автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Развитие научных основ создания вибрационных рабочих наконечников машин для прокола горизонтальных грунтовых скважин

4853638

РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ ОСНОВ СОЗДАНИЯ ВИБРАЦИОННЫХ РАБОЧИХ НАКОНЕЧНИКОВ МАШИН ДЛЯ ПРОКОЛА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ГРУНТОВЫХ СКВАЖИН

05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 9 СЕН 2011

Новочеркасск - 2011

4853638

Работа выполнена в Балаковском институте техники, технологии и управления (филиал) ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» на кафедре «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Кобзев Анатолий Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Рыжиков Владимир Александрович

доктор технических наук, профессор Жулай Владимир Алексеевич

доктор технических наук, профессор Савельев Андрей Геннадьевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Пензенский государственный

университет»

Защита диссертации состоится «28» октября 2011 г. в 10й2 на заседании диссертационного совета Д 212.304.04 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, ауд.107 главного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».

Отзывы на автореферат просим направлять в диссертационный совет по адресу: 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132. Автореферат разослан и опубликован на сайте www.npi-tu.ru »Й? 20//г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор/ Исаков Владимир Семенович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные города оснащены сложными системами инженерных подземных коммуникаций. Рост российских городов вызывает постоянный спрос на прокладку и ремонт трубопроводов канализации, газо- и водоснабжения, связи, что определяется как значительным износом в 70-80 % существующих коммуникаций, так и растущими потребностями промышленных предприятий, сферы ЖКХ, различных нужд городского хозяйства.

На сегодняшний день в передовой зарубежной практике 95% объема работ по прокладке и реконструкции подземных инженерных коммуникаций производится бестраншейными методами, что позволяет снизить затраты на проведение ремонта трубопроводов на 10-40% (в зависимости от их диаметра). Более того, во многих крупных зарубежных городах прокладка инженерных коммуникаций открытым способом уже запрещена.

Ремонт или прокладка инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин и наличия на поверхности различных препятствий обусловливают необходимость создания технических средств, обеспечивающих образование горизонтальных выработок с минимальными затратами, сохранением природного ландшафта и исключением техногенного воздействия на окружающую среду. При этом, в настоящее время до 70% подземных трубопроводов в городах РФ имеют диаметр до 300 мм.

В значительной степени этим условиям и такому типоразмеру коммуникаций отвечают бестраншейные машины, реализующие технологию прокладки коммуникаций методом статического прокола. Способ статического прокола наиболее прост с конструктивной точки зрения и дешев с экономической; кроме того, при проколе обеспечивается сохранение устойчивости и целостности грунтового массива и стенок скважины. Несмотря на свою конструктивную и технологическую простоту, он имеет ряд существенных недостатков: большие напорные усилия, низкую точность проходки. Одним из путей повышения эффективности процесса бестраншейной прокладки трубопроводов способом прокола является применение вибрации или удара. Существующие устройства для прокола с использованием динамического интенсификатора можно разделить на две основные группы: первая группа - это устройства, образующие скважины путем вдавливания грунта в стенки скважины рабочим конусным наконечником, на который, кроме статической нагрузки, действует вибрационная, создающая осевые колебания наконечника с трубой или только наконечника; вторая группа устройств осуществляет вдавливание грунта в стенки образуемой скважины рабочим наконечником посредством удара.

Важным технико-экономическим показателем способов бестраншейной прокладки коммуникаций является энергоёмкость процесса проходки горизонтальных скважин, который используется для оценки экономии

энергетических затрат. Известные конструкции вибрационных машин для проходки скважин характеризуются высоким значением энергоёмкости от 186,7 МДж/м3 до 215,4 МДж/м3. Кроме того, у существующего оборудования для проходки горизонтальных скважин оценочный показатель «КПД формирования скважины» не превышает 7%. Такие невысокие показатели полезного расхода энергии служат основанием для научно-технического поиска энергосберегающего рабочего инструмента, осуществляющего с учётом физико-механических свойств грунта образование скважин с минимальными потерями энергии.

Таким образом, разработка новых научно обоснованных принципов создания вибрационных рабочих наконечников машин для прокола горизонтальных фунтовых скважин, оптимально реализующих подводимую энергию, а также обеспечивающих максимальную эффективность воздействия вибрации на грунт, представляет собой актуальную научно-техническую проблему.

Диссертационная работа соответствует научному направлению кафедры «Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины» БИТТУ (филиал) ГОУ ВПО «СГТУ» - 13.В.02 «Разработка научных основ оптимального проектирования подъёмно-транспортных, строительных, дорожных и коммунальных машин», (per. №01201001326, ФГНУ «ЦИТиСОИВ»). Отдельные разделы диссертационного исследования выполнялись в рамках г/б НИР по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие потенциала высшей школы» (мероприятие 2: «Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук. Научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры вузовской науки» (приказ СГТУ №88-П от 28.01.2009 г.) по теме «Развитие теории оптимального проектирования подъёмно-транспортных, строительных и дорожных машин».

Проведенный анализ состояния вопроса в области проходки горизонтальных скважин способом прокола грунта и анализ основных направлений повышения эффективности рабочего процесса образования горизонтальных скважин позволили сформулировать следующую цель исследования.

Цель работы. Повышение эффективности работы бестраншейных машин для прокола грунта, имеющих в своём составе вибрационные рабочие наконечники, путём обоснования их рациональных конструктивных и режимных параметров на основе разработанной теории процесса взаимодействия вибрационных наконечников с грунтом, учитывающей изменение напряженно-деформированного состояния грунтов под энергетическим воздействием вибрационных наконечников.

Указанная цель определила следующие задачи исследования:

1. На основе системного анализа процесса образования горизонтальных скважин, характеризующего взаимодействие вибрационных рабочих наконечников с фунтом, сформировать научно обоснованные предпосылки повышения эффективности их работы.

2. Разработать теорию процесса взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с фунтом, учитывающую изменение напряженно-деформированного состояния фунта под энергетическим воздействием вибрационного наконечника, и установить влияние на это изменение физико-механических свойств фунта и режимных параметров вибрационного наконечника.

3. Исследовать влияние конструктивных и режимных параметров вибрационного рабочего наконечника с учётом физико-механических свойств фунта на напряженно-деформированное состояние фунта и определить диапазон рациональных значений параметров вибрационного наконечника.

4. Установить зависимости эффективной реализации процесса образования горизонтальных скважин в фунте от энергетических параметров вибрационного рабочего наконечника на основе экспериментальных исследований и подтвердить основные результаты, полученные в теоретических исследованиях.

5. Обобщить результаты теоретических и экспериментальных исследований с разработкой инженерной методики расчёта параметров вибрационного рабочего наконечника установки для образования горизонтальных скважин способом вибрационного прокола при бестраншейной прокладке коммуникаций.

6. Провести оценку эффективности процесса образования горизонтальных скважин способом вибрационного прокола по критериям энергоёмкости и экономической целесообразности применения предлагаемого способа вибрационного прокола.

Основная научная идея работы заключается в интенсификации процесса уплотнения грунта вибрационным рабочим наконечником машины для образования горизонтальных скважин за счёт рационального разделения подведённой энергии на осевую подачу и вибрацию рабочего наконечника в плоскости, перпендикулярной оси скважины, при рациональных соотношениях значений усилия прокола и скорости осевой подачи по критерию минимальной энергоёмкости.

Объект исследования - процесс взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с фунтом при образовании горизонтальных скважин.

Предмет исследования - вибрационные рабочие наконечники бестраншейных машин для образования горизонтальных скважин в фунте.

Методологическая основа исследований - комплексный подход, включающий: научный анализ и обобщение опыта в области образования горизонтальных скважин способом прокола, общие законы и методы механики фунтов и теории уплотнения грунтов, дифференциальное и интегральное исчисление, математическое моделирование процесса образования горизонтальных скважин с проведением численного анализа, экспери-

ментальные исследования, основанные на применении методов теории планирования и статистической обработки результатов эксперимента.

Контроль достоверности получаемых результатов осуществлялся сопоставлением результатов аналитического исследования с данными экспериментов и математического моделирования.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. При образовании горизонтальных скважин способом вибрационного прокола наибольшая эффективность рабочего процесса обеспечивается при рациональном разделении подведённой энергии на осевую подачу и вибрацию рабочего наконечника в плоскости, перпендикулярной оси скважины.

2. Теоретические основы взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с грунтом, описывающие изменение напряженно-деформированного состояния фунта под энергетическим воздействием вибрационного рабочего наконечника и позволяющие установить влияние на это изменение физико-механических свойств фунта, конструктивных и режимных параметров вибрационного рабочего наконечника.

3. Определение влияния диссипативных свойств фунта, объёма активной зоны колебаний и режимных параметров вибрационного рабочего наконечника на снижение структурной прочности (предела прочности) фунта в зоне структурных деформаций.

4. Экспериментальная оценка влияния колебаний вибрационного рабочего наконечника в плоскости, перпендикулярной оси скважины, на процесс образования скважины, эффективность которого зависит от амплитудно-частотных параметров колебаний и скорости осевой подачи вибрационного рабочего наконечника.

5. Снижение массы и габаритов установки для образования горизонтальных скважин за счёт выбора конструктивных и режимных параметров вибрационного рабочего наконечника и их рациональных соотношений.

Новизна научных положений состоит в том, что: -разработанная математическая модель взаимодействия вибрационного наконечника с грунтом отличается от известных тем, что базируется на реологической модели с упруго-пластично-вязкими свойствами грунта и позволяет установить взаимосвязь скорости осевой подачи, амплитудно-частотных параметров колебаний и физико-механических свойств фунта;

-установленная закономерность пространственно-временного изменения энергии колебаний при её распространении в массиве грунта с учётом увеличения фронта волны и диссипативных свойств фунта позволяет впервые определить снижение структурной прочности фунта и тем самым оценить эффективность вибрационного воздействия на фунт;

- установленная закономерность изменения усилия вибрационного прокола отличается от известных тем, что учитывает изменение пористости фунта в зоне структурных деформаций массива фунта на

основе уравнения компрессионной кривой, скорости осевой подачи и физико-механических свойств грунта;

- разработанная методика инженерного расчёта отличается тем, что позволяет определить параметры вибрационного рабочего наконечника установки для образования горизонтальных скважин способом вибрационного прокола из условия минимизации энергетических и финансовых затрат при образовании горизонтальных скважин;

- новизна устройств для образования горизонтальных скважин способом вибрационного прокола при бестраншейной прокладке коммуникаций, для которых общим является распространение энергии колебаний наконечника в плоскостях перпендикулярных оси проходки, подтверждена 5 патентами.

Практическая значимость работы.

Практическое значение работы заключается в том, что разработанная в исследовании методика расчёта рациональных конструктивных и режимных параметров вибрационного рабочего наконечника установки вибрационного прокола создаёт основу для проектирования и создания высокоэффективного оборудования для бестраншейной прокладки коммуникаций, осуществляющего образование горизонтальных скважин вибрационным рабочим наконечником с разделенным энергетическим потоком.

Личный вклад автора заключается в обобщении известных результатов, в формулировании общей идеи, цели и задач работы, выполнении теоретических и экспериментальных исследований, анализе и обобщении их результатов, разработке алгоритма расчёта параметров установки вибрационного прокола, новых технических решений.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается соблюдением методов математического моделирования; выбором соответствующих тематике исследования, апробированных методов математического анализа и научных исследований; выбором доказательств, базирующихся на законах механики фунтов и теории уплотнения грунтов; хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (их расхождение не превышает 15%). Принятые допущения не противоречат физике рассматриваемого процесса и являются общепринятыми при решении аналогичных задач.

Реализация результатов работы. Техническая документация на оборудование для бестраншейной прокладки коммуникаций способом вибрационного прокола передана ОАО «СНПЦ «РОСДОРТЕХ», г. Саратов, для подготовки к выпуску новой техники. В конструкторском бюро специальной техники ОАО «ТяжМаш», г. Сызрань, внедрена методика инженерного расчета рациональных конструктивных и режимных параметров вибрационного рабочего наконечника для проходки горизонтальных скважин способом вибрационного прокола. Техническая документация и опытные образцы вибрационных рабочих наконечников переданы

ЗАО «Информ», г. Балаково, дня практического использования при проведении работ по строительству подземных коммуникаций.

Результаты исследований используются в учебном процессе в рамках специальных дисциплин: «Строительные и дорожные машины», «Коммунальные машины и оборудование». В курсовом и дипломном проектировании при подготовке специалистов по специальности «Подъёмно-транспортные машины, строительные, дорожные машины и оборудование» используются результаты диссертационной работы, полученные зависимости для определения усилия прокола установки с вибрационным рабочим наконечником, полученные экспериментальные данные для проведения лабораторных работ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на:

- Всероссийских научно-практических й научно-технических конференциях: «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, СГТУ, 2009), «Информационные технологии, системы автоматизированного проектирования и автоматизация» (Балаково, БИТТУ, 2009,2010), «Механики - XXI веку» (Братск, 2010);

- Международных научно-практических конференциях: «Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств» (Пенза, 2010), заочной «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2010), интернет-конференции «Молодежь. Наука. Инновации» (Пенза, 2010-2011);

- Международной конференции по бестраншейным технологиям NO-DIG Москва (Москва, 2010);

- на заседании кафедры «Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ в 2011 году.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 научных работ, в том числе 2 монографии, получено 6 патентов на изобретение, 2 патента на полезную модель. Из указанного числа работ 12 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы из 172 наименований, приложения. Общий объём диссертации составляет 307 страниц, в том числе 274 страницы основного текста, 104 рисунка, 26 таблиц, 34 стр. приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, подтверждающая необходимость развития научных основ создания вибрационных рабочих наконечников, применяемых в составе машин для прокола горизонтальных фунтовых скважин при бестраншейной прокладке коммуникаций.

В первой главе рассмотрено состояние вопроса в области проходки горизонтальных скважин способом прокола грунта. Приведены характеристика, область применения и классификация способов прокола для проходки горизонтальных грунтовых скважин. Проведен анализ конструкций устройств для проходки скважин способом прокола, анализ теоретических и экспериментальных работ, выполненных в области исследований статического, вибрационного и виброударного прокола горизонтальных грунтовых скважин.

Развитие установок статического прокола идёт по пути увеличения напорного усилия устанавливаемых гидроцилиндров и в конечном итоге приводит к большим габаритам оборудования. Существующие конструкции оборудования для прокола с применением вибрации имеют существенные конструктивные недоработки или находятся на стадии опытных образцов.

Разработка новых конструкций специализированных машин для бестраншейной прокладки коммуникаций способом вибрационного прокола является одним из средств снижения как стоимости самого оборудования, так и затрат на прокладку коммуникаций.

Значительный вклад в теорию и создание машин и методов статического и вибрационного прокола внесли многие ученые. Наиболее значительные теоретические и экспериментальные исследования по изучению процесса уплотнения фунта при образовании скважин способом прокола и внедрению деформаторов в грунт содержатся в работах Н.В.Васильева, И.С.Полтавцева, Н.Я.Кершенбаума, В.И.Минаева, Г.Н.Пестова, А.С.Вазет-динова, О.А.Савинова, А.Я.Лускина, Д.А.Котюкова, В.К.Тимошенко, Н.Е. Ромакина, Д.Д.Баркана, А.Н.Зеленина, К.К.Тупицына, Д.Н. Ешуткина, Н.Я. Хархуты, В.К.Свирщевского, А.Н. Ряшенцева, И.И. Блехмана, Х.Б. Ткача и других как российских, так и зарубежных учёных.

При проколе скважины конусным рабочим наконечником уплотнение в грунте происходит в результате структурных деформаций. Вследствие повышения напряжений вокруг рабочего наконечника частицы фунта перемещаются в зону меньших напряжений и занимают весь объем пор в зоне структурных деформаций, при этом эпюра распространения средних критических напряжений в плоскости, перпендикулярной оси проходки, представляет собой концентрическую окружность с центром на оси скважины. Анализ кривых напряжений (рис.1) при внедрении конусного рабочего наконечника показывает, что абсолютная их величина имеет максимальное значение в радиальном направлении. Величина напряжений, возникающих в фунте, определяет сопротивление внедрению рабочего наконечника при проколе.

