Исследование процесса взаимодействия конического расширителя с грунтом и разрушаемой трубой при бестраншейной замене коммуникаций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.04, кандидат технических наук Земцова, Анастасия Евгеньевна

• Земцова, Анастасия Евгеньевна
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Земцова, Анастасия Евгеньевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Краткий обзор способов реконструкции трубопроводов.

1.1.1. Восстановление (санирование, реновация) существующих трубопроводов.

1.1.2. Бестраншейная замена трубопроводов.

1.2. Обзор исследований по взаимодействию с грунтом различных тел внедрения.

1.3. Постановка задач исследований.

2. ЛАБОРАТОРНЫЕ И ПОЛЕВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО

РАЗРУШЕНИЮ ТРУБ СТАТИЧЕСКИМИ И ДИНАМИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ

2.1. Постановка и описание экспериментов по разрушению труб из хрупких материалов коническим расширителем с концентраторами напряжений и без них.

2.1.1. Исследование влияния конфигурации расширителя на величину усилия, необходимого для образования трещины.

2.1.2. Зависимость радиальных перемещений от прикладываемых нагрузок.

2.1.3. Оценка достоверности результатов измерений.

2.2. Полевые эксперименты по разрушению стальных труб гидровзрывом.

Выводы.

3. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ТРУБ ПРИ НАГРУЖЕНИИ КОНИЧЕСКИМ РАСШИРИТЕЛЕМ С КОНЦЕНТРАТОРАМИ НАПРЯЖЕНИЙ

3.1. Расчет радиальных перемещений тонкостенной трубы, нагруженной изнутри распределенной нагрузкой.

3.2. Задача о нагружении толстостенной упругой трубы самоуравновешенной парой сил.

3.3. Анализ полей напряжений в сечении толстостенной трубы при ее нагружении сосредоточенными силами.

Выводы.

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАСШИРЕНИЯ ПОЛОСТИ В ГРУНТЕ КОНИЧЕСКИМ РАСШИРИТЕЛЕМ С ПРИЛОЖЕННЫМИ К НЕМУ СТАТИЧЕСКИМИ УСИЛИЯМИ

4.1. Математическая модель процесса расширения полости в грунте коническим расширителем.

4.2. Анализ численных результатов моделирования и

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процесса взаимодействия конического расширителя с грунтом и разрушаемой трубой при бестраншейной замене коммуникаций»

Актуальность темы. Необходимость бестраншейных методов реконструкции различных инженерных коммуникаций у нас в стране и за рубежом обусловлена высокими темпами урбанизации и развития инфраструктуры, а так же стимулируется экономическими соображениями и требованиями по охране окружающей среды. С точки зрения экологических последствий проблема замены пришедших в негодность трубопроводов, расположенных на глубине нескольких метров под дорожными коммуникациями и строительными объектами, в ближайшие годы станет сопоставимой по значимости с такими проблемами окружающей среды, как загрязнение атмосферы, отравление рек и морей, многолетнее скопление мусора. В странах с высоким уровнем развития доля работ по замене и реконструкции существующих трубопроводов на территории городов достигает 30% от общего объема ремонтных работ и имеет тенденцию к росту. В России более 300 тыс. км водопроводных и канализационных сетей отслужили нормативный срок, из которых свыше 50 тыс. км находятся в аварийном состоянии и требуют немедленной замены.

Бестраншейная реконструкция таких сетей - это, пожалуй, единственный на сегодня экономически оправданный путь решения проблемы, поэтому разработка новых научно обоснованных конструктивных и технических решений, направленных на повышение эффективности технологии бестраншейной замены коммуникаций, является актуальной научно-технической задачей.

Цель работы. Целью работы является выявление закономерностей деформационных процессов, происходящих в массиве грунта и разрушаемой трубе при нагружении коническим расширителем.

Идея работы состоит в использовании квазистатического приближения при описании динамического процесса взаимодействия расширителя с внешней средой при постоянно действующем тяговом усилии лебедки.

Задачи исследований: выполнить анализ напряженного состояния толстостенной трубы при внутреннем нагружении самоуравновешенной парой сил и установить локализацию зон повышенной концентрации растягивающих напряжений; подтвердить экспериментально и дать теоретическое обоснование эффекту снижения разрушающих нагрузок при оснащении конического расширителя продольными ребрами жесткости; построить модель взаимодействия расширителя с окружающим грунтовым массивом и оценить влияние упругой реакции (отдачи) грунта на кинематику исследуемого процесса; выявить основные энергоемкие стадии процесса расширения полости в грунте и определить диапазон эффективных значений усилий натяжения троса лебедки в зависимости от основных технологических параметров.

