CC BY
15
УДК 624.132.3
закономерности процессов горизонтального завинчивания винтового прокалывающего рабочего органа в грунт
С.М. Вивчар, асп., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Приведены сведения по завинчиванию винтовых якорей и рабочих органов горизонтальным способом в массив грунта. Материал содержит результаты экспериментальных и теоретических исследований горизонтального завинчивания винтовых рабочих органов установкой с гидравлическим приводом.
Ключевые слова: винтовой рабочий орган, прокол грунта, горизонтальное завинчивание, массив грунта, крутящий момент, тянущее усилие.
3AKOHOMIPHOCTI процесш горизонтального загвинчування
гвинтового проколюючого робочого органа у Грунт
С.М. В1вчар, асп., Харк1вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотац1я. Наведено eidoMOcmi i3 загвинчування гвинтових якор1в i робочих оргатв горизон-тальним способом у масив грунту. Матер1ал Micmumb результати експериментальних i тео-ретичних досл1джень горизонтального загвинчування гвинтових робочих оргатв установкою з г1дравл1чним приводом.
Ключов1 слова: гвинтовий робочий орган, прокол грунту, горизонтальне загвинчування, масив грунту, крутний момент, тягне зусилля.
REGULARITIES OF PROCESSES OF HORIZONTAL SCREWING OF SCREW SOIL THRUST WORKING BODY INTO THE SOIL
S. Vivchar, P.G., Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. Information on the screwing of screw anchors and working bodies in a horizontal in the soil mass is given. The material contains the results of experimental and theoretical studies of horizontal screwing of helical working elements using a hydraulic drive unit.
Key words: screw working body, ground puncture, horizontal screwing, soil mass, torque, pulling force.
Введение
Технология горизонтального прокола грунта в настоящее время набирает все большую популярность во всем мире. Данный способ разработки грунта позволяет производить бестраншейную прокладку трубопроводов и кабельных сетей. Конструкция винтового якоря является универсальной и активно применяется в различных связанных со стро-
ительством отраслях. Наиболее часто элементы винтовых якорей применяются в таких изделиях, как якорные винтовые опоры строительных и подъемно-транспортных машин, опоры развлекательных аттракционов и мобильных технологических комплексов. Авторами изучен еще один способ применения винтовых якорей - в процессах горизонтального прокола грунта.
Анализ публикаций
Процессы погружения винтовых якорей без усилия пригруза и основные закономерности описаны в работах [1-3], а сведения о технологии горизонтального прокола грунта имеются в публикации [4]. Информация об установке горизонтального прокола грунта винтовым тянущим рабочим органом имеется в патенте [5, 6].
Цель и постановка задачи
Целью данной работы является анализ закономерностей процессов завинчивания винтовых рабочих органов в массив грунта в горизонтальном направлении, а также уточнение их закономерностей экспериментальным путем.
Особенности процессов завинчивания винтовых рабочих органов
Процесс прокола грунта винтовым прокалывающим рабочим органом (ВПРО) имеет специфические особенности, связанные с циклическим процессом прокола для последующего размещения в ней трубопровода пли кабеля. Необходимо выяснить рациональные параметры ВПРО, обеспечивающие минимальные затраты на прокол грунта и выбор мощности установки для его завинчивания. В отличие от процессов завинчивания вертикальных и наклонных винтовых свай и анкеров, в установке прокола грунта ВПРО чаще всего перемещается горизонтально (рис. 1) Сила тяжести ВПРО (наконечники, штанги и т.п.) направлена перпендикулярно траектории его движения и может несколько увеличивать давление грунта на нижнюю опорную поверхность штанг.
I
птяи ос
77ЖЖЖЖЖЖЖ.
Г
■4/_^ ^
V.
Т..........Т Т Т II т
'ф
/// /// /// /// /// /// ///
Рис. 1. Схема сил, действующих на винтовой прокалывающий рабочий орган
В работе [2] детально рассматривается влияние конструкции механизма погружения винтовых свай на силовые параметры процесса их завинчивания.