Результаты исследований в области виброударного прокола выражены в виде эмпирических или полуэмпирических зависимостей, которые весьма осредненно отражают физику явлений, происходящих при виброударном проколе. Кроме того, опыты по погружению в фунт элементов,

200 160 100 О

Обозначение напряжений, МПа

Г Т. —I

0 0.35 1 50 1 90

Рис.1. Кривые напряжения в грунте при статическом проколе конусным рабочим наконечником

проведенные Д.Д. Барканом, показали, что вибрационное погружение различных элементов в грунт значительно эффективнее процесса погружения с применением удара.

Конструкции установок вибрационного прокола с осевыми колебаниями имеют низкую эффективность взаимодействия рабочего наконечника с грунтом, связанную с направленным вдоль оси характером колебаний рабочего наконечника, в результате чего часть возмущающей силы расходуется на вибрацию рабочего наконечника, а вторая - на прокладываемый трубопровод. При этом вторая составляющая является доминирующей при проколе. Указанные причины определили невозможность широкого применения установок УВП-1, УВП-2.

Эффективность вибрационного прокола с колебаниями перпендикулярно оси проходки была отмечена еще в 50-х годах прошлого века. Скорость протяжки виброснаряда со встроенным вибратором круговых колебаний составила 135 м/ч. Протяжка виброснаряда была выполнена канатом через лидерную скважину.

Тем не менее на сегодняшний день отсутствуют промышленные образцы оборудования для проходки горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке коммуникаций с колебаниями рабочего инструмента перпендикулярно оси проходки, что объясняется отсутствием глубоких исследований в этой области по установлению рациональных конструктив-

ных, режимных и эксплуатационных показателей установок вибрационного прокола такого типа.

Во второй главе проведен системный анализ машин для образования горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке коммуникаций, рассмотрены физико-механические свойства грунта при взаимодействии с рабочим инструментом прокалывающих машин, выполнен анализ факторов, влияющих на эффективность работы вибрационных рабочих наконечников.

Комплекс оборудования для проходки горизонтальных скважин может быть разделен на ряд подсистем, соединенных функционально линиями прямой и обратной связи, с выделением параметров входа, внутренней структуры и параметров выхода. Параметрами входа системы являются: физико-механические характеристики фунта; эксплуатационные показатели; параметры управления; размеры рабочего и приемного котлованов; условия обеспечения сохранности близлежащих сооружений.

Внутренняя структура системы была определена следующими основными подсистемами: металлоконструкция установки; рабочий орган; основные механизмы - осевой подачи и привода дебалансного вибратора конусного рабочего наконечника; вспомогательное оборудование наблюдения и корректировки.

Параметры выхода системы определены в виде ранговых показателей, выраженных в критериальной форме применительно к процессу проходки горизонтальных скважин способом вибрационного прокола. Параметрами выхода системы являются критерии низшего ранга: усилие осевой подачи от сопротивления на рабочем органе Р""6, сопротивления от сил трения и сцепления проходческой или прокладываемой трубы о грунт Гтр, Тщ, показатели качества укладки трубопроводов: А/ и А у- отклонения от заданного положения в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно. Обобщенные критерии: производительность проходки /7пр, металлоемкость С, суммарная мощность установки Д^уст, энергоемкость Н.

Основной задачей для данной системы является определение рациональных конструктивных и режимных параметров вибрационного рабочего наконечника и механизма осевой подачи. Такие параметры должны обеспечить качественное выполнение работ при максимальной производительности и минимальных затратах мощности.

При проколе скважин уплотнение фунта в стенки скважины характеризуется объёмной остаточной деформацией фунта, при которой разрушаются связи между частицами фунта и изменяются его характеристики, например плотность и пористость. Из анализа свойств фунтов и особенностей их изменения следует, что при проектировании и создании рабочего инструмента для образования скважины способом прокола наиболее важными характеристиками фунта, определяющими энергетические затраты, являются

сжимаемость, структурная прочность фунта, оцениваемая сопротивлением сдвига и пределом прочности, а также скорость изменения напряженного состояния, определяемая режимными параметрами процесса проходки.

Анализ влияния динамического воздействия на фунт позволяет принять за основной показатель, характеризующий эффективность вибрационного воздействия на фунт, выражающуюся в снижении сопротивления фунта уплотнению, ускорение колебаний частиц фунта. При этом важным фактором является наличие внешнего давления на фунт одновременно с вибрационным воздействием.

Проведенный анализ состояния вопроса в области образования горизонтальных скважин способом вибрационного прокола позволил определить факторы, влияющие на эффективность работы вибрационных рабочих наконечников для образования горизонтальных скважин, а именно:

1. Направление распространения энергии колебаний в массиве грунта, которое должно приниматься из условия максимальной эффективности воздействия вибрации на фунт во всей зоне структурных деформаций частиц массива фунта, окружающего рабочий орган.

2. Величина колеблющейся массы рабочего органа и конструктивных частей установки для образования горизонтальных скважин способом вибрационного прокола. Дня эффективной работы колеблющаяся масса рабочего органа и конструктивных элементов частей установки должна быть минимальной, что повышает эффективность процесса образования горизонтальных скважин за счёт увеличения доли энергии переданной в массив фунта.

3. Скорость осевой подачи при внедрении рабочего органа. Значение скорости осевой подачи при внедрении рабочего органа не только увеличивает лобовое сопротивление при внедрении в фунт (наличие вязких свойств фунта), но также влияет на движение рабочего органа относительно оси образуемой скважины.

4. Частота колебаний рабочего инструмента, являющаяся важным режимным параметром работы вибрационного рабочего наконечника в фунте, определяющим величину развиваемых ускорений колебаний. Кроме того, от частоты колебаний зависит величина логарифмического декремента колебаний, который, в свою очередь, определяет величину рассеянной энергии колебаний в фунте при образовании скважины способом вибрационного прокола.

5. Физико-механические свойства фунтов. При образовании горизонтальных скважин в фунтах способом вибрационного прокола имеется фунтовый риск, связанный с каменистыми включениями в массиве фунта и высокой связностью разрабатываемых фунтов. Грунты высокой связности характеризуются большими значениями коэффициента поглощения энергии, распространяющейся в массиве фунта, что не позволяет интенсифицировать процесс уплотнения в массиве фунта, окружающем рабочий наконечник.

Анализ представленных факторов, имеющийся опыт образования горизонтальных скважин и представленные кривые напряжений в массиве грунта дают основание предположить, что возможно повышение эффективности работы вибрационных рабочих наконечников за счёт разделения подведенной энергии на осевую подачу и в зону наибольших напряжений в массиве грунта перпендикулярно оси проходки. Следствием распространения энергии колебаний перпендикулярно оси проходки является снижение структурной прочности грунта, что в конечном итоге обеспечивает снижение сопротивлений со стороны фунта и увеличение скорости осевой подачи.

Технологическая схема образования горизонтальных скважин способом вибрационного прокола с колебаниями перпендикулярно оси скважины в зависимости от конструкции установок разделяется на два вида: проходка прямым ходом и проходка расширением (обратным ходом) через предварительно образованную пионерную скважину. Процесс образования скважины прямым ходом выполняется из рабочего приямка по традиционной схеме. Образование скважин способом вибрационного прокола с расширением обратным ходом условно можно разделить на три этапа. На первом этапе работ методом статического прокола выполняется проходка пионерной скважины. После выхода в приёмный котлован лидерной штанги, к последней посредством каната закрепляется рабочий наконечник со встроенным вибратором круговых колебаний - второй этап работ. На третьем этапе обратным ходом осуществляются протяжка вибрационного наконечника и формирование скважины с прочными устойчивыми стенками. Также возможна протяжка вибрационного наконечника с одновременным монтажом пластиковой трубы в скважине и замена штанг в пионерной скважине канатом, при этом протяжка наконечника может осуществляться тяговой лебедкой, что делает процесс образования скважины непрерывным.

В третьей главе представлены теоретические исследования процесса взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с фунтом при вибрационном проколе.

Рассматривается физическая картина процесса взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с фунтом. Процесс вибрационного прокола горизонтальных грунтовых скважин с колебаниями перпендикулярно оси проходки представляет собой внедрение в грунт под действием напорной или тяговой силы вибрационного инструмента в виде конусного рабочего наконечника, внутри которого вмонтирован вибратор круговых колебаний. При внедрении вибрационного наконечника так же, как и при статическом проколе, фунт уплотняется в стенки скважины.

Вибратор, установленный внутри конусного рабочего наконечника (рис.2), является интенсификатором процесса образования скважины, так как энергия колебаний, передаваемая в массив фунта, способствует снижению структурной прочности грунта, что уменьшает величину критиче-

ского напряжения для изменения структуры грунта, и в конечном итоге уменьшает напорную или тяговую силу.

Рис. 2. Схема взаимодействия рабочего наконечника с грунтом при вибрационном проколе горизонтальной скважины прямым ходом: 1-рабочий наконечник; 2-вибратор; 3-компенсирующее устройство; 4 - напорная труба; 5-направляющие; упр - скорость проходки; ш.1б -угловая частота вращения дебаланса вибратора; Рш6 - напорное усилие вибрационного прокола, прикладываемое к напорной трубе; - возмущающая сила вибратора

При вибрационном проколе рабочий наконечник, имеющий спереди конусную часть, переходящую в цилиндрическую, приводит в колебания прилегающий к нему грунт с частотой яе, и эти колебания распространяются во все стороны в грунте, но преимущественно в перпендикулярных направлениях.

По мере удаления от поверхности корпуса рабочего наконечника амплитуда колебаний фунта А снижается. Это снижение обусловливается двумя причинами. Во-первых, с удалением от источника колебаний поверхность фронта волны деформаций возрастает, и на единицу массы грунта, прилегающей к фронту волны, приходится всё меньшая доля переносимой волной энергии. Во-вторых, при колебаниях окружающего грунта происходит необратимый процесс перехода части механической энергии в тепло, который принято называть диссипацией (рассеянием) энергии. Диссипация энергии при одновременном действии деформирующего (тягового или напорного) усилия и возмущающей силы вибратора сопровождается резким снижением структурной прочности фунта. Таким образом, по мере удаления от источника колебаний общее количество энергии, переносимой волной деформации, уменьшается. Доля энергии, которая рассеивается в

окружающем фунте, прямо пропорциональна общему количеству подведённой энергии и объёму грунта, вовлекаемого в колебания.

Теоретическое исследование процесса взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с фунтом на основе проведенного анализа проводилось в два этапа:

1. Исследование процесса вибрационного воздействия на фунт. Основным параметром, характеризующим интенсивность тиксотропных превращений в фунте, является ускорение колебаний, сообщаемое частицам грунта. Тем не менее вопрос вибрационного воздействия на фунт не был решен с помощью энергетического (термодинамического) способа. Определение уравнений, характеризующих процесс распространения энергии колебаний в фунтовом массиве с определением диссипативной составляющей, позволил определить параметры вибрационного рабочего наконечника, обеспечивающего образование горизонтальных скважин с минимальными энергетическими затратами.

2. Исследование процесса уплотнения грунта при проходке скважины. Процесс вибрационного прокола отличен от статического наличием вибрационного воздействия на фунт. Схожесть явлений, происходящих в фунте при внедрении конусного рабочего наконечника, как при статическом проколе, так и при вибрационном позволяет использовать зависимости, характеризующие процесс уплотнения при статическом проколе для определения усилия вибрационного прокола и других параметров процесса вибрационного прокола.

Процесс образования скважины вибрационным рабочим наконечником - это необратимый процесс, в ходе которого механическое движение рабочего наконечника превращается в сложное движение частиц грунта при перестройке в массиве. Основным эффектом одновременного действия напорной силы и возмущающей силы вибратора рабочего наконечника, внедряемого в фунт, является относительное перемещение частиц при значительно меньших критических напряжениях в массиве грунта. Величина и характер возникающих деформаций существенно зависят от пористости фунта и от сил взаимодействия между частицами в точках их взаимного контакта.

Грунт является сложной системой, которая в процессе образования скважины изменяет свои параметры. При внедрении конусного рабочего наконечника грунт сжимается давлением, создаваемым напорной или тяговой силой. При этом изменяется объём фунта в массиве, окружающем рабочий наконечник. Таким образом, объём можно рассматривать как координату состояния грунта при образовании горизонтальной скважины способом вибрационного прокола. Кроме того, при вибрационном воздействии рабочего наконечника на грунт изменяется его структурная прочность, такое изменение также является координатой состояния грунта. При вибрационном проколе следует различать два потенциала системы, кото-

рые являются причиной изменения координат состояния грунта: давление р°" , создаваемое напорной или тяговой силой, и вибрационное воздействие вибратора круговых колебаний рабочего наконечника, характеризуемое величиной переданной энергии в массив грунта.

Грунт - это неконсервативная система, в которой имеет место обмен энергией. Энергия, подводимая к рабочему наконечнику для уплотнения фунта, расходуется на перемещение частиц фунта и диссипацию (рассеяния) в массиве фунта. Диссипация (рассеяние) общей механической энергии, подводимой к рабочему наконечнику, определяется наличием внешних и внутренних сопротивлений фунта и сопровождается изменением структурной прочности фунта. Таким образом, фунт можно считать дис-сипативной системой, являющейся частным случаем неконсервативной системы. Диссипация энергии в фунтах существует в виде кулонова трения и жидкостного (вязкостного) трения.

Вибрационный рабочий наконечник при образовании скважины совершает механическую работу, определяемую зависимостью:

= + + (1) где р'"6 - давление на поверхности вибрационного рабочего наконечника, создаваемое внешней силой, Па; АV - изменение объема рассматриваемого массива фунта, м3; Дф- приведённая амплитуда колебаний рабочего наконечника и «присоединенного» фунта, м; эквивалентная сила

внешнего трения на поверхности вибрационного рабочего наконечника, Н;

¿ЭКВ

тР - эквивалентная длина пути, на котором действуют сила внешнего трения, м.

Удельная механическая работа, которую совершает вибрационный рабочий наконечник в объёме фунта V, расходуемая на снижение структурной прочности фунта определяется:

с_ ^дИпр _ т^е^а _ М„рАпра

V V V ^

где шд6 - масса дебаланса вибратора рабочего наконечника, кг; ед5 - эксцентриситет дебаланса, м \ а - ускорение колебаний частиц фунта, м/с2; Мпр- присоединенная масса рабочего наконечника и фунта, вовлекаемая в колебания, с учётом давления слоя фунта, расположенного выше оси проходки и сопротивлений со стороны компенсирующего устройства или тягового каната, кг.

В решении задачи исследования взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с фунтом наиболее предпочтительным является термодинамический (энергетический) метод. Этот метод основан на том, что всякое изменение, происходящее в некоторой системе, рассматривается с

точки зрения выделения или поглощения энергии, преобразования одних видов энергии в другие.

Процесс распространения энергии вибратора в фунтовом массиве, окружающем рабочий наконечник носит волновой характер. Поверхность, на которую было передано одинаковое количество энергии <1У/, называется волновой поверхностью и в этом случае она имеет цилиндрическую форму конечной длины, которая определяется осевыми габаритами рабочего наконечника. Цилиндрические поверхности различного уровня по мере удаления от рабочего наконечника имеют меньшую энергию.

Аналитическое исследование процесса переноса энергии сводилось к изучению пространственно-временного изменения энергии , то есть нахождения уравнения:

\У=/(х,у,гЛ (3)

где х,ул - оси координат трехмерного пространства; г - время вибрационного воздействия на фунт.

Геометрическое место точек, которые в данный момент времени имеют одинаковую энергетическую заряженность, называется поверхностью равного энергетического уровня (РЭУ). На рис. 3 схематично представлена часть фунтового массива у рабочего наконечника с нанесёнными через интервалы ДН' поверхностями РЭУ.

Наибольшее изменение энергии на единицу длины находится в направлении нормали п к поверхности РЭУ. Предел изменения энергии ЛИ' к расстоянию Ли между поверхностями РЭУ, определённому по нормали представлен фадиентом энергии колебаний:

ШпМ

IД" Л

д\у

: дп

■■ gradVV.

