CC BY
13
УДК 624.132.3
ВИЗНАЧЕННЯ РЕАКЦ1Й ГРУНТУ I ВЕЛИЧИНИ В1ДХИЛЕННЯ В1Д ОС1 РУХУ ПРИ ЙОГО ПРОКОЛ1 АСИМЕТРИЧНИМ НАКОНЕЧНИКОМ
С.В. Кравець, проф., д.т.н., Нацюнальний унiверситет водного господарства та природокористування, м. Рiвне, В.М. Супонев, доц., к.т.н., С.П. Балесний, асп., Харкчвський нац1ональний автомобшьно-дорожнш ун1верситет
Анотаця. Шд час проколу грунту часто виникае необх1дтстъ зм1нювати траектор1ю руху. Запропоновано аналтичний cnoci6 визначення реакцт грунту i величини в1дхилення eid прямо-лттного руху робочого органа з асиметричним наконечником, який може бути використаний для керування траекторiею тд час проколу.
Ключов1 слова: математична модель, безтраншейна технологiя, статичний прокол грунту, iнженернi комуткацп, проколююча головка, горизонтальна свердловина, установка.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕАКЦИЙ ГРУНТА И ВЕЛИЧИНЫ ОТКЛОНЕНИЯ ОТ ОСИ ДВИЖЕНИЯ ПРИ ЕГО ПРОКОЛЕ АСИММЕТРИЧНЫМ НАКОНЕЧНИКОМ
С.В. Кравец, проф., д.т.н., Национальный университет водного хозяйства и природопользования, г. Ровно, В.Н. Супонев, доц., к.т.н., С.П. Балесный, асп., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Во время прокола грунта часто возникает необходимость менять траекторию движения. Предлагается аналитический способ определения реакций грунта и величины отклонения от прямолинейного движения рабочего органа с асимметричным наконечником, который может быть использован для управления траекторией во время прокола.
Ключевые слова: математическая модель, бестраншейная технология, статический прокол грунта, инженерные коммуникации, прокалывающая головка, горизонтальная скважина, установка.
DETERMINING SOIL REACTIONS AND THE VALUE OF DEVIATION FROM A LINEAR TRAJECTORY OF ASYMMETRICAL SOIL THRUST WORKING BODY
S. Kravets, DSc., Prof., National University of Water and Environmental Engineering, Rivne , V. Suponev, PhD., Assoc. Prof., S. Balesniy, Postgraduate Student, Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. The construction of underground communications in urban conditions is very difficult due to the large number of existing communications. Thus, it is necessary to change the trajectory of the horizontal well during soil thrust boring. An analytical method for determining soil reactions and the deviation of the trajectory of an asymmetric soil thrust working body, which can be used to correct or control the trajectory during puncture, is suggested.
Key words: mathematical model, trenchless technologies, communication, horizontal well, soil thrust boring head, soil thrust boring plant.
Безтраншейне прокладання шженерних ко-мушкацш активно поширюсться в ycix кра!-
Вступ
нах свггу. Це пов'язано насамперед з розбу-довою мют i необхщшстю забезпечення жит-лових бyдiвель i промислових споруд шже-нерними комушкащями, яю пов'язаш з во-
допостачанням, газопостачанням, електропо-стачанням, забезпеченням телекомушкацш-ними системами та ш. Щц час !х будiвництва доведеться перетинати дороги, обхоцити т-дземш перешкоди у вигляцi ранiше прокла-дених мереж. Тому вдосконалення техноло-гiй буцiвництва та розробка спещального робочого обладнання, якi пов'язанi з керу-ванням процесами, е актуальним завданням.
Серед юнуючих технологiй формування го-ризонтальних свердловин, якi використову-ються при розробцi горизонтальних свердловин для подальшого прокладання в них ш-женерних комунiкацiй, е метод статичного проколу грунту. Головним недолшом цього методу е недостатня точнють руху проколюючо! головки у масивг Для дотримання по-ложення мережi свое! проектно! ос необхщ-но постiйно корегувати траекторда руху проколюючо! головки у груш! Керування рухом робочого органа е можливим завдяки вико-ристанню скошеного наконечника головки, шляхом ди на нього поступального або пос-тупально-обертального руху.
Аналiз публiкацiй
Питання проколу грунту детально дослщжеш у роботах [1-5], а у таких працях як [6-8] запропоноваш конструкци проколюючих наконечниюв, якi в певних умовах забезпе-чують керування траекторiею руху. Однак у цих роботах розрахунковi формули мають емпiричний характер та значш припущення, що призводить до суттевого розходження з реальними значеннями, яю виникають у кон-кретних грунтових умовах.
