Определение напряжений в грунте при внедрении рабочего инструмента бестраншейной прокалывающей машины Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 69.002.05

И.С. Михельсон

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ГРУНТЕ ПРИ ВНЕДРЕНИИ РАБОЧЕГО ИНСТРУМЕНТА БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКАЛЫВАЮЩЕЙ

МАШИНЫ

Предлагается новая зависимость для определения напряжений в грунте при внедрении рабочего инструмента бестраншейной прокалывающей машины, учитывающая физико-механические свойства грунта, угол заострения конусной части рабочего инструмента и изменение скорости проходки.

Грунт, напряжение, статический прокол, рабочий инструмент, бестраншейная прокладка

I.S. Mikhelson

THE DEFINITION OF PRESSURE IN THE GROUND AT INTRODUCTION OF TRENCHLESS PINING MACHINE WORKING TOOL

New dependence for the definition of ground pressure at the introduction of trenchless machine working tool, considering physico-mechanical properties of a ground, point corner is offered to a part of the working tool and change formation speed are suggested in the article.

Ground, pressure, static pining, working tool, trenchless lining

На сегодняшний день в передовой мировой практике 95% объёма работ по прокладке, модернизации и ремонту подземных инженерных коммуникаций производится бестраншейными методами. Для проходки прямолинейных горизонтальных скважин диаметром до 300 мм и длиной до 50 м наиболее простым и доступным является способ статического прокола, при котором образование скважины происходит при вдавливании трубы с рабочим наконечником конусной формы без удаления грунта за счёт его вытеснения и уплотнения в радиальном направлении.

Одним из важных параметров для проектирования бестраншейных машин статического прокола скважин является лобовое сопротивление внедрению рабочего инструмента, которое определяется величиной напряжений, возникающих в массиве грунта. При этом существующие зависимости для определения усилий прокола не учитывают скорость проходки при образовании скважины, хотя результаты исследований деформации грунтов свидетельствуют о зависимости сопротивления грунта от скорости внедрения деформатора [1, 2].

Анализ физико-механических свойств грунта и физической картины процесса прокола скважин в грунтах показывает, что напряжения, возникающие в грунте, следует определять на основании упруго-вязко-пластических свойств грунта. Уплотнение грунта при образовании скважины проходит без так называемого процесса релаксации -постепенного перехода (при длительном действии нагрузки) упругой деформации в

81

пластическую. При статическом проколе пластическая деформация формируется не длительным действием нагрузки, а внедрением конусного рабочего наконечника, поэтому для определения напряжений в грунте используем упруго-вязко-пластическую модель Бингама, механическая форма которой в процессе прокола представлена на рис. 1. Модель Бингама сначала проявляет упругие свойства грунта, а затем при достижении усилием внедрения некоторого предельного напряжения проявляется процесс вязкого течения, скорость которого возрастает с увеличением внешнего усилия. Таким образом, модель Бингама составлена объединением простых реологических моделей: Гука (упругость), Сен-Венана (пластичность), Ньютона (вязкость).

Рис. 1. Реологическая модель процесса прокола грунта

Математическая запись модели Бингама выражена уравнением

x = xт + цу, (1)

где тТ - предел текучести деформируемого тела, Па; ц - коэффициент вязкости, Па с;

у - градиент скорости деформирования, 1/с.

Представленное уравнение описывает реологические свойства грунта при сдвиге. При проходке способом прокола грунт представленное уравнение (1) можно записать в следующем виде:

а = астат +цу, (2)

где астат - статическое разрушающее напряжение, Па.

В уравнении (2) касательные напряжения сдвига т заменены на нормальные напряжения а, что вполне допустимо для рассматриваемой реологической модели грунта

[3].

Уравнение (2) представляет собой условие образования скважины при равномерном объёмном напряжённом состоянии грунта, создаваемом внедрением конусного рабочего наконечника. Величина напряжения а представляет необходимое разрушающее напряжение, при котором начинается процесс уплотнения (течения) грунта

•

при образовании скважины. При этом а зависит от градиента скорости деформирования у

Градиент скорости деформирования у в классической теории вязкого тела Ньютона определяется

82

У =

dv

dz

(3)

где dv- разность скоростей соседних слоёв; dz - расстояние между слоями.

Для процесса статического прокола градиент скорости деформирования у определяется изменением скорости течения частиц с расстоянием от оси проходки. Структурные деформации (течения) частиц грунта происходят в пределах радиуса структурных деформаций грунта Rстр.д.. При этом скорость течения частиц в пределах радиуса наконечника г будет определяться скоростью проходки vпр. Расчётная схема для определения градиента скорости деформирования при образовании скважины способом прокола представлена на рис. 2.

Рис. 2. Расчётная схема к определению градиента скорости деформирования

Частицы грунта в точке А имеют абсолютную скорость течения vгр, направленную под углом Ь к оси проходки. В [4] определены траектории движения частиц грунта при

внедрении конусного штампа. Для определения градиента скорости деформирования у на основе анализа траекторий и характера относительного перемещения частиц приняты следующие допущения:

1. Угол Ь между вектором скорости частиц грунта угр и горизонтальной проекцией

гор

принимается равным углу внешнего трения ф.

2. Абсолютное значение скорости vгр принимается равным скорости проходки vпр.

В точке В частицы грунта не перемещаются, так как напряжения в этой зоне не превышают предельных, необходимых для структурных деформаций. Таким образом, при внедрении конусного рабочего наконечника градиент скорости деформирования грунта в пределах радиуса структурных деформаций Rстpд. будет определяться

вер

у.

R

(4)

стр. д.

где у°герр = vnp sin j - вертикальная составляющая скорости деформирования частиц грунта, м/с.

В итоге зависимость для определения напряжения (предела прочности), которое необходимо создать для структурных деформаций (течения) грунта при проколе скважины с учётом скорости деформирования запишется

V sin j

s р =аорпат , (5)

р р R

стр. д.

где ас™ат - предел прочности грунта в статике (при малых скоростях деформирования).

Полученная зависимость (5) позволяет учитывать изменение напряжений в массиве грунта, окружающего рабочий инструмент оборудования статического прокола, от скорости образования скважины, физико-механических свойств грунта и угла заострения конуса рабочего инструмента, при определении максимальной установленной мощности бестраншейной машины статического прокола.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хархута Н.Я. Машины для уплотнения грунтов / Н.Я. Хархута. М.: Машиностроение, 1973. 176 с.

2. Свирщевский В.К. Проходка скважин в грунте способом раскатки / В.К. Свирщевский. Новосибирск: Наука, 1982. 121 с.

3. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов / З.Г. Тер-Мартиросян. М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2005. 488 с.

4. Полтавцев И. С. Комплексная механизация строительства линий связи / И.С. Полтавцев, И.Ф. Ляхович, В.Б. Орлов. Киев: Буд1вельник, 1974. 136 с.

Михельсон Игорь Станиславович - Mikhelson Igor Stanislavovich -

ассистент кафедры Assistant of the Department of «Hoisting-and-

«Подъёмно-транспортные, строительные Transport, Building and Road Machines»

и дорожные машины» of Balakovo Institute of Engineering,

Балаковского института техники, Technology and Management (branch)

технологии и управления (филиала) of Saratov State Technical University

Саратовского государственного технического университета

Статья поступила в редакцию 28.04.10, принята к опубликованию 23.11.10