CC BY
6
БОТ: 10.15587/2312-8372.2018.146626
ВИЗНАЧЕННЯ ВЕЛИЧИНИ ЗОНИ УЩ1ЛЬНЕННЯ ТА ТИСКУ ГРУНТУ НА П1ДЗЕМН1 КОМУШКАЦП ПРИ ДЕФОРМАЦП ЙОГО КЛИНОВИМ НАКОНЕЧНИКОМ
Посмггюха О. П., Кравець С. В., Супонев В. М.
1. Вступ
Висока конкуренщя у сферi мiстобудування заставляе iнженерiв створювати новi машини для виконання будiвельних робiт, що дасть змогу знизити собiвартiсть виконання робгг, зменшити вартiсть та тривалiсть робгг, зменшити вплив на мiську шфраструктуру та жителiв мiста. Використання прогресивних робочих органiв дасть можливiсть конкурувати на ринку послуг. Нова форма робочого органу дасть можливють визначити величину тиску на тдземш комушкацп, знати напрямок та зону небезпечного сусщства.
Сучасш вимоги диктують необхщнють одноча^^го прокладання декiлькох захисних футлярiв у виглядi труб-футлярiв кiлькiстю до 8 та бтьше. Традицiйно свердловина формуеться кругло!' форми робочим органом з наконечником конусно! форми. Прокладання футлярiв у цьому випадку здшснюеться у виглядi пучка з ктькох окремих елементiв протягнутих в один отвiр. Вiдповiдно, чим бiльший дiаметр свердловини, тим бтьша вiрогiднiсть пошкодження дорожньо! основи або прилеглих комушкацш, що вимагае значно збтьшувати вщстань до них. Однорядне прокладання труб клиновим наконечником, який повинен бути використаний при цьому, дозволяе змшити та контролювати зону ущщьнення та 11 вплив на об'екти, що розташоваш поблизу в масивi грунту.
Таким чином, пошук шляхiв удосконалення технологи статичного проколу грунту для прокладання лшшно протяжних об'ектiв (ЛПО) е актуальною задачею. При розробщ техшчних рiшень необхiдно враховувати необхщнють одночасного прокладання декiлькох трубопроводiв та тиск деформованого грунту на прилепи комушкацп
2. Об'ект досл1дження та його технолопчний аудит
Об'ектом даного дослгдження е робочий орган з клиновим наконечником для статичного проколу грунту з одночасним прокладанням декшькох футлярiв. Вщсутшсть аналiтичних розрахункiв сил впливу тиску грунту вщ просування клинового наконечника не дае можливост провести його порiвняльний аналiз з традицшним методом отримання свердловини кругло! форми.
Отр просуненню робочого органу цилшдрично! форми визначаеться параметрами робочого органу та властивостями ущтьненого грунту, описаш авторами в [1-3].
Отр просуненню робочого органу визначаеться параметрами робочого органу та властивостями ущшьненого грунту.
Параметри клинового наконечника (рис. 1) визначаються дiаметром футлярiв (захисних труб, в яких поим протягують комушкацп), як повиннi вiльно затягуватись в утворену порожнину та 1х кшьюстю.
Рис. 1. Розташування робочого органу в грунт та зона деформацп, а також надмiрного тиску: 1 - клиновидна частина робочого органу, 2 - плоска направляюча з швкруглими краями; 3 - футляри
В умовах щшьно! забудови мют та велико!' кшькост iнженерних мереж, що розташованi пiд поверхнею, використання клинового ножа дозволить в практичних умовах значно тдвищити ефективнiсть безтраншейного прокладання пiдземних комунiкацiй. Збiльшення кiлькостi футлярiв, що прокладаються одночасно, не призводить до зростання зони впливу та тиску на прилепи комушкацн вщ ущiльнення грунту.
Одними з проблемних мiсць, що потребують дослiдження, е прокладання, розташування та сусiдство рiзних видiв пiдземних комунiкацiй, прокладених безтраншейним способом. Вивчення зони впливу робочих оргашв на грунт та комушкацн дасть можливiсть бiльш якiсно проектувати використання тдземного простору, знизити ризики пошкодження або руйнування комунiкацiй та знизити вартють робiт.
