Методика лабораторных исследований разрушения грунта в процессе рыхления-кротования

Для проведения исследований процесса резания грунта был использован грунтовый канал (ГК) рис.1, состоящий из железобетонной емкости 1 прямоугольного сечения, заполненный грунтом 7. Вдоль ГК на консольных  опорах установлена рельсовая колея 2. ГК оснащен оборудованием системы верхнего и нижнего увлажнения в условиях, близких к полевым. На рельсовый колее установлена передвижная тележка 3, на который крепится кротователь-рыхлитель. Тележка перемещается с многоскоростной лебедкой тросом 6. Лебедка 5 состоит из трехскоростного двигателя 9, коробки скоростей 10 автомобиля ЗИЛ-130, редуктора 11, барабана 12. Лебедка может обеспечивать реверсивное передвижение тележки (18 положений).

Рис. 1. Конструктивная схема ГК и кротовательной установки

1-железобетонная емкость; 2-рельсовая колея; 3-передвижная тележка; 4-кротователь-рыхлитель; 5-тяговая лебедка; 6-трос; 7-глинистый почвогрунт; 8-динамометр; 9-двигатель тяговой лебедки; 10-коробка скоростей; 11-редуктор; 12-барабан.

                                  Техническая характеристика ГК                     Таблица

При подготовке ГК грунт доводят до однородного состояния, производя разравнивание грунта, увлажнение и уплотнение. До однородного состояния грунт доводится при помощи его предварительного разрыхления на всю ширину ГК одновременно. Для этого зубья рыхлителя опускают на максимальную глубину, а в последующем осуществляют последовательные проходы тележки с опущенным рыхлителем до получения однородной массы грунта без комков. В процессе разрыхления проводят необходимое увлажнения грунта, подовая воду через систему увлажнения при движении тележки с постоянной скоростью.

По шаблону в трех точках по ширине ГК и через 3 м по его длине отбираются пробы для уточнения влажности. Следовательно, при последовательных проходах тележки грунт необходимо разравнивать отвалом. Далее грунт уплотняют механическим способом и измеряют плотность с помощью стандартного ударника ДорНИИ. После подготовки грунта на тележке закрепляют лабораторную установку с рыхлителями дренерами и соответствующую измерительную аппаратуру.

Для проведения исследования процесса разрушения почвогрунта в ГК рабочими органами рыхлителя-кротователя были использованы различные конструктивные решения, которые предполагаются наиболее технологическими и эффективными. Основным технологическим процессом, связанным с прокладкой аэрационного дренажа (АД), является резание рабочими органами кротователя, т.е. нож-стойкой и дренером. Нож разрезает почвогрунт на определенно установленную глубину и одновременно протаскивает за собой дренер, который при своем движении формирует полость АД. Следовательно, процесс разрушения почвогрунта зависит от конструкции нож-стойки кротователя и его параметров.

Как известно, движение кротователя сопровождается скалыванием грунта в сторону наименьшего сопротивления. На величину скалывания значительное влияние оказывает параметры клинообразного кротователя: угол заточки; длина цилиндрической части; диаметр и задний угол. Усилие резания грунта состоит из вертикальной и горизонтальной составляющих, действующих на дренер. Дренер динамометрировался в ГК по всей длине экспериментальной дрены, при котором значение действующих сил определялось как среднее арифметическое.

Подготовка и проведение опытов по исследованию процесса разрушения почвогрунтов на экспериментальном стенде выполнялись в следующей последовательности. Тележка стенда устанавливалась в крайние левое положение ГК, следовательно, через каждые 2 метра прохода тележки по оси канала отрывалась траншея шириной b₁ =0,65 м; b₂ =0,75 м;  b₃ = 0,85 м и длиной  L = 0,9 м. Модель устройства АД было выполнена в масштабе 1 : 1. Глубина прокладки дрен регулируется в пределах от 44 до 68 см и составляет 80, 160, 240 мм. Следовательно, в процессе исследований сила резания вычислялась как разность между общим тяговым усилием - Р_общ , регистрируемым в ходе опыта динамометром, и усилием - Р_Т, необходимым для перекатывания тележки, определенным предварительно:   Р_рез = Р_общ - Р_Т                                                                                    /1/

В качестве основного критерия оценки прочностных свойств почвогрунта принят - С_уд – число ударов динамического плотномера ДорНИИ. В процессе исследования разрушения почвогрунта прочность грунта менялась в пределах от 5 до 6 ударов плотномера.

Рис.2. Кинематическая схема динамометрического стенда

Динамометрическая тележка /1/ включает вертикальные направляющие, в которых перемещается суппорт /3/. На суппорте закреплены горизонтальная /4/ и вертикальная /5/ тензометрические балки, к которым посредством серьги /6/ и хомутов /7/ подвешен узел крепления ножей /8/, на котором установлен нож /9/. Силы резания определяются по деформациям двух тензометрических балок. На каждую тензометрическую балку было наклеено по четыре датчика, выполняющих функции рабочих и компенсационных датчиков /рис. 3/. Это позволило  регистрировать только разность напряжений на базовом участке балочки - l₁, заключенном между датчиками.

