CC BY
18
- © А.И. Конурин, Е.В. Денисова, 2014
УДК 534.61
А.И. Конурин, Е.В. Денисова
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СВОЙСТВ ГРУНТОВОГО МАССИВА НА ПАРАМЕТРЫ РАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ В НЕМ ИМПУЛЬСНОГО СИГНАЛА*
Выполнены натурные эксперименты по исследованию влияния неоднородностей грунтового массива на параметры распространения в нем ударного импульса, вызванного движением в грунтовом массиве пневмоударной машины. Проведено математическое моделирование воздействия пневмоударной машины на грунтовой массив.
Ключевые слова: пневмоударная машина, грунтовый массив, спектральный анализ, акустические волны.
Введение
В настоящее время в российской и зарубежной строительной практике ведения работ бестраншейными методами для контроля местоположения пневмоударной машины при сооружении пилотной скважины используют электромагнитные системы. Суть работы данных систем заключается в размещении низкочастотного излучающего электромагнитного зонда в рабочем органе машины. С помощью приемника с поверхности земли получают информацию о местоположении машины для возможности своевременного принятия решения о корректировании траектории ее движения. Подробно данные системы представлены в литературе [1]. Несмотря на хорошую точность при определении трехмерных координат машины данные системы не обладают высокой надежностью из-за необходимости размещения электромагнитного зонда в рабочем органе, где действуют максимальные ударные нагрузки. Повысить надежность такой системы можно, если использовать в качестве полезного сигнал, создавае-
мый самой ударной машиной при ее движении в грунтовом массиве.
Исследования зависимости параметров такого акустического сигнала от местоположения машины в массиве представлены в [2]. Эти исследования подтвердили предположения о возможности использования акустического сигнала для определения местоположения ударной машины в грунтовом массиве, в том числе и содержащем искусственные неоднородности. По результатам исследований были получены зависимости амплитуды принятого на поверхности земли акустического сигнала от отклонения машины вправо или влево от заданной траектории движения. Установлено, что амплитуда акустического сигнала, создаваемого движением ударной машины в грунтовом массиве, уменьшается примерно на 1620% при отклонении машины от заданного курса на 10 см и на 34% при отклонении на 20 см. С целью повышения точности при определении местоположения машины в грунте был разработан двухканальный акустический обнаружитель.
* Научно-исследовательская работа проведена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
Рис. 1. Оборудование для исследования работоспособности двухканального акустического обнаружителя местоположения пневмоударной машины в грунте (а):
1 - двухканальный акустический обнаружитель; 2, 3 - акселерометры К029; 4 - ноутбук Леег150; 5 - иББ-осциллограф АСК-3601; 6 - пневмопробойник с энергией удара 22 Дж; фотография размещения устройства на поверхности земли (б)
Двухканальный акустический обнаружитель местоположения пневмоударной машины в грунтовом массиве
Подробно принцип работы устройства представлен в [3]. Обнаружитель состоит из двух приемных каналов, а в качестве акустоэлектрических преобразователей применяют акселеромет-
Рис. 2. Схема проведения экспериментального иссле■ дования работоспособности двухканального акус тического обнаружителя в натурных условиях
ры КЭ29, обладающие широким частотным диапазоном и узконаправленной диаграммой для приема сигнала. С помощью акселерометров, акустический сигнал преобразуется в электрический и подается в каналы обработки, где усиливается до рабочей амплитуды, и подается на умножитель, выполненный на основе балансного смесителя.
После этого максимальный уровень сигнала фиксируется при помощи пикового детектора и отображается на стрелочном индикаторе. Оператор пневмоударной машины визуально контролирует показания индикатора. При движении машины по заданной траектории амплитуда напряжения на выходе умножителя будет максимальной. Уменьшение амплитуды сигнала характеризует отклонение машины от траектории.
Был изготовлен экспериментальный образец двух-канального акустического обнаружителя. Исследования его работоспособности проводились на полигоне
ИГД СО РАН «Зеленая горка». Оборудование, используемое при эксперименте представлено на рис. 1. Пневмо-пробойник длинной 55 см, диаметром 5 см и энергией удара 22 Дж запускался в однородный грунтовый массив (суглинок, плотность - 2,7 г/см3, влажность 10%) на глубине 50 см. Акустические колебания, создаваемые движением пневмопробойника в грунте фиксировались на поверхности землидвухканальным акустическим обнаружителем, с выхода устройства сигнал поступал на USB осциллограф АСК-3601 и далее на ноутбук, схема постановки эксперимента представлена на рис. 2. Измерения выполнялись при расстояниях между акселерометрами (базой) 40 и 80 см.
