Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих способов и работ в области бестраншейной проходки горизонтальных скважин проколом 12
1.1. Статический прокол 12
1.2. Виброударный прокол 32
1.3. Вибрационный прокол 50
1.4. Выводы 58
1.5. Цель и задачи исследований 59
Глава 2. Теоретическое обоснование процесса взаимодействия вибрационного наконечника с грунтом при проходке горизонтальных скважин 60
2.1. Предпосылки для формирования рабочей гипотезы 60
2.2. Закономерность распространения потока энергии в грунте при работе вибрационного наконечника 64
2.3. Определение закономерности уменьшения сил внутреннего трения и сцепления между частицами грунта 69
2.4. Определение потребного кинетического момента вибратора 77
Выводы 82
Глава 3. Экспериментальные исследования 83
3.1. Программа экспериментальных исследований, параметры изменяемые и контролируемые в ходе проведения экспериментов 83
3.2. Описание экспериментальной установки и методика проведения экспериментов по определению закономерности затухания амплитуды колебаний и изменению сил внутреннего трения и сцепления 85
3.2.1. Описание экспериментальной установки 85
3.2.2. Результаты экспериментальных исследований 93
3.3. Методика экспериментальных исследований влияния амплитуды и частоты вибрационного наконечника на усилие прокола 99
3.3.1. Описание экспериментальной установки
3.3.2. Результаты экспериментальных исследований опытного образца 109
Выводы 112
Глава 4. Методика расчета параметров вибрационного наконечника установки для проходки горизонтальных скважин способом прокола 113
Глава 5. Расчет экономической эффективности использования установки с вибрационным наконечником для прокола горизонтальных скважин. 117
5.1. Организация и технология выполнения работ 117
5.2. Требования к качеству и приемке работ 122
5.3. Требования безопасности труда, экологической и пожарной безопасности 124
5.4.Технико-экономические показатели 129
Основные результаты и выводы по работе 131
Список использованных источников 133
Приложения 142
- Закономерность распространения потока энергии в грунте при работе вибрационного наконечника
- Определение потребного кинетического момента вибратора
- Методика экспериментальных исследований влияния амплитуды и частоты вибрационного наконечника на усилие прокола
- Требования безопасности труда, экологической и пожарной безопасности
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В жизнедеятельности современных городов большое значение имеют подземные коммуникации: водопровод, санитарная канализация, водостоки, газопроводы, теплосети, кабели связи и др. Российская Федерация занимает одно из первых мест в мире по протяженности различных коммуникаций, при этом более половины из них проложены 20-50 лет тому назад, поэтому требуют реконструкции и обновления. В связи с этим очевидно, что в настоящее время существует и в ближайшее десятилетие сохранится высокий потенциал роста капиталовложений в строительство, реконструкцию и ремонт подземных коммуникаций самого широкого назначения. При этом трассы пересекают лесные массивы, автомобильные и железные дороги, другие трубопроводы, территории действующих предприятий. Очевидно, что производство работ традиционными методами с внешней экскавацией грунта в этих условиях сильно затруднено либо зачастую невозможно.
Сегодня исследованиями по созданию проходческой техники нового поколения, совершенствованию традиционных технологий бестраншейной прокладки различных коммуникаций занимаются: научно-инженерно-производственный центр «Магистраль», инновационные фирмы «Магма» и «Гейзер», «ОРИОН», группа компаний «Инженер сервис», «ЛенПодземСтрой», «Навигатор СБС», фирма «КРОТ», ОАО «МИХНЕВСКИЙ РМЗ», ЗАО «БТТ», ООО «Горизонталь», Институт горного дела СО РАН, Кировоградский государственный технический университет, зарубежные фирмы: «Ditch Witch», «Vermeer», «Case», «Tracto-Techniques S.A.», «Navigator», «Robbins HDD», «The Charles Machine Works, Inc».
