Рыхлитель для разработки мёрзлого грунта энергией сжатого газа

УДК 624. 139 С. В. МАКСИМОВ, В. С. ИВКИН, А. Д. ЕФРЕМОВ

РЫХЛИТЕЛЬ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МЁРЗЛОГО ГРУНТА ЭНЕРГИЕЙ СЖАТОГО ГАЗА

Сложность и высокая энергоёмкость разработки мёрзлых грунтов связана с высокой их прочностью. Одноковшовые строительные экскаваторы, скреперы, бульдозеры, автогрейдеры не могут работать в зимний период без проведения работ по предварительному рыхлению мёрзлых грунтов, которые выполняют специальные землеройные машины, называемые рыхлителями. Выполнение земляных работ в зимний период не может быть успешно решено без знания физико-механических свойств мёрзлых грунтов и исследования процессов, происходягцих в них под воздействием внешних нагрузок. Оборудование для разработки мёрзлых грунтов, как и любая группа строительных машин, должно удовлетворять требованиям, обеспечивающим максимальную эффективность их использования. Одно из перспективных направлений, обеспечивающее рост производительности землеройной техники, следует искать в применении принципиально нового метода воздействия на грунт и в создании на этой основе рабочего органа нового типа - газодинамического рыхлителя.

В экспериментальных исследованиях применялись методы моделирования рабочих органов, позволившие выполнить программу исследований, ускорить, упростить и удешевить проведение экспериментальных работ. Проверка результатов лабораторных экспериментов в полевых условиях позволила получить действительные цифровые значения крутящего момента для завинчивания газодинамического рыхлителя в мёрзлый грунт.

Ключевые слова: мёрзлый грунт, фаза завинчивания, газовый импульс, крутящий момент.

• г

Из механики мёрзлых грунтов известно, что в любом мёрзлом грунте при его отрицательной температуре в природных условиях содержится некоторое, хотя бы и незначительное, количество воды в жидкой фазе, находящейся в равновесном состоянии с величиной внешних воздействий и количественно изменяющейся с изменением последних [1].

В общем случае мёрзлый грунт является четырёхфазным природным образованием, состоящим из твёрдых минеральных частиц, льда -цемента, незамёрзшей и прочносвязанной воды, газообразных компонентов, находящихся в порах и пустотах грунта.

Наличие пор (пустот) определяет физическое состояние мёрзлых грунтов и особенно механическое поведение (уплотняемость), сопротивление сдвигу, разрыву при внешних воздействиях.

Вода в мёрзлом грунте может наблюдаться в твёрдом (лёд), жидком (незамёрзшая вода), газообразном (водяной пар) состояниях. При замерзании воды резко увеличивается сцепление между минеральными частицами грунта, поэтому сцепление является основной характеристикой

Максимов С. В., Ивкин В. С., Ефремов А. Д., 2009

прочности мёрзлых грунтов.

С понижением температуры уменьшается количество незамёрзшей воды и повышается содержание льда, увеличивается поверхность контакта с плёночной водой, что приводит к увеличению сил молекулярного притяжения [1].

В зависимости от гранулометрического состава, влажности и условий промерзания образуется текстура мёрзлых грунтов. Можно выделить большие группы мёрзлых грунтов:

слитные (бесструктурные);

'  слоистые (ячеистые).

Слитные (бесструктурные) мёрзлые грунты состоят из прочной монолитной массы, сцементированной льдом.

В слоистой группе мёрзлых грунтов обнаруживаются прослойки (линзы) льда, способствующие лучшему разрушению. При создании строительных машин для рыхления мёрзлых грунтов важно знать, как сопротивляются мёрзлые грунты при действии прикладываемых к ним нагрузок [2].

Изучение поведения мёрзлых грунтов под нагрузками показывает, что сопротивление мёрзлого грунта сжатию увеличивается с понижением его температуры. Кроме того, температура влияет и на характер деформации мёрзлых грунтов при сжатии. При низких температурных

мёрзлый грунт ведёт себя как хрупкое тело, а при относительно высоких температурах - как пластичное тело. С увеличением влажности (до некоторого предела) сопротивление мёрзлых грунтов сжатию растёт. Максимальное значение сопротивления сжатию соответствует полному влагонасыщению грунта. При дальнейшем увеличении влажности сопротивление мёрзлого грунта сжатию падает.