По полученным экспериментальным данным построена зависимость распределения амплитуд акустических сигналов по отношению к их максимальному значению (A/Amax), создаваемых при движении ударной машины в грунте, от ее отклонения от заданного курса (рис. 3).
По результатам экспериментальных исследований отмечено уменьшение амплитуды сигнала на выходе обнаружителя примерно на 32% при отклонении машины от заданного курса на 10 см, это подтверждает, что прием полезного сигнала по двум каналам с последующим их умножением позволяет повысить точность определения местоположения машины минимум в два раза по сравнению с использованием одного приемного канала [4]. Так же, согласно зависимостям на рис. 3 можно отметить, что точность устройства практически не зависит от расстояния между акусто-электрическими преобразователями.
Предложенный двухканальный обнаружитель позволяет определять местоположение машины в массиве только в одной горизонтальной плоскости, для измерения трех координат необходимо
А/Агаа*
отклонение, см
Рис. 3. Зависимость относительных значений амплитуды сигнала на выходе двухка-нального акустического обнаружителя, при разных расстояниях между акселерометрами: 1 - база 40 см, 2 - база 80 см
реализовать многоканальную систему, принцип работы которой основан на вычислении координат по времени задержки распространения акустического сигнала в грунтовом массиве.
Геомеханическая оценка процессов, происходящих в грунтовом массиве
Для геомеханической оценки процессов, происходящих в грунтовом массиве при движении в нем пневмоу-дарной машины проведено численное моделирование напряженно-деформированного состояния массива методом конечных элементов (МКЭ) [5, 6].
Рассматривалась упругая задача определения НДС линейно-деформируемой области грунтового массива при единичном воздействии пневмо-ударной машины в условиях трехмерной постановки.
Грунтовой массив и искусственная неоднородность моделировались упругими, изотропными, линейно-деформируемыми, однородными материалами. На контактных поверхностях ударной машины с грунтовым массивом Ь, 1 и искусственной неоднородности грунтовым массивом ] зада-
Модуль Юнга E Коэфф. Пуассона ц Плотность у
Сталь (пневмоударная машина, искусственная неоднородность) 210 ГПа 0,3 7800 кг/м3
Суглинок (грунтовой массив) 20 МПа 0,35 2000 кг/м3
вался режим без разделения с возможностью скольжения с коэффициентом трения 0,2 (сталь-суглинок). На процесс разрушения грунта существенное влияние оказывают конструктивные параметры рабочего инструмента: форма ударной части, угол заострения инструмента, в связи с чем контактная поверхность рабочего органа Ь моделировалась конусом с углом раствора 52 градуса. В зонах ожидаемых наибольших градиентов деформаций применялось более мелкое разбиение, а на участках с ожидаемым плавным изменением деформаций - более крупное. Для учета веса грунтового массивав модели задавалась объемная сила уд, где у - плотность пород, д -ускорение свободного падения.
Граничные условия на плоскостях (рис. 4):
ЛБСО - и (х, 0, г) = 0,
тху (х, 0, г)у= 0, туг (х, 0, г) = 0;
ЛКШ - и (х, у, 0) = 0,
Ту (х, у, 0)г = 0, т (х, у, 0) = 0;
БСММ - и (х, у, ЛБ) = 0,
Тгх (х, у, аБ) = 0, тгу (х, у, ЛБ) = 0;
ШМС - и (АО, у, г) = 0,
тхг АО, у, г) = 0, тху АО, у, г) = 0;
ЛКМБ - и (0, у, г) = 0,
тху (0, у, г) = 0, тхг (0, у, г) = 0;
/ - их (х, у, г) = 0, иу (х, у, г) = 0, иг (х, у, г) = 0.
Значение перемещения за один удар плоскости иг (х, у, = 1 мм (определено экспериментально на полигоне ИГД СО РАН для пробойника с энергией удара 22 Дж, длиной рабочего органа 55 см, диаметром 5 см). Решение задачи определялось в перемещениях.
Перемещения в узлах определяются из условий равновесия системы конечных элементов под действием приведенных к узлам внешних сил.
Анализ решения задачи показал, что наличие параллельно оси движения пневмоударной машины неоднородности, резко отличающейся по физико-механическим свойствам
Рис. 4. Геометрическая модель проходки горизонтальной скважины в грунтовом массиве: аЬ - пневмоударная машина, у/ш - стальная труба (слева); модель в конечных элементах (справа)
Рис. 5. Полные деформации узловых точек в грунтовом массиве при единичном воздействии на массив на расстоянии 1 см от фронтовой части пневмоударной машины, поперечный разрез
Рис. 6. Полные деформации узловых точек в грунтовом массиве при единичном воздействии на массив в плоскости пневмоударной машины, продольный разрез
оказывает существенное влияние на характер распределения деформаций грунтового массива. Эти результаты совпадают с полученными в [7] экспериментальными данными о возрастании амплитуды ударного импульса при наличии неоднородности.
