CC BY
36
УДК 622.243.2 В. В. Ленченко,
Е. А. Меньшенина, С. Е. Меньшенин ШИ ЮРГТУ (НПИ)
Силовые параметры процесса внедрения головного снаряда при статическом проколе
Существует частичная аналогия между процессами резания мерзлого грунта и динамическим внедрением клиновидного рабочего органа, которая подтверждается образованием тел скольжения [] При внедрении в мерзлый грунт перед рабочим органом образуется стабильное уплотненное ядро (тело повышенной прочности и плотности). Хотя средняя плотность ядра приблизительно равна плотности грунта при гидростатическом взвешивании, распределение ее по высоте неравномерное, о чем свидетельствуют разные скорости распространения упругой продольной волны при ультразвуковом прозвучивании ядра [2,3]. Работа, затрачиваемая на создание уплотненного ядра, пропорциональна его объему [4]. Уплотненное ядро образуется как на поверхности клина, обращенной к открытой стороне забоя, так и на противоположной поверхности. Отличие состоит в том, что при первом ударе грунт оказывает наибольшее сопротивление внедрению клина, при последующих ударах - сопротивление снижается, особенно интенсивно при малом удалении клина от забоя [5]
Изучению процесса образования уплотненного ядра под различными штампами посвящена работа [6]. Характер распределения эпюр давления на подошве круглого штампа не зависит ни от глубины погружения штампа, ни от скорости его перемещения (от 0,1 до 4,5 м /с) и отличается по форме распределения: параболическая (несвязные грунты) и седлообразная (связные грунты). Уплотненное ядро образуется не только под подошвой штампа, но и на боковых его поверхностях. Известно [7, 8] что статическая
характеристика материалов при внедрении в них угловых штампов практически не отличается от динамической при скоростях до 30 м /с.
Проведенные исследования показали, что действие сил сопротивления грунта внедрению зависит от длины боковой поверхности внедряемого наконечника (поверхности контакта ядра уплотнения с наконечником). При внедрении наконечника с некоторым эксцентриситетом противоположные поверхности контакта в плоскости отклонения наконечника различны по длине, определяемой зависимостью (рис. 1):
лярной его оси вращения при шаге продвижки г, мм; Ь; — длина поверхности контакта при этом же шаге продвижки г, мм; Д. - угол отклонения оси вращения конуса относительно перпендикуляра к плоскости грунта, град.;ак - угол при вершине внедряемого конуса, град. Таким образом, даже при небольшом значении эксцентриситета создаются условия для искривления скважины, степень которого зависит от соотношения длин поверхностей контакта противолежащих сторон внедряемого наконечника в плоскости проявления эксцентриситета.
Отношение осевого усилия Рос необходимого для внедрения конуса в грунт, к объему вытесненного при этом грунта Угр представляет собой линейную зависимость для каждого типоразмера наконечников и изменяется в зависимости от угла (Хконуса при вершине конуса и площади основания конуса 8кон (рис. 2).
где Я — радиус конуса, внедряемого в грунт, в плоскости, перпендику-
кон •
г
Рис. 1. Расчетная схема для определения объема вытесненного и уплотненного грунта при внедрении конуса с некоторым эксцентриситетом
Рис.2. График зависимости осевого усилия Рос и объема вытесненного и уплотненного грунта Уос при внедрении конуса с некоторым эксцентриситетом от глубины внедрения Н (согласно рис. 1)
1 — график зависимости, действующий на поверхности ВБ внедряемого конуса,
2 — график зависимости, действующий на поверхности ВС внедряемого конуса
Для получения зависимости осевого усилия от геометрических параметров внедряемых наконечников и физико-механических свойств проходимых грунтов был проведен эксперимент, сущность которого состояла в следующем.
В грунт с известными физико-механическими свойствами производилось внедрение наконечников, имеющих различные геометрические параметры, но одинаковую высоту Н, равную 90 мм. При этом производился
замер осевого усилия Рос при внедрении наконечников на контрольную глубину, равную его удвоенной длине (180 мм). Внедрение производилось в грунт с естественной степенью уплотнения, после снятия его верхней, неуплотненной части.
