CC BY
20
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
УДК 624.132.3
С. В. КРАВЕЦЬ1, О. П. ПОСМ1ТЮХА2*, В. М. СУПОНСВ3
1Каф. «Будавельт, дорожт, мелюративш, сшьськогосподарсью машини [ обладнання», Нацюнальний утверситет водного господарства та природокористування, вул. Новака, 77, Ивне, Украша, 33028, тел. +38 (0362) 63 55 80, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-4063-1942
2*Каф. «Прикладна механжа та матер1алознавство», Днтропетровський нацюнальний утверситет затзничного транспорту 1мет академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дшпро, Украгна, 49010, тел. +38 (066) 150 95 00, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-9701-3873
3Каф. «Буд1вельт 1 дорожт машини», Харквський нацюнальний автомобшьно-дорожнш утверситет, вул. Тимургвщв, 3, Харюв, Укра1на, 61002, тел. +38 (057) 738 77 97, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0001-7404-6691
визначення екв1валентного та оптимального д1аметр1в кон1чно-цил1ндричного наконечника
з виступами для проколювання Грунту
Мета. Буд1вництво нових зал1зничних колш, об'екпв шфраструктури, ремонт та замша юнуючих шдзе-мних комушкацш пов'язан з розробкою горизонтальних порожнин у грунп безтраншейним способом. Статичный прокол грунту робочим органом 1з конусним наконечником е найб1льш поширеним методом у практищ формування шонерно! свердловини при безтраншейному прокладанш розподшьних комушкацш. Однак, у процеа виконання проектних розрахунк1в отримання пшотно! свердловини та подальшого И роз-ширення до необхщних розм1р1в гостро сто!ть питання способ1в розрахуншв робочих зусиль. 1снуюч1 методики спираються на емтричн залежносп та експериментальш коефщенти, що зменшують точшсть тдра-хуншв та збшьшують вартють робгг. Пропонуеться шдвищити точшсть та спростити процес визначення зу-силля проколювання грунту котчним наконечником статичним способом. Методика. В робот1 пропонуеться визначення екывалентного д1аметра кон1чного наконечника, що зумовлений д1аметром свердловини, та теоретичний спос1б розрахунку оптимальних параметр1в грунтопроколюючо! головки з використанням вь домих параметр1в: типу грунту та його вологосп, що визначаються за Державними буд1вельними нормами (ДБН). Результата. Отримаш теоретичн дослвдження можуть бути використаш з метою шдвищення ефек-тивносп робочого обладнання для проколу грунту статичним методом при безтраншейному прокладанш шдземних комушкацш. Наукова новизна. Авторами встановлена залежшсть екывалентного д1аметра осно-ви конуса в1д д1аметра цилшдрично! частини наконечника проколюючо! головки, яка дозволяе усунути з процесу статичного проколювання сили тертя на б1чнш цил1ндричнш поверхн наконечника. Практична значимкть. Теоретичн розрахунки для визначення оптимальних д1аметр1в кон1чного наконечника з виступами для проколювання грунту дозволили встановити: якщо д1аметр конуса бшьший максимально-граничного д1аметра свердловини (грунтово! порожнини), то лобовий ошр кон1чно-цилшдричного наконечника зростае штенсившше за ошр цилшдрично! частини наконечника. Максимальне зниження зусилля проколювання мае м1сце для грунтово! порожнини, д1аметр яко! у 2 рази менший за максимальний гранич-ний д1аметр. При проведенн розрахунк1в 1з вибору розм1р1в робочих оргашв для проколювання грунту вихь дними даними е тип грунту та його характеристики за ДБН, а також волопсть грунту, визначена традицш-ними способами.
