Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Сущесгоуювдая технология разработки фунта вблизи подземных трубопроводов и пути ее совершенствования . 9
1.1. Технология работ и оборудование, применяемые для разработки грунта вблизи подземных трубопроводов 9
1.2 Способы, машины и оборудования для бестраншей нойпрокпвдки подземных трубопроводов 17
1.3. Методы определения усилий вдавливания трубчатых элементов в грунт 25
1.4. Выводы и задачи исследований 38
Глава 2 Теоретическое обоснование методики проведения экспериментальных работ 41
21. Обоснование экспфиментальных работ по проверке влияния на подземные коммуникации разработки грунта іидравлическими экскаваторами. 41
22 Физический процесс образования горизонтальных скважин в фунтовых перемычках . 51
23. Обоснование методики экспериментальных работ по определению усилий образования горизонтальных скважин вфунте. 56
Глава 3. Экспериментальные исследования влияния разработки фунта и устройства горизонтальных скважин на подзем ные трубопроводы . 70
3.1. Методика проведения экспфиментальньк исследова ний з
3.2. Наследования давлений грунта на трубопровод и напряжений в материале трубопровода при разработке грунта 83
3.3. Рісследования давлений грунта на трубопровод и напряжений в материале трубопровода при образовании го-ргоонтальных скважин. 105
3.4. Определение усилий вдавливания трубы в грунт. ПО
Глава 4 Пути практического внедрения и технико-экономические показатели работы 113
4.1. Разработка оборудования для образования горизон тальных скважин. 113
4.2. Рекомендации по механизированной разработке грунта вблизи подземных трубопроводов одноковшовыми гидравлическими экскаваторами . 116
4.3. Внедрение результатов исследований 123
Выводы 126
Список литературы
- Способы, машины и оборудования для бестраншей нойпрокпвдки подземных трубопроводов
- Физический процесс образования горизонтальных скважин в фунтовых перемычках
- Наследования давлений грунта на трубопровод и напряжений в материале трубопровода при разработке грунта
- Рекомендации по механизированной разработке грунта вблизи подземных трубопроводов одноковшовыми гидравлическими экскаваторами
Способы, машины и оборудования для бестраншей нойпрокпвдки подземных трубопроводов
Способом прокола прокладывается свыше 80% закрытых коммуникаций диаметром от 0,050 м и до 0,500 м в песчаных и глинистых грунтах независимо от влажности [17]. При этом длина закрытых прокладок коммуникаций достигает 60 м [80].
Для вдавливания труб применяются различные домкраты, грунтопро-калывающие станки, лебедки и различные строительные машины. Наиболее эффективными считаются прокольная установка Главмосстроя, разработанная НИИМосстроем, и установка ГПУ-600, разработанная Львовским политехническим институтом [21, 80]. Имеются установки, использующие принцип динимического (вибрационного, виброударного) воздействия на трубу, в т.ч. пневмопробойники Института горного дела [10, 14, 24, 54, 69, 70, 84]. Наиболее простым является способ проходки скважин с радиальным уплотнение грунта с помощью пневмопробойника. Однако прочность стенок скважины достигается не во всех грунтах (в частности сложно ее получить в сухих супесях и невозможно - во влагонасыщенных) и, главное, эта прочность недолговечна [94].
Для производства работ по проколу первоначально проводится разработка рабочего и приемного котлованов. Размеры рабочего котлована определяются техническими характеристиками применяемого оборудования, диаметром вдавливаемой трубы и глубиной заложения трубопровода. Длина котлована может достигать 12 м при ширине до 3,0 м [19]. Этот вид работ выполняется землеройной машиной. При необходимости котлован оборудуется упорной стенкой и направляющими, уложенными с требуемым уклоном, монтируется силовая установка и ее привод (насосная станция и др.). Подача в котлован труб и технологического оборудования производится с помощью грузоподъемных механизмов.
Для снижения напорного усилия и расширения области применения существуют комбинированные способы прокола с созданием дополнительных вибрационных, ударных или виброударных нагрузок. Однако эти способы в данной диссертационной работе не рассматриваются, так как требованиями строительных норм запрещено применение ударных механизмов вблизи подземных коммуникаций.