Цель работы - повышение эффективности бестраншейной проходки горизонтальных скважин способом прокола за счет снижения лобового сопротивления внедрению вибрационного наконечника.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
Обоснована гипотеза взаимодействия вибрационного наконечника с грунтом при проколе горизонтальных скважин.
Проведены теоретические исследования по выявлению закономерности изменения сил внутреннего трения и сцепления между частицами грунта под действием вибрации.
Проведены экспериментальные исследования по проверке функциональной работоспособности предложенной конструкции вибрационного наконечника и определены рациональные параметры колебаний при проходке горизонтальных скважин способом прокола с выявлением закономерности изменения сил внутреннего трения и сцепления между частицами грунта под действием вибрации.
Разработана методика расчета рациональных конструктивных и режимных параметров вибрационного наконечника для проходки горизонтальных скважин.
Проведена оценка экономической эффективности использования установки для вибропрокола горизонтальных скважин.
Объект исследования - вибрационный наконечник для проходки горизонтальных скважин способом прокола.
Предмет исследования - амплитудно-частотные параметры вибрационного наконечника при проходке горизонтальных скважин.
Методы исследования. Задачи диссертационного исследования решены на основе методов информационного, теоретического и численного анализа, математического моделирования процесса вибропрокола, экспериментальных исследований.
Достоверность полученных результатов достигнута путем:
выбора апробированных методов математического анализа и научных исследований;
выбора соответствующих доказательств, базирующихся на законах механики грунтов и теории уплотнения грунтов;
сопоставления результатов аналитического исследования с данными экспериментов и математического моделирования.
Научная новизна
Обоснована физическая картина взаимодействия вибрационного наконечника с грунтом.
Выявлена закономерность изменения сил внутреннего трения и сцепления между частицами грунта в зависимости от амплитудно-частотных параметров колебаний вибрационного наконечника и их влияние на усилие прокола.
Разработана методика расчета рациональных конструктивных и режимных параметров вибрационного наконечника, обеспечивающих образование горизонтальных скважин с максимальной экономической эффективностью.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Модель взаимодействия вибрационного наконечника с грунтом.
Закономерность изменения сил внутреннего трения и сцепления между частицами грунта в зависимости от амплитуды и частоты колебаний вибрационного наконечника и влияние их на усилие прокола, подтвержденная результатами экспериментальных исследований.
Методика расчета рациональных конструктивных и режимных параметров вибрационного наконечника, обеспечивающих образование горизонтальных скважин с максимальной экономической эффективностью.
Практическое значение работы заключается в разработанной методике расчёта рациональных конструктивных и режимных параметров вибрационного наконечника, обеспечивающих образование горизонтальных скважин с максимальной экономической эффективностью.
Реализация результатов работы. На ЗАО «Научно-производственная фирма «Авангард-Ф», г. Саратов, внедрена методика расчёта рациональных конструктивных и режимных параметров вибрационного наконечника для проходки горизонтальных скважин, которая также используется в учебном процессе в рамках специальных дисциплин «Строительные и дорожные машины», «Коммунальные машины и оборудование». В дипломном проектировании при подготовке специалистов по специальности «Подъёмно-транспортные машины, строительные, дорожные машины и оборудование» используются результаты
диссертационной работы, полученные зависимости для определения усилия прокола и определения рациональной угловой частоты колебаний установки для прокола горизонтальных скважин с вибрационным наконечником, экспериментальный стенд для проведения лабораторных работ.
Апробация работы. Диссертационная работа заслушивалась на заседании кафедры «Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ в 2009 году. Основные результаты исследований докладывались на Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (Саратов, 2007), научной конференции «Проблемы прочности, надежности, и эффективности» (Балаково, 2007) и 51-й научной конференции «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 статей в сборниках трудов научно-технических и научно-методических конференций, из них 4 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. На конструкцию вибрационного наконечника для прокола горизонтальных скважин получено 3 патента на изобретение и 1 патент на полезную модель.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 104 наименований, приложения. Общий объём диссертации 142 страницы, содержит 62 рисунка и 13 таблиц.