(4)

IV-ЛIV

1У+ЫУ

Рис. 3. Схема поверхностей РЭУ

Для характеристики процесса распространения энергии в разных точках фунтового массива используется понятие плотности потока энергии, которая также является векторной величиной. Плотность потока энер-

гии АП>, переносимой через площадку Д5± поверхности РЭУ, перпендикулярную к направлению распространения энергии за время Дг, определится:

ауV _ ¿2уу

1 Д5ХД/ ~ ¿V ' ( )

Плотность потока энергии ] связана с градиентом энергии колебаний ¿гаШ через параметры грунта и частоту импульсов энергии. Взаимосвязь между плотностью потока энергии ) и градиентом энергии колебаний ^асЛУ запишется:

7 = -¿п.&адУУ, (6)

где х ~ коэффициент поглощения волны (энергии) колебаний, величина обратная % - равна расстоянию, на котором интенсивность волны уменьшается в е раз, 1/м; частота колебаний, определяющая количество импульсов энергии в массив фунта, 1/с.

На основе рассмотрения элементарного объёма грунта (IV при взаимодействии с вибрационным рабочим наконечником (рис. 4) было определено количество энергии рассеянное в этом объёме:

=1(Л - Л+,„\1х■ <1г + (д. - Уу+Л.Ух■ (к + {], - )-с1х-с!у\-сИ, (7)

гДе Л» 1У< Л -проекции вектора плотности потока энергии ] на оси X, У, т д\у д\¥

' Их' ~ду~' ~дг ~ пРоекция вектоРа градиента энергии колебаний на оси

X, У, г; р - координата цилиндрической системы координат.

По закону сохранения энергии количество энергии ДИ>, рассеянное за время л в объеме фунта сIV рассматривалось как диссипативная работа фунта за время л:

= (Ю)

В свою очередь, диссипативная работа фунта определяется падением потенциала на перенесённом заряде. Величина потенциала характеризует интенсивность изменения заряда (координату) состояния фунта. За координату состояния фунта принимался параметр 0, характеризующий эффективность вибрационного воздействия и определяемый отношением

_виб

© = (11)

где а""6 - напряжение, характеризующее структурную прочность фунта при вибрационном воздействии, Па; а° - напряжение, характеризующее структурную прочность фунта при статическом нафужении, Па.

Рис. 4. Вибрационный рабочий наконечник в массиве грунта

Изменение параметра © будет определяться величиной потенциала, который в рассматриваемом случае определяется интенсивностью вибрационного воздействия через удельную работу вибратора С, формула (2).

В конечном итоге диссипативная работа грунта за время А в элементарном объёме ЛV определяется:

ет^

дисс Дг у

Приравнивая полученные уравнения (9) и (12) и сокращая ¿УЛ, было получено дифференциальное уравнение распространения энергии колебаний в грунте:

А1-У л ' {др2 р др) Решение дифференциального уравнения позволило определить закон распространения энергии колебаний в фунтовом массиве:

—В— ,-г-еиб -в т р а

= ,-е ^ ---Тд5 макс ,-е-»

V/

р

\ СТр.Д

1

(14)

где Ии» - полная энергия колебаний, Дж; структурная прочность

при вибрационном воздействии на фанице зон структурных и упругих деформаций в массиве грунта, Па; в- логарифмический декремент, являю-

щийся мерой внутреннего трения фунта, определяет величину рассеянной энергии, расходуемой на изменение структурной прочности фунта; яшкс -максимальная величина ускорений колебаний на фанице взаимодействия поверхности рабочего наконечника с фунтом, м/с2.

В полученном уравнении (14) первая зависимость в правой части выражает изменение энергии связанное с увеличением поверхности фронта волны при удалении от источника колебаний. Второе выражение определяет рассеянную часть энергии в массиве фунта.

Численный анализ полученного уравнения показал, что в диапазоне коэффициента поглощения энергии х = 0.1-0.2 для случая, когда вся энергия, переданная в массив фунта, рассеялась в зоне структурных деформаций, эффективность вибрационного воздействия примерно в 2-4 раза больше для фунтов с меньшими значениями коэффициента % (рис. 5).

0

0.0400

0.0100 0.0080 0.0060 0.0040 0.0020 0.0010 0.0005

О.оз 0.2 0.4 0.6 0

Рис. 5. Зависимость в от логарифмического декремента колебаний в

Для количественной оценки снижения предела прочности фунта были определены значения предела прочности фунта при вибрационном воздействии рабочего наконечника на фанице зон структурных и упругих деформаций, представленные на рис. 6. Численный анализ показал снижение предела прочности фунта от 3 до 35 раз в зависимости от коэффициента поглощения энергии. Кроме того, анализ полученных значений подтверждает принятые теоретические положения, а именно: эффективность вибрационного воздействия значительно выше на фунтах с меньшими значениями коэффициента поглощения энергии, так как большее количество энергии расходуется на снижение предела прочности фунта во всем объеме зоны структурных деформаций фунта.

ffвиб, Па

130000 100000 70000 40000 10000

виб п а , Па

800000 600000 k 400000 200000 100000 7)J3«0

песок глина /

71199 J J Ушоо

У ( г* 33200

toss '32.130

Ii"""*

о о.оз

0.06

0.1

0.13

0.16

0.2

ЗС.1/М

Рис. 6. Зависимость изменения напряжений в грунте от коэффициента поглощения энергии колебаний при вибрационном воздействии на грунт: для R^,д =0.54л(,- \Vlmc = 1000Дж; а = 039рад; ашк =0.6л«/с2; d = 0.18л/; р = 0.54 м;

глина: а" =900000 Па; песок: а" =350000 Па

При исследовании процесса уплотнения грунта при образовании скважины рассматривался физический процесс внедрения конусного рабочего наконечника под действием напорной (или тяговой) силы.

Как при статическом проколе, так и при вибрационном, грунт уплотняется в стенки скважины, имея такое свойство, как сжимаемость, обусловленная изменением пористости. Уменьшение пористости грунта в зоне внедрения конусного рабочего наконечника возможно только при изменении структуры фунта при повышенных напряжениях, которые различны при статическом и вибрационном проколе. Таким образом, для определения усилия вибрационного прокола можно использовать зависимость усилия внедрения рабочего наконечника при статическом проколе с учётом изменения предела прочности фунта. Известные зависимости для определения усилия внедрению рабочего наконечника в грунт на преодоление лобового сопротивления, предложенные A.C. Вазетдиновым, Д.И. Шор, И.С. Полтавцевым, Н.Е. Ромакиным, весьма осредненно характеризуют физическую картину процесса уплотнения фунта в стенки скважины, при этом вязкие свойства фунта не учитываются. Для определения зависимости усилия внедрения рабочего наконечника с учётом указанных замечаний была выявлена качественная картина процесса уплотнения фунта в стенки скважины при статическом проколе.

При проколе происходит уплотнение грунта под нафузкой, значительно превышающей структурную прочность фунта. Сфуктурная прочность фунта оценивалась пределом прочности при уплотнении <?,,. Напряжённое состояние фунта вокруг рабочего наконечника иллюстрируется рис. 7, с учётом принятых допущений:

1. Грунт изотропен и однороден.

2. Нормальные напряжения вдоль образующей конуса рабочего наконечника принимаются постоянными по результатам исследований В.К.Тимошенко.

1 - грунт с первоначальной пористостью; 2 - грунт с промежуточной пористостью;

3 - грунт с конечной пористостью

При внедрении рабочего наконечника вокруг него образуются две напряжённые зоны:

• зона структурных деформаций, описываемая радиусом , в которой возникают напряжения больше структурной прочности грунта (предела прочности);

• зона упругих деформаций, описываемая радиусом /?упрд., для которой не достигнута величина предела прочности грунта.

При проколе скважины напряжения в грунте изменяются в широком интервале, поэтому сжимаемость фунта при внедрении рабочего наконечника характеризовалась компрессионной кривой К. Терцаги, построенной в виде зависимости коэффициента пористости е от давления р:

в = в0-Сс1п^|, (15)

где е - коэффициент пористости фунта, соответствующий давлению р; е0 - начальный коэффициент пористости, соответствующий начальному давлению ра; Сс - коэффициент компрессии. Приняв, что пористость в зоне 3 массива фунта, характеризуется объёмом пустот равным объёму вытесненных из скважины твёрдых частиц, значение коэффициента пористости после внедрения рабочего наконечника определяется:

п^к1 +«о~1

' 2-72-' О6)

к - п$к - щ

где & = у— - коэффициент, определяющий размеры напряженной зоны

фунта, в которой происходят структурные деформации, г- радиус внедряемого наконечника, м; п0 - первоначальная пористость грунта.

После проведения математических преобразований и с учетом принятых допущений о замене давлений радиальными напряжениями в фунте уравнение компрессионной кривой (15) при уплотнении грунта конусным рабочим наконечником запишется в виде

(17)

где £Т,. - радиальные напряжения в грунте, Па.

Усилие внедрения рабочего наконечника при статическом проколе выражается зависимостью

1-2н0

F = лт-. (18)

sin«

где; а - угол заострения конуса рабочего наконечника, в пределах от 5° до 90° -<р\ (р - угол трения наконечника о грунт, характеризуемый соотношением tg<p = f,f~ коэффициент трения фунта о наконечник;

Полученная зависимость (18) позволяет определять усилие внедрения рабочего наконечника в пределах угла заострения а от 5° до 90° -<р на основе изменения пористости фунта в зоне структурных деформаций с учётом компрессионной зависимости, что позволяет учесть главный параметр, характеризующий сжимаемость фунтов - коэффициент компрессии.

Численный анализ полученных зависимостей (рис. 8) показал, что конечные значения напряжений в фунте соответствуют коэффициентам уплотнения для глины и песка, предстазленным в работе A.C. Вазетдино-ва. Расчёт усилия внедрения рабочего наконечника на преодоление лобового сопротивления (рис. 9) показал расхождение с опытными данными от 6 до 14 %. Всё это свидетельствует о достоверности принятой физической картины процесса уплотнения грунта при внедрении конусного рабочего наконечника.

Рис. 8. Изменение напряжений в грунте при внедрении наконечника

Рис. 9. Зависимость усилия внедрения рабочего наконечника от внешнего угла трения

грунта

Анализ физико-механических свойств грунта показал, что его сопротивление деформированию зависит от скорости изменения напряженного состояния, что свидетельствует о наличии вязких свойств грунта. Из физической картины статического прокола следует, что уплотнение грунта при образовании скважины происходит без релаксации, поэтому напряжение описывалось упруго-вязко-пластичной моделью Бингама. Следует отметить, что грунт подвергается объёмному сжатию давлением, создаваемым рабочим наконечником, при этом форма грунтового массива, в котором происходят структурные деформации, остаётся неизменной - цилиндрической. С учетом вышесказанного рассматривались только нормальные на-

пряжения в фунте, возникающие на границе контакта с рабочим наконечником в виде уравнения:

а = У, (19)

где а""- статическое разрушающее напряжение, Па; ?;о5 - коэффициент объемной вязкости грунта, Па-с; у - скорость объёмной деформации, 1/с.

Скорость объемной деформации фунта определялась на основании закона Ньютона, и для рассматриваемой расчетной схемы (рис. 7), представляется выражением:

. 1-,„,(1-А'„ -сскат)

D

ЛСТр.Л

(20)

где у„р- скорость осевой подачи (проходки скважины), м/с; К„ - коэффициент скольжения частиц фунта, учитывающий скольжение частиц грунта вдоль образующей конуса.

В итоге зависимость для определения напряжения (предела прочности), которое необходимо создать для структурных деформаций (течения) грунта при проколе скважины с учётом скорости объёмной деформации фунта, запишется

^ -/Г"" 4-77 -К«'«»«) ,?п

ар-ар +п„б---• (21)

СфД

где - предел прочности фунта при малых скоростях деформирования.

С целью определения усилия вибрационного прокола Р'"6 на преодоление лобового сопротивления было учтено влияние вибрации на изменение физико-механических свойств фунта через коэффициент вибровязкости и предел прочности при вибрационном воздействии:

F'"5 = К„лг2

о-Г + т/я-

^стр.д

Г Ф+<р)

sin «г

где А'л - коэффициент, учитывающий технологический способ образования скважины: прямым ходом или расширением; ег"й- предел прочности фунта при вибрационном воздействии, Па; т]„ - коэффициент вибровязкости, Па-с.

Численный анализ полученной зависимости усилия внедрения вибрационного прокола подтвердил наличие вязких свойств и позволил определить оптимальное значение угла заострения (рис. 10, 11).

Оптимальный угол заострения находится в пределах 20°...30", причём с уменьшением угла внешнего трения фунта угол заострения увеличивается из условия минимального значения усилия внедрения вибрационного наконечника.

О 10 3(1 50 70 90 V мЛ1

пр'

Рис. 10. Зависимость усилия внедрения при вибрационном проколе от скорости проходки для Дстрд = 0.5.к,- г)„ = 1000000 Па-с; к = 6; <р = 0.38рад; а = 039рад; г = 0.09м: супесь: сг™6 =53333Па, Сс =0.0079, п0 =0.39; глина: «г!"6 =100000 Па, С, =0.019, пп =0.41; песок: a'f =26667 Па,

Сс =0.0069, п0 =0.37

К >*н

0 10 20 30 40 а, градус

Рис. 11. Зависимость усилия внедрения при вибрационном проколе от угла заострения конуса вибрационного наконечника: для ЯС1?Д =0.54,11,' Т)а = 1000000Па-с; к =6; у„р =В0л<Л; г = 0.09.«

Мощность вибратора наконечника определялась на основе обеспечения требуемого ускорения колебаний в зоне структурных деформаций для снижения предела прочности и определения присоединенной массы фунта с учётом размеров зоны структурных деформаций и давления грунта от собственного веса:

3

2л-.

Эа„

Ьк

>(23) п.

где Аш«.-максимальная амплитуда колебаний конуса вибрационного рабочего наконечника, м; ач— величина критического ускорения колебаний в фунте на расстоянии дярот оси проходки, м/с2; т,„ - масса вибрационного рабочего наконечника, кг; плотность фунта, кг/м3; />,,,- давление фунта от собственного веса, определяемое глубиной образования скважины относительно дневной поверхности фунта, Па; ц, - КПД привода вибратора.

Совокупность представленных теоретических зависимостей при принятых допущениях представляет собой математическую модель, позволяющую оценить эффективность процесса образования горизонтальных скважин способом вибрационного прокола с колебаниями наконечника перпендикулярно оси проходки через критерий энергоёмкости. Проведенный численный анализ подтвердил правильность принятых теоретических положений, расхождения результатов расчёта по полученным зависимостям с опытными данными не превышают 14 %.

В четвертой главе представлены методика и результаты экспериментальных исследований процесса взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с фунтом, определение влияния конструктивных и режимных параметров на эффективность проходки горизонтальных скважин.

Экспериментальные исследования проводились в два этапа: в лабораторных и полевых условиях.

Результаты экспериментов в лабораторных условиях показали, что для грунтов с большими значениями коэффициентов поглощения энергии эффективность вибрационного воздействия с удалением от источника колебаний снижается в несколько раз по сравнению с фунтами, имеющими меньшие значения коэффициентов поглощения энергии, причём с увеличением частоты колебаний более 3000 об/мин (50 Гц) сфуктурная прочность фунта снижается незначительно. Также было подтверждено, что доминирующее влияние на процесс образования скважин способом вибрационного прокола оказывает ускорение колебаний в зоне уплотнения, интервал эффективных ускорения колебаний составляет (0,1 -0,2^ при наличии тягового усилия, приложенного к наконечнику.

Для глины оптимальное значение частоты колебаний находится в пределах до 2200 об/мин, для супеси и песка - до 3000 об/мин, исходя из

полученных результатов по удельной энергии прокола на максимальном удалении от вибрирующей площадки.

Грунты, используемые при проведении экспериментов, являлись наиболее представительными для рабочего процесса образования горизонтальных скважин и характеризовались следующими параметрами: глина влажность - 25%, п0 =0,41, ар =1МПа; супесь - влажность - 12%, пв =0,4, ар = 0,5 МПа; песок - влажность - 14%, па = 0,38, ар = 0,4 МПа.

Проведение экспериментальных исследований в полевых условиях проводилось по технологической схеме с расширением обратным ходом: первоначально образовывалась пионерная скважина, через которую впоследствии выполнялась протяжка вибрационного расширителя.

