 4 5 6

1 1 2 2 4 4 5 5

2 22 2 2 2; ; ; ; ;h hh h h ht t t t t tv v v v v v v v v

′′ ′= = = = = =

+ + +

Energia Ep care se consumă la deformaţia capătului superior al pilotului se determină cu relaţia: 2 2(1 )

2pQv P RE

g P Q−

= ⋅+

unde P – greutatea pilotului; R – coeficientul de restituire (R= 0,5…0,6) – ciocnire imperfect elastică.

Energia efectivă E de înfigere a pilotului se calculează ca diferenţă dintre cele două energii calculate anterior:

2 2 2 2(1 )[1 ]

2 2l pQv P R Qv Q PRE E E

g P Q g Q P− +

= − = − = ⋅+ +

Pentru extragerea elementelor de inventar (de exemplu palplanşele) din pământ după terminarea lucrării respective şi a reutilizării acestora la alte lucrări, se utilizează berbeci pneumatici speciali (fig.12.9).

Fig.12.9. Berbeci pneumatic speciali, pentru palplanşe

Berbecul extractor este suspendat în cârligul sonetei sau în cârligul unei macarale cu ajutorul dispozitivului de agăţare cu amortizor 7, iar cleştele 1 se fixează pe capătul superior al palplanşei. Pistonul 4, deplasându-se în interiorul cilindrului 3 de jos în sus, execută lovituri asupra suportului 6, pe care se înfăşoară cablu 5, şi astfel şocul loviturii se transmite palplanşei prin intermediul cleştelui 1.

Alimentarea cu aer comprimat se realizează cu ajutorul distribuitorului de aer comprimat 2, comandat de pistonul în mişcare.

12.1.1.3. Berbeci hidraulici

În cazul berbecilor hidraulici ridicarea piesei de lovire se realizează sub acţiunea presiunii uleiului hidraulic.

Fig.12.10. Principiul de funcţionare al berbecilor hidraulici

a) la înfigerea elementelor în pământ; b) la extragere

1 – sistem de acţionare hidrostatic cu cilindru şi acumulator; 2 – piesa de lovire; 3 – dispozitiv de protecţie a elementului ce se înfige în pământ; 4 – cablu de suspendare a berbecului şi elementului ce se extrage; 5 – dispozitiv de fixare a berbecului la element.

Ca şi în cazul berbecilor pneumatici, există berbeci hidraulici cu simplă acţiune, precum şi berbeci hidraulici cu dublă acţiune. În prezent se manifestă tendinţa extinderii utilizării berbecilor hidraulici datorită următoarelor avantaje:

- nu poluează mediul cu gaze de ardere ca berbecii diesel; - nivelul de zgomot este mai redus ca la alte tipuri de berbeci.

În figura 12.10 se indică principiul de funcţionare a berbecilor hidraulici, atât la înfigerea în pământ, cât şi la extragerea elementelor de construcţii.

Fig.12.11. Ghidarea berbecului pe catarg Fig.12.12. Utilaj cu berbec hidraulic pentru înfigerea elementelor de construcţii în pamânt.

La înfigerea pilotului în pământ, berbecul hidraulic (fig.12.11) este ghidat pe catargul 6 al sonetei şi poate fi manevrat cu ajutorul cablului 8 al troliului sonetei. Cilindrul hidraulic 3 al berbecului este alimentat de la pompa maşinii de bază prin furtunurile 4. Pentru amortizarea şocurilor în instalaţia hidraulică şi furnizarea debitului necesar în anumite faze ale ciclului de lucru, berbecul este dotat cu un acumulator hidraulic 2. Piesa de lovire 5, acţionată de cilindrul hidraulic, este ghidată pe cadrul berbecului 1. Forţa de lovire se transmite la pilot prin intermediul dispozitivului 7, care asigură şi protecţia capului pilotului.