Способом продавливания в практике строительства прокладываются трубы диаметром до 2 м, а длина проходок достигает 80 м [19]. В отличии от прокола, в процессе продавливания осуществляется разработка грунта в забое скважины и перемещение его внутри трубы. Разработка и удаление грунта из забоя связаны с определенными трудностями особенно при прокладке труб диаметром 0,5-0,8 м. Продавливание без выемки грунта из трубы приводит к образованию земляного конуса и создает дополнительные усилия на рабочие органы оборудования. Поэтому продавливание осуществляется с применением мощных силовых установок, нажимных устройств, упорных стенок и т.д., что приводит к увеличению размеров рабочего котлована и повышает требования к качеству его устройства.
Для удаления грунта из труб малого диаметра применяется только гидравлический метод, а в трубах большого диаметра грунт разрабатывается вручную или с помощью малогабаритных грунтопогрузочных машин типа: ПМЛ-3, ПМЛ-4, ПМЛ-5. Наибольшее практическое применение получили гидравлические установки, монтируемые на базе гидродомкратов ГД-170/1150, ГД-170/1600, или ГД-500/600, насосы высокого давления ЗШ-НВД, Г-17, ГБ-351 или Н-403, приводимые в действие с помощью электродвигателей [80]. Способом горизонтального бурения прокладываются трубы диаметром от 0,1 м до 5 м [19]. Это наиболее механизированный процесс по сравнению с проколом и продавливанием, в котором основной операцией является разработка грунта в забое резанием. В установках горизонтального бурения режущий рабочий орган может выполняться в виде лучевого, фрезерного и других видов. Привод режущей головки может располагаться как за пределами прокладываемого трубопровода (ГБМ, УГБ) так и внутри трубы (ЭСМ). Удаление грунта из забоя производится механическим или гидромеханическим способом, причем весь процесс разработки, транспортирования и удаления грунта из котлована механизирован. Установки горизонтального бурения типа «Запорожье», УГБ, БМ-1, ЭСМ довольно сложны и имеют значительные размеры. Требуется большой объем подготовительных работ и наличие на площадке строительства дополнительной грузоподъемной и землеройной техники. Обычно такие установки обслуживаются бригадами из 4-5 человек.
ТаСпособом прокола прокладывается свыше 80% закрытых коммуникаций диаметром от 0,050 м и до 0,500 м в песчаных и глинистых грунтах независимо от влажности [17]. При этом длина закрытых прокладок коммуникаций достигает 60 м [80].
Для вдавливания труб применяются различные домкраты, грунтопро-калывающие станки, лебедки и различные строительные машины. Наиболее эффективными считаются прокольная установка Главмосстроя, разработанная НИИМосстроем, и установка ГПУ-600, разработанная Львовским политехническим институтом [21, 80]. Имеются установки, использующие принцип динимического (вибрационного, виброударного) воздействия на трубу, в т.ч. пневмопробойники Института горного дела [10, 14, 24, 54, 69, 70, 84]. Наиболее простым является способ проходки скважин с радиальным уплотнение грунта с помощью пневмопробойника. Однако прочность стенок скважины достигается не во всех грунтах (в частности сложно ее получить в сухих супесях и невозможно - во влагонасыщенных) и, главное, эта прочность недолговечна [94].
Для производства работ по проколу первоначально проводится разработка рабочего и приемного котлованов. Размеры рабочего котлована определяются техническими характеристиками применяемого оборудования, диаметром вдавливаемой трубы и глубиной заложения трубопровода. Длина котлована может достигать 12 м при ширине до 3,0 м [19]. Этот вид работ /J? выполняется землеройной машиной. При необходимости котлован оборудуется упорной стенкой и направляющими, уложенными с требуемым уклоном, монтируется силовая установка и ее привод (насосная станция и др.). Подача в котлован труб и технологического оборудования производится с помощью грузоподъемных механизмов.
Для снижения напорного усилия и расширения области применения существуют комбинированные способы прокола с созданием дополнительных вибрационных, ударных или виброударных нагрузок. Однако эти способы в данной диссертационной работе не рассматриваются, так как требованиями строительных норм запрещено применение ударных механизмов вблизи подземных коммуникаций.
