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

а: со стороны грунта некоторым его объемом, находящимся в напряженно-деформированном состоянии. Для процессов реза­ ния, копания и рыхления объем грунта, испытывающий сложнонапряженное состояние, сопоставим с объемом рабочего ор­ гана, взаимодействующего с этим грунтом. Поэтому допустима постановка обратной задачи. Представим грунт как подвижное тело 2 в виде источника теплоты, а рабочий орган как непод­ вижное тело 1 в виде полупространства. Средняя и максималь­ ная температуры поверхностей контакта грунта как подвижного тела 2

Получим функции, определяющие закон распределения те­ плового потока между рабочим органом и грунтом:

Тепловой поток, поступающий в рабочий орган при разра­ ботке грунта, плотностью q} пропорционален отношению теплофизических параметров грунта и суммарных теплофизиче­ ских параметров грунта. В грунт поступает оставшаяся часть теплового потока q2=q - qt. Анализ показывает, что при разра­ ботке вечномерзлого грунта в рабочий орган поступает от 80 до -94% общей теплоты (рис. 6.2).

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 3 2 - объектов в условиях Севера

О0.1 0.2 0.3 ол

Влажность грунта Wc

Рис. 6.2. Распределение теплоты Qp,Q^(%) соответственно между рабочим органом н грунтом при разработке суглинистого вечномерзлого грунта различной влажности

1 - углеродистая сталь; 2 - легированная сталь; сплошная линия - плотность грунта 1400 кг/м3 прерывистая -1600 кг/м3.

Рабочие органы, изготовленные из легированных сталей, получают на З...6% больше теплоты, чем изготовленные из уг­ леродистых. Теплофизический параметр металлов изменяется в узком диапазоне (0,7..,1,0)10“4 (м2К)/(Вт-с°0 5), поэтому констан­ той, определяющей закон распределения теплоты между грун­ том и рабочим органом, является теплофизический параметр вечномерзлого грунта, изменяющийся в широком диапазоне (4...12) 10" (м2оС>/ /(Вт-с0*5).

Чем больше плотность грунта и его влажность (льдистость), тем меньшее количество теплоты поступает в рабочий орган. Более значительное количество теплоты поступает в рабочий орган при разработке песчаных грунтов, меньшее при разработ­ ке супесей и еще меньшее при разработке суглинков и глин. Следовательно, при разработке вечномерзлых глинистых и суг­ линистых грунтов в массив грунта поступает большее количест­ во теплоты, чем при разработке супесчаных и песчаных грунтов.

Распределение теплоты между отделяемым элементом грунта и массивом определяют аналогично распределению теп­ лоты между рабочим органом и массивом грунта. В этом случае теплофизические параметры отделяемого элемента и массива грунта Тг = Г, = 7*2. Отделяемый элемент и массив грунта полу­

чают равное количество теплового потока плотностью

На основании выполненного анализа можно определить ко­ эффициенты распределения теплового потока а ,6,с,е,с,,и с2

между контактирующими телами системы рабочий орган- массив-элемент:

Уравнения составляющих расходной части теплового ба­ ланса для изношенных рабочих органов имеют вид

Количество теплоты, необходимое для отогрева приконтактного слоя вечномерзлого грунта, зависит от типа грунта, его льдистости и температуры, характера взаимодействия системы грунт - рабочий орган, метода подвода теплоты, его концентра­ ции и других факторов. Основная часть теплоты, поступающей в грунт, затрачивается на фазовый переход льда-цемента в воду вследствие большого скрытого удельного количества теплоты

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 3 4 - объектов в условиях Севера

плавления льда, равного 335 кДж/кг. Расход теплоты при подог­ реве 1 м3 мерзлого грунта от температуры -12° С до 3°С по дан­ ным А. Д. Орловского, составляет: для нагрева воды в капилля­ рах и порах 8 %; для нагрева скелета мерзлого грунта до t=0°C 20 %; для нагрева льда в капиллярах и порах 2,5 %; скрытая те­ плота плавления льда 45 %; потери теплоты из отепляемого блока в граничные массивы грунта 1 %; потери теплоты с по­ верхности грунта и отогревающего устройства 6,5 %; прочие (испарение влаги из массива грунта и др.) 17 %. Так как вечно­ мерзлый грунт имеет более низкую теплоемкость, чем талый, то сначала процесс его прогревания идет более интенсивно. После образования талой прослойки, задерживающей тепловое воздей­ ствие, процесс отогрева вечномерзлого грунта замедляется.

