автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Несущая способность и надежность лесосплавных опор анкерного типа

005535425

На правах рукописи

Попов Александр Леонидович

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ ЛЕСОСПЛАВНЫХ ОПОР АНКЕРНОГО ТИПА

Специальность 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ОКТ 2013

Архангельск - 2013

005535425

Работа выполнена в Федеральном Государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Научные руководители:

Барабанов Виктор Александрович

кандидат технических наук, доцент

Вихарев Александр Николаевич

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Морозов Владимир Станиславович

доктор технических наук, профессор кафедры строительной механики и сопротивления материалов ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Жук Артем Юрьевич

кандидат технических наук, доцент кафедры воспроизводства и переработки лесных ресурсов ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет»

Ведущая организация ООО «Архсплав» г. Архангельск

Защита состоится «13» ноября 2013 г. в 11:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 при ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» (163002, г. Архангельск., наб. Северной Двины, д. 17, ауд. 1220)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке САФУ Автореферат разослан «11» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

А.Е. Земцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Россия обладает значительными лесными ресурсами и поэтому существует вопрос транспортировки лесоматериалов. Одним из видов транспортировки является водный транспорт леса. Использование водного транспорта леса экономически оправдано. В последние годы наиболее активно происходит развитие водного транспорта по малым и средним рекам, включая и транспортировку на судах. Для лесосплава по этим рекам используются плоты меньших габаритов и менее громоздкие опоры. Для этих условий необходимая держащая сила опор обычно не достигает 300 кН. Все это приводит к изменению структуры водного транспорта леса и при этом необходимости разработки новых конструкций опор. Одним из главных критериев при конструировании опор в современных условиях является снижение материалоемкости и уменьшения габаритов без снижения держащей силы. Анализ существующих методов показал, что требуется совершенствование методов расчета держащей силы. Кроме того, в текущей экономической ситуации желательна возможность использования универсальных новых конструкций, которые можно использовать не только на водном транспорте леса, но и других отраслях промышленности.

Предмет исследования. Лесосплавные анкерные пространственные конструкции опор при их взаимодействии с грунтовым массивом.

Цель исследования.

Целью исследований является разработка новых научных подходов для определения форм призм выпирания грунта, образующегося перед опорой при ее сдвиге, расчета держащей силы и обоснование параметров безопасных и надежных анкерных опор для водного транспорта леса.

Объект и методы исследования.

Объектом исследования являются лесосплавные анкерные опоры при их взаимодействии с грунтовым массивом. Исследования основаны на математическом и физическом моделировании.

Научная новизна диссертационного исследования.

- Предложен способ регистрации и алгоритм построения форм призм выпирания грунта, образующихся при вертикальном сдвиге грунтового лесосплавного анкера, основанный на методе Particle Image Velocimetry (PIV).

- Разработан метод квазипотенциального математического моделирования криволинейных грунтовых призм выпирания для лесосплавного анкера круглой формы при вертикальной нагрузке.

- Разработана интегральная математическая модель расчета держащей силы лесосплавного анкера круглой формы в сыпучих и связных грунтах на основе метода квазипотенциального моделирования.

- Предложены новые конструкции грунтовых лесосплавных анкеров.

Задачи исследования:

- разработать теоретическую модель, позволяющую рассчитать при вертикальной нагрузке форму поверхностей призмы выпирания грунта перед анкером;

- разработать теоретическую модель, позволяющую рассчитать при вертикальной нагрузке держащую силу анкерной опоры при выдергивании анкера;

- разработать методику экспериментальных исследований, определить факторы, оказывающие влияние на процесс взаимодействия грунтового массива с анкером и обосновать критерии моделирования;

- проверить достоверность полученных результатов исследований.

Научные положения, выносимые на защиту:

- Способ регистрации и алгоритм расчета форм призм выпирания грунта, образующихся при сдвиге лесосплавного анкера, основанный на методе Particle Image Velocimetry (PIV).

- Метод квазипотенциального математического моделирования криволинейных грунтовых призм выпирания для лесосплавного анкера круглой формы.

- Интегральная математическая модель расчета держащей силы лесосплавного анкера круглой формы в сыпучих и связных грунтах на основе метода квазипотенциального моделирования.

- Результаты теоретических и экспериментальных исследований.

- Параметры конструкции лесосплавного анкера.

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается аргументированностью принятых допущений при теоретических и экспериментальных исследованиях, использованием современных методов фундаментальной и прикладной науки, выполнением необходимого объёма экспериментальных исследований, результаты котЬрых обработаны методами математической статистики с применением современных прикладных программных пакетов.

Практическая значимость работы:

- Обоснованы параметры анкерной опоры при ее взаимодействии с грунтом.

- Разработана новая конструкция грунтового лесосплавного анкера.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Полученные результаты соответствуют п. 15 «Обоснование схем

транспортного освоения лесосырьевых баз, поставки лесопродукции, выбора техники и способов строительства лесовозных дорог и инженерных сооружений» паспорта специальности 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.

Апробация работы

Основные положения диссертации отражены в докладах на ежегодных научно-технических конференциях САФУ (2011 г., 2012 г.), 15-й международной научно-технической конференции "Новые материалы и

технологии в машиностроении - 2012", 10-й международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2012 г.), XIV-й международной научно-технической интернет-конференции «JIec-2013» (г. Брянск, 2013 г.).

