Определение зоны разрушения мёрзлого грунта в забой газоимпульсным рыхлителем Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

д) стимулирование развития комплекса; е) учёт, анализ и контроль деятельности.

При управлении территориальным строительным комплексом необходимо добиваться максимального соответствия объекта и субъекта управления и, как следствие, повышения эффективности строительного производства, увеличения ввода в эксплуатацию строительных объектов и мощностей, следовательно, улучшения социального положения и роста благосостояния населения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Явлинский, Г. А. Социально-экономическая система России и проблема её модернизации. Дисс. ... д-ра эконом, наук. Автореферат http://www.yavlinsky.ru/said/articles/index.phtmI7i 6=2073).

2. Ушвицкий, Л. И. Конкурентоспособность региона как новая реалия: сущность, методы

оценки, современное состояние / Л. И. Ушвицкий,

B. Н. Парахина // Сборник научных трудов Сев-КавГТУ. Экономика. - Владикавказ : Северо-Кавказский гос. техн. ун-т. - 2005. - № 1. -

C. 1120.

3. Туменова, С. А. Структурная модель региональной экономики и проблемы конкурентоспособности региона / С. А. Туменова // Менеджмент качества и формирование стратегии развития экономических систем: сборник трудов. - СПб.: Изд-во политехи, ун-та, 2008. -616с.

Позмогова Светлана Борисовна, аспирант, старший преподаватель кафедры «Строительное производство и материалы» УлГТУ).

УДК 624.139

В. С. ИВКИН, С. В. МАКСИМОВ, А. С. ТИМОФЕЕВ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОНЫ РАЗРУШЕНИЯ МЁРЗЛОГО ГРУНТА В ЗАБОЙ ГАЗОИМПУЛЬСНЫМ РЫХЛИТЕЛЕМ

Для рыхления мёрзлого грунта газоимпульсным рыхлителем чаще всего применяется технологическая схема, когда рабочее оборудование располагается параллельно одной из двух обнажённых поверхностей массива грунта (рыхление в забой). Деформация рыхления происходит в одной плоскости (плоская деформация). Призма рыхления имеет треугольное очертание.

Предельные нагрузки для полуплоскости, ослабленной отверстием, находящимся под равномерным давлением, были использованы нами для определения предельного угла раскрытия призмы грунта разрушения, длины большей грани призмы рыхления.

Ключевые слова: мёрзлый грунт, газовый импульс, рабочий орган, призма рыхления.

В общем объёме строительных работ земляные работы занимают значительный удельный вес. Причём до 20% общего объёма земляных работ, производимых за год, приходится на разработку мёрзлых грунтов.

Из-за высокой прочности и абразивности мёрзлых грунтов стоимость их рыхления в не-

ф

сколько раз выше, чем стоимость производства земляных работ, выполняемых на немёрзлых грунтах.

Например, для копания траншеи большой протяжённости в мёрзлых грунтах наиболее эффективными продолжают оставаться роторные и цепные многорезцовые экскаваторы. Высокая проч-

© Ивкин В. С., Максимов С. В., Тимофеев А. С., 2011

ч

ность и абразивность (изнашивающая способность) мёрзлых грунтов приводят к тому, что если в немёрзлых грунтах режущие зубья многорезцовых экскаваторов выдерживают отрывку 12-И 5 километров траншеи, то даже в конструкции роторного экскаватора ЭТР-253, специально запроектированного для работы в условиях Севера России, работоспособность режущих зубьев не превышает 800+1000 метров, то есть 3+4 часа работы экскаватора. Важной характеристикой замёрзших грунтов является их отрицательная температура.

Твёрдые минеральные частицы грунта, слабо евзанные между собой в немёрзлом состоянии, вследствие отрицательной температуры цементируются льдом. Грунт превращается в сплошной и прочный монолит. Мёрзлые грунты из-за наличия в них льдоцементных связей и при

сохранении отрицательной температуры являются прочными природными образованиями. Однако при повышении и понижении их температуры (даже в области отрицательных температур) происходят существенные изменения прочностных свойств грунтов.