În figura 12.12 se prezintă o maşină cu berbec hidraulic pentru înfigerea elementelor de construcţii în pământ.

Maşina de bază 1 cu şenile şi platformă rotitoare este prevăzută cu troliile 2, cu cablurile 7 pentru manevrarea berbecului, respectiv 8 pentru manevrarea elementului ce se înfige.

Catargul 4 este manevrat cu un mecanism 3 cu cilindri hidraulici şi bare articulate, mecanism care asigură diferite poziţii de lucru, inclusiv poziţia din figura 12.11, în care catargul este înclinat spre spate cu un unghi de circa 450.

Berbecul hidraulic 6 este alimentat prin furtunurile hidraulice 5, fiind ghidat pe catarg. Pentru reducerea nivelului de zgomot berbecul este închis într-o carcasă prevăzută cu izolaţie fonică.

Mecanismul de manevrare 3 asigură şi poziţia de transport a echipamentului de lucru (fig.12.13).

Utilizarea înfigerii prin batere la executarea coloanelor de fundaţie – tehnologia Franki

Piloţii Franki reprezintă tehnologia cea mai cunoscută de execuţie pe loc a piloţilor prin batere cu tubaj recuperabil şi cu beton compactat. Pentru executarea acestor piloţi se folosesc în mod curent la noi în ţară sonetele Franki KPF-22, care execută piloţi de 520 mm diametru şi lungimi de 15-16 m.

Piloţii Franki se confecţionează cu ajutorul unor coloane metalice recuperabile, care se înfig în pământ prin tubare cu un berbec, într-un dop de beton introdus la capătul inferior al coloanei metalice, denumit "dop de avansare". Prin batere în dop, se realizează bulbul din beton compactat şi se introduce armătura. Betonarea corpului pilotului se efectuează apoi în tranşe, prin ridicarea treptată a coloanei şi compactarea betonului, cu ajutorul loviturilor berbecului.

Deplasarea sonetei KPF-22 se face pe şenile sau pe şine de cale ferată, montate la ecartamentul

de 2600 mm, pe traverse de lemn, conform STAS 330/5-80, la distanţă una de alta de 0,6...0,6 m. Şinele se prelungesc prin îmbinare cu eclise şi buloane. Calea de deplasare a sonetei se montează pe direcţia rândurilor de piloţi, astfel ca, prin rotirea sonetei, să se acopere un număr cât mai mare de piloţi.

Fig.12.13. Echipamentul de lucru în poziţie de transport

Fig. 12.15. Procesul tehnologic de formare a unui pilot din beton turnat în pǎmânt, cu tub metalic

afundat în teren, prin batere – procedeu Franki I…VII – faze de execuţie

1-tub metalic; 2- dop din beton; 3- berbec cilindric; 4- cablu din oţel; 5- bulb lǎrgit; 6- uechi de prindere cu cablu; 7- carcasǎ metalicǎ din armǎturǎ; 8- corp pilot; 9- suprafaţǎ lateralǎ cu proeminenţe (rugozitǎţi)

Tehnologia de execuţie a piloţilor Franki este prezentatǎ în figura 12.14.

Tubul metalic de inventar (recuperabil) este aşezat vertical pe teren, în punctul unde pilotul urmeazǎ a fi executat (fig. 12.14). În tub se toarnǎ o cantitate de beton (0,2 m3) uscat sau puţin umed, care este bǎtut (în interior) cu un berbec (ciocan, mandrinǎ) având masa de 2…4 t, cǎzând de la o înǎlţime de câţiva metri (1,0…1,2 m) la început, apoi de la 3,0…8,0 m.

Dopul din beton, comprimat în pereţii tubulari, pǎtrunde în teren, antrenând tubul prin frecare şi, în acelaşi timp împiedicǎ pǎtrunderea în tub a pǎmântului sau a apei.

Se suspendǎ tubul metalic în cabluri, se continuǎ loviturile berbecului adǎugând beton, fǎrǎ ridicarea tubului.

