CC BY
132Труды Инсторфа 12 (65)
33
УДК 622.331.002.5
Яблонев А.Л. Yablonev A.L.
Яблонев Александр Львович, д. т. н., проф. кафедры «Торфяные машины и оборудование» Тверского государственного технического университета (ТвГТУ). Тверь, Академическая, 12. [email protected] Yablonev Alexander L., Prof., Chair of Peat Machinery and Equipment of the Tver State Technical University. Tver, Academicheskaya, 12
Скориков А.Ю. Skorikov A.Yu.
Скориков Андрей Юрьевич, магистрант кафедры «Торфяные машины и оборудование» ТвГТУ. Тверь. andre2 2 [email protected] Skorikov Andrei Yu., undergraduate of the Chair of Peat Machinery and Equipment of the TvGTU
ДЕФОРМИРОВАНИЕ DEFORMATION
торфяной залежи OF A PEAT DEPOSIT
ШТАМПАМИ WITH STAMPS
И ХОДОВЫМИ AND RUNNING DEVICES
УСТРОЙСТВАМИ МАШИН OF MACHINES
В СВЕТЕ ОБщЕЙ IN THE LIGHT
ТЕОРИИ МЕХАНИКИ OF THE GENERAL
ГРУНТОВ THEORY
OF SOIL MECHANICS
Аннотация. Представлены основные этапы и процессы при деформировании грунтов. Описаны модели, применяемые к интерпретации процессов деформирования грунтов. Показаны существенные отличия процессов деформирования торфяной залежи от других связных горных пород. Изложены принципы определения несущей способности торфяной залежи под штампами и ходовыми устройствами машин. Abstract. The basic steps and processes in soil deformation are presented. The models applied to interpretation of processes of deformation of soil are described. Essential differences of processes of deformation of a peat deposit from other coherent rocks are shown. The principles of determination of the bearing ability of a peat deposit under stamps and running devices of machines are stated.
Ключевые слова: давление, несущая способность, штамп, механика грунтов, торфяная залежь, эпюра, гусеничный ход, пневмоколесный ход, торфяная машина. Key words: pressure, load bearing capacity, stamp, soil mechanics, peat deposit, plot, truck, pneumatic wheel running, peat machine.
34
Труды Инсторфа 12 (65)
Изучение закономерностей деформирования горных пород имеет не только теоретическую, но и вполне практическую (прикладную) значимость. Так как слабые грунты разрабатываются машинами, то вопросы проходимости машин при заданных грунтовых условиях полностью определяют производственный процесс разработки. А проходимость машин, как опорная, так и геометрическая, неразрывно связана с q деформированием поверхностей, на которых призваны работать машины.
Среди этапов деформирования грунтов можно выделить следующие: приложение нагрузки на штамп или опорно-ходовое устройство; уплотнение грунта с одновременным погружением штампа в грунт (осадка); выпирание части грунта по периметру штампа в виде валиков; равновесие штампа на грунте. Причем равновесие достигается лишь в том случае, когда давление под штампом не превышает несущей способности грунта. В противном случае штамп продолжает погружаться в грунт и, в конце концов, проваливается (тонет).
Уплотнение грунта как трехфазной структуры, состоящей из твердого вещества, воды и газов, обеспечивается вытеснением из пор газов (снижением пористости), отжатием по капиллярным каналам воды и более плотной укладкой твердых частиц. Образование выпирающих валиков по периметру штампа связано с появлением горизонтальных сдвигающих напряжений, разрушающих каркас и структурные связи между частицами. Давление, которое создается под штампом, зависит не только от приложенной нагрузки, но и от площади контактной поверхности штампа. Несущая способность грунта, в свою очередь, определяется качественными характеристиками грунта, формой штампа и размером приложенной нагрузки. Таким образом, основная закономерность, знание которой требуется как при строительстве зданий, так и при эксплуатации машин в условиях конкретного грунта, - зависимость давления под опорной поверхностью Р от осадки опорной поверхности в грунте Н при приложении нагрузки Q. Примерный вид зависимости осадки штампа от возрастающего давления вследствие увеличения нагрузки представлен на рис. 1 [1].