Ключовi слова: теоретична модель; безтраншейна технолопя; статичний прокол грунту; 1нженерн1 кому-шкаци; проколююча головка; горизонтальна свердловина
Вступ
Загальна зношенiсть комунального господарства та збшьшення енергоспоживання у великих мютах змушують комунальникiв модер-нiзувати сво! старi мережi й створювати новi. Виконання монтажних робгг в умовах сучасно-
го мегаполюу вимагае широкого використання безтраншейних технологш, яю широко представлен на ринку послуг. Основним недолгом цих технологш е !хня вартють, що випливае з високо! вартосп бурового обладнання та соб> вартост виконання робт З р1зномашття пред-ставлених на ринку метод1в отримання техно© С. В. Кравець, О. П. Поиштюха, В. М. Супонев, 2017
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
логiчних порожнин у rрунтi найбшьш простим та дешевим е статичний прокол. Його викори-стовують для безтраншейного прокладання ро-зподiльних шженерних мереж пiд дорогами або шшими завадами руху на трасi. Для створення горизонтальних свердловин широко викорис-товуеться метод статичного проколу грунту. Простота обладнання, мшмальш експлуата-цiйнi витрати та простота експлуатацп сприя-ють швидкому поширенню даного методу. Метод полягае в силовому проникненш крiзь грунт проколюючого робочого органу, параме-три якого визначають його опiр, який, у свою чергу, впливае на параметри приводу силово! установки. Таким чином, визначення е^вале-нтного дiаметра кошчного наконечника за дiа-метром свердловини та отримання теоретичного способу розрахунку оптимальних параметрiв грунтопроколюючо! головки е актуальною задачею.
Мета
Метою роботи е теоретичне визначення ек-вiвалентного дiаметра конiчного наконечника залежно вiд дiаметра свердловини та способу розрахунку оптимальних параметрiв грунтопроколюючо! головки.
Методика
Загальш закономiрностi процешв проколу грунту та формування горизонтально спрямо-вано! свердловин викладенi в роботах [4, 6, 11]. Результати дослщжень впливу конструктивних параметрiв конусного робочого органу на про-цес проколу грунту та пошук ращонального кута конуса викладено в роботах [3, 7, 10, 12, 13, 14, 17-20, 22]. Змши якостей грунту в на-вколишньому просторi свердловини пiд час статичного проколу грунту та !х вплив на про-цеси формування лщерно! свердловини та !! розширення були розглянутi в роботах [2, 11, 15, 16, 21]. Дослщжень з визначення е^вален-тного дiаметра кошчно-цилшдричного наконечника залежно вщ дiаметра свердловини та те-оретичний спосiб розрахунку оптимальних па-раметрiв грунтопроколюючо! головки не вияв-лено.
Очевидно, що сумарний опiр проколюванню складаеться з опорiв конiчно!' i цилiндрично!'
частин наконечника. Згщно з попередньо! ро-ботою автор1в [9] теоретично визначений ошр заглибленню кошчно-цилшдричного наконечника в грунт дор1внюе:
E D2 ,
(1+ /ct§P)+
о
+0,1%kfDOi + %fD(¡ц - 0,2)q3, (1)
Де Егр =
(1 + ш)р„
компрес1инии модуль де-
Ск ■Рпр
формаци грунту; ю - природна волопсть грунту; ртв - щшьшсть твердого грунту (щшьшсть грунту за умови, що в ньому вщсутш пори); рпр - щшьнють грунту в природному сташ;
ск - коефщент компреси грунту; D - д1аметр конусного наконечника; f - коефщент тертя грунту по конусу; 2р - кут при вершин! кону-
Dp
са; X = d ~ вщношення д1аметра зони пруж-
но-пластичних деформацш Dp до д1аметра ос-нови конусного наконечника D [10]; с1 - на-пруження на границ! пружно! i пластично! зон, яке визначено було С. В. Кравцем та В. В. Ко-ванько [3]; ¡ц - довжина цилшдрично! частини
проколюючо! головки; q3 - залишковий тиск грунту на цилiндричну частину наконечника.
Залежшсть сумарного опору заглибленню вщ дiаметра наконечника на глибиш 1,5 м при ¡ц = 0,5 м та q з = 0,025 МПа приведена на
рис. 1.
Щоб усунути з процесу статичного проко-лювання сили тертя на бiчнi цилiндричнi пове-рхнi наконечника, необхщно дiаметр головно! конiчно! частини DK виконати бiльшим за дiа-метр цилiндрично! Dtj частини проколюючо!
