CC BY
23
ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
УДК 624.132.3
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ВНЕДРЕНИЯ ВИНТОВЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ НА НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ПРОКОЛА ГРУНТА
С.М. Вивчар, асп., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Приведены результаты анализа конструкций винтовых грунтопрокалывающих рабочих органов, с целью их применения при горизонтальном проколе грунта. Выявлены закономерности процессов начального этапа внедрения рабочих органов в грунт. Определены наиболее выгодные конструкции винтовых рабочих органов с точки зрения приложения к ним напорных усилий для начала процесса их завинчивания.
Ключевые слова: бестраншейные технологии, инженерные коммуникации, горизонтальная скважина, винтовой рабочий орган, прокол грунта.
ОСОБЛИВОСТ1 ПРОЦЕС1В ЗАГЛИБЛЕННЯ ГВИНТОВИХ РОБОЧИХ ОРГАН1В НА ПОЧАТКОВ1Й СТАД11 ПРОКОЛУ ГРУНТУ
С.М. В1вчар, асп., Харк1вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотац1я. Наведено результати анал1зу конструкцт гвинтових грунтопроколювальних робо-чих оргатв, з метою ix застосування при горизонтальному проколi грунту. Виявлено закон OMi-pnocmi процеав початкового етапу заглиблення робочих оргатв у грунт. Визначено найбтьш euzidm конструкци гвинтових робочих оргатв з точки зору прикладення до них натрних зусиль для початку процесу ix загвинчування.
Ключов1 слова: безтраншейт технолога, тженерт комуткацП, горизонтальна свердловина, гвинтовий робочий орган, прокол грунту.
FEATURES OF PROCESSES OF INTRODUCING SCREW BLADE WORKING TOOLS AT THE ONSET OF SOIL THRUST BORING
S. Vivchar, P. G., Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. Results of analysis of structures of screw thrust boring working bodies with a view to their use in horizontal soil thrust are suggested. Regularities of the processes of initial phase of the working bodies introduction into the soil are revealed. The most advantageous design of screw blade working bodies from the point of view of the application of pressure thereto efforts to begin the process of screwing is determined.
Key words: trenchless technologies, service lines, horizontal well, screw blade working tool, soil thrust.
Введение
Создание эффективных, мобильных и энергосберегающих установок для прокола грун-
та особенно актуально в период массовой стройки и реконструкции городов. Авторами работ [1, 2] предложены оригинальные технические решения и технологии с использо-
ванием установок для прокола грунта винтовыми рабочими органами. Однако для их массового применения необходимо провести детальное исследование рабочих процессов формирования горизонтальной скважины не только на основной стадии (перемещение рабочего органа в грунте), но и на начальной стадии (внедрение в массив грунта).
Анализ публикаций
В работах [3, 4] анализируются процессы погружения винтовых свай и якорей в различных грунтовых условиях. В работах [5, 6] даются математические зависимости для определения осевых сил и моментов сопротивления погружению винтовых рабочих органов. Однако эти процессы рассматриваются после внедрения свай в массив грунта. При этом для создания осевой силы пригруза используется вес сваи и механизма погружения.
Цель и постановка задачи
Целью данной работы является установление закономерностей начального внедрения в массив грунта винтового рабочего органа при формировании горизонтальной скважины, на основании которых предлагается ис-
пользовать рациональную конструкцию рабочего органа.
Особенности процессов внедрения винтовых рабочих органов
Особенностью предлагаемой установки для прокола грунта с использованием винтового рабочего органа является то, что для упрощения конструкции и снижения ее массы в ней отсутствует механизм осевой подачи рабочего органа (рис. 1).
Для продольного перемещения привода 1 совместно с рабочим органом 2 предусмотрены продольные направляющие 3 и, по крайней мере, четыре роликоопоры 4. Крутящий момент Мкр передается на винтовой рабочий орган при помощи штанг 5. Поскольку в конструкции установки отсутствует механизм осевой подачи рабочего органа, то очевидно, что для появления тянущей силы от пары «винтовая лопасть-грунт» первоначально необходимо как-то внедрить его в массив грунта.
Из практики применения винтовых свай и якорей в строительстве [3] наибольшее применение находят следующие конструкции винтовых рабочих органов (рис. 2).