Публикации

По результатам проведенных исследований опубликовано 8 работ, в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК, получено 2 патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация объемом 123 страницы состоит из введения, пяти разделов и заключения, списка литературы из 116 наименований и 5 приложений, включают в себя 44 рисунка и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность темы, цель, объект и методы исследований, научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту.

В первом разделе рассмотрены особенности и основные проблемы водного транспорта леса. Проведен анализ конструкций лесосплавных опор, разработанных в ЦНИЛесосплава, ЛТА и САФУ. Рассмотрены классификация, область применения, преимущества и недостатки основных лесосплавных грунтовых анкерных опор, методов расчета держащей силы и теоретических основ водного транспорта леса, разработанных A.A. Митрофановым, A.A. Камусининым, А.Н. Минаевым, А.Н. Вихаревым, Г.Я. Суровым, В.А. Барабановым, М.М. Овчинниковым, В.Г. Таскаевым, В.Я. Харитоновым и другими, среди которых можно выделить винтовые якоря, ЦЛС-19 и анкеры с раскрывающимися лопастями типаЯС-15, -30, -150, -170, -200.

При обзоре исследований взаимодействия опор с грунтовым массивом рассматривались следующие основные методы: метод Кулона, теория С.И.Блезанского, В.Г. Берзанцева, метод круглоцилиндрических поверхностей скольжения, метод С.С. Голушкевича и В.В. Соколовского.

Анализ способов регистрации форм линий скольжения выявил три группы методов фотографического способа:

- метод непосредственного фотографирования, предложенный

Курдюмовым;

- метод цветных полосок, впервые проведенный Жаном Керизелем;

- метод парафинированных листов, предложенный Ремизниковым.

Предложенные Вихаревым А.Н. методы расчета форм грунтовых призм и

держащей силы применимы только для плоской задачи. Для анкеров круглой формы при вертикальном сдвиге задача является осесимметричной и пространственной. Для решения этой задачи рассмотренные выше модели не рассчитаны.

Проведенный анализ показал, что существующие на данный момент методики определения несущей способности основаны на заранее известной

форме призмы выпирания грунта, образующейся перед анкерной опорой при её сдвиге. Поэтому очень важно точное определение формы линий скольжения.

Во втором разделе приведено теоретическое обоснование для исследования форм линий скольжения и определения держащей силы при выдергивании анкерной лесосплавной опоры круглой формы.

Из-за большой сложности механических процессов в грунтовых массивах, серьезной проблемой является создание относительно простой универсальной модели расчета, имеющей удовлетворительную точность. Наибольшую трудность обычно представляет построение линий (поверхностей) скольжения криволинейных грунтовых призм, которые образуются при сдвиге опоры. В данной работе эта проблема решается с помощью метода квазипотенциального моделирования.

Для моделирования работы круглого анкера используем поле W вида «пространственный источник», которое распространяется установившимся течением из одной точки по всем направлениям по нормали и (рассматривая лишь один сектор этого поля можно приближенно смоделировать пространственное струйное течение). Тогда соответствующая нормальной скорости vn плотность количества движения для объемных течений:

ои\ а

— О)

где а - параметр, зависящий от интенсивности пространственного источника; п - нормальная координата поля течения, имеющая начало в «источнике», выраженная в масштабных линейных единицах, р - плотность среды.

Линии (поверхности) скольжения грунтовых призм образуются в состоянии предельного равновесия системы при начальном сдвиге анкера. Такое построение приближенно осуществляется посредством взаимодействия двух полей напряжений:

- первое отражает механическое действие анкера;

- второе - действие естественного грунтового массива.

Действие нагруженного анкера следует представить по аналогии как потенциальный поток Ст[(х, у) типа «пространственный источник».

Осевые составляющие сжимающих напряжений от «источника» (анкера) в поле находятся через угол наклона а радиус-вектора (или нормали п) расчетной точки (рисунок 1):

а а х .„

"х = CT«C0S" = —C0SCC = Т-Ч I 2 2 ; (2)

а . а у . л

С7 =crnsma = -Tsm«= , , (3)

n¿ х +у^х2+у2

где сжимающие напряжения:

ст„ = РЕНц = pgH = рg(H - у), (4)

где р - плотность сыпучей среды; Н - глубина заложения опоры или мнимого «источника» моделирующей действие опоры (струи); 77 - множитель

квазипотенциальности; у - вертикальная координата поля.

У »

Рисунок 1 - Расчетные схемы а) схема потенциального поля анкера -"источника" б) схема напряжений при построении силовых линий скольжения грунтовой призмы в квазипотенциальном поле.

Построение проекций линий скольжения в квазипотенциальной среде выполняется с помощью последовательных элементарных приращений Ах или Ду, начиная от точек А и В находящихся на кромках анкера согласно формулы:

или ум=у.+^. (5)

Построение заканчивается при условии у,=Н. Форма расчетной криволинейной призмы зависит от различных входных параметров: относительной глубины заложения центра анкера Н*=Н!Ь и угла внутреннего трения (р.

Основа расчета держащей силы анкера состоит в определении интеграла касательных напряжений трения г (в безразмерном виде г+) на стенках призмы выпирания (рисунок 2). Такое интегрирование по касательной криволинейных поверхностей допустимо для сыпучих и других тел, обладающих в определенной мере свойствами гидростатичности.

О х

Рисунок 2 - Векторная схема напряжений в реальном грунтовом массиве

Условие равновесия имеют вид:

Ей, =0; o^sinfl+o^costf-n^O.

It-, =0; о"і cos9-а+2 sin6і- г+ = 0.