Пористость - характерное свойство замёрзших грунтов, значительно влияющая на сопротивление механическому воздействию.

Вследствии 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.

В общем случае мёрзлый грунт является че-тырёхфазным природным образованием, состоящим из:

® твёрдых минеральных частиц;

• льда-цемента;

• незамёрзшей и прочносвязанной воды;

® газообразных компонентов, находящихся в порах и пустотах грунта.

Наличие пор (пустот) определяет физическое состояние мёрзлых грунтов и особенно механическое поведение (уплотняемость), сопротивление сдвигу, разрыву при внешних воздействиях.

Сложность и высокая энергоёмкость разработки мерзлых грунтов связана с высокой их прочностью.

Снижение энергоёмкости копания (рыхления) мёрзлых грунтов возможно лишь на основе создания более эффективных конструкций рыхлителей, использования прнципиально 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 [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7].

Условно работу газодинамического рыхлителя можно разделить на две фазы:

* фаза завинчивания (доставка газового импульса на глубину рыхления);

• фаза отрыва грунта от массива за счёт деформации сдвига и разрыва при подводе в зону рыхления 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 недогруженный массив в осевом и радиальном направлениях, в результате чего рабочий орган плотно обжимается уплотнённым грунтом.

Несмотря на то, что наиболее энергоёмкими являются процессы вдавливания и сжатия

А

Рис. 1. Расчётная схема для определения размеров призмы грунта разрушения

мёрзлого грунта, которые при его разрушении исключить невозможно, завинчиванием рабочего органа создаются микротрещины, ослабляется монолит, появляется «сетка повреждений», происходит подготовка ко второй фазе - отрыв 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. Процесс рыхления мёрзлого грунта газоимпульсным рыхлителем 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, рис. 1);

• рабочее оборудование газодинамического рыхлителя располагается перпендикулярно поверхности массива разрабатываемого грунта.

Взаимодействие газодинамического рыхлителя с мёрзлым грунтом в забой геометрически сходно с условиями напряжённого состояния массива в области, которая ограничена окружностью, нагруженной равномерным давлением, и кромкой забоя (см. рис. Г).

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 (рис. 1).

Этот класс задач носит название - «плоская задача теории упругости, плоская деформация». Пусть длина рабочего органа газодинамического рыхлителя в направлении одной из осей координат, например, оси 2, велика, все разрушающие нагрузки лежат в плоскости «ХОУ», перпендикулярно оси Ъ , и закон их распределения не меняется с изменением 7. (рис. ]).

Деформация происходит лишь в плоскостях, параллельных плоскости «ХОУ». Отсюда и возникло название плоская деформация.

При решении плоской задачи теории упругости в нашем случае заданы (см. рис.1):

® го - радиус винтовой лопасти газодинамического рыхлителя;

• физические величины, характеризующие прочностные свойства мёрзлого грунта:

а) 0Р- прочность мёрзлого грунта на разрыв;

б) с0 - сцепление грунта, которое равно разрушающему напряжению при чистом сдвиге;

в) ф - угол внутреннего трения грунта;

© Р - давление сжатого воздуха, воспринимаемое мёрзлым грунтом в начальный период разрушения.

Нам нужно найти напряжения в массиве мёрзлого грунта от заданного газового импульса,

так как знание их позволит оценить возможность его разрушения (рыхления) [ 8 ].

Составляющие главных напряжений от заданного газового импульса [ 8 ] определяются по формулам (1), (2), (3)

а + а у_i. — р2

Л г

eos 20,

eos 20. eos 20.

-L+ -■

- X

о

eos 29.

(О

<7 v- Сг v

= Р2

eos 20, eos 2

+

г;

- 2Х

г

\

eos 30t

4-

+ eos 30,

+ X

о

IX

r eos 30. eos 30,Л

4.

Г,

/

(2)

JTV

= - p1

sin 20, sin 20,

-—+-г—-

r;

-2X

sin 30,

+

ч T

+ sin 20

r.

