Вариант расчета глубины рыхления мерзлого грунта газодинамическим рыхлителем Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 624.139

С. В. МАКСИМОВ, В. С. ИВКИН, Ю. Ю. БАРАНОВА

ВАРИАНТ РАСЧЁТА ГЛУБИНЫ РЫХЛЕНИЯ МЁРЗЛОГО ГРУНТА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ РЫХЛИТЕЛЕМ

Установлены закономерности разрушения мёрзлого грунта газодинамическим рыхлителем, в соответствии с которым выведено уравнение для расчёта глубины рыхления в зависимости от приведённой работы газового импульса, числа обнажённых поверхностей и прочностных характеристик грунта.

Ключевые слова: мёрзлый грунт, глубина рыхления, приведенная работа газового импульса, прочностные характеристики, число поверхностей, давление сжатого газа, рыхление в забой.

Высокая эффективность процесса разрушения мёрзлых грунтов газодинамическим рыхлителем [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7] достигается за счёт комбинированного воздействия рабочего оборудования на среду: механического, заключающегося в создании напряжённого состояния и образования начальных трещин в зоне выхлопных отверстий при завинчивании рыхлителя в грунт, и пневматического, заключающегося в поршневом, расклинивающим действии газов на начальные трещины, что способствует дальнейшему раскрытию трещин и отделению грунта от массива. Зависимость глубины рыхления мёрзлого грунта газодинамическим рыхлителем от приведённой работы газового импульса даны на рисунке 1.

Ир

Мёрзлый грунт представляет неоднородную среду, вследствие чего в нём всегда имеются микродефекты, которые являются местами зарождения микротрещин. Причём степень их раскрытия, т. е. степень развития сети трещин при конечной скорости их движения, будет определена продолжительностью существования напряжённого состояния и начальными размерами трещин. В нашем случае длительность напряженного состояния или длительность импульса нагружения должна быть равна времени полного раскрытия основных лидерных трещин, что в свою очередь определяется расходом воздуха через выхлопные отверстия.

с.

2,4/ 3,210* 4,НО1 4,8-192 5,НО* ОД-М2

Приведенная шт» газодинамического импуама , цж

Рис. 1. Зависимость глубины рыхления от приведенной работы газодинамического импульса В. Максимов, В. С. Ивкин, Ю. Ю. Баранова, 2007

Сагдинок с

КАМЕНИСТЫМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ 4оу0 СО = 27 р/«

Ггр - 1,7 г/см3

Кое=1,0; К<*)" 1,0

Образующиеся в грунте в процессе завинчивания надрезы от винтовой лопасти являются концентратами напряжений. Поэтому разрушение в начальной фазе происходит в результате увеличения размеров трещин в основании надрезов от винтовой лопасти рыхлителя. В дальнейшем происходит частичная переориентация направления развития трещин и раскрытие их в направлении подвижки грунта. Этот факт переориентации трещин находится в соответствии с положением теории трещин, согласно которому направление движения трещины в неоднородном поле растягивающих напряжений происходит в направлении градиента растягивающих напряжений, а поскольку растягивающие напряжения действуют в сторону подвижки грунта больше, чем напряжения в сторону безграничного массива, то это вызывает переориентацию трещин.

В связи с тем, что взаимодействие рабочего органа с мёрзлым грунтом в процессе завинчивания и рыхления представляет собой комплекс сложных явлений, характеризующихся наличием большого количества взаимосвязанных величин, строгое теоретическое исследование представляет задачу значительной трудности. Поэтому для достижения поставленной цели, решение велось по результатам экспериментальных исследований.

На эффективность работы рыхлителя значительное влияние оказывают следующие параметры:

а) геометрические параметры рабочего оборудования: диаметр штанги, площадь проходного сечения рабочего органа, диаметр винтовой лопасти, количество и диаметр выхлопных отверстий;

б) физико-механические свойства грунта;

в) работа газодинамического импульса.

Экспериментальные исследования показали,

что глубина рыхления зависит от приведённой работы газового импульса и прочностных характеристик грунта (см. рис. 1).

При постоянной ёмкости рабочей камеры и давления в ней с изменением площади проходного сечения будет меняться и время истечения, а, следовательно, и мощность газового импульса.

Для сравнения работы экспериментальных образцов газодинамических рыхлителей введём понятие приведённой работы газового импульса.

(1)

л - газ Апр~

где Ага, - работа, совершаемая сжатым воздухом при адиабатическом расширении и идущая на разрушение грунта.

