Некоторые теоретические основы разрушения грунта газоимпульсным рыхлителем Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 629.13

И. Ф. Дьяков, В. С. Ивкин, Д. В. Жукова НЕКОТОРЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРУШЕНИЯ ГРУНТА ГАЗОИМПУЛЬСНЫМ РЫХЛИТЕЛЕМ

Приведены результаты расчета разрушения мерзлого грунта. Вследствие льдоцементных связей и при сохранении отрицательной температуры грунт становится прочным природным образованием. Предлагается процесс разрушения мерзлого грунта производить газоимпульсным рыхлителем, который экономически оправдан.

Монолит; энергоемкость грунта; мерзлый грунт; сопротивление сдвигу; газодинамический рыхлитель; завинчивание

F. Dyakov, V. S. Ivkin, D. V. Zhukova SOME THEORETICAL FOUNDATIONS OF THE PROCESS OF DESTRUCTING OF SOIL BY A GAS-PULSING RIPPER

The results of estimates of the process of destructing offrozen soil are given. Due to ice-and-cement ties and at temperature below zero soil becomes a solid natural formation. The process of destructing offrozen soil by a gas-pulsing ripper, which is economically justified, is suggested.

Monolith; the energy intensity of soil; frozen soil; resistance to shift; gasdynamic ripper; screwing

Для копания траншеи большой протяженности в мёрзлых грунтах наиболее эффективными продолжают оставаться роторные и цепные многорезцовые экскаваторы. Высокая прочность и абразивность (изнашивающая способность) мёрзлых грунтов приводят к тому, что если в немёрзлых грунтах режущие зубья многорезцовых экскаваторов выдерживают отрывку 1215 км траншеи, то даже в конструкции роторного экскаватора ЭТР-2531 специально запроектированного для работы в условиях Севера России работоспособность режущих зубьев не превышает 800... 1000 метров, то есть 3...4 часа работы экскаватора. Твёрдые минеральные частицы грунта, слабо связанные между собой в немёрзлом состоянии, вследствие отрицательной температуры цементируется льдом. Грунт превращается в сплошной и прочный монолит. Вследствие неправильной формы и неодинаковых размеров минеральные частицы грунта между собой прилегают неплотно, образуя промежутки - поры, снижающие механическую прочность и повышающие деформативность грунтов. Поры разных грунтов неодинаковы по величине и форме. Твёрдые минеральные частицы грунта неодинаковы по крупности, имеют различные размеры по различным направлениям и при одной и той же плотности грунта могут быть по разному ориентированы. При сложении грунтов из частиц различной крупности пористость уменьшается в результате заполнения крупных пор мелкими частицами. Наличие пор (пустот) определяет физическое состояние мерзлых грунтов и особенно механическое поведение (уплотняе-мость), сопротивление сдвигу, разрыву при внешних воздействиях. Сложность и высокая энергоёмкость разработки мёрзлых грунтов связана с высокой их прочностью.

Снижение энергоёмкости копания (рыхления) мерзлых грунтов возможно лишь на основе создания более эффективных конструкций рыхлителей, использования принципиально новых способов воздействия на грунт как разрыхляемую среду. Одним из возможных технических решений такого рабочего органа является создание рыхлителя для разработки грунта энергией сжатого газа. Условно работу газодинамического рыхлителя можно разделить на две фазы: фаза завинчивания (доставка газового импульса на глубину рыхления); фаза отрыва грунта от массива за счет деформации сдвига и разрыва при подводе в зону рыхлении довольно высокой энергии сжатого воздуха высокого давления.

Завинчивание газодинамического рыхлителя сопровождается ростом концентрации напряжений между минеральными частицами и льдом - цементом. Необратимые структурные деформации мёрзлого грунта при завинчивании рыхлителя приводят к более плотной упаковке минеральных частиц, замещающих места, освободившиеся в результате разрушения и перемещения льда - цемента. В процессе завинчивания грунт уплотняется и отжимается в ненагруженный массив в осевом и радиальном направлениях, в результате чего рабочий орган плотно обжимается уплотненным грунтом.

Несмотря на то, что наиболее энергоёмкими являются процессы вдавливания и сжатия мёрзлого грунта, которые при его разрушении исключить невозможно, завинчиванием рабочего органа создаются микротрещины, ослабляется монолит, появляется «сетка повреждений» происходит подготовка ко второй фазе - отрыва грунта от массива.

Помимо свойств и состояния мёрзлого грунта, на сопротивление разрушению будут оказывать влияние форма и размеры рабочего органа. Положение его относительно поверхности массива разрабатываемого грунта чаще всего сводится к двум технологическим схемам: рабочее оборудование газодинамического рыхлителя располагается параллельно одной их двух обнажённых поверхностей массива грунта (рыхление мёрзлого грунта в забой) (рисунок); рабочее оборудование газодинамического рыхлителя располагается перпендикулярно поверхности массива разрабатываемого грунта.

Расчётная схема для определения размеров призмы грунта разрушения

Взаимодействие газодинамического рыхлителя с мерзлым грунтом в забой геометрически сходно с условиями напряженного состояния массива в области, которая ограничена окружностью, нагруженной равномерным давлением, и кромкой забоя (рис. 1). В инженерной практике существуют задачи, в которых одну из осей координат, ось Ъ можно отбросить и все деформации рассматривать как бы происходящими в одной плоскости. Этот класс задач носит название - плоска задача теории упругости, плоская деформация. Если длина рабочего органа газодинамического рыхлителя в направлении одной из осей координат, например, оси Ъ велика, то все разрушающие нагрузки лежат в плоскости «ХОУ», перпендикулярно оси Ъ и закон их распределения не меняется с изменением Ъ.