На рисунке можно выделить три фазы (по Н.М.Герсеванову). Первая фаза соответствует
Рис. 1. Фазы деформирования грунта при приложении нагрузки
Fig. 1. Phases of deformation of soil at the applying of loading
процессам уплотнения грунта. Осадки здесь невелики, зависимость практически линейная, явление сдвига полностью отсутствует. Наиболее выражены упругие свойства грунта. Вторая фаза, начинающаяся при дальнейшем увеличении нагрузки, связана с возникновением сдвига слоев грунта и пластическим деформированием. На этом участке кривая Н = f(P) является более крутонаклонной с ярко выраженной заметной криволинейностью. Если продолжать увеличивать нагрузку, то зоны местных сдвигов образуют сплошную поверхность скольжения, по которой происходит выпирание грунта из-под площади штампа, начинается «течение» грунта, сопровождающееся резким погружением штампа в грунт. В этом заключается суть процессов, происходящих в третьей фазе - фазе нарушения устойчивости, текучести и разрушения.
Все деформации грунтов условно делятся на упругие и неупругие [2]. При наличии структурного сцепления между частицами (глины, суглинки), грунты даже при циклических воздействиях (вибрациях, сотрясениях и т. д.) можно рассматривать как упругие тела до нагрузки, разрушающей структурные связи. Для описания процессов деформирования грунта в механике грунтов наибольшее распространение получили две модели: модель основания Фусса-Винклера, в несколько измененном виде представленная как модель Берн-штейна-Летошнева, и модель линейно-дефор-мируемого полупространства.
Труды Инсторфа 12 (65)
35
Модель Фусса-Винклера рассматривает грунт как несколько не связанных между собой пружин (постель), опирающихся на жесткое горизонтальное основание (рис. 2). Сжатие пружин H (осадка штампа) возрастает прямо пропорционально давлению P:
Р = КН, (1)
где К - коэффициент пропорциональности, или упругости грунта (коэффициент постели).
Рис. 2. Модель основания Фусса-Винклера Fig.2. Model of Fuss-Vinkler’s base
Эпюра давлений расположена только под штампом шириной b и не выходит за его границы (рис. 3). Считается, что грунт, расположенный сбоку и не участвующий в сжатии (осадке), не испытывает на себе и давления. Форма эпюры может быть различной, в зависимости от характера и интенсивности нагрузки штампа.
р
Рис. 3. Эпюра давлений от штампа, лежащего на основании Фусса-Винклера
в - показатель степени, принимающий значение для поверхностных слоев 1.
Зависимость (2) часто применяется в теории образования колеи от мобильных машин [1], передвигающихся по слабым грунтам, и позволяет описать кривую вдавливания в более широком диапазоне осадочных деформаций, чем (1) . Большое количество опытов, проведенных советскими учеными Н.М. Гер-севановым, Н.А. Цытовичем, О.А. Савиновым и др., показывает, что коэффициент упругости грунта не является постоянной величиной, а зависит от давления на грунт и площади опоры. Поэтому данную модель целесообразно применять в условиях относительно постоянных опорных поверхностей и давлений на грунт.
Модель линейно-деформируемого полупространства представляет грунт как бесконечное сплошное линейно-деформируемое тело, неограниченное глубиной и горизонтом, но ограниченное сверху горизонтальной плоскостью (отсюда - название «полупространство»). Давление от штампа передается здесь на все полупространство, поэтому осадке подвергаются также участки, расположенные рядом со штампом (рис. 4).
Рис. 4. Вид эпюры вертикальных давлений от штампа шириной b в модели линейнодеформируемого полупространства
Fig. 3. Epyura of pressure from the stamp lying on the Fuss-Vinkler’s base
Однако прямая пропорциональность между давлением и осадкой нарушается при больших нагрузках и малых площадях опорной поверхности, что корректируется гипотезой Берн-штейна-Летошнева, которая учитывает изменение сопротивления грунта:
Р = *(Я/я/ (2)
где Н - текущая осадка штампа; Но - начальная осадка штампа (на момент начала измерений);
Fig. 4. A type of an epyura of vertical pressure from a stamp width b in model of linearly deformable half-space
Основной зависимостью, связывающей давление и осадку штампа, является здесь следующая [2]:
Н = ШРЬ^-^1Е, (4)
где ш - коэффициент формы штампа, зависящий от соотношения его сторон; д - коэффициент общей относительной поперечной деформации (Пуассона); Е - модуль упругости (деформируемости) полупространства.