А

газ

Р-У к -1

к-1

1-

/

Рл

\

\

/

(2)

Здесь Р - давление сжатого воздуха в рабочей камере;

Р] - конечное давление расширяющегося воздуха; к - 1,41 — показатель адиабаты.

Длительность процесса разрушения мёрзлого грунта импульсом высокого давления будет меньше времени истечения газа из рабочей камеры, так как традиционные газоимпульсные устройства работают в режиме полной разрядки в атмосферу. Часть энергии импульса после окончания фазы разрушения рассеивается в атмосферу. Возникает необходимость регулирования времени, в течение которого рабочая камера сообщена с выхлопными отверстиями. Однако такая постановка вопроса является упрощённой в связи с тем, что продолжительность процесса разрушения, определяемая реальными грунтовыми условиями, величина не постоянная и может изменяться в зависимости от их изменения.

Все перечисленные факторы усложняют проведение точной оценки продолжительности фазы разрушения, а в отдельных случаях, например, при наличии трещин и пустот в грунте, полностью исключают возможность правильного определения этого параметра.

На всём протяжении цикла разрушения мёрзлого грунта скорость истечения газа из выхлопных отверстий рабочего органа является переменной величиной и является функцией противодавления той среды, в которую происходит истечение. На фазе раскрытия трещин противодавлением среды является давление в образующейся перед выхлопными отверстиями полости в грунте, которое в общем случае не является постоянной величиной. Оно изменяется от максимального значения, равного в момент формирования полости разрушения давлению в рабочей камере Р, до минимального значения, равного пределу прочности грунта на растяжение стг

в момент выхода лидерных трещин на поверхность разрушаемого массива.

Правильно подобранная жёсткость пружины, фиксирующая положение нормально-закрытого клапана, позволяет снизить непроизводительные утечки газа при работе газодинамического рыхлителя.

Аккумулированная в рабочей камере энергия газа при взаимодействии с грунтом затрачивается:

I) на разрушение фунта и сопровождается падением давления в рабочей камере от Р, до <тр ;

2) на частичную фильтрацию газа из рабочей камеры через раскрывающиеся трещины в грунте, которая сопровождается падением давления в

рабочей камере от сгр до остаточного давления р

1 ост•

Величина остаточного давления Рост в рабочей камере определяется моментом срабатывания клапана на закрытие и характеризует остаточную энергию газа в рабочей камере. Поэтому В формуле (2) следует принять Р\ = Рост-

Величина остаточного давления в рабочей камере контролируется оператором по показаниям манометра. Остаточное давление воздуха при разрядке рабочей камеры газодинамического рыхлителя всегда выше атмосферного. Поэтому мы будем иметь экономию аккумулированной в рабочей камере рыхлителя энергии сжатого воздуха.

В формуле (1) коэффициент Ки учитывает изменение мощности газового импульса для рабочих органов или масштабных моделей рабочих, площади проходных сечений которых отличаются от эталонной площади.

Е.

КМ ~

эт

к

(3)

факт

где Рэт = 214,4 мм2 - площадь проходного сечения рабочего органа, принятого за эталон;

Рфакт ~ фактическая площадь проходного сечения рабочего органа или масштабной модели рабочего органа.

Площадь проходного сечения рабочего органа газодинамического рыхлителя зависит от внутреннего диаметра седла клапанного механизма и диаметра трубки, подводящей сжатый воздух в камеру управления и отводящей сжатый воздух из камеры управления.

г2 ж/.2

факт

_ пхі'с

тр

4 4

где (]с - внутренний диаметр седла клапанного механизма газодинамического рыхлителя; с1,„р - наружный диаметр трубки, подводящей сжатый воздух в камеру управления и отводящий воздух из камеры управления.

По результатам экспериментальных исследований был построен график зависимости глубины рыхления (с максимальным объёмом разрушения) от приведённой работы газового импульса. Рыхление грунта проводилось без заранее подготовленного забоя, с поверхности, когда имелась только одна свободная поверхность, на которую выбрасывался фунт из воронки разрушения (см. рисунок 1). Прочностные характеристики грунта замерялись динамическим плотномером ДорНИИ, определялось число ударов «С».

На рисунке 1 имеются два характерных участка: криволинейный и близкий к прямолинейному.

При малых величинах приведённых работ газодинамического импульса глубина рыхления определяется по криволинейному участку графика, который в общем виде может быть описан уравнением:

г /

•КгР

К

нкр=н +

V О

СО

уд

аА \ ”Р

+ сА2 +вА3

пр

пр

К

,(5)

об

где Н0 - наименьшая глубина от выхлопных отверстий до дневной (свободной) поверхности, при которой начинается рыхление грунта.

