Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

В процессе производственной деятельности перед инженером по разведочному бурению нередко возникает необходимость в проведении простейших проверочных и проектных расчетов прочности, жесткости и устойчивости элементов конструкций различных буровых устройств и вспомогательных приспособлений. Подобные расчеты производятся на основе методов и моделей сопротивления материалов. В главе приведены основные методики и расчетные формулы, позволяющие решать соответствующие более или менее простые задачи. Объем предлагаемого материала примерно соответствует ■ объему курса сопротивления материалов для специальности «Технология и техника разведки полезных ископаемых». При составлении главы автор использовал методику изложения и обозначения принятые в работе [27], частично использовались также работы [8, 24].

Все твердые тела в той или иной мере обладают свойств. ами прочности и жесткости, т. е. способны в известных пределах воспринимать воздействие внешних сил без разрушения и без существенного изменения геометрических размеров. Сопротивление материалов—это наука о прочности и жесткости элементов ин­женерных конструкций. Основные положения этой науки опираются на законы и теоремы теоретической механики и в первую очередь на законы статики.

В сопротивлении материалов наиболее существенный элемент— свойства деформируемых тел. Эта наука дает практически достаточно простые приемы расчета типичных, наиболее часто встречающихся элементов конструкций.

При ведении инженерных расчетов методы сопротивления матери­алов следует применять творчески и помнить, что успех практического расчета не столько в применении сложного математического аппарата, сколько в умении вникать в существо исследуемого объекта, найти наиболее удачные упрощающие предположения и довести расчет до окончательного числового результата.

В сопротивлении материалов так же, как и в теоретической механике, важное значение имеет умение правильно составить рас­четную схему. Под ней понимается реальный материальный объект, освобожденный от несущественных особенностей. Выбор расчетной схемы в сопротивлении материалов начинается со схематизации свойств материалов. . Считается общепринятым рассматривать все материалы как однородную сплошную среду, независимо от особен — 230 гостей их микроструктуры. Сплошная среда при выборе расчетной схемы наделяется свойствами, отвечающими свойствам реального материала. Свойство тел восстанавливать свои первоначальные раз­меры называется упругостью. При решении большей части задач в сопротивлении материалов среда считается совершенно упругой. Однако тело, особенно при больших нагрузках, проявляет не только свойство упругости, но и свойство пластичности (появление остаточ­ных деформаций).

При выборе расчетной схемы вводятся упрощения и в геометрию реального объекта. Основной упрощающий прием — приведение гео­метрической формы тела к схеме бруса. Под брусом понимается тело, одно из измерений которого (длина) намного больше двух других. Геометрический брус может быть образован путем перемеще­ний плоской фигуры вдоль некоторой кривой (или прямой) линии. Эта линия называется осью бруса, а плоская фигура, имеющая свой центр тяжести на оси и нормальная к ней, называется его поперечным сечением. Брус может иметь постоянное и переменное сечение. Многие сложные конструкции могут рассматриваться состоящими из элемен­тов, имеющих форму бруса.

Второй типовой геометрической схемой, применяемой в сопротив­лении материалов, является схема оболочки. Под оболочкой понима­ется тело, одно из измерений которого (толщина) намного меньше двух других.

В подавляющем большинстве случаев силы, прикладываемые к материальным объектам, в сопротивлении материалов рассмат­риваются как сосредоточенные. Однако нередко изучается воздействие на объект распределенных сил.

Если конструкция рассматривается изолированно от других окружа­ющих тел, то действие последних на конструкцию заменяют силами, которые называются внешними. К внешним силам относятся и реакции связей, дополняющие систему сил до равновесной. Взаимодействие между частями рассматриваемого объекта внутри самого объекта характеризуется внутренними силами или внутренними силовыми факторами. Внутренние силы, возникающие в брусе, выявляются только в том случае, если мысленно рассечь брус на две части. Такой прием выявления внутренних силовых факторов носит название метода сечений. Следует иметь в виду, что одна часть рассеченного бруса действует на другую точно так же, как последняя на первую. Независимо от характера распределения внутренних сил по сечению они должны быть такими, чтобы не нарушались условия равновесия любой части бруса.

Внутренние силы должны быть распределены по сечению так, чтобы деформированные поверхности сечения при совмещении первой и вто­рой частей бруса в точности совпадали. Такое условие в сопротивлении материалов носит название условия неразрывности деформаций.

Если воспользоваться правилами статики и привести систему внутренних сил к центру тяжести сечения, то в результате получим главный вектор R и главный момент М0. Если теперь спроецировать

главный вектор и главный момент на три взаимно перпендикулярные оси, одна из которых перпендикулярна к сечению, получим шесть составляющих: три силы и три момента. Эти составляющие называ­ются внутренними силовыми факторами в сечении бруса.

Составляющая внутренних сил по нормали к сечению N называется нормальной или продольной силой. Силы, располагающиеся в плоскости сечения, называются поперечными. Момент относительно нормальной оси А/к называется крутящим, а моменты относительно двух других осей — изгибающими. При известных внешних силах все шесть внут­ренних силовых факторов определяются из шести уравнений равно­весия, которые могут быть составлены для отсеченной части бруса.