Dopul de beton este desprins şi formeazǎ la baza pilotului un bulb de beton care transmite încǎrcarea pilotului.

Dupǎ desprinderea bulbului, se introduce carcasa metalicǎ, berbecul culisând în interiorul acesteia. Betonarea corpului pilotului este executatǎ prin adǎugarea de şarje (porţii, straturi) succesive de beton (cca 10 dm3), care se compacteazǎ concomitent cu retragerea progresivǎ a tubului, în trepte de 25…30 cm, rǎmânând în permanenţǎ o înǎlţime minimǎ de beton în interiorul tubului (20…30 cm) care asigurǎ continuitatea coloanei.

Rezultǎ astfel un pilot din beton cu diametrul mǎrit faţǎ de cel al coloanei metalice, şi o suprafaţǎ lateralǎ rugoasǎ ce asigurǎ o capacitate portantǎ ridiatǎ.

Prin acest procedeu se ralizeazǎ piloţi cu diamterul ≤ 520 mm şi o lungime de 15…18 m.

În mod deosebit se subliniază necesitatea ca "volumul de beton de siguranţă", folosit la fazele de betonare a bulbului şi corpului pilotului să fie asigurat în permanenţă, pentru a se evita "strângerile" pereţilor găurii şi eventualele îngustări sau chiar întreruperi ale corpului pilotului, prin pătrunderea pământului sau apei în coloană, deficienţe ce conduc la neasigurarea capacităţii portante a piloţilor, cu consecinţele corespunzătoare; acest fenomen se poate produce în special în orizonturile cu umiditate crescută şi, în special, sub nivelul apei subterane.

Un alt element important este buna centrare a berbecului pe coloana metalică, pentru evitarea deteriorării armăturii în timpul lucrului cu berbecul.

Ca un principiu de bază pentru realizarea unor lucrări de calitate, care să asigure şi un randament optim al sonetelor, se va avea în vedere că execuţia tuturor fazelor unui pilot trebuie să se facă continuu, de la începerea înfigerii coloanei metalice şi până la terminarea betonării şi închiderea golului de protecţie a capătului pilotului (străpungere).

Defecţiunile de execuţie rezultate din neaplicarea prevederilor menţionate:

- defecţiuni ce se constată pe parcursul execuţiei unui pilot; - defecţiuni ce se constată după terminarea pilotului.

a) Defecţiunile ce se constată pe parcursul execuţiei unui pilot (platformă cu zone de portanţă redusă, calarea necorespunzătoare a sonetei, betoane cu granulozitate sau cu umiditate necorespunzătoare, carcase insuficient de rigide sau deformate, deformări de armătură în coloană în timpul betonării etc.)

Pătrunderea apei sau a pământului în coloană, datorită pierderii dopului în timpul înfigerii coloanei în pământ, obligă în mod obişnuit la extragerea coloanei şi reluarea operaţiei de înfigere în acelaşi amplasament, după formarea la suprafaţă a unui nou dop de avansare.

Pătrunderea apei sau a pământului în coloană în timpul betonării are ca efect întreruperea betonării şi obligă în general la re-turnarea pilotului.

b) Defecţiuni care nu au fost remediate pe parcurs, dar pot fi observate direct după terminarea unui pilot sunt: - devieri de la poziţia din proiect, peste toleranţele admise;

- lipsa totală sau parţială a armăturii în capul pilotului; - beton de slabă calitate în capul pilotului. Pentru acest fel de defecţiuni este interzisă turnarea fundaţiilor fără a se lua măsuri de

remediere, ce se vor stabili de la caz la caz de către proiectant. Finisarea capetelor piloţilor constă din decopertarea şi spargerea betonului până la cota prescrisă în

proiect.

a) Decopertarea capetelor piloţilor, respectiv săpăturile pentru fundaţii, se vor executa cel mai devreme după 5 zile de la betonarea ultimului pilot.

b) Spargerea capetelor piloţilor se face de preferinţă după turnarea betonului de egalizare.