Закономерность распространения потока энергии в грунте при работе вибрационного наконечника
При внедрении наконечника грунт уплотняется в стенки скважины, в результате чего происходит изменение пористости грунта в зоне уплотнения. Структурные деформации грунта характеризуются предельным напряжённым состоянием, при котором нарушается существующее равновесие в структуре грунта. Такое предельное напряжённое состояние определяется величиной среднего критического напряжения или так называемым "коэффициентом сопротивления грунта уплотнению" тупл.
В работе [7] сделан анализ распределения напряжений в зоне деформаций. Из рис. 1.26 видно, что максимальное напряжение возникает по окружности рабочей поверхности с последующим затуханием по мере удаления от оси проходки.
Зону деформаций грунта можно разделить на две зоны: Я,-г - зона структурных преобразований и R-Rl - зона упругих деформаций. Так как в зоне упругих деформаций не происходит структурных преобразований, то можно принять за зону уплотнения Rx-r, а напряжения в этой зоне принять постоянными.
Зона структурных деформаций будет увеличиваться до тех пор, пока все твердые частицы сечения скважины яг не будут вытеснены и не займут соответствующего объема пор в некоторой зоне п {Rx - г)2 вокруг скважины. Величина зоны уплотнения зависит от сечения скважины и пористости грунта.
Лобовое сопротивление возникает с первого момента углубления в грунт конусного наконечника. По мере внедрения наконечника грунт раздается им в стороны, уплотняется и частично выпучивается со стороны открытой поверхности забоя. При этом сопротивление внедрению растет.
Сила лобового сопротивления достигает своего максимального значения и остается постоянной в течение всего прокола (при условии, что грунт однороден). Только в самом его конце, когда конусный наконечник приближается к месту выхода на дневную поверхность, лобовое сопротивление уменьшается в связи с началом выпучивания грунта в месте выхода наконечника и становится равным нулю. Изменение сил лобового сопротивления грунта проколу по мере проходки можно иллюстрировать графиком, представленным на рис. 1.3 [8].
В начальной стадии (участок 0-а) при непрерывном повышении нагрузки грунт будет испытывать три последовательных напряженных состояния: фазу уплотнения, фазу сдвигов и фазу прогрессивного течения. В начале прохода конусного наконечника грунт уплотняется по оси проходки, затем происходят деформации в поперечной зоне и, наконец, начинается выпучивание грунта в передней стенке рабочего котлована. На участке 0-а рост сопротивления грунта наиболее интенсивен. При достижении некоторой длины проходки несущая способность толщи грунта возрастает настолько, что выпучивание прекращается, и всё сечение скважины образуется за счет деформаций грунта в поперечной плоскости. Здесь уже начинается следующая стадия установившегося прокола - участок а-б.
Структурные преобразования грунта происходят вокруг скважины в зоне, диаметр которой составляет 2,5-3 диаметра штампа. За пределами этой зоны в грунте возникают существенные напряжения сжатия, которые могут воздействовать на смежные коммуникации. Так, при внедрении штампа диаметром 100 мм напряжения, составляющие около 0,1 МПа, охватывают зону диаметром 400 мм, т.е. равную 4 диаметрам штампа. При внедрении штампа диаметром 150 мм размеры зоны с напряжениями более 0,1 МПа составляют 5 диаметров штампа [9].
Осевые и радиальные напряжения возникают в зоне скважины в области перед штампом, однако они не исчезают мгновенно после прохода штампа, чего можно было ожидать в соответствии с известными положениями теории упругости. Перед штампом область заметных напряжений распространяется на расстоянии до 2 диаметров штампа от основания конуса, не уменьшаясь до нуля, а сохраняя некоторое постоянное значение остаточного напряжения, величина которого зависти от расстояния до оси скважины. Максимальной величины напряжения достигают в плоскости основания конуса.