Выражение для напряжения трения:

z* = n*tg<p + (7* cos dXjgq),

2( я йЛ

где Xa - коэффициент активного распора, Aa=tg I — - — І.

(6)

(7)

(8)

Подставляя г из формулы (8) получим выражение для напряжения трения:

1 cosв-(smв + cos0Al¡)tg<p Таким образом, в расчете на анкер круглой формы держащая сила в относительном виде равна:

Г=(/г+<»1 + 1. (Ю)

В случае связных грунтов следует учитывать сцепление с. Для этого в

подынтегральные выражения следует добавить удельное относительное £

сцепление с* =—Н. Тогда: У

Г= +1. (11)

Абсолютная держащая сила анкера пересчитывается по формуле:

Т = хГуШг. (12)

Для связных грунтов, с учетом сцепления, Т удобнее определять по формуле:

Т = ж12{г*уН + сг), (13)

где /+ - относительная длина линии скольжения.

В третьем разделе приведена новая конструкция лесосплавного анкера, описано применяемое оборудование, изложена методика и результаты проведения экспериментальных исследований и статистическая обработка.

Экспериментальные исследования проводились в 3 этапа:

1-й этап. Общие исследования по определению закономерностей влияния параметров опоры на держащую силу.

2-й этап. Экспериментальные исследования по определению формы линий скольжения.

3-й этап. Экспериментальные исследования по определению держащей силы и проверка справедливости теоретических зависимостей. На данном этапе исследования проводятся с новой конструкцией анкера.

Модель анкера содержит штангу с заостренным наконечником, перемещающуюся вдоль штанги коническую втулку (рисунок 3). Наконечник и втулка снабжены шарнирно прикрепленными поворотными лопастями. Лопасти, прикрепленные к наконечнику, на рисунке не показаны. Штанга и втулка снабжены роликами, взаимодействующими с гибкой тягой.

7 - упоры

Рисунок 3 - Схема модели грунтового анкера

В сложенном положении анкера втулка опирается на наконечник и выполнена сходящейся к наконечнику. На штанге установлен ограничитель перемещения втулки, выполненный в виде упоров.

Для проведения экспериментов по регистрации форм призм выпирания грунта на базе грунтового бассейна лаборатории кафедры водного транспорта леса и гидравлики САФУ создана экспериментальная установка. Она включает:

- грунтовый бассейн с прозрачными стенками, размером 850 х 595 х 440 мм;

- ручную лебедку с канатно-блочной системой на нагрузку 140 кг;

- оборудование фотографирования и обработки полученных изображений.

Передняя прозрачная стенка грунтового лотка размером 830 х 530 мм

выполнена из стекла толщиной 10 мм.

Для определения форм линии скольжения призмы выпирания грунта необходимо определить способ их регистрации. Наиболее простой и дешевый способ их регистрации, используемый в механике грунтов, основан на регистации на фото или кинопленку процесса образования линий скольжения наблюдая через прозрачную стенку. Для обработки полученных изображений использовался программный модуль MatPIV.

Сущность метода заключается в следующем. Имеются два изображения, на одном из которых зафиксированы частицы. Каждое изображение разбивается на элементарные (расчетные) области размером dx х dv (рисунок 4).

Далее рассчитывается корреляционная функция. Максимум корреляционной функции соответствует наиболее вероятному сдвигу частиц в данной области. Для более точного определения координат максимума используется подпиксельная интерполяция корреляционной функции в окрестности ее максимума.

Рисунок 4 - Изображения и элементарные области

Зная временную задержку между фотографическими снимками и рассчитав наиболее вероятное перемещение частиц в данной элементарной области можно посчитать скорость. Подобная операция, произведенная для каждой элементарной области на которые разбито все поле течения, позволяет рассчитать мгновенное поле скорости.

Методика проведения опытов заключалась в следующем. Через боковую прозрачную стенку фотографировалось перемещение грунта и анкера. Маркерами в данном случае служат сами частицы грунта. Расположение фотоаппарата в каждом опыте оставалось постоянным на расстоянии 300 мм. Для снижения искажений при выполнении съемки камера устанавливалась на штативе перпендикулярно плоскости съемки совмещая оптическую ось объектива с центром снимаемого изображения.

При расчете скорости перемещения точек проводилось предварительное форматирование изображение до стандартного размера 1024 х 800 пикселей. Форматирование до размера 1024 х 800 пикселей необходимо для увеличения быстродействия программного модуля без потери качества обработки. При меньших значениях время обработки значительно не сокращается, но ухудшается качество обработки изображений.

Для расчета масштаба при пересчете перемещения точки из пикселей в линейный размер, на прозрачную стенку лотка помещались две масштабные линейки. В этом случае довольно просто пересчитать количество пикселей в линейный размер. Зная линейное перемещение точки и время, рассчитывается действительная скорость перемещения точки.

В результате программный модуль Ма1Р1У выдает поле с мгновенными векторами скоростей перемещения частиц грунта. Линии скольжения будут проходить там, где наблюдается наибольшее перемещение частиц грунта относительно друг друга (наблюдается наибольший скачок скоростей в каждой горизонтальной пиксельной линии).

