3.3. Обоснование выбора реологической модели мерзлого грунта

Применение современных методов и средств строительства позволяет производить работы по промышленному, гражданскому и дорожному строительству практически круглогодично. Свыше 20% объема земляных работ приходится на зимнее время. С одной стороны, грунт, в том числе и мерзлый, является основанием для наземных сооружений (зданий, дорог и

СибАДИт.д.), на которое передаются нагрузки и собственный вес сооружения. С другой стороны, практически все виды строительства, геологоразведочные работы, добыча полезных ископаемы зачастую связаны с разработкой мерзлых грунтов. В связи с повышенной прочностью и твердостью мерзлых грунтов во много раз возрастает трудоемкость и стоимость их разработки по сравнению с талыми. Большая территориальная протяженность Росс о условливает актуальность разработки мерзлых грунтов на севере страны еще и в летнее время.

Мерзлые грунты можно разделить на вечномерзлые и грунты сезонного промерзан я. Мерзлый грунт является четырехфазной системой, состоящей з твердых м неральных частиц, льда, воды и воздуха. Твёрдые частицы являются о ломками горных пород, величиной от сотых и тысячных долей миллиметра до нескольких сантиметров. Свойства твёрдых частиц зависят от вида минерала, а также от морфологических свойств.

Различные по своему состоянию, гранулометрическому и минералогическому составу мерзлые грунты замерзают при различных отрицательных температурах. При всех прочих одинаковых внешних факторах более дисперсные грунты содержат большее количество незамерзшей воды при данной отрицательной температуре. Мерзлые грунты характеризуются механической неоднородностью вследствие того, что прочность минеральных частиц во много раз выше прочности связей между ними. Цементирующий минеральные частицы лед определяет новые физикомеханические свойства мерзлого грунта. Таким образом, физикомеханические свойства мерзлых грунтов требуют тщательного исследования в зависимости от территориального залегания грунтов множества внешних воздействующих факторов.

К основным физико-механическим свойствам мерзлых грунтов, определяющим технологию производства земляных работ, трудоемкость и стоимость, относят температуру, гранулометрический состав, влажность и плотность. Приведенные свойства влияют на сжимаемость мерзлых грунтов при воздействии приложенных к ним нагрузок, различных по величине и характеру.

76

3.3.1. Определение величины сжимаемости немерзлых грунтов

Так как дисперсный грунт состоит из твердых частиц и пор, которые частично или полностью заполнены водой, теоретически при его всестороннем сжатии должны уменьшаться объемы всех трех компонентов: твердых частиц, воздуха (газа) и воды в порах. Однако известно, что объемные деформации твердых частиц, составляющих грунт, ничтожно малы. ледовательно, можно считать, что изменение объема грунта при сжатии происходит лишь из-за изменения объема пор. Вследствие упругих деформаций скелета (част ц) грунта, тонких пленок воды, расположенных между част цами, упругого сжатия пузырьков воздуха, а также сжатия поровой воды, содержащей растворенный воздух, могут происходить упругие изменен я о ъема грунта. Такие деформации грунта, как правило, во много раз меньше остаточных. В конечном счете остаточные деформации при всестороннем сжатии приводят к уплотнению (уменьшению пористости) грунта. Деформации уплотнения развиваются в результате

вода медленно входит в поры под всасывающим действием скелета,

77

стремящегося занять первоначальный объем, и расклинивающим действием молекул воды, проникающих между частицами. После снятия нагрузки образец грунта не может занять первоначальный объем вследствие происшедших при уплотнении грунта взаимных смещений частиц, их разрушения (особенно в точках контакта) и установления новых связей между частицами при более плотном состоянии уплотненного грунта.

Для полного описания математической модели взаимодействия рабочего органа землеройной машины с грунтом необходимо подробно остановиться на вопросе сжимаемости мерзлого грунта под действием внешней нагрузки.

3.3.2. Определен е величины сжимаемости мерзлых грунтов

Для определен я сжимаемости были проведены испытания различ-

78

Металлические формы позволяли избежать бокового расширения грунта при действии нагрузки. Исследовались образцы грунта в интервале температур от –3 до –12 ºС с шагом в 1 ºС.

