автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Исследование процесса взаимодействия конического расширителя с грунтом и разрушаемой трубой при бестраншейной замене коммуникаций

л/

и

%

у

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА

\ На правах рукописи

ЗЕМЦОВА АНАСТАСИЯ ЕВГЕНЬЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОНИЧЕСКОГО РАСШИРИТЕЛЯ С ГРУНТОМ И РАЗРУШАЕМОЙ ТРУБОЙ ПРИ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ЗАМЕНЕ КОММУНИКАЦИЙ

Специальность 05.05.04 - "Дорожные и строительные машины "

ДИССЕРТАЦИЯ

На соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук А.Л. ИСАКОВ

Новосибирск -1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Краткий обзор способов реконструкции трубопроводов........10

1.1.1. Восстановление (санирование, реновация) существующих трубопроводов........................................13

1.1.2. Бестраншейная замена трубопроводов........................21

1.2. Обзор исследований по взаимодействию с грунтом различных тел внедрения....................................................23

1.3. Постановка задач исследований......................................28

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..................................31

2.1.1. Исследование влияния конфигурации расширителя на величину усилия, необходимого для образования трещины..............................................................31

2.1.2. Зависимость радиальных перемещений от прикладываемых нагрузок.......................................41

2.1.3. Оценка достоверности результатов измерений......43

2.2. Полевые эксперименты по разрушению стальных труб

гидровзрывом.................................................................44

Выводы........................................................................51

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

3.1. Расчет радиальных перемещений тонкостенной трубы, нагруженной изнутри распределенной нагрузкой.....................52

3.2. Задача о нагружении толстостенной упругой трубы самоуравновешенной парой сил......................................... ...54

3.3. Анализ полей напряжений в сечении толстостенной трубы

при ее нагружении сосредоточенными силами.........................62

Выводы.........................................................................69

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.........................................70

4.2. Анализ численных результатов моделирования и

практические рекомендации................................................79

Выводы.........................................................................83

5. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ И ПРИМЕРЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1. Обоснование и выбор устройства для обеспечения постоянно действующих тяговых усилий................................84

5.2. Примеры практической реализации.................................89

Выводы........................................................................96

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

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.

Основные результаты диссертации сформулированы в заключении.

Автор признательна научному руководителю д.т.н. А.Л.Исакову, к.т.н. С.Н.Попову за ценные советы и постоянное внимание к работе и всем сотрудникам Лаборатории механики грунтов ИГД СО РАН за помощь и поддержку в организации и выполнении экспериментальных исследований.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 1Л. Краткий обзор способов реконструкции трубопроводов

Известно, что подземные трубопроводы коммунального и промышленного назначения требуют срочного ремонта или реконструкции. 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 охраны окружающей среды, как загрязнение атмосферы, отравление рек и морей, многолетнее скопление мусора. Хотя, отчасти, плохое качество грунтовых вод еще далеко не так сильно бросается в глаза, как другие проблемы, тем не менее, не следует ждать до тех пор, пока загрязнение почвы проникающими в нее сточными водами станет новым бедствием для следующего поколения.

В настоящее время в России по данным ПО "Росводоканал" находятся в эксплуатации более 85 тыс.км ветхих канализационных и водопроводных трубопроводов, требующих немедленной замены. Темпы замены трубопроводов существенно ниже темпов их старения, что ведет к кризисной ситуации. В среднем по России за год на каждые 100 км трубопроводов приходится 45 аварий. Исходя из норм амортизации, протяженность трубопроводов, требующих ремонта, увеличивается ежегодно на 8.0 - 9.0 тыс.км, тогда как реконструкции подвергаются ежегодно не более 2.0 тыс.км. Как правило, заменяются только аварийные участки трубопровода. При существующих темпах замены к началу следующего тысячелетия в ветхое состояние перейдет около 50% трубопроводов. Вследствие этого возможно интенсивное подтопление городских территорий и в результате резкое

ухудшение экологической ситуации, просадки зданий и сооружений и т.д.

При традиционном открытом (траншейном) методе ремонта ветхих сетей неизбежен большой объем земляных работ, а в условиях города к этому добавляется стесненность, ведущая за собой транспортировку грунта, множество пересечений с другими подземными коммуникациями, требующими ручного труда, разрушение, а затем восстановление объектов благоустройства.