Автором разработан алгоритм расчета и компьютерная программа в Ма&аЬ, которая определяет точки сдвига грунта по каждой строке элементарных площадок. Алгоритм заключается в следующем. После вычисления векторов скорости в каждой элементарной области размером с!ххс1 по разработанному алгоритму находится наибольшее положительное

для левой линии скольжения и наименьшее отрицательное для правой значение изменения элементарной скорости между двумя соседними элементарными областями для каждой линии элементарных областей по координате у. В результате по полученным координатам программа строит две экспериментальные линии скольжения, проходящие через верхнюю и нижнюю кромки анкера (рисунок 5).

Симметричность линий скольжения относительно вертикальной оси подтверждает правильность приложения нагрузки к модели опоры в экспериментах.

Процесс формирования линий скольжения заключается в следующем. При перемещении анкера вверх под ним начинает образовываться жесткое грунтовое сегментообразное ядро. Одновременно начинают формироваться призмы выпирания, по мере приближения анкера к поверхности, они становятся больше.

Рисунок 5 - а) векторное поле скоростей; б) экспериментальные линии

скольжения

Сравнив полученные экспериментальные линии с теоретическими (рисунок 6) можно сделать вывод от том, что полученные теоретические зависимости дают удовлетворительное описание экспериментальных форм линий скольжения. Корреляционное отношение равно 0,912, среднее отклонение 10,07%, что для механики грунтов является достаточным соответствием.

Н' 6

Н' --р-- 5

4----1--л ¿

;zbt±± l 2f /

H* 2 1

,2

\ -/

V /

.2

- -1

7

и *

1.5 05 05 1.5 a)

15 05 05 15 6)

15 05 05 1,5 в)

1 - теоретические; 2 - экспериментальные Рисунок 6 - Сравнение экспериментальных и теоретических линий скольжения: а) для Н*" = 2; б) для Н* = 4; в) для Н*" = 6

Для проведения экспериментов по определению держащей силы грунтового анкера использовалась экспериментальная установка на базе грунтового бассейна лаборатории кафедры водного транспорта леса и гидравлики САФУ. Она включает:

- фунтовый бассейн размером 3000 х 2000 х 1000 мм;

- ручную лебедку с канатно-блочной системой на нагрузку 200 кг;

- оборудование для записи на компьютер держащей силы анкера.

Анкер копровой установкой забивался в грунт на заданную глубину с заданным относительным выдвижением. После удаления копровой установки к анкеру при помощи ручной лебедки прикладывали нагрузку. Показания нагрузки фиксировались с помощью датчиков силы ЦММ-20 на нагрузку 20 кг и ЦММ-200 на нагрузку 200 кг.

Предварительно проводилось тарирование датчиков по схеме представленной на рисунке 7. С датчика силы, закрепленного к динамометру, подвешенному на неподвижной опоре, сигнал поступал на компьютер через усилитель 2ЕТ-410 и аналого-цифровой преобразователь 2ЕТ-210. Датчик нагружался ступенчато до максимальной величины силы, проверка производилась контрольными грузами и динамометром. Данные тарировки заносились в программный модуль 2е1ЬаЬ. Измерения проводились три раза для трех разных весов при помощи контрольных грузов. В таблицу для тарирования заносились средние значения.

1 - динамометр; 2 - датчик силы; 3 - груз; 4 - усилитель; 5 - преобразователь;

6 - компьютер; 7 - кабель Рисунок 7 - Схема тарирования датчиков

При проведении экспериментов тяга от заглубленного анкера соединялась с датчиком силы, а ко втором)' концу динамометра крепился тяговый элемент от лебедки. Также при проведении опытов производилось фиксирования перемещения подъемного элемента в грунте при приложении нагрузки. Общее отклонение экспериментальных данных от теоретических составляет 9,94 %. Расчетное значение критерия Кохрена 0,184.

На рисунке 8 представлены экспериментальные и теоретические зависимости держащей силы анкера для различных Н*.

теоретическая кривая Е экспериментальные точки

Н*

• Экспериментальные и теоретические зависимости держащей силы анкера

В четвертом разделе обоснованы параметры новой конструкции лесосплавного анкера при взаимодействии с грунтом.

Обоснование проводилось в следующей последовательности:

1) Проведение опытов для определения величины заглубления веретена анкерной опоры.

2) По результатам экспериментальных замеров величины заглубления веретена обоснована глубина заложения анкерной опоры.

3) Расчет величины коэффициента трения.

4) Обоснование размеров лопастей анкерной опоры.

5) Обоснование диаметра усеченного конуса анкерной опоры и забивной трубы.

6) Рекомендации по выбору глубины заложения анкерной опоры для разных типов грунтов.

Для изучения эффекта заглубления веретена анкера дополнительно была проведена серия опытов при относительном заглублении анкерной опоры равном 2, 3, 4, 5 и 6 относительных глубин. Число опытов и методика проведения экспериментов аналогичны исследованиям держащей силы анкерной опоры. Опыты проводились на базе грунтового бассейна лаборатории водного транспорта леса и гидравлики САФУ.

По полученным данным построен график зависимости величины заглубления веретена анкерной опоры от относительной глубины заложения (рисунок 9).

мм

Рисунок 9 - Зависимости величины заглубления веретена анкерной опоры от относительной глубины заложения анкерной опоры

Из графика видно, что максимальная относительная глубина заложения анкера составляет от 4 до 5. Сначала происходит интенсивный рост величины заглубления веретена до 4 относительных глубин заложения анкера. После 5 относительных глубин происходит плавное уменьшение величины заглубления анкера.

