В настоящее время на складах скопилось большое количество устаревших артиллерийских орудий (импульсно-тепловых машин) и устаревших порохов. Орудия идут на переплавку в металлолом, а устаревшие пороха уничтожаются. Поэтому важны вопросы о переделке таких орудий и использования их в мирных целях, например, для заглубления строительных элементов (недеформируемых тел) в грунт (сплошную среду). Так как порох является одним из самых дешевых и энергетически емких из существующих видов топлива, то актуален вопрос о разработке новых принципиальных схем специализированных строительных пороховых машин и математической теории, описывающей процесс погружения строительных элементов в грунт, как из устаревших, так и новых видов орудий.
Решение проблемы выработки рекомендаций для переделки старых и создания новых орудий имеет большое техническое и экономическое значение.
В нашей стране и за рубежом этот вопрос изучен недостаточно, нет математической модели процесса выстрела, полученной на основе теории внутренней баллистики ствольных систем и описывающей погружение в грунт строительных элементов из такого вида импульсно-тепловых машин, а существующие формулы носят в основном эмпирический характер.
Цель работы: методами математического моделирования обосновать возможности и преимущества применения пороховых машин для заглубления строительных элементов в грунт и выработать основные рекомендации, связанные с конструированием этих машин и разработкой некоторых принципов построения математических моделей их действия.
Для достижения поставленной цели представляется необходимым решение следующих задач:
1) изучение адекватности реальному процессу существующих формул, применяемых для определения силы сопротивления грунта движению строительных элементов (СЭ), и, в случае необходимости, разработка новых методов определения этой силы;
2) математическое описание динамики системы «орудиестроительный элемент — грунт»;
3) на основе этого математического описания — оценка наиболее приемлемых конструкций погружающих устройств и способов заглубления;
4) разработка общих принципов конструирования и математического моделирования действия импульсно-тепловых машин, предназначенных для погружения строительных элементов в грунт.
В предлагаемой диссертационной работе рассматривается решение этих задач с учетом известных положений о максимально допустимых напряжениях в стальных и железобетонных сваях. Следует отметить, что при разработке соответствующих теорий и проведении численных экспериментов на компьютере не обязательно стремиться к высокой точности получаемых результатов, так как характеристики, описывающие грунты принимаются в современной строительной науке весьма приближенными, что обусловлено большой разнородностью грунтов даже на одной строительной площадке. И поэтому решение вышеперечисленных первой и второй задач в диссертационной работе носит скорее оценочный характер, который может быть взят на практическое вооружение инженерами соответствующих специальностей.
Идея работы заключается в математическом описании процесса выстрела при условии, что строительный элемент движется в канале ствола и грунте одновременно.
Положения, выносимые на защиту:
1. Способы приближенного определения силы сопротивления грунта движению застреливаемых длинного и короткого строительных элементов в полевых условиях.
2. Моделирование процесса выстрела при импульсном вдавливании СЭ из откатного артиллерийского орудия.
3. Новые принципиальные схемы специализированных орудий, позволяющих погружать сваи на значительную глубину.
4. Математические модели процесса выстрела для рассматриваемых в диссертационной работе специализированных пушек.
5. Выбор наиболее приемлемого вида орудия для заглубления СЭ в грунт.
Научная новизна состоит в следующем:
— предложены математические способы приближенного определения силы сопротивления грунта в полевых условиях движению застреливаемого строительного элемента, отличающиеся от известных тем, что сила сопротивления измеряется не «напрямую» во время его перемещения в грунте, а посредством определения величины проникания;
— предложены принципиальные схемы специализированных пороховых машин, предназначенных для застреливания СЭ, отличающиеся от известных применением способа импульсного вдавливания строительных элементов в грунт и поглощением энергии отката за счет использования сосуда с соплом;
— получены математические модели, описывающие динамику погружения строительных элементов из специализированных пушек, отличающиеся от известных учетом конструкций новых орудий, силы сопротивления грунта при движении строительного элемента по каналу ствола, применением теории внутрнкамерных гетерогенных процессов в ствольных системах к истечению пороховых газов из сосуда с соплом;
— введены параметры, характеризующие эффективность этих пушек отличающиеся от известных тем, что они учитывают энергию пороха, затраченную на преодоление силы сопротивления грунта, и объем вытесненного грунта при застреливании;
— построен комплекс прикладных программ, позволяющий решать строительную основную задачу внутренней баллистики для рассматриваемых в диссертационной работе артиллерийских орудий.
Для достижения поставленной цели проведены эксперименты и предложены математические модели процесса выстрела при одновременном движении строительного элемента в канале ствола и грунте.
Работа выполнена на кафедре Прикладной математики и информатики Пермского государственного университета (1996;2006).
Все основные результаты работы получены лично автором.
