Experimental assessment of strength characteristics of anthropogenic soils in a given mining area for justification of tractor propulsion type

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Одним из последствий добычи полезных ископаемых открытым способом является вскрытие водоносных горизонтов и затопление карьера водой. В результате чего образуется техногенное скопление вод и становится невозможной добыча полезных ископаемых традиционными способами. Возникает необходимость в создании роботизированного добывающего комплекса, способного осуществлять добычу полезных ископаемых как открытым, так и подводным методами. С целью формирования исходных данных для разработки такого комплекса проведены исследования по оценке физико-механического состояния грунтов заданного района добычи полезных ископаемых.

Специалистами в области разработки транспортных средств (ТС) признан оптимальным подход в проектировании, основанный на максимальной «приспособленности конструкции и ее параметров» (в первую очередь типа и параметров движителя) к условиям эксплуатации [1–4]. При этом эффективность системы «машина-местность» («робот-местность») должна оцениваться соответствующими измерителями эффективности движения ТС. Рассмотрим итоги исследования заданного района местности с этих позиций.

Задачи проведённых исследований — экспериментальная оценка прочностных характеристик грунтов в заданном районе добычи полезных ископаемых с помощью переносного диагностического комплекса.

Объектом научно-исследовательской работы являются физико-механические свойства грунтов в зоне лагуны, в зоне протекания реки, прибрежной морской зоне и в зоне техногенного скопления вод [3, 5]. В дальнейшем предполагается разработка имитационного виртуального грунтового полигона с возможностью моделирования подводного движения и работы в этих условиях тракторов в составе роботизированного добывающего комплекса [6–9].

В процессе работы проводился анализ гидрометеорологических и гидрографических условий в местах залегания донных полезных ископаемых, оценка прочностных свойств грунтов в зоне предполагаемой добычи полезных ископаемых.

Результатом исследования являются данные по:

• гидрометеорологическим условиям;
• гидрографическим условиям в местах залегания донных полезных ископаемых;
• характеристикам прочностных свойств грунтов в зоне предполагаемой добычи полезных ископаемых.

Гидрометеорологические и гидрографические условия в местах залегания донных полезных ископаемых

Район испытаний расположен в зоне развития многолетней мерзлоты, мощность которой по данным бурения составляет 160–300 метров, уровень сезонного (летнего) оттаивания максимально достигает 1–1,5 м.

Район испытаний находится в арктическом климатическом поясе. Зима холодная и продолжительная, лето короткое и прохладное. Среднегодовая температура составляет минус 11°С. Наиболее холодный месяц февраль. Минимальная температура воздуха достигает минус 40–45°С. Среднесуточная температура переходит через 0°С 10 июня и 20 сентября. Обильны снегопады, число дней со снегом 244–248, с метелями — 56–74 (с декабря по март они могут продолжаться 10–15 дней подряд). Снежный покров залегает с октября по июнь. Средняя скорость ветра 8–15 м/с, максимальная 35–40 м/с.

Наиболее характерными элементами являются холмисто-увалистый рельеф и мелкогорье. Абсолютные отметки не превышают 300–400 м при среднестатистической высоте порядка 100–200 м.

Протяжённость низменности, в пределах которой расположено месторождение, колеблется от 2–5 км до 8–20 км. Поверхность низменности слабо наклонена к морю, абсолютные отметки в верхней части не превышают 10–16 м, понижаясь постепенно к побережью. Поверхность низменности заболочена, прорезана многочисленными руслами речек и ручьёв.

В районе испытаний залегают почвы: подбуры тундровые и каменные многоугольники, торфянисто- и торфяно-глеевые болотные, тундровые глеевые торфянистые и торфяные.

Испытаниям подвергался грунт в зоне лагуны реки при впадении в море, а также температура и скорость течения воды в различных точках измерений в устье реки.

Пример разреза прибрежной зоны реки представлен на рис. 1.

 

Рис. 1. Разрез прибрежной зоны реки.

Fig. 1. A section of the coastal area of the river.

 

В ходе испытаний были осуществлены промеры глубин для выявления рельефа дна при помощи эхолота с функцией построения карты местности. Примеры полученных снимков с указанием глубин места техногенного скопления вод, представлены на рис. 2.

 

Рис. 2. Определение глубины места техногенного скопления вод: а) траектория движения лодки; b) укрупнённый снимок траектории с указанием глубины в метрах.