Напряжения в массиве грунта образуют напряженную зону, перемещающуюся вместе со штампом. Напряжения наблюдаются не только пред штампом, но также и после его прохода. Наибольший диаметр зоны напряжений свыше 0,1 МПа составляет около 3 диаметров штампа.
Осевые напряжения перед штампом обнаруживаются на расстоянии около Vi диаметра штампа от вершины конуса. После прохода штампа осевые напряжения уменьшаются постепенно и на расстоянии от основания конуса, составляющем по 2 диаметров штампа, остаются постоянными, образуя зону остаточных осевых напряжений.
Радиальные напряжения обнаруживаются перед штампом на расстоянии от вершины конуса, составляющем около 3 диаметров штампа. После прохода штампа радиальные напряжения падают постепенно и на расстоянии от основания конуса, составляющем около 1 диаметра штампа, остаются постоянными, образуя зону остаточных радиальных напряжений.
Определение потребного кинетического момента вибратора
Для осуществления прокола скважины прокалывающая установка ПУ-1 "Игла" устанавливается в предварительно отрытый котлован прямоугольной формы размером 4000x1000х(глубина в зависимости от условий прокладки трассы) и закрепляется в нем посредством винтовых опор. При помощи рукавов высокого давления "Иглу" подключают к гидросистеме трактора или иной машины, тем самым, обеспечивая выдвижение штоков двух гидроцилиндров. Штоки гидроцилиндров перемещают ползун, к которому закреплена штанга с конусным наконечником. За счет напорного усилия создаваемого гидроцилиндрами наконечник внедряется в грунт на величину выдвижения штоков гидроцилиндров, затем штанга отсоединяется от ползуна, а штоки гидроцилиндров возвращаются в исходное положение.
Между ползуном и штангой с наконечником устанавливают промежуточную штангу, и процесс прокола повторяется. Процесс продолжается пока наконечник установленный на ведущей штанге не выйдет в приёмный котлован. Затем наконечник свинчивается и за штангу цепляется прокладываемый трубопровод с установленным на его конце наконечником, после чего осуществляется затяжка его в образованную скважину.
Серьезным недостатком способа статического прокола является большие усилия, необходимые для преодоления сил трения трубы о грунт и большие усилия, необходимые для уплотнения грунта в стенки скважины. Так осевое усилие для прокола трубой диаметром 250 мм на длину 21 м через глину составляет 810 кН, а трубой диаметром 350 мм в суглинках на длину 40 м - 1450 кН [9]. Для восприятия реакций таких усилий необходимо сооружать мощные упорные стенки и утяжелять оборудование для обеспечения необходимой прочности, что существенно влияет на стоимость проходки и оборудования.
Кроме того, вероятность искривления скважины в процессе прокола при помощи статически приложенной напорной силы является наибольшей по сравнению с известными способами. В связи с этим применяют способ статического прокола с предварительным образованием лидерной скважины небольшого диаметра и последующим ее расширением до нужного диаметра. В настоящее время наиболее часто применяется установка для прокладки труб методом прокола с предварительным образованием лидерной скважины типаУП-30, УП-40 (рис. 1.9) [15].
Данная установка предназначена для бестраншейной прокдадки трубопроводов различного технологического назначения и оболочек для инженерных коммуникаций (линий связи и управления, силовых электрокабелей) в насыпных грунтах и породах с коэффициентом крепости f 2 по шкале профессора М.М.Протодьяконова, при проведении работ в условиях умеренного климата.
Установки выпускаются в 2-х исполнениях: - с электроприводной насосной станцией; - с приводом маслонасоса от вала отбора мощности автомобиля "Урал" и гидросистемой, смонтированной в кузове
Рассматриваемые установки УП-30, УП-40 обеспечивают выполнение следующих операций: создание необходимого осевого усилия на забой и скорости подачи при проколе грунта передовой штангой с ее вращением или без; контроль и корректировку направления прокола; расширение скважины обратным ходом до проектного сечения, с одновременной прокладкой технологического трубопровода или оболочки; разрушение выработавшего ресурс трубопровода (керамического или чугунного) с одновременной заменой его долговечным, например, полиэтиленовым трубопроводом. Основные технические данные рассматриваемых установок приведены в таблице 1.3.