Основные этапы работы докладывались на региональных научно-практических конференциях «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2000, 2001гг.), Международном семинаре по механике грунтов, фундаментостроению и транспортным сооружениям (Пермь,.
2000), Международном семинаре «Научно-технический потенциал Западного Урала в конверсии военно-индустриального комплекса» (Пермь,.
2001), VII Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии — 2004» (Пермь, 2004), IV Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2004), Международной научнометодической конфернции «Актуальные проблемы математики, механики, информатики» (Пермь, октябрь, 2006).
На основе материалов предлагаемой диссертационной работы на механико-математическом факультете Пермского государственного университета преподается семестровый специальный курс лекций «Моделирование импульсно-тепловых машин».
В настоящее время в период поиска новых видов энергии целесообразно рассмотреть вопрос о применении энергии пороха в конверсионных целях, например, в строительстве и областях, смежных с ним.
Впервые энергию пороха для заглубления строительных элементов в грунт начали применять в США для крепления буев ко дну водоемов [ 109, 112]. Для чего на дно через слой воды опускалось выстреливающее устройство, которое методом свободного застреливания погружало небольшой анкер в грунт.
В семидесятых годах двадцатого века в Советском Союзе проводились экспериментальные работы по прокладке вертикальных шурфов в шахтах большого диаметра на глубину до восьмидесяти метров при помощи ракет, однако по неизвестным для автора причинам, работы были прекращены [109].
В 1976 году В. А. Гагин и др. применили энергию пороха для крепления трубопроводов от всплытия на болотах Западной Сибири [12, 103, 109, 110, 113, 118, 119] выстреливаемыми из гарпунно-китобойной пушки ГКП-БМ анкерами, что позволило заглублять анкера весом 40 кГ на глубину до 3-х метров. В. А. Гагиным получена экспериментальная формула для определения величины заглубления анкера в зависимости от дульной скорости. Однако эта формула пригодна только для гарпунно-китобойной пушки и не носит универсального характера. Она имеет вид.
Лл, а где К= для цилиндрических анкеров, Нпр — глубина проникания, смF" -площадь лобового сопротивления, см2, а — угол раствора штока анкера, град.- / - коэффициент суммарного сопротивления грунта прониканию, определяемый по табл., приведенной в работе [12], q — вес анкера, кГv0 -скорость вхождения анкера в грунт, м/с.
Для определения величины заглубления застреливаемого строительного элемента необходимо знать силу сопротивления грунта.
Удар твердого тела о поверхность грунта и проникание его в грунт с давних пор являются проблемами практики. Определение закона взаимодействия твердого тела и грунта представляют интерес в вопросах входа в грунты анкеров для крепления трубопроводов, забивки свай, в процессах кратерообразования [28] и др.
Согласно [118], усилия, погружающие твердые тела (сваи, снаряд и т. д.) в грунт, по их воздействию можно разделить на три вида:
1) постоянные или статические, создаваемые массой груза или гидросистемой;
2) быстродействующие, создаваемые ударом падающей части сваебойного агрегата;
3) мгновеннодействующие, создаваемые энергией выстрела или взрыва.
Погружение строительных элементов в грунт из артиллерийского орудия можно отнести к третьему виду усилий.
В настоящее время более 99% строительных элементов погружают в грунт забивкой и только менее 1% способом вибропогружения [118]. Метод выстреливания практически не применяется из-за плохой изученности этого технического решения.
Классификация условий динамического проникания основывается на таком факторе, как скорость удара [3]. Различают четыре типа (диапазона) скоростей:
1) малые — скорость соударения v0: 0.01 — 0.1 км/с,.
2) средние — V": 0.1 — 1 км/с,.
3) высокие — у0: 1 км/с — упор (пороговая скорость упор: 5−10 км/с);
4) сверхвысокие — уд > упор.
Рассматриваемые скорости способа погружения в грунт строительных элементов из артиллерийского орудия относятся к первому типу.
Расчет величины погружения строительных элементов представляет особый интерес при обустройстве нефтяных и газовых месторождений, проведении различных строительных работ. Так как строительные элементы, рассматриваемые в предлагаемой работе, вводятся в грунт посредством артиллерийского орудия, то возникает вопрос о применении известных формул артиллерийской практики определения величины заглубления снарядов в грунт для погружения строительных элементов.
Для определения глубины проникания твердого тела в грунт практики в основном пользовались результатами работ Эйлера, Вуича, Забудского, Маевского, Понселе, результатами экспериментов, проведенных на острове Березань, и др. 12,112].