Нагружение и деформация исследуемого образца грунта производилась при вертикальном перемещении траверсы лабораторного комплекса

(см. рис. 3.10).

При синхронном вращении ходовых винтов траверса перемещается по вертикали, что приводит к сжатию образца. Управляя частотой питания электродв гателя, автомат траверсы обеспечивал стабилизацию скорости траверсы при переменной силовой нагрузке от 0 до 14 кН.

Фикс ровалось значение перемещения траверсы в зависимости от нагружен я. Под действ ем нагрузки грунты сжимались и деформировались. В результате этого происходили сдвиг и смещение отдельных минеральных част ц, перемещение их в пределах границ формы. Развивалась деформац я уплотнен я грунтов.

Сж маемость грунта определялась как отношение начального значе-

В результате экспериментальных исследований получены таблицы значений величины сжимаемости для различных типов грунтов в зависимости от сжимающего давления G и температуры t мерзлого грунта:

Значение величины сжимаемости В в зависимости от сжимающего давления G и температуры мерзлого грунта (глинистый грунт)

79

Таблица 3.7

Значение величины сжимаемости В в зависимости от сжимающего давления G и температуры мерзлого грунта (супесчаный грунт)

При анализе вида зависимости (3.29) следует иметь в виду, что при бесконечном увеличении давления G величина сжимаемости В стремится к некоторой постоянной величине, зависящей от температуры, а при от-

где A1 (t), A2 (t) – неизвестные функции одной переменной.

Таким образом, задача сводится к нахождению их функциональных зависимостей.

Рассмотрим решение этой задачи на примере глинистых грунтов. Для каждой строки табл. 3.6 производим поиск значений A1(t) и A2(t),

используя функцию lsgcurvefit программного комплекса MATLAB. Результаты расчета приведены в табл. 3.9.

80

Подставляя значения A1(t) и A2(t) в уравнение (3.32) для фиксирован-

СибАДИного значения t, строим семейства графиков B B G . В этот же график заносим (с мволами) экспериментально полученные значения величины

сжимаемости В з табл. 3.6 − 3.8.

Рис. 3.11. Кривые сжимаемости глинистого грунта в зависимости от сжимающего напряжения: (1 – при -3 ºС; 2 – при -5ºС; 3 – при -7 ºС;

4 – при -9 ºС; 5 – при -11 ºС)

Аналогично, определив значения A1(t) и A2(t) для супеси, песка и занеся их в табл. 3.10 3.11, построим кривые сжимаемости супеси и песка в зависимости от сжимающего напряжения B B G соответственно

(рис. 3.12, 3.13).

Таблица 3.10

Значения функций A1(t) и A2(t) (супесчаный грунт)

81

СибАДИРис. 3.12. Кривые сжимаемости супесчаного грунта в зависимости от напряжения:

(1 – при -3 º ; 2 – при -5ºС; 3 – при -7 ºС; 4 – при -9 ºС; 5 – при -11 ºС)

Рис. 3.13. Кривые сжимаемости песчаного грунта в зависимости от напряжения:

(1 – при -3 ºС; 2 – при -5ºС; 3 – при -7 ºС; 4 – при -9 ºС; 5 – при -11 ºС)

82

Как видим, все три графика показывают хорошую сходимость кривых сжимаемости теоретических и экспериментальных исследований.

Зависимости A1(t) и A2(t) представлены в виде квадратных парабол:

На рис. 3.14 – 3.16 представлены графики зависимости величины сжимаемости различных типов грунтов В в зависимости от величины сжимающего давления G и температуры грунта t.

83

Погрешности теоретических расчетов и экспериментальных исследований сжимаемости для различных типов грунтов в зависимости от температуры t и величины сжимающего давления G приведены в табл. 3.12 – 3.14.

СибАДИРис. 3.14. Зависимость сжимаемости глинистого грунта В от температуры t величины сжимающего давления G

Рис. 3.15. Зависимость сжимаемости супесчаного грунта В от температуры t и величины сжимающего давления G

84

Таблица 3.14

Погрешности теоретических расчетов и экспериментальных исследований сжимаемости В для песчаного грунта в зависимости

от температуры t и величины сжимающего давления G

ж маемость грунтов характеризуется резкой их усадкой на начальном этапе нагружен я. Это о ъясняется нарушением цементационных связей льда, выдавл ван ем пузырьков воздуха и воды, заполнением пустот минеральными част цами грунта. При снижении температуры интенсивность протекан я начального этапа усадки падала для всех приведенных видов грунтов. В дальнейшем усадка грунтов замедлялась, несмотря на возрастан е вел ч ны внешней нагрузки. На последнем этапе происходила стабилизация в усадке и сжимаемость грунта практически не изменялась.

