1. Машины для подготовительных работ;

2. Землеройно-транспортные машины;

3. экскаваторы;

4. машины для гидравлической разработки грунта;

5. для бурения скважин диаметром 0,5 + 3м;

6. для разработки мерзлого грунта;

7. для уплотнения грунта;

8. для свайных работ.

8.1.2. Физико-механические свойства грунтов.

Грунты и их свойства.

Грунты являются материалами, из которого возводят насыпи, средой, в которой разрабатывают выемки, и основанием, на котором возводят земляные сооружения. Большая часть грунтов - минерального происхождения, но имеются грунты частично или полностью органического образования (ил, торф, чернозем, фосфориты). Грунты минерального происхождения по своему составу, прочности и трудности разработки подразделяют на скальные (извержение и осадочные), сцементированные конгломераты и нескальные (глинистые и песчано-гравийные).

Скальные грунты по строению разделяют на однородные и слоистые, однородные скальные грунты состоят преимущественно из изверженных пород с кристаллической структурой. Они отличаются значительной плотностью (объем пор не больше 1 %) и малой влагоемкостью (0,1 — 1 %). Слоистые скальные грунты принадлежат к осадочным породам и сложены из песчаников, известняков, доломитов и глинистых сланцев. Прочность этих пород колеблется в широких пределах и зависит как от состава и сложения, так и от толщины слоя.

Влагоемкость колеблется от 1,5 % для плотных известняков до 40 % для мела. Конгломераты — это обломочные породы, сцементированные тем или иным минеральным цементом. Твердость породы зависит от состава связующего. К нескальным грунтам относятся глины, лёсс, мергели, пески и гравий, а к промежуточным — супеси, суглинки. Глины являются продуктом механического разложе­ния полевого шпата. В чистом виде глины встречаются редко. Обычно они содержат примеси песка и других горных пород. При содержании 10-30 % глины их называют суглинками, а при содержании её 10 % и менее — супесями. Лёсс содержит 5-10 % глины, до 60 % кварцевой пыли, 10-20 % извести и некоторую часть окиси железа. Лёсс обладает значительной влагоемкостью (до 40 %). При насыщении водой в лёссе нарушается сцепление частиц, поэтому они легко размываются текучими водами.

Мергелями называются глины с содержанием 40-60% углекислой извести. В сухом состоянии мергели обладают значительной твердостью. Они гигроскопичны, при насыщении водой переходят в состояние пластичности, а при высыхании распадаются в порошок.

Пески - это продукт разрушения кристаллических пород. Крупность частиц песка - в пределах от 0,05 (мелкий песок) до 3-4мм (крупный песок). При более мелких зернах пески называют пылью. Гравий, галька и валуны - это грубообломочные породы, состоящие из продуктов разрушения изверженных и осадочных пород. Размеры отдельных частиц: частиц: 5-40 - для гравия, 40-200 - для гальки и 200-800мм - для валунов.

Техническая пригодность грунтов определяется связностью (сцеплением) между частицами, характеризующей прочность грунта: размерами и формой частиц; однородностью состава; коэффициентом трения или углом естественного откоса; влажностью, влагоемкостью и водоудерживающей способностью; размываемостью при различном содержании влаги и под действием отрицательных температур; разрыхляемостью и способностью к уплотнению после разрыхления. Качество и техническую пригодность грунта определяют лабораторными исследованиями.

Физико-механические свойства грунтов

На работу землеройных машин влияют следующие физико-механические свойства грунта:

• Гранулометрический состав, т.е. процентное содержание по весу частиц различной крупности.

• Объемная масса у - масса 1м³ грунта, взятого в естественном состоянии, вместе с порами (в плотном теле). Для грунтов у = 1,5-2т/м³.

• Пористость - объем пор, заполненных водой и воздухом в процентах от общего объема грунта.

• Влажность - объем воды в грунте, в %.

• Связность — характеризуется усилием, необходимым для преодоления сцепления одних частиц с другими и их относительного смещения.

• Пластичность - свойство грунта изменять форму под действием внешних сил и сохранять эту форму после их удаления.

• Прочность — свойство грунта сопротивляться разрушению под влиянием внешних нагрузок.

• Сопротивление грунта вдавливанию. При движении машин движители вдавливаются в грунт. Вдавливание на небольшую глубину называют смятием. Величина силы, необходимой для вдавливания на глубину в 1см штампа площадью в 1см", т.е. удельное сопротивление вдавливанию, называется коэффициентом сопротивления смятию Р_о. Для различных грунтов Р_о = 0,05 1,3 кгс/см (0,5 + 130 кПа). Величина допускаемых давлений Р_о на движители составляет 0,4 1,5 кгс/см² (40 - 150 кПа).

• Абразивность — способность материала оказывать истирающее действие.

• Коэффициент трения стали о грунт ц и грунта о грунт \i\ для, грунтов, находящихся в естественном состоянии, колеблется в пределах соответственно 0,3 + 0,7 и 0,3 -^ 0,9.