Для выполнения второго этапа экспериментальных исследований была создана и изготовлена полномасштабная машина прокола МПУ-16, которая в комплекте с набором штанг, вспомогательного оборудования и вибрационных наконечников представляет установку вибрационного горизонтального прокола. Спроектированная и изготовленная прокалывающая универсальная машина МПУ-16 в настоящее время используется при производстве работ по прокладке коммуникаций водоснабжения диаметром до 200 мм.

Методика экспериментальных исследований второго этапа базировалась на реализации многофакторного ортогонального плана второго порядка для двух переменных: скорости осевой подачи (протяжки) и частоты вращения дебалансов вибратора наконечника, на трёх уровнях варьирования. К числу контролируемых параметров процесса проходки горизонтальной скважины относятся: усилие протяжки вибрационного рабочего наконечника при расширении скважины Г""п, Н; потребляемая мощность вибратора рабочего наконечника Nt„, кВт.

В результате были получены регрессионные зависимости: ДЛЯ глины Р™* = 50810+2283- у„р + 3744-«лб -5065-4, • (24)

ДЛЯ песка Раш6 = 43917 +5205-V,,,, -3196-лд6 -2357-4,. (25)

ДЛЯ глины N„1, =0.657 + 0.058 Улр+ 0.121 -лаб-0.014 +0.011-4- (26)

для песка Л',,, = 0.609 + 0.058 ■ у1|р + 0.131 ■ пл - 0.029 - у,^, + 0.011 . (27)

Проверка полученных моделей на адекватность проводилась по критерию Фишера, в результате чего было определено, что уравнения (24), (25), (26) и (27) описывают протекание рассматриваемых процессов с вероятностью не менее 95% и являются адекватными.

На рис. 12 представлены результаты экспериментов второго этапа, которые показали, что усилие вибрационного прокола линейно зависит от скорости осевой подачи, причем эффективность образования скважины, существенно зависит от частоты колебаний. Так для глины следует считать рациональные частоты в пределах 1800-2000 об/мин, для песка - 2800-3000 об/мин.

Полученные в ходе исследований данные по влиянию режимных параметров на эффективность образования горизонтальных скважин показали достаточно хорошую сходимость теоретических и экспериментальных исследований. Расхождения полученных значений не превышают 15 %.

Усилие внедрения вибрационного наконечника

Мощность вибратора наконечника

•V... кВт

Глина Песок

Рис. 12. Результаты экспериментальных исследований в полевых условиях

Экспериментальные данные позволили произвести оценку эффективности образования скважины по значениям энергоёмкости Н при рациональных режимах процесса по зависимости

1' * и 1 1 т »11 ^

К, -л-а,., -V..

где ЛГЛШ- мощность на образовании пионерной скважины; /V,""6- мощность на преодоление лобового сопротивления и трения напорного или тягового элементов о стенки скважины при вибрационном проколе, Вт; Ыт1 - мощность вибратора наконечника, Вт; К? - коэффициент, учитывающий затраты времени на образование пионерной скважины.

Результаты расчёта энергоёмкости по формуле (28) представлены на

рис. 13.

? 120

| 100

аз 80

£ 60

е

Ъ 40

О

и

| 20

г>

0

о

Рис. 13. Энергоёмкость прог/есса проходки горизонтальных скважин способом вибрационного прокола

Анализ приведенных данных по энергоёмкости позволяет обозначить рациональную область скорости проходки при вибрационном проколе как 75-85 м/ч (0,021-0,024 м/с). Следует отметить, что эффективность работы вибрационного наконечника на песках значительно выше, чем на глинах. Так, при статическом проколе энергоемкость образования скважины в песке в 3 раза выше, чем в глине, а при вибрационном проколе это отношение составляет от 1,5 до 2,5 раз.

В пятой главе приводятся рекомендации по реализации полученных научных результатов, а именно: расчёт параметров вибрационных рабочих наконечников установки для образования горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке коммуникаций, рекомендации по технологии производства работ установкой вибрационного горизонтального прокола (ВГП), включая устройство рабочего и приёмного котлованов, разработаны требования безопасности при работе установкой ВГП.

Расчёт производится в соответствии с блок-схемой (рис. 14).

Блок 1. В качестве исходных документов для расчета задаются следующие параметры: диаметр прокладываемой коммуникации - ; длина проходки - , определяемая длиной перехода при преодолении препятст-

50,25

26,75

• Глина

• Песок

0,01 0,02 0,03

Скорость проходки скважины Упр, м/с

0,04

вия; время, отведенное на выполнение работ по проходке скважины, - Т„р, определяемое заказчиком и проектом производства работ; физико-механические свойства фунта, а именно: ар - предел прочности фунта, характеризующий структурную прочность фунта, Па; /эф- плотность грунта, кг/м3; <р - угол внешнего трения грунта; % - коэффициент затухания колебаний в фунте, 1/м.

Рис. 14. Блок-схема расчёта основных параметров вибрагцюнного рабочего наконечника установки для образования горизонтальных грунтовых скважин

Также в блоке 1 проводят согласование планового времени , отведенного на выполнение работ со скоростью осевой подачи.

Блок 2. Определяется оптимальный угол заострения рабочего наконечника, дающий минимальное сопротивление прокола из анализа результатов работы:

2-(яа = 8т2(а+^), (29)

Блок 3. При известном диаметре вибрационного наконечника г/ и оптимальном угле заострения а определяются основные геометрические размеры вибрационного наконечника: длина конусной части I, вибрационного наконечника; длина цилиндрической части наконечника; размеры корпуса дебалансов.

Блок 4. Определяется радиус структурных деформаций в массиве грунта при коэффициенте, определяющем размеры зоны структурных деформаций по отношению к радиусу рабочего наконечника - к = 5...6, меньшие значения для несвязных грунтов (песчаные), большие для связных (глинистые):

(30)

Блок 5. Определяется оптимальная угловая частота вращения деба-ланса <Уд6. Для эффективного уплотнения фунта в стенки скважины при вибрационном проколе необходимо, чтобы в зоне структурных деформаций радиусом /?стр., создаваемое ускорение колебаний частиц определялось так называемой критической величиной ускорений колебаний, при которой происходит интенсивное течение в фунте. Величину ускорений колебаний следует принимать ак1, =(0.1-0.2)^ , меньшие значения ускорений для глины, большие для песка, амплитуду колебаний лМИ[С =0.8-1мм - для песка, Ашкс = 1.2-1.5мм - для глины, коэффициент поглощения ^=0.1 - для песка, ^ = 0.15 - для глины.

Блок 6. Выполняется проверка условия ащ > а = (0.1 -0.2)# .

Блок 7. В случае невыполнения условия блока 6 производится пошаговое увеличение ускорения колебаний акр на 10-20% до удовлетворения условия возникновения критических ускорений колебаний в зоне структурных деформаций массива фунта.

Блок 8. Определяется присоединенная масса фунта, в объёме которого распространяется энергия колебаний вибратора.

Блок 9. Определяется потребный кинетический момент дебаланса. После подбора вибратора круговых колебаний, устанавливаемого внутри вибрационного наконечника, определяется мощность двигателя необходимая для привода вибратора в блоке 12.

Блок 10. В случае отсутствия необходимого промышленно выпускаемого вибратора или невозможности выбора двигателя по условиям конструктивной компоновки производится расчет геометрических параметров дебаланса виброблока и массы дебаланса.

Масса вибрационного наконечника шВ1, назначается из конструктивных соображений с учётом массы привода и конструктивных элементов корпуса рабочего наконечника. Тип привода дебалансного вибратора должен удовлетворять двум условиям: частота вращения приводного вала в пределах 1500-3000 об/мин и возможность регулирования частоты вращения.

Блок 11. Производится эскизная компоновка дебаланса в корпусе вибрационного рабочего наконечника. В случае невозможности конструктивной компоновки по геометрическим размерам производится изменение эксцентриситета и вновь производится расчёт.

Блок 12. Определяется мощность необходимая для привода вибратора.

Блок 13. Производится проверка компоновки двигателя в вибрационном рабочем наконечнике по геометрическим размерам. При выборе стандартного вибратора по кинетическому моменту со встроенным двигателем и невозможности установки выбранного вибратора в рабочем наконечнике проводится расчёт параметров дебаланса с блока 10.

Блок 14. Определяются усилие, создаваемое напорной станцией для образования лидерной скважины и для внедрения вибрационного наконечника с учётом сопротивлений от трения штанг (трубы) о грунт.

Коэффициент компрессии Сс определяется для каждого типа грунта через компрессионные испытания.

При образовании скважины протяжкой вибрационного наконечника значение коэффициента КЛ принимается равным 1,05-1,15 в зависимости от прочности разрабатываемого грунта.

Значение предела прочности определяется зависимостью

<б=в<т„. (31)

На основе численного анализа зависимости (14) и с учётом результатов исследования рекомендуются следующие значение параметра эффективности вибрационного воздействия: 0 = 0.08-0.1 - для глинистых и 0 = 0.04 - 0.06 для песчаных грунтов.

Блок 15. Подбор насосной станции осуществляется по известным методикам и определяется расходом рабочей жидкости по требуемой скорости проходки и давлением, необходимым для обеспечения требуемого усилия внедрения в грунт. Расчёт металлоконструкции установки, узлов и деталей проводится по существующим методикам строительной механики и деталей машин.

Блок 16. Оформляется произведенный расчёт.

Блок 17. Завершение расчёта.

Результаты исследований и разработанная методика расчёта параметров использованы при создании установки вибрационного горизонтального прокола, которая была отмечена дипломом I степени и Золотой медалью VI Саратовского Салона изобретений, инноваций и инвестиций (апрель 2011).

В разработке требований безопасности при работе установки вибрационного горизонтального прокола вблизи жилых зданий и различных сооружений учитывалась скорость волны от вибрационного рабочего наконечника. На рис. 15 представлена зависимость скорости колебаний от расстояния до различных строительных объектов при коэффициенте поглощения х = 0,1. На основе этого графика можно определить безопасное расстояние при назначении трассы прокладки коммуникации способом вибрационного прокола.

Рис.15. Изменение скорости колебаний от расстояния

В шестой главе представлена оценка экономической эффективности применения установки прокола горизонтальных скважин, имеющей в своём составе вибрационные рабочие наконечники.

Для оценки установок с вибрационными рабочими наконечниками, осуществляющими колебания в плоскости, перпендикулярной оси образуемой скважины, были приняты два основных экономических показателя: стоимость машино-часа и трудозатраты.

Проведенные расчеты составлены на основании «Методических указаний по разработке сметных норм и расценок на эксплуатацию строительных машин и автотранспортных средств» МДС 81-3.99, принятых и введенных в действие с 1 января 2000 года постановлением Госстроя России от 17 декабря 1999 года и «Единым нормам и расценкам на строительные, монтажные и ремонтно-строительные работы», введенным в действие в 1987 г.

Расчет сметной цены машино-часа установки для бестраншейной проходки горизонтальных скважин ВГП и сравнение с прямыми затратами на машино-час установки горизонтального направленного бурения с аналогичными характеристиками показывают, что применение установки ВГП с экономической точки зрения более выгодно, так как её прямые затраты на машино-час в 4.8 раза меньше.

Также было проведено сравнение установки ВГП с установкой статического прокола трубы с условным диаметром 150 мм на расстояние 30 м в фунтах II фуппы. Для этого была составлена калькуляция затрат труда и машинного времени. При этом было принято допущение, что калькуляция затрат не учитывает трудозатраты на отрывку и обратную засыпку котлованов. Анализируя полученные данные расчёта, можно утверждать, что применение установки ВГП даёт снижение затрат труда при проколе скважины длиной 30 м на 30-32 %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПО РАБОТЕ

В диссертационной работе осуществлено научное обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с фунтом при образовании горизонтальных скважин и решение важной научно-технической проблемы повышения эффективности работы машин для образования горизонтальных скважин в грунте, за счёт интенсификации процесса уплотнения грунта вибрационным наконечником машины через разделение подведённой энергии на осевую подачу и в зону структурных деформаций в массиве грунта на основе разработанной теории процесса взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с фунтом, позволяющей учитывать процессы снижения структурной прочности грунта под воздействием энергий колебаний при различных эксплуатационных и фунтовых условиях.

Основные выводы и результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Анализ существующих способов и средств образования горизонтальных скважин способом прокола показывает, что наибольшая эффективность рабочего процесса обеспечивается при рациональном разделении подведённой энергии на осевую подачу и вибрацию рабочего наконечника в плоскости перпендикулярной оси скважины. Развитие таких машин сдерживается отсутствием методов расчёта параметров вибрационных рабочих наконечников, учитывающих процесс их взаимодействия с грунтом.

В существующих теоретических положениях не учитывается характер напряжённо-деформированного состояния фунта и его изменение при внедрении вибрационного рабочего наконечника, что приводит к необоснованному выбору направления вибрационного воздействия и параметров рабочих наконечников при проектировании, и созданию малоэффективного оборудования вибрационного прокола фунтов для бестраншейной прокладки коммуникаций.

2. Разработанная теория процесса взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с грунтом учитывает изменение напряженно-деформированного состояния фунта под энергетическим воздействием вибрационного наконечника. Установлено, что при внедрении рабочего наконечника напряжения в массиве фунта определяются изменением по-

ристости в зоне структурных деформаций грунта в соответствии с компрессионной кривой. Установлено, что на величину усилия внедрения вибрационного прокола определяющее влияние оказывают: угол заострения конуса наконечника (а), физико-механические свойства фунта с учётом вибрационного воздействия (а™6, ца, <р) и скорость осевой подачи при внедрении в фунт. В диапазоне скорости осевой подачи от 10 до 100 м/ч усилие вибрационного прокола увеличивается от 15 до 54 %, что определяет необходимость учёта вязких свойств грунта при внедрении рабочего наконечника. Оптимальный угол заострения вибрационного рабочего наконечника составляет 20.. .30°.

3. Теоретически обосновано снижение структурной прочности (предела прочности) фунта в зоне структурных деформаций массива фунта при внедрении вибрационного рабочего наконечника за счёт распространения энергии колебаний с учётом диссипативных свойств фунта, объёма активной зоны колебаний и режимных параметров процесса. Установлено, что снижение предела прочности фунта составляет от 3 до 35 раз, причём меньшим пределам снижения прочности фунта соответствуют большие значения коэффициента поглощения энергии колебаний.

4. Проведённые экспериментальные исследования в лабораторных и полевых условиях подтвердили эффективность способа образования скважин вибрационным рабочим наконечником с колебаниями перпендикулярно оси образуемой скважины. Полученные в результате экспериментов математические модели описывают протекание процесса образования скважин способом вибрационного прокола с вероятностью не менее 95% и являются адекватными. Экспериментально определены рациональные значения частоты вращения дебаланса вибратора, которые для глины составляют 1800...2000 об/мин, для песка 2500...3000 об/мин; рациональная скорость осевой подачи вибрационного рабочего наконечника 75-85 м/ч.

Результаты экспериментальных исследований удовлетворительно совпадают с результатами численного анализа (расхождения в пределах 15%), что подтверждает теоретические положения данной работы о возможности повышения эффективности работы машин для образования горизонтальных скважин путем применения вибрационных рабочих наконечников с колебаниями перпендикулярно оси образуемой скважины.

5. Обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований позволило разработать инженерную методику расчёта параметров установки для образования горизонтальных скважин способом вибрационного прокола при бестраншейной прокладке коммуникаций, которая обеспечивает образование скважин с энергоёмкостью 23,5-101,0 МДж/м3.

6. Полученные количественные результаты показывают, что вибрационные рабочие наконечники, выбор конструктивных и режимных параметров которых проведён с учётом их влияния на напряженно-

деформированное состояние грунта и изменение его физико-механических свойств в зоне структурных деформаций, целесообразно применять для образования горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке коммуникаций, так как это приводит к снижению энергоёмкости на 80...85% по сравнению с традиционными установками вибрационного прокола, снижению трудозатрат на 30...32 % по сравнению со статическим проколом и снижению стоимости машино-часа установки в 4,5-5 раз по сравнению с установками горизонтально-направленного бурения.

Положения диссертации опубликованы в следующих работах: Научные издания из перечня ВАК РФ

1. Земсков В.М. Обоснование методики расчета параметров установок для вибробурения скважин / В.М.Земсков, А.А.Карошкин // Изв. ТулГУ. Подъемно-транспортные машины и оборудование. - Тула, 1999,- Вып. 2. - С. 101-105.

