CC BY
58
OPTIMIZA TION OF DYNAMIC CHARACTERISTICS HYDRONETWORK MECHANIZED SYSTEM
A.A. Podkolzin, V.P. Safronov
Consider internal and external factors arising from the operations of the technological cycle of mining operations affecting the dynamic loading of the electromechanical system of the pumping unit, proposed solutions to improve the efficiency and reliability of the system through the use of the damping properties of electric drive.
Key words: support, pump, hydraulic drive, hydrosystem, modeling, efficiency, optimization, design of.
Podkolzin Anatoly Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, Head of Department, apodkolzin@dialog.nirhtu.ru, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk Institute (branch) of Russian Chemical-Technological University. DIMendeleev,
Safronov Viktor Petrovich, doctor of technical sciences, professor, sary-chevy@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 624.191
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СОВМЕЩЕННОЙ СХЕМЫ ПРОКЛАДКИ ТРУБ ПРИ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
А.Н. Панин, В.И. Сарычев, Н.И. Прохоров, И.И. Савин
Рассмотрена совмещенная схема прокладки труб большого диаметра; приведена расчетная модель усилий прокола и длины насадки; получены зависимости шага заходки от глубины прокладки; дана область применения бестраншейных технологий.
Ключевые слова: бестраншейная технология; совмещенная схема прокладки трубопроводов; усилие прокола; длина насадки; уплотнение грунтового основания; расчетная модель; область применения.
Бестраншейные методы - прокол и продавливание - широко применяются при строительстве различных инженерных коммуникаций, технологических тоннелей и других подземных сооружений, в особенности в местах пересечения естественных или искусственных препятствий (автомобильных и железнодорожных магистралей, рек, каналов), где использование других способов является неэффективным. Бестраншейные методы имеют свою область применения, которая ограничивается размерами возводимых инженерных конструкций: для прокола обычно используют трубы диаметром до 600 мм; для продавливания - от 800 до 2000 мм. Ограничение диаметра при проколе связано с необходимостью создания больших
усилий для перемещения грунта перед торцом конструкции, а при продав-ливании - со сложностью разработки грунта внутри трубопровода.
Для прокола труб диаметром более 600 мм, а также в случае, когда суммарное усилие прокола превышает давление, развиваемое домкратной станцией, предлагается уменьшить сопротивление грунта путем установки насадки в виде открытой трубы малого диаметра в торцевой части (рис. 1). При такой схеме уменьшается объем уплотняемого грунта, так как его часть через насадку будет проникать внутрь основного трубопровода, откуда возможно его удаление, например, гидроразмывом или механическим способом. Данная схема называется совмещенной, так как сочетает в себе элементы технологий прокола и продавливания.
Суммарное усилие, расходуемое на перемещение трубы при совмещенном методе, может быть найдено по формуле [1,3]:
N = Ми + ^, (1)
где Nu - усилие, расходуемое на разрушение структуры грунта пред торцом трубы; ^ - трение грунта о поверхность трубы.
Как при продавливании, так и при проколе трение грунта о боковую поверхность трубы определяется по общей формуле [1]:
^ = РI7с/ЬЛ , (2)
где Р - внешний периметр сечения трубопровода; ус/ - коэффициент условий работы; / - расчетное сопротивление по боковой поверхности трубы (табл. 2, СНиП 02.03-85), зависящее от глубины ее заложения и физикомеханических характеристик грунтов.
зона пластических
Рис. 1. Схема деформирования грунта при совмещенной технологии
Снижение усилий происходит за счет уменьшения объема грунта, разрушаемого во время прокола и перемещаемого за пределы трубы. Тогда:
N = - Ян2 )(пуУЯтр + Пд (1Н + Р) + ПсС), (3)
где пу, пд и пс - безразмерные коэффициенты несущей способности грунта, определяемые в зависимости от расчетного значения угла внутреннего трения ф; Ятр и Ян - наружные радиусы соответственно трубы и насадки; с - расчетное значение удельного сцепления грунта; Н - глубина заложения трубопровода; у - объемный вес грунта.
На рис. 2 приведены зависимости усилий для создания микротоннеля в одинаковых условиях способом прокола, продавливания и по совмещенной технологии для трубы диаметром 720 мм. Из рисунка видно, что при проколе требуется максимум усилий, расходуемых на разрушение и перемещения грунта за пределы трубы. Наименьшие усилия требуются при продавливании, т. к. усилия при правильно выбранной длине заходки расходуются в основном на преодоление трения по боковой поверхности. При совмещенной технологии усилия занимают промежуточное положение. Такую технологию следует использовать, когда усилия по схеме прокола являются недостаточными, а применение схемы продавливания по каким-либо причинам невозможно. С другой стороны, насадка, используемая при совмещенной технологии, выступает как направляющая, повышающая точность внедрения инженерных конструкций [2].