Способом продавливания в практике строительства прокладываются трубы диаметром до 2 м, а длина проходок достигает 80 м [19]. В отличии от прокола, в процессе продавливания осуществляется разработка грунта в забое скважины и перемещение его внутри трубы. Разработка и удаление грунта из забоя связаны с определенными трудностями особенно при прокладке труб диаметром 0,5-0,8 м. Продавливание без выемки грунта из трубы приводит к образованию земляного конуса и создает дополнительные усилия на рабочие органы оборудования. Поэтому продавливание осуществляется с применением мощных силовых установок, нажимных устройств, упорных стенок и т.д., что приводит к увеличению размеров рабочего котлована и повышает требования к качеству его устройства.
Для удаления грунта из труб малого диаметра применяется только гидравлический метод, а в трубах большого диаметра грунт разрабатывается вручную или с помощью малогабаритных грунтопогрузочных машин типа: ПМЛ-3, ПМЛ-4, ПМЛ-5. Наибольшее практическое применение получили гидравлические установки, монтируемые на базе гидродомкратов ГД-170/1150, ГД-170/1600, или ГД-500/600, насосы высокого давления ЗШ-НВД, Г-17, ГБ-351 или Н-403, приводимые в действие с помощью электродвигателей [80]. Способом горизонтального бурения прокладываются трубы диаметром от 0,1 м до 5 м [19]. Это наиболее механизированный процесс по сравнению с проколом и продавливанием, в котором основной операцией является разработка грунта в забое резанием. В установках горизонтального бурения режущий рабочий орган может выполняться в виде лучевого, фрезерного и других видов. Привод режущей головки может располагаться как за пределами прокладываемого трубопровода (ГБМ, УГБ) так и внутри трубы (ЭСМ). Удаление грунта из забоя производится механическим или гидромеханическим способом, причем весь процесс разработки, транспортирования и удаления грунта из котлована механизирован. Установки горизонтального бурения типа «Запорожье», УГБ, БМ-1, ЭСМ довольно сложны и имеют значительные размеры. Требуется большой объем подготовительных работ и наличие на площадке строительства дополнительной грузоподъемной и землеройной техники. Обычно такие установки обслуживаются бригадами из 4-5 человек.
Таким образом, применение рассмотренных выше способов бестраншейной прокладки подземных коммуникаций путем образования небольших по длине горизонтальных скважин в местах пересечения коммуникаций малоэффективно и экономически нецелесообразно. Это связано с большим объемом подготовительных работ, значительными размерами применяемого оборудования, необходимостью в дополнительных грузоподъемных и землеройных машинах и механизмах, а также в необходимости привлечения дополнительного обслуживающего персонала. В связи с этим представляют интерес конструкции существующих малогабаритных установок и навесных устройств для бестраншейной проходки грунта. ким образом, применение рассмотренных выше способов бестраншейной прокладки подземных коммуникаций путем образования небольших по длине горизонтальных скважин в местах пересечения коммуникаций малоэффективно и экономически нецелесообразно. Это связано с большим объемом подготовительных работ, значительными размерами применяемого оборудования, необходимостью в дополнительных грузоподъемных и землеройных машинах и механизмах, а также в необходимости привлечения дополнительного обслуживающего персонала. В связи с этим представляют интерес конструкции существующих малогабаритных установок и навесных устройств для бестраншейной проходки грунта.
Физический процесс образования горизонтальных скважин в фунтовых перемычках
В работе КЬвревского АП, ГЗревдо ЯН и Ш лкунова Л.И [59] рассмотрена задача построения моделей проникания твердого тела в сплошную среду (грунт) под действием импульса конечной продолжительности и идентификация параметров этих моделей по данным эксперимента Начальные условия для каждого этапа движения проникающего тела получены из соображения непрерывности перемещения и скорости тела Для решения нелинейной задачи предложен комбинированный метод, использующий методы гармонического баланса и последовательных приближений. В работе [59] приведен алгоритм идешифякации параметров дифференциального уравнения процесса проникания.