3. Мета та задачi дослiдження
Мета дослгдження - удосконалення технологii статичного проколу грунту шляхом одночасного прокладання шженерних комушкацш робочим органом з клиновидним наконечником. Це дозволить пiдвищити яюсть виконання робiт та зменшити енергозатрати процесу.
Для досягнення поставлено! мети необхщно:
1. Отримати теоретичний спошб визначення тиску грунту, при просуванш клинового робочого органу.
2. Визначити закон змши щiльностi грунту по товщиш наконечника та встановити тиск грунту на шдземш комунiкацii, якi потрапляють у зону дн пружно-пластичних деформацш.
3. Вивчити вплив розмiрiв робочого органу та властивостей грунту, та його тиску на прилет комушкацн.
4. Дослщження кнуючих р1шень проблеми
Основними напрямками розвитку безтраншейних технологш прокладання комунiкацiй у свiтi е горизонтально направлене бурiння та мшрононелювання у
Bffl^^Ai статичного проколу з ексавашею грунту. В ресурсах cbîtoboï науково! перюдики, можуть бути видiленi роботи [4, 5], де розглянут активнi методи безтраншейних технологiй, але в них мало придшено уваги статичному проколу.
Дослщження [5, 6] присвяченi вибору та обгрунтуванню вибору способу виконання робiт, з детальним аналiзом переваг та недолiкiв рiзних технологiй. А в роботах [7, 8] особливу увагу придшяють безтраншейним технологиям спорудження та ремонту трубопроводiв велико! протяжности Слiд вiдмiтити дослщження [6], яке присвячене вибору способу та планування виконання особливо вщповщальних робiт, що виконуються безтраншейним способом.
В робот [9] описаш можливостi розширення безтраншейних технологш до розмiрiв мiкротонелювання та способи i варiанти робiт.
Цжавою виявилися робота [10], де визначали вплив грунту та комунiкацiй, що розташоваш над ними, на самi труби, що прокладенi на певнш глибинi. Але у цiй робот зовшм не вiдображене питання можливост додаткового прокладання труб поруч, та вплив при цьому робочих оргашв на них.
Багато уваги польовим випробуванням та розрахунку осьових зусиль прокладання комушкацш безтраншейним способом придшено в роботах [11, 12], але жоден з авторiв цих робгг не придшяе достатньо! уваги статичному проколу.
Окремо видшимо дослiдження можливост впровадження безтраншейних технологш в твердих породах [13] або грунтах 4-5 категорп.
Вченими, як займаються виршенням проблеми безтраншейного прокладання пiдземних комушкацш з мтмальними енергозатратами, в останш роки присвячено багато дослiджень. Так, в роботах [2, 14] велику увагу придшено проколюванню грунту на невелик вщсташ до 50 м. Вивчення процесу статичного проколу грунту та його напружень навколо робочого органу при формуванш свердловини вщображено в робот [15].
Характер процесу глибокого рiзання грунтв ножовими робочими органами при прокладанш кабелiв та дренашв в зонi закритично! глибини рiзання мае спiльний характер взаемодп з грунтом з клиновим наконечником [16, 17]. Останнш характер полягае в ущшьнеш грунту на обидва боки клиновидно! стойки ножа. Це може бути покладено в основу вивчення процешв, якi вiдбуваються шд час просування клинового робочого органу в грунт. Але вш в повнш мiрi не вiдображае специфжу процесу однорядного прокладання декiлькох футлярiв одночасно та дае нечiтку вщповщь щодо впливу деформованого грунту на прилепи комунiкацiï пiд час утворення порожнини.
Таким чином, результати лггературного аналiзу дозволяють зробити висновок про те, що процес проколу грунту робочими органом у виглядi клиновидного наконечника рашше не вивчався.
5. Методи дослщжень
З роботи [3] вщомо, що прокол грунту конусним наконечником може бути ефективним в межах дiаметру свердловини, яке отримано з умови оптимального опору. Так, було встановлено, що максимальне зниження опору проколюванню мае мюце:
- для твердого сушску при дiаметрах D=0.2.. .0.25 м;
- для натвтвердого суглинку при дiаметрах 0=0.13.. .0.17 м;
- для тугопластично! глини при дiаметрах 0=0.12.0.13 м.