36
Труды Инсторфа 12 (65)
Как видно, величина деформации грунта зависит от давления, характеристик механической прочности грунта (Е; ц) и не только от линейных размеров, но и от формы штампа (w). Данные о коэффициенте формы штампа для различных плоских квадратных, прямоугольных и круглых штампов широко представлены в работе [3]. В области механики грунтов на основе этой модели получено много зависимостей и закономерностей: о распределении давления в толще грунта и на поверхности контакта грунта с опорной поверхностью, о соотношении нормальных и тангенциальных напряжений и т. д. Следует также отметить, что модель весьма уместна при рассмотрении случая, когда площадь контактных поверхностей опор с грунтом является переменной, или когда необходимо знать значения осадки грунта не только под штампом (опорой), но и рядом с ним.
Обе описанные модели широко используются в теории механики грунтов и применяются с учетом конкретных условий, однако представляют лишь линейную зависимость между давлением и осадкой, что наиболее характерно для первой фазы деформирования грунта (рис. 1).
Торфяная залежь имеет несколько свойств, близких всем остальным минеральным грунтам: угол внутреннего трения Ф = 5-35°, сцепление частиц друг с другом, способность к набуханию и усадке (консолидации) и др. Однако высокая пористость (наличие как крупных, так и микропор), влажность, близкая к 100%, и значительная сжимаемость (в сотни раз превышающая сжимаемость песка) существенно отличают торфяную залежь от всех остальных минеральных грунтов [3]. Так, например, при деформировании под нагрузкой не происходит бокового выпирания вследствие смещения торфяных частиц из-под опорной поверхности. Вместо этого можно наблюдать изначальный упругий прогиб верхних слоев, после чего, по мере увеличения нагрузки, происходит их вертикальный срез по периметру штампа, который, однако, приводит не к окончательной потере устойчивости, а лишь к следующей ступени уплотнения породы вследствие пластической деформации. Кроме того, с течением времени вокруг штампа образуется трещина в торфяном массиве, расположенная по контуру штампа и на некотором расстоянии от него (рис. 5),
ведущая к образованию новых вертикальных поверхностей.
b
Рис. 5. Образование трещины в торфяной залежи под нагрузкой с течением времени
Fig. 5. Formation of a crack in a peat deposit under loading eventually
Торфяная залежь работает на сжатие и срез, в отличие от песков и глин, работающих на сжатие и выпирание [3]. Поэтому несущая способность залежи определяется не только площадью, но формой и периметром штампа. Чем меньше периметр штампа (поверхность среза), тем меньше сопротивление срезу и несущая способность залежи. Эта закономерность выражается, по С.С. Корчунову, общим уравнением несущей способности залежи [4]:
P0=A0+B0n/S, (5)
где Ро - несущая способность торфяной залежи, кПа; Ао и Во - константы торфяной залежи, характеризующие ее сопротивление смятию (сжатию), кПа и срезу, кПа-м, соответственно; П - периметр штампа, м; S - площадь штампа, м2.
Анализ зависимости (5) показывает, что поверхности с большей опорной площадью имеют меньшую несущую способность, что совершенно не свойственно минеральным грунтам. Так, при возрастании диаметра штампа его площадь увеличивается в квадратичной зависимости, а периметр - в линейной, следовательно, несущая способность уменьшается. Кроме того, несущая способность более узких поверхностей выше, чем широких при той же площади. Выбор допускаемого давления базируется на зависимости (5) с учетом запаса, неоднородности залежи и разных условий эксплуатации. При этом вместо Ао и Во в формулу вводятся Ад и Вд. На рис. 6 представлена зависимость допускаемого давления от соотношения П/S, полученная для различных условий эксплуатации шести квадратных штампов со стороной: 0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 1,5;
2,0 м. Здесь и далее учтены условия работы:
Труды Инсторфа 12 (65)
37
ряд 1 - на полях добычи торфа; ряд 2 - при ремонте полей после предварительного осушения; ряд 3 - на неосушенной залежи.
