CC BY
60
УДК 628.157
В.М. Земсков, И.С. Михельсон
ВЫБОР МОДЕЛИ ГРУНТА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА
ВИБРОПРОКОЛА ПРИ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКЛАДКЕ КОММУНИКАЦИЙ
Анализируются физические процессы в грунте при вибропроколе грунтовых горизонтальных скважин. Предлагается модель грунта для исследования процесса вибропрокола горизонтальных грунтовых скважин при бестраншейной прокладке коммуникаций, учитывающая пластические, упругие и вязкостные свойства грунтов.
Грунт, модель, вибропрокол, коммуникация, бестраншейная прокладка
V.M. Zemskov, I.S. Mikhelson
MODEL CHOICE OF THE GROUND FOR THE PROCESS RESEARCH OF VYBROPUNCTURE AT NO-DIG TO COMMUNICATIONS LINING
Physical processes in the ground are analyzed at vibropuncture soil horizontal chinks. The ground model for the process research of vibropuncture horizontal soil chinks at no-dig is offered to communications lining, considering plastic, elastic and viscous properties of the ground.
Ground, model, vibropuncture, communications, no-dig lining
Интенсивный рост городского строительства в последние годы обусловил необходимость модернизации и развития городских коммуникаций и трубопроводного транспорта коммунальной инфраструктуры. В первую очередь это касается объектов водоснабжения, водоотведения, связи и энергоснабжения современных городов. При этом состояние коммуникационных сетей жизнеобеспечения городов России достигло критической отметки. По различным статистическим данным, инженерные сети изношены на 70% и более. Ежегодно на каждые 100 км трубопроводных коммуникаций в среднем приходится более 50 аварий. Эксплуатация изношенных трубопроводов ухудшает социальную, экономическую и экологическую обстановку в городах. Для замены аварийных трубопроводов в течение 10 лет ежегодно необходимо реконструировать более 40 тысяч километров подземных коммуникаций.
Решение представленной проблемы траншейными методами требует значительных затрат, а иногда в условиях плотных городских застроек замена трубопроводов открытым способом просто невозможна. В настоящее время многие городские администрации приняли решение, что основным способом прокладки и переустройства подземных городских коммуникаций является закрытый (бестраншейный) способ. К основным преимуществам бестраншейных технологий относятся: высокие темпы проведения работ по замене и прокладке коммуникаций, соблюдение экологических требований, значительная экономия до 50% финансовых средств, бесперебойное движение транспорта
189
в месте проведения работ. До 70 % повреждений приходится на трубопроводы диаметром до 300 мм. Анализ способов бестраншейных технологий показывает, что для замены коммуникаций такого типоразмера наиболее прост с конструктивной точки зрения и дешев с экономической способ прокола. Одним из путей повышения эффективности процесса бестраншейной прокладки трубопроводов способом прокола является применение вибрации.
На кафедре «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» БИТТУ СГТУ в лабораторных условиях был проведён опыт по протаскиванию в массиве грунта конусного рабочего наконечника со встроенным вибратором круговых колебаний [1]. В результате проведения экспериментов было установлено снижение напорных усилий до 10-15 раз по сравнению со статическим проколом. По классификации способов образования скважин при бестраншейной прокладке коммуникаций данный способ относится к вибропроколу с колебаниями рабочего наконечника перпендикулярно оси образуемой скважины.
При вибропроколе грунтовых горизонтальных скважин (рис. 1) конусным рабочим наконечником со встроенным вибратором круговых колебаний грунт уплотняется в стенки скважины за счёт пористости грунта, или так называемой сжимаемости грунта. При этом колебания конусного рабочего наконечника в плоскости, перпендикулярной направлению прокола, способствуют снижению сопротивления внедрения наконечника в грунт, так как в зоне структурных деформаций снижаются сцепление частиц грунта и внутреннее трение в грунте, которые определяют величину напорного усилия Р. При вибрации требуется значительно меньший пригруз для снижения пористости грунта путём переукладки частиц в том же объёме. При вибропроколе пригруз определяется величиной напорного усилия Р. Вибрационное воздействие конусного рабочего наконечника на грунт вызывает проскальзывание одних твёрдых частиц относительно других, при этом даже меньшая напорная сила оказывается в состоянии переместить частицы грунта, сжимаемые соседними частицами, в результате чего происходит более плотная их укладка.
