CC BY
15
По рисунку приложения 4[3] допустимое расстояние между температурными швами значительно превышает длину температурного отсека. Средний перепад температуры по толщине трёхслойной панели, который вызывает искривление и изгиб конструкции из плоскости при
Д/
с р.суш
= 33,5°С, меньше допустимого значе-
ния вср'{,) = 21,8° с < 2б,7°С, что обеспечивает
допустимые деформации вертикальных стыков панелей.
Полученные результаты показывают, что для расчётов стеновых панелей с дискретными связями можно использовать методику расчёта длины температурного отсека многослойных панелей по приложению 4 [3] по значению
Ыср.сут и с определённым запасом по ДС?с/?, как для панели с жёстким соединением слоёв.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ямлеев, У. А. Трёхслойные стеновые панели жилых зданий / У. А. Ямлеев, Р. А. Кудря-
шова, С. Г. Скрыпник // Известия вузов. Строительство. - 1998. - № 4-5.
2. Пособие по проектированию жилых зданий. Выпуск 3. Конструкции жилых зданий (к СНиП 2.08.01-85). -М. : Строй из дат, 1989.
3. Рекомендации по расчёту конструкций крупнопанельных зданий на температурно-влажностные воздействия. - М. : Стройиздат, 1983.
4. СНиП 2.03.01-84* Бетонные и железобетонные конструкции. - М., 1985.
5. СНиП И-3-79* Строительная теплотехника. -М., 1980.
Ямлеев Усман Айнатулович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Строительные конструкции» УлГТУ . Имеет монографии, статьи и изобретения в области строительных материалов и конструкций. Насыров Рафаэль Робертович, аспирант кафедры «Строительные конструкции». Имеет статьи в области строительных конструкций.
УДК 624.139
С. В. МАКСИМОВ, В. С. ИВКИН, М. С. ИВАНОВА
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСЛОЙНОГО РЫХЛЕНИЯ МЕРЗЛОГО ГРУНТА НОВОЙ КОНСТРУКЦИЕЙ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО РЫХЛИТЕЛЯ
Установлено, что процесс рыхления мёрзлого грунта газодинамическим рыхлителем условно можно разделить на две фазы. Первая фаза механического воздействия на грунт связана с завинчиванием рабочего органа на расчётную глубину рыхления с одновременным заполнением рабочей камеры сжатым воздухом высокого давления. Вторая фаза газодинамического воздействия на грунт связана с подводом в зону рыхления импульса сжатого воздуха высокого давления. Разрушение грунтов энергией сжатого газа, которая непосредственно передаётся на рабочий орган, минуя двигатель, связано с изменением конструкции машины. При таком способе рыхления грунта появляется возможность передать рабочему органу значительную энергию, идущую на разрушение грунта, без существенного увеличения массы или мощности базовой машины.
Ключевые слова: рыхлитель, мёрзлый грунт, механическое воздействие, газодинамическое воздействие, фазы разрушения.
Послойное разрушение мёрзлого фунта применяется тогда, когда глубина рыхления за цикл меньше, чем глубина промерзания. В этом случае производится объёмное разрушение грунта газовым импульсом (рис. 1).
© С. В. Максимов, В. С. Ивкин, М. С. Иванова, 2006
Газодинамические рыхлители [1, 2, 3, 4, 5, 6] являются наиболее простыми по конструкции, обеспечивающими комбинирование механического и газодинамического методов воздействия на мёрзлый фунт. Процесс разрушения мёрзлого грунта газодинамическим рыхлителем условно можно разделить на две фазы.
Рис. 1. Газодинамический рыхлитель с гидравлическим приводом рабочего оборудования
и передвижной компрессорной станцией высокого давления: - экскаватор; 2 - рабочий орган; 3 - передвижная компрессорная станция высокого давления;
4 - гидравлический двигатель
Первая фаза механического воздействия на грунт связана с внедрением (завинчиванием) рабочего органа на расчётную глубину рыхления с одновременным заполнением рабочей камеры сжатым воздухом высокого давления.