Очевидним е те, що крiзь таки порожнини юльюсть прокладання труб обмежена,
особливо звертаючи увагу на те, що дааметри складають не менше 100 мм.
Проведення до^дження процесу проколу грунту робочим органом з клиновидним наконечником е достатньо трудомютким та коштовним процесом. Тому теоретичне обгрунтування перспективи впровадження клиновидного ножа при безтраншейному прокладаннi пiдземних комунiкацiй та уявлення про закономiрностi процесу проколу запропонованим робочим органом дозволить визначитись з подальшими техшчним удосконаленням розробки та плануванням И експериментального дослiдження.
Розрахунковi залежностi отриманi шляхом iнтегрованого та диференцшного обчислюваного рiвнянь, що вщображають математичну модель процесу просування робочого органу в грунтг
Дослiдження базуються на основних положеннях теорш мехашки грунтiв та !х рiзання.
На основi закону збереження маси до i пiсля ущщьнення грунту клиновим наконечником маемо схему для визначення опору клинового наконечника (рис. 2):
де а&,ф - вiдстань, на яку деформуеться грунт клиновим наконечником;
с/ - д1аметр лшшно протяжного об'екту ЛПО; п - кшьюсть ЛПО, якi одночасно прокладаються; р - природна щшьшсть грунту;
рх - законом1ршсть змши щшьносп грунту в деформованш зош У першому наближенш законом1ршсть змши щщьносуп рх можна прийняти лiнiйною в залежност вiд вiдстанi до боково! стшки отвору [16] (рис. 2).
Рис. 2. Закономiрнiсть змiни щiльностi грунту в деформованш зош в залежност вiр розмiрiв отвору [17]: 1 - футляр розмiром 0,13 м; 2 - футляр розмiром 0,19 м; 3 - футляр розмiром 0,245 м; 4 - футляр розмiром 0,325 м
а
(1)
кг
РР- 12 3 4
0,15 0,20 0,25 0,30 а,,, м
Прийнята 3aK0H0MiprncTb змши щiльностi показана на рис. 3:
Р х = Рпр +
с \
1--Х
V адеФ J
(Ртах Рпр )'
де р - максимальна щшьшсть грунту в боковш стшщ отвору.
Рис. 3. Прийнята закономiрнiсть змiни щшьност грунту
З урахуванням (1) рiвнiсть (2) перепишеться у виглядi:
г
V
адеф + 2
d Л адеф Р
пр
J
J
Рпр +
х
V адеф J
(рmax Рпр )
dx
( \ V адеф Ртах + Р пр
Рпрадеф + (Ртах - Рпр ) адеф - (Ртах - Р- •-= -а
max пр
деф
(3)
-г-. .. Ртах ^ Рпр
Величину середньо! щiльностi -
2
= Рсер пiсля ущiльнення грунту
визначено в робот [1]:
Рсер
р
пр
1-1Д2'
(4)
де X - характеризуе величину зони пружно-пластичних деформацiй грунту i залежить вщ типу грунту i глибини, на якш здшснюеться деформування:
X =
у гМ
с
tg4
О J
v4 2 у
о.
(5)
де угр - питома сила тяжшня грунту;
Ь - глибина, на якш здшснюеться прокол; с - коефщент зчеплення грунту; Ф0 - кут внутршнього тертя грунту;
а1 - напруження на границ! иружно! \ пластично! зон деформування грунту [1]:
В±^В2 +ААС
2 А
В + ^В2 +ААС
2 А
(6)
де
А = 8Ш ф0 (3 - БШ ф0 ),
В = ЗССОБф() -2.5с8т2ф0 +у ¿(1 + 8Шф()),
с =
у грЪ (1 + si.ii ф() ) + 4 с СОЗ ф() ] С С08 ф().
Якщо пiдставити залежностi (4) i (5) у рiвняння отримаемо:
а
деф
2 - о!