Рис. 2. Зависимости усилий при проколе, продавливании и по совмещенной технологии для трубы диаметром 72G мм
Грунт, заключенный в стальную оболочку, работает как грунт в обойме и выдерживает большие сжимающие напряжения. Площадь попе-
речного сечения стальной оболочки по сравнению с полной площадью трубы (малого диаметра в носовой части) невелика. Поэтому можно считать, что нагрузка будет полностью передаваться на грунтовое ядро. Ясно, чем длиннее будет насадка, тем больше будет сопротивление грунтового ядра (рис. 3).
(4)
Рис. 3. Схема сил, действующих на элемент грунтовой пробки
Отсюда возникает необходимость определения рациональной длины насадки, при которой грунт переместиться в полость основного трубопровода, не воспринимая полностью нагрузку, приходящуюся на площадь насадки. Для этого, из условия равновесия элемента грунтовой пробки (см. рис. 3), было получено следующее уравнение [1]:
Т_ 1, С к '
Ь _ — 1п — о 0 +1
к {/ ° .
где к _ 41//Б; 1 _ у/(1 -V) - коэффициент бокового давления грунта; V -коэффициент поперечной деформации; /- коэффициент трения грунта по оболочке, равный 0,6; а° - напряжение в грунтовом массиве на торце насадки при продавливании.
Получаемая по формуле (4) длина насадки определяет такой технологический параметр, как рациональный шаг заходки. Однако при этом не учитывается ситуация, при которой возможно нарушение земной поверхности, что характерно для малых глубин заложения трубопроводов. Те., развиваемое для обеспечения данного шага заходки усилие, а значит и давление на торце насадки, будет превышать пассивное давление грунта. В связи с этим возникает необходимость корректировки длины насадки по условию исключения разрушения грунтового массива до поверхности.
Учитывая, что поперечный размер грунта больше диаметра насадки, то грунт, задавливаемый в трубу, будет уплотняться. Если принять за первоначальный объем грунта У1, то после уплотнения при давлении Да его объем изменится на ДК Отношение отжимающего напряжения (эту величину принимаем для торца насадки) к относительному изменению
3°1
объема обозначим через КУ:
КУ =~^~ • (5)
У АУ/У1
При малых деформациях КУ можно считать не изменяющимся по величине. Из выражения (5) следует:
АУ = ^ У1.
Ку
Тогда объем грунта после уплотнения будет равен:
( А Л
У2 = У -АУ = У і °
V КУ)
Исходя из того, что отношение АУ/у есть объемная деформация еу, то можно записать:
Ао _ Ку £у . (6)
Если принять длину грунта в трубе за единицу, то объем грунта до
уплотнения и после уплотнения можно представить в виде:
1 2 1 2 у _ 4 Р-2 и У2 _ 4 я-|, (7)
где —1 - диаметр грунта до уплотнения; —2 - диаметр грунта в трубе.
Пренебрегая сжимаемостью зерен скелета грунта, запишем равенство начального и конечного объемов в следующем виде:
У1ТТ“ = У2 77" •
1 + £?1 1 + ^2
где е1 - коэффициент пористости до уплотнения; е2 - коэффициент пористости после уплотнения. Отсюда:
У2 _ 7^ У1. (8)
1 + е
Следовательно, объемная деформация будет равна:
еу _ У'-У2 _ 1-У2 _ 1 -1+^2 _ еГ-12. (9)
У У1 у 1 + е1 1 + е1
Известно, что начальный коэффициент пористости грунтов определяется по формуле:
_Р, а+°.°1ж) -1, (1°)
р
где р5 - плотность скелета грунта; р - плотность грунта до уплотнения.
На основании (7) и (8) запишем выражение для определения коэффициента пористости грунта после уплотнения:
— 2
е2 _ (1 + е1)-1
А2
Из теории упругости известно, что модуль объемной деформации находится по формуле:
КУ _ зга, (11)
где Е - модуль деформации грунта, определяемый для сжимаемых грунтов из выражения:
1 + е
(12)
Е _1Те1 Р,
а
где а_(е1 -в2 )/Р и Р_ 1 - 2п2/(1 -V) - коэффициенты сжимаемости; р -дополнительное давление.
Используя выражения (6), (9), (11) и (12) запишем формулу определения давления, необходимого для изменения первоначального объема грунта на ДУ:
С 1те1 Л _ V а )
Р
Ао_
е1 - е2
(13)
3(1 - 2п) 1 + е1
Для того, чтобы разрушения массива и нарушение поверхности при прокладке труб по совмещенной технологии были исключены необходимо выполнение следующего условия (рис. 4):
огр £ опас, (14)
где агр - сопротивление по внутренней поверхности трубы; апас - пассивное давление грунта (отпор).
Рис. 4. Схема взаимодействия массива грунта и насадки
Пассивное давление грунта определяется на основании теории предельного равновесия:
опас _ Ун 1ап
2
(
Ф
+ 2С tan
Ф
45 +
V 2)
(15)
45 +
2
где Н - глубина заложения трубы; т - сопротивление сдвигу; ф - угол
3°3
внутреннего трения грунта; С - сцепление.