/

+ X

o

2 X

/

\

sin 30. sin 30,

r,

/

(3)

где Р - давление, воспринимаемое грунтом в начальный период разрушения. Принимается равным давлению в рабочей камере перед её разрядкой:

уу+<*х - полусумма наибольшего и наимень-

2

шего главных напряжений;

<гу-<гх - полуразность наибольшего и наи-

меньшего главных напряжений;

т., - напряжение сдвига в грунте;а - расстоя-

ху

ние до радикальной оси, величина которого численно равна отрезку касательной, проведённой из

начала координат к окружности радиусом г(); г. - радиус окружности, воспринимающий

давление сжатого газа. Принимается равным радиусу винтовой лопасти рыхлителя;

X - расстояние от кромки забоя до точки

«М»;

0 = / - расстояние от кромки забоя до оси рыхлителя, которое определяется по формуле [8]:

(4)

где <j¡, - прочность мёрзлого грунта на разрыв.

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

• , (5)

7----= sin (р

(o-y+ax] + 2C0ctg(p

где {av-(Jx^ - разность наибольшего и наименьшего главных напряжений, которая определяется из уравнения (2);

(У + сг^ - сумма наибольшего и наименьшего главных напряжений, которая определяется из уравнения (1);

Са - сцепление грунта, которое равно разрушающему напряжению при чистом сдвиге. Это напряжение может быть определено по формуле (3);

Ф - угол внутреннего трения грунта.

Внутренним трением грунта называется свойство грунта необратимо поглощать механическую энергию, полученную грунтом при его деформации.

Угол внутреннего трения грунта определяется из уравнения (5), которое после математических преобразований примет вид

2Со + ,

ctg =

(av-a,)2-4C02

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

у -45°-— .

2

<Р

(7)

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

у = 180°-

45°-

V

2 /

N

4S0 —— ч " - /

(Ю

у = 90°+ф , (9)

где ср - угол внутреннего трения грунта, который определяется из зависимости (6).

Из рисунка 1 видно, что тангенс половины угла раскрытия призмы грунта разрушения равен:

у АО И2

(8~ = 2 ОБ

1Р + г0

(10)

где Ь - размер большей грани призмы грунта разрушения;

1}> - расстояние от кромки забоя до оси рыхлителя, определяемое по формуле (4);

г0=П/ 2 - радиус винтовой лопасти рыхлителя газодинамического действия;

О - диаметр винтовой лопасти рыхлителя газодинамического действия.

Из формулы (10) следует, что размер Ь большей грани призмы грунта разрушения равен:

У

L = 2(lF+r0)tg| .

(П)

ВЫВОДЫ

1. Сложность и высокая энергоёмкость разработки мёрзлых грунтов связана с высокой их прочностью.

Снижение энергоёмкости копания (рыхления) мёрзлых грунтов возможно лишь на основе соз-

дания более эффективных конструкций рыхлителей, использования принципиально новых способов воздействия на грунт как разрыхляемую среду [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7].

Помимо свойств и состояния мёрзлого грунта на процесс рыхления будет оказывать форма и размеры рабочего органа, положение его относительно поверхности массива разрабатываемого грунта.

Процесс рыхления мёрзлого грунта газо-имульсным рыхлителем чаще всего сводится к схеме расположения рабочего оборудования параллельно одной из двух обнажённых поверхностей массива грунта (рыхление мёрзлого грунта в забой).

Взаимодействие газоимпульсного рыхлителя с мёрзлым грунтом в забой сходно с условиями напряжённого состояния массива в области, которая ограничена окружностью, нагруженной давлением сжатого воздуха, и кромкой забоя. Деформация рыхления происходит в одной плоскости, плоская деформация.

2. Установленные теорией упругости и механикой грунтов предельные нагрузки для полуплоскости, ослабленной отверстием, находящимся под равномерным давлением, были использованы для изучения механизма разрушения грунта газоимпульсным рыхлителем [8].

Рыхление грунта происходит под действием давления сжатого воздуха, величина которого принималась равной давлению в рабочей камере перед её разрядкой. Призма рыхления имеет треугольное очертание. Были найдены:

• предельный угол раскрытия призмы грунта разрушения;

© длина большей грани призмы рыхления.