По аналогии с приведенными наименованиями производится классификация основных видов нагружения бруса. Так, если на каком-то участке бруса в поперечных сечениях возникает только нормальная сила N, а прочие внутренние силовые факторы обращают­ся в нуль, то на этом участке отмечается растяжение или сжатие в зависимости от направления силы N. Если в поперечном сечении возникает только момент Мк, то брус в данном сечении работает на кручение. Наконец, в случае, когда внешние силы приложены к брусу таким образом, что ‘И поперечных сечениях возникает только изгиба­ющий момент Мх (или Му), отмечается чистый изгиб в соответствую­щих плоскостях. Обычно в поперечном сечении наряду с изгибающим моментом возникает и поперечная сила. Такой случай нагружения называется поперечным изгибом. Возможны случаи нагрузок, когда брус работает на кручение и изгиб или растяжение одновременно.

Чтобы охарактеризовать закон распределения внутренних сил, для них по сечению вводится числовая мера, называемая напряжением. Если в окрестности какой-либо точки сечения бруса выделить элементарную площадку AF. в пределах которой действует внутренняя сила AR, то векторная величина, определяемая равенством

AR dR

1ш — «—=/), (13. )

дт-,0 AF dF

представляет собом полное напряжение в точке. Напряжение имеет размерность силы, деленной на площадь (Па).

Полное напряжение р может быть разложено на три составляющие: по нормали к плоскости сечения и по двум осям в плоскости сечения. Проекция вектора полного напряжения на нормаль обознача­ется через о и называется нормальным напряжением. Составляющие в плоскости сечения называются касательными напряжениями и обо­значаются буквой х. В зависимости от расположения и наименования осей о и т снабжаются системой индексов.

Если через ту же точку в сечении провести другую секущую площадку, напряжение р в этой точке будет другим. Совокупность напряжений для множества площадок, проходящих через точку, образует напряженное состояние в точке. *

В Все существующие в природе материалы не являются абсолютно Лвердыми и под действием внешних сил меняют свою форму К размеры (деформируются). Вектор, имеющий начало в точке Пнёдеформированного тела, а конец в той же точке деформированного ■тепа, называется вектором полного перемещения точки. Его проекции Bha оси носят название перемещений по осям. Они обозначаются ■через и, v и w соответственно осям х, у и z. Кроме линейного J перемещения вводится понятие углового перемещения (угол между

отрезками прямой, соединяющей две близкие точки тела, до дефор­мации и после деформации).

Г Если на систему тел наложены связи, достаточные для того, {чтобы исключить ее перемещение как жесткого целого, то система Р Называется кинематически неизменяемой. В этих системах перемещения сточек считаются малыми, что дает основание ввести так называемый 1’принцип начальных размеров. Согласно этому принципу, при состав­лении уравнений статики (уравнений равновесия) тело рассматривают {как недеформированное, имеющее те же геометрические размеры, f какие оно имело до нагружения внешними силами. Однако этот {принцип можно применять не всегда.

: Отношение приращения длины отрезка в теле к его длине до

г деформации назовем средним удлинением еср. Если теперь уменьшать (длину начального отрезка, можно получить линейную деформацию к в точке, например, А по направлению А В—еср. Если рассматриваются деформации по направлению координатных осей, то в обозначение ■ е вводятся соответствующие индексы е*, еу и е?. Кроме линейной деформации, вводится понятие угловой деформации, обозначаемой. буквой у (угол сдвига). В координатных плоскостях углы сдвига обозначаются уху, уу, и Совокупность линейных и угловых

деформаций по различным направлениям и плоскостям для одной точки образует деформированное состояние в точке.

Многочисленные наблюдения за поведением твердых тел показы­: вают, что в подавляющем большинстве случаев перемещения в опре­деленных пределах пропорциональны действующим силам. Впервые указанная закономерность была сформулирована Гуком (1676 г.) и получила название закона Гука. В современной трактовке закон Гука определяет линейную зависимость между напряжением и дефор­мацией. Коэффициенты пропорциональности в этом случае представ­ляют собой физические константы материала.

Системы, для которых соблюдается условие пропорциональности между перемещениями и внешними силами, подчиняются принципу суперпозиции, илжпринципу независимости действия сил. В соответствии с этим принципом перемещения и внутренние силы, возникающие в упругом теле, считаются не зависящими от порядка приложения внешних сил.

Наиболее распространенный метод расчета деталей машин и эле­ментов сооружений на прочность—расчет по напряжениям. В основу этого метода положено предположение, что критерием надежности

конструкции является напряжение или, точнее, напряженное состояние! в точке. На основании анализа конструкции выявляется та точка? в Terfe, в которой возникают наибольшие напряжения. Найденная] величина напряжений сопоставляется с предельной величиной для] данного материала, полученной на основе предварительных лаборатор-1 ных испытаний. Из сопоставления найденных расчетных напряжений! и предельных напряжений делается заключение о прочности конст-‘l рукции. Однако такой подход не является единственно возможным.) Е некоторых случаях используется метод расчета по разрушающим■] нагрузкам. В этом методе путем расчета определяют не напряжения, а находят предельную нагрузку, которую может выдержать конст­рукция, не разрушаясь или не изменяя существенно свою форму.

Если необходимо добиться наименьших изменений формы кон­струкции, то производится расчет по допускаемым перемещениям или j расчет на жесткость. Это не исключает одновременной проверки! системы на прочность по напряжениям.

Наряду с упомянутыми методами расчета существуют многие’ другие методы, связанные с качественно отличными явлениями,; такими, как устойчивость, эффект повторных нагрузок, динамическое ■ воздействие и др.

Комментарии запрещены.