головки. Визначимо е^валентний дiаметр ко-нiчно! частини De з умови рiвностi опорiв для випадкiв:
1) DK > Dц - вщсутш сили тертя на бiчнiй
поверхш наконечника;
2) DK = D4 = De - присутнi сили тертя на 6i-
чнiй поверхш наконечника.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету затзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
У першому випадку (DK > Вц) опiр проко-люванню Рпр дорiвнюe:
8%E„
De = D
0,+ (( - 0,2) q3
1 + 8 f-Ц^-11- . (4)
7 DE (1 + ctgß)
D/2
PP =■
гр
D2
(1 + fctgß) J x3dx :
nE D2 /
(1 + fctgß); (2)
Pp = ^ (1 + fctgß),
(3)
Залежшсть е^валентного дiаметра основи конуса вiд дiаметра цилiндрично! частини наконечника при 1ц =0,5 м та q3 = 0,025 МПа для
рiзних rрунтiв показана на рис. 2.
Якщо дiаметр конусно! частини наконечника D < DK < De, то опiр проколюванню буде зни-жений (у вщсотках) за наступною залежнiстю:
де De - еквiвалентний дiаметр.
У другому випадку (DK = D4 =De) сумар-
ний ошр проколюванню обчислюсться за формулою (1),
де - А = d (d) в щношення дiаметра зони пружно-пластичних деформацiй до еквiвалент-
AP„P =
Р P"pDk -100% = Pv
1 --
Р
nPDK
PV
-100%. (5)
Визначимо мшмальний дiаметр D™", який
ного дiаметра ^аметра конусного наконечни- усувае дiю пружних деформацiй на цилiндрич-ка) [1].
ну частину наконечника:
DTn = D + AD .
(6)
На границ пружно! i пластично! зони дie закон Гука [1, с. 247-250]:
< = Ev в ,
(7)
Phc. 1. rpa^iKH 3a^e®HOCTi cyMapHoro onopy
nepeMi^eHHM KomHHo^nmHgpHHHoro HaKOHenHHKa Big giaMeTpa нa ran6HHi 1,5 M:
1 - TBepgoro cynicKy; 2 - HaniBTBepgoro cymHHKy; 3 - TyronracTHHHoi raHHH
Fig. 1. Dependency graph of the total resistance to the displacement of a cone-cylinder tip on a diameter at 1.5 m depth:
1 - sandy clay; 2 - semi-solid loam; 3 - stiff clay
де Ev - модуль пружносп при об'емному стисканш грунту (модуль об'емно! деформаци);
в - вщносна деформащя (в = -^D).
Модуль об'емно! деформаци визначаеться через компресшний модуль грунту E [1]:
Ev = (1 + 25),
3Ск Рпр
(8)
де 5 - коефщент бiчного тиску визначаеться за формулою Г. I. Покровського [4, 11]:
5 = 1 - 0,74tg90 - 1,52с / q
кр '
(9)
„ ■ ■ т7 г, де ш„ - кут внутршнього тертя грунту;
З умови ршносп Рпр =Pv визначимо еквiва-
с - коефiцiент зчеплення грунту; qKp - критич-
лентний за опором дiаметр De:
ний тиск грунту за несучою спроможнютю.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
Тод1
AD = D.
(10)
Для твердого сутску AD = 0,00 D = 0,084D
0,95
(при EV = 0,95, h = 1,5 м).
Для напiвтвердого суглинку
AD = 014 D = 0,22D (при EV = 0,64 . 0,64
h = 1,5 м).
Для
тугопластично!
глини
Ad = 0,148 d = 0 31D (при
0,477 h = 1,5 м).
EV = 0,477,
Рис. 2. Граф1ки залежносп екв1валентного д1аметра кошчного наконечника ввд д1аметра свердловини:
1 - для твердого сутску; 2, 3 - для натвтвердого суглинку i тугопластично! глини
Fig. 2. Dependency graph of the equivalent diameter of the conical tip on the hole diameter:
1 - sandy clay; 2, 3 - semi-solid loam and stiff clay
Таким чином,
Dmin = D + ^ D = D
f
1 +
E
cv У
(11)
Якщо проколювання здшснюетъся на гли-бит h = 1,5 м, то для твердого сутску
Dm™ = 1,08D , для натвтвердого суглинку
Dm™ = 1,22D , для тугопластично! глини
£>7° = 1,31 Б . Якщо Бк > , грунт на грани-щ пружно! i пластично! зон деформуеться за рахунок пружно-пластичних зсувiв (руйнуеть-ся).