В этих работах при некоторых допущениях предлагаются формулы для определения средней силы сопротивления преграды и глубины проникания. Предполагается, что силу сопротивления среды можно представить в виде суммы трех сил где — сила динамического сопротивления, вызванная инерцией частиц среды, принимается пропорциональной квадрату скорости проникания у- - сила вязкости среды, возникающая за счет преодоления трения между частицами среды, пропорциональна скорости проникания- - сила статического сопротивления, величина которой зависит от прочности преграды и не зависит от скорости движения.
Таким образом, Т7 = Av2+Bv+C, где А, В, С — положительные константы, зависящие от свойств грунта и формы тела, у — скорость проникания (м/с).
В [2] закон проникания снаряда в песок при скорости проникания меньше скорости звука определяется соотношением, а 2 ж где р, у — положительные константы.
Зная силу сопротивления грунта, начальную скорость вхождения твердого тела в грунт, можно легко определить величину погружения.
Полагая значения, А и В равными нулю, Эйлер предложил следующую формулу проникания [12,112] Я пр~ 1С.
Резаль при условии С-О получил соотношение [12, 112].
Я ±?"(,+^0)2. р 2 А В.
Понселе [12, 112] при В равном нулю определил проникание из равенства 2 пр 2 А С.
На аналогичных предположениях построены формулы Вуича, Забудского и др. 12,112].
Глубина проникания по Вуичу определяется формулой 2 2 2%г ц 2 где Нпр — глубина проникания тела, м-? — ускорение силы тяжести, м/с ;
2 2 Ри=С/пЯ — поперечная нагрузка, кГ/м — (7 — вес проникающего тела, кГу0 скорость встречи тела с грунтом, м/с.
По Забудскому глубина проникания принимается равной.
Я С.
ППП ~ 9 ' гт^о+буо2) где сС А'-Л*1 4000Д2' 4000'.
С — вес снаряда, Л — калибр снаряда, X — коэффициент формы, А, Ътабулированные коэффициенты, зависящие от свойств среды.
Березанская формула для определения заглубления артиллерийского снаряда получена в 1912 году в результате опытов, поставленных на острове Березань в Черном море [101].
Согласно березанской формуле, или, как ее еще называют, инженерной, русской, в предположении, что сила сопротивления грунта есть линейная функция от скорости проникания, формула определения глубины проникания тела в преграду при вертикальном погружении определяется соотношением где Нпр — глубина проникания тела, принимаемая по направлению нормали к поверхности грунта до головной части тела, мК&bdquo- - коэффициент податливости среды (коэффициент проникания) — д — вес тела, кГс1 -диаметр тела, м.
В [12, 101] приведена таблица коэффициентов податливости для различных грунтов:
Таблица 1. Коэффициенты податливости грунта.
Вид грунта Коэффициент податливости грунта К„
Свеженасыпанный рыхлый грунт 0,13.
Глинистый грунт, мокрый и болотная почва 0,10.
Песчаная насыпь (неслежавшаяся) 0,9.
Земля плотная, обыкновенный грунт 0,65.
Песок водонасыщенный 0,68.
Влажный песок 0,65.
Суглинок 0,6.
Супесок 0,5.
Песок плотный, лесс 0,45.
Мерзлый грунт (супесок, суглинок) 0,45.
Табл.1 (продолжение).
Песок с хрящем, каменистый грунт мергель 0,4.
Скала известковая или песчаниковая 0,2.
Скала гранитная или гипсовая 0,16.
В [96, 101] рассмотрен вопрос проникания в предположении того, что грунт является пластической сжимаемой средой. Так, например, сила сопротивления грунта движению цилиндра с передним плоским срезом имеет вид 2.
F = -^-(H +Н Я), (1).
1 — о где Я — величина проникания в грунт, Б — площадь поперечного сечения среза цилиндра, Ь = ро/р, ро, р — плотности грунта перед и за ударной волной соответственно, точка означает производную по параметру «время» .
Однако для применения формулы (1) необходимо проводить дополнительные эксперименты по определению величины Ь, абстрактное понятие пластического газа не полностью отражает реальный грунт, в частности, не учитывается боковое трение строительного элемента о грунт, считается, что грунт отрывается от боковой поверхности погружаемого цилиндрического тела. Все это делает невозможным применение формулы (1) для определения заглубления длинных строительных элементов без оголовка.
В Пермском государственном техническом университете под руководством профессора В. А. Девяткина разработана артиллерийская установка УЗАС-1, которая предназначена для импульсной прокладки глубоких, в т. ч. сквозных горизонтальных каналов в естественном грунте. Для увеличения проникания и уменьшения габаритов установки используются, так называемые, пассивные [98] и активные пазухи [99].
В Пермском государственном техническом университете под руководством профессора М. Ю. Цирульникова была построена установка для застреливания анкеров и свай УЗАС-2 на базе артиллерийской системы.