Процесс завинчивания рабочего органа на расчётную глубину рыхления основан на использовании свойств уплотняемости мёрзлых грунтов. Уплотнение грунта происходит за счёт разрушения цементирующих связей (льда-цемента) между минеральными частицами, за счёт перекомпоновки минеральных частиц и ликвидации пустот между минеральными частицами при их более компактном размещении и за счёт перемещения минеральных частиц в массив ненарушенного грунта в осевом и радиальном направлениях. При этом образуется уплотнённое ядро мёрзлого грунта. Ядро уплотнения в процессе завинчивания рабочего органа на расчётную глубину рыхления оказывает всё большее давление на окружающий грунт и действует как клин, передавая усилие на грунт, вызывая в нём разрушающие напряжения.
На поверхности контакта рабочего органа с грунтом появляются и развиваются микро- и макротрещины, которые будут являться очагами разрушения во второй фазе процесса.
Штанговый рабочий орган обжимается уплотненным грунтом, и выхлопные отверстия герметизируются. Для снижения энергоёмкости и увеличения производительности процесса рыхления
мёрзлого грунта в зону разрушения на завершающем этапе первой фазы подводится импульс сжатого воздуха высокого давления (рис. 1,2).
С этого момента развивается вторая фаза разрушения.
Вторую фазу разрушения можно условно расчленить на три периода (рис. 2).
Период первый - развитие и расширение полости грунта в зоне выхлопных отверстий рабочего органа (рис. 2, а).
Период второй - развитие трещин и вспучивание грунта (рис. 2, б).
Период третий - разрушение грунта на отдельные куски и их отбрасывание за пределы воронки разрушения (рис. 2, в).
Рассмотрим более подробно все периоды второй фазы процесса разрушения грунта.
В первый период второй фазы разрушения сжатый воздух из рабочей камеры поступает в зону контакта выхлопных отверстий с грунтом (рис. 2, а), в котором всегда имеются микро- и макротрещины, пустоты и различные неоднородности, выступающие как концентраторы напряжений - «зародыши» газодинамического разрушения грунта.
Под действием нагрузки от импульса сжатого воздуха у вершин трещин возникают напряжения, критические для мёрзлого грунта. Сжатый воздух высокого давления начинает внедряться в трещины и действует как клин, поверхности трещин расходятся друг от друга.
I О&РИОС) I период
Ж период
Рис. 2. Изменение зон разрушения в зависимости от времени воздействия
сжатого газа на грунт и от глубины рыхления
Вблизи выхлопных отверстий начинает формироваться полость разрушения, увеличивается площадь контакта сжатого воздуха с грунтом (рис. 2,а). Это повышает эффективность рыхления мёрзлых грунтов газовым импульсом, так как увеличивается поверхность грунта, непосредственно воспринимающая воздействие газового импульса, что исключает возможность прострела грунта струей сжатого воздуха.
Воздействие от газового импульса передаётся во все стороны одинаково. Значит, трещины могут распространяться не только в сторону открытой поверхности, но и в глубь массива.
При распространении в глубь массива трещины полностью раскрываться не могут. В более благоприятных условиях раскрываются трещины, развивающиеся в сторону свободной, открытой поверхности.
При достижении полости определённых размеров в грунте возникает такой вид напряжённого состояния, при котором появляются магистральные трещины по плоскости сдвига разрушаемого объёма.
Площадь контакта сжатого воздуха с разрушаемым грунтом продолжает увеличиваться. Это
повышает эффективность разрушения, потому что увеличивается поверхность грунта, которая непосредственно воспринимает воздействие сильно сжатого потока газов.
Газоимпульсивное разрушение характеризуется ещё и тем, что в течение всего времени разрушения сохраняется воздействие газа на грунт (в виде расширяющегося давления газа), что отличает этот процесс разрушения от традиционных способов рыхления [1,2,3,4,5,6].