Для песчаных и супесчаных грунтов деформация уплотнения протекала во времени быстрее, чем для глинистых. Так как глинистые грунты характеризуются большим водонасыщением по сравнению с песчаными и супесчаными, то процесс выдавливания воды из них протекает значительно медленнее. Для мерзлых грунтов, состоящих из твердых частиц, кристаллов льда, водных и воздушных включений, наличие объемных необратимых деформаций, то есть необратимая сжимаемость и наличие сдвиговых эффектов, существенны.

Вывод. Таким образом, проведенные исследования позволяют обосновать выбор реологической модели мерзлого грунта, который рассматривается как однокомпонентная пластически сжимаемая среда. Кроме того, оценка схожести физико-механических свойств реологических процессов, протекающих в мерзлых и прочных грунтах, позволяют говорить о распространении полученных экспериментальных данных и на прочные грунты.

86

3.4.Определение максимального разрушающего усилия

иопасного сечения на зубе ковша экскаватора

При столкновении экскаватора с непреодолимым препятствием он испытывает максимальные нагрузки, возникающие на его рабочем оборудовании, в том числе на ковше и зубьях ковша. Очевидно, что воздействие таких максимальных нагрузок приводит к потере работоспособности машины из-за усталостных напряжений или вследствие внезапной поломки.

Для сн жен я воздействий напряженного состояния на рабочие органы экскаватора при х изготовлении применяются различные дорогостоящие матер алы л бо геометрические характеристики их сечений необоснованно увел ч ваются, что приводит к увеличению металлоемкости.

в том, в другом случае нео ходимо стремиться к обоснованному распределен ю матер ала по о ъему конструкции рабочего органа.

Для расчета макс мального усилия на зубе ковша экскаватора при

87

Уравнение ширины наконечника выглядит следующим образом:

зуба экскаватора при встрече с непреодолимым препятствием

Из эпюры распределения напряжений видно, что опасным является сечение, расположенное в области, близкой к режущей кромке.

Для поиска абсциссы опасного сечения приравниваем к нулю производную функции (3.46):

Решением выражения (3.48) будет являться значение абсциссы хкр, при котором функция (3.46) имеет максимальное значение:

88

тально полученных значений коэффициентов, входящих в математическую модель, граф чески ыли построены пространственные эпюры распределен я напряжен й по поверхности рабочих органов землеройных машин.

На р с. 3.19 пр ведена пространственная эпюра распределения напряжений по поверхности наконечника рыхлителя при взаимодействии с мерзлым грунтом.

Рис. 3.19. Пространственная эпюра распределения напряжений по поверхности наконечника зуба рыхлителя при взаимодействии с мерзлым грунтом

89

На рис. 3.20 показана пространственная эпюра распределения напряжений по поверхности зуба ковша экскаватора при взаимодействии с прочным грунтом.

СибАДИРис. 3.20. Пространственная эпюра распределения напряжений по поверхности зуба коша экскаватора

при взаимодействии с прочным грунтом

Полученные эпюры как голографические интерпретации процессов взаимодействия рабочих органов землеройных машин с мерзлым и прочным грунтом позволяют проанализировать данный процесс наглядно и всесторонне.

Анализ эпюр показывает, что наибольшие напряжения наблюдаются в зонах глобального максимума, расположенных симметрично относительно продольной плоскости рабочего органа. Эти зоны находятся выше режущей кромки рабочего органа по длине смещены к крайним точкам профиля лобовой поверхности рабочего органа. Координаты нахождения зон глобального максимума зависят от физико-механических свойств разрабатываемого грунта, условий его разработки, параметров рабочего органа. Необходимо стремиться к снижению напряжений именно в этих зонах рабочего органа путем конструктивного его усиления.

90

чего органа экскаватора рыхлителя с грунтом.

91