Моделирование активных рабочих органов для разрушения грунта Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 681.5: 625.75

МОДЕЛИРОВАНИЕ АКТИВНЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ГРУНТА В.С. Щербаков, В.Н. Галдин

В статье приведены основные сведения о моделировании активных рабочих органов дорожно-строительных машин, предназначенных для разрушения грунта. Приведены зависимости для определения требуемой энергии единичного удара, глубины внедрения инструмента в грунт, времени удара и других характеристик

Ключевые слова: моделирование, активный рабочий орган, разрушение грунта

В строительных работах наиболее трудоемкими являются земляные работы. Ударное разрушение мерзлых и скальных грунтов с помощью гидромолотов обладает рядом преимуществ перед традиционными способами разрушения.

Для разрушения мерзлых, прочных, скальных грунтов, бетонных оснований и дорожных покрытий, в том числе в стесненных местах, в условиях городской застройки, а также при реконструкции различных производственных объектов рекомендуется применять навесные гидравлические и гидропневматические молоты к экскаваторам II.. .V размерных групп.

Ударное разрушение грунтов представляет собой сложный процесс, состоящий из нескольких стадий: упругой, пластической, тре-щинообразования и собственно разрушения.

Прочность грунтов характеризуется способностью сопротивляться внешним силовым воздействиям. Прочностные показатели грунтов могут быть определены с помощью временного сопротивления одноосному сжатию Г0 и разрыву гр, удельного сцепления С0 и с помощью числа С ударов плотномера ДорНИИ .

Косвенной характеристикой прочности грунта является число ударов плотномера Дор-НИИ С - работа, затрачиваемая для погружения в грунт на глубину 10см наконечника с площадью основания, равной 1 см2. Число ударов уточняет классификацию грунтов по трудности разработки.

Профессором И.А.Недорезовым установлена достаточно тесная линейная связь между показаниями плотномера ДорНИИ (числом С), который дает интегральную оценку прочности грунта, и временным сопротивлением грунта одноосному сжатию г0 (МПа) [3]:

г0 &С/30. (1)

Показано также, что грунты плохо сопротивляются разрыву и имеет место связь

Гр & 0,2 г0. (2)

Между числом ударов плотномера Дор-НИИ С и удельным сцеплением С0 имеется корреляционная связь, также полученная И.А.Недорезовым [3]:

С0 = 0,008 С. (3)

Условия разрушения мерзлых и прочных грунтов можно записать следующим образом:

г> Г0 > С0 > Гр, (4)

где Г - напряжение, возникающее на поверхности грунта; г0 - временное сопротивление одноосному сжатию; С0 - удельное сцепление; гр - временное сопротивление разрыву.

Уравнение (4) означает, что для эффективного разрушения грунтов необходимо применять такие способы, при которых преобладают напряжения разрыва.

Классификация немерзлых и мерзлых грунтов (по ГОСТ 30067-93), в зависимости от числа ударов динамического плотномера Дор-НИИ, приведена в таблице.

Категория грунта Число ударов С

I 1...4

II 5...8

III 9...16

IV 17...35

V 36...70

VI 71...140

VII 141...280

VIII 281...560

Примеча-

ние

Немерзлые

грунты

Мерзлые

грунты

Щербаков Виталий Сергеевич - СибАДИ, д-р техн. наук, профессор, тел. (3812) 65-17-90

Галдин Владимир Николаевич - СибАДИ, инженер, тел. (3812) 65-17-90

Упругие свойства мерзлых грунтов характеризуются модулем упругости и коэффициентом Пуассона. Модуль упругости грунта Е зависит от гранулометрического состава, влажности, температуры и других параметров [1]. Коэффициент Пуассона ц обычно находится в пределах 0,13...0,48 и является функцией тех же параметров, что и величина модуля упругости Е.

В условиях ударного воздействия на грунт (с большой скоростью) процесс разрушения грунта рассматривается на основании принципов теории распространения волн деформаций в грунтах [1, 4].

Основной задачей математического описания ударного разрушения грунта является получение информации относительно распределения напряжений и деформаций в грунте. Решение этой задачи возможно, если удается найти решение системы, состоящей из:

а) соотношений между напряжениями и деформациями в грунте;

б) уравнений равновесия для напряжений в грунте;

в) условий совместности деформаций (или приращений деформаций);

г) критериев прочности грунта;

д) учета волнового характера распространения скорости и деформаций в грунте;

е) заданных граничных и начальных условий.

Таким образом, решение проблемы ударного разрушения грунтов достаточно сложно. Однако энергетический подход к анализу процесса динамического разрушения грунта позволяет в некоторой степени упростить задачу, а также дает возможность оценить влияние основных параметров среды и рабочего органа на процесс разрушения грунта.