Рис. 2. Основные конструкции винтовых рабочих органов: а - с коническим наконечником и винтовой навивкой на нем; б - с коническим наконечником и одновитковой винтовой лопастью; в - со скошенным наконечником и одновитковой винтовой лопастью
Определение требуемых осевых усилий для статического внедрения для конических наконечников в различных грунтовых условиях проводилось многими исследователями [7-10]. Результаты расчетов осевого сопротивления грунта по полученным ими зависимостям представлены на рис. 3.
Рис. 3. Зависимости усилий прокола грунта от диаметра конусного наконечника: 1 -
A.С. Вазетдинов; 2 - Н.Е. Ромакин; 3 -
B.К. Тимошенко; 4 - В.Б. Орлов
Закономерности погружения в грунт наконечников со скошенной поверхностью после заполнения грунтом внутренней поверхности ствола практически совпадают с погружением конического наконечника. Максимальное осевое сопротивление наконечника с открытой полостью можно представить как:
F = «DÍz£
ос 4
• sin а,
(1)
где Dтp - наружный диаметр трубы; Нвн -
внутренний диаметр трубы; а - угол резания; асм - напряжение смятия грунта.
Начальный процесс внедрения зависит от угла скоса и представлен на рис. 4. Данные рис. 3, 4 наглядно показывают, что для традиционных конструкций прокалывающих рабочих органов с диаметром 40-65 мм, согласно [11], усилие осевой подачи должно быть в пределах 4-12 кН. Такие осевые усилия нельзя обеспечить за счет мускульной силы человека. Поэтому целесообразность поиска эффективного технического решения данного вопроса очевидна.
Исследователями [12] установлено, что за счет вращения конического или скошенного рабочего органа это усилие можно умень-
шить в 1,5-2,0 раза. Этот эффект может быть использован при решении поставленной задачи.
0 %, min 100 %, max
Относительное погружение наконечника в поверхностный слой, Hmin...Hmax
Рис. 4. Зависимости требуемой осевой силы пригруза для внедрения в массив грунта ствола со скошенной головкой и стволом d = 65 мм: 1 - наконечник с углом скоса 30°; 2 - наконечник с углом скоса 45°; 3 - наконечник с углом скоса 60°
Заслуживает внимания техническое решение конструкции винтовой сваи [3], согласно которому первоначально в массив грунта внедряется свая с меньшим диаметром ствола, которая затем создает тянущую силу для основной сваи.
Возможные технические решения по снижению осевого напорного усилия также представлены на рис. 5.
На рис. 5, а представлена конструкция ступенчатой прокалывающей головки с конусной навивкой, которая обеспечивает не только тянущую силу для завинчивания основной лопасти, но и повышает точность прокола грунта по заданной траектории.
На рис. 5, б представлена технология внедрения прокалывающей головки с конусной винтовой навивкой со стартовой скважины.
Для определения минимальной глубины внедрения винтового наконечника, достаточной для начала завинчивания без внешнего осевого напорного усилия, можно воспользоваться следующей зависимостью [4]
l =
D - t-т
16 - M - tg2а
где D - диаметр лопасти; t - шаг лопасти; т - удельное сопротивление грунта срезу; М - наибольший момент завинчивания рабо-
чего органа; а конуса.
угол, равный половине угла
Рис. 5. Конструктивные решения для снижения требуемого осевого усилия внедрения: а - ступенчатая конструкция прокалывающей головки с конусной винтовой навивкой; б - прокалывающая головка с конусной винтовой навивкой и стартовая скважина
Для проверки работоспособности технических решений были изготовлены соответствующие конструкции рабочих органов (рис. 6) и экспериментальная установка, позволяющая реализовать технологию прокола с применением винтового рабочего органа.
Винтовым рабочим органом 1 моделировался процесс прокола грунта 1-й ступени двухступенчатого рабочего органа. Диаметр его ствола составил 25 мм и максимальный диаметр лопасти - 68 мм. Винтовой рабочий орган 2 соответствовал второй ступени. Диаметр ствола был равен 50 мм, а лопасти -116 мм.
Рис. 6. Экспериментальные модели винтовых рабочих органов
Напорное усилие определялось с помощью динамометра ДОСМ-3-1У 5094 с предельным усилием сжатия 1 кН.