Я 0 = (1,0 + 2,0 )£>, (6)

где £) - диаметр винтовой лопасти газодинамического рыхлителя.

При глубине Н0 наблюдалось явление «прострела» грунта, которое заключалось в том, что сжатый воздух успевал истекать из разрядной втулки, не производя рыхления, или вышибалась земляная пробка диаметром, приблизительно равным диаметру винтовой лопасти газодинамического рыхлителя.

В формуле (5):

К гр - коэффициент, определяющий удель-

уд

ную сопротивляемость мёрзлых грунтов разрушению, в зависимости от температуры;

К - коэффициент, характеризующий сни-

СО

жение приведённой работы на разрушение мёрзлых грунтов, при влажности, отличной от полной естественной влагоёмкости;

К — коэффициент, учитывающий количе-

об

ство обнажённых поверхностей:

К = 1,0 - при рыхлении грунта с поверхно-

об

сти, в «целик»;

К = 0,7 - при рыхлении грунта в заранее

подготовленный забой;

«а, с, в» - коэффициенты, характеризующие характер изменения кривой криволинейного участка графика (см. рис. 1).

I

Если в уравнении (5) принять К гр = 1,0;

Уд

К = 1,0; К = 1,0, то получим уравнение

со об

кубической параболы:

Н = // + о А + сА + вА .

р о р р р

(7)

Коэффициенты «а, с, в» были нами найдены после составления и решения трёх уравнений типа (7):

<7 = 5,8; с = — 0,16; 6 = 0,0015.

При этом принималось:

Апр - переменная величина;

Н0 = 90 мм.

После подстановки в уравнение (5) цифровых значений коэффициентов «а, с, в» получим:

Нкр=Н + Р 0

/

/ / к ■ к гр

со уд

5,8А - 0,16А +

пр пр

\

\

+ 0,0015Л

пр

\

/К

об

(8)

Глубина рыхления на втором участке графика (см. рис. 1) может быть определена из уравне-

ния:

Нкр - Н + р 0

К ■ К гр ■ Ап а> уд пр

К

(9)

об

где п = 0,5 - показатель степени, определяющий форму степенного слагаемого данной кривой.

В ходе экспериментов было установлено, что при рыхлении грунта в забой объём разрушения имеет максимальное значение, если рабочий орган от стенки забоя установлен на расстоянии

/,=(1,1+ 1,2 )Н„, (10)

где Н - глубина рыхления.

При расстоянии рабочего органа до стенки забоя Iр < Нр объём разрушения уменьшался.

В этом случае увеличивалась дальность отброса грунта в сторону открытой стенки забоя. При

расстоянии / = (1,5 -г-1,8)// наблюдался откол

крупных глыб-негабаритов.

В процессе проведения экспериментальных исследований также было установлено, что при рыхлении на одинаковую глубину и в аналогичных грунтовых условиях (равные: прочность, влажность, объёмная масса, гранулометрический состав и др.) существует зависимость между величинами давления, которые необходимы для рыхления грунта в забой и с поверхности:

Рс, = 1.3Рм5, (11)

где Рсп - избыточное давление в рабочей камере, которое необходимо для рыхления грунта с поверхности;

Рза6 - избыточное давление в рабочей камере, которое необходимо для рыхления грунта в забой.

ВЫВОДЫ

1. Рыхлители применяются, как правило, для разработки грунтов столь прочных, что они не могут разрабатываться непосредственно землеройными машинами общего назначения. Предварительное рыхление таких грунтов даёт выигрыш в производительности, который покрывает затраты на рыхление. Этим определяется отнесение рыхлителей к категории машин для специальных земляных работ, которые понижают трудность разработки мёрзлых грунтов.

2. Экспериментальным путём была установлена критическая глубина рыхления мёрзлого грунта штанговыми рабочими органами с газодинамическими интенсификаторами [1, 2, 3, 4, 5,

6, 7], при которой использование этого оборудования не эффективно. При глубине рыхления меньше критической наблюдается «прострел» грунта без значительного его разрушения.

3. Экспериментальные исследования позволили установить закономерности разрушения мёрзлого грунта газодинамическим рыхлителем, в соответствии с которым выведено уравнение для расчёта глубины рыхления в зависимости от приведённой работы газового импульса, числа обнажённых поверхностей, прочностных характеристик грунта. Применение газодинамических рыхлителей [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7] целесообразно для рыхления супесчаных, суглинистых и глинистых грунтов как однородных, так и с содержание гравелистых и каменистых частиц до 40 % по массе.