В литературных источниках имеется множество работ, посвященных исследованию сопротивления грунтов погружению свай. В связи с этим, представляет особый интерес работа Фверштейна В Д [97], в которой предложена 3-компонентная схема работы висячей сваи, в соответствии с которой нагрузка Р, передаваемая от сваи на грунт, воспришімается реактивными силами Pi, Р2, Рз при этом нагружу на грунт предложено определять по формуле Р = Рг + Р2 + Рз, (1.20) где: Pi - лобовое сопротивление сваи, определяемое величиной контактных сил, возникакжпихв зоне контакта острия сваи с грунтом; Pi - сила трения от обжатия грунтом тела сваи выше острия, которая возникает в результате действия контактньгх сил по подошве сваи; Рз - сила трения по боковой поверхности сваи, создаваемая напором грунта от бытового давления. Важным результатом работы ВДФаерштейна [97] является учет обжатия сваи упругими силами, возникающими в грунте.
В работах Пготникова СБ. [72, 76] отмечается близость процессов, гфоисходящих при погружении сваи в грунт и при горизонтальном продавливании трубы. Однако, выявленные закономерности и результаты, полученные при исследованиях процесса погружения свай не могут быть однозначно использованы применительно к процессам вдавливания горгоонтальных труб. Процесс вдавливания имеет некоторые отепифические осюбенносга В работе Плотникова С.Б [76] обращается внимание на сле-дуЕощие важные выводы из теории и практики погружения свай, которые могут бьпъ использованы для исследования процессов горизонтального вдавливания труб. 1. В зоне с радиусом до б диаметров сваи грунт подвергается уплотнению, особенно если он первоначально имел рыхлую структуру. 2. Сопротивление на боковой поверхности сваи имеет значительно большую величину при погружении, чем при выдергивании, а их соотношение возрастает до трех раз при увеличении показателя пористости грунта 3. Особое значение имеет точность определения плотности песчаных грунтов, так как расчетная нагрузка в таких грунтах в зависимости от плотности меняется до 12 раз (например, для сваи сечением 30x30 см и длиной до4м). 4. Ошимальным углом заострения сваи является угол 30.
Отличие процессов погружения сваи и вдавливания трубы заключается в том, что на боковую поверхность трубы будет действовать также и вер Зт тикальное давление грунта. Тем не менее, как при погружении сваи, так и при вдавливании трубы будет происходить уплотнение грунта и увеличение сил обжатия. В настоящее время, в достаточной мере разработаны способы расчета несущей способности свай с использованием метода статического зондирования грунта. Этот метод относится к скоростным инженерно-строительным изысканиям и используется для определения сопротивления грунта вдавливанию, оценки степени однородности грунтов, построения разрезов, расчета некоторых показателей физико-механических свойств грунта, несущей способности свай и др. Установки статического зондирования грунта выпускаются серийно.
Используя метод статического зондирования грунта, Плотниковым СБ. [72, 76] проверена возможность применения данных зондирования для расчета сил сопротивления горизонтальному вдавливанию труб. При этом сделана попытка увязать лобовое сопротивления грунта при вертикальном зондировании с горизонтальным вдавливанием трубы с учетом анизотропии пласта и выявить действительный характер распределения сил обжатия трубы и сил трения грунта о трубу.
Наследования давлений грунта на трубопровод и напряжений в материале трубопровода при разработке грунта
Метод статического зондирования грунта и процессы погружения свай рассмотрены в литературе достаточно подробно, однако сваи и зонд погружаются вфтикально а вдавливание труб осуществляется в горизонтальном направлении. ГЬэтому необходимо оценить влияние анизотропии грунта при вертикальном зондировании и горизонтальном вдавливании трубы и на этой основе выявить действительный характер распределения сил трения трубы о грунт. В сравнительно однородном грунте можно говорить о незначительной разнице характеристик деформирования грунта во взаимно перпендикулярных направлениях [72]. При этом допускается, что данные вертикального зондирования имеют некоторый запас при их переносе на процесс вдавливания горизонтальных труб.
При вдавливании трубы в однородный грунт увеличение удельных лобовых соїтротивлений до некоторой глубины, соответствукяцей формированию уплотненной зоны, можно представлять линейным. Натинейность усилия продавливания определяется изменением сопротивления по боковой поверхности.
