Процесс земляных работ и физико-механические свойства грунтов, определяющие трудность их разработки.

При земляных работах выполняют следующие основные операции: отделение части грунта от естественного массива, набор отделенной части в рабочий орган машины или накопление впереди него, перемещение грунта в заданное место и отсыпку в тело земляного сооружения, отвал и т. д. или погрузку в транспортные средства, планировку и уплотнение грунта.

Место набора грунта называется забоем, а место отсыпки – отвалом,

Применяют три основных способа разработки грунта:

Ø механический, при котором часть грунта отделяют от основного массива ковшовым или ножевым рабочим органом машины;

Ø гидравлический, когда грунт разрабатывают в сухих забоях струей воды, а в забоях под водой – потоком воды, путем засасывания землесосом (плотные грунты разрыхляют при этом механическим способом – рыхлителем);

Ø взрывной, при котором разрушают грунт и перемещают его в нужном направлении давлением газов, выделяемых взрывчатыми веществами при их сгорании.

Выбор способа разработки в значительной степени зависит от состава, механических и физических свойств грунта.

Основные свойства грунта, определяющие трудность их разработки – это средняя плотность, разрыхляемость, связность, липкость, водопроницаемость, водопоглощаемость, влажность, размываемость, устойчивость, сопротивление грунта резанию и копанию (при механическом способе) или удельный расход воды в кубических метрах на разработку 1 м³ грунта (при гидравлическом способе).

Средняя плотность грунтов выражается обычно в кг/м³ или т/м³. Грунты в естественном залегании называют грунтами в плотном теле. При воздействии рабочего органа машины на грунт он разрыхляется и увеличивается в объеме.

Разрыхляемость – отношение объема, занимаемого грунтом после его разрыхления V _р, к первоначальному объему грунта в плотном – теле V _п называется коэффициентом разрыхления K _р

K _р = V _р/ V _п.

По объему в плотном теле и коэффициенту разрыхления грунта устанавливают толщину снимаемого слоя (стружки) и путь набора грунта для 100 %-ного наполнения рабочего органа, объем грунта, который можно погрузить в транспорт, площадь на отвал грунта и т. д.

Связность (взаимное сцепление частиц) характеризует способность грунта противостоять воздействию внешних сил, стремящихся разъединить его частицы. С увеличением связности растет удельное сопротивление грунта резанию и размыву.

Липкость (способность грунта прилипать к различным предметам) затрудняет набор связных грунтов во влажном состоянии в рабочий орган и его разгрузку.

От водопроницаемости (способности грунта пропускать воду) и водопоглощаемости (способности грунта поглощать воду) зависит влажность грунта. Влажность (отношение массы воды к массе сухого грунта в процентах) оказывает существенное влияние на связность, липкость и трудность разработки грунтов. Так, сухая глина требует большего усилия на рабочем органе для отделения ее слоя от массива, чем влажная, но обладает меньшей липкостью.

Размываемость (способность грунта разрушаться под действием воды, протекающей с определенной скоростью) определяет возможность разработки и транспортирования грунта гидравлическим способом.

Устойчивость (способность грунта держаться на откосе) часто определяет безопасность работы машины от возможных оползней; она характеризуется углом естественного откоса грунта и зависит от сцепления его частиц между собой.

Под резанием грунта понимается отделение некоторой его части от массива, а под копанием – комплекс процессов, связанных с резанием и перемещением вырезанной части грунта.

Удельное сопротивление резанию (отношение силы, под действием которой происходит резание, к площади поперечного сечения срезаемого слоя грунта – стружки) и удельное сопротивление копанию (отношение силы, под действием которой грунт вырезается и перемещается в рабочий орган или по рабочему органу, к площади поперечного сечения срезаемого слоя грунта – стружки) определяют толщину слоя (стружки) грунта, которую можно снимать при его разработке данной машиной. Удельное сопротивление резанию и копанию измеряется в Па или МПа.

Грунты по трудности разработки механическим способом делятся на шесть групп:

I группа – растительный грунт, торф, пески и супеси;

II группа – лёссовидный суглинок, рыхлый влажный лёсс, гравий до 15 мм;

III группа – жирная глина, тяжелый суглинок, крупный гравий, лёсс естественной влажности;

IV группа – ломовая глина, суглинок с щебнем, отвердевший лёсс, мягкий мергель, опоки, трепел;

V и VI группы – скалы и руда, а также мерзлые глинистые и суглинистые грунты.

Каждый грунт по трудности разработки может входить в группу легкоразрабатываемых грунтов одним методом и в группу трудноразрабатываемых грунтов – другим методом.

Каким бы сложным ни был рабочий орган землеройной машины, его режущая часть всегда выполняется в виде клина, положение которого относительно грунтового массива и траектории движения характеризуется углами:

α – угол резания – между передней гранью клина и направлением резания; b – угол заострения клина – между передней и задней гранями ножа, измеренный в плоскости, нормальной к режущей кромке; Q – задний угол резания – между задней гранью клина и вновь образованной поверхностью среза, измеренный так же, как и угол b; j – угол захвата – угол в плане между режущей кромкой и направлением резания (если j = p/2 –клин прямой, грунт перемещается только впереди клина; если j < p/2 – клин косой, грунт перемещается не только впереди клина, но и смещается вдоль него); m – угол зарезания – наклона клина в вертикальной плоскости, перекоса; ψ – угол скола грунта – между векторами абсолютной скорости стружки и скорости движения клина.

В зависимости от грунтовых условий, режима работы и геометрических параметров клина отделяемая от массива стружка может быть сливной, ступенчатой, элементной и стружкой отрыва; а в зависимости от числа закрытых боковых срезов резание бывает блокированным, полублокированным и свободным.

При углах скола ψ = 90⁰-a происходит уплотнение грунта, ψ = 90°-a/2 – образование сливной стружки, ψ = 90°-0, 5 (a-j_г +j_с) – сдвиг грунта; j_г и j_с – углы внутреннего и внешнего трения.

Во всех случаях взаимодействия рабочих органов с грунтом перед режущей кромкой возникает уплотненное ядро – тело из частиц грунта, обладающее повышенной прочностью и находящееся в трехосном напряженном состоянии. Уплотненное ядро может быть стабильным и нестабильным, периодически разрушаясь и вновь образуясь. Именно через уплотненное ядро рабочий орган взаимодействует с внешней средой.

Исследованиями советских ученых В.П. Горячкина, Н.Г. Домбровского, А.Н. Зеленина, Ю.А. Ветров, В.И. Баловнева, Д.И. Федорова и других, вскрыта качественная картина процесса разрушения грунтов и выведены экспериментально-теоретические формулы, позволяющие количественно оценить сопротивления, возникающие при взаимодействии рабочих органов землеройных машин с грунтом.

Для снижения энергоемкости разработки грунта целесообразно устанавливать оптимальные геометрические параметры рабочих органов с учетом конкретных грунтовых условий. Энергоемкость существенно снижается, когда, помимо непосредственной разработки грунта, создаются условия для его обрушения под действием собственного веса без дополнительной затраты энергии. Принцип обрушения грунта используется, например, в землеройно-фрезерных машинах и каналокопателях с комбинированными рабочими органами.