Сопротивление сдвигу (срезу) вычисляется по формуле:
т = (уЯ tan j + C) 2 A, (16)
где А - площадь грунта в пределах сдвига, принимаем ее в виде треугольника, тогда:
, 1
А = — cot 2
H
(17)
В итоге, на основании формул (15)-(17), получим следующее выра-
жение для определения пассивного давления грунта:
о
пас
gH tan
45 + Ф
2
+ 2C tan
ґ фЛ 45 + — 2
+ (gH tan ф + C) cot
45-^ 2
H2.(1S)
Сопротивление по внутренней поверхности трубы:
Огр _Ао1/. (19)
Длина насадки (шаг заходки) из соотношения (14) и на основании равенства сил трения и сил отпора грунта будет определяться из выражения:
опас (—/4)
L
о
(pD 2А)
пас
агр pD
или L
(20)
гр
Результаты расчета при прочих равных условиях с учетом варьирования глубины заложения труб диаметрами 152° и 52° мм представлены на рис. 5.
Рис. З. Зависимости шага заходки от глубины заложения трубы
Зависимости, полученные по формуле (20), характеризуют изменение максимально возможного шага заходки (длины насадки) из условия
недопустимости выдавливания грунта на поверхности (его разрушения), а зависимости, установленные на основании формулы (4), отражают изменение предельного шага заходки из условия прохождения грунтовой пробки внутри насадки.
Поученные результаты обеспечивают рациональное обоснование шага заходки при прокладке труб: до точек пересечения графиков, характеризующихся глубинами заложения 4,8 (D = 1520 мм) и 5,9 м (D = 520 мм), шаг заходки находится из условия устойчивого состояния грунта; за ними - определяется по условию перемещения грунта внутри насадки.
Список литературы
1. Прохоров, Н.И. Расчет усилия прокола [Текст] / Н.И. Прохоров,
А.Н. Панин, А. Д. Огер // Известия ТулГУ. Серия «Г еомеханика. Механика подземных сооружений». Вып.1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003.
2. Минаев В.И. Проходка с лидирующей разработкой грунта при бестраншейной прокладке трубопроводов» [Текст] // Механизация строительства трубопроводов и нефтегазопромысловых сооружений. 1980. №3. С. 3-5.
3. Сарычев, В.И. Математическая модель и имитационное моделирование взаимодействия исполнительного органа прокалывающей установки с грунтовым массивом [Текст] / В.И. Сарычев, А.Е. Пушкарев, А. А. Рогачев, А.В. Пушенко // Горное оборудование и электромеханика. № 6. 2012. С. 33-39.
Сарычев Владимир Иванович, д-р техн. наук, проф., sarychevy@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
Панин Алексей Николаевич, главный конструктор, seryislon@mail.ru, Россия, Тула, Тульский проектный институт
Прохоров Николай Ильич, канд. техн. наук, проф., Россия, Тула, Тульский государственный университет
Савин Игорь Ильич, д-р техн. наук, проф., sarychevy@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
RA TIONALE PARAMETERS COMBINED SCHEME LA YING PIPES IN TRENCHLESS TECHNOLOGY
V.I. Sarychev, A.N. Panin, N.I. Prohorov, I.I. Savin
Combined method of laying large diameter pipe considered; calculation model of puncture effort and length of extension are given; depending on the length of the passage from the puncture depth were obtained; area of application of trenchless technology is given.
Key words: trenchless technology; combined method laying pipes; puncture effort; length of extension; hardening technology of subgrade; calculation model; area of application.
Sarychev Vladimir Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, sary-chevy@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
Panin Aleksey Nikolayevich, chief designer, seryislon@mail.ru, Russia, Tula, Tula Design Institute
Prohorov Nikolai Iljich, candidate of technical sciences, professor, Russia, Tula, Tula State University
Savin Igor Iljich, doctor of technical sciences, professor, sarychevy@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 624.191
ТЕХНОЛОГИЯ УПРОЧНЕНИЯ ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ СПОСОБОМ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО ПРОКОЛА И АНАЛИЗ ЕГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
В.И. Сарычев, А.Н. Панин, Н.И. Прохоров
Предложена бестраншейная технология упрочнения грунтового основания зданий способом горизонтального прокола, даны результаты оценки напряженного состояния упрочненных грунтов.
Ключевые слова: грунтовое основание, технология упрочнения, горизонтальный прокол, напряженное состояние.
Статистический анализ причин, вызывающих аварийное состояние зданий и сооружений, показывает, что 85 % из них связаны со снижением надежности системы «основание - фундамент». В самой системе наиболее слабой составляющей является грунтовое основание, способное изменять свои физико-механические свойства под влиянием различных горнотехнических и природно-климатических факторов. Изменение гидрогеологических условий и увеличение давления на основание часто приводит к недопустимому развитию пластических деформаций. Все это требует применения дополнительных мероприятий по искусственному воздействию на напряженно-деформированное состояние грунта, обеспечивающее снижение интенсивности напряжений до нормативных значений.
Одним из способов искусственного изменения напряженно-деформированного состояния грунтовых оснований является его упрочнение с помощью внедрения жестких конструкций по бестраншейной технологии. Такая технология была реализована при упрочнении грунтового ос-