Необходимо принять во внимание, что для начального внедрения в массив грунта ВПРО к нему понадобится приложить некоторое осевое усилие. Дальнейшее перемещение ВПРО происходит без какой-либо осевой силы задавливания. Преодоление осевых сил сопротивления грунта перемещению ВПРО происходит только за счет преобразования некоторой части активного крутящего момента в винтовой паре «лопасть-грунт» в определённую активную осевую силу.
Условием продвижения ВПРО в грунте является
>ХМе. (1)
В общем случае активный момент, который может быть создан приводной установкой завинчивания ВПРО, можно записать как
N
М, =
ю
(2)
где ю - угловая частота вращения ВПРО,
п ,т
ю = ; N № - мощность привода; п - обороты ВПРО.
Для того, чтобы не происходило разбурива-ние грунта, обороты ВПРО должны быть не более 30 об/мин, согласно [2].
Суммарный момент сопротивления враща-тельно-поступательному движению ВПРО можно представить следующим образом
У МС = Мгш + М! + М™ + М!л + М?, (3)
^^^ С С С С С с74'
где Мсш, Мск, Мспл, Мсзл, Мср - соответственно момент сопротивления на боковых поверхностях штанг, конусном наконечнике, передней поверхности винтовой лопасти, задней поверхности винтовой лопасти и на режущей кромке лопасти.
Моменты сил сопротивления на конусном наконечнике и режущей кромке винтовой лопасти не зависят от направления завинчивания ВПРО и могут быть определены по расчётным зависимостям винтовых свай [2].
Момент сопротивления сил трения на штангах рабочего органа ВПРО можно представить как
¡ш
М СШ = Нш ^П ап
(4)
где сб - боковое давление грунта на штангу с учетом сил тяжести грунта; Нш - диаметр штанги; !ш - длина штанги, погруженной в
массив грунта; аш - фактический угол наклона винтовой линии на поверхности ствола штанги.
Угол наклона винтовой линии по стволу можно выразить через шаг винтовой лопасти, который устанавливается по ее торцам. При постоянном шаге винтовой лопасти угол наклона винтовой линии на поверхности штанги равен
аш = аСё
я ■ Н,,,
(5)
В процессе завинчивания ВПРО происходит преодоление осевых сил сопротивления за счет преобразования некоторой части активного момента в активную осевую силу в винтовой паре «лопасть-грунт».
При вращении ВПРО происходит взаимодействие широколопастной лопасти с грунтом и создается винтовая пара «лопасть-грунт», в которой происходит трансформирование некоторой части активного момента в осевую силу. Без принудительной осевой подачи осевые силы сопротивления поступательному движению ВПРО преодолеваются только за счет силовых взаимодействий в паре «лопасть-грунт».
Для некоторого осевого усилия сопротивления 2ос можно установить значения требуемого активного момента М(Сс. Силовые соотношения в винтовой паре связаны следующим образом [2]
QС =
RС.
(а*+р)
(6)
где Q(СC и R(СC - соответственно осевая и радиальная сила в винтовой паре «лопасть-грунт»; а* - расчетный угол наклона винтовой пары «лопасть-грунт»; р - угол трения лопасти о грунт.
В связи с тем, что в винтовой паре «лопасть-грунт» последний имеет значительную податливость, то за счет воздействия на грунт при вращении ВПРО задней поверхностью лопасти грунт уплотняется и фактический шаг движения не равен шагу винтовой лопасти. Этот факт отмечается в работах Пенчу-ка В.А. [2] и предлагается при расчете вводить коэффициент пробуксовки лопасти, равный
Ь = X (7)
где аф - фактический шаг винтовой нарезки в грунте.
При изменении шага винтовой нарезки в грунте изменяется и фактический угол наклона винтовой линии, по среднему диаметру лопасти 0,66 ■ DJl, который можно представить как
а = агСр
а„ ■ К
0,66■яD„
(8)
а
При общеизвестных силовых соотношениях в винтовых парах (5) требуемый активный момент можно представить как
М3СЛ = асс • tg(a*+p)• 0,66• Dл.
