Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор теории и практики резания мерзлого грунта, состояния и развитиябурильной техники 11
1.1. Теория и практика резания мерзлых грунтов 11
1.2. Классификация и анализ существующих бурильных машин для проходки скважин в мерзлых грунтах 21
1.3. Область применения бурильных машин и оборудования 33
1.4. Объект, цель и задачи исследований 41
2. Особенности поведения мерзлых грунтов при их разрушении 43
2.1. Общая характеристика мерзлых грунтов подвергающихся исследованиям 43
2.2. Сопротивление мерзлых грунтов сжатию, растяжению и сдвигу
2.3. Характеристика рабочего органа бурильной машины 55
2.4. Характеристика процесса взаимодействия рабочего органа с грунтом 58
2.5. Экспресс - методы определения показателя хрупкости разрушения 70
Выводы по главе 75
3. Теоретическое исследование взаимодействия резца с мерзлым грунтом при резании крупным сколом 76
3.1. Общая характеристика процесса 76
3.2. Блокированное резание одиночным резцом з
3.3. Геометрические характеристики зоны разрушения 80
3.4. Определение составляющих общего сопротивления резанию при блокированном резании мерзлых грунтов
3.5. Влияние степени блокировки при блокированном и полублокированном резании 83
3.6. Силы трения при резании мерзлого грунта крупным сколом 3.7. Шаг расстановки резцов в ряду 88
3.8. Энергоемкость процесса резания мерзлых грунтов крупным сколом 95
3.9. Выбор и обоснование формы резца 97
3.10. Силовые зависимости повторно-блокированного и полублокированного резания 102
Выводы по главе 103
4. Экспериментальные исследования блокированного резания мерзлых грунтов 105
4.1. Общая методика, планирование и обработка результатов экспериментальных исследований 105
4.2. Экспериментальные исследования показателей, характеризующих резание мерзлых грунтов 109
4.3. Исследование влияния параметров блокированного резания на шаг резания 116
4.4. Экспериментальные исследования по определению усилия вдавливания штампа в мерзлый грунт 131
Выводы по главе 134
5. Практическое использование результатов выполненых исследований 13
5.1. Методика выбора параметров и режимов работы бурильной головки при резании мерзлых грунтов крупным сколом 136
5.1.1. Бурильная головка. Сложная структурная схема 136
5.1.2. Определение крутящего момента на бурильной головке 141
5.1.3. Шаг резцов на режущей грани бурильной головки 145
5.2. Расчет и проектирование опытного образца бурильной
головки 149
5.2.1. Исходные данные для расчета экспериментального образца бурильной головки 149
5.2.2. Расчет параметров резцов первого ряда 150
5.2.3. Расчет параметров резцов второго ряда 152
5.2.4. Конструкция и общий вид экспериментальной бурильной головки 153
5.2.5. Определение скорости подачи, числа оборотов и мощности на привод бурильной головки 157
5.2.6. Определение эффективности использования бурильной головки, работающей методом крупного скола при разрушении мерзлого грунта 157
Выводы по главе 159
Основные результаты и выводы 160
Библиографический список использованной
Литературы
- Область применения бурильных машин и оборудования
- Характеристика рабочего органа бурильной машины
- Определение составляющих общего сопротивления резанию при блокированном резании мерзлых грунтов
- Экспериментальные исследования по определению усилия вдавливания штампа в мерзлый грунт
Введение к работе
Актуальность работы. В промышленном строительстве значительную долю составляют земляные работы, которые происходят в сложных условиях К таким условиям, в первую очередь, относятся работы, производимые на мерзлых грунтах Сезонное промерзание грунтов наблюдается на территории, занимающей около 40% всей площади России, где толщина сезонного промерзания достигает 0,8 - 3,5 м На остальной территории залегают толщи многолетнемерзлых грунтов Физико-механические свойства мерзлых грунтов и их высокая прочность, соизмеримая с прочностью рабочих органов машин, затрудняют применение известных технологий и оборудования для разработки этих грунтов Производство таких работ требует применения машин и оборудования повышенной мощности и соответственно повышенных энергетических затрат
