挖溝機(jī)受力分析

挖溝機(jī)受力分析

噴射式水下挖掘機(jī)（以下簡稱挖掘機(jī)）是放置海上汽油管和電纜的重要設(shè)備。工作過程中,水下挖溝機(jī)由牽引船拖動,噴射管破除海底管道兩側(cè)土層導(dǎo)向;軸流泵提供動力,高壓噴射形成需要的溝形和溝深,海底管道或電纜靠自重墜入溝底,管道或電纜溝會自然回填。為保證運(yùn)行期間挖溝機(jī)在海底正常工作,挖溝機(jī)不產(chǎn)生過大下沉,需要研究海底土層對挖溝機(jī)承載力。本文針對某公司所提供海底土壤性質(zhì)、噴射泵的噴射反力等計算參數(shù),計算了在不同工況下挖溝機(jī)滑靴基底壓力和地基承載力。1計算模型1.1基埋深、基底壓力p根據(jù)基本土力學(xué)理論,在基礎(chǔ)底面與地基之間的接觸應(yīng)力,既是基礎(chǔ)作用于地基的基底壓力,又是地基反作用于基礎(chǔ)上的基底反力。挖溝機(jī)本體受到的荷載通過滑靴傳到海底,在滑靴底面與海底之間產(chǎn)生基底壓力。影響基底壓力的因素是荷載大小和分布、基礎(chǔ)埋置深度、剛度、土質(zhì)。基底壓力p:式中:F為作用在地基上豎向力;G為基礎(chǔ)自重及其上回填土重的總重;l,b為矩形基底的長度和寬度;M為作用于矩形基底的力矩;W為基礎(chǔ)底面的抵抗矩,W=bl2/6。而當(dāng)pmin為負(fù)值時,基底壓力重新分布,pmax=2(F+G)/[3b(l/2-e)](注:若寬度方向b偏心,則公式中b和l互換)。當(dāng)?shù)鼗裆顣r,所計算的基底壓力應(yīng)是附加基底壓力p0:p0=p?γD(2)p0=p-γD(2)式中:p為基底壓力;γ為土的重度;D為地基埋深深度。1.2地基土強(qiáng)度地基承載力是指地基土單位面積上所能承受的荷載能力,以kPa計。根據(jù)漢森極限荷載計算公式,地基的承載力pu為:pu=12γBNrirsrdr+qNqiqsqdq+cNcicscdc(3)pu=12γBΝrirsrdr+qΝqiqsqdq+cΝcicscdc(3)式中:Nr、Nq、Nc為承載力系數(shù);ir、iq、ic為荷載傾斜系數(shù);sr、sq、sc為基礎(chǔ)形狀系數(shù);dr、dq、dc為深度系數(shù);γ為地基土的重度;B為地基寬度,c為地基土的粘聚力;q為基礎(chǔ)兩側(cè)土的超載。抗剪強(qiáng)度:τ=c+σtanφ(4)式中:τ為土的抗剪強(qiáng)度;σ為剪切滑動面上的法向應(yīng)力;c為土的粘聚力;φ為土的內(nèi)摩擦角。1.3挖溝機(jī)的受荷特點(diǎn)由于挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,將其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化,建立整體結(jié)構(gòu)受力分析模型如圖1所示。通過對挖溝機(jī)工作過程的分析,可知挖溝機(jī)在海底運(yùn)動時所受的力有(見圖1示):挖溝機(jī)牽引力F;高壓水噴射管對挖溝機(jī)的水平作用力Fwx;高壓水噴射管對挖溝機(jī)的豎直作用力Fwy;泥土對噴射管和吸泥管的阻力G;挖溝機(jī)有效重力W;挖溝機(jī)受到的泥面的支持力N;軸流泵噴射反力Fc;海流水平拖曳力FD(包括逆流、順流、橫流三種工況);挖溝機(jī)受到的摩擦力f。2數(shù)據(jù)的計算和分析2.1挖溝機(jī)受力分析挖溝機(jī)通過牽引船拖動兩側(cè)一對10m×0.9m的滑靴在抗剪強(qiáng)度為5kPa的海底移動,挖溝機(jī)有效重力為204.1kN,噴射泵管豎直向上的作用力為74.9kN,噴射泵管對挖溝機(jī)的水平作用力11.4kN,海流速度0.8m/s,挖溝機(jī)重心位置為(x=0.11m,y=0,z=1.25m),γ=8kN/m3,土的內(nèi)摩擦角為φ=10°。根據(jù)在海底實(shí)際工作情況,挖溝機(jī)在海底面可能出現(xiàn)水平、橫傾或縱傾三種姿態(tài)。按照不同受力情況,分析挖溝機(jī)在不同姿態(tài)下的惡劣工況,分別為無牽引力+逆流,有牽引力+順流,無牽引力+橫流和有牽引力+橫流等四種工況。筆者以縱向前傾為例,在無牽引力+逆流、無牽引力+橫流的工況下,對挖溝機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行計算分析(圖2,圖3)。取傾斜角10°,挖溝機(jī)為對稱結(jié)構(gòu),僅取一只滑靴為研究對象進(jìn)行受力分析。分析中,同時去掉了上舉力和土壤阻力,進(jìn)行保守計算,在計算過程中摩擦力忽略不計。2.2埋深對基底壓力的影響根據(jù)式(1),計算出挖溝機(jī)所受的基底壓力,見表1示。挖溝機(jī)在泥表面和埋深0.5m的基底壓力不同,隨著埋深深度的增加,基底壓力減小,根據(jù)式(2)和表1可知,埋深的深度在計算基底壓力過程中是一個重要的影響因素。2.3埋深深度對地基承載力的影響根據(jù)式(3),計算出地基承載能力,見表2所示。地基承載力隨著埋深深度的增加而逐漸增大,根據(jù)式(3)可知,基礎(chǔ)兩側(cè)土超載q參與了運(yùn)算,使得地基承載力增大,說明埋深深度在地基承載力過程起到重要的作用。2.4挖溝機(jī)正常工作從表3中可知,滑靴在泥面地基承載力安全系數(shù)小于1,即地基承載力小于滑靴基地壓力,此時挖溝機(jī)處于不穩(wěn)定狀態(tài),滑靴會陷入泥中。而當(dāng)滑靴埋深深度為0.5m時,地基承載力安全系數(shù)大于1,挖溝機(jī)可穩(wěn)定而正常工作。說明土的抗剪強(qiáng)度不高時,增加埋深的深度可以使挖溝機(jī)正常工作,但是必須保證在牽引力允許范圍內(nèi),因?yàn)殡S著埋深的深度增加,牽引力也是隨之要增大。3挖溝機(jī)的海底工作可靠性的計算方法通過上述對挖溝機(jī)結(jié)構(gòu)整體受力分析,結(jié)合分