книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 102- объектов в условиях Севера

Форма отделяемого от массива элемента грунта (вид свер­ ху, рис. 5.2) представляет собой часть эллипса. Угол охвата стойки рыхлителя этим эллипсообразным элементом £=80... 1 0 0 ° независимо от категории разрыхляемого вечномерз­ лого грунта.

Угол развала у, как показано выше, для грунтов V...VII ка­ тегории 45...55 и 55...60° для грунтов VIII... X категории, а угол скалывания, независимо от категории вечномерзлого грунта 30...400. Обозначим через в=0,5(у + р) осредненный угол скалы­ вания крупного элемента грунта от массива, т. е. средний угол между углами развала в сторону и скалывания грунта вперед. Получим, что осредненный угол скалывания крупного элемента грунта в момент отделения от массива составляет 0=37...45° для грунтов V...VII категорий и 0=45...50° для грунтов VIII...X ка­ тегорий.

Поверхность контакта с массивом скалываемого крупного элемента грунта принимают равной четверти (при £=90°) боко­ вой поверхности кругового прямого конуса. Радиус основания

конуса равен глубине зоны развала грунта hp = h —{hb + /*с ).

Поверхность контакта крупного элемента грунта с массивом в момент скалывания определяют по формуле

n h l

(5.4)

4sin 0

При движении наконечника рыхлителя в грунте размеры зоны вдавливания не изменяются. В момент достижения наи­ большей площади зоны сжатия происходит скалывание крупно­ го элемента грунта вперед в результате возрастания напряжений растяжения между массивом грунта и отделяемым элементом. Скалывание крупного элемента грунта происходит на высоте

hb, равной высоте зоны вдавливания. Верхняя часть элемента в

этот момент занимает положение, соответствующее высоте

К + К .

Крупный элемент грунта скалывается вперед под углом 6 , а угол охвата стойки рыхлителя составляет 90°. Этот момент, когда зона сжатия грунта наибольшая, является расчетным для

-103-

5. Механика разрушения вечномерзлых грунтов рыхлителями

определения сопротивления вечномерзлого грунта рыхлению. При этом скалывания крупных элементов грунта в боковые сто­ роны не происходит, так как наконечник рыхлителя находится в зоне предыдущего отделения крупного элемента грунта. Далее усилие рыхления резко уменьшается до минимальных значений, соответствующих сопротивлению грунта в зоне вдавливания. По мере движения рыхлителя вперед размеры зоны сжатия грунта постепенно возрастают и происходит отделение более

мелких элементов грунта в стороны под углом 9 . При достиже­ нии зоной сжатия грунта наибольшего значения вновь происхо­ дит скалывание крупного элемента грунта от массива. Далее процесс повторяется.

От формы рыхлителя зависят усилия рыхлителя вечномерз­ лого грунта в процессе рыхления. Чем больше изогнута стойка вперед и длиннее наконечник, тем значительнее динамические нагрузки на металлоконструкцию рыхлителя. Сопоставление изменения формы зоны сжатия с характером изменения нагру­ зок на рабочем оборудовании рыхлителя, определенное тензометрированием, показывает их качественное соответствие.

5.2. Изнашивание наконечников рыхлителей

Изменение геометрии наконечника в процессе рыхления фиксируют пространственным шаблоном, изготовленным из органического стекла, по нанесенной на него размерной сетке. Менее точное измерение износй осуществляют с помощью ли­ нейных и угловых мер. Наиболее трудоемок весовой метод оп­ ределения износа, так как наконечник необходимо снимать со стойки рыхлителя для взвешивания.

На рис. 5.4 показаны наконечник рыхлителя тягового клас­ са 400 кН и его износ при разработке вечномерзлых грунтов. При рыхлении наконечник постоянно изнашивается. Наиболь­ шее уменьшение длины наконечника на рис. 5.4 обозначено че­ рта А /. Черта 2 ч рыхления это уменьшение длины составляет 30 мм, а через 6...8 ч рыхления - 60...80 мм, т. е. наконечник полностью изношен. Срок службы наконечника ограничен его 25 ...30% изнашиванием по длине.

Рис. 5.4. Изменение геометрических параметров и износа наконечника рыхлителя.

Особенностью формы наконечников для вечномерзлого грунта является формирование наклонной и горизонтальной площадок затупления, имеющих длину а и 6 . Через 1,5...2 ,5 ч рыхления наконечник приобретает форму, которую сохраняет практически неизменной до полного изнашивания. Эта форма наряду с параметрами а и 6 характеризуется радиусами затупле­ ния R и Ri В момент образования устойчивой формы наконеч­

ника а ~ Ь = 1 0 ...1 2 л ш , R y = З 5 ...4 5 л ш . В процессе даль­

нейшего рыхения длина горизонтальной площадки затупления 6 и радиус затупления R\ практически не изменяются. Между наклонной площадкой и горизонталью образуется угол, назы­

ваемый углом затупления (Х3. С уменьшением длины наконеч­

ника возрастает длина наклонной площадки затупления а и уменьшается радиус затупления R. Далее будет происходить более интенсивное изнашивание передней и боковых поверхно­ стей.