М-47, позволяющая застреливать в грунт железобетонные и трубчатые стальные сваи [41, 42]. При этом использовался следующий метод: свая крепилась к каналу ствола, затем вместе с пушкой поднималась вверх, после чего производился выстрел, при котором строительный элемент двигался в канале ствола, выходил из него, а затем погружался в грунт. Погружение, когда СЭ одновременно двигался в канале ствола и грунте на практике использовано не было, благодаря чему принцип, использованный при работе УЗАС-2, требовал большего подготовительного времени к выстрелу, нежели тот, если бы в начале выстрела СЭ упирался в грунт. Принцип импульсного вдавливания не применялся потому, что к тому времени он был изучен недостаточно, а плохое его знание могло привести к разрушению установки.
М.Ю. Цирульниковым получена формула определения массы заряда со, необходимого для получения дульной скорости, нужной для заглубления артиллерийского снаряда на заданную глубину. Она имеет вид.
Г. л2 со = д ч.
2) гдеабсолютная скорость (м/с), необходимая для погружения снаряда на заданную величину, д — вес снаряда (кГ), Q — вес откатных частей пушки (кГ),.
12 200 — для заряда меньше 0.154кГ усл [2300- для заряда больше 0Л5АкГ.
Однако вышепредложенную формулу довольно сложно использовать на практике, так как в правой части (2) неявно стоит масса заряда со, и (2) является уравнением относительно со, поэтому каждый раз для определения массы заряда необходимо решать уравнение (2).
М.Ю. Цирульниковым рассмотрен вопрос о многоцикловом погружении строительного элемента в грунт (когда одного выстрела не хватает для заглубления строительного элемента на необходимую величину). При многоцикловом погружении после первого застреливания в канал ствола помещается поршень, который используется как забойник. После произведения очередного выстрела поршень движется в канале ствола, выходит из него, затем ударяет по конечной части строительного элемента, обеспечивая движение последнего в грунте. При необходимости процесс повторяется.
Неудобство при таком заглублении строительных элементов заключается в следующем:
1. Каждый раз для проведения удара поршнем необходимо помещать его в канал ствола, поднимать пушку и, прикрепляя поршень к стволу, производить выстрел. Все это существенно снижает скорость работы. Гораздо проще было бы опускать артиллерийскую систему, помещая в ствол поршень уже прикрепленный к строительному элементу. При необходимости способ повторного импульсного вдавливания можно сочетать со способом удара поршнем.
2. При ударе поршня о строительный элемент может произойти разрушение конца строительного элемента, который принимает удар, чего не будет наблюдаться при импульсном вдавливании, если рассчитать максимальное давление в канале ствола не больше допустимого строительным элементом.
М.Ю. Цирульниковым был рассмотрен вопрос о возведении свайных оснований под станки-качалки из металлических труб диаметром 168X14 мм и весом 240 кГ. Длина трубы — 4.5 м. Под станок было забито 10 труб. Трубы погружались в грунт на глубину 2.4 — 2.5 м. Вес заряда — 0.308 кГ. В разрезе грунт на кусте по глубине состоял из глины с примесью гальки (диаметром от 20 до 200 мм) до глубины 1.0 м, а затем следовала уплотненная глина. Трубы проникали ниже уровня сезонного промерзания на 700 — 900 мм. Сцепление трубы с грунтом было достаточно высокое. Установка типа УЗАС позволила возводить по два подобных фундамента за одну рабочую смену.
Под руководством М. Ю. Цирульникова был построен фундамент на низменной, заболоченной местности. Грунт насыпной, глина с примесью чернозема. Глубина промерзшего грунта около 0.8 м. Использовались сваи С-3−20А ненапряженные, изготовленные на ЖБК-7 г. Перми. Число свай на один фундамент СКБ-31−2500 равно 8 шт. Погружение свай в грунт колебалось от 1.7 до 3.0 м, что объяснялось неравномерной плотностью насыпного грунта, а также различной глубиной залегания минерального глинистого слоя в районе строительной площадки.
В период строительства свайного фундамента была сделана попытка извлечь из грунта сваю, вошедшую в землю на глубину 1.0 м. Вертикальное усилие при этом было в пределах 200 кН. Сваю извлечь из грунта не удалось.
Опыт возведения свайных фундаментов при обустройстве станков-качалок показал, что применение выстреливаемых свай целесообразно, так как значительно повышается производительность труда. Применение откатных артиллерийских орудий для возведения различных свайных фундаментов целесообразно также тогда, когда требуется заглублять сваи небольших диаметров. Высокие удельные энергетические показатели артиллерийской техники позволили увеличить производительность погружения свай в 3 — 5 раз и снизить стоимость подготовки и возведения свайных фундаментов в четыре раза.
