книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера
..pdf- I l l -
^ Механика разрушения вечномерзлых грунтов рыхлителями
90 —ft' —<Х3 = S — CL3 . Считаем, что усилие со стороны грун
та по участку 0... |
6 распределено равномерно. |
|
Касательная составляющая силы сопротивления грунта |
||
■сжатию на наклонном участке 0...1 |
|
|
Рс\ = |
+ <p)cos<5 |
(5.15) |
где (р - угол внешнего трения грунта по рабочему органу,
определяемый по формуле / = tg(p; СГ^ - временное сопро
тивление грунта сжатию, представляющим собой зависимость
С7"»*: от температуры и влажности < 7 ^ — f ( w , t ) для вечно-
мелзлых грунтов разных типов.
На симметричных участках 1...2 и 2...3 уравновешивающие друг друга элементарные силы нормального давления и силы ярения:
d N = <JeB R tg P \ dF -(pdN |
(5.16) |
Временное сопротивление (МПа) мерзлых грунтов вдавли ванию [14] так же, как и число ударов динамического плотноме ра конструкции ДорНИИ, определяется температурой грунта:
G , = 2 1 0 /0 52 и С = 1 Ю /0,52. Откуда получаем |
|
а в =0,191C |
(5.17) |
Элементарные касательные » вертикальные составляющие силы сопротивления на симметричных участках 1...2 и 2...3 оп ределяются уравнениями:
d P = d N c o s/Г; dQ = d N sin/3' (5.18)
Вертикальные составляющие на участках 1...2 и 2...3 урав новешиваются. Определим касательную силу сопротивления на этих участках по следующей формуле:
dP=dNcosP '+fdNsinfi '=oBR(cosfi '+fsin{5t)dp'. (5.19)
Общая касательная сила сопротивления со стороны грунта на участках 1...2 и 2...3 при изменении угла от 0 до /Г:
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 1 2 - объектов в условиях Севера
Р '. |
(5.20) |
Р2 = 2 <JeBR I (cos р + / sin /3) с//3. |
|
о |
|
Если принять /3-90 - <5 и выполнить интегрирование, то по лучим
Р2 = 2cre2?i?(cos<5 - / sin <5 + / ) |
(5.21) |
Так как участки 1...2 и 2...3 симметричны, касательные си лы сопротивления грунта рыхлению в зонах вдавливания и сжа тия на этих участках:
К
Рв1 = < т,£ Л |(co s5 - / s i n 5 + f ) d p . (5.22)
о
Элементарные вертикальные и касательные составляющие силы сопротивления на участке 3...4, когда грунт вдавливается в
дно прорези: |
|
|
d!P = cflVr[s in (5 + a ,)+ / |
cos(5 - a 3 )];<5/iQ= d /y (c o s 5 -/s in S ) |
|
|
|
(5.23) |
Проинтегрировав в пределах от 0 до 8 —а з> получим для |
||
участка 3...4 |
|
|
9 0 -е , |
|
|
Pa2 = <y„BR J |
(cos р + / sin р y i p . |
(5.24) |
js- |
|
|
Для наклонного участка затупления 4...5 |
|
|
рвз = Q JS К + ф ) = <*eBatg (а 3+ <р)cos а 3. |
(5.25) |
|
Q2 = <УваВ cos а 3. |
(5.26) |
|
Для горизонтального участка затупления 5.. . 6 |
|
|
Р.. =fQ> |
в , =С.ЬВ |
(5.27) |
Касательная сила сопротивления вечномерзлого грунта рыхлению в зоне сжатия
5- Механика разрушения вечномерзлых грунтов рыхлителями |
-113- |
|
|
Рс = Pcl + Рс2 = <JCMCBAd + СГ'ВЯБ, |
(5.28) |
где .4 = fg(5+ < p)cos5; Б = c o s 5 - /s in 5 + / |
- парамет |
ры зоны вдавливания. |
|
Касательная сила сопротивления вечномерзлого грунта рыхлению в зоне вдавливания
Ра = РА + ...+ Pe4 = <?'B[R (E + D )+ aE + bf~\ (5.29) где Z) = l - c o s ( 5 - a ,) + / s m ( 5 - a 3) ,
Е ~ tg [ a 3+(p) c o sa , и Б - параметры зоны сжатия.