Рис. 1. Схема вибрационного прокола с колебаниями перпендикулярно оси образуемой скважины:
1 - прокладываемая труба; 2 - конусный рабочий наконечник;
3 - вибратор круговых колебаний; Р - напорное усилие
Исследование процесса вибропрокола с колебаниями конусного рабочего наконечника перпендикулярно образуемой скважине следует проводить в системе «наконечник - грунт» и, прежде всего, начинать с построения расчётной модели грунта. Расчётная модель грунта представляет собой мысленно конструируемые структуры, подчиняющиеся определённым упрощённым физическим закономерностям. Они позволяют далее воспользоваться для исследования изучаемого явления той или иной математической моделью, наиболее пригодной для решения задач, относящихся к данной расчётной модели.
Несмотря на то, что в зависимости от характера рассматриваемых задач используются различные модели грунта, все они могут быть разбиты на два основных класса [2]: модели сплошной среды и модели дискретной среды. Характер колебаний конусного рабочего наконечника носит волновой характер, что отображается в грунте. Волновой характер движения среды, будь то ограниченная её часть, обычно описывается уравнением механики сплошной среды [3].
В общем случае грунты представляют собой природные образования, состоящие из твёрдой, жидкой и газообразной фаз. Механические свойства жидкого и газообразного компонентов легко и достаточно полно определяются их плотностью и скоростью распространения в них звука. Механическое поведение твёрдого компонента при различного рода воздействиях отличается сложным характером, нестабильностью характеристик и зависит от множества факторов: минералогического и
гранулометрического составов, структуры грунта, характера связей между частицами, вовлечённости этих связей и пр.
Как уже отмечалось, при вибропроколе образование скважины происходит через уплотнение грунта в стенки скважины за счёт структурных деформаций в массиве грунта и, как следствие, уменьшения пористости грунта. Таким образом, происходит переход от одного устойчивого положения частиц грунта к другому с изменением структуры массива вокруг конусного рабочего наконечника. Такой переход обеспечивается внешними силами: напорной силой и возмущающей силой вибратора. При этом в процессе этого перехода каждой частице грунта необходимо сообщить энергию активации для преодоления потенциального барьера, который она имела до наступления процесса вибропрокола.
Очевидно, определить перемещение каждой из частиц грунта под действием внешних сил невозможно, поэтому прибегают к мысленной замене тела воображаемой сплошной средой, в которой частицы распределены равномерно по всему объёму без разрывов и промежутков. Важно учитывать, что если грунт рассматривать как сплошную среду, это не означает, что он не должен иметь пор или не может быть многофазной системой. Однако в данном случае все свойства грунта, связанные с пористостью и многофазностью, предполагаются одинаковыми и в бесконечно малом объёме, и в конечном его объёме. В [4] показано, что в расчётах для рассмотрения грунта как сплошного тела должно соблюдаться условие: сторона единичной квадратной площадки, для которой рассчитывается среднее напряжение в грунте, должна превосходить диаметр частиц грунта не менее чем в 20-30 раз. Это условие принято называть условием сплошности. В теории сплошной среды предполагается, что как при деформации, так и при течении сплошность тела не нарушается. При появлении трещин и разрывов говорят о разрушении тела.
С точки зрения образования скважины при вибропроколе в грунте наблюдается остаточная (необратимая) деформация, которую принято называть пластической. Особенностью структурных деформаций в грунте является то, что обратимая и необратимая деформации развиваются одновременно. Работа, совершаемая конусным рабочим наконечником, рассеивается в массиве грунта, обращаясь в теплоту. Однако в опытах [5] обнаружено плавное уменьшение напряжений в массиве грунта после внедрения конусного рабочего наконечника при статическом проколе, что является следствием физико-механических свойств грунта, а именно: пластических,
упругопластических и упругих деформаций, большого влияния сил внутреннего трения и отставания деформаций от напряжений как при приложении, так и после снятия внешних нагрузок. Такие явления в грунте объясняются наличием в массиве грунта вокруг образовавшейся скважины остаточных напряжений. Остаточные напряжения представляют собой систему уравновешенных внутренних напряжений, беспорядочно распределённых в массиве грунта.
К настоящему моменту установлено, что внедрение в грунт какого-либо элемента начинается лишь при достижении некоторого критического давления р0. При меньшем давлении никакого погружения не происходит. С другой стороны, профессор К. Терцаги установил, что при протаскивании стальной ленты через слой грунта сопротивление первому измеримому движению зерён гораздо меньше, чем сопротивление действительному скольжению. При протаскивании через грунт ленты сила сопротивления пропорциональна скорости протаскивания.
