Рис.3
Объем захваченного ковшом грунта
Qзахв=q	Kн ∙ ηв ,	(8)
	К р

где q-геометрическая емкость ковша;

КН и Кр-коэффициенты соответственно заполнения ковша и разрыхления грунта;

ηв - КПД выгрузки грунта из ковша, учитывающий снижение геометрической емкости за счет налипания грунта (0,9-1,0).

Здесь важно отметить, что срезанный, (но не захваченный ковшом) грунт падает вниз и скапливается у подошвы забоя. Этот грунт подбирается при последующих черпаниях.

Наибольшая величина коэффициента наполнения ковша в форме

	четырехгранной пирамиды (рис.3б)		bk × tgα дин
	Кн	= 1+		,
			6× hk
	max
	геом
	(9)
				426

где αдин - динамический угол откоса (от 450-для сухих сыпучих грунтов, до 600-для связных);

hk- высота ковша.

Для грунта в ковше коэффициент разрыхления определяется выражением:

Кр= γ		= ρ			= Q	,	(9а)
γест			ρест		Vк
	р			р	к

где γест (ρест) и γр (ρр) - удельные веса (плотности) грунта соответственно в естественном и рыхлом состоянии;

Vk и Qk - объем грунта в ковше, приведенный соответственно к рыхлому и естественному состоянию.

При этом

	K н
Qk=q	К р .	(9б)

Разрыхление грунта при резании и заполнении ковша определяется сложными законами разрушения и деформации материалов. В дисперсных материалах типа грунтов при сдвиговых деформациях разрыхление определяется явлениями контракции и дилатансии. Но главный вклад в общее рыхление грунта дадут макроразрыхления, т. е нарушения сплошности стружки грунта в виде трещин разрыва, а также образование полостей в грунте при укладке его в ковш, вследствие различного рода арочных эффектов (рис. 3в).

В первом приближении можно записать

К Р = К Р1 К Р2 ....		,
	(10)	(4.20)

где Кр1 -коэффициент разрыхления при резании грунта; Кр2-то же, при укладке грунта в ковш.

Отметим, что такие технологические параметры как толщина стружки, коэффициент разрыхления, КПД захвата грунта не остаются постоянными в процессе резания. Качественная картина их изменения по пути S резания представлена кривыми на (рис. 3г).

Коэффициент разрыхления будет меняться и дальше по всей технологической цепи переработки грунта, начиная от разработки его в карьере и кончая процессами слеживания (спекания) его в течение всего периода эксплуатации насыпи.

Характер изменения коэффициента разрыхления во времени Т при проведении операции резания Тр, транспортирования Ттр, разравнивания Тразр и уплотнения Туп представлен на рис. 4.

427

Тразр

Рис.4 И эта динамика коэффициента разрыхления, по-видимому, должна учитываться

при проектировании технологических процессов обработки грунтовых материалов.

Приложение 2

Булатов Г.Я.

Расчет оптимальной толщины слоя при уплотнении грунта

В параграфе 9.2 «Сущность уплотнения и влияние различных факторов» дан общий подход к определению оптимальных параметров уплотнения грунтов, включая толщину слоя. Обычно она назначается по аналогам. Затем ее уточняют на опытном полигоне на реальных грунтах и фактических машинах.

На предварительной стадии проектирования оптимальную толщину слоя грунта можно определить расчетом, основные принципы которого изложены ниже.

За оптимальную толщину слоя принимаем ту, при которой получим максимум производительности уплотнения грунта.

Понятно, что имеется оптимальная толщина уплотненного слоя hопт , при которой

производительность всего процесса возведения насыпи будет максимальной.
Для	решения	задачи	предлагаем	воспользоваться	обобщенной
производительностью возведения насыпи в следующем виде
	Пэн=Пэупл*Кв.пер,		м3 /ч,	(1)

где Пэупл - эксплутационная производительность грунтоуплотняющей машины на карте уплотнения (рассмотрена в параграфе 9.2);

Кв.пер - дополнительный коэффициент использования рабочего времени уплотнения, учитывающий переходы грунтоуплотняющих машин с одной карты на другую.

В свою очередь запишем

K	в.пер	=	(Tкар − tпер )	=1−	tпер		,	(1а)
			T		Wк × hсл
			кар		Jн	+ tпер

где Tкар - расчетный период (цикл) обработки одной карты, например, отсыпки грунта (обычно принимается кратным длительности рабочей смены:1/8; 1/4;1/2;1;2;3 и т.д.);

tпер - время перехода грунтоуплотняющих машин с одной карты на другую;

428

Wк - площадь одной карты в плане;

hсл - толщина уплотненного слоя грунта;

Jн - интенсивность поступления грунта на карту отсыпки.