Технический прогресс реально развивается в двух направлениях:

- совершенствование механизмов в рамках традиционных технологий;

- разработка новых технологических решений и механизмов для их реализации.

Если первый путь - преимущественно эволюционный, и приводит к улучшению количественных показателей, то, второй -революционный путь, позволяет достичь новых качественных результатов.

Бестраншейный способ ремонта подземных трубопроводов в последнее время получил широкое распространение как у нас в стране, так и за рубежом, так как позволяет избежать недостатков траншейного метода и достичь высоких технологических показателей.

Существующие способы ремонта подземных трубопроводов могут быть разделены на две принципиально различные группы (рис. 1.1). К первой группе относятся способы, основанные на восстановлении существующих трубопроводов [1, 2,...,11,38,..., 41], а ко второй группе - способы, основанные на разрушении или

БЕСТРАНШЕЙНЫЕ СПОСОБЫ РЕМОНТА ТРУБОПРОВОДОВ

Рис. 1.1.

удалении существующего трубопровода и замены его на новый [12, 13,..., 37, 42, 43, 44].

1.1.1. Восстановление (санирование, реновация) существующих

трубопроводов

Практическое применение при восстановлении существующих трубопроводов нашли способы гидроизоляции, нанесения покрытий и протяжки.

Санирование существующих трубопроводов происходит в два этапа. На первом этапе осуществляется очистка труб способом, наиболее удовлетворяющим выбранному методу санирования, и на втором этапе - само восстановление поврежденного трубопровода.

Для удовлетворения различных требований восстановления используются и различные методы очистки [3,8,9]. Из всего многообразия способов очистки внутренней поверхности трубопроводов от отложений и ржавчины за рубежом наиболее распространенным является очистка безнапорных трубопроводов струями воды под высоким давлением. В очищаемый трубопровод через смотровой колодец вводится реактивная головка с гидрошлангом и одновременно на дно колодца опускается насос с всасывающей трубой, соединенной с резервуаром. Центробежный насос подает чистую воду из цистерны под высоким давлением к соплам реактивной головки, которая движется вперед под действием реактивной силы струи воды и очищает трубопровод от отложений и ржавчины. Шлам вымывается струями воды в направлении колодца, откуда вместе с водой всасывается трубой. Благодаря установленной в резервуаре разделительной перегородке твердая фаза удерживается, а жидкая проходит дальше через фильтры в цистерну. Очищенная вода

с помощью центробежного насоса перекачивается через гидроциклон для более тщательной очистки, затем поступает в коллектор, и цикл повторяется [8]. По окончанию предварительной очистки трубопровод, как правило, подвергается обработке струей или освобождается от остаточных отложений с помощью максимального гидравлического давления.

Для удаления наслоений в трубопроводах существует технология вакуумно-гидравлического фрезерования. Для удаления наслоений используется вращающийся проходник со сменными ротационными фрезерными головками для труб с различными внутренними диаметрами, работающий при гидравлическом давлении величиной до 250 МПа [8,9,12].

При помощи такого давления могут быть удалены твердые и эластичные отложения. Благодаря положению гидравлических насадок и возникающему вследствие этого потоку воздуха в трубе удаляемый материал перед насадкой транспортируется из трубы в направлении очистки. Плотность потока энергии выходящей воды обеспечивает поддержание температуры воды до 70°С, что влечет за собой немедленное высыхание трубопровода по окончанию очистки.

Выбор способа санирования зависит от назначения трубопровода, его диаметра, длины участка, размеров повреждений, статического состояния труб, местных условий.

Рассмотрим некоторые существующие методы восстановления трубопроводов, согласно приведенной схеме на рис. 1.1.

А. Гидроизоляция.

Метод "Суперсилик" (Венгрия) применяется для санирования канализационных труб любого диаметра из бетона, керамики и асбоцемента [1].

Рабочий процесс происходит в два этапа. Ремонтируемый трубопровод заполняется жидким стеклом, затем, после откачки жидкого стекла, под давлением подается струя воздуха, обеспечивающая твердение.

Метод "Ценетри" (США) представляет собой гидроизоляцию поврежденных мест посредством многократной их пропитки и запрессовки двухкомпонентной синтетической смолой [1].

Метод "Инъектирования" (США) - гидроизоляция поврежденных мест путем инъектирования различных материалов.

К недостаткам перечисленных методов можно отнести дорогостоящие оборудование и расходные материалы,