Движение рабочего органа (инструмента) со скоростью V1 характеризуется следующими параметрами: глубиной 5вн его внедрения в грунт за время одного удара; образованием впереди рабочего органа сжатой зоны грунта длиной L , фронт которой движется со скоростью U1 ; упругой и пластической деформацией £ грунта в этой зоне, ее частичным или полным разрушением, зависящим от условий нагружения и свойств грунта.

При определении энергии, необходимой для разрушения грунта, принимаем следующие допущения:

- вся кинетическая энергия бойка гидромолота передается инструменту;

- энергия, отраженная от грунта в инструмент, не учитывается;

- тепловые потери в грунте не учитываются;

- потенциальная энергия упругого деформирования переходит в энергию трещинообра-зования скалываемого тела.

При таких допущениях энергия, затрачиваемая на разрушение грунта, определяется по формуле [1]:

Ь

Ap = VP \г( £^£

(5)

где AР - энергия разрушения грунта; VР - объем разрушенной зоны, VР = S■L, L=(U1-V1)tуд, здесь S - площадь контакта инструмента с разрушаемым грунтом; L - длина сжатой зоны; U1

- скорость распространения продольной волны; V1 - скорость удара инструмента о грунт; tуд -время удара.

Скорость распространения продольных упругих волн равна [4]:

(6)

Ul

E(1 -ц)

р(1 + ц)(1 - 2ц)

где Е - модуль нормальной упругости грунта; ц - коэффициент поперечной упругости грунта; р - плотность грунта.

Для определения основных параметров рабочего органа ударного действия (требуемой для разрушения грунта энергии удара AР глубины внедрения инструмента 5вн , времени соударения инструмента с грунтом - времени удара tуд , силы сопротивления грунта разрушению N0 ) применяются следующие формулы [2]:

5 .Би.к*

энергия удара А = —--------------1—^С2 ; (7)

Р 2У1каБ

глубина внедрения 5вн = ; (8)

lks

время удара 1уд

2A к Б

____т а

Бикс2

дг Ар Бигк3 2

сила N =—- =-----1—^С2 ,

5„,

2УкаЕ

(9)

(10)

где Б - площадь контакта инструмента с грунтом; и1 - скорость распространения продольной волны; Б - динамический модуль упругости грунта; к - безразмерный коэффициент, учитывающий угол заострения инструмента, к > 1,0; V1 - скорость удара инструмента (бойка) о грунт; кБ - коэффициент, кБ = к02кС2кц , здесь к0 - безразмерный коэффициент, к0 = 1,36...1,60; кС - коэффициент, предложенный проф. И.А.Недорезовым, кС = 106/30; кц - безразмерный коэффициент, кц = 1-2ц/(1-ц), здесь ц -коэффициент поперечной упругости грунта (Пуассона); С - число ударов плотномера Дор-НИИ.

По формуле (7) находится требуемая энергия единичного удара гидромолота Т, необходимая для внедрения инструмента на глубину Ь при заданной скорости удара VI , т.е.

hSU 1kS

T = Ap =------L-^C2 .

р 2VkaE

(11)

Определив энергию единичного удара Т по формуле (11), находят массу бойка т из выражения

2Т

m=

V2

(12)

Фрагменты результатов расчетов параметров активного рабочего органа показаны на рис. 1, 2.

Рис. 1. Рабочее окно определения параметров активного рабочего органа (мерзлый грунт, С=200)

Рис. 2. Рабочее окно определения параметров активного рабочего органа (мерзлый грунт, С=250)

Разработанное программное обеспечение позволяет рассчитать основные параметры (требуемую энергию единичного удара, массу бойка, глубину внедрения инструмента в грунт, время удара и другие характеристики) активного рабочего органа, предназначенного для разрушения различных грунтов.

Литература

1. Ветров Ю.А., Баладинский В. Л. Машины для специальных земляных работ. - Киев: Вища школа, 1981. -192 с

2. Галдин Н.С. Многоцелевые гидроударные рабочие органы дорожно-строительных машин: Монография. -Омск: Изд-во СибАДИ, 2005. - 223 с.

3. Недорезов И. А. Интенсификация рабочих органов землеройных машин.- М.: МАДИ, 1979.- 51 с..

4. Цытович Н.А. Механика грунтов. - М.: Высш. школа, 1979. - 272 с.

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

MODELLING OF ACTIVE WORKING BODIES FOR DESTRUCTION OF A GROUND V.S. Shcerbakov, V.N. Galdin

In clause the basic data on modelling active working bodies of the road-building machines intended for destruction of a ground are resulted. Dependences for definition of demanded energy of individual impact, depth of introduction of the tool in a ground, time of impact and other characteristics are resulted

Key words: modelling, active working body, destruction of a ground