Piloţii Franki sunt, aşa cum s-a arătat, piloţi executaţi pe loc, prin batere cu tubaj recuperabil şi cu beton compactat, care asigură o portanţă deosebită terenului, fiind dedicaţi lucrărilor de anvergură mare pe terenuri slabe de fundare.

Calculul maşinilor de înfigere prin batere

Formula fundamentalǎ a înfigerii prin batere

Formula fundamentalǎ a înfigerii prin batere (12.4) reprezintǎ bilanţul energetic pentru procesul de înfigere şi indicǎ faptul cǎ doar o parte a energiei de lovire se transformǎ în lucru mecanic util pentru înfigerea pilotului.

1 2 3E E E Ep = + + (12.4)

în care: Ep − energia transmisǎ pilotului la o loviturǎ (depinde de tipul berbecului);

1E − energia utilizatǎ pentru înfigerea pilotului;

2E − energia consumatǎ datoritǎ ciocnirii imperfect elastice;

3E − energia consumatǎ datoritǎ deformaţiei elastice a pilotului şi a dispozitivului de protecţie a

capului pilotului.

Energia de lovire

Energia transmisǎ pilotului - cu excepţia berbecilor diesel, este energia cineticǎ a piesei de lovire:

22

MvEp = (12.5)

în care : M – masa piesei de lovire; v – viteza piesei de lovire înainte de loviturǎ.

La berbecii cu acţionare mecanicǎ, precum şi la berbecii hidraulici şi pneumatici cu simplǎ acţiune, energia transmisǎ pilotului la o loviturǎ depinde de masa şi înǎlţimea de cǎdere a piesei de lovire:

2

2MvE MgH Ep f= = − (12.6)

în care : H – înǎlţimea de cǎdere;

g – acceleraţia gravitaţionalǎ;

Ef – energia consumatǎ pentru învingerea frecǎrilor între piston şi cilindru.

În cazul berbecilor hidraulici şi pneumatici cu dublǎ acţiune, viteza de lovire creşte datoritǎ acţiunii forţei de presiune în faza de cǎdere a piesei de lovire.

La berbecii diesel, energia transmisǎ pilotului rezultǎ din însumarea energiei cinetice a piesei de lovire şi a energiei Ed transmise pilotului în timpul destinderii gazelor rezultate în urma arderii:

22

MvE Ep d= + (12.7)

În acest caz, energia cinetică se reduce datoritǎ comprimǎrii aerului în cilindru în faza de cǎdere a piesei de lovire:

22

Mv MgH E Ecf= − − (12.8)

în care: H – înãlţimea de cǎdere a piesei de lovire; E f −energia consumatǎ pentru învingerea frecǎrilor ce apar la deplasarea pistonului;

Ec − energia necesarǎ pentru comprimarea aerului din cilindru.

Din relaţiile (12.7) şi (12.8), energia transmisǎ pilotului la o loviturǎ - El (energia de lovire), se

poate calcula cu relaţia aproximativǎ:

0,9E MgHp ≈ (12.9)

Lucrul mecanic util efectuat la o loviturǎ

O parte din energia de lovire, Ep , se transformǎ în lucru mecanic util pentru înfigerea pilotului:

1 2R cdE R ed

⋅= ⋅ + (12.10)

în care: Rd − rezistenţa dinamicǎ la înfigerea pilotului;

e – distanţa pe care pǎtrunde pilotul în pǎmânt la o lovitură;

c – deformaţia elasticǎ a pǎmântului la o loviturǎ.

