CC BY
46
УДК 621.878
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАЗРУШЕНИЯ МЕЖЩЕЛЕВЫХ ЦЕЛИКОВ МЕРЗЛОГО ГРУНТА ПНЕВМАТИЧЕСКИМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ
В.А. Пенчук, профессор, д.т.н., Р.А. Кривошея, инженер, Донбасская национальная академия строительства и архитектуры
Аннотация. Рассмотрены вопросы повышения производительности и надежности баровых грунторезных машин. Приводится математическая модель процесса откола межщелевых целиков мерзлого грунта с использованием пневмобаллона.
Ключевые слова: грунт, целик, щель, откол, пневмобаллон.
Введение
Территория Украины расположена в умеренно-континентальной полосе, и в течение 2-2,5 месяцев может произойти промерзание верхнего слоя грунта до 1-1,3 м.
В этих условиях затруднительно применение землеройных машин общего назначения, поэтому используются специальные машины для ослабления прочности верхней замерзшей корки грунта [1].
Анализ публикаций
Пока еще наибольшее распространение для этих целей получили технологии с использованием баровых машин. По этим технологиям в мерзлом грунте нарезаются продольные и поперечные резы на расстоянии 0,50,8 м друг от друга. Затем землеройными машинами проводится разработка грунта. Главным недостатком баровых машин является быстрый износ зубьев рабочего органа, наибольшая длина нарезания щели до их замены составляет 1000 м [1].
Исследованиями по усовершенствованию способов разработки мерзлых грунтов и специального оборудования для их реализации занимаются многие организации [1].
Эффективным способом разработки мерзлых грунтов есть их разрушение на блоки с последующей экскавацией их из забоя [2].
В работе [3] была предложена технология разрушения мерзлых грунтов отрывом межщелевых целиков при помощи пневмобаллона.
Отрыв осуществляется под воздействием распределенной нагрузки от пневмобаллона, который закладывается в нарезанные щели.
Цель и постановка задачи
В данной работе была поставлена цель создания математической модели процесса откола межщелевого целика мерзлого грунта с использованием распределенной нагрузки от пневмобаллона, которая учитывала бы влияние на усилие откола таких параметров, как температура грунта, размеры пневмобаллона, размеры поперечного сечения целика грунта, глубину заложения пневмобаллона, а также тип разрабатываемого грунта.
Математическая модель процесса откола межщелевого целика мерзлого грунта
Процесс отрыва межщелевого целика грунта пневмобаллоном можно представить следующим образом.
При отрыве межщелевого целика мерзлого грунта, который жестко защемлен по двум граням, действует распределенная нагрузка от пневматического баллона «Р», направленная перпендикулярно боковой грани целика.
Рис. 1. Интерпретация процесса откола целика от массива
Основное сопротивление отколу будет оказывать вертикальная грань защемленного целика.
Силы, которые действуют на контакте мерзлого грунта с талым - незначительные, и ими можно пренебречь [4].
Рис. 2. Расчетная схема
Из расчетной схемы (рис. 2) видно, что блок мерзлого грунта под действием распределенной нагрузки испытывает поперечный изгиб относительно упорного клина и кручение вокруг оси <Х».
Используя теорию прочности Мора и уравнение линейной регрессии для учета температуры грунта, была составлена математическая модель процесса отрыва целика мерзлого грунта при воздействии на него статической распределенной нагрузкой, создаваемой пневмобаллоном.
Усилие отрыва межщелевого целика имеет вид (1).
Р =■
Bg(-kt + b)
(1)
1,310"
112,4/_21:
1Г4
2Т2 т | 2
я
р2 В4
где В - ширина целика мерзлого грунта, метрах; Н - высота целика мерзлого грунта, м; I - длина пятна касания распределенной нагрузки от пневмобаллона, м; Ь - расстояние от центра пневматического баллона до упорного клина, м; ^ - температура грунта при его отколе, °С; к, ^ - коэффициенты, полученные вследствие проведения корреляционного анализа для грунтов типов супеси, суглинка и глин; т - длина пятна касания распределенной нагрузки от пневмобаллона по глубине боковой грани целика грунта, м; к -расстояние от верхней или нижней грани целика грунта до центра пневмобаллона, м; в -коэффициент, который зависит от соотношения сторон поперечного сечения целика.
Проведенный численный анализ зависимости (1) грунта типа суглинка от температуры, плеча приложения нагрузки (расстояния между пневмобаллонном и упорным клином), ширины поперечного сечения целика и размеров пневмобаллона представлен на рис. 3-6.
Рис. 3. Зависимость усилия отрыва от температуры
На рис. 4-6 зависимости определялись с учетом различной температуры грунта. Кривая 1 соответствует температуре - 20 °С, 2 - минус 15°С, 3 - минус 10 °С и 4 - минус 5°С.
2
2
Рис. 4. Зависимость усилия отрыва от плеча приложения нагрузки
Рис. 5. Зависимость усилия отрыва от ширины целика
Рис. 6. Зависимость усилия отрыва от длины пневмобаллона
Анализируя полученные зависимости, можно сделать следующие выводы. Усилие откола в значительной степени зависит от температуры грунта.
Плечо приложения нагрузки (расстояние от центра пневматического баллона до упорного клина) должно быть не менее 1 м. Что касается ширины целика мерзлого грунта, то чем она меньше, тем меньше усилие, необходимое для откола.
Наиболее эффективные параметры длины пневмобаллона находятся в диапазоне от 0,8 до 1,2 м. Расстояние между щелями значительно влияет на усилие отрыва и его необходимо определять, исходя из дальнейшей технологии разработки ослабленного грунта.
Заключение
Сопоставление результатов теоретического исследования с данными стендовых испытаний позволяет утверждать, что предложенная математическая модель адекватна реальным процессам.
Литература
1. Запускалов В. А., Фролов А. В. Земляные
работы зимой в водохозяйственном и сельском строительстве. - Саратов: Приволж. кн. изд-во, 1993. - 200 с.
2. СНиП 11-18-76. Нормы проектирования.
Основания и фундаменты на вечномерз-лых грунтах. Нормы проектирования. -М.: Стройиздат, 1977. - 46 с.
3. Пенчук В. А., Водолажченко А. Г. Разру-
шение мерзлых грунтов и асфальтобетонных покрытий отрывом межщелевых целиков при помощи пневмобаллона // Вестник ДонНАСА / Сб. науч. тр. - Макеевка: Изд-во ДонНАСА. - 2004. -Вып. 2004-5(47).
4. Зеленин А. Н. Основы разрушения грунтов
механическими способами. - М.: Машиностроение, 1975. - 424 с.
Рецензент: В.В. Ничке, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 6 мая 2007 г.
