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

- 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