Малообъёмные, рассредоточенные зимние земляные работы в стеснённых условиях строительства Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624. 139

В. С. ИВКИН, Н. П. ВУНБЕРОВА

МАЛООБЪЁМНЫЕ, РАССРЕДОТОЧЕННЫЕ ЗИМНИЕ ЗЕМЛЯНЫЕ РАБОТЫ В СТЕСНЁННЫХ УСЛОВИЯХ СТРОИТЕЛЬСТВА

Механизировать процесс рыхления мёрзлых грунтов малых объёмов, рассредоточенных работ в стеснённых условиях строительства можно за счёт применения газоимпульсных рыхлителей, установленных на малогабаритных машинах, которые в зимний период простаивают. Подвод в зону рыхления высоких энергий сжатого воздуха (газа) высокого давления позволяет разрушать мёрзлые грунты наименее энергоёмким способом, при доминировании наименее энергоёмких напряжений разрыва. Граница между работами больших и малых объёмов зависит от мобильности и транспортабельности рыхлителя. Установлены понятия сосредоточенности и совмещённости объёмов земляных работ.

Ключевые слова: мёрзлый грунт, прочность, рыхление, газовый импульс, сосредоточенность, совмещённость, мобильность, транспортабельность.

В настоящее время динамично развивается промышленное и гражданское строительство в районах Урала, Сибири, Дальнего Востока и Севера, возрастает доля производства земляных работ на мёрзлых грунтах.

Основой мёрзлого грунта служат минеральные частицы, прочно сцементированные льдом, степень цементации определяется соотношением количества льда и минеральных частиц в грунте.

Наряду со льдом в порах мёрзлого грунта остаётся какое-то количество незамерзшей воды, что оказывает [1] существенное влияние на физико-механические свойства, придавая ему (грунту) свойства пластичности, электропроводности и другие (рисунок 1).

0

////// Л У /// //Л /// V/ //X ////// ///

-_8°С___ \ 1 V" I / \ г г --V---1 1 2 3/4 Пг /- Ц2- 0,5 метра 7 ^

-их \ 1 /у 1,0 метр // _ чк _

-2°С -0,б°С \ 1 V 1 \ 1 / 0* а\ 1,5 метра

Рис. 1. Зависимость физико-механических свойств

от глубины промерзания грунта: 1 - распределение температуры; 2 - пластичность; 3 - пучение; 4 - механическая прочность; 5 - электросопротивление

© Ивкин В. С., Вунберова Н. П., 2018

Важным свойством мёрзлых грунтов является их высокая абразивность, характеризующаяся способностью изнашивать при трении рабочие органы строительных и дорожных машин. Высокая абразивность мёрзлых грунтов объясняется цементацией минеральных частиц льдом. В немёрзлых грунтах эти частицы имеют возможность легко смещаться под воздействием рабочего органа, а в мёрзлых грунтах этого не происходит, и процесс трения в зоне контакта мёрзлого грунта с рабочим органом равносилен процессу шлифования абразивным кругом металлических изделий [2].

При разработке прочных скальных грунтов режущая кромка наконечника зуба рыхлителя нагревается до температуры 600^650° С [2], поэтому долговечность наконечников зубьев-рыхлителей при работе на вечномёрзлых грунтах составила 40^70 часов, а на прочных скальных грунтах значительно ниже - только 2 или 10 часов [2].

Теплофизические процессы в мёрзлом грунте, трансформация мёрзлого грунта в пластичное состояние были также установлены Беловым П. А. [3] и Мартюченко И. Г. [4] при изучении работы ударника ДорНИИ для определения прочности мёрзлого грунта. Под действием внешнего давления происходит структурная перестройка в контактном слое мёрзлого грунта, приводящая к плавлению льда. Переход льда в воду в контактном слое снижает коэффициент трения на глинистых и суглинистых грунтах [4].

Причина заключается в том, что при частичном плавлении льда мелкодисперсные частицы глинистого грунта теряют своё связанное состояние и вместе с водой образуют

смазывающий слой суспензии. В крупнозернистых грунтах (песчаных) частичное плавление льда является недостаточным для расцементиро-вания крупных частиц, так как толщина оттаянного слоя значительно меньше кристаллов кварца - основы песчаных грунтов [4].

Мёрзлый грунт принято считать упруго-пластично-вязкой средой.

