4.3. Свойства грунтов, влияющие на трудность их разработки

Грунтами называют выветрившиеся горные породы, образу­ющие кору земли. По происхождению, состоянию и механической прочности разли­чают грунты скальные — сцементированные водоустойчивые поро­ды с пределом прочности в водонасыщенном состоянии не менее 5 МПа (граниты, песчаники, известняки и т. п.); полускальные — сцементированные горные породы с пределом прочности до 5 МПа (мергели, окаменевшие глины, гипсоносные конгломераты и т.п.); крупнообломочные — куски скальных и полускальных пород, пес­чаные — состоящие из мелких несцементированных частиц, разрушенных горных пород размером 0,05... 2 мм, глинистые — с раз­мером частиц менее 0,005 мм.

По гранулометрическому составу, оцениваемому долевым содер­жанием фракций по массе, различают грунты глинистые (с разме­рами частиц менее 0,005 мм), пылеватые (0,005...0,05 мм), песча­ные (0,05...5 мм), гравийные (2...20 мм), галечные и щебеночные (20...200 мм), валуны и камни (более 200 мм). Наиболее часто встречающиеся в строительной практике грунты различают по процентному содержанию с них глинистых частиц: глины - не менее 30%; суглинки — от 10 до 30 %; супеси — от 3 до 10% с преобла­данием песчаных частиц над пылевидными; пески — менее 3 %.

Грунт состоит из твердых частиц, воды и газов (обычно возду­ха), находящихся в его порах.

Влажность грунтов оценивают отношением массы воды к мас­се твердых частиц. Она составляет от 1... 2 % для сухих песков, до 200 % и более для текучих глин и илов. В некоторых случаях, на­пример, при оценке степени принудительного уплотнения грун­тов, пользуются так называемой оптимальной влажностью, кото­рая изменяется от 8... 14% для мелких и пылеватых песков до 20... 30 % для жирных глин.

При разработке грунты увеличиваются в объеме за счет обра­зования пустот между кусками. Степень такого увеличения объе­ма оценивают коэффициентом разрыхления, равным отношению объема определенной массы грунта после разработки к ее объе­му до разработки. Значения коэффициента разрыхле­ния колеблются от 1,08... 1,15 для песков до 1,45...1,6 для мерз­лых грунтов и скальных пород. После укладки грунта в отвалы и естественного или принудительного уплотнения степень их раз­рыхления уменьшается. Ее оценивают коэффициентом остаточ­ного разрыхления (от 1,02... 1,05 для песков и суглинков до 1,2... 1,3 для скальных пород). Уплотняемость грунтов характеризуется увеличением их плот­ности вследствие вытеснения из пор воды и воздуха и компактной укладки частиц.

После снятия внешней нагрузки сжа­тый в порах воздух расширяется, вызывая обратимую деформацию грунта. В процессе повторных нагружениях из пор каждый раз удаляется все большее количество воздуха. Вследствие этого обратимые деформации уменьшаются. Сте­пень уплотнения грунта характеризуется остаточной деформацией, основная доля которой приходится на первые циклы нагружения. Ее оценивают коэффициентом уплотнения, равным отношению фактической плотности к ее стандартному максимальному значе­нию, соответствующему оптимальной влажности. При уплотнении грунтов требуемый коэффициент уплотнения назначают в зависи­мости от ответственности земляного сооружения в пределах 0,9.. 1.

Прочность и деформируемость грунтов определяется, в основ­ном, свойствами слагающих их частиц и связей между ними. Проч­ность частиц обусловлена внутримолекулярными силами, а проч­ность связей — их сцеплением. При разработке грунтов эти связи разрушаются, а при уплотнении восстанавливаются. Таблица 4.1.

Сцепление определяется начальным сопротивлением сдвигу и зависит от вида грунта и степени его влажности. В соответствии с законом Кулона это можно выразить следующей аналитической зависимостью

 = Р + Ск (4.1)

где  - коэффициент трения грунта по поверхности скольжения, Р - нормальное напряжение,  - касательное напряжение сдвигу, Ск- сцепление в куске.

Графически это выражение может быть интерпретировано, как это показано на рисунке 4.3. В какой-то степени оно отражает свойство тела Сен-Венана.