Для определения коэффициента трения, действующего при выдергивании анкера при использовании формулы Паукера определили держащую силу:

Р= /Г (19)

В таблице 1 приведен расчет коэффициента трения и отклонения от силы давления на грунт, рассчитанной по формуле Паукера и держащей силы, полученной в результате экспериментов. Отклонение не превышает значений принятых в механике грунтов. Для относительной глубины Н+=2 величина отклонения значительна, так как на малых глубинах (2 и менее) процесса отклонения лопастей не происходит.

Таблица 1 - Расчет коэффициента трения

ІҐ А м р Отклонение Рпаукера ОТ

А р % 1 ЗКСПІ 'и

2 0,217ІҐ 162 54,0

3 0.349Я* 427 4,5

4 0,3857Ґ 0,333ІҐ 873 13,4

5 0,35677*" 1234 6,3

6 О.ЗбІЯ" 1709 7,5

Осредненное значение коэффициента трения равно 0,333/Т4". В результате расчетов были определены диаметр анкерной опоры с лопастями (таблица 2) и основные параметры анкера (таблица 3).

Таблица 2 - Диаметр анкерной опоры с лопастями

Расчетная нагрузка, кН Диаметр круглой анкерной опоры без лопастей, м Диаметр круглой анкерной опоры с лопастями, м

100 0,229 0,162

150 0,262 0,186

200 0,288 0,205

Таблица 3 - Параметры анкера

Параметр Значение

Диаметр конуса, мм 205

Длина лопастей, мм 410

Ширина лопастей, мм 136

Наружный диаметр забивной трубы, мм 170

После определения значений расчетной нагрузки анкерной опоры для стандартного значения забивной трубы 170 мм для различных характеристик грунтов (ср = 30° и (р = 35°) построили график зависимости держащей силы от глубины заложения (рисунок 10).

В пятом разделе рассмотрены преимущества новой конструкции лесосплавного анкера с аналогичными конструкциями и описана технология установки лесосплавного анкера.

По результатам сравнения основных технических характеристик анкерных опор можно сделать вывод о том, что новая конструкция анкера с раскрывающимися лопастями имеет габаритные размеры меньше, чем анкерные опоры ЯС-200, при этом держащая сила новой конструкции при аналогичных характеристиках грунта сравнима с аналогичными анкерами.

Т,кН

1 - (р-30°; 2 - (р=ЪЪ° Рисунок 10 - График зависимости держащей силы от глубины заложения для различных характеристик грунтов

Общие выводы и рекомендации

Одной из основных проблем лесосплава является надежное и эффективное крепление береговых наплавных сооружений. В ходе решения этой проблемы получены следующие результаты:

1) Предложенный способ исследования и алгоритм расчета форм линий скольжения на основе метода Р1У упрощает и автоматизирует процесс регистрации линий скольжения.

2) Теоретическая квазипотенциальная модель адаптирована для анкеров круглой формы и уточняет существующие в данный момент методы определения форм линий скольжения при вертикальном сдвиге лесосплавной анкерной опоры круглой формы.

3) Теоретическая интегральная модель адаптирована для анкеров круглой формы и уточняет существующие в данный момент методы определения держащей силы при вертикальном сдвиге анкерной лесосплавной опоры круглой формы.

4) Анализ используемых лесосплавных опор показал, что одним из перспективных направлений является использование анкерных опор с раскрывающимися лопастями. Предложенная конструкция обладает рядом преимуществ (при меньших габаритах сравнимая держащая сила) по сравнению с существующими аналогами.

5) Даны рекомендации по определению глубины заложения в разных типах грунтов для лесосплавной анкерной опоры с раскрывающимися лопастями.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

1. Попов А. Л. Результаты исследования форм призм выпирания вертикально нагруженных лесосплавных грунтовых анкеров / Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. Архангельск, 2013. №6. - С.45-49

Статьи и материалы конференций

2. Вихарев А.Н., Попов А.Л., Емельянов A.A., Рымашевский В.Л. Регистрация форм грунтовых призм выпирания, образующихся при сдвиге анкера при помощи программы MatPIV / «Наука - Северному региону». Сборник материалов научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных, инженерно-технических работников и аспирантов по итогам работ за 2011 год. - Архангельск, 2011. - С.22-25

3. Вихарев А.Н., Попов А.Л., Емельянов A.A. Экспериментальные исследования форм линий скольжения грунта перед анкерной опорой с помощью MatPIV/ «Новые материалы и технологии в машиностроении». Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 15. - Брянск: БГИТА, 2012. - С. 188-191.

4. Вихарев А.Н., Попов А.Л. Лесосплавной грунтовый анкер с выдвижным элементом и методы обоснования его параметров / Актуальные проблемы развития лесного комплекса: материалы Международной научно-технической конференции. - Вологда: ВоГТУ, 2012. - С.55-57.

5. Вихарев А.Н., Попов А.Л., Емельянов A.A. Новые опоры для водного транспорта леса / Актуальные проблемы лесного комплекса / Под общей редакцией Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции «Лес-2013». Выпуск 36. -Брянск: БГИТА, 2013 - С. 18-20.

6. Попов А.Л., Вихарев А.Н. Методика лабораторных исследований взаимодействия опоры анкерного типа с грунтовым массивом при вертикальной нагрузке / Актуальные проблемы лесного комплекса / Под общей редакцией Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции «Лес-2013». Выпуск 36. -Брянск: БГИТА, 2013 - С24-26.