Чем ниже коэффициент теплопроводности обрабатываемо­ го материала, тем больше теплоты поступает в рабочий орган. Коэффициент теплопроводности вечномерзлых 1рунтов в сред­ нем в 15...17 раз меньше коэффициента теплопроводности вы­ соколегированных сталей. Поэтому при разработке грунтов ма­ териал рабочего органа получает значительно большую часть общего количества теплоты, чем при обработке сталей точени­ ем.

Большая часть тягового усилия рыхлителя затрачивается на энергоемкие деформации в зонах вдавливания и сжатия грунта. В этих зонах происходят процессы трения и нагревания нако­ нечников, способствующие их изнашиванию. Наконечник рых­ лителя, отработавший половину срока службы, по температуре нагревания занимает промежуточное положение между новым и изношенным наконечником. Средняя температура наконечни­ ков, отработавших половину срока службы, составляет: 40°С (7г = -4 °С ) для грунтов VI категории, 60°С (/г = -10°С )для

грунтов VII категории, 70°С (/., = -30°С ) для грунтов VIII ка­

тегории, а 85°С (г, = -45°С ) для грунтов IX категории и 100°С

= -55°С) Для грунтов X категории.

Максимальная температура нагревания, определяемая, в 1,5 раза больше средней (см. рис. 6.3, б). Причина появления мак­ симальных температур, возникающих непродолжительное вре­ мя на поверхностях трения в процессе рыхления грунта, объяс­ няется тем, что полосовой источник теплоты шириной В про­

гревает в большей степени участки поверхностей трения нако­ нечника, расположенные впереди по ходу движения отрываемо­ го элемента.

Рис. б.З. Изменение температуры нагревания наконечника рыхлите­ ля на базовой машине с тяговым усилием 400 кН в зависимости от кате­

гории разрабатываемого грунта и глубины рыхления.

а. б, в - соответственно среднее, максимальная и экстремальная темпера­ тура нагревания; 1,2, 3 - соответственно полностью изношенный, отработав­ ший половину срока службы и новый наконечник; 4 - температура вечномерз­

лого грунта; 5 ,6 - соответственно полностью изношенный и отработавший половину срока службы наконечник.

Продолжительность действия теплоты на этих участках больше, чем в начале полосы прогрева. Однако эта максималь­ ная температура не может быть принята за наибольшую темпе­ ратуру нагревания наконечников рыхлителей. По данным япон­ ских ученых наибольшая температура нагревания наконечников рыхлителей тягового усилия 500 кН составляет 280„.585°С в отдельных локальных зонах при концентрации тягового усилия на режущей кромке наконечника. На рис.6.3, в приведены наи­ большие возможные (средняя и максимальная) температуры на­

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых "13б" объектов в условиях Севера

гревания для изношенных наконечников, наконечников, отрабо­ тавших половину срока службы, и новых наконечников рыхли­ телей. Эти экстремальные температуры нагрева определены; исходя из следующих соображений. Известно, что при рыхле­ нии поверхность дна прорези неровная. Если заглубить рыхли­ тель ниже предельного уровня для данного типа грунта, то резко снижается скорость движения базового тягача. В этом случае оператор поднимает стойку на 5... 10 см и освобождает наконеч­ ник из зон вдавливания и сжатия грунта. Далее вновь заглубля­ ют наконечник на 3...5 см, продолжая процесс рыхления. В мо­ мент этого заглубления нагретый до квазистационарного со­ стояния наконечник резко нагревается. Экстремальная (наи­ большая возможная) температура нагревания наконечника со­ ставляет для грунтов VIII...X категории 250...360°С при исполь­ зовании новых наконечников, 350...4500 С для наконечников, износ которых равен половине нормативного, и 500° С и более для полностью изношенных наконечников.

Рассмотрим расчет экстремальной температуры нагревания (рис. 6.4) для прошедшего приработку наконечника рыхлителя, имеющего следующие геометрические параметры: R=0,75CM, а=1см, Ь=1см, аз=10°. Площадь поверхности трения в грунте в момент заглубления

F = lKB=(Q,5nR + o+ 6)B = p ,1- ^-,7- -H + 1jl0,5 = 23,6см2 (6-30)

Для условий примера, приведенного в параграфе 6.1, имеем для супесчаного вечномерзлого грунта

Тг= 5,92 • 1О-4(м • К)/(Вт • с0>5).

Наконечник изготовлен из легированной стали и имеет

Тр= 0,758 • 10"4 (м • К)/(Вт • с0’5).

Определяем коффициент «1=0,7 для наконечника, отслу­ жившего половину срока службы. Принимаем коэффициент ис­ пользования силы тяги и2=1. Коэффициент внешнего трения грунта по стали /=0,5. Рыхлитель на базе машины тягового уси­ лия 400 кН имеет наибольшее тяговое усилие Т= 392,4кН.