Мета i постановка завдання
Метою ще! роботи е розробка аналггичного способу визначення реакцш грунту i величи-ни вщхилення вiц прямолшшно! траекторп руху асиметричного грунтопроколюючого наконечника.
Аналггичний спосiб визначення величини вiдхилення грунтопроколюючого наконечника
Системний аналiз iснуючих метоцiв проколу грунту з можливютю корекци траекторп руху проколюючо! головки дозволив виявити ос-новнi принципи керування та конструктивш особливостi робочого органа. На цш основi у
роботi запропоновано керування траекторiею проколу за рахунок сил опору грунту на лобову частину головки, яка мае вигляд елшса в перерiзi цилiнцричного ствола площиною, нахиленою пiц кутом р до осг Розрахункова схема ди сил опору грунту на наконечник проколюючо! головки з нахиленою елштич-ною площиною подана на рис. 1.
Рис. 1. Розрахункова схема наконечника з похилою площиною
Для розрахунку сили осьового зусилля опору грунту проколу необхщно встановити И за-лежнють вiц площини зрiзу цилiнцра, яка мае форму елшса, i вщ кута нахилу р. Для цього в напрямку ос 0Х1 зробимо перерiз наконечника тд кутом р до його ос та вицiлимо елементарну площину, довжина яко! стано-вить безкiнечно мале значення dl. Значення И ширини Вх може бути визначене шляхом тригонометричних сшввщношень до рiвнян-ня поперечного перерiзу - елiпса
х О
0КХ - 00, = —---— =
sinP 2sinP
1
О
х-
sinP I 2 Вх = 2 у, = 2sinP<
= 2sinP
= (1)
О
1 ( О ^
2в ,П^1х - у ,
4sin р sin2p ^ = 2^ ( О - х ) х,
де О - цiаметр наконечника, м.
= х1;
2
Для визначення осьово! сили Ру залежно вщ кута нахилу в площини необхiдно вирiшити систему рiвнянь балансу сил вiдносно коор-динатних осей
Г-яРу + dN sin р + fdN cos р + fdPx = 0 [оРх - dN cos р + fdN sin р = 0.
Звiдки
dPx = dN cos р - fdN sin в, dP = dN sin р + fdN cos р +
+fdN cos р- f 2dN sin р,
або
(2)
(3)
(4)
dPy = [(1 - f2) + 2 fctgр] дБхск, (5)
Ру = 21|(1 -
|[(1 -f2) + 2^ру(В-х)Хдёх, (6)
Р = 2-
у
4
[(, - f2) + 2 f• ^р
8 (В - х )J(D—.х)х 1----
В - х ) xdx,
(10)
де со - вологiсть грунту; ртв - щшьнють твердо! фази грунту (щшьнють грунту за умови, що в ньому вiдсутнi пори); Ск - коефiцieнт компреси грунту.
Пюля iнтегрування виразу (10) отримаемо
(1 + ®)Ртв
Ру = 0,36
у СКР
кгпр
(11)
х[(1 - f2) + 2f • ^р
В2.
Аналогiчним чином отримаемо вираз для визначення Рх.
де f - коефiцiент зовнiшнього тертя грунту; д - закон змши тиску грунту на похилш площинi.
Закономiрнiсть змiни тиску грунту на похилш площиш визначимо на основi знання змь ни площi поперечного перерiзу грунту на цш площинi. На основi закону рiвностi мас маемо
кВ2 4
Рпр = Бх (В - х)рх,
(7)
де Рпр - щшьнють грунту в природному сташ; рх - змшна щiльнiсть грунту на похилш площиш.
Звщки
Р х =
кВ2
8^( В - х) х (В - х)
Рпр.
(8)
Тодi
дх =
(1 + ю)р
Ск
_1___1
уРпр Рх у
(1+а)рт
Скрпр
8(В - х)ЛДВ - х) х кВ2
Рх = 0,36
(1 + ю)рт
Ск Р:.
Ру_ (1 - f2) + 2У^р
Рх
^р- у
(ctgр - У)В2, (12) (13)
Залежностi сил Ру i Рх для рiзних грунтiв приведет на рис. 2.
З наведених графтв видно, як щ сили зале-жать вiд кута нахилу лобово! поверхнi головки, И дiаметра та типу грунту.
За визначених параметрiв проколюючо! головки можна отримати необхщш данi для розрахунку робочого обладнання для керо-ваного проколу грунту.
Розглянемо умову руху грунту вверх по ниж-нш елiптичнiй площиш (рис. 1).