Energia consumată datorită ciocnirii imperfect elastice Energia 2E consumatǎ datoritǎ ciocnirii imperfect elastice intervine prin randamentul loviturii,

lη :

212E

E E Ep pl l Ep− = η ⇒η = − (12.11)

Teoria ciocnirii corpurilor imperfect elastice stabileşte valoarea acestui randament, care depinde de masa pilotului ( )M p , masa piesei de lovire (M) şi coeficientul de restituire R. Coeficientul R

depinde de materialul corpurilor ce se lovesc ( pentru ciocnirea perfect elasticã 1R = şi 1lη = ).

Energia consumatǎ pentru deformaţia elasticǎ a pilotului Energia consumata pentru deformaţia elasticǎ a pilotului - 3E , se calculeazǎ cu relaţia:

2

3 2 2R ldE Rd E Am

⋅∆= ⋅ = (12.12)

R ldE Am

⋅∆ = (12.13)

în care: l – lungimea pilotului; Em −modulul de elasticitate al pilotului;

A- aria secţiunii transversale a pilotului; ∆ − deformaţia elasticǎ a pilotului

Ţinând seama de relaţiile de mai sus, relaţia (12.4) devine (deformaţia elasticǎ 0c = ):

2

2R ldE R ep l d E Am

η⋅

= + (12.14)

Forţa maximă ce acţionează asupra pilotului

Utilizând relaţia (12.14), se poate calcula forţa maximǎ ce acţioneazǎ asupra pilotului când aceasta întâlneşte un strat foarte compact şi întreaga energie transmisǎ pilotului se consumǎ pentru deformarea acestuia (e = 0):

2max

E AEm p lRd lη

= (12.15)

Pentru situaţiile în care energia de lovire este datǎ de relaţia (12.5), relaţia (12.15) devine: 2

max

E AM vm lRd l⋅ η

= (12.16)

Se pune condiţia ca pilotul sǎ poatǎ rezista forţei maxime ce poate apǎrea în timpul baterii.

Rezistenţa dinamicǎ la înfigerea pilotului în pǎmânt

Fig. 12.16. Înfigerea pilotului în pǎmânt, de-a lungul a “m” straturi de pǎmânt, pe adâncimea H

Rezistenţa dinamicǎ la înfigerea pilotului într-un strat „m” de pǎmânt- Rdm se compune din (fig.12.16): - rezistenţa la vârf - Rvm şi - rezistenţa lateralǎ - Rlm

1

mR R R p A U h pvm vm idm lm lii

= + = + ∑=

(12.17)

în care: pvm - rezistenţa dinamicǎ specificǎ la vârf pentru stratul „m”;

A – aria secţiunii transversale a pilotului; pli − forţa de frecare specificǎ pe suprafaţa lateralǎ, pentru

stratul „i”; hi – adâncimea stratului „i”; U −perimetrul secţiunii transversale; m – numǎrul de straturi prin care trece pilotul

Numǎrul necesar de lovituri pentru înfigerea pilotului Numǎrul de lovituri necesare pentru înfigerea pilotului în pǎmânt se determinǎ utilizând metoda

energeticǎ. Energia utilǎ transmisǎ pilotului la pǎtrunderea printr-un strat m de pǎmânt este egalǎ cu lucrul

mecanic al forţelor rezistente ce se opun înfigerii:

1 2 2 2

R c R c R c nm m m mdm dm dmE n R e n R e n n R hm m m m m m mdm dm dm

⋅ = + = + = + (12.18)

în care : nm − numǎrul necesar de lovituri pentru pǎtrunderea pilotului în stratul „m”; ,e cm m − deformaţia plastică, respectiv elastică a pǎmântului, la o singurǎ loviturǎ;

hm − adâncimea stratului considerat.

Neglijând deformaţia elasticǎ a pǎmântului ( 0mc = ), relaţia (12.18) devine:

1E n E a n R hm p m mdm⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ (12.19)

în care: a –coeficient de corecţie ce depinde de tipul berbecului şi proprietǎţile pǎmântului ( 1E aEp= ).