Гранулометрический состав также оказывает влияние на сопротивление мёрзлых грунтов сжатию. Прочностные свойства мёрзлого грунта увеличиваются до некоторого предела с увеличением количества крупнозернистых частиц. Так, песок обладает большей прочностью, чем дисперсные грунты (глина).

Объясняется это тем, что содержание воды в жидкой фазе повышается с уменьшением размеров минеральных частиц грунта. Поэтому при одной и той же температуре коэффициент льдо-насыщения у мёрзлых песков больше, чем у глинистых грунтов, и, следовательно, они будут обладать большим сопротивлением сжатию.

Сопротивление мёрзлых грунтов растяжению, по данным И. А. Недорезова, в среднем в 5 раз меньше, чем сжатию [3].

Существенное влияние на сопротивление мёрзлого грунта растяжению (разрыву) оказывают влажность, температура, гранулометрический состав.

Установлено, что это влияние неоднозначно для крупнозернистых и мелкозернистых грунтов. Прочность песка с увеличением влажности возрастает непрерывно, а у глины и суглинка -до какого-то максимума, соответствующего полной влагоёмкости. Дальнейшее увеличение влажности приводит к снижению прочности у суглинков.

Это объясняется тем, что при малых значениях влажности прочность мёрзлых грунтов определяется в большей мере связями между минеральными частицами и контактами между ними и льдом, а с увеличением влажности всё большее

количество контактов и непосредственно льда включается в работу на разрыв.

Степень несовершенства строительной машины для рыхления мёрзлого грунта можно оценить из выражения [4]:

С„ =

сг

где X - общая сопротивляемость мёрзлого грунта разрушению данной строительной машиной;

<7- сопротивляемость мёрзлого грунта разрушению при разрыве.

Чем больше отношение в формуле (2), тем более энергоёмкий способ рыхления мёрзлых грунтов заложен в конструкции рыхлителя по сравнению со способом, основанном на деформации разрыва (отрыва грунта от массива).

Если условно принять за единицу величину удельного сопротивления мёрзлого грунта разрыву, то соотношения сопротивляемости другим видам деформации разрушения для температур от минус 1 до 40 °С будут следующие (см. таблицу 1).

Снижение энергоёмкости копания (рыхления) мёрзлого грунта возможно лишь на основе создания более эффективных конструкций, использования принципиально новых способов воздействия на грунт как разрыхляемую среду. Одним из возможных технических решений такого рабочего органа является создание рыхлителя для разработки грунта энергией сжатого газа [5, 6, 7,

8, 9, 10, 11].

Условно работу газодинамического рыхлителя можно разделить на две фазы:

• фаза завинчивания (доставка газового импульса на глубину рыхления);

• фаза отрыва грунта от массива за счёт деформаций сдвига и разрыва при подводе в зону рыхления довольно высокой энергии сжатого воздуха высокого давления.

Ввинчивание винтового наконечника и штанги рабочего органа газодинамического рыхлителя сопровождается ростом концентрации напряжений в контактах между

Таблица 1

Соотношения сопротивляемости мёрзлых грунтов различным видам разрушения

Характер деформации Разрыв Сдвиг Изгиб Сжатие Резание Вдавливание

Относительный показатель 1 1,5 2 3 7-г 11 21

минеральными частицами и льдом - цементом, что приводит к деформации разрушения льда -цемента. Возникает оггаивание, пластическое течение льда в напряжённой зоне. Подплавлен-ный лёд, соприкасающийся с рабочими поверхностями рыхления, позволяет снизить силы трения и износ рабочего органа при ввинчивании в мёрзлый грунт.

Сцепление минеральных частиц льдом - цементом является наименее стабильным и в природных условиях непрерывно меняется в зави-

симости от колебания температуры в мёрзлой толще и нагрузки [1].

Нагрузка, приложенная к мёрзлому грунту, вызывает концентрацию напряжений в контактах между минеральными частицами и кристаллами льда, что приводит к пластичной деформации льда и его отжатию из более напряжённой зоны в менее напряжённую [1].

Возникает пластическое течение льда (без фазовых переходов), обусловленное разностью давлений на контактах минеральных частиц и вне их [1].