При решении плоской задачи теории упругости в данном случае заданы: г0 - радиус винтовой лопасти газодинамического рыхлителя; физические величины, характеризующие прочностные свойства мерзлого грунта: а) ор - прочность мерзлого грунта на разрыв; б) со - сцепление грунта, которое

равно разрушающему напряжению при чистом сдвиге; в) ф - угол внутреннего трения грунта; давление сжатого воздуха, воспринимаемое мёрзлым грунтом в начальный период разрушения.

При решении плоской задачи теории упругости в данном случае заданы: г0 - радиус винтовой лопасти газодинамического рыхлителя; физические величины, характеризующие прочностные свойства мерзлого грунта: а) ор - прочность мерзлого грунта на разрыв; б) со - сцепление грунта, которое равно разрушающему напряжению при чистом сдвиге; в) ф - угол внутреннего трения грунта; давление сжатого воздуха, воспринимаемое мёрзлым грунтом в начальный период разрушения.

Составляющие главных напряжений от заданного газового импульса определяются по представленным выражениям

s + о

=P

cos 2в cos 2в cos 2в cos 2в2

L + — Xo 2 2 >

L ri2 r22 J L Г1 r2 J

(1)

о У о x = р 2

cos 2в, cos 2в2 -----;---L + -----;---

і X

cos Зв

+

v ri

cos Зв

і у

Л 1 г

+ Xo 2 X

у_ _ v

cos3в1 cos Зв2

т„, = — P:

ху

sin і в, sin 2в2 ------;—L +-----------;—-

— і X

sin З в,

(і)

+

v r,

sin Зв

' і у

Л1 г

+ X o 2 X

у_ _ v

sin З в, sin З в2

'і у

, (3)

где Р - давление, воспринимаемое грунтом в начальный период разрушения. Принимается равным

. °у + °х .

давлению в рабочей камере перед её разрядкой: ^ — полусумма наибольшего и наименьшего

о у — о х

главных напряжений; ^ — полуразность наибольшего и наименьшего главных напряжений;

Т

ху — напряжение сдвига в грунте; а - расстояние до радикальной оси, величина которого численно

равна отрезку касательной, проведённой из начала координат к окружности радиусом г0 ; Г0 — радиус окружности, воспринимающий давление сжатого газа. Принимается равным радиусу винтовой лопасти рыхлителя; Х— расстояние от кромки забоя до точки «М»; х о = 1Р — расстояние от кромки забоя до оси рыхлителя, которое определяется по формуле

lp = ro

po

V

—+1

о

где ор - прочность мерзлого грунта на разрыв.

Уравнение, описывающее условие предельного равновесия мерзлого грунта под нагрузкой запишется так:

( о у — о х )

, , - = sin ф

(° у + ° X) + 2сос*ВФ , (4)

где ( Sy — SX ) — разность наибольшего и наименьшего главных напряжений, которая определяется

из уравнения (2); ( s + S ) — сумма наибольшего и наименьшего главных напряжений, которая

V у х!

определяется из уравнения (1); с о — сцепление грунта, которое равно разрушающему напряжению при чистом сдвиге. Это напряжение может быть определено по формуле (3); ф - угол внутреннего 244

У

х

і

і

r

r

2

З

З

З

r

r

і

o

r

r

2

З

З

З

трения грунта. Угол внутреннего трения грунта определяется из уравнения (4), которое после математических преобразований примет вид:

ctg ф

2 с ° (

(5)

Поверхность отделения грунта в забой образует угол ^ скола (см. рис. 1)

у* = 450 - ф

2 .

Так как призма разрушения грунта в забой имеет треугольное очертание (а в треугольнике сумма углов 180 0), то угол раскрытия призмы грунта разрушения будет равен:

V „Л г

Y:

180° -

где ф - угол внутреннего трения грунта, который определяется из зависимости (5).

Из рисунка видно, что тангенс половины угла раскрытия призмы грунта разрушения равен:

у АО Ь/2

tg2:

OB L + r

(6)

где Ь - размер большей грани призмы грунта разрушения; } - расстояние от кромки забоя до оси

рыхлителя, определяемое по формуле (4);

r° = D п

радиус винтовои лопасти рыхлителя газоди-

L = 2 (lp + r) tg-

намического действия; В - диаметр винтовой лопасти рыхлителя газодинамического действия;

Из формулы (6) следует, что размер Ь большей грани призмы грунта разрушения равен

1 2.

Основными предпосылками к эффективному использованию нового оборудования для производства зимних земляных работ является: начало рыхления мерзлого грунта начинается не с поверхности, где прочность максимальная, а с глубины разрушаемого массива, где прочность ниже; энергия сжатого воздуха передается непосредственно разрыхляемому грунту, который можно рассматривать как материал, обрабатываемый действием газового импульса. Рыхление мерзлого грунта происходит по всем возможным направлениям расширения сжатого воздуха, что позволяет повысить качество рыхления по сравнению с традиционными рыхлителями, так как рабочие органы этих машин при рыхлении имеют строго ограниченное перемещение в мерзлом грунте. Такой метод обработки грунта более эффективен и экономически оправдан.

*

Дьяков Иван Федорович -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Основы проектирования машин» Ульяновского государственного технического университета

Ивкин Валерий Семенович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» Ульяновского государственного технического университета

Жукова Дарья -

студентка 5 курса СФ УлГТУ

Ivan F. Dyakov -

Dr. Sc., Professor, head of Department «The fundamentals of the design of machines» Ulyanovsk State Technical University

Valery S. Ivkin -

Ph.D., Associate Professor of Department «Building Constructions»

Ulyanovsk State Technical University Darya Zhukova -

a student of the 5 course of the Constructing Faculty of the Ulyanovsk State Technical University

Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13