4. Направлениями дальнейших исследований следует считать уточнение отдельных параметров рыхлителя при совместной работе нескольких рабочих органов, установленных на одной базовой машине [8, 9].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. А. с. СССР №1421012 (1Ш), МПК5 Е02Р5/32 Рыхлитель газодинамического действия/ В. С. Ив-кин//Б. И. - 1999. -№ 13.

2. Пат. №2004710 (1Ш), МПК5 Е02Р5/32 Газодинамический рыхлитель/ В. С. Ивкин // Открытия, изобретения. - 1993. - № 45 - 46.

3. Пат. №2052032 (БШ), МПК6 Е02Р5/32 Газодинамический рыхлитель/ В. С. Ивкин // Открытия, изобретения. - 1996. - № 1.

4. Пат. №2209891 (Яи), МПК7 Е02Р5/32 Газодинамический рыхлитель/ В. С. Ивкин // БИПМ. -2003.-№22.

5. Пат. №2231601 (1Ш), МПК7 Е02Р5/30 Газодинамический рыхлитель/ В. С. Ивкин, В. С. Ще-лыкалин // БИПМ. - 2004. - № 18.

6. Пат. №2236514 (1Ш), МГПС7 Е02Р5/32 Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин, Е. К. Кузьмин // БИПМ. - 2004. - № 26.

7. Пат. №2244784 (1Ш), МПК7 Е02Р5/32 Газодинамический рыхлитель / В. С. Ивкин, Е. К. Кузьмин // БИПМ. — 2005. - № 2.

8. Пат. №2252989 (1Ш), МПК7 Е02Р5/32 Устройство для разрушения прочных и мёрзлых грунтов / В. С. Ивкин, В. В. Морозов // БИПМ. -2005.-№ 15.

9. Пат. №2256751 (1Ш), МПК7 Е02Р5/32 Устройство для разрушения прочных и мёрзлых грунтов/ В. С. Ивкин, В. В. Морозов // БИПМ. -2005.-№20.

Макашов Сергей Валентинович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Строительное производство и материалы» УлГТУ. Имеет монографии, учебник, учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области строительных материалов.

Ивкин Валерий Семёнович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ.

Баранова Юлия Юрьевна, студентка 5 курса строительного факультета УлГТУ.

УДК 624.131 В. Г. ТИШИН, В. Г. ТУРЧЕНКО

РЕЗУЛЬТАТЫ ОБСЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ВОЛЖСКОГО ОПОЛЗНЕВОГО СКЛОНА В Г. УЛЬЯНОВСКЕ

Получены и проанализированы результаты обследования состояния объектов инженерной защиты оползневого склона по истечению длительного времени его хозяйственного освоения.

Ключевые слова: дренажная штольня, водоносный горизонт, аптская штольня, белемнитовая штольня, штольня в ручьевых отложениях, альбская штольня, среднегодовой расход воды в штольне, обводнённость штольни, глубинные подвижки грунта, деформации конструкций, водоотводной лоток, лоток-дорога, дренаж, дренажная прорезь, контрбанкет, коэффициент устойчивости склона

За более чем трёхсотпятидесятилетнюю историю существования города Ульяновск оползнями в разное время были разрушены и повреждены многие жилые дома, общественные и производственные здания, хозяйственные постройки, железные и шоссейные дороги, инженерные сети.

На территории города сохраняется высокий уровень угрозы создания чрезвычайных ситуаций природного и техноприродного характера по причине интенсивных оползневых проявлений. В последние 15 лет (1990-2005 гг.) произошло резкое сокращение финансирования противооползневых мероприятий. Многие объекты инженерной защиты практически вышли из строя,

© В. Г. Тишин, В. Г. Гурченко, 2007

работы по их восстановлению проводятся в недостаточном объёме. Это вызвало значительную интенсификацию малых оползневых инцидентов (проявление оползней-сплывов и других поверхностных оползневых процессов). Произошла активизация старых оползней в районе железной дороги (от существующего мостового перехода через р. Волгу до Киндяковской выемки), в районе строительства нового моста через р. Волгу, в районе городского водозабора (Правобережная часть) и в районе водовыпуска городских очистных сооружений.

После изучения работы построенных первых опытных штолен были сделаны выводы о том, что этот вид инженерной защиты оползневого склона достаточно эффективен с точки зрения осушения водонасыщенных грунтов и отвода