Патенты

7. Патент на полезную модель RU 109157 U1, МПК Е02В 3/00, B65G 69/20. Устройство для берегового крепления наплавных сооружений / Суров Г.Я., Вихарев А.Н., Попов А.Л. (RU). - 2011107343/13; Заявлено 25.02.2011; Опубл. 10.10.2011,Бюл. №28

8. Патент на полезную модель RU 119358 U1, МПК E02D 5/80. Грунтовый анкер / Суров Г.Я., Вихарев А.Н., Лихачёв С.Е., Попов А.Л. (RU). -2012116661/03; Заявлено 24.04.2012; Опубл. 20.08.2012, Бюл. №23

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: 163000, г. Архангельск, наб. Северной Двины, д. 17, САФУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.008.01 Земцовскому А.Е. Телефон 8(8182)21-61-49. Телефон-факс 8(8182)41-28-21.

Подписано в печать 08.10.2013. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1872.

Издательско-полиграфический центр им. В.Н. Булатова ФГАОУ ВПО САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова

На правах рукописи

п/. "ЗП'1 7X7/. П-1

итг.и I I

Попов Александр Леонидович

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ ЛЕСОСПЛАВНЫХ ОПОР АНКЕРНОГО ТИПА

Специальность 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок

и лесного хозяйства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители к.т.н., доцент, Барабанов В.А. к.т.н., доцент, Вихарев А.Н.

У

Архангельск - 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 7

1.1 Проблемы 7

1.2 Анализ конструкций лесосплавных опор 9

1.3 Обзор исследований взаимодействия опор с грунтовым массивом 16

1.4 Цели и задачи исследования 33

2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАБОТЫ АНКЕРА В ГРУНТОВОМ МАССИВЕ 34

2.1 Квазипотенциальный расчет 34

2.2 Основные особенности математической квазипотенциальной модели расчета держащей силы анкера 43

2.3 Интегральный расчет держащей силы анкера 44

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 48

3.1 Программа экспериментальных исследований 48

3.2 Обоснование варьируемых факторов лабораторных экспериментов при определении форм линий скольжения грунтовых призм 52

3.3 Обоснование варьируемых факторов лабораторных экспериментов при определении держащей силы 53

3.4 Описание лабораторной установки для определения форм линий скольжения призм выпирания 55

3.5 Описание лабораторной установки для определения держащей силы 57

3.6 Экспериментальные исследования по определению формы линий скольжения призм выпирания 59

3.7 Экспериментальные исследования по проверке теоретических зависимостей держащей силы опоры 69

4 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ЛЕСОСПЛАВНОГО АНКЕРА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С

ГРУНТОМ 77

4.1 Обоснование глубины заложения 77

4.2 Размер лопастей 81

4.3 Диаметр конуса 81

4.4 Рекомендации по определению глубины заложения анкерной опоры для различных характеристик грунтов 84 5 ТЕХНОЛОГИЯ УСТАНОВКИ АНКЕРНОЙ ОПОРЫ И ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ 87

5.1 Технические характеристики конструкции лесосплавного грунтового анкера с раскрывающимися лопастями 87

5.2 Технология установки лесосплавного грунтового анкера с раскрывающимися лопастями 88

5.3 Схема крепления плотов с лесосплавными грунтовыми анкерами с раскрывающимися лопастями 89

5.4 Экологические аспекты конструкции лесосплавного грунтового анкера с раскрывающимися лопастями

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 94

ЛИТЕРАТУРА 95

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Алгоритм программы для построения линий скольжения 106

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Текст программы для построения линий скольжения 107

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Статистическая обработка данных, полученных в опытах по определению форм линий скольжения 110

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Статистическая обработка данных, полученных в опытах по определению держащей силы 118

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Программы для построения графиков квапотенциальной модели 121

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Россия обладает значительными лесными ресурсами и поэтому существует вопрос транспортировки лесоматериалов. Одним из видов транспортировки является водный транспорт леса. Использование водного транспорта леса экономически оправдано. В последние годы наиболее активно происходит развитие водного транспорта по малым и средним рекам, включая и транспортировку на судах. Для лесосплава по этим рекам используются плоты меньших габаритов и менее громоздкие опоры. Необходимая держащая сила обычно не достигает 300 кН. Все это приводит к изменению структуры водного транспорта леса и при этом необходимости разработки новых конструкций опор. Одни из главных критериев при конструировании опор в современных условиях это снижение материалоемкости и уменьшения габаритов без снижения держащей силы. Анализ существующих методов показал, что требуется совершенствование методов расчета держащей силы. Кроме того, в текущей экономической ситуации желательна возможность использования универсальных новых конструкций, которые можно использовать не только на водном транспорте леса, но и других отраслях промышленности.

Предмет исследования Лесосплавные анкерные пространственные конструкции при их взаимодействии с грунтовым массивом.

Цель исследований. Целью исследований является разработка новых научных подходов при обосновании параметров и конструировании безопасных и надежных анкерных опор для водного транспорта леса.

Объект и методы исследований. Объектом исследования являются лесосплавные анкерные опоры при их взаимодействии с грунтовым массивом. Исследования основаны на математическом и физическом моделировании.

Научная новизна

- Предложен способ регистрации форм призм выпирания, образующихся при сдвиге грунтового лесосплавного анкера, основанный на методе Particle Image Velocimetry (PIV).

- Разработан метод квазипотенциального математического моделирования криволинейных грунтовых призм выпирания для лесосплавного анкера круглой формы.

- Разработана интегральная математическая модель расчета держащей силы лесосплавного анкера круглой формы в сыпучих и связных грунтах на основе метода квазипотенциального моделирования.