Из выражения (1а) видно, что уменьшение толщины слоя по сравнению с оптимальной приводит к уменьшению объема грунта, обрабатываемого на одной карте. Это, в свою очередь, требует большей частоты переходов машин с одной карты на другую и, соответственно, большего общего времени на их осуществление, снижая тем самым дополнительный коэффициент использования рабочего времени и эксплутационную производительность возведения насыпи.

Завышение же толщины слоя приводит к увеличению числа проходов грунтоуплотняющей машины по одному следу. Это увеличивает продолжительность рабочего цикла уплотнения и, соответственно, снижает техническую и эксплуатационную производительности уплотнения.

Зависимость производительности возведения насыпи от толщины слоя представлена на рисунке.

Здесь hкркритическая толщина слоя грунта, для уплотнения которого необходимо бесконечное число ходок по одному следу, и hопт - оптимальная толщина слоя, соответствующая максимуму производительности отсыпки.

Однако, для расчета производительности операции уплотнения грунтового слоя некоторой толщины (hсл) нужно поставить ёей в соответствие определенное число (n) проходов катка по одному следу.

Для построения графика такой связи hсл = f (n) воспользуемся

компрессионными кривыми остаточной деформации, которые можно получить на основании серии стандартных лабораторных испытаний компрессионных свойств грунтов при многократных воздействиях.

В качестве критерия достаточности уплотнения грунта принимаем расчетное условие

eo ≤ [eo ],			(2)
которое соответствует задаваемым условиям
γсухН	³ [γ сухН ],	ρсухН	³ [ρсухН ] или σ Z ³ [σ Z ] ,	(2а)
где	eo и	[eo ]	- коэффициент остаточной (после снятия уплотняющей нагрузки)

пористости и его требуемая величина в насыпи; γсухН и [γсухН ] - удельный вес сухого грунта

и его требуемая величина в насыпи после уплотнения, ρсухН - то же, плотность грунта; σZ

- то же, сжимающее вертикальное напряжение, создаваемое катком. При этом имеют место зависимости

e =	−γсух	=	Vпор	и γсух =		,	(2б)
	γсух				1 + е
			Vтв
где	- удельный вес твердых частиц грунта,						Vпор и Vтв - объемы пор и твердых

частиц в грунте.

429

Задаваясь числом нагружений грунта n, будем получать по графикам компрессионных кривых требуемые величины сжимающих напряжений в грунте [σ] .

Напряжение сжатия на глубине Z от поверхности грунта в соответствии с простейшей моделью распределения напряжений представим в виде

σ z = m	ср		mσ × G			H	× z ,
	×σ z	=			+ γ			(3)
			(a + 2 × z × tgβ ) × (b	+ 2 × z × tgβ )
σ

где - G - вес вальца катка; a - ширина зоны контакта вальца с грунтом вдоль хода; β - угол рассеивания напряжений ( » 30o ); γ H - удельный вес грунта в насыпи ; mσ

степень концентрации напряжений (в первом приближении – 2-4);.

По результатам вычислений построим график зависимости напряжений от глубины грунта.

По этому графику при условии σ z = [σ ] определяем толщину уплотненного слоя

z = hсл .

Разумеется, здесь можно использовать более точный (одновременно существенно более сложный) вид модели распределения напряжений в грунте, что, однако, не изменит существа общей методики расчета.

Ширина зоны контакта по формуле Беляева-Герца

a = 4	qл × D
		,	(4)
	2 × Eгр
где qл	- линейная (погонная) нагрузка на валец;			D - диаметр вальца; Егр - модуль
деформации грунта (5-50 МПа).				ширину зоны а контакта можно
При использовании модели			Фусса-Винклера

определить через площадь So					и глубину h вдавливания вальца в грунт.
Здесь, по аналогии с погружением тела в жидкость, вес вальца можем представить
как водоизмещение
G = b × So × К гр ,					(5)
где	b	- длина		вальца;	So - площадь сегмента, погруженного в			грунт; К гр -
коэффициент жесткости постели (3-9 МН / м3 ).
Ориентировочно
Кгр @ Егр / hсл .					(5а)
Площадь сегмента
So =	D2	æ	sin 2α ö		(6)
	4	× çα -	4	÷ ,
		è		ø
где	D и α		- соответственно диаметр вальца и половина центрального угла его
контакта с грунтом.
	Глубина погружения вальца в грунт
Dh =	D	×(1- cosα) .
	2
	При этом					3So
				a = D ×sinα или a »			.	(6б)
						2Dh

430