Существующий парк землеройных машин, в том числе и бурильных, в большей своей части мало соответствует указанным условиям проведения работ Поэтому поиск путей повышения эффективности разработки мерзлых грунтов является актуальной проблемой современного строительного производства
Одним из эффективных направлений повышения производительности землеройной техники является совершенствование конструкций рабочих органов на основе анализа закономерностей их взаимодействия с разрабатываемым грунтом
В процессе работы землеройных машин наибольшая часть энергии затрачивается на резание грунта Поэтому снижение энергоемкости резания грунта путем совершенствования рабочих органов и создания принципиально новых является актуальной проблемой, направленной на техническое перевооружение парка землеройных машин и повышение его производительности при относительно малых материальных затратах
Целью данной работы является повышение эффективности бурения скважин в мерзлых грунтах путем создания и внедрения новой конструкции рабочего органа бурильной машины
Объект исследования — конструктивно-технологическая система «рабочий орган бурильной машины — мерзлый грунт»
Предмет исследования - закономерности взаимосвязи физико-механических параметров мерзлого грунта с конструктивно-технологическими параметрами рабочего органа бурильной машины
Основная идея состоит в повышении эффективности бурения скважин в мерзлых грунтах за счет применения в исследовании теории механики хрупкого разрушения грунтов методом крупного скола
Задачи исследования:
Выявление особенностей влияния физико-механических характеристик мерзлых грунтов на характер их разрушения при резании
Исследование закономерностей резания мерзлого грунта одиночным резцом и группой резцов
Выбор и обоснование оптимальной формы резца для бурильного рабочего органа
Разработка методики выбора параметров и расчета конструкции рабочего органа бурильной машины
Разработка конструкции, изготовление и внедрение в производство рабочего органа для бурения скважин в мерзлых грунтах
Методика исследования носит комплексный характер, содержит как теоретические, так и экспериментальные исследования В теоретической части использованы методы системного анализа, теории резания грунта, теоретической механики и других фундаментальных наук Экспериментальные исследования основаны на использовании современной контрольно-измерительной аппаратуры и статистической обработки результатов экспериментов.
Научная новизна:
Установлена закономерность процесса разрушения мерзлого грунта крупным сколом в зависимости от его хрупкости
Исследованы и обоснованы параметры блокированного резания, как одиночного резца, так и группы резцов при резании мерзлых грунтов
Установлены зависимости, определяющие силовые параметры и энергоемкость резания при хрупком разрушении мерзлого грунта крупным сколом, при резании одиночным резцом и группой резцов
Достоверность научных положений, изложенных в работе, подтверждается экспериментальными исследованиями в лабораторных и полевых условиях, с использованием современного оборудования и необходимым объемом экспериментальных данных, а так же результатами производственных испытаний изготовленных образцов бурильных головок на строительных площадках Крайнего Севера (г Новый Уренгой)
Практическая значимость — заключается в создании методики выбора параметров и расчета конструкции бурильной головки, обеспечивающими минимальный энергетический процесс — крупный скол элементов разрушения мерзлых грунтов В результате разработана, испытана и внедрена опытная бурильная головка с цилиндрическими резцами для неглубокого бурения прочных мерзлых грунтов
Личный вклад автора заключается в формулировании общей идеи работы ее цели и задач, в выполнении теоретических и большей части экспериментальных исследований, анализе и обработке результатов, а так же внедрении в производство разработанной конструкции бурильной головки
На защиту выносятся:
Особенности разрушения мерзлого грунта при воздействии на него режущего рабочего органа,
Теоретические и экспериментальные исследования работы одиночного резца и группы резцов при резании мерзлого грунта методом крупного скола,