Обычно сцепление в куске составляет для песчаных грунтов 0,03 - 0,05, для глинистых - 0,05 - 0,2, для полускальных грунтов - 0,3-4 и скальных - более 4-5 МПа. Иногда определяют также сцепление в массиве См, которое в зависимости от величины коэффициента структурного ослабления в массиве  определяют при условии, что С_М = С_К. Величину См определяют путем среза грунтовых призм размером 50 × 50 или 50 × 70 см.

Рис. 4.3. Влияние нормального напряжения на величину трения

Коэффициент  изменяется в широких пределах и зависит от степени трещиноватости массива и направления среза по отношению к трещинам. Например, для песчаников он изменяется в пределах 0,03 - 0,47.

Прочность (сцепление) неоднородного трещиноватого массива С_м, снижается в несколько раз по сравнению с прочностью пород в куске С_к. Все это говорит о том, что оценка прочностных свойств пород и грунтов с точки зрения их разрушения ковшом экскаватора должна производится с учетом трещиноватости массива, т.е. по величине сцепления в массиве, а не в куске. Таблица 4.2.

При сооружении карьеров по добыче строительных материалов или котлованов породы и грунты делят на мягкие, плотные, полускальные и скальные, которые могут быть применены и в практике строительных работ.

Гранулометрический состав разрыхленной массы характеризуется процентным содержанием кусков различных фракций. Общим характерным показателем гранулометрического состава является средневзвешенный размер кусков (средний диаметр кусков).

(4..2)

где di - средний размер фракции, определяемый как среднее арифметическое отдельных измерений, Рi - содержание фракций в долях единицы. Величину dср. определяют фото- планиметрическим способом.

Таблица 4.2.

Классификация основных групп пород по прочности

Разновидность пород и грунтов	Коэффициент крепости	Сцепление в мПа
		В куске Ск	В массиве См
Мягкие	≤ 0,5 - 0,8	≤ 0,03 - 0,07	< 0,03
Плотные	0,8 - 2,0	0,07 - 0,3	0,03 - 0,1
Полускальные	2 - 6	0,3 - 4,0	0,1 - 0,55
Скальные	>6	> 4	> 0,55

Подразделение пород по кусковатости в массиве и после разрыхления, применительно к одноковшовым экскаваторам, можно принять по данным таблицы 4.3.

Таблица 4.3

Подразделение пород по кусковатости применительно к одноковшовым

экскаваторам

Кусковатость	Средневзвешенный размер куска в см
	В массиве	В разрыхленном массиве
Очень мелкая	7 - 10	5
Мелкая	10 - 15	5 - 10
Средняя	10 - 25	10 - 20
Крупная	25 - 40	20 - 30
Очень крупная	40	30

Коэффициент первоначального разрыхления К_р (отношение объема разрыхленного грунта к его объему в естественном состоянии) составляет для песчаных грунтов 1,08 -1,17 , суглинистых - 1,14 - 1,28 , глинистых - 1,24 - 1,3. Для полускальных и скальных грунтов коэффициент Кр зависит от кусковатости разрыхленного материала (средневзвешенного размера куска d_ср) и составляет при взрывании «на встряхивание» 1,05 - 1,15, «на развал» - 1,25 - 1,5.

При разработке мерзлых грунтов учитывают их основные свойства. К ним относятся повышенная механическая прочность, пластическая деформация, пучинистость и повышенное электросопротивление грунта. Степень проявления этих свойств зависит от температуры окружающей среды, влажности и вида грунта.

С понижением температуры механическая прочность грунта, его сопротивление резанию и копанию резко возрастает. Изменение температуры по глубине мерзлого слоя грунта способствует изменению прочностных характеристик грунта. Наибольшее значение они имеют в верхней части мерзлого слоя и наименьшее - на границе мерзлого и не мерзлого грунта.

Глубина промерзания грунтов зависит от температуры воздуха, силы ветра, толщины снежного покрова, характера естественного покрова (трава, пахотная земля, торф, камни, дорожное покрытие и т.д.), а также от теплопроводности, влажности самого грунта и уровня грунтовых вод.

Рис. 4.4. Схема модели тела Кельвина

При взаимном перемещении частиц грунта между собой воз­никают силы внутреннего трения, а при перемещении грунта относительно рабочих органов — силы внешнего трения. Соглас­но закону Кулона эти силы пропорциональны нормальной на­грузке с коэффициентами пропорциональности, называемыми коэффициентами соответственно внутреннего и внешнего трения. Для большинства глинистых и песчаных грунтов первый составляет 0,18. 0,7, а второй — 0,15...0,55.