Для прокладки трубопроводов способом прокола, как в РФ, так и за рубежом, широко применяются различного рода станки -грунтопрокалыватели, так например, в Москве, Санкт-Петербурге и Киеве применялся электропрессовый грунтопрокалыватель сетевой опытной машиной станцией (СОМС) Министерства связи для прокола горизонтальных скважин диаметром 50-150 мм и длиной до 25-50 м, который представляет собой компактно выполненный электродомкрат со свинчивающимися штангами длиной 90 см и конической буровой головкой — иглой d=70-r80 мм [16]. Прокалывающее усилие, развиваемое на наконечнике иглы, может достигать 30 т.
Сравнительно недавно способ статического прокола стал управляемым. Это достигается тем, что напорные штанги имеют возможность вращения, а рабочий наконечник выполнен в передней части скошенным или конус рабочего наконечника образует угол с осью образуемой скважины. Наиболее ярким представителем установок данного типа является УНП-630 [15] (см. рис. 1.10.), предназначенная для бестраншейной прокладки кабеля и трубопроводов диаметром до 630 мм в грунтах І-ІІІ категории прочности методом прокалывания пилотной скважины методом статического разрушения старых труб с одновременным затягиванием новых стальных или полиэтиленовых труб того же или большего диаметра. Привод установки осуществляется от гидросистемы мобильных машин или автономной гидростанции. Установка позволяет прокладывать трубопроводы на глубине до 10 м и более по заданной траектории, в т. ч. самотечных; работать без бурового раствора, что особенно важно в зимнее время; вести работы в водо-насыщенных грунтах.
Методика экспериментальных исследований влияния амплитуды и частоты вибрационного наконечника на усилие прокола
Из разработанных в последние годы установок для виброударного прокола представляет интерес ударно-вибрационно-вдавливающая установка УВВГП-400 конструкции МИНХ и ГП имени И.М. Губкина. УВВГП-400 (рис. 1.16) [19] сочетает в себе методы вибрационного и виброударного прокалывания, обеспечивая внедрение труб при одновременном действии статической силы и ударных импульсов.
Другой особенностью УВВГП-400 является саморегулирование натяжения пружин ударно-вибрационного механизма в зависимости от сопротивления грунта внедрению погружаемого элемента, что позволяет работать при оптимальном сочетании величины статического усилия вдавливания с наиболее эффективным ударным режимом. [20].
Вопросами взаимодействия различных тел с грунтом при ударе посвящены работы Д.Н. Ешуткина [21], Н.Я. Кершенбаума и В.И. Минаева [20, 22], О.А. Савинова и А.Я. Лускина [23], Д.Д. Баркана [24], А.Н. Зеленина [25], К.К. Тупицына [26], и других [27, 28].
В работах Д.Н. Ешуткина [21, 29, 30, 31] освещены вопросы создания гидравлических машин ударного действия для образования скважин в грунтах при бестраншейной прокладке инженерных коммуникаций. Рассмотрены методы исследования и расчета гидропневматического устройства. Приведены результаты исследования по динамическому взаимодействию инструмента с грунтовым массивом. Отмечено, что повышение энергетических характеристик рассматриваемых машин возможно путем замены пневматического привода гидравлическим, имеющим более высокий КПД. Опыт использования объемного гидравлического привода в серийных землеройно-транспортных машинах показал, что КПД его превосходит в 5-8 раз КПД пневмопривода.