Упругость - характеризуется наличием у грунта восстанавливающихся деформаций;

пластичность - характеризуется развитием у грунта необратимых деформаций;

вязкость - характеризуется способностью грунта развивать деформации во времени.

Проявление у мёрзлых грунтов пластических или хрупких свойств зависит от их физического состояния, величины и скорости приложения нагрузки.

Сопротивляемость мёрзлых

В зависимости от сочетания этих факторов деформация мёрзлых грунтов может быть хрупкой или пластичной.

При создании новых средств механизации земляных работ необходимо реализовать менее энергоёмкие виды разрушающей нагрузки на разрабатываемый грунт. Многими исследователями [5] доказано, что мёрзлые грунты неодинаково реагируют на различные виды нагрузок и меньше всего сопротивляются разрывным нагрузкам (таблица 1).

Разрушение мёрзлых грунтов при разрыве происходит за счёт растяжения структурных связей. Предел прочности мёрзлого грунта на разрыв увеличивается с понижением отрицательной температуры (рисунок 2). Супеси, суглинки и глины имеют плавное нарастание сопротивления разрыву на всём диапазоне отрицательных температурных изменений.

Таблица 1

ов различным видам разрушения

Показатель Характер деформации

энергоёмкости Разрыв Сдвиг Изгиб Сжатие Резание Вдавливание

Относительный показатель 1 1,5 2 3 7 21

И/см

-10 -20 -30 -40 (. "С а)

Н/см

-10 -20 -30 -40

6)

Ор Н/см

Ор, Н/см

-10 -20 -30 -40 t,0C в)

500 400 300 200 100

о

12

<11

Ж

-10 -20 -30 -40

г)

Рис. 2. Сопротивление мёрзлых грунтов разрыву при различных отрицательных температурах и влажности:

а - песка; б - супеси; в - суглинка; г - глины

Специфичность физико-механических

свойств мёрзлых грунтов, их высокая прочность, соизмеримая с прочностью рабочих органов землеройных машин, и абразивность затрудняют применение известных технологий и оборудования для выполнения малообъёмных, рассредоточенных зимних земляных работ в стеснённых условиях строительства.

Бульдозерно-рыхлительные машины на базе мощных отечественных гусеничных промышленных тракторов ДЭТ-250, ДЭТ-320, Т-50.01 обеспечивают полное выполнение технологического процесса рыхления и транспортирование мёрзлого грунта на строительных площадках с большими объёмами земляных работ, но из-за больших габаритов и массы, малых транспортных скоростей их невозможно использовать при выполнении работ малых объёмов, рассредоточенных в стеснённых условиях строительства.

Диапазон изменения влажности (рисунок 2):

1 - ю = 4,1 %; 2 - ю = 12,4%; 3 - ю = 19,3%; 4 - ю = 15,7%; 5 - ю = 28%; 6 - ю = 20%; 7 - ю = 59%; 8 - ю = 22,3%; 9 - ю = 19%; 10 - ю = 51%; 11 - ю = 26%; 12 - ю =30%.

У песка в начале замерзания резко возрастает сопротивление разрыву (смотри рисунок 2,а), а затем (с понижением отрицательной температуры) становится более плавным [5].

Сосредоточенность объёмов земляных работ Суь характеризуется количеством продукции, которое приходится на 1 километр межобъектного транспортного перемещения рыхлителя:

_ V и.

(1)

где V - объём рыхления мёрзлого грунта;

Ь - межобъектное перемещение рыхлителя для выполнения этого объёма работ.

Переезды рыхлителя по территории строительной площадки в формуле (1) не учитываются, так как они связаны с технологическим процессом по рыхлению мёрзлого грунта.

Совмещённость объёмов работ Суп характеризуется количеством суммарных объёмов работ, подлежащих выполнению на одном объекте:

С V

Суп = — , (2)

п

где У^ — количество объёмов работ, выполняемых на одном объекте;

П — число мест, на которых работал рыхлитель на одном объекте.

По данным Донского В. М. [6], к работам малых объёмов относятся такие, у которых

совмещённость объёмов работ Суп <200 м3 или

сосредоточенность объёмов работ Суь <100

м

3/км.

Граница между работами больших и малых объёемов зависит от мобильности и транспортабельности рыхлителя. Мобильность рыхлителя оценивается отношением скорости движения рыхлителя к эксплуатационной производительности:

Пв 1

(3)

где Пэ - эксплуатационная производительность;

Vт - транспортная скорость передвижения рыхлителя.