Методика выбора оптимальных параметров и расчета конструкции бурильного рабочего органа вращательного типа и его режущих элементов, осуществляющих разрушение мерзлого грунта методом крупного скола,
Новая конструкция рабочего органа бурильной машины (решение о выдаче патента на изобретение, заявка №2005126937/03(03 0253))
Апробация работы. Основные разделы диссертации докладывались на международной конференции «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях», 2002 год, на ІГ, Ш, IV конференциях молодых ученых и аспирантов, Тюмень, 2002, 2003, 2004 год, на Международной научно-практической конференции «Дорожно-транспортный комплекс, экономика, экология, строительство и архитектура», Омск, 2003 год, на Всероссийской научно-технической конференции «Роль механики в создании эффективных материалов, конструкций и машин XXI века», Омск, 2006 год
Реализация результатов работы. По предложенной методике разработана резцовая бурильная головка, испытана в филиале №2 ОАО «Стройтрансгаз» г Новый Уренгой, и рекомендована к внедрению в производство Новизна конструкции бурильной головки подтверждена патентом РФ на изобретение. Результаты исследований также используются в учебном процессе ТюмГАСУ
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в десяти статьях (одна из них в журнале, рекомендованном ВАК РФ) По теме исследований получено решение о выдаче патента на изобретение
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений Объем диссертационной работы составляет в целом 181 страница основною текста, в том числе 6 таблиц, 69 рисунков, список литературы из 130 наименований и приложения на 8 страницах
Область применения бурильных машин и оборудования
Различают бурильные машины с непрерывным погружением рабочего органа, отрывающие скважину за один проход, и машины с периодическим погружением рабочего органа, отрывающие скважину за несколько проходов. На бурильных машинах первого типа в качестве рабочих органов применяют длинные шнеки, а на машинах второго типа - лопастные буры, короткие шнеки и ковшовые буры.
Для бурения грунтов, имеющих отдельные твердые включения, целесообразно применять шнековые буры. При работах в тяжелых грунтовых условиях (мерзлота, галечник и т. п.) к лопастным бурам присоединяют съемные наконечники.
К преимуществам станков вращательного бурения следует отнести простоту и маневренность в работе, возможность бурения глубоких скважин, высокую их производительность. Однако при бурении крепких пород производительность таких станков резко снижается [22].
Классификация бурильных машин: 1. Машины общего назначения предназначены для бурения скважин под опоры линий связи и электропередачи и т.д. 2. Машины для буровзрывных работ осуществляют бурение шпуров и скважин при разработке скальных пород, мерзлых грунтов. 3. Машины для проходки скважин при устройстве свайных фундаментов зданий и сооружений в промышленном строительстве. 4. Машины для дорожного и железнодорожного строительства. 5. Машины для бестраншейной прокладки труб. 6. Машины для бурения сейсморазведочных, инженерно-геологических, геологоразведочных и структурно-поисковых скважин. 7. Специальные машины, предназначенные для разработки вечномерзлых грунтов, искусственного закрепления грунтов, противофильтрационных завес, водозаборных скважин, выемки маломощных пластов полезных ископаемых (уголь, каменная соль) и др.
Диаметры бурения различных машин колеблются в следующем числовом ряду: 0,65; 0,4; 0,35; 0,3; 0,23; 0,15 м. Глубина скважин имеет следующий ряд: 25, 15, 12, 8 м. Скорость вращения: 259, 266, 144, 120, 100, 60,40 об/мин. Наибольшее усилие на забой: 90, 80, 70 кН [19].
Машины общего назначения предназначены для работы в однородных грунтах до IV категории включительно, для бурения мерзлых грунтов, без значительного содержания каменистых включений, наибольшее распространение получили машины вращательного действия.
Бурильные машины вращательного действия различают по а) назначению; б) способу разгрузки грунта; в) конструкции привода рабочего органа; г) расположению рабочего оборудования; д) способу крепления рабочего оборудования на тягаче и е) типу ходового устройства базового трактора (тягача).