Для повышения информативности мониторинга напряженно-деформированного состояния грунтового массива необходимо решение динамической задачи взаимодействия рабочего органа ударной машины с грунтовым массивом, что позволит получить более полную информацию о процессах, происходящих в массиве. Определяя линейные ускорения узлов, как вторую производную от линейных перемещений
а( х, у, г) =
ддт (х, у, г)
дё
возможно получить картину распространения акустической волны в среде, и построить осциллограмму колебания в произвольной точке массива по формуле
. ддт(х, у, г)
и (х, у, г) = К-
д(2
где К - коэффициент преобразования акселерометра, В/м/с2.
Решение динамической задачи по-родоразрушения позволит создать эф-фективнуюсистемумониторинганапря-женно-деформированного состояния грунтового массива при формировании в нем скважин ударными машинами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рыбаков А.П. Основы бестраншейных технологий (теория и практика). - М.: Пресс Бюро № 1, 2005. - 304 с.
2. Денисова Е.В., Неверов А.А., Гаври-лов С.Ю., Конурин А. И. Геомеханическое обоснование результатов экспериментальных исследованийпараметров акустического поля, индуцированного движущейся в грунтепневмоударной машиной // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2011. - № 5. - С. 36-39.
3. Патент на полезную модель №116573. Акустический обнаружитель горизонтального местоположения источника звука в грунте / Опарин В.Н., Денисова Е.В., Гаврилов С.Ю., Конурин А.И. // Опубл. Бюл. - 2012. - № 15.
4. Денисова Е.В., Конурин А.И., Полот-нянко Н.С. Геомеханический контроль местоположения источника ударных импульсов
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
в массиве горных пород. 2-ая Российско-Китайская научная конференция «Нелинейные геомеханико-геодинамические процессы при отработке месторождений полезных ископаемых на больших глубинах». Сборник трудов. - Новосибирск: ИГД СО РАН, 2012. -С. 327-332.
5. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. - М.: Мир, 1976. - 543 с.
6. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. - М.: Мир, 1979. - 393 с.
7. Денисова Е.В. , Неверов А.А. , Гаври-лов С.Ю., Конурин А.И. Геомеханическое обоснование результатов экспериментальных исследованийпараметров акустического поля, индуцированного движущейся в грунтепневмоударной машиной // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2011. - № 5. - С. 36-39. ЕИЗ
Денисова Екатерина Вячеславовна - кандидат технических наук, Конурин Антон Игоревич - аспирант,
Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН), e-mail: [email protected].
UDC 534.61
THE INVESTIGATION OF THE EFFECT OF SOIL MASSIF PROPERTIES ON SPREADING PARAMETERS OF PULSED SIGNAL
Denisova E.V., Candidate of Engineering Sciences, Konurin A.I., Graduate Student,
Institute of Mining named after N.A. Chinakal of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, e-mail: [email protected].
Model experiments of researching the effect of soil massif heterogeneities to the parameters of the shock impulse spreading by the air-powered machine movement have been performed. Mathematical modeling of influence of the air-powered machine on the ground has been provided.
Key words: pneumatic machine, soil massif, spectral analysis, acoustic wave.
REFERENCES
1. Rybakov A.P. Osnovy bestranshejnyh tehnologij (teorija i praktika) (Basics of trenchless technologies (theory and practice)), Moscow, PressBjuro № 1, 2005, 304 p.
2. Denisova E.V., Neverov A.A., Gavrilov S.Ju., Konurin A.I. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 2011, no 5, pp. 36-39.
3. Oparin V.N., Denisova E.V., Gavrilov S.Ju., Konurin A.I. Patent RU1165 73, 2012.
4. Denisova E.V., Konurin A.I., Polotnjanko N.S. 2-aja Rossijsko-Kitajskaja nauchnaja konferencija «Ne-linejnye geomehaniko-geodinamicheskie processy pri otrabotke mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh na bol'shih glubinah». Sbornik trudov (Proceedings of the 2nd Sino-Russian Joint Scientific-Technical Forum on Deep-Level Rock Mechanics and Engineering), Novosibirsk, IGD SO RAN, 2012, pp. 327-332.
5. Zenkevich O. Metod konechnyh jelementov v tehnike (Finite element method in engineering), Moscow, Mir, 1976, 543 p.
6. Segerlind L. Primenenie metoda konechnyh jelementov (Application of finite element method), Moscow, Mir, 1979, 393 p.
7. Denisova E.V., Neverov A.A., Gavrilov S.Ju., Konurin A.I. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta (Kuzbass State Technical University Bulletin), 2011, no 5, pp. 36-39.