• Разрыхляемость — способность грунта увеличивать объемы при разрушении. Разрыхляемость измеряется коэффициентом разрыхления к_р, равным отношению объема разрыхляемого грунта к объему, который он занимал в естественном состоянии. В зависимости от категории грунта к_р изменяется от 1,2 до 1,5.

• Угол естественного откоса — угол у основания конуса, который образуется при осыпании разрыхленного грунта с некоторой высоты. Величина зависит от коэффициента внутреннего трения т от связности. Для несвязных грунтов угол естественного откоса равен углу внутреннего трения. Величины углов естественного откоса зависит от категории грунта и его состояния, и составляют 15-20°.

Оценить трудность разработки грунтов по вышеперечисленным параметрам в производительных условиях сложно, поэтому Госстрой СССР на основные типы грунтов разработал производительную классификацию грунтов по трудности их разработки:

I - мелкий грунт (песок);

II - III - средний (супесь); IV - тяжелый (глина).

Однако эта классификация основана только на качественной оценке и не учитывает некоторых важных свойств, например влажности. Это приводит иногда к несоответственно фактической трудоемкости разработки с расчетной. Поэтому был предложен способ оценки разрабатываемое™ грунтов с помощью ударника (плотномера) ДорНИИ. (Рис. 8.1.)

1. Категория _ 1-4 удара

2. Категория _5-8 ударов

3. Категория _9-16 ударов

4. Категория _ 16-34 удара

Рис. 8.1. Ударник конструкции ДорНИИ

В таблице приведены основные физико-математические свойства грунтов.

Приращение объемов при разрыхлении грунта

Углы естественного откоса, град.

Классификация грунтов по трудности их разработки.

8.1.3.Способы разработки грунтов.

Одной из основных операций при земляных работах является разрушение грунта. Грунты и породы разрушаются:

1. механическим способом, когда рабочие органы непосредственно отделяют грунт от массива. Энергоемкость его составляет 0,05 + 0,3 кВт-ч/м³;

2. гидромеханическим способом; при этом способе грунт разрушается, т.е. отделяется от массива механическим рабочим органом (фрезой), а затем транспортируется при помощи воды или грунт сразу разрушается струей воды высокого давления. В первом случае энергоемкость составляет 0,2 2 кВт-ч/м", во втором - в 1,5 раза меньше;

3. взрывным способом, когда в породе предварительно пробуривают шпуры, в которых помещают взрывчатые вещества. Газы, выделяющиеся при воспламенении взрывчатых веществ, разрушают породу. Энергоемкость такого бурения составляет 0,8 - 1,1 кВт-ч/м .

Применяются также комбинированные способы, когда предварительно разрушение (рыхление) грунта производится рыхлителем, а транспортировка другими машинами. Помимо механических и гидравлических способов разрушения ведутся исследования по термическому и химическим способам.

Резание и копание

Отделение грунта от массива осуществляется режущей частью рабочего органа, имеющего форму клина (рис. 8.2.). рабочему органу сообщается два движении: одно для внедрения рабочего органа в грунт, характеризуемое скоростью подачи v_n и второе, при котором отделяется грунт от массива, характеризуемое скоростью резания v_p. Величина v_p на современных машинах для земляных работ колеблется от 0,8 до 2 м/с, а величина v_n ~ 0,1 v_p.

Рис. 8.2. Геометрия рабочего органа

Рабочие органы отделяют грунт от массива и перемещают его. Процесс только отделения грунта от массива (разрушение грунта) называется процессом резания. Весь процесс отделения грунта от массива и заполнения им рабочего органа (ковша экскаватора, скрепера) или перемещения его рабочим органом (отвалом бульдозера, грейдера) называется процессом копания.

Для проектирования и рациональной эксплуатации машин необходимо знать, какие силы сопротивления возникают при резании и копании. Эти силы зависят от ширины b и толщины с срезаемой стружки, т.е. от срезаемой площади F = bc, от физико-механических свойств грунта и от геометрии режущей части рабочего органа. Режущая часть рабочего органа характеризуется углом заострения β, задним углом d, углом резания δ = d+ δ и передним углом у.

При резании, т.е. только при отделении грунта от массива, возникает сила Р, нормальная к передней грани режущего органа. Определить точку приложения этой силы, а также ее величину очень трудно. Для простоты принято считать, что эта сила приложена к режущей кромке. Её раскладывают на две силы: касательную силу сопротивления резанию Р_p и нормальную силу резания (силу подачи) Р_п. в результате действий Р_п возникает сила трения рабочего органа о грунт Р_тр\.

При копании помимо этих сил возникают дополнительные силы сопротивления перемещению грунта при заполнении рабочего органа (ковша) или перемещению грунта, впереди рабочего органа (отвал бульдозера). Определение каждой из этих сил весьма сложно, поэтому принято, что при копании возникает сила сопротивления Р_о (рис. 8.2. б), которая раскладывается на две силы: касательную силу копания Poi направленную по касательной к траектории движения, и нормальную силу копания Р₀2, направленную по нормам к траектории движения, величины сил P_Oi и Р_и2, Р_р и Р_п определяют по коэффициентам удельного сопротив­ления резанию к_р и копанию k_n. Эти коэффициенты определены эксперименталь­но для различных грунтов.