Хэтя имеются осюбенности в характерах вдавливания зонда и трубы, выражающиеся в охпичии боковых давлений грунта на поверхности зонда и трубы при вертикальном и горизонтальном вдавливании, допускается непосредственный перенос показателей с зонда на вдавливаемую трубу [104]. Правомочность таких допущений подтверждается тем обстоятельством, что процессы погружения зонда и вдавливания трубы чисто статические, а процессы происходящие в фунте адекватны
В работе Трофименкова Ю.Г. и Воробкова Л.Н [96] отмечается, что теоретическое решение задачи о сопротивлении грунта погружению сваи является исключительно трудным. ГЬэтому применение зонда, имипфующего &3 работу сваи в грунте, для определения несущей способности забивных свай является оправданным. Общая методика определения сопротивления сваи по данным зондирования может быть использована и для определения ожидаемого усилия вдавливания трубы в грунт. Однако должны быть учтены некоторые обстоятельства, связанные со спецификой образования горизонтальных скважин в грунтовых перемычках в местах пересечения подземных коммуникаций, в т.ч.: - неустановившийся характер процесса проходки горизонтальных скважин в период образования грунтового ядра и увеличение сил обжатия трубы вертикальным давлением грунта; - небольшая глубина заложения горизонтальных скважин от дневной поверхности грунта и наличие свободного откоса грунтовой перемычки влияет на усилия трения по боковой поверхности трубы и на лобовое усилие и приводит к выпиранию грунта в пределах грунтового ядрві - выход на поверхность линий скольжения, что приводит к резкому уменьшению усилия вдавливания.
По аналогии с погружением свай общее усилие вдавливание трубы может быть представлено, как сумма усилий, затраченных на преодоление лобового сопротивления и сопротивление грунта по боковой поверхности трубы В аналитическом виде общее усилие вдавливания трубы может быть представлено выражением Рл= Kj q3-S + K2-f.U-L (2.1), где: q3 - значения сопротивления грунта под наконечником зонда на глубине прокола; f - значения сопротивления грунта на боковой поверхности зонда на глубине прокола; S - площадь поперечного сечения вдавливаемой трубы; JJ - периметр поперечного сечения вдавливаемой трубы; Л - длина вдавливаемой трубы; 1С2 , К2 " переходные коэффициенты. В работе Беляева В.П. [13] представлена диаграмма, составленная по данным испытания установкой С-832М аллювиально-деллювиальных глинистых и песчаных грунтов. На диаграмме рис.2.9 показаны границы распространения основных разновидностей грунтов, закономерность изменения консистенции глинистых, плотности песчаных с учетом их состава и глубины залегания слоя. Принимая во внимание, что результаты зондирования использованы Беляевым В.П. совместно с результатами бурения и анализа грунтов, существенные ошибки в оценке их состава маловероятны.
С использованием приведенной диаграммы были определены примерные границы изменения параметров зондирования в зависимости от показателей текучести глинистых грунтов. Затем по формуле (2.1) были рассчитаны усилия необходимые для вдавливания труб диаметром 100 - 400 мм в различных грунтах. В первом приближении для расчетов переходные коэффициенты Кj и Kj приняты равными 1. Полученные расчетные данные приведены в табл. 2.1-2.3, из которых следует, что силовые возможности гидравлических экскаваторов, например ЭО-4124А (развивает наибольшее усилие на кромке ковша до 14,6 тс) достаточны для вдавливанием труб только небольших диаметров, при этом доля усилий, расходуемых на преодоление сопротивления грунта по боковой поверхности трубы составляет до 90% от общего усилия вдавливания.
Рекомендации по механизированной разработке грунта вблизи подземных трубопроводов одноковшовыми гидравлическими экскаваторами
По результатам статической тарировки мессдоз (графики «давления -деформации») и динамической тарировки каждого измерительного канала (графики «деформации - отклонения лучей гальванометров») были построены тарировочные графики для мессдоз, определяющие зависимость отклонения лучей гальванометров от величины давления на мессдозы.