Зависимость (5.29) для определения касательной состав ляющей сопротивления вечномерзлого грунта в зоне вдавлива
ния учитывает влияние износа наконечника (R ,a ,b ,a 3), его
геометрические параметры (5 ,5 ) |
и физико-механические свой |
ства вечномерзлого грунта <тсж, / |
В формулах (5.28) и (5.29) |
необходимо учесть коэффициент |
к3, снижающий сопротивле |
ние рыхлению: |
|
|
|
Рв = о .В к, [Д ( £ + JD) + аЕ + Ь /] ; |
(5.30) |
||
Ре = {c CMB A d + a eB R E )k3, |
(5.31) |
||
А = tg{5 + ф )со8«3; |
Б = cos5 - / s i n 5 + / ; |
(5.32) |
|
D = l - c o s ( 5 - a 3) + / s in (5 ~ a 3); |
(5.33) |
||
|
hc - R sin 9 0 - 5 |
|
|
d = |
2 |
; E = tg (a 3+ <p)c o sa 3 |
.(5.34) |
|
sin 5
Касательная составляющая силы сопротивления вечномерз лого грунта рыхлению в зоне развала при нагрузке, равномерно распределенной по поверхности отделения крупного элемента:
Р р = a p F p k \ cos0i |
(5-35) |
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых "114“ объектов в условиях Севера
- где 0{ угол отделения крупного элемента вечномерзлого щунга; . kt коэффициент, учитывающий тип блокирования грунта при разработке [см. формулу (5.10)], Fp - площадь по
верхности, образующейся в результате отделения крупного эле мента грунта от массива, определяемая по формуле (5.4); а р
сопротивление вечномерзлого грунта растяжению.
Касательную составляющую сопротивления вечномерзлого грунта рыхлению определяют по формуле Ра1 = Рв + Рс + Рр->
составляющие которой вычисляют по зависимостям (5.30), (5.31) и (5.35).
Определим общее сопротивление вечномерзлого супесча ного грунта рыхлению и его составляющие при разработке рых лителем тягового усилия Т=400 кН при ширине наконечника В =10,5 см и угле рыхления 5 = 55°. Наконечник имеет износ, равный половине нормативного значения. Температура грунта на поверхности -20°С. Время производства работ - январь.
По схематической карте распространения вечномерзлых грунтов по территории России (см. рис.2.6) определяем, что Се вер Якутии приходится на вечномерзлые грунты твердо мерзлого состояния, а супесчаные грунты относятся к переув лажненным и имеют влажность до 20%. Для супесчаных грун тов число ударов С для поверхности грунта
С=16|/| - w(0,3|*|+6,5)+240=16|-20|-20(0,3|-20|+6,5+240=310. Определяем, что грунт относится к VIII категории трудно сти разработки при С=280 ... 420. Наибольшая глубина рыхле
ния этого грунта гусеничным рыхлителем тягового усилия 400 кН й=25 см. При глубине рыхления до 0,3 м температуру грунта на глубине й=25 см принимают равной температуре грунта на поверхности, т. е. te = te = —2 0 °С .
Износ наконечника принимаем равным половине норма тивного значения.
По зависимостям (5.6) имеем
а = Ь - 1,0см, R = 1,0см, а з= 10°
Определим глубину зоны вдавливания грунта по формуле (5Л):
5, Механикаразрушения вечномерзлых грунтов рыхлителями |
- 1 1 5 - |
|||
|
||||
\ |
= a s in a 3 + i? c o sa |
3 = lsinlO + lcoslO = 1,17см. |
||
До формуле (5.3) для грунтов VIII категории глубина зон |
||||
вдавливания и |
сжатия |
при глубине рыхления |
Л = 25см |
|
he + hc = 2 + 0,13й = 2 + 0,13 • 25 = 5,25см . |
|
|||
По |
формуле |
(5.4) |
определяем глубину зоны |
сжатия |
hc = 5,25 —1,17 = 4,08см . Длина наклонной площадки зоны сжатия между точками 0...1 (см. рис. 5.7) в соответствии с фор
мулой (5.34) |
|
К ~ R sin( ^ y ^ J |
9 0 -5 5 |
4,08 - lsin |
|
sin 6 |
— = 5,37см |
sin 55 |
|
|
(5.36) |
Для супесчаного грунта при о до 20% коэффициент внеш него трения грунта по стали7=0,5 , угол внешнего трения грунта по рабочему органу <р=26,5°. Определяем параметры А и Б зоны сжатия по формулам (5.34):
A - t g { 8 + p )cos5 = i&(55 + 26,5)cos55 = 3,84 (5.37)
Б= cos8 - f sin5 + / = cos55-0,5sin55 + 0,5 = 0,2544 (5.38)
Сопротивление грунта сжатию определим для супесчаного
грунта при со = 20% и /г = -2 0 ° :
O’er = 0,53)/|-©(о,0])/| + 0,22)+ 7,9 = 0,53|- 20(-20(0,0||- 20|+ 0,22)+ 7,9 = 10,6М77а
(5.39) Сопротивление грунтов вдавливанию рассчитаем по фор
муле (5.17):
ств = 0Д91С = 0,191-310 = 59,21М 7а (5.40) При разработке грунтов VIII категории коэффициент, учи тывающий влияние температуры нагревания на сопротивление грунта рыхлению в зонах вдавливания и сжатия, равен 0,7...0,85. Для наконечника, эксплуатируемого половину срока службы, принимаем к3 - 0,775. Касательную составляющую сопротив ления грунта рыхлению в зоне сжатия определяем по формуле
(5.30):
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -116- объектов в условиях Севера
Р ,~ ( ( Т ^ Ш + о £ К Б ) к ,-
= (1060-10,5 • 5,4 • 3,84+5921-10,5 • 1 • 0,2544)- 0,775 = 19ЦкН (5.41)
Значение угла скалывания крупного элемента грунта от массива для вечномерзлых грунтов УШ...Х категорий составля ет 0 =45...50°. Принимаем 0=45°. Определим глубину зоны развала грунта hp = h - (he + hc) - 25 - 5,25 = 19,75.