Таблица 2

Сопоставление расчётных и экспериментальных данных при определении крутящего момента для завинчивания газодинамического рыхлителя в мёрзлый грунт

№ п/п Характеристика грунта Расчётное значение Мпр по формуле (3), Н-м Фактическое значение Момента завинчивания, Н-м Коэффициент неоднородности фунта, К. Расчётное значение Мпр с учётом К„, Н-м

1 2 4 5 6

Параметры модели рабочего органа / г*: * • *

Диаметр винтовой лопасти О = 50 мм, диаметр рабочего органа V « • • «

dlu = 40 мм; Кш = 0,8; Kd = 0,4; К, = 0,8; п, = 1,5; побщ = 3,5

500 1,4 538

Тяжёлый суглинок с примесью 512 1,4 * 538

опочного камня до 40%

: 420 1,3 499

1. 1ПЗ=-15°С; С=243; а)=33%; 384

* • • и у 1 .7 490 1,4 538

и=1,7 г/см3; Р0=408; и=0,89 * ) 1

1 и 7 7 V /| 7 570 1,5 576

505 1,4 538

495 1,4 526

Тяжёлый суглинок с примесью 508 1,4 526

опочного камня до 40% 376 510 1,4 526

2. 1ф=-11°С; С=205; со=27%; 380 1,2 451

^=1,7 г/см3; Р0=282; ц=0,7 440 1,3 489

550 1,5 564

498 1,4 532

Тяжёлый суглинок с примесью 513 1,4 532

опочного камня до 40% 400 1,2 456

з 380 і

mJ • Ц=-6°С; 0=137; со=33%; 495 1,4 532

^=1,7 г/см3; Р0=214; ц=0,52 510 1,4 532

482 1,4 532

420 1,4 442

Тяжёлый суглинок с примесью 386 1,4 442

Л опочного камня до 40% 'І 1 £ 340 1,2 379

4. 1Ф=-6°С; С=152; оз—27%; J lo 353 1,2 379

Ц= 1,7 г/см3; Р0= 170; ц=0,48 395 1,4 442

379 1,4 442

Окончание табл. 2

Тяжёлый суглинок с примесью опочного камня до 40%

Ц=-3°С; 099; ©=33%;

^=1,7 г/см3; Р0=Ю7; ц=0,34

238

296

312

285

260

308

1.4

1.4

1.4

1.3

1.4

*4 *"4 ^

-Э.Э.5

303

333

6.

Тяжёлый суглинок с примесью опочного камня до 40%

1ф=-3°С; С= 108; со=27%;

1гр=1,7 г/см3; Р0=74; ц=0,27

183

235

228

200

211

240

1.4

1.4 1,2 1,2

1.5

256

256

220

220

275

Параметры модели рабочего органа Диаметр винтовой лопасти Э = 45 мм, диаметр рабочего органа с!ш = 28 мм; Кш = 0,62; Кй = 0,4; К, = 0,8; 11!= 1,5;побщ=2,5

7.

Тяжёлый суглинок с примесью опочного камня до 40%

1ф=-6°С; С= 137; со=33%;

Ц=1,7 г/см3; Р0=214; ц=0,52

162

195

205

180

220

200

192

1.4

1.4

1.3

1.5

1.4 1,3

227

227

211

243

227

211

8.

Тяжёлый суглинок с примесью опочного камня до 40%

Ц=-6°С; С=152; со=33%;

^=1,7 г/см3; Р0=170; (1=0,48

140

182

180

165

200

170

1.4

1.4

1.3

1.5

1.3

196

196

182

210

182

9.

Тяжёлый суглинок с примесью опочного камня до 40%

Ц=-3°С; С=99; со=33%;

1гр=1,7 г/см3; Р0=107; (1=0,34

106

127

131

120

110

135

1.4

1.4 1,2 1,2

1.5

149

149

127

127

159

10.