2. Земсков В.М. Определение момента сопротивления вращению фрезы при уплотнении грунта в стенки скважины / В.М.Земсков // Изв. ТулГУ. Подъемно-транспортные машины и оборудование. - Тула, 2003. - Вып.4. - С. 90-94.

3. Земсков В.М. Анализ исследований лобового сопротивления при бестраншейной прокладке трубопроводов методом прокола / В.М.Земсков, A.B. Судаков II Изв. Тул. ГУ. Подъемно-транспортные машины и оборудование. - Тула, 2004.-Вып.5.-С. 35-38.

4. Земсков В.М. Определение осевого сопротивления внедрению виброра-скатывающего рабочего наконечника установки / В.М.Земсков, П.В. Егоров // Изв. ТулГУ. Подъемно-транспортные машины и оборудование. - Тула, 2009. -Вып. 2.-С. 21-25.

5. Земсков В.М. Определение мощности устройства для вибропрокола горизонтальной скважины в грунте / В.М.Земсков, И.С.Михельсон, Н.В.Краснолудский // Вестник СГТУ. - Саратов, 2009. - Вып.1. - С. 47-52.

6. Земсков В.М. Определение параметров вибрационного инструмента для проходки горизонтальных скважин / В.М.Земсков, Н.В. Краснолудский, И.С. Михельсон // Строительные и дорожные машины,- 2010. - №9.- С.3133.

7. Земсков В.М. Определение усилия внедрения рабочего наконечника бестраншейной прокалывающей машины / В.М.Земсков // Вестник СГТУ. - Саратов, 2010,- Вып. 3 (48). - С. 188-194.

8. Земсков В.М. Результаты экспериментальных исследований вибропрокола горизонтальных скважин / В.М.Земсков, Н.В.Краснолудский // Механизация строительства.- 2010. - №12. - С. 19-23.

9. Земсков В.М. Математическая модель процесса взаимодействия вибрационного инструмента бестраншейной машины с грунтом / В.М.Земсков // Мир транспорта и технологических машин. - Орёл, 2011. - Вып.1(32). - С. 62-70.

10. Земсков В.М. Выбор модели грунта для исследования процесса вибропрокола при бестраншейной прокладке коммуникаций / В.М.Земсков, И.С. Михельсон // Вестник СГТУ. - Саратов, 2011,- Вып.1(52). - С. 188-194.

11. Земсков В.М. Производство работ при бестраншейной прокладке коммуникаций установкой вибрационного горизонтального прокола / В.М. Земсков,

H.B. Краснолудский // Мир транспорта и технологических машин. - Орёл, 2011. — Вып.2(33). - С. 77-86.

12. Земсков В.М. Моделирование движения вибрационного наконечника для проходки горизонтальных скважин / В.М.Земсков // Вестник СГТУ -Саратов, 2011№ 2 (56). Вып. 2. - С. 57-62.

Монографии

13. Земсков В.М. Теоретические основы взаимодействия рабочего наконечника с грунтом при проколе горизонтальных скважин / В.М.Земсков. - Саратов: СГТУ, 2010. - 104 с. ISBN 978-5-7433-2213-8.

14. Земсков В.М. Повышение эффективности проходки горизонтальных скважин способом вибрационного прокола / В.М.Земсков, Н.В. Краснолудский. -Саратов: СГТУ, 2011. - 120 с. ISBN 978-5-7433-2384-5.

Работы, опубликованные в международных сборниках

15. Карошкин A.A. Анализ применимости виброприводов в машинах для содержания дорог / А.А.Карошкин, В.М.Земсков // Межвуз. сб. тр. Харьковского ГАЖТ. - Харьков, 1997.- Вып.30. - С. 18-20.

16. Земсков В.М. Повышение эффективности проходки горизонтальных скважин способом вибрационного прокола / В.М.Земсков, Н.В.Краснолудский, И.С.Михельсон [Электронный ресурс] // «Международная конференция и выставка по бестраншейным технологиям NO-DIG Москва (1-3 июня 2010)»: сборник докладов конференции. - М„ 2010. - 1 электрон.-опт. диск. (CD-ROM)/

Работы, опубликованные в других изданиях

17. Карошкин A.A. Критерии оптимизации способов и средств прокладки коммуникаций / A.A. Карошкин, В.М. Земсков // Региональные особенности развития машино- и приборостроения, проблемы и опыт подготовки кадров: сб. тр. I Всерос. науч.-метод. конф. - Саратов: СГТУ , 2000,- С. 241-243.

18. Земсков В.М. Обоснование методики расчета мощности установок горизонтального бурения / В.М. Земсков // ИНТЕРСТРОЙМЕХ - 2001: тр. Между-нар. науч.-техн. конф. - СПб: СПбГТУ, 2001,- С. 143-145.

19. Земсков В.М. Исследование параметров вибропривода установок горизонтального бурения / В.М.Земсков // Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин: сб. тр. науч.-техн. конф. - Астрахань: Астра-хан. гос. ун-т, 2002. - С. 86-89.

20. Земсков В.М. Определение силовой характеристики вибропривода установок горизонтального бурения / В.М.Земсков // Перспективы развития подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин: сб. тр. Междунар. науч.-метод. конф - Саратов: СГТУ, 2002,-С.81-84.

21. Земсков В.М. Методика инженерного расчёта вибробурильной установки для бестраншейной прокладки трубопроводов / В.М. Земсков, A.A. Карошкин // Проблемы прочности и надежности строительных и машиностроительных конструкций: межв. сб. науч. тр. / СГТУ. - Саратов, 2005. - С. 263-270.

22. Земсков В.М. Постановка задач по теоретическому исследованию процесса вибропрокола горизонтальных скважин / В.М. Земсков И Совершенствование конструкций и методов расчёта строительных и дорожных машин и технологий производства работ: межвуз. сб. науч. тр. / СГТУ. - Саратов, 2006. - С. 69-72.

23. Земсков В.М. Критерий и целевая функция оптимального выбора вибропривода установки горизонтального бурения / В.М.Земсков, И.С.Михельсон //

«Математическое моделирование, оптимизация технических, экономических и социальных систем»: межвуз. сб. науч. тр. - Саратов, 2007. - С. 51-54.

24. Земсков В.М. Классификация способов бестраншейной прокладки коммуникаций / В.М.Земсков, П.В.Егоров // Научно-технический сборник. №40 / УВВТУ. - Ульяновск, 2008. - С. 61-67.

25. Земсков В.М. Исследования взаимодействия вибрирующего наконечника с грунтом при бестраншейной прокладке коммуникаций способом прокола / В.М.Земсков, П.В.Егоров // Межвуз. сб. науч.-техн. ст. Вып. 23. - Вольск: ВВВУТ (ВИ), 2008. - С. 152-153.

26. Земсков В.М. Устройство для бестраншейной прокладки коммуникаций способом виброраскатки / В.М.Земсков, П.В.Егоров // Дороги и мосты,-2008.-№5-6,-С. 24-25.

27. Земсков В.М. Критерии оптимизации при выборе оборудования для бестраншейной прокладки коммуникаций / В.М.Земсков, И.С.Михельсон II САПР и автоматизация производства: сб. науч. тр. 1 регион, науч.-техн. конф. -Саратов, 2009.-С. 150-155.

28. Земсков В.М. Разработка установки для вибропрокола горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке трубопроводов У В.М.Земсков, И.С. Ми-хельсон, Н.В. Краснолудский // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: сб. материалов Всерос. науч.-практ. конф. молодых учёных. - Саратов, 2009.-С. 164-167.

29. Земсков В.М. Методика инженерного расчёта параметров вибрационного наконечника установки для проходки горизонтальных скважин способом прокола / В.М. Земсков, А.В. Краснолудский, Н.В. Краснолудский // Мир транспорта и технологических машин. - Орёл, 2010. - Вып. 1(28). - С. 70-76.

30. Земсков В.М. Предпосылки для создания новых конструкций установок для бестраншейной прокладки трубопроводов методом вибропрокола / В.М. Земсков, Н.В. Краснолудский, И.С.Михельсон // Мир транспорта и технологических машин. - Орёл, 2010. - Вып. 4(31). - С. 66-76.

31. Земсков В.М. Экологические аспекты применения вибропрокола горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке коммуникаций / В.М.Земсков, И.С.Михельсон II Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств»: сб. статей. - Пенза, 2010. - С. 38-41.

32. Земсков В.М. Методика инженерного расчёта параметров виброраска-тывающего рабочего наконечника установки для бестраншейной прокладки трубопровода / В.М.Земсков // Механики XXI веку: сб. докл. IX Всерос. науч.-техн,-конф. с междунар. участием. - Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2010. - С. 27-30.

33. Земсков В.М. Эффективные конструкции рабочего наконечника установки для бестраншейной прокладки коммуникаций способом вибропрокола / В.М. Земсков, Н.В. Краснолудский / Механики XXI веку: сб. докл. IX Всерос. науч.-техн.-конф. с междунар. участием. - Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2010. - С. 22-26.

34. Земсков В.М. Эффективные конструкции бестраншейных машин для прокладки коммуникаций способом вибропрокола / В.М. Земсков, И.С. Михель-сон, Н.В. Краснолудский // Молодёжь, наука, инновации: сб. статей. - Пенза, 2010-2011.-С. 274-279.

35. Земсков В.М. Прокалывающая машина МПУ-16 для бестраншейной прокладки коммуникаций / В.М. Земсков, Н.В. Краснолудский II Информацион-

ные технологии, системы автоматизированного проектирования и автоматизация: сб. науч. тр. II Всерос. науч.-техн. конф. - Саратов: СГТУ, 2010. - С.265-269.

36. Земсков В.М. Определение мощности на привод вибратора рабочего наконечника установки для прокола горизонтальных скважин / В.М. Земсков, Н.В. Краснолудский, И.С. Михельсон // Совершенствование конструкций и методов расчёта строительных, дорожных машин, машин для природообустройства и технологий производства работ: сб. науч. тр. - Саратов: СГТУ, 2010. -С.12-19.

37. Земсков В.М. Оборудование для бестраншейной прокладки коммуникаций способом вибрационного прокола / В.М. Земсков, Н.В. Краснолудский // Шестой Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций: в 2 ч. - Ч. 1. -Саратов: Сарат. ГАУ, 2011. - С. 224-226.

38. Земсков В.М. Прокол вместо траншеи / В.М. Земсков, Н.В. Краснолудский // Инновации + паблисити,- 2011. - №2.- С. 26-27.

Патенты

39. Пат. 2190728 Российская Федерация, МПК Е 02 F 5/18. Устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов методом прокола / Ромакин Н.Е., Ро-макин Д.Н., Земсков В.М.; заявл. 05.03.01; опубл. 10.10.02. Бюл. №28.

40. Пат. № 2193628 Российская Федерация, МПК Е 02 F 5/18. Установка горизонтального бурения / A.A. Карошкин, В.М. Земсков. - №98111434/03; заявл. 15.06.98; опубл. 27.11.02. Бюл. № 33.

41. Пат. 2238370 Российская Федерация, МПК Е 02 F 5/18. Устройство для образования скважин в фунте / Ромакин Н.Е., Ромакин Д.Н., Земсков В.М.; №2003103666/03; заявл. 06.02.03; опубл. 20.10.04. Бюл. №29.

42. Пат. 2256034 Российская Федерация, МПК Е 02 F 5/18. Устройство для образования скважин в грунте / Ромакин Н.Е., Ромакин Д.Н., Земсков В.М.; №2003118415/03; заявл. 18.06.03; опубл. 20.12.04. Бюл. №19.

43. Пат. 73676 Российская Федерация, МПК Е 02 F 5/12. Устройство для образования лидерных скважин в грунте методом прокола / Ромакин Н.Е., Земсков В.М.; №2008101208/2; заявл. 09.01.08; опубл. 27.05.08. Бюл. №15.

44. Пат. № 2342495 Российская Федерация, МПК E02F 5/18. Установка горизонтального бурения / A.A. Карошкин, В.М. Земсков, И.С. Михельсон; №2007116901/03; заявл. 04.05.07; опубл. 27.12.08. Бюл..№ 36.

45. Пат. 88694 Российская Федерация, МПК E02F 5/18. Устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов способом прокола / Ромакин Н.Е., Земсков В.М., Егоров П.В.; №2008130009/22; заявл. 21.07.08; опубл. 20.11.09. Бюл.№32.

46. Пат. 2395645 Российская Федерация, МПК E02F 5/18. Устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов способом прокола / Ромакин Н.Е., Земсков В.М.; №2009110683/03; заявл. 23.03.09; опубл.27.07.10. Бюл. №21.

Подписано в печать 25.07.11 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,86 (2,0) Уч.-изд. л. 1,8

Тираж 100 экз. Заказ 201 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА В ОБЛАСТИ ПРОХОДКИ

ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН СПОСОБОМ ПРОКОЛА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Характеристика и область применения способа прокола 15 для проходки горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке коммуникаций

1.2. Классификация способов прокола для проходки 18 горизонтальных скважин

1.3. Анализ конструкций устройств для проходки 25 горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке коммуникаций способом прокола

1.4. Анализ теоретических и экспериментальных работ, 47 выполненных в области исследований процесса прокола горизонтальных скважин

1.4.1. Анализ работ выполненных в области статического прокола 47 Описание физического процесса взаимодействия 47 рабочего наконечника с грунтом

Распределение напряжений в зоне уплотнения и определение зоны уплотнения

Формы рабочего наконечника при проколе

Определение лобового сопротивления внедрению конусного рабочего наконечника

1.4.2. Анализ работ, выполненных в области виброударного прокола

1.4.3. Анализ работ, выполненных в области вибрационного прокола

1.5. НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОХОДКИ 74 ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 2. НАУЧНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ПРОХОДКИ СКВАЖИН СПОСОБОМ ПРОКОЛА

2.1. Системный анализ машин для проходки горизонтальных скважин способом прокола при бестраншейной прокладке коммуникаций

2.2. Грунт как среда взаимодействия с рабочим инструментом прокалывающих машин

2.2.1. Физико-механические свойства грунтов:

2.2.2. Анализ влияния динамического воздействия на.грунт

2.3. Анализ факторов, влияющих на эффективность работы, вибрационных рабочих наконечников; для образования горизонтальных скважин

2.4. Технологические схемы работы оборудования для проходки горизонтальных скважин способом вибрационного прокола при бестраншейной прокладке коммуникаций

2.5; Общаяшрограммах^методика исследований; 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАБОЧЕГО НАКОНЕЧНИКА С ГРУНТОМ ПРИ ВИБРАЦИОННОМ ПРОКОЛЕ 3.1. Физическая картина процесса взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с грунтом 3:2. Вибрационное воздействие рабочего наконечника на грунт

3.2.1. Определение работы- при образовании скважины способом; вибрационного прокола

3.2.2. Метод исследования процесса распространения энергии колебаний в грунте

3.2.3. Предпосылки для применения закона теплопередачи при исследовании процесса распространения энергии колебаний в грунте

3.2.4. Дифференциальное уравнение распространения энергии колебаний в грунте

3.3. Уплотнение грунта при образовании скважины

3.3.1. Определение усилия прокола

3.3.2. Определение мощности деформирования грунта 135 при образовании горизонтальной скважины

3.3.3. Определение напряжений в грунте

3.4. Определение усилия вибрационного прокола на преодоление 142 лобового сопротивления грунта

3.5. Определение мощности на привод вибратора 144 рабочего наконечника

3.6. Модель движения вибрационного рабочего наконечника 152 в грунтовой скважине

3.7. Численный анализ результатов теоретических исследований 157 процесса вибрационного прокола

3.7. Выводы по главе

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАБОЧЕГО НАКОНЕЧНИКА С ГРУНТОМ ПРИ ВИБРАЦИОННОМ ПРОКОЛЕ

4.1. Описание экспериментальной установки и методика 169 проведения экспериментов на первом этапе исследований

4.2. Результаты экспериментальных исследований 178 первого этапа

4.3. Описание экспериментальной установки и методика 184 проведения экспериментов на втором этапе исследований

4 .'4. Результаты экспериментальных исследований второго этапа

4.5. Выводы по главе

5. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1. Определение параметров рабочего наконечника установки для 204 проходки горизонтальных скважин способом вибрационного прокола

5.2.Технология производства работ

5.3. Устройство рабочего и приёмного котлованов

5.4. Техника безопасности при прокладке коммуникаций установкой 231 вибрационного горизонтального прокола

6. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ 236 ПРИМЕНЕНИЯ УСТАНОВКИ С ВИБРАЦИОННЫМ РАБОЧИМ НАКОНЕЧНИКОМ

6.1. Техническая информация и исходные данные для расчета

6.2. Расчет технико-экономических показателей установки ВГП для 238 проходки горизонтальных скважин

6.3. Основные аспекты бизнес-плана по коммерциализации 246 разработанной установки вибрационного горизонтального прокола Основные выводы 254 Библиографический список 4 257 Приложения 275 Акты внедрения 276 Патенты 281 Численный анализ 294 Конструктивный вариант рабочего наконечника

Актуальность работы. Современные города оснащены сложными системами инженерных подземных коммуникаций. Рост российских городов вызывает постоянный спрос на прокладку и ремонт трубопроводов канализации, газо- и водоснабжения, связи, что определяется как значительным износом в 7080 % существующих коммуникаций, так и растущими потребностями промышленных предприятий, сферы ЖКХ, различных нужд городского хозяйства. На сегодняшний день в передовой зарубежной практике 95% объема работ по прокладке и реконструкции подземных инженерных коммуникаций производится бестраншейными методами, что позволяет снизить затраты на проведение ремонта трубопроводов на 10-40% (в зависимости от их диаметра). Более того, во многих крупных зарубежных городах прокладка инженерных коммуникаций открытым способом уже запрещена.