Se obţine numǎrul necesar de lovituri pentru înfigerea pilotului în stratul „m”:

R hmdmnm aEp

= (12.20)

Numǎrul total de lovituri pentru înfigerea pilotului se obţine prin însumare:

..........1 2 1

mn n n n nm ii= + + + = ∑

= (12.21)

Adâncimea totalǎ de înfigere se obţine cu relaţia:

..........1 2 1

mH h h h hm ii= + + + = ∑

= (12.22)

Diagrame de înfigere

Utilizând metoda energeticǎ, se pot trasa teoretic diagramele de înfigere, care indicǎ variaţia adâncimii de înfigere a pilotului în funcţie de numǎrul de lovituri (fig.12.15).

Fig. 12.15. Diagrama de înfigere

Aceste diagrame se pot trasa pentru înfigerea diferitelor elemente în diferite categorii de pamânt utilizând diferiţi berbeci.

Alegerea berbecilor

Alegerea berbecului se face funcţie de tipul şi dimensiunile pilotului, adâncimea de înfigere, caracteristicile pãmântului.

Se pune şi condiţia de a se evita distrugerea pilotului în timpul baterii.

Tehnologia de execuţie a piloţilor pentru fundaţie se referǎ la tipurile următoare: a) piloţi prefabricaţi înfipţi în teren prin batere, vibrare sau înşurubare; b) piloţi executaţi pe loc prin:

- forare; - vibrare, vibropresare - percuţie (piloţi Franki).

Piloţii prefabricaţi înfipţi prin batere, vibrare sau vibropresare se pot executa cu ajutorul unor utilaje construite special pentru tehnologia corespunzătoare de batere, vibrare sau vibropresare cu anumite performanţe cerute de dimensiunile şi greutatea piloţilor şi de natura terenului în care urmează să fie înfipţi.

Piloţii din beton armat executaţi pe loc prin forare se pot executa fără tub metalic sau un tub metalic de protecţie pierdut sau recuperabil.

Piloţii executaţi fără tub metalic pot fi executaţi în uscat, în pământuri coezive fără apă - la care se menţin pereţii verticali, sau cu ajutorul circulaţiei de noroi bentonitic - în cazul în care pereţii se surpă în timpul forării.

Piloţii executaţi prin percuţie (piloţi Franki) sunt piloţii din beton armat confecţionaţi pe loc, în teren, prin introducerea prin batere a unei coloane metalice prevăzute la vârf cu un dop de beton. Aceasta se umple cu beton bine compactat pe măsura extragerii coloanei, după ce în prealabil s-a introdus carcasa în armătură. De regulă piloţii Franki se execută cu bulb şi se armează pe toată lungimea, exceptând bulbul.

Acest tip de pilot se utilizează de regulă la fundaţii care transmit sarcini importante în terenuri cu compresibilitate ridicată în straturile de la suprafaţă, la care stratul de bază portant este localizat la adâncimi de 15-16 m.

În pământurile sensibile la umezire se realizează în plus şi un efect de îndesare a acestora. Piloţii executaţi pe loc se armează pe toată lungimea în funcţie de solicitările la forţe verticale şi

orizontale ce apar din calculul de rezistenţă al acestora, efectuat conform STAS 2561/3-90.

Criterii de alegere a tipurilor de piloţi

În tabelul 1 sunt date sub formă de recomandare criteriile de alegere a tipurilor de piloţi în funcţie de caracteristicile terenului (compresibil sensibil la umezire, contractil, refulant, etc.) şi ale construcţiei (sensibilitate la tasări, capacitate portantă necesară).