Всё это свидетельствует о наличии определённых вязкостных свойств грунтов. В то же время давление, при достижении которого начинается погружение штампа в грунт, говорит о том, что при проникновении твёрдого тела в грунт значительную роль играют и его пластические свойства.
Вследствие различного гранулометрического состава, влажности, минералогического состава и плотности один и тот же грунт уплотняется при образовании скважины неодинаково. Очевидно, что учесть все свойства грунта в одной модели невозможно. Необходимо учитывать лишь важнейшие для данного исследования свойства грунта. Как уже отмечалось выше, при вибропроколе горизонтальных скважин грунт проявляет упругие, вязкостные и пластические свойства.
Рассмотрим модели, учитывающие
упруговязкопластические свойства. Представленная на
рис. 2 одна из сложных моделей, используемых при исследованиях процессов виброударного и вибрационного погружения свай и оболочек, предложена Ю.И. Неймарком, а затем несколько видоизменена и дополнена И.К. Пчелиным и А.М. Ашавским [6]. Модель учитывает упруговязкопластические свойства при помощи кулонова трения F sign x, вязкого трения r2x2, а также лобового сопротивления Q, выражающиеся кусочно-линейным графиком упругопластической деформации. Осадка
грунта в пределах величины l = — является линейно-упругой, при x2 < 0 - остаточной.
S 2
Лобовое сопротивление Q(x2, x2) в пределах одного цикла деформации выражается в следующем виде:
Гг.г
0 при xho +1 й x2,
S2 (xh0 + l - x2 ) при xho p x2 p xho + 1 при x2 й xho и
) при
Рис. 2. Модель грунта при вибропогружении свай и оболочек
Q(x2 , X2 )Є <
Qo + Sh (xho - X2 )
Qo + Sh (xho - X2 ) - S2 (x2 - Xho,
X2 й 0,
(1)
X2 p Xho + l
Данная модель хорошо соответствует упругим свойствам грунта: при нагружении упругость задаётся коэффициентом упругости Sh+S2, при разгружении только S2. Однако при всей её близости к реальности модель не может охватить всех многообразных свойств грунтов и требует корректировки в зависимости от конкретных грунтовых условий и технологического назначения машины. Так, при уплотнении песчаных грунтов незначительной влажности вязким сопротивлением можно пренебречь, что значительно упростит все расчёты. Если боковая поверхность контакта рабочего органа с грунтом
Рис. 3. Схема взаимодействия сваи и грунта, предложенная А.С. Головачёвым
имеет незначительную площадь, то можно пренебречь кулоновым трением при взаимодействии со связным грунтом.
Для исследования процесса вибропрокола определённый интерес представляет модель грунта, предложенная
А.С. Головачёвым [6], представленная на рис. 3.
По боковой поверхности сваи действуют вязкое трение г6 и кулоново трение, модель которого несколько видоизменена по сравнению с моделью Ю.И. Неймарка, представлена в виде прижатой к свае колодки массы mб, поддерживаемой упругими консольными
балками с жёсткостью Sб. Модель предусматривает как совместное движение колодок со сваей, так и проскальзывание относительно сваи. Величины жесткости Sб и кулонова трения меняются в зависимости от грунтовых условий и глубины погружения сваи. Модель учитывает упругие и
инерционные свойства бокового
сопротивления грунта. Схема лобового сопротивления учитывает
упругопластические свойства деформации грунта с упрочнением. Пружина S1 моделирует лобовое сопротивление. Нарастание упругого сопротивления с глубиной моделируется пружиной S2. Учитывается также масса уплотнённого
грунтового ядра, остаточная осадка которого происходит при преодолении силы R - трения об условную грунтовую стенку.
Гистерезисные потери ввиду несовершенства упругости грунта учитываются демпфером с коэффициентом вязкого сопротивления г1, который учитывает также потери энергии от скорости деформации грунта. Недостатком описанной модели является то, что величины присоединённой боковой массы и массы уплотнённого грунтового ядра имеют фиксированное значение. Фактически же они изменяются при увеличении глубины погружения и при увеличении плотности грунта, если рассматривать уплотняющую машину. Эти присоединённые массы дают нелинейность уравнениям движения машины и значительно усложняют решение. При горизонтальной проходке указанные недостатки исключаются, а при изменении направления воздействия возмущающей силы Po сов(ю^+ф) приведенная модель достаточно точно определяет процесс взаимодействия рабочего наконечника с грунтом при вибропроколе.
Модель грунта, предложенная Двораком и Петером, представленная на рис. 4 и описанная в [6], также учитывает упруговязкопластические свойства грунта.