Ремонт или прокладка инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин и наличия? на поверхности различных препятствий обуславливают необходимость создания технических средств, обеспечивающих образование горизонтальных выработок с минимальными затратами, сохранением природного ландшафта и исключением техногенного воздействия на окружающую среду. Анализ типоразмера инженерных коммуникаций РФ показывает, что 70% подземных трубопроводов имеют диаметр до 300 мм.

В значительной степени этим условиям и такому типоразмеру коммуникаций отвечают бестраншейные машины, реализующие технологию прокладки коммуникаций методом статического прокола. Способ статического прокола наиболее простой с конструктивной точки зрения и дешевый с экономической, кроме того при проколе обеспечивается сохранение устойчивости и целостности грунтового массива и стенок скважины. Несмотря на свою конструктивную и технологическую простоту, он имеет ряд существенных недостатков: большие напорные усилия, низкую точность проходки. Одним из путей повышения эффективности процесса бестраншейной прокладки трубопроводов способом прокола является применение вибрации или удара. Существующие устройства для прокола с использованием динамического интенсификатора можно разделить на две'основные группы.

Первая группа - это устройства, образующие скважины путем вдавливания грунта в стенки скважины рабочим наконечником, на который кроме статической нагрузки действует вибрационная, создающая осевые колебания наконечника с трубой или только наконечника.

Вторая группа устройств осуществляет вдавливание грунта в стенки образуемой скважины рабочим наконечником посредством удара.

Важным технико-экономическим показателем способов бестраншейной прокладки коммуникаций является энергоёмкость процесса проходки горизонтальных скважин, который используется для оценки экономии энергетических затрат [1]. Для вибрационных и виброударных машин, осуществляющих прокол с динамическим воздействием в осевой плоскости, в работе [2] представлены значения энергоёмкости проходки, которая имеет значения для виброударной5 прокалывающей машины ЭВУ 21,3 МДж/м3, для вибрационных машин УВП-1 и УВП-2 энергоёмкость проходки- составляет от о о

215,4 МДж/м до 186,7 МДж/м . Следует отметить, что указанные значения энергоёмкости проходки значительно превышают требуемую энергию для формирования скважины. Так в работе [3] показано, что существующее оборудование имеет оценочный показатель «КПД формирования скважины» не более 7%. Большие значения энергоёмкости проходки скважин указанными способами и невысокие значения КПД формирования скважины делают актуальным поиск новых эффективных решений по интенсификации процесса образования горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке комму никаци й.

Значительный вклад в теорию и создание машин и методов статического и вибрационного прокола внесли многие ученые. Наиболее значительные теоретические и экспериментальные исследования по изучению процесса уплотнения грунта при образовании скважин способом прокола и внедрению деформаторов в грунт содержат работы Н.В.Васильева, И.С.Полтавцева, Н.Я.Кершенбаума, В.И.Минаева, Г.Н.Пестова, А.С.Вазетдинова, О.А.Савинова, А.Я.Лускина, ДА.Котнжова, В.К.Тимошенко, Н.Е.Ромакина, Д.Д.Баркана, А.Н.Зеленина, К.К.Тупицына, Д.Н.Ешуткина, Н.Я.Хархуты, В.К.Свирщевского, А.Н.Ряшенцева, И.И.Блехмана, Х.Б.Ткача и других, как российских, так и зарубежных учёных.

Несмотря на значительные теоретические и экспериментальные исследования в области прокола горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке коммуникаций, вопросы повышения эффективности образования горизонтальных скважин, направленные на снижение энергетических, финансовых и трудовых затрат, все еще требуют дальнейшего решения.

Диссертационная работа соответствует научному направлению кафедры «Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины» БИТТУ (филиал) ФГОУ ВПО «СГТУ» - 13.В.02 «Разработка научных основ оптимального проектирования подъёмно-транспортных, строительных, дорожных и коммунальных машин», (рег.№01201001326, ФГНУ «ЦИТиСОИВ»).

Отдельные разделы диссертационного исследования выполнялись в рамках г/б НИР по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие потенциала высшей школы» (мероприятие 2: «Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук. Научно-методическое обеспечение развития инфраструктуры ВУЗовской науки» (приказ СГТУ №88-П от 28.01.2009 г.) по теме «Развитие теории оптимального проектирования подъёмно-транспортных, строительных и дорожных машин».

Цель работы. Повышение эффективности работы бестраншейных машин для прокола грунта, имеющих в своём составе вибрационные рабочие наконечники, путём обоснования их рациональных конструктивных и режимных параметров на основе разработанной теории процесса взаимодействия вибрационных наконечников с'грунтом, учитывающей изменение напряженно-деформированного состояния грунтов под энергетическим воздействием вибрационных наконечников.

Указанная цель определила следующие задачи исследования:

1. На основе системного анализа процесса образования горизонтальных скважин, характеризующего взаимодействие вибрационных рабочих наконечников с грунтом, сформировать научно обоснованные предпосылки повышения эффективности их работы.

2. Разработать теорию процесса взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с грунтом, учитывающую изменение напряженно-деформированного состояния- грунта под энергетическим воздействием вибрационного наконечника, и установить влияние на это изменение физико-механических свойств грунта и режимных параметров вибрационного наконечника.

3. Исследовать влияние конструктивных и режимных параметров вибрационного рабочего наконечника с учётом физико-механических свойств грунта на напряженно-деформированное состояние грунта и определить диапазон рациональных значений параметров вибрационного наконечника.

4. Установить зависимости эффективной реализации процесса образования горизонтальных скважин в грунте от энергетических параметров вибрационного рабочего наконечника на основе экспериментальных исследований и подтвердить основные результаты, полученные в теоретических исследованиях.

5. Обобщить результаты теоретических и экспериментальных исследований с разработкой инженерной методики расчёта параметров вибрационного рабочего наконечника установки для образования горизонтальных скважин способом вибрационного прокола при бестраншейной прокладке коммуникаций.

6. Провести оценку эффективности процесса* образования горизонтальных скважин способом вибрационного прокола по критериям энергоёмкости и экономической целесообразности применения предлагаемого способа вибрационного прокола.

Основная научная идея работы заключается в интенсификации процесса уплотнения грунта вибрационным рабочим наконечником машины для образования горизонтальных скважин за счёт рационального разделения подведённой энергии на осевую подачу и вибрацию рабочего наконечника в плоскости перпендикулярной оси скважины, при рациональных соотношениях значений усилия прокола: и скорости осевой подачи по критерию минимальной энергоёмкости.

Объект исследования - процесс взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с грунтом при образовании горизонтальных скважин.

Предмет исследования - вибрационные рабочие наконечники, бестраншейных машин для образования^горизонтальных скважин в грунте.

Методологическая основа исследований - комплексный подход, включающий: научный анализ и, обобщение опыта в. области обрахования горизонтальных скважин, способом прокола, общие законы, и методы механики грунтов и теории: уплотнения' грунтов; дифференциальное и интегральное исчисление, математическое моделирование процесса образования горизонтальных ' : скважин с проведением- численного анализа, экспериментальные исследования, основанные на применении методов теории планирования и статистической обработки результатов эксперимента.

Контроль, дрстоверности получаемых результатов осуществлялся сопоставлением результатов аналитического исследования? с данными экспериментов и» математического моделирования;

Научные положения, выносимые на защиту:

1. При образовании горизонтальных скважин способом вибрационного прокола наибольшая эффективность рабочего процесса обеспечивается при рациональном; разделении подведённой энергии на осевую подачу и вибрацию рабочего наконечника в плоскости, перпендикулярной оси скважины.

2. Теоретические основы взаимодействия, вибрационного рабочего наконечника с грунтом, описывающие изменение напряженно-деформированного состояния грунта под энергетическим воздействием вибрационного рабочего наконечника и позволяющие установить влияние на это изменение физико-механических свойств грунта, конструктивных и режимных параметров вибрационного рабочего наконечника.

3. Определение влияния диссипативных свойств грунта, объёма активной зоны колебаний и режимных параметров вибрационного рабочего наконечника на снижение структурной прочности (предела прочности) грунта в зоне структурных деформаций.

4. Экспериментальная оценка влияния колебаний вибрационного рабочего наконечника в плоскости, перпендикулярной оси скважины, на процесс образования скважины, эффективность которого» зависит от амплитудно-частотных параметров колебаний' и скорости осевой подачи вибрационного рабочего наконечника.

5. Снижение массы и. габаритов установки для образования горизонтальных скважин за счёт выбора конструктивных и режимных параметров вибрационного рабочего наконечника и их рациональных соотношений.

Новизна.научных положений состоит в том, что:

- разработанная» математическая модель взаимодействия, вибрационного наконечника с грунтом отличается от известных тем, что- базируется на реологической модели с упруго-пластично-вязкими свойствами грунта и позволяет установить взаимосвязь скорости осевой подачи, амплитудно-частотных параметров колебаний и физико-механических свойств грунта;

- установленная закономерность пространственно-временного изменения энергии колебаний при её распространении в массиве грунта с учётом увеличения фронта волны и диссипативных свойств грунта позволяет впервые определить снижение структурной прочности грунта и тем самым оценить эффективность вибрационного воздействия на грунт;

- установленная закономерность изменения усилия вибрационного прокола отличается от известных тем, что учитывает изменение пористости грунта в зоне структурных деформаций массива грунта на основе уравнения компрессионной кривой, скорости осевой подачи« и физико-механических свойств грунта;

- разработанная методика инженерного расчёта отличается тем, что позволяет определить параметры вибрационного рабочего наконечника установки для образования горизонтальных скважин способом вибрационного прокола из условия минимизации энергетических и финансовых затрат при образовании горизонтальных скважин;

- новизна устройств для образования горизонтальных скважин способом вибрационного прокола при бестраншейной прокладке коммуникаций, для которых общим является распространение энергии колебаний наконечника в плоскостях перпендикулярных оси проходки, подтверждена 5 патентами.

Практическая значимость работы.

Практическое значение работы, заключается* в том, что разработанная в исследовании методика расчёта рациональных конструктивных и режимных параметров установки вибрационного прокола создаёт основу для проектирования и создания высокоэффективного оборудования для бестраншейной прокладки коммуникаций, осуществляющего образование горизонтальных скважин вибрационным рабочим наконечником с разделенным энергетическим потоком.

Личный вклад авторазаключается в обобщении известных результатов, в формулировании общей-идеи, цели и задач работы, выполнении теоретических и экспериментальных исследований, анализе и обобщении их результатов, в разработке алгоритма расчёта параметров установки вибрационного прокола, в разработке новых технических решений.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается соблюдением методов математического моделирования; выбором, соответствующих тематике исследования, апробированных методов математического анализа и научных исследований; выбора доказательств, базирующихся на законах механики грунтов и теории уплотнения грунтов; хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований (их расхождение не превышает 15%). Принятые допущения не противоречат физике рассматриваемого процесса и являются общепринятыми при решении аналогичных задач.

Реализация < результатов работы. Техническая документация на оборудование для- бестраншейной прокладки коммуникаций способом вибрационного прокола передана ОАО «СНПЦ «РОСДОРТЕХ», г. Саратов для подготовки к выпуску новой техники. В конструкторском бюро специальной техники ОАО «ТяжМаш», г. Сызрань внедрена методика инженерного расчета рациональных конструктивных и режимных параметров вибрационного рабочего наконечника для проходки горизонтальных скважин способом вибрационного прокола. Техническая документация и опытные образцы вибрационных рабочих наконечников переданы ЗАО «Информ», г. Балаково для практического использования при проведении работ по строительству подземных коммуникаций.

Результаты исследований используются в учебном процессе в рамках специальных дисциплин: «Строительные и дорожные машины», «Коммунальные машины и оборудование». В курсовом и дипломном проектировании при подготовке специалистов-по специальности «Подъёмно-транспортные машины, строительные, дорожные машины и оборудование» используются результаты диссертационной работы, полученные зависимости для определения усилия прокола установки с вибрационным рабочим наконечником, полученные экспериментальные данные для проведения лабораторных работ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на:

Всероссийских научно-практических и- научно-технических конференциях: «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, СГТУ, 2009), «Информационные технологии, системы автоматизированного проектирования и автоматизация» (Балаково, БИТТУ, 2009,2010), «Механики-XXI веку» (Братск, 2010),

- Международных конференциях: научно-практическая конференция «Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств» (Пенза, 2010), научная заочная конференция «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2010), научно-практическая интернет-конференция «Молодежь. Наука. Инновации» (Пенза, 2010-2011)

- Международной конференции по бестраншейным технологиям NO-DIG Москва (Москва, 2010).

- на заседании кафедры «Подъёмно-транспортные, строительные и дорожные машины» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ в 2011 году.

Разработка «Оборудование для бестраншейной прокладки коммуникаций способом вибрационного прокола» была отмечена дипломом I степени и-Золотой медалью VI Саратовского Салона изобретений, инноваций и инвестиций (апрель, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 научных работ, в том числе 2 монографии, получено 6 патентов на изобретение, 2 патента на полезную модель. Из указанного числа работ 12 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы из 172 наименований, приложения. Общий объём диссертации составляет 307 страниц, в том числе 274 страниц основного текста, 104 рисунка, 26 таблиц, 34 стр. приложений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе осуществлено научное обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с грунтом при образовании горизонтальных скважин и решение важной научно-технической проблемы повышения эффективности работы машин для образования горизонтальных скважин в грунте, за счёт интенсификации процесса • уплотнения грунта вибрационным наконечником машины через разделение подведённой энергии на осевую подачу и в зону структурных деформаций в массиве грунта на основе разработанной теории процесса взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с грунтом, позволяющей учитывать процессы снижения структурной прочности- грунта под воздействием энергий колебаний при различных эксплуатационных и грунтовых условиях. Основные выводы и результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Анализ существующих способов и средств образования горизонтальных скважин способом прокола свидетельствует о перспективности развития бестраншейных машин с вибрационным рабочим наконечником, особенностью которых является распространение энергии колебаний в перпендикулярном относительно оси проходки направлении. Развитие таких машин сдерживается отсутствием методов расчёта параметров вибрационных рабочих наконечников, учитывающих процесс их взаимодействия с грунтом. В существующих теоретических положениях не учитывается характер напряжённо-деформированного состояния грунта и его изменение при внедрении вибрационного рабочего наконечника, что приводит к необоснованному выбору направления вибрационного воздействия и параметров рабочих наконечников при проектировании, и созданию малоэффективного оборудования вибрационного прокола грунтов для бестраншейной прокладки коммуникаций.