Одним из представителей машин данного класса является нереверсивный гидропробойник ГПС-600 (рис. 1.17) имеющий энергию единичного удара 6000 Дж. В корпусе расположен боек, вместе с корпусом боек образует камеры сливного и обратного хода. В хвостовой части корпуса расположена камера рабочего хода, выполненная в виде пневматического аккумулятора. Внутри бойка размещен золотник с пружиной и камерой управления. В перегородке, разделяющей камеры сливную и обратного хода, выполнена управляющая расточка, сообщающаяся с подпорным клапаном. Под действием предварительно сжатого воздуха в камере рабочего хода боек находится в крайнем левом положении. Золотник под действием пружины так же находится в левом положении по отношению к бойку.
Нереверсивный гидропробойник ГПС-600 1 - корпус; 2 - боек; 3, 4, 7,9- камеры сливная, управления, обратного хода, рабочего хода; 5 - золотник; б - управляющая расточка; 8 — пружина; 10 - подпорный клапан.
Цикл работы гидропробойника. Жидкость от напорной магистрали гидропривода поступает по напорной магистрали в управляющую расточку. При дальнейшем повышении давления срабатывает подпорный клапан. При этом жидкость поступает в камеру обратного хода и, преодолевая сопротивление сжатого газа, перемещает боек вправо. Обратный ход продолжается до тех пор, пока камера управления не соединится с управляющей расточкой. При достижении этого золотник перебрасывается вправо, и камера обратного хода соединяется со сливной камерой. Давление в камере рабочего хода тормозит боек и затем разг8оняет его влево. В конце рабочего хода камера управления сообщается со сливной камерой, и золотник под действием пружины занимает левое положение. Далее цикл повторяется.
В рассмотренной схеме число составных частей приближается к числу деталей в пневмопробойнике. Это говорит о том, что основное преимущество пневмопробойников становится преимуществом и гидропробойников. В качестве рабочей жидкости используется минеральное масло в замкнутом объеме, которое от цикла к циклу возвращается из гидропробойника в маслобак насосной станции. При значительных протяженностях проходимых скважин для этого возврата требуются дополнительные затраты энергии. Кроме того, при эксплуатации гидропробойников, при их монтаже и демонтаже, в аварийных ситуациях происходит безвозвратная потеря рабочей жидкости, что значительно повышает себестоимость проходки.
С целью устранения отмеченных недостатков предложена схема гидропробойника ГПСВ-50, использующего в качестве рабочей жидкости водную эмульсию [21].
Исследования рабочего процесса гидропробойника в работе [21] включали изучение особенностей взаимодействия гидропробойника с грунтовым массивом и процесса работы ударного механизма, привода и органа управления. Для упрощения аналитических зависимостей, характеризующих взаимодействие пробойника с грунтом и работу механизма, принимались ряд допущений: предполагалось, что физико-механические свойства грунта в процессе проходки скважины неизменны и, следовательно, силы трения корпуса о грунт Ртр постоянны, рабочая жидкость практически несжимаема и имеет постоянную температуру; что силы трения, гидравлические сопротивления перемещению подвижных частей ударного механизма и органа управления, а также силы вязкого трения достаточно малы по сравнению с движущими силами, что позволяет ими пренебречь. Тогда энергия удара задавалась исходя из эффективности пробивки скважины в зависимости от вида, категории, прочности грунта, а также диаметра скважины d:
Требования безопасности труда, экологической и пожарной безопасности
В работе [20] представлены экспериментальные исследования, проведенные в натурных условиях. Основным результатом проведенных работ явилось практическое установление факта существования устойчивого самодвижения виброударной системы и подтверждение достоверности полученной ранее зависимости скорости перемещения от сил бокового трения. Материалы экспериментов убедительно свидетельствуют о том, что интенсивность как проходки, транспортировки и, само существование этих процессов в чрезвычайной степени зависят от величины и вида бокового сопротивления. Как показали результаты опытов, при высокой подвижности погружаемого элемента максимальные скорости перемещения установки не соответствуют максимальной скорости молота при соударении, однако, всегда определяются некоторым оптимальным значением сил бокового трения.