Методы исследований: лабораторные и полевые эксперименты; изучение экспериментального материала и построение рабочих гипотез; математическое моделирование процессов разрушения труб и деформирования грунтового массива при бестраншейной замене; получение расчетной схемы и численный счет; анализ и сопоставление полученных результатов исследований с эмпирическими данными.

Научные положения. выносимые на защиту: концентрация напряжений в разрушаемой трубе, обусловленная наличием пары жестких ребер на коническом расширителе, приводит к снижению на порядок энергозатрат, требуемых для разрушения; при нагружении изнутри упруго-деформируемой . трубы самоуравновешенной парой сил, локализация зон максимальных растягивающих напряжений зависит от отношения ее толщины к диаметру; в тонкостенной трубе эти зоны расположены на ее внешней поверхности в плоскости действия нагружающих усилий; взаимодействие расширителя с грунтом представляет собой процесс, обусловленный, с одной стороны, необратимым уплотнение грунта и, с другой стороны, упругой реакцией грунтового массива; градиент скорости перемещения конического расширителя в грунте резко уменьшается с увеличением тяговых усилий троса лебедки по достижении последними силы упругой реакции грунта.

Достоверность результатов проведенных исследований.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована корректностью постановок задач в рамках теории упругости и механики грунтов, экспериментальной проверкой результатов аналитических исследований и удовлетворительной их сходимостью с экспериментальными данными и результатами испытаний.

Научная новизна работы заключается: в экспериментальном и теоретическом обосновании эффективности разрушения труб из хрупких материалов посредством конического расширителя с ребрами жесткости; в описании механизма взаимодействия расширителя с грунтовым массивом, учитывающем упруго-пластическое поведение грунта при уплотнении и упругую отдачу на стадии разгрузки; в предложенном методе расчета силовых и энергетических параметров используемой технологии в зависимости от требуемой скорости проходки, механических свойств грунта и диаметров заменяемого и вновь прокладываемого трубопроводов.

Конкретное личное участие автора в получении результатов. изложенных в диссертаиии. Личный вклад автора заключается: в постановке и проведении экспериментов по выявлению закономерностей деформирования и разрушения труб коническим расширителем; в обработке экспериментальных результатов и их математической интерпретации, количественно описывающей процесс разрушения труб при их замене бестраншейным способом; в разработке рекомендаций к проектированию отдельных узлов типового комплекта оборудования по бестраншейной замене подземных коммуникаций.

Практическая иенность: предложен алгоритм расчета скорости движения конического расширителя при бестраншейной замене трубопроводов, который может использоваться для выбора технологических параметров данного процесса; даны рекомендации по конструированию отдельных узлов комплекта оборудования по бестраншейной замене трубопроводов, направленные на повышение эффективности процесса замены.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных семинарах лабораторий ИГД СО РАН, на объединенном семинаре лабораторий ИГД СО РАН и на Международном научно-практическом семинаре 'Ъестраншейные методы замены канализационных и водопроводных подземных коммуникаций" (Новосибирск, 1998 г.)

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 4 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Она содержит 106 страниц машинописного текста, 34 рисунка, 3 таблицы и 93 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.

Заключение диссертации по теме «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», Земцова, Анастасия Евгеньевна

Выводы

1. Лебедка с пневмодвигателем обеспечивает постоянство тяговых усилий и их регулировку в широком диапазоне и может эксплуатироваться в особо тяжелых условиях рабочего процесса (частое реверсирование, резкие колебания внешней нагрузки, вибрация и т.д.)

2. Разработанная математическая модель процесса взаимодействия конического расширителя с грунтом и разрушаемой трубой позволяет с приемлемой для практических приложений точностью определить величины основных технологических параметров (тяговое усилие, энергия ударной машины, скорость проходки), обеспечивающих наибольшую эффективность работ по бестраншейной замене коммуникаций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации предложено новое решение актуальной научной проблемы, заключающееся в выявлении закономерностей взаимодействия элементов системы «расширитель - разрушаемая труба - грунтовый массив - лебедка» при бестраншейной замене коммуникаций и разработке подхода к выбору технологических и конструктивных параметров отдельных узлов и механизмов, используемых при реализации данной технологии.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Установлено, что оснащение конического расширителя дополнительными концентраторами напряжений в виде продольных диаметрально расположенных ребер позволяет снизить усилие разрушения труб из хрупких материалов в 4 - 7 раз для керамики и 11 - 14 раз для чугуна.