Fig. 2. Determination of the depth of the anthropogenic water accumulation site: а) the boat path; b) enlarged image of the path with depth in meters.

 

Глубина места техногенного скопления вод варьируется от 4,5 метров в средней части до 13 метров в северных и южных краях водоёма. Присутствуют ямы глубиной до 28 метров.

По данным, полученным в результате эксперимента, с помощью географической карты и с учетом особенностей рельефа местности была построена твердотельная модель характерного участка места техногенного скопления вод, визуализация которой представлена на рис. 3.

 

Рис. 3. Характерный участок места техногенного скопления вод: a) визуализация твердотельной модели; b) профиль дна в разрезе по плоскости А; c) профиль дна в разрезе по плоскости Б.

Fig. 3. Characteristic site of anthropogenic water accumulation: a) visualization of the solid model; b) the bottom profile in the A plane section; c) the bottom profile in the B plane section.

 

Аналогично была определена глубина лагуны и устья реки, в той части где представляется возможным провести исследование с помощью моторной лодки глубина составляет от 1,4 метра до 2,4 метра.

В процессе проведения исследования были определены скорости течения в характерных точках зоны протекания реки и зоны лагуны. Исследование производилось при помощи поплавков, брошенных в воду на пусковом створе с фиксацией времени их прохождения между верхним и нижним створами. Схема разметки створов представлена на рис. 4.

 

Рис. 4. Схема разметки створов: АБ — пусковой створ, I-I — верхний, II-II — главный, III-III — нижний створы.

Fig. 4. Schematic diagram of the gauging stations: AB — the launching station, I-I — the upper station, II-II — the main station, III-III — the lower stations.

 

Фотография, сделанная в месте исследования скорости течения, являющимся характерным для зоны лагуны, представлена на рис. 5.

 

Рис. 5. Место исследования скорости течения в зоне лагуны.

Fig. 5. Location of the flow rate study in the lagoon area.

 

Поверхностная скорость течения рассчитана по формуле:

${\vartheta }_{\text{пов}}=\frac{L}{t}$,

где L — путь, пройденный поплавком; t — время прохождения этого пути.

На рис. 6 представлена эпюра распределения скоростей течения в зависимости от глубины реки.

 

Рис. 6. Эпюра распределения скоростей течения в зависимости от глубины реки.

Fig. 6. Flow rate distribution as a function of the river depth.

 

Средняя скорость течения определяется по формуле:

${\vartheta }_{\text{ср}}=K\cdot {\vartheta }_{\text{пов}}$,

где K — поправочный коэффициент от поверхностной скорости к средней, K = 0,7–0,9.

Ввиду небольшой глубины поправочный коэффициент принят равным K = 0,9.

Пример результатов обработки данных эксперимента, полученных тремя измерениями в точке исследования, находящейся в зоне лагуны, приведён в табл. 1.

 

Таблица 1. Результаты обработки данных эксперимента в зоне лагуны

Table 1. Results of processing the data of the experiment in the lagoon area

№	Расстояние, м	Время, с	Скорость, м/с	Средняя скорость, м/с
1	35	57	0,61	0,55
2	35	51	0,68	0,61
3	35	39	0,89	0,80

 

Методы оценки физико-механического состояния опорных поверхностей заданного района эксплуатации

В местах проведения испытаний на выбранных площадках (с целью предварительной оценки их прочности) были взяты пробы грунта (методики забора проб представлены в [10–12]).

Для проведения гранулометрического анализа и определения влажности грунта пробы отбирались с помощью режущего кольца. Схема взятия пробы представлена на рис. 7.

 

Рис. 7. Схема взятия пробы грунта методом режущего кольца: a) — позиционирование пробоотборника; b) — внедрение пробоотборника в грунт; c) — извлечение пробоотборника из грунта.

Fig. 7. Schematic diagram of soil sampling using the cutting ring method: a) — positioning of the sampler; b) — insertion of the sampler into the soil; c) — removal of the sampler from the soil.

 

Фотография, сделанная на месте проведения исследования и поясняющая принцип взятия пробы грунта под водой, представлена на рис. 8.

 

Рис. 8. Взятие пробы грунта под водой.

Fig. 8. Taking a soil sample underwater.

 

1. По взятым пробам были определены: влажность методом высушивания грунта до постоянной массы и гранулометрический состав ситовым методом. На рис. 9 представлены этапы процедуры определения гранулометрического состава.

 

Рис. 9. Сита с отсеянным по фракциям грунтом (указан размер ячейки).