Недостатком откатной установки УЗАС-2 является то, что она эффективна только при заглублении строительных элементов с малым диаметром миделевого сечения. Так, например, сваю диаметром 0.4м самое большее можно забить в глинистый грунт с консистенцией 0.3 при помощи одного выстрела на расстояние, не превышающее 0.7м. Это ограничивает область применения подобных установок. Поэтому возникает необходимость разработки новых принципиальных схем специализированных орудий, предназначенных для работы со строительными элементами большой площади поперечного сечения и позволяющими застреливать сваи на большое расстояние.
В перспективе импульсно-тепловые машины (в частности, артиллерийские орудия) могут найти применение в решении следующих практических задач:
• креплении трубопроводов от всплытия;
• нефтяном и газовом строительство на обычных и слабых грунтах;
• промышленном строительстве;
• гражданском строительстве;
• водном строительстве (пристани, небольшие мосты);
• креплении опор ЛЭП;
• оборонных задач;
• креплении драг и буев на водоемах;
• сельском строительстве;
• возведении свай в условиях вечной мерзлоты;
• всесезонных работах;
• укреплении откосов частоколом под углом (сели .);
• заглублении электродов в грунт;
• горизонтальном прокалывании насыпей;
• возбуждении сейсмических волн;
• заглублении геофизического оборудования в грунт.
В [112] приведена таблица способов погружения строительных элементов в грунт.
Таблица 2. Способы погружения строительных элементов.
Способ погружения Виды грунтов.
Ударный Нескальные грунты всех видов.
Вибрационный Слабые водонасыщенные песчаные грунты текучей и текучепластической консистенции.
Вибровдавливание Слабые пылеватые песчаные грунты, связные грунты текучей и текучепластической консистенции.
Табл.2 (продолжение).
Вдавливание Глинистые и суглинистые грунты текучей и текучепластической консистенции.
Завинчивание Щебенисто-галечные, гравийно-песчаные, глинистые, мерзлые (песчаные и глинистые).
Способ импульсного вдавливания строительных элементов позволяет проводить работы на глинистых и суглинистых грунтах текучей и текучепластической консистенции, слабых водонасыщенных грунтах. Основными преимуществами его являются передача значительных усилий и минимальное время погружения строительного элемента, что при равном времени на подготовительные работы увеличивает производительность.
В.Н. Григорьевым [41] отмечено, что под действием интенсивных динамических нагрузок в грунтах происходят процессы, аналогичные тем, которые происходят при статических нагрузках. Однако у этих процессов имеются и различия, обусловленные динамическим характером нагрузок. Они вызваны тем, что на процессы, протекающие в грунтах, влияют силы инерции и вязкости пород. Следовательно, не нужно стремиться к большой скорости погружения, так как при большей скорости погружаемого тела большая часть энергии расходуется на разрушение грунта.
Можно ожидать, что при импульсном вдавливании скорость движения строительного элемента в грунте будет меньше, чем при свободном застреливании, так как максимальная сила сопротивления грунта движению строительного элемента в этом случае будет меньше, чем при свободном застреливании. Это можно отнести к положительным качествам импульсного вдавливания.
Для определения величины заглубления выстреливаемых анкеров используются формулы, применяемые в артиллерийской практике и полученные заново (см., например, [12]). Однако, соотношения, предложенные в [12], пригодны только для гарпунно-китобойных пушек, а широко используемая березанская формула не учитывает всех особенностей грунта.
В [29, 34, 100, 103, 104, 122, 123] предложена теория внутренней баллистики артиллерийских орудий. Но эта теория не рассматривает движение артиллерийского снаряда (строительного элемента) в грунте и канале ствола одновременно.
В работе [12] предложена формула определения величины заряда для свободного застреливания строительных элементов в грунт, позволяющая определить вес заряда в зависимости от необходимой величины заглубления. Однако для импульсного вдавливания, когда строительный элемент движется в стволе и грунте одновременно, такой формулы нет.
Математические методы, описывающие процесс погружения свай, анкеров и т. д. в грунт, разработаны слабо и, в основном, основаны на обработке эмпирических данных.
В настоящее время для погружения в грунт строительных элементов из откатных артиллерийских орудий используется способ свободного застреливания [12, 109]. Но этот процесс требует значительной подготовительной работы, что снижает производительность. Поэтому целесообразно исследовать возможность применения способа импульсного вдавливания. Нет ясной картины по применению существующих видов боевых орудий для заглубления строительных элементов в грунт. Нет рекомендаций по переделке таких орудий в пушки, предназначенные для погружения анкеров и свай. Не разработаны новые принципиальные схемы специализированных только для этой цели артиллерийских машин. Недостаточно изучен вопрос о силе сопротивления грунта движению застреливаемых строительных элементов. Математические модели заглубления СЭ из импульсно-тепловых машин или отсутствуют, или довольно приближенно описывают этот процесс, поэтому невозможно с достаточной точностью описать динамику системы «орудиестроительный элемент — грунт» и дать какие-либо внутрибаллистические прогнозы и прогнозы величин проникания застреливаемых свай, анкеров и т. д. в грунт.