Тяжёлый суглинок с примесью опочного камня до 40%

Ц=-3°С; С=108; оо=27%;

^=1,7 г/см3; Р0=:74; ц=0,27

85

108

89

95

105

110

1,4

1,1

1,2

1.3

1.4

119

94

102

110

119

Параметры модели рабочего органа Диаметр винтовой лопасти Б = 40 мм, диаметр рабочего органа с!ш = 21 мм; Кш = 0,52; Кй=0,4; К,= 0,8;п,= 1,5;побщ =3,5

11

Тяжёлый суглинок с примесью опочного камня до 40%

1Ф=-3°С; С=99; со=33%;

1Ф= 1,7 г/см3; Р0= 107; ¡1=0,34

109

135

127

113

146

130

1.4

1.3 1,1

1.5

1.3

153

142

120

164

142

12,

Тяжёлый суглинок с примесью опочного камня до 40%

Ц=-3°С; С= 108; со=27%;

1:ф=1,7 г/см3; Р0=74; ц=0,27

88

113

108

115

105

101

1.4

1.4

1.5

1.3

1.4

123

123

132

114

123

Увеличение напряжения на контактах между минеральными частицами и кристаллами льда приводит к нарушению равновесного состояния между плёночной водой и контактирующим с ней льдом, что влечёт за собой отталкивание последнего. Всё сказанное хорошо согласуется с принципом динамического равновесного состояния твёрдой и жидкой фаз воды в мёрзлых грунтах, сформулированное Н. А. Цытовичем [1].

Необратимые структурные деформации мёрзлого грунта приводят к более плотной упаковке твёрдых минеральных частиц, замещающих места, освободившиеся в результате перемещения льда - цемента, влаги и воздуха.

В процессе завинчивания транспортирование вытесненного объёма грунта на поверхность не происходит (грунт уплотняется и отжимается в ненарушенный массив в осевом и радиальном направлениях), в результате чего рабочий орган плотно обжимается уплотнённым грунтом. Поэтому, используя винтовой наконечник для внедрения в грунт газодинамического оборудования [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11], можно создать такую конструкцию машины, в которой будут идеальные условия для герметизации выхлопных отверстий в начальный момент разрядки рабочей камеры.

Несмотря на то, что наиболее энергоёмкими являются процессы вдавливания и сжатия мёрзлого грунта, которые при его разрушении исключить невозможно, завинчиванием винтового наконечника и штанги рабочего органа газодинамического рыхлителя создаются микротрещины в грунте, ослабляется монолит, появляется «сетка повреждений». Таким образом, при завинчивании рабочего органа в грунт происходит подготовка ко второй фазе отрыва грунта от массива за счёт деформации сдвига и разрыва.

Однократное приложение разрушающей на-фузки при выхлопе из рабочей камеры, при подводе в зону рыхления довольно высоких энергий сжатого газа (воздуха) высокого давления позволяет разрушать мёрзлый грунт наименее энергоёмким способом при доминировании наименее энергоёмких напряжений разрыва (см. табл. 1).

В процессе завинчивания рыхлителя основной нагрузкой, действующей на оборудование, является крутящий момент. Предельная величина крутящего момента направлена на преодоление суммарного сопротивления завинчиванию и может быть рассчитана по формуле

Мщ = к;  к%  £>"*’.

Здесь К'Пр,К^ - коэффициенты сопротивления завинчиванию [12]

Результаты экспериментальных исследований показали, что формула (3) даёт хорошую сходимость теоретических и практических данных для однородных грунтов (см. таблицу 2).

Для неоднородных грунтов в формулу (3) предельного крутящего момента целесообразно ввести коэффициент неоднородности грунта, который может изменяться в пределах от 1,1 до 1,5 (см. таблицу 2).

Тогда формула (3) примет вид

М =К -Кгр • Кгр • £>А+3

1У1пр 1Хн пр 1Куд ^

ВЫВОДЫ

Экспериментальные исследования выполнялись на моделях рабочих органов разного масштаба в природных грунтовых условиях, в которых будет работать новая конструкция газодинамического рыхлителя. Физическое моделирование, как метод исследования создаваемого газодинамического рыхлителя, позволяет проводить эксперименты при минимальных материальных затратах. При моделировании оборудование газодинамического рыхлителя трансформируется до удобных меньших размеров, чем размеры реальной машины. Физическое моделирование - это развивающаяся и перспективная область экспериментальных исследований, которая позволяет изучать процесс завинчивания газодинамического рыхлителя в грунт без существенного его искажения. При масштабном моделировании в естественных грунтовых условиях мы имеем полноценный эксперимент, обеспечивающий получение объективного результата, анализ которого позволяет своевременно внести изменения в конструкцию проектируемого обо-

ГЧ* / ГГ/\ПП I 1Т

руДОЬаппл.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Цытович, Н. А. Механика мёрзлых грунтов: учебное пособие / Н. А. Цытович. - М. : Высш. школа, 1973. - 448 с.