2. Разработанная теория процесса взаимодействия вибрационного рабочего наконечника с грунтом учитывает изменение напряженно-деформированного состояния грунта под энергетическим воздействием вибрационного наконечника. Установлено, что при внедрении рабочего наконечника напряжения в массиве грунта определяются изменением пористости в зоне структурных деформаций грунта в соответствии с компрессионной кривой. Установлено, что на величину усилия внедрения вибрационного прокола определяющее влияние оказывают: угол заострения конуса наконечника (а), физико-механические свойства грунта с учётом вибрационного воздействия (о-™6, т]а, <р) и скорость осевой подачи при внедрении в грунт. В диапазоне скорости осевой подачи от 10 до 100 м/ч усилие вибрационного прокола увеличивается от 15% до 54 %, что определяет необходимость учёта вязких свойств грунта при внедрении рабочего наконечника. Оптимальный угол заострения вибрационного рабочего наконечника составляет 20°. .30

3. Теоретически обосновано снижение структурной прочности (предела прочности) грунта в зоне структурных деформаций массива грунта при внедрении вибрационного? рабочего*- наконечника, за счёт распространения энергии колебаний с учётом диссипативных свойств грунта, объёма активной зоны колебаний и режимных параметров процесса. Установлено, что снижение предела прочности грунта составляет от 3 до 35 раз, причём меньшим пределам снижения прочности грунта соответствуют большие значения коэффициента поглощения энергии колебаний.

4. Проведённые экспериментальные исследования в лабораторных и полевых условиях подтвердили эффективность способа образования скважин вибрационным рабочим наконечником с колебаниями перпендикулярно оси образуемой скважины. Полученные в результате экспериментов математические модели описывают протекание процесса образования скважин способом вибрационного прокола с вероятностью не менее 95% и являются адекватными. Экспериментально определены рациональные значения частоты вращения дебаланса вибратора, которые для глины составляют 1800.2000 об/мин, для песка 2500.3000 об/мин. Результаты экспериментальных исследований удовлетворительно совпадают с результатами численного анализа (расхождения в пределах 15 %), что подтверждает теоретические положения данной работы о возможности повышения эффективности работы машин для образования горизонтальных скважин .путем применения вибрационных рабочих наконечников с колебаниями перпендикулярно оси образуемой скважины.

5. Обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований позволило разработать инженерную методику расчёта параметров установки для образования горизонтальных скважин способом вибрационного прокола при бестраншейной прокладке коммуникаций, которая обеспечивает образование скважин с энергоёмкостью 23,5-101,0 МДж/м .

6. Полученные количественные результаты показывают, что вибрационные рабочие наконечники, выбор конструктивных и режимных параметров которых проведён с учётом их влияния на напряженно-деформированное состояние грунта' и изменение его физико-механических свойств в зоне структурных деформаций, целесообразно применять для образования горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке коммуникаций, так как это приводит к снижению энергоёмкости на 80.85% по сравнению с традиционными установками вибрационного прокола, снижению трудозатрат на 30.32 % по сравнению со статическим проколом и снижению стоимости машино-часа установки в 4,5-5 раз по сравнению с установками горизонтально-направленного бурения.

1. Баловнев В.И. Оценка технико-экономической эффективности дорожно-строительных машин на этапе проектирования // В.И.Баловнев, А.Б.Ермилов. -М.: МАДИ, 1984. 102 с.

2. Ешуткин Д.Н. Высокопроизводительные гидропневматические ударные машины для прокладки инженерных коммуникаций / Д.Н. Ешуткин, Ю.М. Смирнов, В.И. Цой, В.Л. Исаев. -М.: Стройиздат, 1990. 171 с.

3. Ряшенцев А.Н. Оборудование «RANER»: проходка и формирование скважин в грунтах / А.Н.Ряшенцев Электронный ресурс.*. М:: Материалы 26-й конференции и выставки международного общества по бестраншейным технологиям, 2008. - 1 электрон.опт.диск (CD-ROM).

4. Полтавцев И.С. Специальные1 землеройные машины и механизмы для городского строительства / И.С.Полтавцев, В.Б.Орлов, И.Ф.Ляхович. -Киев: Буд1вельник, 1977. — 136 с.

5. Васильев Н.В. Закрытая прокладка трубопроводов / Н.В.Васильев. — М.: Недра, 1964.-214 с.

6. Голубятников В:Т. Малогабаритная грунтопрокалывающая установка ГПУ-600А / В.Т.Голубятников, Н.Ю.Снисар, • А.Н.Берестовой // Механизация строительства. 1986. - №12. - С. 25-26.

7. Vorprebeinrichtungen für unterirdische Rohrleitungen «Bau-Jnd». 1973. №9. Р. 14-16.

8. Lobbe Armin Vorprebeinrichtungen für unterirdische Rohrleitungen // Wasserwirtschaft. 1974. №2. P. 55-57.

9. Verlegung von Rohrleitungen unter der Erde ohn Grabenausnub // March und Werkzeng. 1978. P.21-24.

10. Кершенбаум Н.Я. Виброметод в проходке горизонтальных скважин / Н.Я.Кершенбаум, В.И.Минаев. М.: Недра, 1968. - 152 с.

11. Скворцов И.Д. Создание и обоснование параметров установки с вращательными колебаниями рабочего органа для бестраншейной прокладки труб: дис. . канд. техн. наук / И.Д.Скворцов. Омск, 1982. - 186 с.

12. Пестов Г.Н. Закрытая прокладка трубопроводов / Г.Н.Пестов.-Подольск: Стройиздат, 1964".-188 с.

13. Голубятников В.Т. Малогабаритная ' грунтопрокалывающая установка ГПУ-600А / В.Т.Голубятников, Н.Ю.Снисар, А.Н.Берестовой // Механизация строительства. 1986. - №12. — С. 25-26.

14. Теперь траншея не нужна: прокладка подземных коммуникаций методом прокола // Новости рынка спецтехники и промышленного оборудования Электронный ресурс. Вып. №121. — (http://www.mrmz.ru/article/ vl21/articlel.htm).

15. Антипов В.В. ООО «СОЭЗ» вчера и сегодня / В.В.Антипов // Горное оборудование и электромеханика. 2008. - №4. - С.52-53.

16. Установки для прокалывания грунта УНП-630, ПУ-1 Игла / Новости рынка спецтехники и пррмышленного оборудования Электронный ресурс. // Вып. №123. (http://www.mrmz.ru/article/vl23/articlel.htm).

17. Лускин А .Я. Бестраншейная прокладка труб способом вибропрокола / А.Я.Лускин // Сб. трудов ВНИИГС. Л., 1961. - С.38-44.

18. Вазетдинов A.C. Прокладка горизонтальных скважин под кабелепроводы вибропроколом и гидромеханизированным способом / А.С.Вазетдинов. М.: Госстройиздат, 1961.

19. Urzadzenie do wibracyjnego ukladania rurociagow w gründe. OPIS PATENTOWY 60041 (Polska).

20. Цейтлин М.Г. Вибрационная техника и технология в свайных и буровых работах / М.Г.Цейтлин, В.В.Верстов, Г.Г.Азбель. Л.: Стройиздат, 1987.-262 с.

21. Рыбаков А.П. Основы бестраншейных технологий / А.П.Рыбаков. -М.: ПрессБюро №1, 2005. 304 с.

22. Ешуткин Д.Н. Статико-динамические рабочие органы машин. / Д.Н. Ешуткин, А.С.Сагинов, И.А.Янцен, А.Г. Лазуткин // Вестник АН Каз.ССР, 1981.

23. Ешуткин Д.Н. Методы определения рациональных параметров ударных механизмов грунтопроходчиков. / Д.Н.Ешуткин,- Г.Г.Пивень, Ю.М Смирнов,Ю.А.Николаев, Ю.В.Гремяченский // Стоительно-дорожные машины и механизмы, сборник статей, Караганда, 1972.

24. Ешуткин Д.Н. Определение рациональных параметров ударных механизмов гидропневматических грунтопроходчиков. / Д.Н.Ешуткин, А.Ф. Кичигин, Ю.М.Смирнов // Известия ВУЗов, Горный журнал, №10, 1973.

25. Свирщевский В.К. Проходка скважин в грунте способом раскатки / В.К.Свирщевский. — Новосибирск: Наука; 1982. 121 с.

26. Ряшенцев А.Н. (2007): Устройство для проходки скважин (варианты). Патент RU №2310045 С2, МПК Е 02 F5/18, Е 2-1 В7/26.

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

28. Цытович H.A. Механика грунтов / H.A. Цытович.- М.: Высшая школа, 1979. 272с.

29. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов / М.Н. Гольдштейн. М.: Стройиздат, 1971.- 366 с.

30. Механика грунтов. 4.1. Основы геотехники в строительстве: Учебник / Б.И.Далматов и др.. М.: Изд-во АСВ; Спб.: СПбГА-СУ, 2000. -204 с.

31. Васильев Н.В. Расчет усилий для прокладки трубопроводов способом- прокола и продавливания / Н.В.Васильев, , Д.И.Шор. М.: Госгортехиздат, 1961.

32. Дорожные машины / Н.Я.Хархута, М.И.Капустин, В.П.Семенов, И.М.Эвентов. Л.: Машиностроение, 1968. - 416 с.

33. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов / С.С.Вялов. -М.: Высшая школа, 1978.

34. Бестраншейная прокладка труб под дорогами и другими препятствиями // компания «SBH СОТРАНС» Электронный ресурс. -(http://www.sbh.ru/articles/artl 6.htm).

35. Руководство по проходке горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке инженерных коммуникаций / ЦНИИОМПТ Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1982. 96 с.

36. Тимошенко В.К. Определение формы наконечника, обеспечивающей минимальное усилие прокола / В.К.Тимошенко // Строительство трубопроводов. -1969. №3 - С. 18-20.

37. Васильев С.Г. Закрытая прокладка коммуникаций / С.Г.Васильев. -Львов: Вища школа, 1974. 132с.

38. Ромакин Н.Е. Лобовое сопротивление и оптимальный угол заострения при проколе / Н.Е.Ромакин, Н.Ф.Перков // Строительство трубопроводов. 1979. - №10. - С. 22-23.

39. Земсков В.М. Анализ исследований лобового сопротивления при бестраншейной прокладке трубопроводов методом прокола / В.М.Земсков, А.В.Судаков // Известия ТулГУ. Сер.Подъёмно-транспортные машины и оборудование. — Тула: ТулГУ, 2005. Вып.6. — С.35-38.

40. Бирюков A.JI. Деформации в грунтах при погружении свай / А.Л.Бирюков. М.: Стройиздат, 1967. - 38 с.

41. Рахматуллин Х.А. Вопросы динамики грунтов / Х.А.Рахматулин, А.Я.Сагомонян, Н.А.Алексеев. М.: Изд-во МГУ, 1964. - 346 с.

42. Хархута Н.Я. Машины для уплотнения грунтов / Н.Я. Хархута.- М.: Машиностроение, 1973.-176 с.

43. Бабков В.Ф. Сопротивление грунтов деформированию с различными скоростями / В.Ф.Бабков. Труды МАДИ, Вып. 16, 1955.

44. Кершенбаум Н.Я. Проходка горизонтальных и вертикальных скважин ударным способом / Н.Я.Кершенбаум, В.И.Минаев. М.: Недра, 1984.-245 с.

45. Савинов O.A. Вибрационный метод погружения свай и его применение в строительстве / О.А.Савинов, А.Я.Лускин. Л.: Госстройиздат, 1960.-251с.

46. Баркан Д.Д. Виброметод в строительстве / Д.Д. Баркан. М.: Госстройиздат, 1959. - 315с.

47. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов механическими методами / А.Н. Зеленин. М.: Машиностроение, 1968. - 375с.

48. Тупицын К.К. О процессе взаимодействия пневмопробойников с фунтом / К.К. Тупицын // ФТПРПИ. -1980.- №4.

49. Блехман И.И. Исследование процесса виброударной забивки свай и шпунтов / И.И.Блехман // Инж.сборник АН СССР. 1964 - №19. - С.56-61.

50. Ткач Х.Б. О проходке скважин в фунте пневмопробойниками / Х.Б.Ткач // ФТПРПИ. 1991. - №6. - С. 18-19.

51. Чередников E.H. Исследование процесса проходки скважин пневмопробойниками: дис. . канд.техн.наук / Е.Н.Чередников. -Новосибирск, 1970. 187 с.

52. Бабаков В.А. Об одном варианте расчёта пневмопробойника в фунте / В.А.Бабаков. Новосибирск: Изд-во ИГД СО РАН, 1970.- 18 с.

53. Исаков A.JI. Напряженно-деформированное состояние массива грунта при движении в нем пневмопробойника7 A.JI. Исаков, А.К. Ткаизи // ФТПРПИ. 2000. - №2.

54. Укрепление оснований пневмопробойниками / В.А. Григоращенко,

55. A.Е. Земцова, A.JI. Исаков, Ю:Б. Рейфисов: Новосибирск: ИГД СО АН СССР; 1990.

56. Петреев A.M. Проходка скважин пневмопробойниками и ударными устройствами с кольцевым инструментом; / A.M. Петреев; Б.Н. Смоляницкий, Б.Б. Данилов//ФТПРПИ. 2000: - №6. -С:53-58;

57. Тарасов ВРасчет параметров прочности грунта / В.Н. Тарасов, С.М. Кузнецов // Строительные; и дорожные машины. -2001. № 12. - С. 3437.

58. Ас. 787575 СССР. Устройство для бестраншейной , .прокладки трубопроводов методом прокола / Ромакин I I.E.; заявл. 21.06.78; опубл. 15.12.80, Бюл.№46.

59. Пат. 2163653 Р.Ф.Устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов методом прокола / Ромакин НЕ., Карошкин A.A., Ромакин Д.Н.; заявл. 23.02.99; опубл. 27.02.01, Бюл.№ 6.

60. Пат. 2190728 Р.Ф. Устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов методом прокола / Ромакин Н.Е., Ромакин Д.Н., Земсков

61. B.М.; заявл. 05.03.01; опубл. 10.10.02, Бюл.№28.

62. Пат. 2249083 Р.Ф. Устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов методом прокола / Ромакин Н.Е., Ромакин Д.Н., Краснолудский Н.В.; заявл. 05.12.02; опубл. 27.03.2005, Бюл.№ 9.

63. Пат. 2238370 Р.Ф. Устройство для образования скважин в грунте / Ромакин Н.Е., Ромакин Д.Н., Земсков В.М.; заявл. 06.02.03; опубл. 20.10.04, Бюл.№29.

64. Пат. 2256034 Р.Ф. Устройство для образования скважин в грунте / Ромакин Н.Е., Ромакин Д.Н., Земсков B;MJ; заявл. 18.06.03; опубл. 20.12.04, Бюл.№19:

65. Пат. 88694 Р.Ф. Устройство для бестраншейной прокладки трубопроводов способом прокола / Ромакин Н.Е., Земсков В.М., Егоров П.В.; заявл. 21.07.08; опубл. 20.11.09, Бюл.№32.

66. Пат. 2395645 Р.Ф. Устройство для бестраншейной прокладки; трубопроводов способом прокола / Ромакин Н.Е., Земсков В.М.; заявл. 23.03.09; опубл.27.07.10, Бюл.№21.

67. Земсков В.М. Теоретические основы взаимодействия рабочего наконечника с грунтом при проколе горизонтальных скважин: монография / В.М.Земсков. Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2010. -.104 с.

68. Баловнев В.И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин / В.И.Баловнев. М.: Высшая школа, 1981.-335с.

69. Сергеев Е.М. Методическое пособие по инженерно-геологическому изучению горных пород / Е.М.Сергеев, С.Н.Максимов, Г.М.Березкина. М.: Изд.-во МГУ, 1968.

70. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов: Основные компоненты грунта -и их взаимодействие / М.Н. Гольдштейн. М.: Стройиздат, 1973.-375 с.

71. Зеленин А.Н. Машины для земляных работ / А.Н. Зеленин, В.И.Баловнев, И.П.Керов. М.: Машиностроение, 1975. - 422 с.

72. Далматов Б.И. Механика . грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии) / Б.И.Далматов. JL: Стройиздат, 1988.-415 с.

73. Савченко И.А. Влияние вибрации на внутреннее трение в песках / И.А.Савченко // Строительство трубопроводов. 1968. - №7.