Актуальными являются изучение и выдача рекомендаций по использованию способа импульсного вдавливания для заглубления строительных элементов в грунт, математическое описание динамики системы «орудие — строительный элемент — грунт», оценка возможности применения принципиальных схем существующих боевых орудий для застреливания СЭ, разработка и оценка эффективности новых специализированных только для этой цели пороховых машин и описание основных задач, стоящих перед конструкторами и математиками, желающими заниматься вопросами погружения анкеров и свай в грунт при помощи артиллерийских орудий.
Выводы по шестой главе.
Анализ математических пакетов MathCad и Maple при решении основной задачи строительной внутренней баллистики артиллерийских орудий показал целесообразность разработки специализированного комплекса программ POZVB. Эффективность применения этого комплекса определяется малым требуемым для его работы объемом памяти ЭВМ и, как следствие этого, возможностью применения компьютеров малой мощности для оперативного решения внутрибаллистических строительных задач в полевых условиях.
Заключение
.
В результате проведенных исследований и построенных математических моделей научно решена задача погружения строительных элементов в грунт из откатных и газодинамических орудий. На основе этого выявлены основные наиболее эффективные способы заглубления свай и поставлены главные задачи конструирования специализированных орудий, предназначенных только для этой цели.
Рассмотрены некоторые из таких видов орудий. Составлены термодинамические и газодинамические модели погружения строительных элементов из них.
Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1) предложены новые принципиальные схемы специализированных строительных артиллерийских орудий, отличающиеся от известных схем боевых орудий введением сосуда с соплом со стороны казенной части орудия с целью поглощения энергии отката;
2) предложены новые приближенные математические способы определения силы сопротивления грунта движению строительных элементов, застреливаемых в грунт со скоростями не более 150м/с, в полевых условиях, отличающиеся от известных тем, что сила сопротивления определяется не «напрямую» во время перемещения, а в результате замеров величины проникания;
3) получены термодинамическая и газодинамическая математические модели импульсного вдавливания строительных элементов в грунт из откатного и рассматриваемых газодинамических орудий, отличающиеся от известных учетом силы сопротивления грунта движению строительного элемента в канале ствола, учитывающие путь и скорость отката артиллерийских систем, применением для расчета внутренней баллистики неустановившегося истечения порохового газа из сосуда с соплом модифицированной математической модели внутрикамерных гетерогенных процессов в ствольных системах;
4) предложен способ импульсного вдавливания строительных элементов в грунт из артиллерийских орудий, отличающийся от применяемого способа обычного застреливания тем, что строительный элемент движется в канале ствола и грунте одновременно;
5) показано, что импульсное вдавливание всегда дает большее заглубление по сравнению со свободным застреливанием строительного элемента в грунт. С увеличением силы сопротивления грунта это заглубление по сравнению со свободным застреливанием увеличивается;
6) показано, что основным ограничением при импульсном вдавливании строительного элемента в грунт для систем с откатом является допустимая энергия свободного отката;
7) разработан комплекс прикладных программ РС^УВ для ЭВМ для решения строительной основной задачи внутренней баллистики-.
8) результаты теории импульсного вдавливания строительных элементов из откатных артиллерийских орудий внедрены при создании и эксплуатации установок для застреливания анкеров и свай (УЗАС-2);
9) показана целесообразность применения пороховых машин в строительстве.
Показано, что импульсное вдавливание дает всегда большее заглубление по сравнению с простым застреливанием, этот эффект увеличивается с ростом площади миделевого сечения погружаемого строительного элемента, при этом заглубление может увеличиться на 250% при одинаковых энергетических затратах. В диссертационной работе установлено, что заглубление при возможности поглощения неограниченной энергии отката можно увеличивать практически на неограниченную величину. Все это ставит перед инженерами задачу о разработке конструкций, позволяющих использовать импульсное вдавливание и возможность поглощения большой энергии отката.
Приведем еще раз принципиальные схемы некоторых орудий, позволяющих погружать длинные сваи с большой площадью миделевого сечения на значительную глубину и попробуем дать основные направления конструкторских исследований, связанных с этой задачей.
В диссертационной работе введен коэффициент вытесненного грунта, характеризующий массу заряда, расходуемую на вытеснение одного кубического метра грунта при погружении строительного элемента. Как показывают расчеты, наименьшим КВГ обладают откатные артиллерийские орудия.
Одним из способов поглощения энергии отката является использование реактивной тяги, создаваемой струей газа, выбрасываемой в сторону, противоположную движению строительного элемента. Исходя из этого возможны различные варианты конструктивных схем, известных, и предложенных автором настоящей работы.