- Предложена новая конструкция грунтового лесосплавного анкера.

Практическая значимость

- Обоснованы параметры анкерной опоры при ее взаимодействии с грунтом.

- Разработана новая конструкция грунтового лесосплавного анкера.

Апробация работы

Основные положения диссертации отражены в докладах на ежегодных научно-технических конференциях САФУ (2011 г. и 2012 г.), 15-я международная научно-техническая конференция "Новые материалы и технологии в машиностроении - 2012", 10-я международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2012 г.), XIV-й международной научно-технической Интернет-конференции «Лес-2013» (г. Брянск, 2013 г.).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 5 работ, в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК, получено 2 патента на полезную модель.

На защиту выносится - Способ регистрации форм призм выпирания, образующихся при сдвиге грунтового лесосплавного анкера, основанный на методе Particle Image Velocimetry (PIV).

- Метод квазипотенциального математического моделирования криволинейных грунтовых призм выпирания для лесосплавного анкера круглой формы.

- Интегральная математическая модель расчета держащей силы лесосплавного анкера круглой формы в сыпучих и связных грунтах на основе метода квазипотенциального моделирования.

- Результаты теоретических и экспериментальных исследований.

- Параметры конструкции лесосплавного анкера.

Обоснованность и достоверность результатов исследования

подтверждается аргументированностью принятых допущений при теоретических и экспериментальных исследованиях, использованием современных методов фундаментальной и прикладной науки, выполнением необходимого объёма экспериментальных исследований, результаты которых обработаны методами математической статистики с применением современных прикладных программных пакетов.

Объем и построение работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, списка литературы из 116 наименований и 5 приложений.

Объем диссертации 123 страницы машинописного текста:

- основные разделы (94 страницы) включают в себя 43 рисунка и 8 таблиц;

- приложения (18 страниц) включат в себя 1 рисунок, 5 таблиц и другие материалы.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Проблемы

Многие десятилетия лесосплавные работы в России, в том числе Архангельской области являются важнейшей частью лесопромышленного производства. Лесосплав и перевозки леса в судах объединяются в понятие водный транспорт леса. Развитию водного транспорта леса способствовали большие расстояния перевозки древесины, дешевизна этого способа транспортировки и наличие развитой речной сети. С учетом этих обстоятельств перерабатывающие предприятия повсеместно были размещены в устьях больших рек и запроектированы на прием древесины с воды.

На первоначальных стадиях развития лесозаготовительной промышленности лесосплав был почти единственным средством транспортировки лесоматериалов. Сплав проводили частные лесопромышленники.

Началом государственного руководства лесосплавом послужило известное постановление Совета Труда и Обороны «О сплаве дров и лесоматериалов по водным путям Республики в сезон 1920 года», подписанное В.И. Лениным [111]. Для руководства лесосплавными работами на Севере был создан трест «Севлесосплав».

Постепенно лесосплав из кустарного промысла превратился в самостоятельную отрасль лесной промышленности. Развитию лесосплава была обеспечена научная основа. В различных ВУЗах, в том числе и в Архангельском лесотехническом институте в 1930 году, были основаны кафедры водного транспорта леса, внесшие большой вклад в подготовку специалистов и научное обеспечение отрасли.

По своей структуре лесосплав делят на первоначальный и транзитный. К первоначальному относят кошельный и частично плотовой сплав [38, 42, 54]:

- котельный - сплав в транспортных единицах, называемых кошелями, где отдельные бревна или пучки обнесены пакетными бонами; кошели перемещают чаше всего судовой тягой. Этот вид сплава применяется на озерах, участках рек с тихим течением, при сборе аварийной древесины во время половодья и т.д.;

- плотовой - сплав по рекам как для тяги, так и для управления плотом.

Все операции (работы) сплава и лесоперевалки имеют

переместительный, транспортный характер. По классификации отраслей производственной сферы лесосплав и лесоперевалка относятся к грузовому транспорту.

На все виды сплава разработаны правила, технические условия, которыми, в частности, предусмотрены ликвидация или снижение до минимума потерь древесины в сплаве. Несоблюдение этих правил приводит к необходимости работ по сбору разнесенной и подъему затонувшей древесины [54].

Запрет молевого сплава привел к тому, что стали использоваться другие виды лесосплава и развиваться перевозка леса в судах, в результате изменилась структура водного транспорта леса. Плотовой лесосплав и перевозка в судах развивались не только по большим, но и по средним, и малым рекам.

Надежная работа сооружений на реках (при соблюдении правил эксплуатации) обеспечивается, в первую очередь, надежностью их крепления. Проблема крепления сооружений стоит достаточно остро. Это объясняется разнообразием нагрузок, недостаточной надежностью и эффективностью применяемых береговых и русловых опор, различными геологическими и гидрологическими условиями.

Исторически сложилось так, что конструкции опор разрабатывались, главным образом, для крепления основных лесосплавных гидротехнических сооружений - запаней и сплоточно-формировочных рейдов с нагрузкой на опору более 300 кН [66]. Поэтому большинство этих опор представляет собой

массивные дорогостоящие сооружения с длительным сроком эксплуатации [97]. Значительная же часть плотостоянок является сооружениями вспомогательного характера с небольшим сроком эксплуатации, возводимыми часто на труднодоступных участках рек. Определенную сложность для сооружения береговых опор в этих условиях представляет согласование по отчуждению земли на берегах рек. В связи с этим для крепления плотостоянок и других сооружений при плотовом сплаве требуются по возможности недорогие опоры, мобильные с точки зрения транспортировки и монтажа, высокоэффективные и надежные в работе.