Активна сила Ву викликае реакщю зi сторо-ни грунту Яу = Ру . Щц дiею ще! реакцп грунт
рухаеться вверх по нахиленiй елштичнш площинi. При цьому сумарна сила тертя грунту F¡р, яка спрямована у протилежний бш
руху (реакци грунту Ву), повинна бути бь льшою за силу тертя грунту та задовольняти
х
х
х
умову Ry cosP> F . Визначимо iз ще! умови кут р.
0,36Е^ [(1 - /2) + 2/ • с^р' xD2 cos р>
(14)
4.5Л0
^З.бло'
а 2.7x10
1.8x10
и
9Л0
О
4 /
Ч з\
2 N
7x10
20
30
40
50
60
Кут нахилу площини наконечника р, град
К 5.6x10
а^
сэ
4.2x10
сз и
о л и о 2.8x10
1.4-10
0
4
N. 3
2 1 /
20 30 40 50 60 Кут нахнлу площини наконечника р, град
3.8-10
3.04Л0
а,"
2.28x10
5 1.52x10
7.6x10-
0
. 4
ч^З
2
20
30
40
50
60
Кут нахилу площини наконечника р, град
2.25-10
К
а* 1.8х104
сэ
3 1.35х104
сЗ С
§ 3
« 4.5x103 0
/4
/3
Ч 2 1 /
\ /
20 30 40 50 60 Кут нахилу площини наконечника р, град
Рис. 2. Залежносп сил опору вщ кута нахилу для рiзних rрунтiв за значень дiаметрiв свердло-вини: а - супiсок; б - суглинок; в - глина; 1 - D = 0,05 м; 2 - D = 0,1 м; 3 - D = 0,15 м; 4 -D = 0,2 м
х
а
б
в
^ =
тр р
<1
8 ( В - х В - х) х
1--^-
кВ2
хЛ/(В - х) хс1х = ^^ ЕтВ2, ^ ' sin р
де Е - компресiйний модуль деформацн
грунту, Егр =
(1 + ю) рт
СКР
кг пр
Тодi
(1 - У2 + 2/^р) cos р:
У
sin р
(1 - /2) sin р^^^р + +2/ (1 - ¡¡п2 р)> /.
Визначимо чутливють (вщхилення вщ траек-тори прямолшшного руху) наконечника вщ реакцп грунту.
х (15) у процесi обертання асиметричного наконечника (свердлильно! головки) навколо свое! ос й ди на нього осьового зусилля наконечник рухаеться по прямолiнiйнiй траекторий Чутливють наконечника на реакщю грунту Ях (рис. 1) вимiрюеться величиною його вщхи-лення вщ траекторп прямолiнiйного руху в процесi поступального руху. Для характеристики максимального вщхилення необхiдно знати рiвняння згину осi наконечника, яке за-лежить вiд параметрiв наконечника та фiзико-механiчних властивостей грунту. Наконечник
(16) iз приводними штангами будемо розглядати як балку на пружнш основу на яку дiе реакцiя грунту Ях = Рх. Розрахункова схема i рiвняння для визначення прогину (вiдхилення) пщ си-
(17) лою Ях для тако! задачi приведенi в лiтературi
[9].
Розв'язуючи нерiвнiсть (17), отримаемо умо-ви сходження грунту зi скошено! поверхш, що забезпечуе процес вiдхилення вщ прямо-лiнiйно! траекторi! руху
р < aгcsin,
21
1 Г /
4
1 + /2
(18)
Перед коренем необхщно поставити знак «+». У цьому випадку Ву буде набувати мiнiмаль-ного значення.
Залежнiсть кута р вщ коефiцiента тертя приведена на рис. 3.
А =■ В
пр
8ЕзгI •рп
(19)
де Езг - модуль пружносп штанги на згин
(Езг = 2 •107Н/см2); I - момент шерцп поперечного перерiзу ствола головки
рп = 4
кп
4Езг I
(20)
де кп - коефiцiент постiлi (основи) (для грун-
тiв середньо! щшьносп кп = 5 ^ 50 Н/см2). Для кiльцевидного перерiзу наконечника момент iнерцi! дорiвнюе [10]
0 0,2 0,4 0,6
Коефщент зовшшнього тертя грунту /
Рис. 3. Залежнiсть кута нахилу площини наконечника вiд коефiцiента зовшшньо-го тертя грунту
I = 0,05 В
4 V4 - 1
(21)
В .
де V = — - вщношення вщповщно зовшш-
d
нього дiаметра наконечника до внутршнього дiаметра.