По назначению различают машины для бурения шпуров и скважин под взрывы и машины для проходки скважин под сваи. Условно оба типа машин можно разделять по диаметру бура. Основные, наиболее распространенные диаметры рабочих органов для бурения шпуров в мерзлых грунтах лежат в интервале 60— 150 мм. От диаметра шпуров и их взаимного расположения зависит степень размельчения материала и общие технико-экономические показатели буро-взрывных работ. Буры диаметром более 80 мм преимущественно применяют при разработке мерзлых грунтов с каменистыми включениями. Диаметры буров для проходки скважин под сваи и опоры лежат в основном в интервале 300— 1000 мм. Стремление повысить несущую способность фундаментов сооружений обусловливает дальнейшее увеличение диаметра буров. Известны конструкции машин с диаметрами буров свыше 1,5 м (БМПК-2,6/3). По способу разгрузки грунта различают машины непрерывного погружения рабочего органа и машины цикличного действия. Машины непрерывного погружения имеют шнековые рабочие органы и пробуривают шпур или скважину за один цикл на всю глубину. Выбуренный грунт по шнеку непрерывно транспортируется на открытую поверхность к устью скважины. При этом длина шнека несколько превышает глубину шпура. Машины циклического действия производят бурение скважины на заданную глубину за несколько последовательных циклов, каждый из которых включает в себя бурение, подъем бура и разгрузку размельченного грунта над устьем скважины. Машины оборудуются короткошнековыми или лопастными рабочими органами, рабочая длина которых меньше заданной глубины скважины.
По конструкции привода вращения, подачи и выглубления рабочего органа различают машины с механическим, гидравлическим, электрическим и смешанным приводами. Привод может быть либо автономным, либо от двигателя базового тягача.
У машин с глубиной бурения до 3 метров наиболее распространен механический привод с различными комбинациями передач. Привод отличается надежностью и простотой конструкции, удобством эксплуатации, ремонта, а также возможностью реализации значительных усилий и моментов. В приводе широко используются унифицированные узлы и агрегаты.
В качестве гидравлического привода используют гидрообъемные передачи с приводом насоса от двигателя. Применение гидропривода облегчает возможность полной автоматизации рабочего процесса, снижает металлоемкость рабочего оборудования и упрощает механические передачи. Полная гидрофикация бурильных машин ограничивается отсутствием высокомоментных низкооборотных гидравлических передач и ухудшением эксплуатационных характеристик машины при работе в условиях низких температур [22]. Электрические приводы бурильного оборудования не получили широкого распространения ввиду их высокой стоимости и металлоемкости. Кроме того, обслуживание электропривода требует персонала высокой квалификации.
Характеристика рабочего органа бурильной машины
Механические свойства мерзлых грунтов нестабильны и зависят от следующих факторов: 1. Изменения температуры грунтов в естественных условиях. 2. Изменения напряженного состояния в замерзающих, мерзлых и протаивающих грунтах под влиянием внутренних и внешних воздействий. 3. Время воздействия нагрузки, обуславливающее релаксацию напряжений и ползучесть мерзлых грунтов. Третий фактор при резании можно не учитывать, т.к. время резания на несколько порядков меньше времени релаксации.
Влияние температуры на механические свойства мерзлых грунтов различны. В области значительных фазовых превращений воды (для песчаных грунтов от 0 до -0,5е С, для глинистых от 0 до -5С) факторами, определяющими прочность мерзлых грунтов, являются количество свободного льда и оставшейся незамерзшей воды и зависимость соотношения этих величин между собой от изменения отрицательной температуры грунта. При дальнейшем снижении температуры влияние на прочность оказывает качественное изменение льда (увеличение его прочности при понижении температуры). Увеличение прочности льда происходит фактически до -70С, когда температура достигает максимального значения.
Сжимаемость мерзлых грунтов изменяется с понижением температуры. Так сжимаемость плотных глин в области практически замерзшего состояния - чрезвычайно незначительная величина.
Влияние внешнего давления проявляется в том, что с увеличением давления увеличивается содержание незамерзшей воды в мерзлых грунтах, и возрастают местные давления в точках контакта минеральных частиц. Переход льда в незамерзшую влагу требует определенного времени. Поэтому при приложении нагрузки с обычной скоростью резания этот фактор можно не учитывать.
В настоящее время наиболее широко используется классификация грунтов в зависимости от числа ударов динамического плотномера ДорНИИ [53, 55], предложенная А. Н. Зелениным (по ГОСТ 30067-93).