Быстрый рост осевого усилия Рос при проходке скважины наблюдается в начальной стадии внедрения при глубине внедрения на величину, равную 2Н, что объясняется формированием ядра уплотнения.
Ориентировочное значение осевого усилия для условий проходки скважин методом статического прокола [9]
Яяскв&уж т гРос =--------------г, + Чт Ш >
и о
где Яскв — радиус сечения скважины, см, дупл — коэффициент сопротивления грунта уплотнению, МПа, иО — пористость грунта до прокалыва-
ния, дт — масса 1 метра прокладываемого става, кг, Ь - длина проходки, м, / - коэффициент трения стали о грунт.
Согласно приведенной зависимости, осевое усилие линейно зависит от длины проходки скважины, так как не учтен процесс формирования ядра уплотнения.
Полученные экспериментально данные доказывают, что Рос находится в прямой зависимости от объема вытесненного и уплотненного грунта и площади боковой поверхности конуса, поверхности трения $боК или диаметра головного снаряда - О:
Рос _ Угрргр10 & + ^бок^упл^,
где Угр - объем уплотненного и вытесненного грунта, мм3; ргр - плотность проходимого грунта, г/см3; & - ускорение свободного падения, м/с2; $бок - площадь боковой поверхности конуса, поверхность трения,
мм2; / - коэффициент трения стали о грунт; 8упл - коэффициент сопротивления грунта уплотнению, МПа.
Объем суммарного уплотненного и вытесненного грунта Угр при проходке скважины на глубину 2Н:
4 П 2 ТТ г 3,
3
23
Угр _ ~^П^сквН, [мм ],
где ^с2Кв - радиус скважины, равный диаметру основания наконечника
О, мм.
Площадь боковой поверхности внедряемого конуса:
_ _ яНО г з,
^бок _ а ’ [мм ]
2соб а
2
Окончательный вид уравнения для определения Рос:
Рос _ $оснН
4 р&ю6 + 2 ЬшлИ
3 а
Особ
2
где 8осн - площадь основания внедряемого конуса или площадь попереч-
2
ного сечения скважины, мм .
Таким образом, осевое усилие внедрения конуса в грунт пропорционально сумме веса вытесненного грунта и сопротивления среды внедрению за счет уплотнения с учетом потерь на трение.
Расхождения действительных и расчетных значения Рос колеблются в пределах 15-20%, что находится в пределах допустимой погрешности эксперимента. Зависимость Рос=/(И) (после углубления скважины более 2Н) является прямолинейной, с небольшой степенью роста осевого усилия по сравнению с длиной проходки скважины.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зеленин А. Н. Основы разрушения грунтов механическими способами. -М.: Машиностроение, 1968.
2. Цытович Н. А. Основы механики грунтов. - Ленинград, Москва: Главная редакция строительной литературы, ОНТИ, 1934. - 307 с.
3. Петухов П. З., Гурин М. А., Киселев Б. Н. Выбор рациональных параметров клина для разрушения мерзлоты / Строительные и дорожные машины, 1967.
4. Музгин С. С. К теории разрушения мерзлых грунтов / Труды Института горного дела АН Каз. ССР, 1957.
5. Ващук И. М., Аранзон М. И. Сопротивление мерзлых грунтов динамическому внедрению клиновидного рабочего органа / Труды ВНИИСт-ройдормаш. № 65. - М.: 1974.
6. Киселев Б. Н. Некоторые закономерности статического внедрения клина в мерзлый грунт / Труды Уральского политехнического института. Вып. 128. - Свердловск: 1963.
7. Захаров В. А., Ващук И. М., Аранзон М. И. Аналитическое исследование процесса внедрения клиновидного рабочего органа ударных машин в мерзлый грунт / Тр. ВНИИСтройдормаш. Вып. 71. - М.: 1976.
8. Батуев Г.С., Голубков Ю. В., Ефремов А. В., Федосов А. А. Инженерные методы исследования ударных процессов. - М.: Машиностроение, 1977.
9. Руководство по проходке горизонтальных скважин при бестраншейной
прокладке инженерных коммуникаций / ЦНИИОМТП Госстроя СССР.
- М.: Стройиздат, 1982. - 96 с.