У пр н +
&ф.
tg8
0 У
V 4 2 у
а,
<1_ 2'
(7)
<
Для щеальнош сипучош середовища, в якого зчеплення вщсутне (с = 0 - шсок):
а
деф
g8 |- + ф0|
V 4 2 ) . 2 /о • \2 л
--у ■ вт Фо (3 - вт Фо) -1
(1 + вш фо ^
2
(8)
Для невагомого зв'язного середовища (уЬ = 0, сф 0):
а
деф
с
^ 2Фо
■
+ Фо
V,'
б/ 2
(9)
Якщо прийняти, що А, = 5,4...6,0 - для твердого сушску; А-= 4,3...4,8 - для натвтвердого суглинку; А, = 4,0...4,3 - для тугопластично! глини [1], тод1 середн тщльшсть грунту в пружно-пластичнш зонi дорiвнюе:
для твердого сутску - рсер = (1,03. Д 04)рпр; для натвтвердого суглинку - рсер = (1,05...1,0б)рпр; для тугопластично! глини - рсер = (1,06...1,07)рпр.
За експериментальними даними виробничих випробувань безтраншейних дреноукладачiв, якi працюють з утворенням закритично! зони Рсер = (1,05...1,08)рир [17].
Для приведено! середньо! щiльностi грунтiв величина зони !х деформування складае:
для твердого сутску - адеф = (14,0... 17,5) d;
для натвтвердого суглинку - адеф = (8,7... 11,0) d;
для тугопластично! глини - адеф = (7,5...8,7)d .
6. Результати досл1джень
Визначимо тиск грунту на тдземт комунiкацi!, як потрапляють у зону дн пружно-пластичних деформацш:
Чх
1 + ю
' 1 1Л
ЧР пр Р ,
(1+ю)Рт
скР
кУ пр
1 +
X
V адеф )
Ртах Р пр
Рпр
(1 + ®)Ря
ск Р
к К пр
1 -
1 +
X
а
деф у
V РпР
= Е„
гр
1 -
1 +
X
а
деф у
^2 + 1 ^ X2 - 1
(10)
де ск - коефщент компресп грунту (ск = 0,07...0,09(оог -10), МПа"1) [5]; ю - природна вологiсть грунту; сот - межа текучост1 грунту;
(1 + ю)Рт
Е = Егр
'тв
ск Рпр
- компресшний модуль деформацi! грунту [2, 3].
Побудовано графiки дх в залежност вiд вiдстанi х вщ боково! гранi клину для твердого сутску, натвтвердого суглинку та тугопластично! глини (рис. 4). Для побудови приймемо для обох робочих оргатв [1-3]:
- кшьюсть однакових футлярiв, що прокладаються одночасно п=5 шт.;
- глибина прокладання комунiкацiй ^=1.5 м;
- дiаметр футлярiв 100, 200, 300, 400 та 500 мм; характеристики твердого сутску - Егр=1.39 МПа, Х=5.6, <<=15.2^;
- характеристики нашвтвердого суглинку - Егр=0.892 МПа, А=4.5, ау=9.63^
- характеристики тугопластично! глини - Егр=0.631 МПа, А=4.2, ау=8.32й.
{¡х, МПа 0,8
а
дх, МПа Л
Рис. 4. Залежнiсть тиску грунту на тдземш комушкацп вщ вiдстанi, дiаметра, кiлькостi футлярiв та форми робочого органу п=5 шт., ^=1.5 м: а - твердий сушсок; б - напiвтвердий суглинок; в - тугопластична глина: 1, 2, 3, 4, 5 -клиновий плоский робочий орган дiаметру футляра, вщповщно, 100, 200, 300,
400 та 500 мм
З рис. 4 4iTK0 видно, що використання дослiджуваного робочого органу суттево залежить вiд розмiру футляру та обмежене по глибиш прокладання. Мала глибина приведе до випручування денно! поверхш грунту.