Транспортабельность машины характеризуется затратами времени на демонтаж, монтаж и подготовку её к работе на новом месте и определяется по формуле Т 1

Т=;—п , (4)

ш.з. * Пэ

где 1пз. - время, необходимое для демонтажа, монтажа и подготовки рыхлителя к работе;

Пэ — эксплуатационная производительность рыхлителя.

Использование рыхлителя в стеснённых условиях строительства считается возможным, если его габаритные размеры меньше по условиям производства работ, а маневренность характеризуется вписываемостью в угловые проезды и шириной площадки, необходимой для обратного разворота [6].

Землеройные машины малой мощности простаивают в холодное время года, использование их с эффективным газоимпульсным оборудованием повысит коэффициент использования и годовую производительность машин [7, 8, 9, 10].

При рыхлении грунта газоимпульсным рыхлителем выделяют:

1) фазу завинчивания рабочего органа в мёрзлый грунт. Процесс завинчивания сопровождается ростом контактных напряжений между минеральными частицами, подплавле-нием льда в слое мёрзлого грунта, соприкасающегося с рабочими поверхностями рыхлителя. Эти явления снижают износ рабочего органа. Появляются микротрещины в грунте, ослабляющие монолит, происходит подготовка ко второй фазе;

2) отрыв грунта от массива за счёт выхлопа из рабочей камеры (подвода) в зону рыхления сжатого воздуха высокого давления.

Новая землеройная техника [7, 8, 9, 10] на принципах газоимпульсного рыхлителя мёрзлых грунтов — это малогабаритные, маневренные и лёгкие машины с высокой производительностью, так как определяющим параметром является не тяговое усилие гусеничного промышленного трактора, а мощность газового импульса.

Машины с рабочими органами газоимпульсного действия [7,8,9,10] имеют более удачную силовую схему взаимодействия с грунтом, так как газовый импульс совершает основанное разрушение - рыхление мёрзлого грунта при доминировании наименее энергоёмких напряжений разрыва. В процессе рыхления грунта рыхлителями на базе мощных гусеничных промышленных тракторов нагрузка воспринимается конструкцией зуба рыхлителя и базовой машиной, что приводит к увеличению массы и габаритов машины.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ивкин В. С., Алашеев М. О. Влияние физико-механических свойств грунтов на работу машин для земляных работ // Вестник УлГТУ. — 2015. — №3. — С. 62—67.

2. Волобуев А. И., Веретеник А. Л., Сахаров Г. Н. О теплостойкости материалов для наконечников рыхлителей // Строительные и дорожные машины. - 1987. — №2. — С. 10—11.

3. Белов И. А. О физическом смысле числа <<С>> ударника ДорНИИ / П. А. Белов // Строительные и дорожные машины. - 2012. — №10. — С. 45—47.

4. Мартюченко И. Г. Методы снижения энергозатрат при разработке мёрзлых и прочных грунтов / И. Г. Мартюченко. - Саратов : Сарат. гос. техн. ун-т. 2004. — 150 с.

5. Зеленин А. Н., Баловнев В. И., Керов И. П. Машины для земляных работ : учебное пособие для вузов. - М.: Машиностроение, 1975. - 424 с.

6. Домской В. М. Механизация земляных работ малых объёмов / В. М. Домской. - Л. : Стройиздат. Ленинградское отделение, 1976. -160 с.

7. Ивкин В. С. , Самойлова Е. А. , Юсупова К. С. Тяговые возможности винтового наконечника газоимпульсного рыхлителя // Вестник УлГТУ. — 2016. — №1. — С. 54—59.

8. Ивкин В. С. , Юсупова К. С. , Самойлова Е. А. Критерий оценки эффективности работы газоимпульсного рыхлителя // Вестник УлГТУ. — 2017. — №2. — С. 60—65.

9. Ивкин В. С. , Куликов М. В. Распределение напряжений в грунте от газового импульса // Вестник УлГТУ. — 2015. — №2. — С. 59—66.

10. Ивкин В. С. , Волынщиков П. Ю. Разработка мёрзлых грунтов при выполнении работ в стеснённых условиях строительства // Вестник УлГТУ. — 2013.— №2. — С. 62—66.

Ивкин Валерий Семёнович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленное и гражданское строительство» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ.

Вунберова Наталья Петровна, бакалавр строительного факультета УлГТУ.

Поступила 19.03.2018 г.