Рис. 6. Зависимость допускаемого давления на залежь (несущей способности) от соотношения периметра и площади квадратного штампа
Для сравнения было рассмотрено деформирование торфяной залежи круглыми штампами с площадью аналогичной квадратным. Результаты отражены на рис. 8 и 9.
♦ Ряд 1 ■ Ряд 2 —А— Ряд 3
Рис. 8. Зависимость допускаемого давления на залежь (несущей способности) от соотношения периметра и площади круглого штампа
Fig. 6. Dependence of the allowed pressure upon a deposit (the bearing ability) on a ratio of perimeter and the area of a square stamp
Из рис. 6 видно, что при увеличении отношения П/S в 20 раз для квадратных штампов (от 2 до 40 м-1) несущая способность штампа на залежи повышается в среднем в 5,72 раза. В то же время по графикам, представленным на рис. 7, можно оценить влияние площади опорной поверхности на допускаемое давление для тех же условий и штампов: при уменьшении площади опорной поверхности квадратных штампов в 400 раз (с 4 до 0,01 м2) несущая способность повышается в среднем в 5,72 раза. Причем при площади опорной поверхности штампа менее 0,25 м2 несущая способность залежи начинает расти в геометрической прогрессии.
Площадь штампа S, м2 ♦ Ряд 1 ■ Ряд 2 А Ряд 3
Рис. 7. Зависимость допускаемого давления на залежь (несущей способности) от площади квадратного штампа
Fig. 7. Dependence of the allowed pressure upon a deposit (the bearing ability) on the area of a square stamp
Fig. 8. Dependence of the allowed pressure upon a deposit (the bearing ability) on a ratio of perimeter and the area of a round stamp
♦ Ряд 1 ■ Ряд 2 А Ряд 3
Рис. 9. Зависимость допускаемого давления на залежь (несущей способности) от площади круглого штампа
Fig. 9. Dependence of the allowed pressure upon a deposit (the bearing ability) on the area of a round stamp
Анализ рисунков 8-9 показывает следующее. При увеличении отношения П/S в 20 раз для круглых штампов (от 1,773 до 35,5 м-1) несущая способность залежи под штампом повышается в среднем в 5,31 раза, во столько же раз она понижается при увеличении площади круглого штампа в 400 раз (с 0,01 до
4,0 м2). При площади круглого штампа менее 0,25 м2 начинается прогрессивный рост несущей способности залежи под штампом.
Такой, казалось бы на первый взгляд, парадокс, связанный с огромной ролью периметра
38
Труды Инсторфа 12 (65)
штампа в формировании несущей способности торфяной залежи совершенно несвойственен минеральным грунтам, даже имеющим внутреннее сцепление.
Сопоставление результатов для квадратных и круглых штампов обнаруживает некоторые закономерности: торфяная залежь под круглым штампом имеет меньшую несущую способность во всем рассмотренном диапазоне; интенсивность возрастания несущей способности при уменьшении отношения П/S у круглых штампов меньше, чем у квадратных; при использовании штампов площадью менее 0,25 м2 начинается интенсивной рост несущей способности залежи под штампами при всех рассмотренных условиях.
Исследуя зависимость фаз деформирования торфяной залежи под штампами (рис. 1), А.Г. Гинцбург пришел к выводу, что данную зависимость можно представить в виде трех ломаных линий: ОА, АВ и ВС. Если давление, которое оказывает гусеничная машина на залежь меньше Ра - возможен многократный проход машины по следу. Если давление больше Ра, но меньше Рв, возможен только однократный проход машины по следу с образованием глубокой неисчезающей колеи. Давления Ра и Рв им предложено назвать, соответственно, пределами длительной и временной несущей способности. При этом после стабилизации всех осадочных процессов и снятия напряжения восстанавливающаяся осадка составляет около 30...45% полной осадки [3], что в значительной степени характеризует торфяную залежь как упругое тело.