7. SWOT-аналiз результат дослiдження
Strengths. Серед сильних сторш даного дослiдження необхiдно вiдмiтити отримання теоретичного визначення зони ущшьнення грунту на тдземш комушкацп при його деформацп клиновим наконечником. Завдяки цьому була отримана можливiсть всебiчно! ощнки ново! технологi! прокладання пiдземних комушкацш з застосуванням статичного проколу грунту робочим органом з клиновим робочим органом. Критерiем порiвняння запропонованого робочого органу з клиновим наконечником з традицшним наконечником у виглядi конусу е сила опору грунту !х просуванню. Саме таке порiвняння дае можливють отримати докази на користь клинового наконечника. Отримаш розрахунки сил опору грунту проколу також дають можливють визначитися з силовими параметрами установки та !! конструктивними особливостями. Визначення тиску вщ пружно пластичних деформацШ на прилеглi комунiкацi! в залежност вiд параметрiв робочого органу та властивостей грунту дають можливють ощнити, наскшьки близько до прилеглих комушкацш можна виконати прокол робочим органом з запропонованим наконечником.
Weaknesses. Слабкi сторони даного до^дження пов'язанi с тими обставинами, що теоретичш рiшення по визначенню технологiчних особливостей проколу грунту робочим органом з клиновим наконечником не отримали експериментального шдтвердження деяких положень. Авторськi твердження базуються на порiвняннi уявлень з аналопчних дослiджень, якi були проведенi з ножовими робочими органами машин для глибокого прокладання шдземних комушкацш.
Opportunities. Додатковi можливост дослiдження полягають в шдвищенш якостi та зниженнi витрат при виконанш робiт для безтраншейного прокладання iнженерних комунiкацiй. Це випливае з того, що ущшьнення грунту навколо порожнини мае постшний характер не залежно вiд кiлькостi труб, що прокладаються. А це, в свою чергу, дае можливють ближче наблизитися до поверхш дор^, не руйнуючи !! основи. Це ж мае значення при прокладанш комушкацш поблизу з шшими пiдземними спорудами та з прилеглими комушкащям. Прокладання декшькох трубопроводiв крiзь традицiйну свердловину цилшдрично! форми тако! можливостi не мае. Крiм того, використання клинового наконечника дае значну економш енергозатрат, завдяки меншого опору грунту проколу при аналопчнш кiлькостi трубопроводiв, що прокладаються.
Threats. На даному еташ ще не закiнченi експериментальнi дослщження тиску грунту на сусiднi комушкацп в рiзних напрямках по вщношенню до робочого органу. Зовсiм не проведено доошджень з використання даного робочого органу в грунтах, що мало стискаються. Не приводились навпъ теоретичш дослщження по змiнi положення робочого органу в процеш протягування.
Таким чином, SWOT-аналiз результатiв дослщження визначив прюритети
подальших до^джень:
- вивчити вплив твердих включень на траекторiю руху робочого органу;
- вивчити вплив вологост грунту на його тиск на прилепи комушкаци;
- розглянути можливють використання даного робочого органу для ремонту трубопроводiв.
8. Висновки
1. Встановлено, що одночасне прокладання декшькох трубопроводiв бiльш ефективно прокладати установками статично! дп з робочим органом, у якого наконечник мае клинову форму. Розрахунками встановлено, що ошр грунту при однорядному прокладанш трубопроводiв робочим органом з клиновим наконечником, в порiвняннi з традицiйним прокладанням декiлька трубопроводiв одним пучком ^зь свердловину з круглим отвором, менше на:
- 50 % при прокладанш 2 футлярiв;
- 31 % при прокладанш 3 футлярiв;
- 20 % при прокладанш 4 футлярiв;
- 19 % при прокладанш 5 футлярiв;
- 44 % при прокладанш 10 футлярiв.
2. Визначено закон змши щщьност грунту по товщиш наконечника, встановили тиск грунту на шдземш комунiкацi!, якi потрапляють у зону дп пружно-пластичних деформацiй. За отриманими графiками визначили мiнiмальну глибину прокладання комушкацш. Слiд вiдмiтити майже лшшну залежнiсть змiни тиску вiд максимального до природного по товщиш робочого органу.