2. При внутреннем нагружении упруго-деформируемой трубы самоуравновешенной парой сил расположение зон повышенной концентрации напряжений зависит от величины отношения ее толщины к внешнему радиусу Н/Ъ. Если оно не превышает 0.2, то максимальные растягивающие напряжения локализованы на внешней границе трубы вдоль линии действия сосредоточенных сил. При Н/Ь > 0,2 максимальные растягивающие напряжения сконцентрированы на внутренней поверхности трубы в плоскости, ортогональной линии действия сил.

3. Эффективность процесса расширения полости в грунте коническим расширителем определяется как энергией удара, так и величиной постоянно действующих статических усилий, приложенных к расширителю и компенсирующих упругую реакцию грунта. При этом приложение избыточных усилий, превышающих предельный уровень упругой реакции грунта не эффективно.

4. На основе предложенного механизма расширения полости в грунте коническим расширителем рассчитаны эффективные соотношения технологических параметров бестраншейной замены подземных коммуникаций, связывающие рекомендуемые усилия натяжения троса лебедки с энергией удара пневмоударной машины, диаметром заменяемой трубы и размерами расширителя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Земцова, Анастасия Евгеньевна, 1998 год

1. Кюн Г., Шойбле Л., Шлик X. Закрытая прокладка непроходных трубопроводов. -М.: Стройиздат, 1993.

2. ASCE Specialty Conference on Robotics for Challenging Environments. 1994. Publ by ASCE, New York, NY, USA, p. 383-391.

3. Горнев Ю.В. Инспекция и ремонт трубопроводов специальными роботами. Бестраншейные технологии обслуживания трубопроводов //РОБТ 1996 - № 2.

4. Хейборт П. Обзор выставки NO-DIG LIVE'96 в Абингдоне //РОБТ -1996-№2.

5. NO-DIG INTERNATIONAL V 7 р 12 -14 November 11 '96.

6. Hayword P. Renewing a 100 year old non-circular sewer //NO-DIG INTERNATIONAL V 7 February 1997.

7. NO-DIG INTERNATIONAL p 19 -26 April 1997.

8. Бобылев Л.М., Бобылев А.Л. Современное оборудование для бестраншейного ремонта трубопроводов //РОБТ 1996 - № 2.

9. Адаме Э. Фирма "Noell service und maschinentechnik GmbH" //RSST 1996 -№3.

10. Ромейко B.C. Ремонт ветхих трубопроводов с использованием цементно-песчаного покрытия //Механизация строительства -1996 -1

11. Кларк Я. Успех на протяжении 25 лет //РОБТ 1996 - № 2.

12. Pipe Line Industry. V 77 р 57 59 August' 94.

13. Pipe Line Industry. V 77 p 27 28 Decemder' 94.14. international Conference on Trenchless Construction for Utilities, Vereinigtes Koenigreich, London, Apr. 1985, Nr 1.

14. ENR V 234 p 41 31 June 12'95. Underground construction.

15. Plant Engineering V 49 p 66 68 June 5'95.

16. Горнев Ю.В. Инспекция и ремонт трубопроводов специальными роботами. Бестраншейные технологии обслуживания трубопроводов //РОБТ 1996 - № 2.

17. Хейборт П. Обзор выставки NO-DIG LIVE'96 в Абингдоне //РОБТ 1996 - № 2.

18. NO-DIG INTERNATIONAL V 7 р 12 -14 November 11 '96.

19. Hayword P. Renewing a 100 year old non-circular sewer //NO-DIG INTERNATIONAL V 7 February 1997.

20. NO-DIG INTERNATIONAL p 19 -26 April 1997.

21. Петухов B.M., Крысанов O.H. и др. Устройство для ремонта трубопровода //Международная заявка на изобретение РСТ/КВ 95/00153.

22. Яч Р. Разрушение труб в техасских торфяниках //РОБТ-1996 № 2

23. Clarke J. Meeting the replacement challenge //NO-DIG INTERNATIONAL V 7 August 8'97.

24. Способ и устройство для разрушения проложенного в грунте трубопровода. ЕР 0411 278 В1.

25. Способ для замены проложенного в грунте трубопровода и устройство для осуществления способа. DE 3832 214 Cl.

26. Устройство для разрушения трубопровода. ЕР 0 368 079 Al.

27. Способ для замены магистралей. US 4 738 565.