Большая серия проведенных штамповых испытаний [3] показала, что при увеличении степени разложения торфа с 25 до 50%, с уменьшением в их структуре волокон, создающих арматурный каркас и обеспечивающих упругие свойства, сопротивление деформированию залежей значительно понижается. Так, для круглых штампов осадка увеличивалась в 1,3-1,6 раза, а для прямоугольных - в 2,5-3 раза. Причем срез по периметру плоского штампа для волокнистых торфов наблюдался при давлениях 30-40 кПа, а до этого момента торф лишь прогибался у краев штампа. Вместе с тем, как отмечает Л.С. Амарян, повышенное содержание волокнистой массы оказывает одновременно и отрицательное влияние на механические свойства залежей, так как наличие в волокнах множества пор является причиной скопления в них большого количества
влаги, препятствующей уплотнению и упрочнению системы при внешних давлениях [5]. Проведя около 3000 испытаний для образцов верхового и 1700 для низинного типа торфяных залежей, методом статистической обработки автор получил наиболее вероятные значения прочности тв: 15,4 кПа для низинных и
11,0 кПа для верховых залежей.
Попытка «примирить» существующие вышеописанные модели деформирования грунтов предпринята для торфяных залежей в работе [6]. Решая уравнения (1) и (3) относительно H и приравняв их правые части, авторы численными методами нашли закономерности, по которым определяется дифференцированное значение коэффициента упругости торфяной залежи в зависимости от формы штампа, что для модели Фусса-Винк-лера является существенным шагом вперед, так как ранее давление определялось лишь площадью контактной поверхности.
Однако, как и в большинстве случаев, все эти исследования касаются лишь плоских штампов круглой, квадратной и прямоугольной формы. Полученными данными удобно пользоваться для описания контактов фундаментов зданий и гусениц машин с торфяной залежью. Ведь в общем случае и с известными допущениями гусеница машины есть не что иное, как прямоугольный штамп. Но при исследовании взаимодействия с залежью колес машин, ввиду непостоянства площади контактной поверхности, возникают трудности. Случай жестких металлических колес и легкодеформируемой залежи сравнительно просто поддается описанию. Когда же деформируются одновременно и эластичное резиновое колесо, и торфяная залежь - трудности возрастают во много раз.
Описание процесса взаимного деформирования пневматического колеса и торфяной залежи с представлением их контактной поверхности как двояковогнутой фигуры (части эллипсоида) и упрощенным расчетом площади контактной поверхности деформированных элементов представлено в работе [7]. Однако вопрос о несущей способности торфяной залежи под пневматическим колесом остался за границей исследования. В то же время это вопрос очень важный.
М.М. Танклевский рекомендует следующие значения среднего допускаемого давления для колесных опор на торфяной залежи: при осушении и подготовке залежи к эксплуата-
Труды Инсторфа 12 (65)
39
ции - 23 кПа; при производстве фрезерного торфа - 38 кПа; при производстве кускового торфа - 48 кПа [4]. Данные, на наш взгляд, весьма спорные. Но это на сегодняшний день -единственная информация, которой необходимо следовать непререкаемо, ведь нет для торфяников ничего выше, чем «Справочник по торфу»! В то же время в работе [8] приводится число 60 кПа, что обосновано экспериментальными работами, проведенными на полях производства фрезерного торфа концерна «Белтопгаз». Данные отличаются весьма значительно. В таком случае возникает вопрос, чем же отличаются схемы взаимодействия гусеничного хода и пневматических колес с торфяной залежью?
Рассмотрим рис. 10. Здесь схематично представлены в профиль гусеница и пневматическое колесо.
Рис. 10. Схемы взаимодействия гусеницы и пневматического колеса с торфяной залежью
Fig. 10. Schemes of interaction of a caterpillar and a pneumatic wheel with a peat deposit
Гусеничный ход имеет явно выраженные концентраторы сдвигающих напряжений, сосредоточенные по углам контакта. Поверхностные слои залежи легко прорываются в этих местах, происходит срез, и гусеница погружается в залежь. Пневмоколесный ход острых углов не имеет, как не имеет и явно выраженных концентраторов сдвигающих напряжений. Поэтому верхние слои залежи в большей степени прогибаются и натягиваются под колесом, чем под гусеницей; а > в. Кроме того, подсчет площадей контактных поверхностей для пневмоколес, проведенный в работе [7], показал, что для условий добычи фрезерного и кускового торфа они составляют менее 0,25 м2, т. е. в зоне интенсивного роста несущей способности залежи (см. рис. 7 и 9). Последние два обстоятельства дают право предположить, что несущая способность торфяной залежи под пневмати-
ческими колесами выше, чем под гусеницами. Об этом же писал Ф.А. Опейко в 1960 году [9]. Приведем его данные о допускаемом давлении для различных видов залежей (табл.) с небольшими видоизменениями.