По ней физическое состояние грунта оценивается по числу ударов динамического плотномера ДорНИИ. Плотномер состоит из цилиндрического стержня сечением 1 см2, на который надета гиря массой 2,5 кг. При падении с высоты 40 см гиря ударяется об упор на стержне, который погружается в грунт. В зависимости от числа ударов С, необходимых для погружения стержня на 10 см, грунт (в соответствии с классификацией грунтов по числу ударов динамического плотномера) можно отнести к одной из восьми категорий, которые приведены в таблице 2.2.
Исследования Н.К. Пекарской [92] при скорости возрастания нагрузки в минуту от 0,1 до 90 МПа показали условность временного сопротивления сжатию, так как мерзлые грунты различного состава деформируются при разрушении по-разному (хрупко или пластично). Для хрупко-разрушаемых грунтов мгновенное сопротивление сжатию определяется с большей достоверностью, чем для пластично-разрушаемых. Сопротивление растяжению мерзлых грунтов подчиняется тем же закономерностям, что и сопротивление сжатию. Сопротивление растяжению возрастает с понижением отрицательных температур и зависит от состава мерзлых грунтов. Сопротивление мерзлых грунтов сдвигу зависит от ряда факторов и является функцией не менее трех переменных: T=f(-0,P,t), (2.3) где 0 - отрицательная температура; Р - величина внешнего давления, t - время действия нагрузки. Чем ниже температура мерзлого грунта, тем больше его сопротивление сдвигу [92]. Для определения прочностных показателей, как на образцах грунта искусственно замороженного, так и на грунтах в естественных условиях, существуют хорошо отработанные и опубликованные методики, которые были взяты без изменений [120,121,122].
При понижении температуры в первую очередь замерзает свободная влага. При дальнейшем промораживании замерзает часть пленочной влаги. Все исследователи отмечают две формы пленочной влаги, в одной из которых прочно связанная вода тождественна воде собственно гигроскопической. По физическим свойствам эта вода близка к упругому твердому телу, так как способна производить расклинивающее давление между диффузными оболочками коллоидных частиц грунта. С переходом воды из жидкого в твердое состояние происходит увеличение объема (примерно на 9 %). Минеральные частицы, испытывая внутриобъемную компрессию, будут претерпевать под действием сжимающих напряжений упругие деформации. При условии преодоления на поверхности контакта частиц сил адсорбционного притяжения силами, возникающими в результате расширения свободной воды при замерзании, произойдет микроразрыв по поверхности контакта двух минеральных зерен.
Адсорбционное притяжение, распространяющее свое действие на некоторое расстояние, зависит от состава и размера частиц грунта. В мелко дисперсных грунтах (глина, суглинки) адсорбционные пленки способны заполнить все сечения и исключить или сильно ограничить свободную влагу. В таких грунтах адсорбционные связи преобладают над силами, вызванными замерзанием свободной воды и, следовательно, микротрещины не образуются. В грунтах, имеющих более значительные частицы (пески, супеси), адсорбционное притяжение незначительно. Величина пор, заполненных водой, больше и вероятность возникновения микротрещин в таких грунтах больше.
Важное значение играет и тот факт, что свободная вода при замораживании обнаруживает в зависимости от толщины пленки различную температуру замерзания. Так в глинистых грунтах даже при очень больших отрицательных температурах сохраняется часть незамерзшей воды, а именно та часть, которая непосредственно прилегает к минеральным частицам. Значит, в таких грунтах продолжают действовать адсорбционные силы притяжения, в то время как в песчаных грунтах при этих условиях вся вода превращается в лед. Это подтверждает хорошо известные факты, мерзлые песчаные грунты проявляют более хрупкие свойства при разрушении, чем глинистые.
Определение составляющих общего сопротивления резанию при блокированном резании мерзлых грунтов
Процесс резания мерзлых грунтов бурильной головкой должен сопровождаться отделением возможно большего количества грунта от массива. Ранее было сказано, что в основе режущих инструментов лежит клин, внедряющийся в грунт под действием приложенных сил. Существуют следующие разновидности процесса резания: 1) разрезание - грани режущего клина симметричны к направлению его движения; 2) перерезание (срезание) двумя встречными лезвиями (клиньями), где одно лезвие может быть неподвижным; 3) резание односторонним клином со снятием с поверхности грунта стружки.