1.2 Анализ конструкций лесосплавных опор

В практических условиях лесосплава применяется большое количество опор разных конструкций и назначений. Классификация опор по различным признакам представлена на рисунке 1.1.

В общем случае по характеру взаимодействия с грунтом все опоры можно подразделить на гравитационные, анкерные и гравитационно-анкерные [19, 100, 101]:

- гравитационные — опоры, воспринимающие нагрузку за счет силы трения основания опоры по грунту;

- анкерные (заглубленные в грунт) - опоры, создающие держащую силу за счет сопротивления сдвигу грунтового массива;

- гравитационно-анкерные - опоры, держащая сила которых создается как за счет сил трения, так и за счет сопротивления сдвигу грунтового массива.

В зависимости от места установки опоры бывают береговые и русловые. Русловые опоры, в свою очередь, делятся на незатопляемые и затопляемые (донные).

По сроку службы анкерные опоры делят на две большие группы: временные и постоянные. Временные анкеры сооружают на срок производства

Рисунок 1.1 - Классификация анкерных устройств

строительно-монтажных работ или при устройстве временных сооружений, шпунтовых стенок и т.п. Постоянные анкеры устанавливают на весь срок службы сооружения.

По виду используемого материала [20, 99, 115] различают металлические, железобетонные, деревянные и комбинированные конструкции анкеров. По материалу анкерных тяг - из стержневой и канатной (прядевой) арматуры.

По способу связи анкерной тяги с цементным камнем заделки [14, 20, 99, 115] - с замоноличенной тягой в зоне заделки (тип I) и со свободной тягой в зоне заделки (тип II).

По схеме взаимодействия с грунтом анкеры можно разделить на следующие группы [14,20,115]:

- наземные (гравитационные), располагающиеся на поверхности грунта и работающие за счет сил трения между грунтом и конструкцией анкера;

- заглубленные, располагающиеся в массиве грунта и работающие за счет сопротивления грунта перемещению элементов анкера. Заглубленные анкеры могут устраиваться с предварительным напряжением и без него.

Анкерные устройства различают по расположению в пространстве на вертикальные, горизонтальные и наклонные [14, 54]. Наклонные и горизонтальные анкеры используют при строительстве подпорных стен и различных ограждений.

По способу образования скважин анкеры делятся на буровые с проходкой скважин с обсадными трубами, под глинистым раствором, шнеком и с погружением обсадной трубы забивкой или вдавливанием [20, 115].

По способу устройства заделки анкера:

- инъекционные (заделка образована подачей цементного раствора под избыточным давлением);

- с разбуренными уширениями;

цилиндрические (скважина заполняется раствором без избыточного давления).

При выборе того или иного типа опор необходимо учитывать, кроме несущей способности, назначение сооружения, его местоположение (возможности доставки и установки опор), грунтовые и гидрологические условия. При учете грунтовых условий нужно иметь в виду, что все опоры лучше работают на песчаных грунтах, плохо работают на слабых грунтах и особенно плохо - на плывунах. В последнем случае нужно или менять место сооружения, или применять анкерные опоры, устанавливая их на большой глубине в плотных грунтах. На затопляемых берегах предпочтение нужно отдавать опорам анкерного типа.

До последнего времени в качестве русловых опор применялись преимущественно однорогие и двурогие сплавные якори, свайные кусты, якори Матросова и винтовые [2, 7-9, 10, 54, 56, 58, 70, 101]. Наиболее распространенными являются якори Матросова (рисунок 1.2) и винтовые (рисунок 1.3). Однако применяются они крайне ограниченно из-за сложности изготовления и малых поставок первых и большой сложности установки вторых.

Рисунок 1.2 - Якорь Матросова [54]

Из всех недостатков якорей Матросова наиболее существенным является то, что узкое пространство между лапами часто забивается грунтом, препятствуя свободному отклонению лап якоря.

Винтовой анкер (рисунок 1.3) имеет стержневую тягу с винтовыми лопастями на конце в виде цилиндрического штопора [5, 54, 72]. Тяга и штопор выполнены из одного стального прутка. Для облегчения завинчивания штопор в нижней части снабжен режущим элементом. В качестве бриделя анкера может использоваться цепная наставка или стальной канат. Цепные наставки удобны при креплении газопроводов, когда два анкера завинчиваются с боков газопровода и соединяются между собой цепями с помощью скоб или стержней.

а

б

Рисунок 1.3 - Винтовые якори: а) тип К; б) тип ЯЛ; в) тип ЯС [54]

Анкеры могут завинчиваться в грунт вручную и с помощью механизмов. Благодаря пространственной форме штопора, завинчивание анкера упрощается и не происходит существенного рыхления грунта.

На лесосплаве используют следующие модели винтовых якорей: тип К (например, К-50, К-88 и другие), тип ЯЛ (ЯЛ-50, ЯЛ-75 и другие) и тип ЯС (ЯС-35, ЯС-50 и другие).

Рассмотренные конструкции анкеров могут успешно эксплуатироваться преимущественно на песчаных грунтах. На торфяных и других слабых грунтах предпочтение отдают анкерам инъекционного типа. В этой конструкции на тягу с зазором дополнительно одета труба с отверстиями, расположенными в нижней части в пределах высоты штопора. В нижней части тяги труба опирается на жестко закрепленную шай