книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера
..pdf(^Тепломеханические процессы системы «рабочий орган-грунт» |
-13 1 - |
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
1г = 0 ,7 5 2 7 ^ 2 A/7 7 V; |
(6.17) |
^2max = 1> 1297^^2 |
(6.18) |
Получим функции, определяющие закон распределения те плового потока между рабочим органом и грунтом:
fx=^152Tx4lJv\ |
(6.19) |
/ 2 = 0 ,125T2^Tiv\ |
(6.20) |
0 х = ~ ~ r q ; |
(6.21) |
ij + i 2 |
|
0-2 ~ -----тх!— q . |
(6.22) |
Тх + Тг |
|
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
<$. Тепломеханические процессы системы «рабочий орган - грунт» |
-1 3 3 - |
~ 4 i = 0 , 5 # |
(6.23) |
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:
Т |
; |
е = с, = с 7 =0,5 |
(6.24) |
|
а = Ь - с = ---- -— |
||||
Г Р+ Г г |
|
1 |
2 |
|
Уравнения составляющих расходной части теплового ба ланса для изношенных рабочих органов имеют вид
е,=^г^г(ел+е3+а); |
|
(«•«) |
||||
|
1 р + 1 г |
|
|
а |
|
|
|
|
т |
тм р +т* |
(6.26) |
||
Q . ---------' |
~2Г~ |
‘О д Оз |
||||
|
мтр |
+тг |
|
|
|
|
|
|
|
Т + Т |
0 |
N |
|
|
|
|
|
|||
Q |
= — |
— |
—— |
-Q n+Q n+— |
(6.27) |
|
р |
Т + Т . |
2Т |
д |
2 |
|
|
Для новых рабочих органов |
|
|
|
|||
т- |
ея+е,;е.=а= ^ jr a +о,5йл; «л» |
|||||
г.+г. |
|
|
|
Тр + Тг |
|
|
Оэ |
~ гр |
, гр |
{Оп ^^>^0б)^^0д' |
(6.29) |
||
|
тр +тг |
|
|
|
|
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
6 Тепломеханические процессы системы «рабочий орган - грунт» |
- 1 3 5 - |
гревает в большей степени участки поверхностей трения нако нечника, расположенные впереди по ходу движения отрываемо го элемента.
Глубинарыхления сн |
Глубинарыхления at |
Глубиврыхления см |
-2-S -20-40-50 |
-2-5 -20-40 -50 |
-2-5 -20-40-50 |
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.
б,Тепломеханические процессы системы «рабочий орган - грунт» |
- 137- |
Рис. 6.4. Схема к расчету наибольшей возможной температуры нагревания наконечника
Скорость рыхления V=0,5M/C. Определим наибольшую воз можную среднюю температурунагреваниябез учетаначальной:
т |
920.7-1-0,S-39240Q. |
„■ (6.31) |
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.
-138- |
Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых |
в условиях Севера |
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?
7;Рыхление и перемещение грунта естественного состояния по принципу I |
-1 3 9 - |
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