Поведение грунта под нагрузкой может быть описано с помощью реологической модели тела Кельвина. Рис. 4.4. Символически тело Кельвина может быть представлено реологической формулой

К = Н │ N

То есть тело Гука ( Н ) и тело Ньютона ( N ) соединены параллельно. Отсюда

Р_К = Р_Н + P_N

или

Р_К = Е∙Δℓ + η∙έ

где Е - модуль упругости; Δℓ - величина деформации; η - вязкость грунта или внутреннее трение; έ - градиент скорости.

При интегрировании этого дифференциального уравнения в определенных граничных условиях можно найти то или иное решение вопроса взаимодействии режущего органа с грунтом.

При взаимном перемещении грунта и землеройного рабочего органа происходит царапание твердыми грунтовыми частицами рабочих поверхностей режущего инструмента и других элементов рабочего органа и, как следствие, изменение его формы и разме­ров, называемое изнашиванием. Разработка грунтов изношенным режущим инструментом требует больше затрат энергии Способ­ность грунтов изнашивать рабочие органы землеройных машин называют абразивностью. Большей абразивностью обладают более твердые грунты (песчаные и супесчаные) с частицами, закреп­ленными (сцементированными) в грунтовом, например, замерз­шем массиве. Абразивная изнашивающая способность мерзлых грунтов в зависимости от их температуры, влажности и грануло­метрического состава может быть в десятки раз выше, чем у тех же грунтов немерзлого состояния.

Грунты, содержащие глинистые частицы, способны прилипать к рабочим поверхностям рабочих органов, например, ковшовым, уменьшая тем самым их рабочий объем и создавая повышенные сопротивления перемещению отделенного от массива грунта внутрь ковша, вследствие чего увеличиваются затраты энергии на разра­ботку грунта и снижается производительность землеройной маши­ны. Это свойство грунтов, называемое липкостью, усиливается при отрицательных температурах. Силы сцепления примерзшего к рабочим органам грунта в десятки и сот­ни раз больше, чем в немерзлом состо­янии. Для удаления прилипшего к рабо­чим органам грунта приходится делать вынужденные остановки машины, а в ряде случаев, например, для очистки от примерзшего грунта, принимать специ­альные меры, в основном, механичес­кого воздействия.

Рис. 4.5. Плотномер ДорНИИ

Грунты, разрабатываемые машина­ми, классифицируют по трудности раз­работки по 8 категориям ( табл. 4.1). В основу этой классификации, предло­женной проф. А. Н. Зелениным, поло­жена плотность, измеряемая в килограм­мах на кубический метр, по показани­ям плотномера конструкции ДорНИИ (рис. 4.5.). Последний представляет со­бой металлический стержень круглого поперечного сечения площадью 1 см² с двумя шайбами-упорами, между ко­торыми свободно перемещается груз массой 2,5 кг. Полный ход груза состав­ляет 0,4 м, длина свободного нижнего конца стержня — 0,1 м. Для измерения плотности прибор нижним концом устанавливают на грунт, поднимают груз до упора в вер­хнюю шайбу и отпускают его. При падении груз ударяет о ниж­нюю шайбу, заставляя внедряться в грунт нижний конец стержня. Плотность грунта оценивают числом ударов, соответствующим вне­дрению в грунт стержня до упора в нижнюю шайбу.

Согласно классификации профессора А. Н. Зеленина грунты распре­делены по категориям следующим образом: I категория — песок, супесь, мягкий суглинок средней крепости влажный и разрых­ленный без включений; II категория — суглинок без включений, мелкий и средний гравий, мягкая влажная или разрыхленная глина; III категория — крепкий суглинок, глина средней крепости влаж­ная или разрыхленная, аргиллиты и алевролиты; IV категория — крепкий суглинок, крепкая и очень крепкая влажная глина, слан­цы, конгломераты; V категория — сланцы, конгломераты, отвер­девшие глина и лесс, очень крепкие мел, гипс, песчаники, мяг­кие известняки, скальные и мерзлые породы; VI категория — ра­кушечники и конгломераты, крепкие сланцы, известняки, пес­чаники средней крепости, мел, гипс, очень крепкие опоки и мер­гель; VII категория — известняки, мерзлый грунт средней крепо­сти; VIII категория — скальные и мерзлые породы, очень хорошо взорванные (куски не более 1/3 ширины ковша).