По формуле (5.5) при угле охвата %= 90° имеем
Щ |
_ 3,14-19,75 |
(5.42) |
4 sin# |
= 433с.м2 |
|
4 -sin 45 |
|
По формуле (5.35) рассчитаем касательную составляющую сопротивления грунта рыхлению в зоне развала при блокиро
ванной схеме рыхления и k x = 1:
Рр = VpFpK cos# = 3 1 0 -4 3 3 -1 -cos45 = 94,9/cff (5.43)
Касательная составляющая общего сопротивления грунта рыхлению Р01 = Рв + Рс + Рр = 102,2 +191,1 + 94,9 = 388,2кН < Т = 400/сЯ
(5.44)
Это значение сопротивления ниже тягового усилия рыхли теля на величину АРр =11,8к Н Так как сопротивления рых
лению в зонах сжатия и вдавливания грунта не зависят от глу бины рыхления, то глубину рыхления можно несколько увели чить. Глубина зоны рыхления в соответствии с формулами (5.5) и (5.35) может быть увеличена (уменьшена) на величину
4ДР
Ыгр = ± i a .n ctg Q *
A h = ± l ------ |
4 ‘1-1 - -— jj- = 6,96см. |
(5.45) |
р^ 310- 3,14 -с#45°
^Механика разрушения вечномерзлых грунтов рыхлителями |
-1 1 7 - |
|
|
Выполним вычисления, т. е. |
|
h = 5,25 +19,75 + 6,96 = 31,96см. |
(5.46) |
Наибольшая глубина рыхления вечномерзлого супесчаного грунта VIII категории трудности разработки при (О = 20% и ig~-20°С для нового наконечника h = 40,68 см, для наконечни
ка; имеющего износ за половину срока службы, h=32 см, а для полностью изношенного наконечника h=29,8cM. Определим ко эффициент износа наконечника А по формуле (5.10) при рых лении вечномерзлых грунтов VIII категории трудности: А =1,0 для новых наконечников рыхлителей, А =1,27 для наконечни ков, эксплуатируемых половину срока службы, А =1,37 для из ношенных наконечников.
При рыхлении грунтов VIII категории трудности касатель ное сопротивление грунта в зоне вдавливания относительно об щего касательного сопротивления возрастает по мере изнаши вания наконечника с 13,2% до 25,5% и до 37,7%. Касательная составляющая сопротивления грунта в зоне сжатия составляет 48...50%. Существенным образом изменяется касательная со ставляющая сопротивления грунта рыхлению в зоне развала, составляющая для новых наконечников 38,7%, для изношенных наполовину 26,7% и для полностью изношенных наконечников 16,3% общего сопротивления.
Распределение касательных составляющих сопротивления вечномерзлых грунтов рыхлению существенно зависит от сте пени износа наконечника и категории грунта (рис.5.7). Чем вы ше категория вечномерзлого грунта, тем больше сила сопротив ления грунта рыхлению в зоне вдавливания. Сила сопротивле ния в зоне вдавливания увеличивается главным образом в ре зультате уменьшения силы сопротивления грунта рыхлению в зоне развала. Чем больше износ наконечника, тем существеннее возрастает сила сопротивления вечномерзлого грунта рыхлению в зоне вдавливания.
Увеличение касательной составляющей общего сопротив ления вечномерзлых грунтов рыхлению в зоне вдавливания для новых наконечников составляет в среднем 5, 15, 25 и 35% соот ветственно для грунтов VI ...VII, VIII, IX и X категорий. Это со-
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 1 о - объектов в условиях Севера
противление учитывается коэффициентом формы наконечника к 2 .
Возрастание сопротивлений вследствие износа наконечника учитывается коэффициентом к 4 . Для наконечников, эксплуа тируемых половину срока службы, по сравнению с новыми это возрастание с уже учтенным коэффициентом формы к 2 со ставляет для вечномерзлых грунтов любых категорий к 4=1,05..Л,2. Для полностью изношенного наконечника это
возрастание учитывается коэффициентом к 4= 1.2... 1,3 для
грунтов VI...VII категории и к 4 =1,3...1,5 для грунтов VIII...IX категории трудности разработки.