Таблица
Допускаемые удельные давления для торфяной
залежи
Table
The allowed specific pressure for a peat deposit
№ п/п Тип и состояние торфяной залежи Допускаемое удельное давление, кПа
1 Верховая неосушенная залежь 10
2 Низинная неосушенная залежь 15
3 Верховая осушенная залежь 20-25
4 Низинная осушенная залежь 25-30
5 Давно осушенная, консолидированная залежь 35-60
6 Давно осушенная, консолидированная залежь в сухую погоду 60-100
Анализируя данные таблицы, Ф.А. Опейко пишет: «Для ходовых колес, имеющих незначительные опорные площади, следует числовые значения давлений, приведенных в таблице, увеличивать в 2-3 раза, так как они лучше всего подходят для опорных площадей гусеничных машин». И действительно, если иметь в виду, что зависимость (5) была получена для жестких плоских штампов, то ее применимость к пневмоколесному ходу должна сопрягаться, по крайней мере, с изменением коэффициентов А и В. А для того чтобы не было такого разброса в значении (в 2-3 раза), следует иметь в виду то обстоятельство, что под ходовыми колесами Ф.А. Опейко понимал прежде всего жесткий, недеформируемый колесный ход, так как пневматический в те годы был еще в диковинку. Поэтому можно полагать, что коэффициент увеличения данных, содержащихся в таблице 1, с учетом запаса, должен быть не менее 2,5.
Идут годы, крепнет и развивается торфяная наука. Но для адекватного описания несущей способности торфяной залежи под пневматическими колесами необходимы широкие испытания и исследования. С гусеничным ходом все несколько проще. Приняв параметры гусеничного хода трактора ДТ-75 как типовые, широко распространенные, С.С. Корчунов с соавторами проводил «штамповые» испытания, используя этот передвигающийся по полю трактор в качестве штампа. С колесным ходом такое
40
Труды Инсторфа 12 (65)
упрощение вряд ли возможно, так как многочисленные типы и размеры применяющихся в настоящее время колес в торфяной отрасли не позволяют выделить какой-то наиболее широко распространенный вид. Поэтому реальная зависимость несущей способности от параметров штампа и состояния торфяной залежи может быть найдена путем проведения многочисленных испытаний со штампами, напоминающими форму деформированного колеса, например сферическими или эллипсоидными.
Библиографический список
1. Бабков, В.Ф., Безрук, В.М. Основы грунтоведения и механики грунтов: учеб. для вузов. - М.: Высшая школа, 1976. - 328 с.
2. Цытович, Н.А. Механика грунтов: учеб. для вузов. - 3-е изд., доп. - М.: Высшая школа, 1979. - 272 с.
3. Винокуров, В.П., Тетеркин, А.Е., Питерман, М.А. Строительные свойства торфяных грунтов. - Минск: изд-во Академии наук БССР, 1962. - 284 с.
4. Справочник по торфу / И.Ф. Ларгин, С.С. Корчунов, Л.М. Малков и др. Под ред.
А.В. Лазарева и С.С. Корчунова. - М.: Недра, 1982. - 760 с.
5. Амарян, Л.С. Прочность и деформируемость торфяных грунтов. - М.: Недра, 1969. - 192 с.
6. Синицын, В.Ф., Сапрыкина, С.В. Дифференцированные значения коэффициента упругости торфяной залежи // Машины и технология торфяного производства. -Калинин: КГУ, 1988. - С. 91-93.
7. Яблонев, А.Л. Пневматический колесный ход и особенности его взаимодействия с торфяной залежью: монография. Тверь: ТГТУ, 2011. - 168 с.
8. Казаченко, Г.В., Басалай, Г.А., Сле-сарчик, П.Ф. Опыт и перспективные направления использования колесных машинно-тракторных агрегатов на добыче торфа // Торф и бизнес. - 2006. -№ 1 (3). - С 21-24.
9. Опейко, Ф.А. Колесный и гусеничный ход. -Минск: Изд-во Академии с.-х. наук БССР, 1960. - 228 с.