Резание односторонним клином подразделяется на свободное (рис.3.1.г), полублокированное (рис.3.1.6) и блокированное (рис. 3.1.а). Свободное резание характеризуется тем, что оно осуществляется одной режущей кромкой, полусвободное - двумя режущими кромками. При блокированном резании в работе принимают участие три режущих кромки.
Анализ рабочих органов бурильных машин показывает, что в основном при их работе наблюдается блокированное, повторно-блокированное и полублокированное резание грунта. Полублокированное резание занимает промежуточное положение между блокированным и полусвободным. Величина сил резания при полублокированном резании меньше, чем при блокированном, но больше чем при полусвободном резании. Для того, чтобы в одной бурильной головке получить полублокированное резание, необходимо соответствующим образом (шагом) расставить резцы, так как при определенном шаге полублокированное резание перейдет в блокированное.
Разновидности резания: а) блокированное; б) полублокированное; в) полусвободное; г) свободное Чем больше в бурильной головке резцов осуществляющих блокированное резание, тем требуется больший крутящийся момент. При проектировании бурильной головки необходимо это учитывать. Первой задачей изучения процесса разрушения мерзлого грунта резцом является характеристика зоны разрушения. Почти все исследователи процесса резания грунтов неоднократно подчеркивали аналогию процесса стружкообразования при резании грунтов и металлов. Из проведенного аналитического обзора процесса разрушения крепких горных пород скоростным фрезерованием, установлено, что резание металлов и горных пород имеет много общего. Один и тот же вид стружек может иметь место при резании таких совершенно различных материалов как некоторые металлы, уголь и мерзлый грунт, а именно те материалы, которые проявляют при разрушении хрупкий характер.
При блокированном резании ширина резца меньше глубины резания (Ь И). Поперечное сечение образующейся борозды при проходе отдельного резца имеет явно выраженный трапециевидный вид, рис. 3.2. Рис. 3.2. Поперечное сечение следа разрушения при блокированном резании одиночным резцом
Рассмотрим характерные зоны следа разрушения: 1-2-3 - боковые развалы, образующиеся в основном за счет деформации отрыва; 2-3-3-2 -зона среза перед передней гранью резца; 3-3 -4 - зона смятия грунта в основном за счет сжатия его перед резцом.
С ростом глубины блокированного резания (b - Const) изменяется поперечное сечение среза разрушения перед резцом. Изменение поперечного сечения характеризуется наличием и изменением в процессе роста глубины резания боковых развалов. Рассмотрим характер изменения боковых развалов в зависимости от глубины резания, рис. 3.3. Рис. 3.3. Характер изменения боковых развалов при резании мерзлого грунта резцом с переменной глубиной Анализ величины боковых развалов характеризуется двумя зонами. В первой зоне, в начальный период резания, развалы растут медленно и величина их по сравнению с лобовой площадью рабочего органа Fn невелика (зона 1,рис. 3.3) [87]. Сопоставим процесс резания хрупкого материала с процессом вдавливания штампа в хрупкий материал. При резании хрупкого материала до момента отделения крупного элемента распределение нагрузки на резце можно рассматривать на основании контактной задачи теории упругости, согласно которой на режущей кромке имеет место концентрация нормальных напряжений. При достижении нормальных напряжений, равных разрушаемому значению, происходит отделение очередного элемента разрушения. При этом средние разрушающие нагрузки на резце могут быть даже значительно ниже предела прочности при сжатии.
Так как при резании мерзлого грунта крупным сколом средние значения нагрузки на резце в момент скола элемента составляют примерно (0,3.-0,15)0 [84]. При дальнейшем увеличении глубины резания наблюдается для всех видов мерзлых грунтов рост величины боковых развалов (зона 2), которые растут интенсивнее, чем прирост глубины рыхления, т. е. площади рабочего органа. При определенной глубине резания имеем практическое прекращение роста боковых развалов и продолжающееся возрастание лобовой площади рабочего органа (зона 3).