74. Форссблад JI. Вибрационное уплотнение грунтов и оснований / Пер. с англ. И.В. Гагариной. М.: Транспорт, 1987. - 188с.

75. Савченко И.А. Влияние вибраций на внутреннее трение в песках. Динамика грунтов / И.А.Савченко. М.: Госстройиздат, 1958.

76. Преображенская H.A. О влиянии вибраций на сопротивление глинистых грунтов сдвигу. Динамика грунтов / Н.А.Преображенская, И.А.Савченко. М.: Госстройиздат, 1958.

77. Земсков В.М: Определение рациональных параметров вибробурильной установки для бестраншейной прокладки трубопроводов: дис. . канд. техн. наук / В.М. Земсков. — Саратов, 2002. — 157 с.

78. Бауман В.А. Вибрационные машины и процессы в строительстве / В.А.Бауман, И.И.Быховский. М.: Высшая школа, 1977^ - 255с.

79. Арнольд JI.B. Термодинамика и теплопередача / Л.В.Арнольд. Л.: Речной транспорт, 1959. - 188 с.

80. Исаченко В.П. Теплопередача / В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомел. М.,Л.: Энергия, - 1965. - 424 с.

81. Гусак A.A. Справочник по высшей математике / А.А.Гусак, Е.А.Бричикова. Мн.: ТетраСистемс, 2002. - 640 с.

82. Васильев Н.В. Расчёт усилий для прокладки трубопроводов способом прокола и продавливания / Н.В.Васильев, Д.И.Шор // Сб. под ред. Д.И.Малиованова «Подземное строительство». М: Госгортехиздат, 1961.

83. Терцаги К. Теория механики грунтов / К.Терцаги, пер. с англ.// под ред. проф.Н.А.Цытовича. М.: Госстройиздат, 1961.

84. Тер-Мартиросян З.Г. Механика грунтов / З.Г.Тер-Мартиросян. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2005. — 488 с.

85. Васенин В.А. Расчётная оценка параметров колебаний грунта при вибропогружении шпунта и свай / В.А.Васенин Электронный ресурс. // Группа компаний «Геореконструкция». — 2002, №5. -(http://www.georec.spb.ni/journals/05/l 7/17.htm)

86. Ляхов Г.М. Основы динамики взрывных волн в грунтах и горных породах / Г.М.Ляхов. М.: Недра, 1974.

87. Котюков Д.А., Поляков В.Ф. Исследование основных параметров рабочих органов установок для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций методом прокола с протаскиванием расширителей / Д.А.Котюков, В.Ф.Поляков. -М.: ЦНТИГСА, 1969. С.12-18.

88. Прудников А.П. Интегралы и ряды / А.П.Прудников, А.Ю.Брычков, О.И.Маричев. М.: Наука, 1981.-797 с.

89. Слободская В. А. Краткий курс высшей математики / В.А.Слободская. -М.: Высшая школа, 1969. 544 с.

90. Ромакин Н.Е. Усилие внедрения и оптимальный угол заострения рабочего наконечника при- статическом- проколе грунта / Н.Е.Ромакин, Н.В.Малкова // Строительные и дорожные машины. — 2006: №10. - С. 35-37.

91. Компрессионные испытания грунта / ООО «Геотек» Электронный ресурс. // www.npp-geotek.ru/learning/report/pdfyCompressiveSoilTesting.pdf.

92. Федоров Д.И. Рабочие органы землеройных машин / Д.И.Федоров. М.: Машиностроение, 1990. - 368 с.

93. Лапчик М.П. Численные методы: Учеб. пособие для студ. Вузов / М.П. Лапчик, М.И. Рагулина, Е.К. Хеннер М.: Издательский цент «Академия», 2005. - 384 с.

94. Земсков В.М. Результаты экспериментальных исследований вибропрокола горизонтальных скважин / В.М.Земсков, Н.В.Краснолудский // Механизация строительства. 2010, - №12. - С. 19-23.

95. Свешников В.К., Усов A.A. Станочные гидроприводы /

96. B.К.Свешников, А.А.Усов. -М.: Машиностроение, 1988 . 512 с.

97. Комаров М.С. Основы научных исследований / М.С.Комаров. -Львов: Вища школа, 1982.- 128 с.

98. Завадский Ю.В. Планирование эксперимента в задачах автомобильного транспорта / Ю.В.Завадский.- М.: МАДИ, 1978.-156 с.

99. Завадский Ю.В. Статистическая обработка эксперимента.-М.:Высшая школа, 1976.- 272 с.

100. Кокан А.И., Грифф М.И., Коран Е.Д. Планирование экспериментальных исследований в дорожном и строительном машиностроении.-М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1974.-75 с.

101. Кобзев А.П., Чугунов A.C. Основы методики научно-исследовательских работ. Саратов: СПИ, 1985. - 80 с.

102. Земсков В.М. Обоснование методики расчета параметров установок для вибробурения скважин / В.М.Земсков, А.А.Карошкин // Изв. Тул. ГУ, Подъемно-транспортные машины и оборудование. Тула, 1999.-Вып.2. - С.101-105.

103. Земсков В.М. Определение момента сопротивления вращению фрезы при уплотнении грунта в стенки скважины / В.М.Земсков // Изв. Тул. ГУ, Подъемно-транспортные машины и оборудование. Тула, 2003.- Вып.4.1. C. 90-94.

104. Земсков В.М. Определение осевого сопротивления внедрению виброраскатывающего рабочего наконечника установки / В.М.Земсков, П.В.Егоров // Изв. Тул. ГУ, Подъемно-транспортные машины и оборудование. Тула, 2009.- Вып.2. - С. 21-25.

105. Земсков В.М. Определение мощности устройства для вибропрокола горизонтальной скважины в грунте / В.М.Земсков, И.С.Михельсон, Н.В.Краснолудский // Вестник СГТУ. Саратов, 2009-Вып.1, - С.47-52.

106. Земсков В.М. Определение параметров вибрационного инструмента для проходки горизонтальных скважин / В.М.Земсков, И.С.Михельсон, Н.В.Краснолудский // Строительные и дорожные машины.-2010. №9.- С.31-33.

107. Земсков. В.М. Определение усилия внедрения рабочего наконечника бестраншейной прокалывающей машины / В.М.Земсков // Вестник СГТУ. Саратов, 2010.- Вып.3(48), С.188-194.

108. Земсков В.М. Математическая модель процесса взаимодействия вибрационного инструмента бестраншейной машины с грунтом / В.М.Земсков // Мир транспорта и технологических машид. Орёл, 2011. — Вып. 1(32). — С.62-70.

109. Земсков В.М. Выбор модели грунта для исследования процесса вибропрокола при бестраншейной прокладке коммуникаций / В.М.Земсков, И.С.Михельсон // Вестник СГТУ. Саратов, 2011.- Вып.1(52), С.188-194.

110. Земсков В.М. Производство работ при бестраншейной прокладке коммуникаций установкой вибрационного горизонтального прокола / В.М.Земсков, Н.В.Краснолудский // Мир транспорта и технологических машин. Орёл, 2011. - Вып.2(33), С.77-86.

111. Земсков В.М. Моделирование движения вибрационного наконечника для проходки горизонтальных скважин/ В.М.Земсков // Вестник СГТУ. Саратов, 2011№2(56). Вып.2. - С.57-62.

112. Земсков В.М. Повышение эффективности проходки горизонтальных скважин способом вибрационного прокола / В.М.Земсков, Н.В.Краснолудский. Саратов: СГТУ, 2011. - 120 с.

113. Карошкин A.A., Земсков В.М. Анализ применимости виброприводов в машинах для содержания дорог // Межвузовский сб. тр. Харьковского ГАЖТ. Харьков, 1997.- Вып.30. - С. 18-20.

114. Земсков В.М. Повышение эффективности проходки горизонтальных скважин способом вибрационного прокола / В.М.Земсков, Н.В.Краснолудский, И.С.Михельсон Электронный ресурс. //

115. Международная конференция и выставка по бестраншейным технологиям NO-DIG Москва (1-3 июня 2010)»: сборник докладов конференции. -Москва, 2010.-1 электрон.опт.диск. (CD-ROM)/

116. Земсков В.М. Обоснование методики расчета мощности установок горизонтального бурения // Труды международной научно-технической конференции "ИНТЕРСТРОЙМЕХ-200Г.- Санкт-Петербург: СПбГТУ, 2001.- С.143-145.

117. Земсков В.М. Исследование параметров вибропривода установок горизонтального бурения // Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин: Сб. тр. науч.- техн.'конф.- Астрахань: Астрах, гос. ун-т, 2002.

118. Земсков В.М. Определение силовой характеристики вибропривода установок горизонтального бурения // Перспективы развития подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин: Сб. тр. межд. науч.- метод, конф.- Саратов: СГТУ, 2002.- С.81-84.

119. Земсков В.М. Классификация способов бестраншейной прокладки коммуникаций / В.М.Земсков, П.В.Егоров // Научно-технический сборник №40. УВВТУ. - Ульяновск, 2008. - С.61-67.

120. Земсков В.М. Исследования взаимодействия вибрирующего наконечника с грунтом при бестраншейной прокладке коммуникаций способом прокола / В.М.Земсков, П.В.Егоров // Межв.сб.науч.-техн.ст. Вып.23. Вольск: ВВВУТ (ВИ), 2008. - С. 152-153.

121. Земсков В.М. Устройство для бестраншейной прокладки коммуникаций способом виброраскатки / В.М.Земсков, П.В.Егоров // Дороги и мосты.- 2008. №5-6.- С.24-25.

122. Земсков В.М. Методика инженерного расчёта параметров вибрационного наконечника установки для проходки горизонтальных скважин способом прокола / В.М.Земсков, Н.В.Краснолудский,

123. A.В.Краснолудский // Мир транспорта и технологических машин. Орёл, 2010. — Вып.1(28). — С.70-76.

124. Земсков В.М. Экологические аспекты применения вибропрокола горизонтальных скважин при бестраншейной прокладке коммуникаций /

125. B.М.Земсков, И.С.Михельсон // «Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий.и устройств»: сборник статей; Пенза, 2010. - С.38-41.

126. Михельсон И.С. Эффективные конструкции бестраншейных машин для прокладки коммуникаций; способом: • вибропрокола / И.С.Михельсон, В.М.Земсков, Н.В.Краснолудский // «Молодёжь, наука, инновации»: сборник статей. Пенза, 2010-2011. - С.274-279.

127. Земсков В.М; Прокол вместо траншеи / В.М.Земсков, Н.В.Краснолудский // Инновации + паблисити.- 2011. №21- С.26-27.

128. Пат. № 2193628 Российская федерация, МПК Е 02 F 5/18. Установка горизонтального бурения / A.A. Карошкин, В.М. Земсков -№98111434/03; заявл. 15.06.98; опубл. 27.11.02, Бюл.№ 33.

129. Пат. 73676 Российская, федерация, МПК Е 02 F 5/12. Устройство для образования лидерных скважин- в. грунте методом; прокола / Ромакин? Н.Е., Земсков В.М.; №2008101208/2; заявл. 09.01.08;, опубл. 27.05:08, Бюл.№15.

130. Пат. № 2342495 Российская федерация, МПК, E02F 5/18. Установка горизонтального бурения / A.A. Карошкин, В.М: Земсков, И.С. Михельсон; №2007116901/03; заявл. 04.05.07; опубл. 27.12.08, Бюл.№ 36.

131. Ивахнюк В.А. Строительство и проектирование подземных и заглубленных сооружений / В. А. Ивахнюк М.: АСВ, 1999: - 298 с.

132. Гаркави H.F. Машины для земляных работ / Н.Г. Гаркави, В.И. Аринченков, В.В. Карпов, З.Е. Гарбунов, А.И. Балулов, В.М. Донский. -М.: Высш. школа, 1982. 335 е., ил. ,

133. Бородачев И.П. Справочник конструктора дорожных машин / И.П. БородачевМ.: Машиностроение, 1973.

134. Лозовой Д.А. Землеройно-транспортные машины / Д.А. Лозовой,

135. A.A. Покровский. М., Машиностроение, 1973.-255 с.

136. Разоренов В.Ф. Пенетрационные испытания грунтов /

137. B.Ф.Разоренов. -М.: Стройиздат, 1980.-248 с.

138. Лабораторный практикум по резанию грунтов' / А.Н.Зеленин и др.. М.: Высшая школа, 1969. - 310 с.

139. ВСН 211-91 Прогнозирование уровней вибраций грунта от движения метропоездов и расчет виброзащитных строительных устройств / ПКТИтрансстрой, 1991.

140. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т.М.Башта и др.. -М.: Машиностроение, 1982.-423 с.

141. Крановое электрооборудование / А.А.Рабинович и др.. М.: Энергия, 1979.-240 с.

142. Нагорный B.C. Устройства автоматики гидро-.'и пневмосистем / В.С.Нагорный, А.А.Денисов. -М.: Высш. Шк., 1991. 367 с.

143. Биргер И.А. Расчёты на прочность деталей машин / И.А.Биргер, Б.Ф.Шорр, Г.Б.Иосилевич. -М.: Машиностроение, 1979.-702 с.

144. Леликов О.П. Валы и опоры1 с подшипниками' качения. Конструирование и расчёт / О.П.Леликов. М.: Машиностроение, 2006. - 640 с.

145. Курмаз Л.В. Детали машин. Конструирование / Л.В.Курмаз,

146. A.Т.Скойбеда. Мн.: УП «Технопринт», 2002. - 290 с.

147. Зеленов А.Б., Карочкин A.B., Самчелеев Ю.П. Автоматизированный электропривод и следящие системы. Харьков, 1965.

148. Проектирование инвариантных следящих приводов / В.Н. Яворский, A.A. Бессонов, А.И. Коротаев, и др. Под ред. В.Н. Яворского. -М.: Высшая школа, 1963. 474 с.

149. Юшкин В.В.Основы расчёта объёмного гидропривода /

150. B.В.Юшкин. Минск: Вышэйшая школа, 1982.

151. Мандриков А.П. Примеры расчёта металлических конструкций /

152. A.П.Мандриков. -М.: Стройиздат, 1991.-431 с.

153. База нормативной документации: www.complexdoc.ru Технологическая карта на бестраншейную прокладку труб методом прокола домкратом.

154. Бондаренко H.A. Механизация работ при прокладке кабелей связи / Н.А.Бондаренко. М.: Транспорт, 1964. - 158 с.

155. Хайзерук Е.М. Машины и механизмы для прокладки кабеля / Е.М.Хайзерук. -М.: Машиностроение, 1991.

156. Баландинский Е.Д. Бестраншейная прокладка инженерных коммуникаций / Е.Д.Баландинский, В.А.Васильев. М.: ТИМР, 1991.

157. Храменков C.B. Технологии восстановления подземных трубопроводов бестраншейными методами / C.B. Храменков, В.А.Орлов,

158. B.А. Харькин. M.: АСВ, 2004. - 240 с.

159. Храменков C.B. Реконструкция трубопроводных систем / C.B. Храменков, О.Г. Примин, В.А. Орлов. М.: АСВ, 2008. - 216 с.

160. Проектирование и строительство газопроводов из полиэтиленовых труб и реконструкция изношенных газопроводов. СП 42103-2003. СПб.: Издательство ДЕАН, 2005. - 208 с.

161. Проектирование и строительство газопроводов из металлических труб. СП 42-102-2004. СПб.: Издательство ДЕАН, 2005. - 224 с.

162. Сомов В.А. Водопроводные системы и сооружения / В.А.Сомов. -М.: Стройиздат, 1988. 398 с.

163. Калицун В.И. Водоотводящие системы и сооружения / В.И.Калицун. — М.: Стройиздат, 1987. 364 с.

164. Удовенко В.Е. Полиэтиленовые трубы это просто / В.Е.Удовенко, И.П.Сафронова, Н.Б.Гусева. -Полимергаз, 2003.-237 с.

165. Сапожников М.М. Справочник трубопроводчика / М.М.Сапожников. — М.: ГСИ, 1960.-213 с.

166. Сборник бизнес-планов: Практическое пособие / под ред. Ю.Н.Лапыгина. М.: Омега-Л, 2008. - 310 с.

167. Экономика предприятия / под ред. Е.Кантора. — СПб.: Питер, 2007.-400 с.