28. Способ и устройство для разрушения трубопровода. DE 3 620 021 Al.

29. Замена или подготовка к замене существующей магистрали новой магистралью. UK 2 152 624 А.

30. Способ бестраншейного удаления проложенных под землей труб и устройство для выполнения способа. DE 3 940 354 Al.

31. Способ восстановления сточных трубопроводов и устройство для его осуществления. DE 3 603 238 А1.

32. Рейфисов Ю.Б., Плавских В.Д., Григоращенко В.А. и др. Способ бестраншейной замены трубопроводов. А.с. № 1730892.

33. Курленя М.В., Клименко В.А., Григоращенко В.А. и др. Способ бестраншейной замены трубопроводов. А.с. № 1778424.

34. Курленя М.В., Исаков A.JL, Григоращенко В.А. и др. Способ бестраншейной замены подземного трубопроводов. А.с. № 1780380.

35. Рейфисов Ю.Б., Сырямин В.Д., Григоращенко В.А. и др. Способ замены подземного трубопроводов. Патент № 2003917.

36. Курленя М.В., Клименко В.А., Григоращенко В.А. и др. Устройство для замены подземного трубопровода. Патент № 2062941.

37. Muccio Т. Swagelining technique restores aged gas main // Pipeline & Gas Journal V 221 p 52-54 April'94.

38. No-dig method contains rehab costs // Civil Engineering V 64 p 86 November'94.

39. Trenchless technologies produce bottle-tight sewer system // Public Works V 126 p 52-54 July'95.

40. Insituform uses textiles to reclaim deteriorating sewers (uses a needled felt tube to repair underground pipelines) // Textile World V 141 p 49-50 October'91.

41. Marozzo J. Brooklyn Union develops tool for replacing steel, cast iron main // Pipe Line Industry V 77 p 27-28 December'94.

42. Zlokovitz R., Fisk A. Replacing steel mains with PE by bursting // Pipeline & Gas Journal V 220 p 28-32 June'93.

43. Земцова А.Е., Рейфисов Ю.Б., Григоращенко В.А. и др. Устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов. Патент № 2057856. Опубл. в БИ, 1996, № Ю.

44. Вазетдинов A.C. Опыт определения усилий внедрения и местоположения в грунте головного снаряда при проколе. //Водоснабжение и санитарная техника. 1958. - № 1.

45. Вазетдинов A.C. Проходка горизонтальных скважин под кабелепроводы вибропроколом и гидромеханизированным способом. //Сб. Подземное строительство. Госстройиздат, 1961.

46. Васильев Н.В. Закрытая проходка трубопроводов. М.: Недра, 1964.

47. Васильев Н.В., Шор Д.И. Расчет усилий для прокладки трубопроводов способом прокола и продавливания. //Сб. Подземное строительство. М.: Госстройиздат, 1961.

48. Кершенбаум Н.Я., Минаев Б.И. Проходка горизонтальных и вертикальных скважин ударным способом. М.: Недра, 1984.

49. Савинов O.A., Лускин А.Я. Вибрационный метод погружения свай и его применение в строительстве. Л.: Госстройиздзт, 1960.

50. Теренецкий Л.Н. Экспериментальное исследование горизонтального виброударного продавливания труб. //Основание, фундаменты и механика грунтов. 1967. - № 1.

51. Баркан Д.Д. Виброметод в строительстве. М.: Госстройиздзт, 1959.

52. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими методами. -М.: Машиностроение, 1968.

53. Спектор М.Б. Исследование процесса виброударной проходки горизонтальных скважин в грунте. //Канд. диссертация. Киев, 1968.

54. Блехман И.И. Исследование процесса вибрационной забивки свай и шпунтов. //Инж. сборник АН СССР т. 19 - 1964.

55. Шехтер О .Я. Определение параметров зависимости между напряжениями и перемещениями при ударном испытании свай. Труды НИИОСП, Вып. 55.-М.: Госстройиздат, 1964.

56. Тупицин К.К. О процессе взаимодействия пневмопробойников с грунтом. // ФТПРПИ. 1980. - № 4.

57. Чередников E.H. Исследование процесса проходки скважин пневмопробойниками. //Канд. диссертация. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1970.

58. Бабаков В.А. Об одном варианте расчета пневмопробойника в грунте. //Горные машины. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1980.

59. Смирнов А.Л. Расчет процесса ударного погружения свай в грунт. //ФТПРПИ 1989. - № 4.