Второй период характеризуется квазистатическим давлением сжатого воздуха на разрушаемый грунт.
В этот период расширяющийся воздух, внедряясь в трещины (имеющиеся в грунте, в силу неоднородности его структуры, полученные в процессе завинчивания рыхлителя и в первый период разрушения) и действуя как клин, усиливает процесс разрушения. Грунт сдвигается, отрывается в сторону свободной поверхности.
В то же время зона уплотнённого грунта по высоте, полученная в процессе завинчивания, играет роль своеобразной земляной «пробки», которая препятствует выходу сжатого воздуха на поверхность по кратчайшему пути (рис. 2, б).
Третий период - период окончательного разрушения дробимого объёма. В этот период сжатый воздух, приводя в движение куски разрушенного грунта, способствует окончательному раскрытию трещин и смещению грунта в сторону свободной поверхности (рис. 2, в).
Характерная равная поверхность разрушения, с физической точки зрения, указывает на то, что разрушение газодинамическим импульсом происходит преимущественно за счёт деформации разрыва - наименее энергоёмкой деформации разрушения.
При проведении опытов было установлено, что при постоянной мощности газового импульса рыхление грунта начинается с глубины Н = (1,0 ^ 2,0)- В (рис.2, г). Здесь Б - диаметр винтовой лопасти рыхлителя.
При глубине Нр объём разрушения максимальный. При дальнейшем росте глубины рыхления изменяется угол сдвига грунта \)/ф и уменьшается угол раствора воронки, что приводит к снижению объёма разрушения и в конечном итоге к камуфлетной форме работы газового импульса (рис. 2, г).
Определить аналитическим путём глубину рыхления Нр с максимальным объёмом разрушения (при заданной величине газового импульса) затруднительно, так как:
а) не известна степень уменьшения давления сжатого газа по мере удаления от центра приложения газового импульса;
б) сложность физических процессов в вершинах быстро растущих трещин и математические трудности их описания препятствуют аналитическому анализу картины разрушения.
Поэтому целесообразно использовать экспериментальные данные для конкретных грунтовых, температурных и других условий работы оборудования.
При рыхлении желательно, чтобы направление потока движущегося газа совпадало с плоскостью сдвига разрушаемого объёма грунта. Это условие можно выполнить, если выхлопные отверстия просверлить под углом к оси рабочего органа, равному углу сдвига разрушаемого грунта.
Но такое конструктивное решение имеет и серьёзные недостатки:
а) часть энергии сжатого воздуха затрачивается на сообщение оборудованию реактивных усилий, для компенсации которых потребуется проектирование и изготовление компенсационных устройств силы отдачи;
б) в результате резкого искривления потока движущегося газа затрачивается работа на преодоление местных сопротивлений, которые бу-
дут больше, чем при расположении выхлопных отверстий перпендикулярно оси рабочего органа.
При выполнении же разрядной втулки с выхлопными отверстиями, расположенными перпендикулярно к оси рабочего органа, исключаются реактивные усилия (сила отдачи). Поэтому расположение выхлопных отверстий перпендикулярно к оси рабочего органа следует считать предпочтительным.
Для новой машины глубина рыхления должна подбираться в зависимости от прочностных характеристик грунта и мощности газового импульса. В свою очередь, мощность газового импульса есть работа Агаз, которая совершается сжатым газом при адиабатическом истечении из рабочей камеры в единицу времени.
Npa3 ~ А га-J ^ист 0 )
Работа, совершаемая сжатым воздухом при адиабатическом истечении, подсчитываегся по общеизвестной из газовой динамики формуле [7]:
Агаз =[ Р- V/(K-1)]- [1 - фЩ&Щ, (2)
где Р - давление сжатого воздуха в рабочей камере;
Pj - конечное давление расширяющегося воздуха;
V - объём рабочей камеры;
К = 1,41 - показатель адиабаты.