Fig. 9. Sieves with fractionally screened soil (cell size is indicated).

 

Пример результатов определения влажности методом высушивания проб грунта до постоянной массы и плотности проб грунта, взятых в двух точках в зоне протекания реки, приведён в табл. 2.

 

Таблица 2. Результаты обработки данных эксперимента по определению плотности и влажности грунтов в зоне протекания реки

Table 2. Results of processing the data of the experiment of defining density and moisture of the soils in the river flow area

№	Глубина, м	Масса до сушки, г	Масса после сушки, г	Плотность до сушки, г/см3	Плотность после сушки, г/см3	Влажность, %
1	Грунт с водой V=150 см3
	0,1	574	410	3,83	2,73	40
2	ПГС* с берега реки
	–	3725	3503	–	–	6,3

*ПГС — песчано-гравийная смесь, определено по внешним признакам

 

Пример результатов определения гранулометрического состава проб грунта, взятых в двух точках в зоне протекания реки, представлен в табл. 3.

 

Таблица 3. Результаты обработки данных по гранулометрическому составу проб грунта

Table 3. Results of processing the data of granulometric composition of the soil samples

№	Размер фракции	Масса без промывки водой, г	Содержание в грунте каждой фракции, %
1	Грунт с водой. Масса до сушки 574 г. Масса после сушки 410 г
	Фракции размером более 10 мм	–	–
	Фракции размером 10–5 мм	–	–
	Фракции размером 5–2 мм	–	–
	Фракции размером 2–1 мм	2	0,49
	Фракции размером 1–0,5 мм	1	0,25
	Фракции размером 0,5–0,25 мм	87	21,43
	Фракции размером 0,25–0,1 мм	263	64,78
	Фракции размером менее 0,1 мм	53	13,05
2	ПГС с берега реки. Масса до сушки 3725 г. Масса после сушки 3503 г
	Фракции размером более 10 мм	1845	52,59
	Фракции размером 10–5 мм	428	12,20
	Фракции размером 5–1 мм	471	13,43
	Фракции размером 1–0,5 мм	339	9,66
	Фракции размером 0,5–0,25 мм	294	8,38
	Фракции размером 0,25–0,1 мм	83	2,37
	Фракции размером менее 0,1 мм	48	1,37

 

По полученным данным была построена кумулятивная кривая гранулометрического состава грунта. Для пробы № 1 и № 2, в соответствии с табл. 3, она представлена на рис. 10 и 11 соответственно.

 

Рис. 10. Кумулятивная кривая гранулометрического состава пробы грунта № 1.

Fig. 10. Cumulative curve of granulometric composition of the soil sample № 1.

 

Рис. 11. Кумулятивная кривая гранулометрического состава пробы грунта № 2.

Fig. 11. Cumulative curve of granulometric composition of the soil sample № 2.

 

2. Прочностные (механические) характеристики грунта определялись с помощью двух измерителей:
   
   • прогнозирования глубины колеи z под штампами разных диаметров (процесс пенетрации или свободной осадки с помощью штампов различной площади);
   • сдвиг штампа, равновеликого площади трака гусеничной цепи трактора.

На рис. 12 представлены рабочие моменты проведения экспериментов на грунтовых площадках типа: «техногенный ил», песок с илом на суше и под водой (типы грунтов определены по внешним признакам).

 

Рис. 12. Определение прочностных характеристик грунта: а) пример пенетрации (свободной осадки) грунта; b) сдвиг штампа в виде трака гусеничной цепи на «техногенном илу»; c) измерительный комплекс для проведения грунтовых экспериментов; d), e) расчётные схемы к процессам пенетрации и сдвига грунта.

Fig. 12. Determination of the soil strength characteristics: а) an example of soil penetration (free settlement); b) shear of a die in the shape of a caterpillar chain track at the “anthropogenic silt”; c) the measuring facility for conducting soil experiments; d), e) calculation schemes to the processes of soil penetration and soil shear.

 

Для проведения грунтовых экспериментов разработан мобильный измерительный комплекс, в табл. 4 представлена его техническая характеристика.