В момент, предшествующий рыхлению грунта (Д/=0), ли­ той или штампованный наконечник имеет R—10...12 мм, <т=0 , 6=0, а кованый наконечник <зг»10мм, 0 *6 ... 10. Процесс изна-

- 1 0 5 -

5. Механика разрушения вечномерзлых грунтов рыхлителями

шивания наконечников рыхлителей в вечномерзлых грунтах со­ стоит из трех фаз:

1) приработки наконечника в течение 1,5... 2,5 ч до образо­ вания устойчивой формы с параметрами:

a = b = R = 8...12MM,R = 5...10°

2) рыхления грунта в течение 3...4 ч наконечником устой­ чивой формы, но все с большим уменьшением его длины, т. е. йыхление осуществляется заостренным наконечником:

a = b = R = 8...12MM,R = 5...10°

3) максимального изнашивания наконечника с резким воз­ растанием длины наклонной площадки и интенсивным умень­ шением длины наконечника:

R = 4...5°, Д/ = 50...80лш,

а = 15...20лш

Литые наконечники обладают небольшой прочностью при изгибе. Кованые наконечники имеют высокую прочность при изгибе, хорошо противостоят ударным нагрузкам. Литые и штампованные наконечники имеют технологические радиусы закругления режущей грани г. У'кованых наконечников режу­

щая кромка длиной a i наклонена к горизонтали под углом за­

тупления OLi . В процессе рыхления режущая грань наконечника

приобретает форму (рис. 5.5), характеризующуюся округлением радиуса R и наличием наклонной и горизонтальной площадок соответственно длиной а и Ь.

Боковая поверхность наконечника имеет плавный переход радиуса R\ и наклонена под незначительным углом относитель­ но горизонтальной площадки изнашивания. При наибольшем затуплении наконечников по их лобовой поверхности образует­ ся выемка значительного радиуса Ri.

iМеханика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 G6-: объектов в условиях Севера

Рис. 5.5. Изменение формы наконечников рыхлителей в вечномерзлом грунте

Образование таких изогнутых лобовых поверхностей ха­ рактерно в конце срока службы для наконечников мощных рых­ лителей, работающих в абразивных вечномерзлых грунтах и горных породах. В отдельных случаях в конце срока службы наконечника отмечено его заострение R=0, а=30...40лш, Ь-0.

В реальных условиях эксплуатации наконечники рыхлите­ лей имеют скругленную, наклонную и горизонтальную площад­ ки затупления, которые необходимо учитывать в тяговых расче­ тах.

-1 0 7 -

5.Механика разрушения вечномерзлых грунтов рыхлителями

5.3.Определение сил сопротивления рыхлению вечномерзлого грунта

Сопротивление грунтов разработке рабочими органами землеройных машин Н.Г.Домбровский рекомендует определять по формуле, представляющей первый член формулы ВЛ.Горячкина для определения силы тяги плуга:

где р - сопротивление грунта разработке данному рабоче­

му оборудованию; h и В - глубина копания и ширина рабочего оборудования.

Эта зависимость не учитывает степень влияния параметров h и В на сопротивление грунта разработке, особенности гео­ метрических параметров рабочего органа и схему блокирова­ ния: Однако формула проста и удобна для расчетов, когда из­ вестно сопротивление грунта разработке. Для вечномерзлых грунтов значения сопротивления грунта разработке отсутству­ ют: Нормальная сила сопротивления грунта разработке

где к - коэффициент, имеющий значения от 0,2 до 1,0 в за­ висимости от геометрических параметров рабочего органа, фи­ зико-механических свойств грунта и режима работы.

Результирующую силу сопротивления Р условно прикла­ дывают к центру режущей грани наконечника (см. рис. 5.2, а), т.е. на границе зон вдавливания и сжатия грунтов. В этой точке происходит скалывание крупного элемента грунта от массива под углом скалывания 0=37...45° для вечномерзлых грунтов V...VII категорий и 0=37...45° для грунтов VIII...X категорий.

Ю.А.Ветровым предложена формула для определения со­ противления сезонно-мерзлого грунта рыхлению [23]. Практи­ ческое применение этой зависимости затруднено, так как необ­ ходимо знать несколько констант грунта, которые для вечно­ мерзлых грунтов не установлены.