Кроме того, в течение работы виброударной установки с погружаемым элементом на горизонтальной поверхности без углубления большие скорости поступательного перемещения, как правило, соответствовали большим значениям веса погружаемого элемента. Объяснение этой особенности движения опять следует искать во влиянии сил бокового трения; действительно, большим массам соответствует большая сила трения, создаваемая нормальным давлением на грунт. Характерно, что виброударная система обладает весьма низкими скоростями движения при наличии повышенной влажности грунта, поступательное перемещение, системы при этом может отсутствовать. Следовательно, конкретным параметром виброударной системы соответствует вполне определение значение силы трения, обеспечивающее максимальную скорость поступательного перемещения. С другой стороны, чрезмерное увеличение бокового трения неизбежно приводит к уменьшению интенсивности проходки. Легко понять, что расширяющие наконечники, фиксирующие оптимальную величину силы трения, при виброударной проходке приобретают весьма важное значение.
Также в работе [20] была установлена физическая картина виброударного прокола: перед внедрением конусного наконечника, диаметр которого равен диаметру патрона, установка равномерно перемещается к грунтовой стенке; начало погружения наконечника сопровождается значительным уменьшением скорости (в некоторых случаях почти до нулевой); по мере дальнейшей проходки возрастает площадь погруженной цилиндрической части, а с ней и сила бокового трения, что вызывает увеличение скорости проходки. В дальнейшем достигается максимум скорости, на последующих этапах наблюдение плавное уменьшение вплоть до выхода наконечника в приемный котлован. Экспериментальная зависимость скорости проходки от величины углубления при проколе приведена на рис. 1.20.
Если перед углублением и в начале погружения скорость движения определяется некоторым оптимальным значением сил бокового трения, то на последующих этапах образования скважины (при отсутствии расширяющего наконечника) скорость проходки определяется скоростью молота в момент соударения с наковальней. Причиной этого является уменьшение подвижности погружаемого элемента: возросшие силы бокового трения превосходят в этом случае выдергивающее усилие вибромолота, в результате удар наносится по покоящемуся погружаемому элементу, а поэтому его «послеударная» скорость определяется только скоростью соударения.
Сопротивление грунта по боковой поверхности погружаемого элемента имеет в начале процесса проходки ярко выраженную фрикционную природу. Об этом говорит сам характер колебательных движений установки; явление срыва придвижение в направлении удара и значительное торможение «обратных» перемещений, о чем свидетельствует наличие длительных остановок погружаемого элемента, зафиксированных на виброграммах, рис. 1.21. Кроме того, грунт, находящийся под установкой, почти не участвует в колебаниях, что исключает сколько-нибудь значительные упругие и вязкостные сопротивления перемещениям погружаемого элемента.
Однако по мере углубления характер колебаний погружаемого элемента меняется. Постепенно фрикционный характер сопротивления исчезает, и колебания совершаются по существу, в области упругих деформаций грунта. При достижении указанных условий процесс проходки прекращается. Наиболее интенсивное изменение характера колебаний наблюдается у погружаемого элемента, имеющего значительную величину боковой поверхности.
Обработка виброграмм колебаний погружаемого элемента позволила произвести количественную оценку упругих и вязкостных свойств системы грунт - погружаемый элемент. Так было установлено, что собственная частота колебаний погружаемого элемента в грунте, характеризующая его упругие свойства, возрастает при увеличении углубления, рис. 1.22. Наряду с изменением формы и размаха колебаний погружаемого элемента, по мере углубления имеет место демпфирование волн напряжений, вызванных ударами, по длине трубы.
Это находит отражение в уменьшении размаха колебаний элементов патрона при удалении от наковальни и, в большей мере, в уменьшении относительной деформации материала трубы. Упруго - вязкая природа материала погружаемого элемента, а также сила бокового трения являются причиной того, что далеко не вся энергия ударов вибромолота достигает забоиной части, которая в случае прокола производит основную работу по преодолению лобового сопротивления грунта.