Зниження опору проколювання при мшма-льному дiаметрi Б"1" для рiзних грунтiв приведено на рис. 3
Результати
З рис. 3 видно, що максимальне зниження опору проколюванню мае мюце: для твердого сутску при дiаметрах Б = 0,2...0,25 м, для натвтвердого суглинку при дiаметрах Б = 0,13...0,17 м, для тугопластично! глини при дiаметрах Б = 0,10...0,12 м. Тому ефективтсть застосування конусних наконечникiв з висту-пами залежить вiд типу грунту, його консисте-нцi!, вологостi i дiаметра проколювання Б . Ви-значимо цей дiаметр:
5APni 3D
=0.
Звщки оптимальниИ д1аметр
0,1 f ^ + f (( - 0,2)
DnT = 4
( ~ V 1
EV у
-1
(12)
(13)
Ep (1 + fctgß)
Визначимо максимальний граничний дiа-метр свердловини (грунтово! порожнини) Dmax, при якому конiчно-цилiндричний наконечник з боковими виступами DK > D вже не дозволяе
знизити зусилля проколюванню. Для цього прирiвняемо зусилля проколювання наконечником з виступами (DK"in > D) i без вистушв ( Dk = D):
(
%D2
У
-V У
-(1 + fctgß) =
%D2
Ep (1 + fctgß)
+0,Wa, +izDf (l4 - 0,2) q3. (14)
8
8
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зал1зннчного транспорту, 2017, № 4 (70)
Рис. 3. Графiки залежносп зниження опору проколюванню конусного наконечника з виступами Big
дiаметра свердловини: 1 - для твердого сутску; 2 - для натвтвердого суглинку; 3 - для тугопластично! глини.
Fig. 3. Dependency graph the reduction of the resistance to broaching of the conical tip with spurs on the hole diameter: 1 - sandy clay; 2 - semi-solid loam; 3 - stiff clay
Звщки
Dmax = 8f X
0,1А< + ( -0,2)
( < V
E
V ^v
-1
(15)
Ep (1 + fctgß)
Тобто
D _ Dmax
2
(16)
Розрахунками визначено: для твердого сут-ску Dmax > 0,444 м; для натвтвердого суглинку Dmax > 0,295 м; для тугопластично! глини Dmax > 0,236 м. Це означае, що для D > Dmax лобовий ошр кошчно-цилшдричного наконечника з дiаметром в основi конуса D™" > Dmax зростае iнтенсивнiше за опiр цилшдрично! частини наконечника. Максимальне зниження зу-
силля проколювання мае мюце для грунтово! порожнини д1аметр яко! у 2 рази менший за максимальний граничний д1аметр . Якщо д1аметр грунтового отвору бшьший за Dmax , то необхщно утворювати не способом проколу, а способом протискування.
Наукова новизна та практична значимкть
Установлена залежшсть екв1валентного д1а-метра основи конуса вщ д1аметра цилшдрично! частини наконечника проколюючо! головки, яка дозволяе уникнути в процес статичного проколювання сил тертя на б1чнш цил1ндричнш поверхш наконечника. Так, наприклад, при дь аметр1 цилшдрично! частини 0,3 м - д1аметр основи конуса повинен бути: для твердого су-пюку - 0,32 м; для натвтвердого суглинку { тугопластично! глини 0,37 - 0,39 м.
Результати отриманих теоретичних досл> джень можуть бути використаш для шдвищен-ня ефективносп робочого обладнання для проколу грунту статичним методом при безтран-шейному прокладанн шдземних комушкацш.
Висновок
Отримаш теоретичн розрахунки для визначення оптимальних д1аметр1в кошчного наконечника з виступами для проколювання грунту дозволили встановити, що якщо д1аметр конуса бшьше максимального граничного д1аметра свердловини (грунтово! порожнини), то лобовий ошр кошчно-цил1ндричного наконечника зростае штенсившше за ошр цилшдрично! частини наконечника 1 тод1 грунтову порожнину необхщно утворювати способом протискування. Максимальне зниження зусилля проколювання мае мюце для грунтово! порожнини, д1а-метр яко! у 2 рази менший за максимальний граничний д1аметр.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Бабич, £. М. Мехашка грунпв, основи та фундаменти : тдручник / С. М. Бабич, Ю. О. Крусь. - Р1вне : Вид-во РДТУ, 2001. - 367 с.