2. Садаков, Ю. П. Производство земляных работ в условиях городского строительства / Ю. П. Садаков, И. М. Ващук, В. И. Уткин. - М. : Стройиздат, 1975. - 247 с.

3. Недорезов, И. А. Интенсификация рабочих процессов землеройно-транспортных машин : учебное пособие / И. А. Недорезов. - М. : МА-ДИ, 1979.-50 с.

4. Зеленин, А. Н. Машины для земляных работ: учебное пособие для вузов / А. Н. Зеленин, В. И. Баловнев, И. П. Керров. - М. : Машиностроение, 1975.-424 с.

5. Пат. №2209891 С 1 Российская Федерация, МПК 7Е 02 Р5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - №2002110492/03; заявл. 19.04.2002; опубл. 10.08.2003, Бюл. №22. - 12 с.

6. Пат. №2231601 Российская Федерация, МПК 7Е 02 Р5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - №2003108241/03; заявл. 25.03.2003; опубл. 27.06.2004, Бюл. №18.- 16 с.

7. Пат. №2236514 Российская Федерация, МПК 7Е 02 Р5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С., Кузьмин Е. К. заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. -№2003116529/03; заявл. 03.06.2003; опубл.

20.09.2004, Бюл. №26. -15 с.

8. Пат. №2244784 Российская Федерация, МПК 7Е 02 Р5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С., Кузьмин Е. К. заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. -№2003130251/03; заявл. 10.10.2003; опубл.

20.01.2005, Бюл. №2. - 11 с.

9. Пат. №2252989 Российская Федерация, МПК Е 02 Р5/32. Устройство для разрушения мёрзлых и прочных грунтов / Ивкин В. С., Морозов В. В.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - №2004106179/03; заявл. 02.03.2004; опубл. 27.05.2005, Бюл. №15. -12 с.

10. Пат. №2256751 Российская Федерация, МПК Е 02 Р5/32. Устройство для разрушения мёрзлых и прочных грунтов / Ивкин В. С., Мо-

розов В. В.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - №2004112155/03; заявл. 20.04.2004; опубл. 20.07.2005, Бюл. №20. -12 с.

11. Пат. №2276235 Российская Федерация, МПК Е 02 Р5/32. Устройство для разрушения мёрзлых и прочных грунтов / Ивкин В. С., Морозов В. В.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - №2004118762/03; заявл. 21.06.2004; опубл. 10.05.2006, Бюл. №13.-21 с.

12. Максимов, С. В. Интенсификация рабочего процесса рыхлителя / С. В. Максимов, В. С. Ивкин, А. Д. Ефремов // Вестник УлГТУ - 2009. -№3.- С. 45-48.

Максимов Сергей Валентинович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Строительное производство и материалы» УлГТУ. Имеет монографии, учебник, учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области строительных материалов.

Ивкин Валерий Семёнович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ.

Ефремов Александр Дмитриевич, студент 5 курса строительного факультета УлГТУ.

УДК 69.057.124 В. Ф. ФОМИНА

ФОРМООБРАЗОВАНИЕ В ОБЪЁМНО-БЛОЧНОМ ДОМОСТРОЕНИИ

%

Рассматривается применение объёмно-блочного способа возведения зданий и предполагаются варианты формирования силуэта зданий и застройки с использованием различным конструктивных систем для улучшения качества окружающей среды.

Ключевые слова: объёмные блоки, пластика и скульптурность внешнего облика, блок-комната, блок лестнично-лифтого узла, самонесущие и ненесущие объёмные блоки, монолитный ствол, комбинированная система.

Одним из путей решения этой задачи является дальнейшее развитие объёмно-блочного домостроения с переходом к сооружению крупных жилых комплексов и зданий высотой до 9 этажей для рядовой застройки и зданий, призванных играть роль архитектурно-композиционных акцентов, высотой 12, 16 и более этажей. В сельской местности высота зданий из объёмных блоков может колебаться от 1 до 5 этажей.

Основная задача строительного производства - повышение уровня индустриализации строительства и степени заводской готовности строительных конструкций и деталей с применением прогрессивных материалов.

© Фомина В. Ф., 2009