3. Основными предпосылками к эффективно-ч му использованию нового оборудования . для

производства зимних земляных работ являются следующие:

® начало рыхления мёрзлого грунта начинается не с поверхности, где прочность максимальная, а с глубины разрушаемого массива, г де прочность ниже;

• энергия сжатого воздуха передаётся непосредственно разрыхляемому грунту, который можно рассматривать как материал, обрабатываемый действием газового импульса. Рыхление мёрзлого 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 мёрзлом грунте.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Пат. №2209891 Российская Федерация, МПК 7Е 02Б5/32 Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - №2002110492/03; заявл. 19.04.2002; опубл. 10.08.2003, Бюл. №22. - 12 с.

2. Пат. №2231601 Российская Федерация, МПК 7Е 02Р5/30 Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин, В. С. Щеликалин; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. -№2003108241/03; заявл. 25.03.2003; опубл. 27.06.2004, Бюл. №18.-16 с.

3. Пат. №2236514 Российская Федерация, МПК 7Е 02Б5/32 Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин, Е. К. Кузьмин; заявитель и патентообладатель Ульян., гос. техн. ун-т. -№2003116529/03; заявл. 03.06.2003; опубл.

20.09.2004, Бюл. №26. - 15 с.

4. Пат. №2244784 Российская Федерация, МПК 7Е 02Б5/32 Газодинамический рыхлитель /

B. С. Ивкин, Е. К. Кузьмин; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. — №2003130251; заявл. 10.10.2003; опубл.

20.01.2005, Бюл. №2.-11 с.

5. Пат. №2252989 Российская Федерация, МПК Е02Р5/32. Устройства для разрушения прочных и мёрзлых грунтов/ В. С. Ивкин, В. В. Морозов; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - №2004106179/03 заявл. 02.03.2004; опубл. 27.05.2005, Бюл. №15. - 12 с.

6. Пат. №2256751 Российская Федерация,

УДК 908 : 338.45:69

C. Б. ПОЗМОГОВА, Н. В. КОЧЕТОВА

МПК E02F5/32, Устройство для разрушения прочных и мёрзлых грунтов/ Ульян, гос. техн. ун-т. - №2004112155/03; заявл. 20.04.2004; опубл. 20.07.2005, Бюл. №20. - 12 с.

7. Пат. №2276235 Российская Федерация, МПК E02F5/32. Устройство для разрушения прочных и мёрзлых грунтов/ В. С. Ивкин, В. В. Морозов; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т.-№2004118762; заявл. 21.06.2004; опубл. 10.05.2006, Бюл. №13.-21 с.

8. Ивкин, В. С. Выполнение зимних земляных работ газодинамическим рыхлителем / В. С. Ивкин, С. В. Максимов, А. Д. Ефремов // Вестник УлГТУ. - 2010. - №1. - С.66-72.

Ивкин Валерий Семёнович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ. Максимов Сергей Валентиновичу доктор технических наук, заведующий кафедрой «Строительное производство и материалы» УлГТУ. Имеет монографии, учебник, учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области строительных материалов. Тимофеев Андрей Сергеевич, студент 5 курса УлГТУ.

МИНЕРАЛЬНО ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС В ТЕРРИТОРИАЛЬНОЙ ЭКОНОМИКЕ

Рассмотрена проблема использования продукции минерально-производственного комплекса не-металлических полезных ископаемых территориальными строительными предприятиями и её реализация за пределами региона.

Ключевые слова: разведочные, эксплуатационные работы, неиспользуемые ресурсы, предприятия промышленности строительных материалов.

В ходе коренных социально-экономических преобразований заметно усилился интерес субъектов Российской Федерации к местному минерально-сырьевому потенциалу, определяющийся, главным образом, пониманием его зпачимо-

© Позмогова С. Б., Кочетова Н. В., 2011

сти как одной из фундаментальных основ регионального развития. Интерес этот ещё более обострился на фоне резко возросших и продолжающих расти транспортных тарифов, существенно ограничивших возможности удовлетворения спроса потребителей минерального сырья и получаемой из него продукции за счёт закупок в других регионах России, а тем более за рубежом.