2. Вялов, С. С. Реологические основы механики грунтов : учеб. пособие для строит. вузов / С. С. Вялов. - Москва : Высш. шк., 1978. - 447 с.
3. Высокопроизводительные гидропневматические ударные машины для прокладки инженерных коммуникации / Д. Н. Ешуткин, Ю. П. Смирнов, В. И. ЦоИ, В. Л. Исаев ; под ред. Д. Н. Ешуткина. - Москва : Стройиздат, 1990. - 176 с.
4. Гольдштейн, М. Н. Механические свойства грунтов: напряженно-деформированные характеристики грунтов / М. Н. Гольдштейн. - Москва : Стройиздат, 1979. - 304 с.
5. ДБН В.2.1-10-2009. Основи та фундаменти споруд. Основш положення проектування [Електронний ресурс]. - Кив : Мшрегюнбуд Украши, 2009. - 161 с. - Режим доступу: http://dbn.at.ua/load/normativy/dbn/dbn_v21_10_2009/1-1-0-319. - Назва з екрана. - Перев1рено : 19.07.2017.
6. Дьяков, В. П. Усилие вертикального резания почвы / В. П. Дьяков // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. - 1987. - № 4. - С. 34-36.
7. Земсков, В. М. Анализ исследования лобового сопротивления при бестраншейной прокладке трубопроводов методом прокола / В. М. Земсков, А. В. Судаков // Изв. ТулГУ. Серия: «Подъёмно-транспортные машины и оборудование» : сб. науч. тр. - Тула, 2005. - Вып. 6. - С. 35-38.
8. Кованько, В. В. Прокладання лшшно-протяжних об'екпв на новш техшчнш основ1 / В. В. Кованько, О. В. Кованько // Вюн. шженерно! акад. Укра1ни. - 2008. - № 3/4. - С. 158-162.
9. Кравець, С. В. Аналггичний споаб визначення опору занурення конусного наконечника в грунт / С. В. Кравець, О. П. Посмиюха, В. Н. Супонев //Строительство. Материаловедение. Машиностроение. Серия: Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование : сб. науч. тр. / Приднепров. гос. акад. стр-ва и архитектуры. - Днипро, 2017. - Вып. 103. - С. 91-98.
10. Кравець, С. В. Науков1 основи створення землерийно-ярусних машин i пвдземно рухомих пристро!в : монограф1я / С. В. Кравець., В. В. Кованько, О. П. Лук'янчук. - Рiвне : НУВГП, 2015. - 319 с.
11. Кравець, С. В. Теорiя руйнування робочих середовищ : навч. поаб. / С. В. Кравець. - Рiвне : НУВГП, 2008. - 124 с.
12. Михельсон, И. С. Определение напряжений в грунте при внедрении рабочего инструмента бестраншейной прокладывающей машины / И. С. Михельсон // Вестн. Саратов. гос. техн. ун-та. - Саратов, 2011. - Вып. 1. - С. 80-84.
13. Полтавцев, И. С. Специальные землеройные машины и механизмы для городского строительства / И. С. Полтавцев, В. Б. Орлов, И. Ф. Ляхович. - Киев : Будiвельник, 1977. - 136 с.
14. Ромакин, Н. Е. Усилие внедрения и оптимальный угол заострения рабочего наконечника при статическом проколе грунта / Н. Е. Ромакин, Н. В. Малкова // Строительные и дорожные машины. - 2006. -№ 10. - С. 35-37.
15. Рубинштейн, А. Л. Грунтоведение, основания и фундаменты : учеб. пособие для вузов /
A. Л. Рубинштейн. - Москва : Сельхозгиз, 1961. - 312 с.
16. Супонев, В. Н. Исследование процесса изменения состояния грунта вокруг горизонтальной скважины после её формирования методом статического прокола грунта / В. Н. Супонев, С. Л. Хачатурян,
B. И. Олексин // Вестн. Харьков. нац. автомоб.-дор. ун-та : сб. науч. тр. / Харьков. нац. автомоб.-дор. ун-т, Сев.-Вост. науч. центр трансп. акад. Украины. - Харьков, 2016. - Вып. 73. - С. 196-202.