 

Таблица 4. Техническая характеристика измерительного комплекса

Table 4. Technical data of the measuring facility

№	Параметр	Значение
1	Диапазон измерения усилия пенетрации/сдвига, Н	0–1000
2	Пределы допускаемой относительной погрешности измерения силы, %	± 0,5
3	Диапазон измерения перемещения штампа, см	0–29
4	Пределы допускаемой относительной погрешности измерения перемещения штампа, %	± 1,5
5	Площадь штампа в виде трака гусеничной цепи, м2	0,1
6	Масса штампа в виде трака гусеничной цепи, кг	16
7	Площадь круглого штампа диаметром 8 мм, м2	5⋅10-5
8	Площадь круглого штампа диаметром 12 мм, м2	11⋅10-5
9	Площадь круглого штампа диаметром 16 мм, м2	20⋅10-5
10	Площадь круглого штампа диаметром 20 мм, м2	31⋅10-5
11	Площадь круглого штампа диаметром 24 мм, м2	45⋅10-5
12	Напряжение питания, В	5
13	Габаритные размеры, м	1,8×0,3×1,5
14	Масса, кг, не более	65

 

По результатам проведённых экспериментов можно провести предварительный анализ взаимовлияния типа грунта (опорной поверхности в районе эксплуатации робота — на суше и под водой) с контактирующей поверхностью выбираемой конструкции движителя трактора. Предварительные расчеты (в графической форме), прогнозирующие возможные поля численных значений измерителей процессов в пятне контакта движителя с грунтом при оценке опорно-тяговой проходимости ТС (в данном случае трактора) представлены в качестве примера на рис. 13.

 

Рис. 13. Пример прогнозирования расчётных значений измерителей процессов в пятне контакта движителя с грунтом «техногенный ил»: а) в процессе «осадки грунта»; b), c) в процессе «сдвига грунта».

Fig. 13. An example of predicting the calculated values of process gauges in the contact patch of the propulsor with the “anthropogenic silt” soil: а) during the process of soil settlement; b), c) during the process of soil shear.

 

На рис. 13,а представлены результаты расчётов по грунтовому эксперименту процесса «свободная осадка грунта». При ручной пенетрации были использованы круглые штампы пяти диаметров. При совмещении графиков можно сделать ожидаемый вывод, что предпочтительным размером круглого штампа, имитирующего пятно контакта движителя с грунтом является штамп большей площади. Выбор максимального значения диаметра штампа ограничен реальными возможными усилиями непосредственно рук человека (в процессе проведения эксперимента). По приведённому графику можно отметить, что характер зафиксированного процесса осадки грунта адекватен ранее проводимым аналогичным известным экспериментам на связных грунтах, например [5].

На рис. 13,b и 13,c представлены результаты по грунтовому эксперименту процесса «сдвиг на грунте». В качестве штампа был использован трак гусеничной цепи. Эксперименты проводились при трех значениях вертикальной нагрузки на штамп для грунта типа «техногенный ил». В технической литературе данных по прочности такого грунта нет. По проведённым и обработанным результатам испытаний можно записать известное уравнение Кулона $\tau =\mathrm{tg}{\phi }_0\cdot \sigma +c_0$ [5], связывающее касательные $\tau$ и нормальные напряжения $\sigma$ в грунте с углом внутреннего трения ${\phi }_0$ и коэффициентом внутреннего сцепления ${с}_0$, в виде:

$\tau =\mathrm{1,6}\cdot \sigma +\mathrm{3,5}$ кПа

Таким образом, разработанные метод грунтовых испытаний и комплекс измерительной аппаратуры позволили оценить за небольшой промежуток времени реальные прочностные характеристики опорных поверхностей рассматриваемого района эксплуатации ТС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведённые в исследовании материалы испытаний могут составить основу методики предварительной оценки местности (или опорной поверхности) района предполагаемой эксплуатации ТС (трактора).

Основными этапами такой методики можно считать:

1. выбор местоположения рассматриваемого района с помощью географических и почвенных карт (такой этап в этом исследовании не рассматривался);
2. оценка климатических условий с выделением характерных временных интервалов эксплуатации разрабатываемого или уже существующего ТС (в этом исследовании рассматривался случай обеспечения возможности эксплуатации ТС в летний период времени при температуре воздуха выше нуля);
3. выделение на местности характерных участков поверхности, в том числе и обводнённых поверхностей, где должно быть обеспечено эффективное движение с возможностью производственной деятельности;
4. проведение предварительных оценочных испытаний с выявлением постоянства или вариативности влажности грунтовых поверхностей и их неровности;
5. уточнение гранулометрического состава грунтов выбранных характерных участков (современные ПО позволяют имитировать физические законы, происходящие в грунтах и взаимодействие с активным движителем ТС);
6. физическая имитация взаимодействия элементов движителя с рассматриваемым оригинальным типом грунта по двум физическим процессам: свободная осадка грунта (рис. 12 d)) и сдвиг (рис. 12 e));
7. обработка результатов экспериментов с учетом материальных и временных возможностей персонала экспедиции.