60. Ткач Х.Б. О проходке скважин в грунте пневмопробойниками // ФТПРПИ.-1991.-№6.

61. Покровский Г.И., Федоров И.С. Действие удара и взрыва в деформируемых средах. М.: 1967.

62. Преображенская H.A. Экспериментальные данные о погружении и извлечении шпунта и свай вибрированием в песчаных грунтах. М.: Труды НИИОснований, 1968.

63. Перлей Е.М. Об изменении истинных характеристик внешнего и внутреннего трения движения грунтов под влиянием вибрации. Труды ВНИИГС, вып. 17.-М.: Стройиздат, 1964.

64. Бирюков A.JI. Деформации в грунтах при погружении свай. М.: Стройиздат, 1967.

65. Галицкий В.Г. Исследование метода глубинного уплотнения просадочных грунтов. Труды НИИОСП, вып. 66. М.: Стройиздат, 1962.

66. Лебедев А.Ф. Уплотнение грунтов при различной влажности. М.: Строивоенмориздат, 1959.

67. Рахматулин Х.А., Сагомонян А.Я., Алексеев H.A. Вопросы динамики грунтов. М.: МГУ, 1964.

68. Тимошенко В.К. Влияние формы наконечника на усилие прокола. //Строительство трубопроводов. 1968. - № 4.

69. Гончаров Б.В. О сопротивлении грунта при вдавливании свай. //Основания, фундаменты и механика грунтов. 1966. - № 6 .

70. Пестов Г.Н. Закрытая прокладка трубопроводов. М.: Стройиздат, 1964.

71. Герсеванов Н.М. Определение сопротивления свай . Т. 4. М.: Стройвоенмориздат, 1959.

72. Попов Б.П. Обобщение формул для определения сопротивления свай. //Сб. Механика грунтов. -М.: Стройвоенмориздат, 1959.

73. Покровский Г.И., Федоров И.С. Действие удара и взрыва в деформируемых средах. -М.: Стройиздат, 1967.

74. Кох В.А. Создание навесного оборудования для устройства набивных свай в водонасыщенных грунтах методом уплотнения. //Канд. диссертация. Новосибирск: ИГД СО РАН, 1989.

75. Костылев А.Д. Исследование и состояние пневматических машин ударного действия для пробивания скважин в грунте. //Докторская диссертация. Новосибирск: ИГД СО РАН, 1971.

76. Белобородое В.Н., Земцова А.Е., Исаков А.Л., Изотов A.C. Исследования процесса разрушения тонкостенных труб коническими расширителями //ФТПРПИ. 1997. - № 6, стр. 72-77.

77. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физики. М.: Наука, 1976.

78. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев: Наукова думка, 1988.

79. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. JL: Наука, 1967.

80. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972.

81. Руководящий технический материал. РТМ 36.22.91. М.: Минмонтажспецстрой СССР, 1991.

82. Ляхов Г.М. Волны в грунтах и пористых многокомпонентных средах. -М.: Наука, 1982.

83. Vibrations generated by traffic and building construction activities.//Swedish Council for Building Research, Stockholm, Sweden,1984.

84. Нерубайло Б.В. Локальные задачи прочности цилиндрических оболочек. М.: Машиностроение, 1983.

85. Изотов A.C., Исаков А.Л., Земцова А.Е. Задача о нагружении толстостенной трубы из хрупкого материала самоуравновешенной парой сил //ФТПРПИ. 1998. - № 2.

86. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1972.

87. Исаков А.Л., Земцова А.Е. Задача о расширении грунтовой полости при бестраншейной замене подземных коммуникаций //ФТПРПИ. 1998. - № 3.

88. Сагомонян А.Я. Проникание. М.: МГУ, 1974.

89. Рахматулин Х.А., Сагомонян А.Я., Алексеев H.A. Вопросы динамики грунтов. М.: МГУ, 1964.

90. Ткачук А.К. Разработка метода расчета несущей способности набивных свай, отформованных пневмопробойниками. //Канд. диссертация. Новосибирск: ИГД СО РАН, 1997.

91. Трифонов О.Н., Иванов В.И., Трифонова Г.О. Приводы автоматизированного оборудования. -М.: Машиностроение, 1991.

92. Григоращенко В.А., Земцова А.Е., Чехович М.Ю. и др. Бестраншейная замена канализационных труб из хрупких материалов диаметром 100-355 мм на пластмассовые трубы диаметром 160-355 мм. ТК-1-97. Новосибирск: Сибгипрокоммунводоканал - ИГД СО РАН, 1997.