17. Тимошенко, В. К. Определение формы наконечника, обеспечивающей минимальное усилие прокола / В. К. Тимошенко // Строительство трубопроводов. - 1969. - № 3. - С. 18-20.
18. Allouche, E. N. State-Of-The-Art-Review Of No-Dig Technologies for New Installations / E. N. Allouche, S. T. Ariaratnam // Pipelines Division Specialty Conference (04.08-07.08.2002). - Cleveland, Ohio, United States, 2002. doi: 10.1061/40641(2002)55.
19. Cohen, A. Developing a Successful Specification for Horizontal Directional Drilling / A. Cohen, S. T. Ariaratnam // Pipelines 2017: Planning and Design (06.08-09.08.2017). - Phoenix, Arizona, 2017. - P. 553-563. doi: 10.1061/9780784480878.050.
20. ICTPP 2009: Advances and Experiences with Pipelines and Trenchless Technology for Water, Sewer, Gas, and Oil Applications / Edited by Mohammad Najafi and Baosong Ma. - Shanghai, China, 2009. - 2137 p.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
21. Najafi, М. Trenchless Technology: Planning, Equipment, and Methods / Mohammad Najafi. - [s. l.], 2012. -608 р.
22. Trenchless technology underground pipes / by Zhao Jun Ling Bian. - Machinery Industry Press. - [s. l.], 2014. С. В. КРАВЕЦ1, А. П. ПОСМИТЮХА2*, В. Н. СУПОНЕВ3
'Каф. «Строительные, дорожные, мелиоративные, сельскохозяйственные машины и оборудование», Национальный университет водного хозяйства и природопользования, ул. Новака, 77, Ровно, Украина, 33028, тел. +38 (0362) 63 55 80, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0003-4063-1942
2*Каф. «Прикладная механика и материаловедение», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. + 38 (066) 150 95 00, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-9701-3873
3Каф. «Строительные и дорожные машины», Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, ул. Тимуровцев, 3, Харьков, Украина, 61002, тел. + 38 (057) 738 77 97, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0001-7404-6691
определение эквивалентного и оптимального диаметров конически-цилиндрического наконечника с выступами для прокалывания почвы
Цель. Строительство новых железнодорожных путей, объектов инфраструктуры, ремонт и замена существующих подземных коммуникаций связаны с разработкой горизонтальных полостей в почве бестраншейным способом. Статичный прокол почвы рабочим органом с конусным наконечником является наиболее распространенным методом в практике формирования лидерной скважины при бестраншейной прокладке распределительных коммуникаций. Однако, в процессе выполнения проектных расчетов получения пилотной скважины и дальнейшего ее расширения к необходимым размерам остро стоит вопрос способов расчетов рабочих усилий. Существующие методики базируются на эмпирических зависимостях и экспериментальных коэффициентах, которые уменьшают точность подсчетов и увеличивают стоимость работ. Предлагается повысить точность и упростить процесс определения усилия прокалывания почвы коническим наконечником статичным способом Методика. В работе предлагается определение эквивалентного диаметра конического наконечника, который обусловлен диаметром скважины, и теоретический способ расчета оптимальных параметров грунтопрокалывающей головки с использованием известных параметров: типа почвы и ее влажности, которые определяются Державними буд1вельними нормами (ДБН). Результаты. Полученные теоретические исследования могут быть использованы с целью повышения эффективности рабочего оборудования для прокола почвы статичным методом при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций. Научная новизна. Авторами установлена зависимость эквивалентного диаметра основы конуса от диаметра цилиндрической части наконечника прокалывающей головки, которая позволяет устранить из процесса статичного прокалывания силы трения на боковой цилиндрической поверхности наконечника. Практическая значимость. Теоретические расчеты для определения оптимальных диаметров конического наконечника с выступами для прокалывания почвы позволили установить, что если диаметр конуса больше максимально-предельного диаметра скважины (грунтовой полости), то лобовое сопротивление конически-цилиндрического наконечника растет интенсивнее сопротивления цилиндрической части наконечника. Максимальное снижение усилия прокалывания имеет место для грунтовой полости, диаметр которой в 2 раза меньше максимально-предельного диаметра. При проведении расчетов по выбору размеров рабочих органов для прокалывания почвы исходными данными являются тип почвы и его характеристики по ДБН, а также влажность почвы, определенная традиционными способами.