3. Розглянута форма поперечного перерiзу отвору та створена аналггична залежшсть змши тиску грунту на робочий орган вщ форми та кшькост лшшно протяжних об'ектiв, що прокладаються одночасно. Отриманi залежностi дають змогу стверджувати, що при такш формi отвору в залежностi вщ кiлькостi комунiкацiй, що прокладаються одночасно можна зменшити зусилля протягування. А також зменшити зону структурних змш у грунт навколо отримано! порожнини та тиск на сусiднi комушкацп у порiвняннi з традицiйним конусним наконечником. Таким чином можемо резюмувати, що така форма робочого органу мае право на життя та з часом займе свое мюце в лшшш робочих оргашв для безтраншейного прокладання футлярiв.
Л1тература
1. Кравець С. В., Кованько В. В., Лукянчук О. П. Науковi основи створення землерийно-ярусних машин i шдземнорухомих пристро!в: монография. Рiвне: НУВГП, 2015. 322 с.
2. Кравець С., Посмптоха О., Супонев В. Анаитичний спосiб визначення опору занурення конусного наконечника в грунт // СММ ПДАБА. 2017. Вып. 103. С. 91-98.
3. Кравець С., Посмггюха О., Супонев В. Визначення е^валентного i оптимального дiаметрiв кошчного наконечника з виступами для проколювання грунту // НПТ ДНУЗТ. 2017. Вип. 70. С. 89-98.
4. Allouche E. N., Ariaratnam S. T. State-Of-The-Art-Review Of No-Dig Technologies for New Installations. Pipelines, 2002. doi: http://doi.org/10.1061/40641(2002)55
5. Pridmore A., Geisbush J. Developing a Successful Specification for Horizontal Directional Drilling // Pipelines 2017. Pipelines Planning and Design Book set. 2017. Р. 553-563. doi: http://doi.org/10.1061/9780784480878
6. Hastak M., Gokhale S. Decision Tool for Selecting the Most Appropriate Technology for Underground Conduit Construction // Geological Engineering: Proceedings of the 1st International Conference. New York, 2009. doi: http://doi.org/10.1115/1.802922.paper30
7. Bian Z. J. L. Trenchless technology underground pipes. Machinery Industry Press, 2014. 187 p.
8. Xin J. Application of Trenchless Pipeline Rehabilitation Technology // International Conference on Pipelines and Trenchless Technology. 2014. doi: http://doi.org/10.1061/9780784413821.051
9. Sterling R. L. International Technology Transfer in Tunneling and Trenchless Technology // Geological Engineering: Proceedings of the 1st International Conference. Baosong Ma, ASME, 2009. doi: http://doi.org/10.1115/1.802922.paper6
10. A Comparative Study of Soil Pressure and Deformation of Pipes Installed by the Open-Cut Method and Trenchless Technology / Tsung N. et. al. // Pipelines 2016: Out of Sight, Out of Mind, Not Out of Risk. 2016. doi: http://doi.org/10.1061/9780784479957.132
11. Najafi M., Gunnink B., Davis G. Details of Field Testing of Major Trenchless Technology Methods for Road Crossings // Geological Engineering: Proceedings of the 1st International Conference. Baosong Ma, ASME, 2009. doi: http://doi.org/10.1115/1.802922.paper4
12. Chehab A. G., Moor I. D. One-demensional calculation for axial pullback for axial pullback distributions in pipes during directional drilling installations. Ottava Geo, 2007. P. 1140-1154.
13. Guojun W., Xiaoming W., Han C. Trenchless Pipe-Paving in Complex Hard Stratum by Directional Drilling Technology // Geological Engineering: Proceedings of the 1st International Baosong Ma, ASME. New York, 2009. doi: http://doi.org/10.1115/1.802922.paper26
14. Балесный С. Особенности процессов статического прокола грунта // Вюник ВХНАДУ. 2017. Вып. 76. C. 138-141.
15. Хачатурян С., Олексин В. Исследование процесса изменения состояния грунта вокруг горизонтальной скважины после её формирования методом статического прокола грунта // Вюник ВХНАДУ. 2016. Вып. 73. С. 196-202.
16. Высокопроизводительные гидропневматические ударные машины для прокладки инженерных коммуникаций / состав. Ешуткин Д. Н. М.: Стройиздат, 1990. 171 с.
17. Томин Е. Д. Бестраншейное строительство закрытого дренажа. М.: Колос, 1981. 240 с.