Тодi, з урахуванням залежносп (12), маемо
(22)
Апр = °,9 е
Егр Ctgр- /
В
4 1
V -1
рп
х
1
4
4
Пюля припинення обертового руху наконечника для навантаження його похило! площи-ни силою Rx йому необхщно перемiститися на вiдстань D • ^Р (рис. 1). При цьому наконечник вщхилиться вщ траектори прямо-лiнiйного руху на вщстань Апр . Щоб наконечник вщхилився вiд траектори прямолшшно-го руху на вiдстань S, йому необхiдно пройти шлях без передачi крутного моменту (без обертання) довжиною L.
глинку
Егр = 0,892МПа; глини -
Егр = 0,631МПа; D = 0,05; 0,10; 0,15; 0,2 м
гр
у = 1,5; I = 0,04 D4.
Рп =;
0,3МПа 0,055
'4 • 2 -105 • 0,04D4 D
Ь
Так, для супiску вiдношення — дорiвнюe:
S
Тому
або
3
Ь =
3 V4-1 3 S • Езг D — Рп V
0,9£ф (1 - f • гёр)
Ь
21,3
S 1 - 0,532tgР (23) Для суглинку
Ь 33,16
S 1 - 0,424tgР
(25)
(26)
Ь
Езг D
V4 -1
Рп
S 0,9Егр (1 - f • tgР)■
(24)
Ь
Залежнiсть вiдношення — вiд кута нахилу
S
площини наконечника до горизонту Р наведена на рис. 4.
300
ч I ^
ш
я
200
100
1 2 \ 3 \
х
0
20 30 40 50 60
Кут нахилу площини наконечника (5, град
Рис. 4. Залежнють вщношення ь вiд кута
нахилу площадки наконечника до горизонту Р за типом грунту: 1 - сутсок; 2 - суглинок; 3 - глина
Для глини
Ь
46,
S 1 - 0,325tgР
(27)
З отриманого графiка видно, що зi зростан-ням значення кута нахилу площини наконечника вщхилення траектори зменшуеться. Найбшьшого вiдхилення вiд прямо! траектори руху проколююча головка досягае за ме-ншого кута нахилу площини, тобто у межах 30°-40° залежно вiд типу грунту. При куп нахилу бшьш нiж 50°-60° сходження грунту з площини припиняеться, про що свщчать умови керування траекторiею руху головки (18), як вiдображенi на графку (рис. 3). При цьому на похилш поверхнi виникае ядро ущшьнення, яке за своею формою наближа-еться до симетричного конуса, на якому врь вноважуються сили у простора якi не можуть вплинути на процес вщхилення наконечника.
Таким чином, залежно вщ фiзико-механiчних властивостей грунту та пружносп штовхаю-чо! штанги можна встановити рацiональний кут нахилу площини зрiзу проколюючо! головки.
У розрахунку закладеш такi вихщш данi: модуль пружностi сталево! штанги
Езг = 2 • 107Н/м2 = 2• 10Па ; модуи дефор-
мацi! грунтiв: супiску - Егр = 1,39МПа; су-
Висновки
У робой встановлеш умови, за яких можли-вий процес керованого проколу грунту. За-пропоновано конструкцiю проколюючо! го-
4
ловки 3i скошеною лобовою площиною та встановлено для не! аналггичш залежносп для розрахунку сил опору грунту при проколi залежно вщ кута похилу площадки та фiзико-механiчних властивостей грунту.
Також отримано аналггичну залежнiсть розрахунку величини вщхилення вiд прямоль ншно! траекторп руху асиметричного наконечника грунтопроколюючого робочого органа вщ пружних властивостей штовхаючо! штанги та типу грунту.
Отриманi результати можуть бути рекомендовав для розрахунку установок статичного проколу з керуванням або з корекщею траекторп руху робочого органа у груш!
Лггература
1. Супонев В.Н. Бестраншейные технологии
прокладки распределительных инженерных коммуникаций / В.Н. Супонев, Н.Д. Каслин, В.И. Олексин // Науковий вюник будiвництва. - 2008. - №49. -С.213-217.
2. Руднев В.К. Машины для бестраншейной
прокладки подземных коммуникаций / С.В. Кравец, Н.Д. Каслин, В.К. Руднев, В.Н. Супонев. - Х.: Фавор, 2008. - 256 с.
3. Григорьев А.С. Обоснование выбора пара-
метров продавливающих установок в зависимости от длины проходки / А.С. Григорьев // Сб. научных трудов ст-ов, магистров МГГУ. - 2004. -Вип. 4. - C. 133-136.