Модели трубопроводов, укомплектованные измерительной аппаратурой укладывались в траншеи глубиной 1,8- 2,2 м и шириной 0,7 м непосредственно на дно или на подсыпку из речного мелкозернистого песка толщиной слоя около 10 см (рис.3.5). В процессе укладки трубопровода на экспериментальных площадках измерялись деформации трубопровода и контактные давления грунта на трубопровод до и после обратной засыпки грунтом.
Обратная засыпка траншей выполнялась тем же грунтом. Для сохранности мессдоз и тензорезисторов обратная засыпка на высоту до 50 см над верхом трубы производилась вручную с послойной трамбовкой через 10-15 см. Затем, с помощью экскаватора, производилась окончательная засыпка трубы с уплотнением укаткой. Контроль плотности грунта обратной засыпки производился ударником ДорНИИ.
Разработка грунта производилась с приближением к трубопроводу с расстояния 2 м от режущей кромки ковша Причем, экскаватор Э0-4121А с ковшом емкостью 1,0 м3 производил разработку грунта сбоку от модели трубопровода, а также сверху с приближением к трубопроводу со всеми возможными технологическими приемами, в т.ч. грунт разрабатывался по технологии «от себя», «на себя» и вдоль трубопровода
Для проверки влияния различных технологических приемов трубопровод был условно разделен на три участка и в зоне каждого участка применялся следующий прием разработки грунта
1. В зоне первого участка грунт разрабатывался способом «на себя», при этом производилось движение ковша экскаватора от основания разрабатываемой траншеи к поверхности грунта
2. В зоне второго участка экскаватор разрабатывал грунт сверху с приближением к трубопроводу.
3. В зоне третьего участка грунт разрабатывался способом «от себя», при этом производилось движение ковша экскаватора от поверхности грунта к основанию разрабатываемой траншеи.
Грунт разрабатывался последовательными проходками ковша с образованием стружки толщиной 20-30 см, что обеспечивало наполнение ковша при данной глубине заложения трубопровода Для имитации наиболее неблагоприятных условий, возможных при механизированной разработке грунта, после каждой проходки производилось давление днищем ковша на грунт в месте расположения трубопровода с максимальным усилием, развиваемым рабочим оборудованием экскаватора
При разработке грунта и давлении ковша на грунт одновременно измерялись деформации материала трубопровода и контактные давления грунта на трубопровод в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также под углом 45 к вертикали. Проходка горизонтальных скважин осуществлялась с помощью навесного оборудования, закрепленного на ковше гидравлического экскаватора Это оборудование разработано в БашНИИстрое и состоит из узла крепления, в виде двух разъемных щек и рабочего органа- набор труб с открытым концом и конусным наконечником. ГЬдробно конструкция оборудования и технология образования горизонтальных скважин рассмотрены в главе 4.
Усилия, необходимые для образования горизонтальных скважин измерялись с помощью тензорезисторов, наклеенных в основании рабочего органа навесного оборудования. Чтобы исключить влияние изгйэающего момента и кащешрации напряжений в местах врезки втулок в рабочий орган навесного оборудования на показания тензорезисторов между втулками и местом наклейки тензорезисторов вваривалась круглая металлическая пластина толщиной 30 мм. Изгиб рабочего органа навесного оборудования в горизонтальной плоскости исключается, т.к. стенки траншеи препятствуют перемещению ковша в горизонтальной направлении. Чтобы исключить влияние изгиба в верппсальной плоскости на показания, тензорезисторы наклеивались в верхней и нижней точках основания рабочего органа и соеданялись по параллельной схеме.
Тарировка рабочего органа навесного оборудования выполнялась на сжатие (рис. 3.6). Нагрузка на рабочий орган передавалась с помощью гидравлического домкрата, установленного между упорной метаппической рамой и рабочим органом оборудования. Давление в домкрате создавалось ручной насосной станцией НСП-400. Усилии на рабочий орган оборудования измерялись с помощью манометра насосной станции и динамометра ДОСМ-50, установленного между домкратом и тарируемым рабочим органом. РЬ-гружа создавалась ступенями по 3,0 тс. ГЪ результатам тарировки была получена зависимость «усилие-отклонение лучей гальванометра».