а |
б |
в |
-S |
-20 |
-40 |
-SO |
-S |
-20 |
-40 |
-50 |
-5 |
-20 |
-40 |
-SO |
|
|
|
|
Ттгратурагрунт Cs |
|
|
|
|
|||
l_ l________ I--------------- |
1------ |
!---------- |
1L J ________ I_________ » |
t |
l L_l________ I_________ L |
t - I |
|||||
50 |
35 |
15 10 |
50 |
35 |
15 Ю |
SO |
35 |
15 10 |
ГлуВинарыхления, см
Рис. 5.7, Зависимость составляющих касательной силы сопротивле ния вечномерзлых грунтов рыхлению рыхлителями тягового класса 400 кН от категории грунта, его температуры и глубины рыхления при ис
пользовании наконечника.
а- нового; б - отработавшего половину срока службы;
в- полностью изношенного.
Для определения касательной составляющей сопротивления
(Н) вечномерзлого грунта рыхлению при выполнении тяговых расчетов следует использовать следующую формулу:
^Механика разрушения вечномерзлых грунтов рыхлителями |
- 1 1 9 - |
|
|
Р01 = \0 C flh -jB k lk2kik4 |
(5.47) |
где Сь - число ударов динамического плотномера |
на глу |
бине рыхления грунта, определяемое в полевых условиях удар ником ДорНИИ при известной температуре, типе и влажности грунта; h и В - глубина рыхления и ширина наконечника, см; к\ - коэффициент, учитывающий тип блокирования грунта при рыхлении (*i=0,5 - свободное, *1=0,75 - полублокированное и *1 = 1 ,0 - блокированное рыхление); к г - коэффициент формы на конечника, учитывающий затупление нового наконечника, *2=1,05; 1,15; 1,25 и 1,35 соответственно для грунтов VL..VH, VIII и X категории; к у коэффициент, учитывающий снижение сопротивления вечномерзлого грунта рыхлению вследствие на гревания наконечника в процессе работы, *3=0,85...0,95 для веч номерзлых грунтов VI ...VII категорий, *3=0,7...0,85 для грунтов УШ...1Х категорий, *3=0,5...0,7 для 1рунтов X категории трудно сти разработки (меньшие значения назначают для изношенных наконечников, средние - при износе, равном половине предель ного, большие - для новых наконечников); ^-коэффициент, учи тывающий износ наконечников в процессе рыхления и завися щий от категории грунта, *4= 1 , 0 для новых наконечников, *4=1,05...1,2 для наконечников, эксплуатируемых половину сро ка службы при рыхлении грунтов всех категорий, *4=1,2... 1,3 для полностью изношенных наконечников, при рыхлении грун тов VI...VII категории и *4=1,3...1,5 при рыхлении грунтов VIII...X категорий трудности разработки, меньшие значения ко эффициента * 4 назначают для менее прочных грунтов.
5.4. Управление температурным режимом наконечни ков рыхлителей
Нагрев наконечника рыхлителя в процессе работы может быть управляемым и неуправляемым. Реальны два пути управ ления температурным режимом наконечников рыхлителей: уст ройство ребер на боковых поверхностях наконечника для уве личения теплоотдачи в вечномерзлый грунт и применение сис тем автоматического регулирования температуры нагревания рабочих органов в процессе работы.
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых 120- объектов в условиях Севера
Уменьшение температуры нагревания наконечников рых лителей тягового усилия 200 кН и более для увеличения их сро ка службы обеспечивается увеличением боковой поверхности для создания подачи избытка теплоты в грунт по боковым по верхностям трения. При использовании этих наконечников (рис. 5.8) можно увеличить производительность рыхления на 20...40% [38].;Наконечники имеют разное отношение ширины уширителя В\ к ширине наконечника В. Наконечники рыхлителей с боко выми уширениями создают прорезь в грунте, которая начинает ся практически от дна; не испытывают перегрева при продолжи тельном рыхлении вследствие увеличения теплообмена с веч номерзлым грунтом по боковым поверхностям; подрезают в стороны от прорезаемой щели грунт, который в результате опе режающего вдавливания режущей грани наконечника предвари тельно разрыхляется и сопротивление грунта рыхлению не уве личивается; имеют скорость износа в течение первых 2 ч экс плуатации одинаковую по сравнению с стандартными наконеч никами, а затем она в среднем в 1,5 раза меньше вследствие из нашивания уширений.
Наконечники с уширениями имеют увеличенную ширину прорези в верхней части при равной глубине рыхления со стан дартными наконечниками (рис. 5.8). При рыхлении грунта нако нечником с уширениями существенно не изменяются размеры зоны вдавливания, однако значительно увеличиваются размеры