Механика, мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых

-1 0 8 - объектов в условиях Севера

Врезультате экспериментальных исследований рыхления сезонно-мерзлых грунтов рыхлителями, не имеющими износа, А.Н.Зеяенин получил формулу для определения сопротивления грунта (Н) рыхлению, которая для реальной схемы рыхления вечномерзлых грунтов может быть приведена к виду

где С - число ударов динамического плотномера конструк­ ции ДорНИИ, определяемое на поверхности грунта; к - коэффи­ циент, учитывающий тип блокирования грунта при разработке, принимаемый равным 1,0 при блокированной схеме, 0,75 при полублокированной и 0,5 при свободной; Д - коэффициент, учи­ тывающий износ и затупление наконечника, равный 1 , 0 для ост­ рых и 2,0 для изношенных наконечников; h и В - глубина рых­ ления и ширина наконечника (см).

Недостатками этой формулы является то, что число ударов С определяют на поверхности грунта и, следовательно, оно не учитывает изменение прочностных свойств грунта на глубине; по этой формуле получают завышенные значения сопротивле­ ния вечномерзлого грунта рыхлению, так как не учитывается температура нагревания поверхностей наконечника, снижающая сопротивление рыхлению вследствие образования слоя жидко­ стной смазки; значения коэффициента А введены из общих со­ ображений и не обоснованы экспериментально; формула носит эмпирический характер. К преимуществам этой формулы можно отнести простоту расчета, использование числа ударов С, легко определяемого в полевых условиях, и удовлетворительную точ­ ность получаемых результатов.

Аналитическая зависимость для определения сопротивле­ ния вечномерзлого грунта рыхлению должна учитывать реаль­ ные геометрические параметры наконечников и особенности процесса рыхления: наличие зон вдавливания, сжатия и развала грунта и нагрев поверхностей наконечника.

Касательную составляющую сопротивления вечномерзлого грунта рыхлению определяют по зависимости, учитывающей касательные составляющие силы сопротивления грунта вдавли­

ванию в дно скважины Рд, сжатию грунта перед отделением от

-1 0 9 -

^Механика разрушения вечномерзлых грунтов рыхлителями

массива Рс и отделению крупных элементов грунта от массива в

зоне развала Рр:

Сила сопротивления вечномерзлого грунта рыхлению в зо­ не вдавливания определяется временным сопротивлением грун­

та вдавливанию <Тв, геометрией режущей части и площадок за­

тупления наконечника, температурой нагревания скругленной, наклонной и горизонтальной площадок затупления и его боко­

вых поверхностей, учитываемым коэффициентом к 3. Значение

этой силы не зависит от условий блокирования и глубины рых­ ления и определяется функцией:

Сила сопротивления вечномерзлого грунта рыхлению в зо­

не сжатия зависит от сопротивления грунта сжатию < 7 ^ , гео­

метрии передней поверхности наконечника и ее нагрева и угла рыхления грунта. Сила сжатия не зависит от степени износа на­ конечника, схемы блокирования и глубины рыхления и может быть записана в виде

Сила сопротивления вечномерзлого грунта рыхлению в зо­

не развала зависит от сопротивления грунтов растяжению О р и

геометрии этой зоны, определяемой физико-механическими свойствами грунта и схемой блокирования (см. рис. 5.2, в). Эта сила не зависит от температуры нагревания поверхностей нако­ нечника и степени его износа, так как развал является следстви­ ем сложнонапряженного состояния грунта в зонах сжатия и вдавливания:

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 1 0 - объектов в условиях Севера

Определим значения сопротивлений грунта рыхлению в зо­ нах вдавливания и сжатия. Наконечник рыхлителя (рис.5.б) имеет наклонные площадки длиной d и а и горизонтальную площадку длиной Ъ. Площадки длиной а и Ъ взаимодейству­ ют с вечномерзлым грунтом.

Рис. 5.6. Схема расчета сопротивлений грунта рыхлению в зонах вдавливания и сжатия.

Участок, ограниченный точками 0...6, разбиваем на два участка: на участок, ограниченный точками 0 ...2 , - зона сжатия грунта перед отделением крупного элемента грунта от массива и участок, ограниченный точками 2 ...6 , - зона вдавливания грунта в дно прорези. Внутри этих зон выделяем интервалы лобового затупления (точки 1...4), наклонного затупления (точки 4...5) и горизонтального затупления (точки 5...6 ). На участке затупления происходит вдавливание грунта и последующее его перемеще­ ние вверх на участке 1...2 и вниз на участке 2...4. Участки 1...2 и 2...3 симметричны. Из геометрических соображений 5*-f}'=90, откуда угол раствора участков 1 . . . 2 и 2...3 одинаков и равен /J-9 0 -б. Участок 3...4 имеет угол раствора, равный