4. Ромакин Н.Е. Параметры рабочего инст-
румента для статического прокола грунта / Н.Е. Ромакин, Н.В. Малкова // Строительные и дорожные машины. - 2007. -№ 11. - С. 31-33.
5. Земсков В.М. Анализ исследования лобо-
вого сопротивления при бестраншейной прокладке трубопроводов методом прокола / В.М. Земсков, А.В. Судаков // Известия ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. -2005. - Вып. 6. - С. 35-38.
6. Гусев И.В. Применение управляемого про-
кола грунта при бестраншейной прокладке труб / И.В. Гусев, Ф.Л. Чубаров // Потенциал современной науки. - 2014. -№2. - С. 30-33.
7. Рогачёв А.А. Обоснование конструктив-
ных параметров и режимов работы исполнительного органа управляемой про-
калывающей установки: автореф. дис. на соискание ученой степени канд. тех. наук: спец. 05.05.06 «Горные машины» / А.А. Рогачев. - Тула, 2007. - 135 с.
8. Ленченко В.В. Выбор рациональных пара-
метров снаряда при направленной прокладке скважины / В.В. Ленченко, Е.В. Меньшина, С.Е. Меньшин // Неделя горняка - 2001: доклад на симпозиуме. Семинар 20. - М.: МГУ, 2001.
9. Беляев Н.М. Сопротивление материалов /
Н.М. Беляев. - М.: Физматгиз, 1962. -608 с.
10. Писаренко Г.С. Справочник по сопротив-
лению материалов / Г.С. Писаренко, А.П. Яковлев, В.В. Матвеев. - К.: Нау-кова думка, 1975. - 704 с.
References
1. Suponev V.N., Kaslin N.D., Oleksin V.I. Be-
stranshejnye tehnologii prokladki raspre-delitel'nyh inzhenernyh kommunikacij [Trenchless technologies for laying utility utilities]. Naukovyi visnik budivnitsva. -2008. no. 49. рр. 213-217.
2. Kravets S.V., Kaslin N.D., Rudnev V.K.,
Suponev V.N. Mashiny dlja bestranshejnoj prokladki podzemnyh kommunikacij [Machines for trenchless laying underground utilities]. Kharkov, Favor Publ., 2008. 256 p.
3. Grigor'ev A.S. Obosnovanie vybora par-
ametrov prodavlivajushhih ustanovok v zavisimosti ot dliny prohodki [Justification of the choice of the parameters of the pushing machines in relation to the length of penetration]. Sb. scientific works of universities, MSU masters. 2004. vol. 4. рр.133-136.
4. Romakin N.E., Malkov N.V. Parametry
rabochego instrumenta dlja staticheskogo prokola grunta [Parameters of the working tool for static penetration of the face] Structural and road machines. 2007. no. 11. рр.31-33.
5. Zemskov V.M., Sudakov A.V. Analiz issledo-
vanija lobovogo soprotivlenija pri be-stranshejnoj prokladke truboprovodov metodom prokola [Analysis of the study of drag for trenchless laying of pipelines by the puncture method]. Izvestiya of the Tula State University. Ser. Hoisting-and-transport machines and equipment. 2005. vol. 6. рр. 35-38.
6. Gusev I.V., Chubarov F.L. Primenenie uprav-
Ijaemogo prokola grunta pri be-stranshejnoj prokladke trub [Application of controlled puncture in trenchless pipe laying]. Potential of modern science. 2014. no. 2. pp. 30-33.
7. Rogachjov A.A. Obosnovanie konstruktivnyh
parametrov i rezhimov raboty ispoln-itel'nogo organa upravljaemoj prokalyva-jushhej ustanovki [Substantiation of design parameters and operating modes of the executive body of the controlled piercing installation]: the author's abstract. dis. for scientific research. degree of Cand. those. Sciences: spec. 05.05.06 «Mining machines». Tula, 2007. 135 p.
8. Lenchenko V.V., Menshina E.V., Men'-
shin S.E. Vybor racional'nyh parametrov snarjada pri napravlennoj prokladke skva-zhiny [The choice of rational parameters of
the projectile for directional well boring]. Report at the symposium «Miner's Week-2001». Seminar 20. Moscow, MSU Publ., 2001.
9. Beljaev N.M. Soprotivlenie materialov [Re-
sistance of materials]. Moscow, Fizmatgiz Publ., 1962. 608 p.
10. Pisarenko G.S., Jakovlev A.P., Matve-ev V.V. Spravochnik po soprotivleniju ma-terialov [Reference book on the resistance of materials]. Kiev, Naukova dumka Publ., 1975.704 p.
Рецензент: €.С. Венцель, професор, д.т.н., ХНАДУ.