Исходя вышеизложенного или принимая оптимальных параметров, определение сопротивления движению дренера определяем на основе динамометрирования. Однако, для аридной зоны в качестве рабочих органов были применены усеченные дренеры на шарнирной тяге с ножом со ступенчато установленными ножами. Дренеры имели заточки = 30⁰, длину цилиндрической части 200 мм и диаметр 30, 40, 50, 60 мм. Опыты с дренерами были проведены на трех глубинах: 50;  60; 70 мм.

Из анализа осциллограмм и данных исследований  В.В. Власова [2] установлено, что хотя лучшим приближением закона распределения максимумов силы резания является Г – распределение Пирсона III – ряда, однако, возможно использовать и нормальное распределение. Целесообразность  использования нормального закона распределения максимумов силы резания подтверждается и в других работах [4]. Для оценки параметров такого распределения при заданном количестве опытов – п целесообразно использовать их выборочное среднее  -Р и выборочную – S² [3]. 

P =                                              /2/

S² =                                          /3/

где: Р_i– выборочное значение экстремумов силы резания.

            Рис. 3. Схема наклейки и соединения тензометрических датчиков в измерительные мосты

При значении n > 40 величину S² – можно принять равной дисперсии генеральной совокупности /n /. Для оценки точности полученных результатов использовали зависимость, полученную на основе распределения Стьюдента для выборочной дисперсии.

Р -    + Р -                                   /4/

где: Р – выборочное среднемаксимальное значение силы резания; Р_г – генеральное среднее (среднемаксимальное) значение силы резания; S – выборочная дисперсия случайной величины; n- количество значений случайной величины; 1-р – доверительная вероятность (в процессе работы принималось значение р = 0,95);  - квантиль  распределения Стьюдента. Величину средней силы резания определяли по формуле:

                                                      Р_ср= 0,5 (Р_max + P _min )                                               /5/

 =                                        /6/

где:  соответственно дисперсии средней, среднемаксимальной и среднеминимальной силы резания.

При проведении повторных поперечных проходов резания среднюю суммарную силу двух проходов определяли по зависимости:

Р_сум= 0,5 (Р_1ср+ P _{2 ср})            /7/             S²_сум= 0,5 (S²₁₃ + S²₂₃ )                  /8/

где: S²_сум, S²₁₃,S²₂₃ – соответственно дисперсии суммарной средней силы резания и средних сил начального и повторного проходов.

Оценку прочности грунта в процессе  экспериментальных исследований проводили протативным прибором, основные конструктивные данные которого изложены в работе Ю.А. Ветрова [1]. Протативный прибор позволяет проводить экспериментальные исследования в полевых условиях, что обеспечивает качественно более высокий уровень оценки параметра развития пластических деформаций грунта в процессе резания. Протативный пробор включает раму, на которой перемещается тележка. При помощи ручной лебедки и троса тележка двигается вперед, а тросом возвращается в исходное положение.

Тележка состоит из рамы, ходовых колес. К ходовым осям посредством двух серьги подвешена лента, на которой жестко закреплен ножодержатель. Нож может перемещаться по направляющим ножодержателя, фиксируется на определенной глубине. Упругий элемент крепится к держателю, выполненному за одно целое с рамой тележки. Прогибомер закреплен неподвижно в держателе относительно упругого элемента. В процессе работы нормальная составляющая силы резания воспринимается серьгами, а касательная посредством рычага передается на упругий элемент и фиксируется вибрографом. Для проведения испытаний были изготовлены рабочие органы, представляющие собой вертикальную стойку со ступенчато расположенными ножами. Скорость перемещения рабочего органа колебалась в пределах 0,25 м/с.

Для исследования были выбраны массивы грунта с высокой степенью однородности: прочность С=18±1 ударов ударника ДорНИИ; влажность по массе Ѡ = 21,1% (аргилллит); прочность С = 4±1; влажность Ѡ = 25,9% (лессовидная глина).

Данные исследования позволили выявить физику процесса резания грунта рабочими органами. Количественные результаты исследований легли в основу выбора параметров нож-стойки кротователя, дренеров, а также формы и конструктивного исполнения оборудования.

Литература:

1.      Ветров Ю., Уткин А.И., Рыкуло В.И. Оценка прочности грунтов протативным прибором //Горные, строитель. и дор. машины. -1970. –вып. №10 – с. 12-16.

2.      Власов В.В. О законе распределения мгновенных значений силы резания грунтов и пород//Горные, строитель. и дорожные машины. -1970. –Вып.10. –с.16-21.

3.      Деденко Л.Г., Керженцев В.В. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента. –М.: Издательство МГУ. 1977. –с.11.

4.      Неплотник Г.Я. Анализ процесса экскавации роторным рабочим органом с учетом статических характеристик сопротивления копания. //Гор,стр.дор.маш.1967. –5.с.16.