При применении для заглубления анкеров и свай частично безоткатных орудий, развернутых стволом вертикально вниз и использующих импульсное вдавливание СЭ с диаметром поперечного сечения 0.4м, например, при массе заряда 15 кг, элементы можно погрузить в глинистый грунт на расстояние близкое к 1.4м.
Другим видом пушек является, так называемое, откатное орудие с сосудом с соплом, «надетым» на казенную часть. При погружении СЭ порох воспламеняется в сосуде и каморе нижнего откатного орудия. В результате под действием энергии горящего заряда в нижней части ГО-1 свая движется в грунте, а, благодаря силе отдачи, возникающей в результате истечения порохового газа из верхнего сосуда через сопло тормозятся откатные части. Вычисления, произведенные на основе разработанных термодинамической и газодинамической математических моделей выстрела, позволяют утверждать, что ГО-1 является очень эффективным орудием (сваю диаметром 0.4м можно заглубить на расстояние до 3.7м при помощи одного импульсного вдавливания).
Возможно использовать орудие, занимающее промежуточное положение между. откатными и частично безоткатными орудиями, принципиальная схема которого отличается от схемы ЧБО тем, что в камору последнего вставляется поршень, разделяя ее на две части подобно легкогазовым установкам [4, 122]. Пороховые заряды помещаются в обе части и для погружения СЭ воспламеняются. Поршень во время выстрела движется в установке, в результате чего сначала пушка работает как частично безоткатное орудие, а потом — как откатное. Расчеты, основанные на термодинамической теории, показывают, что сваи с большим диаметром можно заглубить на расстояние до 2.2м. Такое орудие названо газодинамическим орудием с поршнем.
Коэффициент вытесненного грунта для ЧБО, ГО-1, ГО-2 колеблется от 190 до 75 кг/м3.
Для получения наименьшего КВГ необходимо использовать чисто откатные артиллерийские орудия, основным недостатком которых является большая масса откатных частей. Поэтому возникает задача разработки принципиальной схемы орудий, имеющих массивные откатные части, но тормозить которые не представляет трудности. Вероятно, в общем случае эту задачу решить технически невозможно. Но для каких-то конкретных условий она разрешима.
В диссертационной работе рассмотрены математические модели орудий, которые не обладают энергией отката. К таким орудиям можно отнести ракеты и сосуды с соплом, передняя часть которых опирается на верхнюю часть сваи. В результате экспериментов с ракетами были проложены шурфы глубиной до 80 м и диаметром 0.8м [112]. Однако применение ракет в задачах забивки свай оказывается неоправданным, так как заглублять сваи на такие большие глубины нет необходимости, поэтому рассмотрена задача применения для этой цели сосуда, в который помещен зерненый артиллерийский порох. На основе расчетов, полученных при помощи построенных автором термодинамической и газодинамической теорий заглубления строительных элементов в грунт из СС, показано, что, например, сваю большого диаметра можно погрузить в глинистый грунт на расстояние до 2.7м, при этом КВГ равен 100кг/м3.
Использование импульсной технологии для возведения свайных фундаментов предусматривает как применение существующих строительных элементов (анкеров, свай) так и разработки принципиально новых.
Первые авторские свидетельства на изобретения застреливаемых анкеров принадлежат Виноградову A.B. и были получены в семидесятых годах в СССР. Дальнейшую разработку этих устройств продолжили Гагин В. А., Соколов С. М., Минаев B.JI., Трофимов B.JI. [109, 112]. Несколько видов анкеров были внедрены в практику. Однако специальными видами застреливаемых свай никто не занимался. Задача разработки новых свай возникла по той причине, что очень длинные строительные элементы из артиллерийских орудий заглублять трудоемко, так как для их погружения необходимо артиллерийское орудие поднимать на значительную высоту над поверхностью земли, что существенно снижает производительность труда, увеличивает себестоимость работ и требует дополнительного оборудования.
Для обустройства нефтяных месторождений иногда требуется устанавливать станки-качалки на болотах глубиной до восьми метров. В летнее время это сделать практически невозможно из-за мягкости грунта, так как существующие методы требуют значительного времени, и оборудование проваливается в болото. Применение для этой цели артиллерийских орудий вполне оправдано, потому что подготовительный период и процесс заглубления требуют вместе несколько минут. Для обустройства месторождений вполне достаточно применять стальные трубчатые сваи, которые, пробивая болотистый грунт, входят в материковый и тем самым удерживают станки-качалки, поставленные на платформу и крепящиеся на забитых сваях. Чтобы не поднимать орудие на большую высоту можно предложить трубчатую сваю, состоящую из нескольких составных частей. После заглубления одной недлинной части сваи в верхнюю ее часть вставляется штырь с увеличенным до диаметра строительного элемента центром. На штырь одевается другая частьнебольшая труба, вставляемая в ствол, и процесс импульсного вдавливания продолжается. Чтобы ограничить величину погружения первой части сваи на нее устанавливается ограничительная тарель, которая при повторном импульсном вдавливании снимается. Подобным многоимпульсным вдавливанием можно забить в строительный элемент в материковый грунт на достаточную глубину.