Экспериментальные исследования по определению усилия вдавливания штампа в мерзлый грунт
Целью экспериментальных исследований является получение параметров определяющих процесс блокированного резания, таких как максимальный коэффициент (ртах, оптимальное отношение 8опт, показатель хрупкости т, общее сопротивление резанию Р0б, удельная энергоемкость процесса резания и соответствующие зависимости для их определения.
На рис.4.1 представлена блок-схема общей методики экспериментальных исследований по блокированному резанию мерзлых грунтов.
Общим для всех этапов исследований является планирование и обработка результатов эксперимента.
Одной из основных задач планирования эксперимента является определение необходимого числа опытов, с целью уменьшения случайной ошибки. Так как точность измерений повысить невозможно (определенная точность используемых измерительных приборов), то уменьшить случайную ошибку можно только увеличением числа опытов. В этом случае нужно установить: какое число опытов будет достаточно для того, чтобы результаты оказались в пределах заданной точности. Для решения этой задачи, в соответствии с теорией вероятности, воспользуемся следующими формулами [130]:
Например, зададимся показателем точности исследования равным є = 5% и коэффициентом вариации v -15%, то получим необходимое число опытов равное поп = 14.
При разработке частных методик необходимое число опытов определялось исходя из задач исследования.
После получения опытных данных, проводилась их математическая обработка, т.е. нахождение существующих между ними зависимостей, в аналитическом, табличном и графическом виде (программа Regress 2.0).
Так как всякий результат наблюдений или измерений содержит ошибку различного происхождения, возникает еще одна задача, связанная с оценкой этих ошибок.
Ошибки измерения разделяют на систематические и случайные. Систематические ошибки вызываются факторами, действующими одинаковым образом при многократном повторении одних и тех же измерений, например, ошибки, получаемые при измерении прибором определенной точности. Чтобы найти верные значения измеряемых величин, нужно учесть ошибку, обусловленную классом точности измерительного инструмента. Такие ошибки можно учесть по однократному измерению. При обработке опытных данных чаще всего возникают ошибки, имеющие случайный характер, значение которых различно, даже для измерений выполняемых одинаковым способом. В этом случае для учета их влияния многократно измеряют некоторую величину х, которая в каждом опыте принимает значениях/, Х2 хп. Тогда среднее арифметическое результатов п измерений будет равно: п где выражение [Sj] обозначает, что при подсчете указанной суммы все значения Sj считаются положительными.
Другим показателем, характеризующим отклонение случайных величин от среднего значения, является средняя квадратичная ошибка Sn, определяемая по формуле: , м . (4.8) п(п - 1) v Величина S„ показывает, насколько велика ошибка, когда арифметическая середина принимается за истинную величину.
При достаточно большом числе опытов показатель S„ вычисляется по формуле: Показатели и параметры резания, выведенные в аналитической части работы невозможно определить математическим путем, так как они по многофакторные и требуют экспериментального определения, и соответствующего математического описания полученных результатов.
Основными показателями, определяющими процесс блокированного резания мерзлых грунтов, как было установлено выше, являются: Тср/ - показатель хрупкости разрушения т - у ; / р показатель, характеризующий параметры блокированного резания 8 = h/ _F./ - показатель, учитывающий величину зоны разрушения Ц - "у-р ; Ь и соответствующие оптимальные значения Фтах и 80Ш. Все эти показатели зависят от физико-механических характеристик мерзлого грунта (C, со%, т, т0). Частная методика экспериментального исследования этих показателей приведена на блок схеме, рис.4.2.
Образцы мерзлого грунта изготовлялись из заранее подготовленной массы грунта. Для лабораторных испытаний был выбран песчаный грунт (мелкозернистый), наиболее распространенный вид грунта на севере (особенно на Ямале). Влажность грунта доводилась до нужной величины и измерялась прибором «Влагомер».
Образцы изготавливались в форме куба (200 х 200 х 200 мм) и уплотнялись до стандартной плотности, которая контролировалась взвешиванием. На один эксперимент изготавливалось 8 образцов, которые помещались в морозильную камеру с заранее установленной отрицательной температурой. В процессе эксперимента температура образцов контролировалась контактным термометром (термопара).