На рис. 14 представлен примерный перечень для выбора возможных вариантов движителей машин (тракторов). Поэтому необходимо при проведении предварительных испытаний иметь подготовленные к этапу «сдвиг на грунте» штампы соответствующей конфигурации.

 

Рис. 14. Варианты движителей машин для добычи полезных ископаемых.

Fig. 14. Variants of propulsors of mining machines.

 

Исходя из результатов предварительной оценки на прочность грунта характерных участков заданной территории логично рассматривать в качестве базовых для трактора в составе добывающего роботизированного комплекса типы движителей: гусеничный или роторно-винтовой.

ВЫВОДЫ

В исследовании представлены:

1. методика оценки местности с целью разработки виртуального полигона для испытаний трактора, в том числе на обводнённых поверхностях;
2. принцип построения имитационного полигона для выбора траектории перемещения трактора (в том числе по дну техногенного водоёма);
3. концепция проведения грунтовых испытаний с учетом крайней неоднородности типов грунтов и дна водоёмов, в том числе техногенного происхождения, для обеспечения движения трактора.

Разработаны:

1. оригинальный способ проведения грунтовых испытаний по двум схемам согласно теории механики грунтов: «свободная осадка грунта» с помощью штампов различной конфигурации и «сдвиг на грунте»;
2. специальный мобильный комплекс, включающий переносное оборудование для проведения экспериментов с целью определения прочностных характеристик грунтов.

Рассмотрен пример экспериментального определения физико-механических характеристик техногенного грунта ил. Учитывая их значения, можно составить прогноз–оценку показателей опорно-тяговой проходимости транспортных средств с различными типами движителей при движении по ним.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. А.Ю. Захаров — научное руководство, анализ и доработка текста, утверждение финальной версии; Н.С. Вольская — научное руководство, формирование структуры статьи, анализ и доработка текста, утверждение финальной версии; М.М. Журкин — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, подготовка и написание текста статьи; И.А. Ильичёв — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, подготовка и написание текста статьи, создание изображений. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликты интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведённым исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Исследование и публикация осуществлены при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (код научной темы, присвоенной учредителем (организацией) ПРИОР/СН/НУ/23/СП6/2).

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. A.Yu. Zakharov — scientific supervision, analysis and revision of the text, approval of the final version; N.S. Volskaya — scientific supervision, formation of the article structure, analysis and revision of the text, approval of the final version; M.M. Zhurkin — literature review, collection and analysis of literature sources, preparation and writing of the article text; I.A. Ilyichev — literature review, collection and analysis of literature sources, preparation and writing of the article text, creation of images. All authors confirm their authorship compliance with the ICMJE international criteria (all authors made a significant contribution to the conceptualization, research and preparation of the article, read and approved the final version before publication).

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. The research and publication were supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (scientific topic code assigned by the founder (organization) PRIOR/SN/NU/23/SP6/2).

About the authors

Alexander Y. Zakharov

Bauman Moscow State Technical University

Email: zakharov-al@mail.ru
ORCID iD: 0009-0003-1255-6575
SPIN-code: 5321-2615

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Wheeled Machines Department

Russian Federation, Moscow

Natalia S. Volskaya

Bauman Moscow State Technical University

Email: volskayans@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0003-0655-2677
SPIN-code: 2339-7112

Dr. Sci. (Engineering), Professor of the Wheeled Machines Department

Russian Federation, Moscow

Mikhail M. Zhurkin

Bauman Moscow State Technical University

Email: mimizhur@gmail.com
ORCID iD: 0009-0006-6254-8954

Postgraduate of the Wheeled Machines Department

Russian Federation, Moscow

Ilya A. Ilyichev

Bauman Moscow State Technical University; Naberezhnye Chelny Branch of the Kazan Federal University

Author for correspondence.
Email: illlyailll1999@gmail.com
ORCID iD: 0009-0009-3725-4614
SPIN-code: 9770-2582

Engineer at the Engineering Development Center “Import Substitution in Mechanical Engineering”; Postgraduate of the Automobiles, Automobile Engines and Design Department

Russian Federation, Moscow; Naberezhnye Chelny

References

Supplementary files