Аналітичний спосіб визначення опору занурення конусного наконечника в ґрунт

Abstract

UK: Постановка проблеми. Статичний прокол ґрунту робочим органом з конусним наконечником є найбільш ефективнішим методом для розробки горизонтальної свердловини при безтраншейному прокладанні розподільних комунікацій. В роботі пропонується аналітичний спосіб визначення опору занурення конусного наконечника у ґрунт, який може бути використаний для розрахунку робочого органа та його обладнання. Актуальність роботи. Для прокладання підземних комунікацій під різними перешкодами широко використовують безтраншейні методи, які дозволяють уникнути пошкодження дорожнього покриття та інших інженерних комунікацій. Для створення горизонтальної свердловини невеликого діаметру до 300 мм під розподільні комунікації часто застосовують метод статичного проколу ґрунту. Існує цілий ряд розрахунків сил опору при зануренні робочого органу у ґрунт. Більшість з них побудована на використанні емпіричних даних та припущеннях, які знижують достовірність розрахунків та їх відповідність фактичним даним. Ціль роботи. Ціллю роботи є удосконалення розрахунку проколюючого робочого органу шляхом отримання аналітичного способу визначення сили опору занурення його конусного наконечника у ґрунт. Аналіз публікацій. Загальні закономірності процесів проколу ґрунту та формування горизонтально спрямованої свердловин викладені у роботах [5; 2; 3]. Результати досліджень впливу конструктивних параметрів робочого органу на процес проколу ґрунту та його інтенсифікацію викладено в роботах [3, 4, 1, 11, 14, 12]. Зміни якостей ґрунту в навколишньому просторі свердловини під час статичного проколу ґрунту та їх вплив на процеси формування лідерної свердловини та її розширення були розглянуті у роботах [4; 1]. Висновки. Встановлені в роботі закономірності зміни тиску ґрунту на бічній поверхні конуса та циліндричній частині наконечника ґрунто-проколюючої головки дозволили отримати аналітичну залежність розрахунку його сили опору в залежності від фізико-механічних властивостей ґрунту і діаметра наконечника. Так, наприклад, у найбільш поширених ґрунтах України сумарна сила опору ґрунту проколу діаметром свердловини 200 мм складає: у твердому супіску понад 85 кН, у напівтвердому суглинку більш 50 кН та у туго пластичній глині вона буде дорівнювати 25 кН. У той же час опір заглиблення конусної частини у цих ґрунтах дорівнює 60 кН, 30 кН та 15 кН відповідно. Таким чином можна констатувати, що сила тертя на поверхні конусної частини наконечника проколюючої головки досягає 25 – 30 % від сумарного значення сили опору ґрунту. Запропонований спосіб дозволяє визначити зусилля проколу на основі знання тільки типу ґрунту і його природньої вологості. Отримані результати розрахунків можуть бути рекомендовані до практичного впровадження при виборі параметрів проколюючої головки установок для безтраншейного прокладання підземних комунікацій шляхом статичного проколу ґрунту.

RU: Постановка проблемы. Статический прокол почвы рабочим органом с конусным наконечником является наиболее более эффективным методом для разработки горизонтальной скважины при бестраншейной прокладке распределительных коммуникаций. В работе предлагается аналитический способ определения сопротивления погружения конусного наконечника в почву, который может быть использован для расчета рабочего органа и его оборудования. Актуальность работы. Для прокладки подземных коммуникаций под разными препятствиями широко используют бестраншейные методы, которые позволяют избежать повреждения дорожного покрытия и других инженерных коммуникаций. Для создания горизонтальной скважины небольшого диаметра до 300 мм под распределительные коммуникации часто применяют метод статичного прокола почвы. Существует целый ряд расчетов сил сопротивления при погружении рабочего органа в почву. Большинство из них построено на использовании эмпирических данных и предположениях, которые снижают достоверность расчетов и их соответствие фактическим данным. Цель работы. Целью работы является усовершенствование расчета прокалывающего рабочего органа путем получения аналитического способа определения силы сопротивления погружения его конусного наконечника в почву. Анализ публикаций. Общие закономерности процессов прокола почвы и формирования горизонтально направленной скважины изложены в работах [5; 2; 3]. Результаты исследований влияния конструктивных параметров рабочего органа на процесс прокола почвы и его интенсификацию изложены в работах [3, 4, 1, 11, 14, 12]. Изменения качеств почвы в окружающем пространстве скважины во время статичного прокола почвы и их влияние на процессы формирования лидерной скважины и ее расширения были рассмотрены в работах [4; 1]. Выводы. Установленные в работе закономерности изменения давления почвы на боковой поверхности конуса и цилиндрической части наконечника грунто-прокалывающей головки позволили получить аналитическую зависимость расчета его силы сопротивления в зависимости от физико-механических свойств почвы и диаметра наконечника. Так, например, в наиболее распространенных почвах Украины суммарная сила сопротивления почвы прокола диаметром скважины 200 мм составляет: в твердой супеси свыше 85 кН, в полутвердом суглинке более 50 кН и в тугопластичной глине она будет равняться 25 кН. В то же время сопротивление углубления конусной части в этих почвах равняется 60 кН, 30 кН и 15 кН соответственно. Таким образом можно констатировать, что сила трения на поверхности конусной части наконечника прокалывающей головки достигает 25-30 % суммарного значения силы сопротивления почвы. Предложенный способ позволяет определить усилие прокола на основе знания только типа почвы и его естественной влажности. Полученные результаты расчетов могут быть рекомендованные к практическому внедрению при выборе параметров прокалывающей головки установок для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций путем статичного прокола почвы.

EN: Problem definition. Static soil puncture with working body with conical tip is the most effective method for horizontal excavation with distributive trenchless laying of communications. The work proposes an analytical method for determining the resistance to deepening conical tip into soil, which can be used to calculate the working body and its equipment. Actuality of the work. Trenchless methods, which let avoid damaging the pavement and other utilities, is widely used for the laying underground utilities under different obstacles. Method of static soil puncture is used very often for creation of horizontal wells small diameter to 300 mm for distribution communications. There are many calculations of the resistance of immersion working body into soil. Majority of them are based on using empirical data and assumptions, which reduce the reliability of calculations and accordance to actual data. Aim of the work. The aim of the work is developing of calculation the working puncture body in the way on receiving an analytical way to determining the resistance force of immersion conical tip into soil. Analysis of publications. General regularities of puncture process and making horizontal wells are described in the works [5, 2, 3]. The research results of effecting the constructive parameters of working body on the puncture process and its intensification are described in the works [3, 4, 1, 11, 12, 14]. The change of soil quality during the static puncture and its effecting to the forming process the wells were considered in the works [4, 1]. Conclusions. The set up regularities of pressure change on the lateral surface of the cone and cylindrical part of the tip let receive analytical formula for determining of resistance force, which depend on physical-mechanical soil qualities and tip diameter. For example, the total resistance force to 200 mm well puncture of the most widespread Ukrainian soil is: over 85 kN in hard sand loam, over 50kN in middle hard sand loam and over 25 kN in hard plastic loam. Meanwhile resistance to deepening conical tip into these kinds of soil are 60 kN, 30 kN and 15 kN accordingly. Therefore, we can state that friction force on the conical surface of the tip achieves 25-30% from total soil resistance sum. The way let determine the puncture force knowing just kind of soil and its moisture. The results can be recommended for choosing the puncture equipment for trenchless excavation.