Tabelul 1 Nr. Crt. Criterii de alegere pilot

Tipuri de piloţi

Prefabricaţi Foraţi Executaţi prin vibrare/vibropresare Franki

1 Strat portant la adâncime <15-16 m + + + + 2 Strat portant la adâncime >15-16 m - + - + 3 Este necesarǎ o capacitate portantă

mare(500-600 kN/pilot) + tubulari + + cu bulb +

4

Execuţie dificilă datorită terenului - teren refulant - teren care se umflă - PSU*

+ + + +

- Cu noroi sau tubat - -

+ - + + 5 Piloţi de îndesare (în

umpluturi PSU etc.) + - + +

6 Evitarea şocurilor şi trepidaţiilor la punerea în operă - + - - *PSU-pǎmânturi sensibile la umezire

NOTĂ: Tipul cel mai indicat de pilot este cel care corespunde la cât mai multe criterii din tabelul 1, marcate prin semnul (+).

Pentru o situaţie dată, satisfacerea concomitentă a două sau mai multe condiţii, desemnează tipul respectiv de pilot ca soluţie indicată.

MATERIALE FOLOSITE. CONFECŢIONARE Materialele din care se confecţionează piloţii din beton armat (agregate, ciment, adaosuri hidraulice, oţel beton, etc.), trebuie să îndeplinească condiţiile tehnice prevăzute de standardele în vigoare, precum şi prescripţiile tehnice referitoare la lucrările de beton, beton armat şi beton precomprimat.

Controlul calităţii betoanelor şi a materialelor componente se va efectua - ca obiectiv şi frecvenţă - conform standardelor în vigoare. Dacă piloţii sunt destinaţi să lucreze în medii agresive naturale sau industriale, clasa betonului folosit va fi de minimum BC 22,5 - la confecţionarea piloţilor prefabricaţi din beton armat şi minimum BC 30 - la piloţii din beton precomprimat sau centrifugat. Pentru piloţii foraţi clasa betonului folosit la confecţionare este de minimum BC 15 - pentru piloţii executaţi pe loc în teren uscat (piloţi foraţi cu tehnologiile cunoscute, piloţii executaţi prin vibrare sau vibropresare, piloţii Franki, etc.); şi cel puţin BC 20 - pentru piloţii executaţi pe loc sub apă sau cu noroi bentonitic. Tipul şi marca cimentului se stabileşte în funcţie de clasa betonului şi agresivitatea mediului în care se execută piloţii, iar dozajul specific minim de ciment este de 350 kg/m3 - în cazul betonării în uscat şi 400 kg/m3 - în cazul betonării sub apă sau sub noroi bentonitic. Agregatele minerale - de râu, sortate, cu dimensiune maximă a granulelor ≤ 31 mm. Pentru piloţii situaţi în terenuri cu ape agresive, la alcătuirea reţetei de beton se va ţine seama de prevederile STAS 3011-83 şi STAS 3349/1-83. Consistenţa betonului exprimată în tasarea pe con trebuie să fie de 10...15 cm -la betonarea în uscat şi 15...18 cm -la betonarea sub apă/ sub noroi bentonitic.

Armăturile piloţilor se realizează din oţel tip OB 37 sau PC 52 STAS 438/1-89. Clasa betonului, dozaje, agregate şi armare este specificată în proiect, iar compoziţia betonului se stabileşte prin încercări preliminare conform normativului în vigoare.

Direcţii de dezvoltare a maşinilor de înfigere prin batere

În domeniul maşinilor de înfigere prin batere se manifestǎ urmǎtoarele direcţii de dezvoltare:

- perfecţionarea procesului de pulverizare a combustibilului şi îmbunǎtǎţirea construcţiei camerei de ardere pentru creşterea energiei de lovire, înlesnirea pornirii şi reducerea consumului de combustibil

- realizarea unei funcţionǎri stabile şi în pamânturi slabe (de categorie micǎ) - reducerea emisiei de fum şi a zgomotului - creşterea frecvenţei (berbeci diesel rapizi: 80 –100 lov/min) - perfecţionarea amortizoarelor montate între berbec şi capul pilotului - utilizarea unor berbeci hidraulici cu simplǎ sau dublǎ acţiune