(8)
Для уточнения закономерностей силовых соотношений процессов прокола грунта ВПРО была разработана специальная методика, в которой предусматривалось не моделировать, а исследовать реальные процессы прокола грунта ВПРО.
Экспериментальный стенд состоял из следующих основных элементов: привода, траверсы для привода с боковыми регулируемыми роликами для опирания на опорную раму. Ход траверсы позволял завинчивание и вывинчивание ВПРО для установки новых штанг. Стенд представлен на рис. 2.
Рис. 2. Экспериментальный стенд
Для замера крутящего завинчивания ВПРО был разработан специальный силоизмери-тельный узел. Принципиальная схема измерительного узла показана на рис. 3, а на рис. 4 представлена фотография силоизмери-тельного узла.
Рис. 3. Принципиальная схема измерительного узла
Рис. 4. Измерительный узел
На полигоне НПП «Газтехника» были отрыты два котлована глубиной 2 м, шириной 2,5 и длиной 10 м на 12 м расстоянии друг от друга. Проведение двухфакторного эксперимента (первый фактор - диаметр винтовой лопасти, второй фактор - шаг винтовой лопасти) осуществлялось в грунтах 2-й категории (число ударников ДорНИИ С = 5-7).
На рис. 5 представлены сопоставительные результаты теоретических и экспериментальных исследований. Представленные данные показывают, что созданные математические модели адекватно отражают реальные процессы прокола грунта ВПРО.
10000 Е 9000
■ Грунт:суглинок • Экспериментальные данные
_ Лопасть: одновитковая — Расчетные данные
Диаметр ствола: 63 мм
Шаг лопасти: 125 мм
" Рос=0
- • 1 1 1 1 1 1 1
200 250
Диаметр лопасти, мм
Грунт: суглинок • Экспериментальные данные
Лопасть: одновитковая Расчетные данные
Рос=0
V
• - ...... .......
200 -100 600 ТО) 1000 Крутящий момент при срыве, Н*м
Рис. 5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований
Выводы
Результаты замеров максимального тянущего усилия в винтовой паре «лопасть-грунт» позволяют утверждать следующее:
- при вращении ВПРО происходит преобразование его движения не только во враща-тельно-поступательное, но и создаётся дополнительное тянущее усилие, которое позволяет расширить первоначальную скважину;
- возможности винтовой пары «лопасть-грунт» зависят от ее параметров и имеют предельное значение.
Литература
1. Железков В.Н. Винтовые сваи в энергети-
ческой и других отраслях строительства / В.Н. Железков. - С.Пб.: Прагма, 2004. - 128 с.
2. Пенчук В.А. Винтовые сваи и анкера для
опор: монография / В. А. Пенчук. - Донецк: Ноулидж, 2010. - 180 с.
3. 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.
4. Вивчар С.М. Технология и оборудование
для прокола грунта с использованием тянущей силы пары «винтовая лопасть-грунт» / С.М. Вивчар // Вестник ХНАДУ: сб. науч. тр. - 2016. - Вып. 73. С.196-201.
5. Пат. 111733 Украша, МПК Е21В 10/22.
Установка з гвинтовим грунтопроколю-ючим робочим органом для безтран-шейно! прокладки шдземних ко-мушкацш / Пенчук В.О., Сщак B.C., Су-понев В.М., Олексин B.I., Щукш О.В., В1вчар С.М.; заявник i патентовласник Харювський нац. автомоб.-дорожнш ун-т. - № u201604141; заявл. 15.04.2016; опубл. 25.11.2016, Бюл. №22.
6. Пат. 109838 Украша, МПК Е21В 10/44.
Пристрш для безтраншейно! прокладки шженерних комушкацш / Пенчук В. О., Супонев В.М., Олексин B.I., Шуюн О.В., В1вчар С.М.; заявник i патентовласник Харювський нац. автомоб.-дорожнш ун-т. - № u201602392; заявл. 12.03.2016; опубл. 12.09.2016, Бюл. №17.
Рецензент: Е.С. Венцель, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