Ключевые слова: теоретическая модель; бестраншейная технология; статический прокол почвы; инженерные коммуникации; прокалывающая головка; горизонтальная скважина
Наука та прогрес транспорту. В1сник Дншропетровського нацюнального ушверситету зал1зничного транспорту, 2017, № 4 (70)
НЕТРАДИЦШШ ВИДИ ТРАНСПОРТУ. МАШИНИ ТА МЕХАН1ЗМИ
S. V. KRAVETS1, O. P. POSMITJUKHA2*, V. M. SUPONYEV3
'Dep. «Building, Road, Reclamation, Agricultural Machinery and Equipment», National University of Water and Environmental Engineering, Nowak St., 77, Rivne, Ukraine, 33028, tel. +38 (0362) 63 55 80, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-4063-1942
2*Dep. «Applied Mechanics and Material Science», Dnepropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipro, Ukraine, 49600, tel. +38 (066) 150 95 00, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-9701-3873
3 Dep. «Build and Travelling Machines», Kharkiv National Automobile and Highway University, Tymurivtsi St., 3, Kharkiv, Ukraine, 61002, tel. +38 (057) 738 77 97, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-7404-6691
determining of the equivalent and optimum diameters of cone-cylinder tip with soil broaching spurs
Purpose. Building of new railway tracks and facilities, repair and replacement of existent underground utilities and communications is related to the receipt of horizontal cavities in soil by trenchless method. A static soil broaching with a working body with cone tip is the most widespread method in practice of forming a pilot hole at the trenchless laying of distributive communications. However, in the process of implementation of project calculations, receipt of pilot hole and subsequent expansion to the necessary sizes, there is a question of workings effort calculation methods. Existent methods are based on empiric dependences and experimental coefficients which diminish exactness of calculations and increase the cost of works. Methodology. The work proposes the dependence for determination of equivalent diameter of cone tip depending on the hole diameter and theoretical method for calculation of optimum parameters of soil broaching head using the well-known parameters: type of soil and its humidity, that determined by the State Construction Regulations (DBN). Findings. The results of the theoretical studies can be used to increase the efficiency of the working equipment for soil broaching by static method during trenchless laying of underground utilities and communications. Originality. The authors establish the dependence of the equivalent diameter of the cone base on the diameter of the cylindrical part of the broaching head, which allows for removal of the frictional force from the static broaching on the lateral cylindrical surface of the tip. Practical value. The obtained theoretical calculations for determining the optimal diameters of the cone tip with soil broaching spurs made it possible to establish that if the diameter of the cone is greater than the maximum diameter of the hole (soil cavity), then the frontal resistance of the cone-cylinder tip increases more intensively than the resistance of the cylindrical part of the tip. The maximum reduction in the broaching force takes place for a soil cavity whose diameter is 2 times smaller than the maximum limit diameter. When conducting the calculations regarding the choice of the size of working bodies for soil broaching, the source data include the type of soil, and its characteristics by DBN, as well as the moisture content of the soil determined by traditional methods.
Keywords: analytical model; trenchless technology; static soil broaching; utilities and communications; broaching head; horizontal holes
REFERENCES
1. Babych, Y. M., & Krus, Y. O. (2001). Mekhanika gruntiv, osnovy ta fundamenty [Manual]. Rivne: National University of Water and Environmental Engineering.
2. Vyalov, S. S. (1978). Reologicheskiye osnovy mekhaniki gruntov [Manual for build institutes of higher]. Moscow: Vysshaya shkola.
3. Yeshutkin, D. N., Smirnov, Y. P., Tsoy, V. I., & Isaev, V. L. (1990). Vysokoproizvoditelnyye gidropnevmaticheskiye udarnyye mashiny dlyaprokladki inzhenernykh kommunikatsiy. Moscow: Stroizdat.
4. Goldshteyn, M. N. (1979). Mekhanicheskiye svoystva gruntov: napryazhenno-deformirovannyye kharakter-istiki gruntov. Moscow: Stroizdat.