С увеличением ёмкости рабочей камеры и давления в ней (при неизменных параметрах рабочего органа) будет увеличиваться работа газового импульса Агаз, а следовательно, глубина рыхления и производительность машины.
Как следует из формулы (1), с уменьшением времени истечения газа (при Ara3 - const) будет возрастать мощность газового импульса, а, следовательно, глубина рыхления Нр. Сократить время опорожнения рабочей камеры tucm можно за счёт увеличения суммарной площади выхлопных отверстий и площади проходного сечения рабочего органа.
ВЫВОДЫ
Разработка мёрзлых грунтов отличается широким разнообразием методов производства, постоянно возрастающими объёмами, высокой энергоёмкостью и стоимостью. Проблема разработки мёрзлых грунтов имеет большую актуальность. Основной задачей при проектировании строительных машин является совершенствование существующего и создание нового рабочего оборудования, отличающегося высокой производительностью. Наряду с повышением мощности базовых машин перспективным направлением повышения эффективности землеройной тех-
ники является интенсификация их рабочих процессов. Возможность интенсифицировать процесс разработки мёрзлых грунтов рыхлителем путём подачи в зону разрушения газодинамического импульса обеспечивает интенсивное разрушение грунта. Перспективность такого предложения доказана результатами выполненных исследований [1,2,3,4,5,6].
Разрушение грунтов энергией сжатого газа, которая непосредственно передаётся на рабочий орган, минуя движитель, связано с изменением конструкции машины. При таком способе разработки грунтов появляется возможность передать рабочему органу значительную энергию, идущую на разрушение, без существенного увеличения массы или мощности базовой машины.
Наиболее удачным является комбинирование механического и газодинамического воздействия при разработке мёрзлых грунтов. Трудности реализации при этом заключаются в разработке надёжных клапанно-распределительных систем и, что особенно важно, компактных генераторов сжатого воздуха с давлением до 20+25 МПа.
Уплотняющий элемент клапанного механизма надо изготавливать из фторопласта-40 и фто-ропласта-ЗМ, так как эти материалы практически не обладают хладотекучестью. Трубопроводы для передачи сжатого воздуха от компрессора до рабочего оборудования следует выбирать в соответствии с действующими рекомендациями из холоднокатанных труб.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пат. №2209891 (1Ш), МПК7 Е02Е5 /32 Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин //Б. И. -2003.-№22.
2. Пат. №2231601 (1Ш), МПК7 Е02Г5 /30 Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин, В. С. Щелы кал и и // Б. И.-2004. -№ 18.
3. Пат. №2236514 (1Ш), МПК7 Е02Г5 /32 Газодинамический рыхлитель/ В. С. Ивкин, Е. К. Кузьмин // Б. И. - 2004. - №26.
4. Пат. №2244784 (ЯЦ), МПК7 Е02Б5 /32 Газодинамический рыхлитель/ В. С. Ивкин, Е. К. Кузьмин // Б. И. - 2005. - №2.
5. Пат. №2252989 (1Ш), МПК7 Е02Р5 /32 Устройство для разрушения прочных и мёрзлых грунтов / В. С. Ивкин, В. В. Морозов // Б. И. -2005.-№15.
6. Пат. №2256751 (1Ш), МПК7 Е02Р5 /32 Устройство для разрушения прочных и мёрзлых грунтов // В. С. Ивкин, В. В. Морозовь // Б. И. -2005.-№20.
7. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика / Г. Н. Абрамович. - 3-е изд. - М. : Наука, 1969.-824 с.
Макашов Сергей Валентинович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Строительное производство и материалы» УлГТУ. Имеет монографии, учебник, учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области строительных материалов. Ивкин Валерий Семёнович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ. Иванова Мария Сергеевна, студентка 4 курса УлГТУ.