Экспериментальные исследования, проведенные на полигоне HI II I «Газтехника», подтвердили работоспособность конструкций как винтовых рабочих органов, так и установки в целом. Для стартового внедрения предлагаемого двухступенчатого винтового рабочего органа в массив грунта оказалось достаточно прижимного усилия от оператора установки, которое составило Foc « 300-400 H. Во время внедрения в массив грунта винтового рабочего органа с разработкой стартовой скважины напорное усилие составило Foc « 100-200 H.
Выводы
Конструктивные особенности винтовых рабочих органов влияют как на силовые и энергетические параметры основного процесса прокола грунта, так и на параметры стартового внедрения в массив грунта.
Использование ступенчатых винтовых прокалывающих рабочих органов позволяет обеспечить внедрение и дальнейшее перемещение основного винтового рабочего органа без дополнительного механизма осевой подачи.
При больших размерах прокалывающего винтового рабочего органа целесообразно применение стартовой скважины с диаметром, равным диаметру ствола рабочего органа.
Литература
1 Пат. 111733 Украша, МПК Е21В 10/22. Установка з гвинтовим грунтопроколю-ючим робочим органом для безтран-шейно1 прокладки шдземних ко-мушкацш / Пенчук В.О., Сщак B.C., Су-понев В.М., Олексин B.I., Шукш О.В., В1вчар С.M.; заявник i патентовласник Харювський нац. автомоб.-дорожнш ун-т. - № U201604141; заявл. 15.04.2016; опубл. 25.11.2016. Бюл. №22. 2. Пат. 109838 Украша, МПК Е21В 10/44. Пристрш для безтраншейно1 прокладки шженерних комушкацш / Пенчук В. О., Супонев В.М., Олексин B.I., Шукш О.В., В1вчар С.M.; заявник i патентовласник Харювський нац. автомоб.-
дорожнш ун-т. - № u201602392; заявл. 12.03.2016; опубл. 12.09.2016. Бюл. №17.
3. Пенчук В. А. Винтовые сваи и анкера для
опор: монография / Пенчук В.А. - Донецк: Ноулидж. - 2010. - 180 с.
4. Лозовой Д. А. Разрушение мерзлых грун-
тов / Д.А. Лозовой. - Изд. Сарат. ун-та, 1979. - 184 с.
5. Железков В.Н. Винтовые сваи в энергети-
ческой и других отраслях строительства / В.Н. Железков. - С.Пб.: Прагма, 2004. -128 с.
6. Ромакин Н.Е. Сопротивление завинчива-
нию винтовой сваи в грунт / Н.Е. Ромакин, C.B. Лебедев // Строительные и дорожные машины. - 2011. - №9. - С. 37-42.
7. Вазетдинов A.C. Опыт определения уси-
лий внедрения и местоположения в грунте головного снаряда при проколе /A.C. Вазетдинов // Водоснабжение и санитарная техника. - 1958. - №1. -С.21-26.
8. Ромакин НЕ. Усилие внедрения и опти-
мальный угол заострения рабочего наконечника при статическом проколе грунта / НЕ. Ромакин, Н.В. Малкова // Строительные и дорожные машины. -2006. - № 10. - С. 35-37.
9. Тимошенко В.К. Определение формы
наконечника, обеспечивающей минимальное усилие прокола / В.К. Тимошенко // Строительство трубопроводов. - 1969. - №3. - С. 18-20.
10. Полтавцев И. С. Специальные землеройные машины и механизмы для городского строительства / И.С. Полтавцев, В.Б. Орлов, И.Ф. Ляхович. - К.: Бущвельник, 1977. - 136 с.
11. Пенчук В. А. Точность и управление трае-
кторией прокола грунта / В. А. Пенчук, В.Н. Гусаков, В.Н. Супонев, С.М. Ви-вчар, С.П. Балесный // Нов1 технологи в будавництю. - 2015. - № 29.- С.18-22.
12. Балесный С.П. Экспериментальный комплекс для исследования процесса прокола грунта с коррекцией траектории движения / С.П. Балесный // Строительство. Материаловедение. Машиностроение. -2016. - № 88. - С. 131-137.
Рецензент: И.Г. Кириченко профессор, д.т.н., ХНАДУ.