5. Osnovy ta fundamenty sporud. Osnovni polozhennia proektuvannia, DBN V.2.1-10-2009 (2009). Retrieved from http://dbn.at.ua/load/normativy/dbn/dbn_v21_10_2009/1-1-0-319
6. Dyakov, V. P. (1987). Usiliye vertikalnogo rezaniya pochvy. Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya selskogo kho-zyaystva, 4, 34-36.
7. Zemskov, V. M., & Sudakov, A. V. (2005). Analiz issledovaniya lobovogo soprotivleniya pri bestransheynoy prokladke truboprovodov metodom prokola. Izvestiya TulGU, Seriya Podemno-transportnyye mashiny i oborudovaniye, 6, 35-38.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
8. Kovanko, V. V., & Kovanko, O. V. (2008). Prokladannia liniino-protiazhnykh obiektiv na novii tekhnichnii osnovi. Bulletin of Engineering Academy of Ukraine, 158 (3-4), 158-162.
9. Kravets, S. V., Posmitjukha, O. P., & Suponyev, V. M. (2017). Analytical method for determining resistance immersing tapered tip in soil. Construction, Material Science, Mechanical Engineering. Series Lifting-transport, construction and road mashines and equipment, 103, 91-98.
10. Kravets, S. V., Kovanko., V. V., & Lukianchuk, O. P. (2015). Naukovi osnovy stvorennia zemleryino-yarusnykh mashyn i pidzemno rukhomykh prystroiv [Monograph]. Rivne: National University of Water and Environmental Engineering.
11. Kravets, S. V. (2008). Teoriia ruinuvannia robochykh seredovyshch. Rivne: National University of Water and Environmental Engineering.
12. Mikhelson, I. S. (2011). The definition of pressure in the ground at introduction of trenchless pining machine working tool. Vestnik Saratov State Technical University, 1 (52), 80-83.
13. Poltavtsev, I. S., Orlov, V. B., & Lyakhovich, I. F. (1977). Spetsialnyye zemleroynyye mashiny i mekhanizmy dlya gorodskogo stroitelstva. Kyiv: Budivelnyk.
14. Romakin, N. Y., & Malkova, N. V. (2006). Usiliye vnedreniya i optimalnyy ugol zaostreniya rabochego na-konechnika pri staticheskom prokole grunta. Construction and Road Building Machines, 10, 35-37.
15. Rubinshteyn, A. L. (1961). Gruntovedeniye, osnovaniya i fundamenty. Moscow: Selkhozgiz.
16. Suponev, V. N., Oleksin, V. I., & Khachaturyan S. L. (2016). Investigation of changes in the state of ground around the horizontal well while it is being made using the method of static puncture. Bulletin of Kharkiv National Automobile and Highway University, 73, 196-202.
17. Timoshenko, V. K. (1969). Opredeleniye formy nakonechnika, obespechivayushchey minimalnoye usiliye prokola. Stroitelstvo truboprovodov, 3, 18-20.
18. Allouche, E. N., & Ariaratnam, S. T. (2002). State-Of-The-Art-Review Of No-Dig Technologies for New Installations. Proceedings of the Pipelines Division Specialty Conference 2002. doi: 10.1061/40641(2002)55
19. Cohen, A., & Ariaratnam, S. T. (2017). Developing a Successful Specification for Horizontal Directional Drilling. Proceedings of the Pipelines 2017, 553-563. doi:10.1061/9780784480878.050
20. Najafi, M., & Ma, B. (Eds.). (2009). ICTPP 2009: Advances and Experiences with Pipelines and Trenchless Technology for Water, Sewer, Gas, and Oil Applications. American Society of Civil Engineers.
21. Najafi, M. (2012). Trenchless Technology: Planning, Equipment, and Methods (1st ed.). New York: McGraw Hill Professional.
22. Bian, Z. J. L. (2014). Trenchless Technology Underground Pipes (Chinese Ed.). Machinery Industry Press.
Статтярекомендована до друку д.т.н., проф. С. В. Ракшею (Украгна);
к.т.н., доц. I. А. Куликом (Украгна)
Надшшла до редколеги: 17.03.2017
Прийнята до друку: 22.06.2017