Величина силы, кгс (Н),

■

где F - сечение снимаемой стружки, см².

Величина Рог зависит от затупления рабочего органа и принимается как часть

(большое значение при большем затуплении).

Откол грунта заключается в том, что в грунт, на котором расстоянии от бров­ки забоя внедряется (забивается) клин (Рис. 8.3.).

Рис. 8.3. Схема откола крупных глыб с помощью клиньев.

Процесс откола зависит от угла клина ά, ширины клина Ь, расстояния между бровкой забоя и местом забивки клина В, работы единичного удара А = G_LH, где Gi — вес падающего груза, Н — высота падения груза. Чтобы внедрить клин в грунт, работа единичного удара А должна быть не меньше определенной величины, которая зависит от физико-механических свойств грунта, степени промерзания, угла клина а, расстояние от бровки забоя В. Экспериментально установлено, что при угле клина ά = 30° и забивке в мерзлый грунт IV категории на каждый сантиметр ширины клина требуется работа не меньше 200 кгс*м (2*10³ Н*м).

При этом клин за каждый удар внедряется в среднем на глубину h = 120-150м. очевидно, что чем больше работа удара, тем больше h.

8.1.4. Рабочие органы землеройных машин

и их взаимодействие с грунтом.

Р абочие органы, с помощью которых грунт отделяют от массива (экскаваторные ковши, бульдозерные отвалы, зубья рыхлителей) (рис. 8.4) называют землеройными. В конструкциях землеройных и землеройно-транспортных машин, рабочий процесс которых состоит из последовательно выполняемых операций отделения грунта от массива, его перемещения и отсыпки, землеройные рабочие органы совмещают с транспортирующими - ковшами (экскаваторы, скреперы) или отвалами (бульдозеры, автогрейдеры). Первые называют ковшовыми, а вторые - отвальными. Зубья рыхлителей (рис.8.4,а) отделяют грунт от массива без совмещения с другими операциями.

Ковшовый рабочий орган представляет собой емкость с режущей кромкой, оснащенной зубьями (рис. 8.4, б - г, е) или без них (рис. 8.4, д, ж, з). Ковши с режущими кромками без зубьев чаще применяют для разработки малосвязных песков и супесей, а ковши с Рис. 8.4. Рабочие органы машин для Зубьями - в основном разработки грунтов для разработки суглинков, глин и прочных грунтов. При разработке грунта ковш перемещается относительно грунтового массива так, что его режущая кромка или зубья внедряются в грунт, отделяя его от массива. Разрыхленный вследствие этой операции грунт поступает в ковш для последующего перемещения в нем к месту разгрузки.

Отвальные рабочие органы (рис. 8.4, и) оснащают в нижней части ножами, в этом случае их еще называют ножевыми. Для разрушения более прочных грунтов на ножи дополнительно устанавливают зубья. Рабочий процесс отвального рабочего органа отличается от описанного выше способом перемещения грунта к месту укладки - волоком по ненарушенному грунту перед отвалом.

Р ежущая часть землеройного рабочего органа имеет форму заостренного клина (рис. 8.5), ограниченного передней 1 и задней 2 гранями, линию пересечения которых называют режущей кромкой. Угол 6, рис g 5 образованный с направлением движения

Параметры режущего клина его передней гранью, называют углом резания, а угол О, образованный с тем же направлением задней гранью - задним углом. Разрушающая способность режущего клина тем больше, чем больше реализуемого рабочим органом

активного усилия приходится на единицу длины режущей кромки. При одном и том же усилии узкий режущий клин эффективнее широкого. Поскольку суммарная длина режущих кромок всех зубьев, установленных на ковше или отвале, всегда меньше длины кромки того же рабочего органа без зубьев, то рабочий орган с зубьями обладает большей разрушающей способностью по сравнению с рабочим органом без зубьев. Чем меньше на рабочем органе зубьев, тем больше его разрушающая способность.

В процессе взаимодействия с грунтом, обладающим абразивными свойствами, режущий клин затупляется, его режущая кромка становится все менее выраженной, а энергоемкость разработки им грунта возрастает.

Для повышения износостойкости режущих инструментов землеройных рабочих органов переднюю грань упрочняют твердым сплавом в виде наплавок износостойкими электродами или напаек из металлокерамических твердосплавных пластин (рис. 8.6). Последние, более эффективны по сравнению с Рис. 8.6. схема наплавками

Они обладают высокой самозатачивания твердостью, соизмеримой с твердостью пежушего оксидов кремния, содержащихся в у песчаных грунтах, но подвержены хрупкому разрушению при встрече с валунами. Упрочненный по передней грани режущий инструмент обладает эффектом самозатачивания, который проявляется в том, что державка 1, имеющая более низкую твердость по сравнению с упрочняющим слоем (пластинкой) 2, изнашивается быстрее последнего (формы износа показаны на рис. 8.6 тонкими линиями), так что режущий инструмент во все время работы остается практически острым с затуплением лишь по толщине упрочняющего слоя. Такой режущий инструмент обеспечивает менее энергоемкую разработку грунта, чем неупрочненный.