Рис. 6.4. Схема к расчету наибольшей возможной температуры нагревания наконечника

Скорость рыхления V=0,5M/C. Определим наибольшую воз­ можную среднюю температурунагреваниябез учетаначальной:

Р104(0,758+5,92)^0,105 -л/0,00336

Экстремальная температура в этот момент составит Щржс = 390,8°С . При этих условиях рассмотрим влияниезату­

пления наконечника и категории разрабатываемого грунта на экстремальную температуру. Для грунтов VI категории «1=0,5. Остальные параметры без изменения. Для грунтов VI категории

^ржс =186,7° С и 1рзкс= 280,1*47. Для грунтов IX категории

«1=0,85. Теперь получим 1рэкс =317,4°С и t p3KC =476,2°С.

В моментзаглубления наконечника в грунт можно принять «1=1 , тогда наибольшая достижимая средняя и экстремальная

Температура нагревания для наконечника, отслужившего поло­

вину срока службы, tp^c =373,5°С и t p3Kc =560,2°С. Из­

вестно, чтопритемпературенагреваниянаконечникарыхлителя более 500°С ухудшаются нетолько пластичные свойства метал­ ла, но и уменьшается прочность, т. е. имеет место хрупкое раз­ рушениенаконечников.

ВОПРОСЫ

1.На что расходуется механическая энергия в системе ра­ бочий орган - грунт?

2.Каким уравнением тепловой баланс системы рабочий орган-грунт?

3.От чего зависит количество теплоты, необходимое для отогрева приконтактного слоя вечномерзлого грунта?

4.Как происходит изменение температуры нагревания на­ конечника рыхлителя в зависимости от категории разрабаты­ ваемого грунта и глубины рыхления?

РЫХЛЕНИЕ И ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ГРУНТА

7ЕСТЕСТВЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПО

ПРИНЦИПУ I

71. Рыхление и перемещение грунта бульдозерами

Для перемещения разрыхленного вечномерзлого грунта на значительные расстояния применяют автосамосвалы с погруз­ кой грунта одноковшовым экскаватором или скреперы. Для уда­ ления ipym a в сторону от строительной площадки применяют только бульдозеры. При этом, как правило, используют бульдо­ зеры, навешанные на гусеничный рыхлитель, который осущест­ влял подготовку грунта к выемке.

Рыхление вечномерзлого грунта будет эффективным, если базовая гусеничная машина имеет тяговое усилие 300 кН и бо­ лее.

Эффективность технологии производства земляных работ на вечномерзлых грунтах определяется схемой перемещения рыхлителя по площадке строительства (рис. 7.1). Челночная, продольно-поворотная, спиральная, продольно-кольцевая и воз­ вратно-поступательная схемы перемещений относятся к про­ стейшим, не требующим высокой квалификации оператора и получившие наибольшее распространение. Перемещения при рыхлении могут быть смежными или смещенными на один ход.

Вечномерзлые грунты V...VI категории рыхлят только в продольном направлении, а грунты VI...УШ категорий - в про­ дольном и в поперечном направлениях под некоторым углом к направлению продольных перемещений (рис.7Л,е, ж). Необхо­ димость такого продольно-поперечного рыхления связана с по­ следующим удалением вечномерзлого грунта со строительной площадки бульдозером, скрепером или экскаватором.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 1 4 0 - объектов в условиях Севера

в }

Г-----------------

с .

>

и)

к ! л)

Рис. 7.1. Схемы перемещения рыхлителя а - челночная, б - продольно-поворотная, в - спиральная, г - продольно

кольцевая, д - возвратно-поступательная, е - продольно поперечно ортого­ нальная, ж - продольно-поперечная угловая, з - продольно-поперечная угло­ вая с одной опережающей щелью по границе котлована,» - продольно­ поворотная с двумя опережающими щелями по границе котлована, к-форма прорези при смежных заездах,л - форма прорези при смещенных заездах, со­ ответственно рабочий и холостой ход.

Наиболеесложнои менее производительно рыхление высо­ копрочного вечномерзлого грунта VIII...X категорий, так как глубина рыхления невелика, а заглубление наконечника доми­ нирует в рабочем циклеработы рыхлителя. При рыхлении этих грунтов производят предварительное очертание контура котло­ вана несколькими проходами рыхлителя на глубину, превы­ шающую до 10% предполагаемую глубину рыхления (рис.7.1,з, и). Далее процесс рыхления осуществляют перпенди­ кулярно или наклонно относительно очерченного контура. Та­