Вязкие свойства моделируются демпфером. Авторы считают, что демпфированием можно пренебречь ввиду малых скоростей деформаций, что вызывает сомнение, так как при уплотнении песчаных грунтов большой влажности в основном действует вязкое
Рис. 4. Модель грунта, предложенная Двораком и Петером
трение. Упругие свойства грунта смоделированы пружинами С1 и С2, причем С1 У С2. В модель введён гаситель трения R, который работает только при действии силы, превышающей какое-то критическое значение. Когда сила К, действующая на модель, меньше его критического значения Kp, деформация происходит в упругой области. При силе К У Кр происходит смещение плоскостей элемента R на величину
С = К—Кр. (2)
С
Критическая сила для всей модели равна
с + С
Кр = ССС Л. (3)
С 2
В процессе разгрузки амортизатор трения в работе модели не участвует, разгружаются лишь пружины, имитируя тем самым упругую часть деформации грунта. Гаситель трения, таким образом, моделирует пластические свойства грунта. Пружина С2 вытягивается пружиной С1, так как С1 У С2 на величину Ст и поэтому действует постоянная сила трения Л. Остаточная деформация, соответствующая сжатию пружины С1, после разгрузки может быть найдена:
С -
— 4 С . (4)
С1 + С2
Модель Дворака и Петера достаточно реально отображает характер процессов, протекающих в грунте при его уплотнении. Однако расчёты машин при пользовании описанной моделью грунта достаточно сложны. Если учесть демпфирование, приведённые выше зависимости значительно усложняются. Пренебречь же демпфированием при уплотнении связных грунтов нельзя, так как не будут учтены гистерезисные потери из-за несовершенства упругих свойств грунта и вязкие свойства грунта.
Для дальнейших исследований процесса вибропрокола с колебаниями конусного рабочего наконечника перпендикулярно оси образуемой скважины примем за основу модель Головачёва А.С., приняв следующие изменения. Во-первых, величины присоединённой боковой массы и массы уплотнённого грунтового ядра при горизонтальной проходке практически на всей длине имеют фиксированное значение. Во-вторых, массой уплотнённого грунтового ядра можно пренебречь, так как она не оказывает большого сопротивления в направлении проходки. В-третьих, величина силы Q при вибропроколе горизонтальных грунтовых скважин будет определяться напорным усилием Р.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ромакин Н.Е. Направления в развитии конструкций оборудования для бестраншейной прокладки трубопроводов способом вибропрокола / Н.Е. Ромакин, Н.В. Краснолудский, Н.В. Малкова // Совершенствование конструкций и методов расчёта строительных и дорожных машин и технологий производства работ: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2006. С. 69-72.
2. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов / М.Н. Гольдштейн. М.: Стройиздат, 1971. 366 с.
3. Калюжнюк М.М. Сваебойные работы при реконструкции / М.М. Калюжнюк,
В.К. Рудь. Л.: Стройиздат, 1989. 160 с.
4. Протодьяконов М.М. Трещиноватость и прочность горных пород в массиве / М.М. Протодьяконов, С.Е. Чирков. М.: Наука, 1964. 68 с.
5. Полтавцев И. С. Специальные землеройные машины и механизмы для городского строительства / И.С. Полтавцев, В.Б. Орлов, И.Ф. Ляхович. Киев: Буд1вельник, 1977. 136 с.
6. Кобзев А.П. Исследование по кулачковых вибрационных катков: дис. политехн. ин-т. Саратов, 1970. 220 с.
Земсков Владимир Михайлович -кандидат технических наук, доцент кафедры «Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины»
Балаковского института техники, технологии и управления (филиала)
Саратовского государственного технического университета
Михельсон Игорь Станиславович -
аспирант кафедры «Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины» Балаковского института техники, технологии и управления (филиала) Саратовского государственного технического университета
определению оптимальных параметров канд. техн. наук / А.П. Кобзев; Сарат.
Zemskov Vladimir Mihajlovich -
Candidate of Technical Sciences,
Associate Professor of the Department of «Pick-and-place, Construction and Road Building Machinery» of Balakovo Institute of Engineering, Technology and Management (affiliated branch) of Saratov State Technical University
Mikhelson Igor Stanislavovich -
Post-graduate Student of the Department of «Pick-and-place, Construction and Road Building Machinery» of Balakovo Institute of Engineering, Technology and Management (affiliated branch) of Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 24.0б.10, принята к опубликованию 23.11.10