С целью погружения сваи на большое расстояние при помощи одного артиллерийского вдавливания необходима конструкция строительного элемента, длина которого увеличивается по мере заглубления в процессе выстрела. Для этого может быть рассмотрена телескопическая полая свая, прикрепляемая своей верхней частью к каналу ствола. Внутренняя передняя часть такой сваи выполняется непроницаемой. По сути дела, свая является продолжением ствола. Во время выстрела пороховые газы давят на внутреннюю переднюю часть сваи, в результате чего строительный элемент вытягивается в грунте подобно телескопической антенне и останавливается при полном выдвижении. Пороховые газы, обеспечивающие излишнее давление внутри сваи, «стравливаются» в атмосферу, например, при помощи открываемого клапана. Далее свая отсоединяется от ствола и ее внутренняя часть заливается бетоном. Конечно, для внедрения подобной сваи в практику необходимы предварительные научные исследования, посвященные выбору дешевого материала, из которого может быть изготовлен описанный строительный элемент, оценка ее несущей способности, построение математической модели, описывающей процесс выстрела телескопической сваи и позволяющей подбирать оптимальные условия заряжания и характеристики используемого артиллерийского орудия.
Рассмотрим общие принципы построения математических моделей, описывающих процесс заглубления строительных элементов в грунт из газодинамических орудий.
— Так как общим принципом для всех орудий является применение способа импульсного вдавливания, то в систему уравнений, описывающих проникание войдет уравнение, описывающее одновременное движение строительного элемента в грунте и орудии.
— Для части орудий, где есть истечение пороховых газов через сопло, необходимо использовать газодинамическую модель (3.5) с начальными условиями, отвечающими особенностям конструкции моделируемого орудия.
— Для части орудий, где нет истечения пороховых газов через сопло, целесообразно использовать термодинамическую модель выстрела из откатного артиллерийского орудия, так как рассматриваются процессы, при которых отношения массы заряда в этой части к наименьшей массе из откатных частей и строительного элемента меньше единицы (такие процессы относятся к квазистационарным).
Все сказанное можно изобразить схемой, приведенной на рис. 1.
Рис. 1. Математические модели для решения строительной.
Рис. 1 (продолжение). Математические модели для.
Газодинамической модели для решения строительной основной внутренней баллистики отвечает численный метод, называемый схемой Эйлера-Лагранжа, термодинамической — метод Рунге-Кутта второго порядка или метод Эйлера.
Отметим, что высокая точность решения задачи истечения газа из сосуда при введенных допущениях не обязательна, так как:
— характеристики грунта с большой точностью на всем протяжении движения строительного элемента в грунте определить невозможно физически;
— в предлагаемой диссертационной работе определяется осредненная сила сопротивления грунта для конкретной скорости движения СЭ, что соответствует неизменности коэффициентов, определяющих эту силу. Поэтому точность решения СОЗВБ при этом будет падать.
Настоящая работа носит прежде всего постановочный характер. Мы можем выделить следующие основные задачи, посвященные изучению возведения свайных фундаментов при помощи импульсной технологии:
— разработка принципиальных схем новых артиллерийских орудий, обладающих большой поглощаемой энергией свободного отката, малым коэффициентом вытесненного грунта и использующих способ импульсного вдавливания;
— адаптация существующих и морально устаревших боевых орудий для импульсного вдавливания строительных элементов в грунт;
— разработка новых конструкций свай и анкеров, применяемых для застреливания СЭ в грунт и обеспечивающих большую несущую способность;
— адаптация существующих строительных элементов для их импульсного погружения;
— создание математических моделей динамики погружения с целью прогнозирования результатов проникания и оценки эффективности разрабатываемых артиллерийских и реактивных системразработка математических моделей расчета напряженно-деформируемого состояния различных строительных элементов во время проникания и после заглубления;
— изучение несущей способности застреленных СЭ;
— изучение влияния возникающих ударных волн на окружающий ландшафт;
— разработка новых видов и подбор для решения строительных задач пригодного пороха из существующего большого количества разновидностей порохов, в том числе, промышленных;
— изучение экологической безопасности применения пороховых машин для решения задач строительства;
— построение математической модели динамики грунта при скорости проникания меньше 150 м/с.
Следует заметить, что решение вышеперечисленных задач, рассматриваемых в комплексе, в итоге могут образовать новую прикладную теорию, посвященную применению пороховых машин в строительстве.
