CC BY
17
УДК 624.139
С. В. МАКСИМОВ, В. С. ИВКИН, Н. В. КОЧЕТОВА
ОСОБЕННОСТИ РЫХЛЕНИЯ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ РЫХЛИТЕЛЕМ
Мёрзлый грунт как четырёхфазное природное образование (твёрдые минеральные частицы, лёд-цемент, незамёрзшая и прочносвязанная вода, газообразные компоненты, находящиеся в порах и пустотах грунта) обладает свойствами неоднородного материала, имеющего множество пустот различной формы и размеров, которые являются очагами концентрации напряжений.
Наличие пор (пустот) характерно для многих строительных материалов, но в грунтах вследствие незначительной прочностей связей льда-цемента между минеральными частицами пористость по существу определяет физическое состояние мёрзлых грунтов и особенно механическое поведение (уплотняемость), сопротивления сдвигу, разрыву при внешних воздействиях.
Однократное приложение разрушающей нагрузки за счёт выхлопа из рабочей камеры (подвода) в зону рыхления мёрзлого грунта довольно высоких энергий сжатого газа (воздуха) высокого давления позволяет разрушать мёрзлый грунт наименее энергоёмким способом. Прилоэк:ение высоких энергий сжатого газа как при отрыве мёрзлого грунта от массива вверх (рис. 1)} так и при отрыве (сколе) в заранее подготовленный забой обеспечивается при доминировании наименее энергоёмких напряжений разрыва.
Ключевые слова: мёрзлый грунт, прочность, уплотняемость, газовый импульс, рыхление.
Проблема разработки мёрзлых грунтов в настоящее время стала одной из важнейших задач, усугубляемой тем, что в большинстве районов России грунт промерзает на глубину 0,8^-2,5 метра, а зимний период длится 4-^-7 месяцев.
Более 40% территории России занимают мно-голетнемёрзлые (вечномёрзлые) грунты.
Твёрдые минеральные частицы грунта, слабо связанные между собой в немёрзлом состоянии, при отрицательной температуре цементируются льдом. Грунт превращается в сплошной и прочный монолит, который не могут непосредственно разрабатывать землеройные машины общего назначения (бульдозеры, скреперы, экскаваторы, автогрейдеры). К настоящему времени созданы различные рыхлящие устройства на базе тракторов, одноковшовых экскаваторов, а также специально приспособленные траншеекопатели и пилы, производящие рытьё траншей и прореза-ние щелей в мёрзлом грунте.
Однако показатели работы существующих рыхлителей низки, вследствие того, что в принципе действия данных машин лежит резание, измельчение мёрзлого грунта.
Прочностные и деформационные свойства мёрзлых грунтов зависят от пористости грунта,
С. В. Максимов, В. С. Ивкин, Н. В- Кочеткова, 2009
его отрицательной температуры, общего содержания и расположения льдоцементных связей (льдистости). А. Н. Зеленин [1] рекомендовал процесс разработки мёрзлых грунтов вести такими рабочими органами, такими способами, при которых в мёрзлом грунте будут преобладать деформации разрыва (растяжения), то есть отрыв грунта от массива, так как сопротивление мёрзлого грунта резанию в 9 раз, а статическому вдавливанию в 21 раз выше, чем сопротивление грунта разрыву.
Установлена достаточно тесная линейная ^связь между показаниями плотномера ДорНИИ (числом С), который даёт интегральную оценку прочности мёрзлого грунта, и более определённым показателем прочности: временным сопротивлением грунта одноосному сжатию Оо [2]
С
а,
3
кгс
см
(1)
где С - число ударов плотномера ДорНИИ.
Динамический плотномер, более известный под названием «ударник ДорНИИ», получил применение в дорожном строительстве для оценки несущей способности грунтовых дорог. Прибор представляет собой цилиндрический стержень сечением 1 см2, на который надета гиря
Рис. 1. Фаза отрыва мёрзлого грунта от массива
вверх при работе газового импульса. Грунт - суглинок с примесью опочного камня до 40%; температура фунта (гр = - 6°С; влажность \у = 27%; число ударов динамического плотномера ДорНИИ С = 152; объёмная плотность грунта
7=1.7
см
Рис. 2. Результат работы газового импульса. Глубина рыхления Нр = 240 мм; объём разрушенного грунта - 0,07 м3; давление в рабочей камере Р = 22,5 МПа; объём рабочей камеры V = 2,3 дм3; диаметр рабочего органа 40 мм; площадь выхлопного сечения рабочего органа
Рср = 214,4 мм2
массой 2,5 кг. Падая с высоты 0,4 м, гиря ударяется об упорную шайбу на стержне, заставляя его внедряться в грунт. Работа каждого удара равна 10 Дж. Работа, необходимая для внедрения в грунт наконечника плотномера на глубину 11=10 см и является условным критерием прочности мёрзлого грунта.
Мёрзлые грунты плохо сопротивляются разрыву [2]
стр = 0,2сг0,
(2)
где - временное сопротивление мёрзлого
грунта одноосному сжатию;
а
сопротивление мёрзлого грунта раз-
рыву.
В связи с повышением энергонасыщенности двигателей рыхлителей, применением надёжных средств автоматизации их управления, всё большее развитие получают исследования, направленные на создание рабочих органов с новыми способами воздействия на разрабатываемый мёрзлый грунт [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].
Для эффективного рыхления высокопрочных мёрзлых грунтов требуется дополнительный подвод энергии к рабочему органу рыхлителя, минуя привод тяги базовой машины.
Применение различных устройств, интенсифицирующих процесс взаимодействия рабочего органа рыхлителя с мёрзлым грунтом, безуслов-
но связано с усложнением конструкции и созданием надёжных импульсных приводов, обеспечивающих при относительно малых габаритах подвод в зону рыхления мёрзлого грунта довольно высоких энергий сжатого газа высокого давления. Развитие номенклатуры сменных рабочих органов газодинамических рыхлителей [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10] требует нового подхода к проектированию базовых машин, затрагивает вопросы унификации конструкций. Недостаточная подготовленность промышленности, а также эксплуатирующих организаций к выпуску и использованию образцов новой техники не позволяет в полной мере и достаточно быстро использовать имеющиеся научно-технические решения. Количество технических решений устройств для интенсификации процесса рыхления мёрзлого грунта велико.
Однако с технико-экономической точки зрения целесообразным в настоящее время представляется рыхление грунта газодинамическим рыхлителем [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Этот способ рыхления отличается от традиционных тем, что грунт в период рыхления испытывает разрушающее давление расширяющего газа (воздуха). Разрушаемый объём мёрзлого грунта отрывается от массива в сторону открытой стенки забоя, то есть рыхление осуществляется наименее энергоемким способом (рис. 1, рис. 2).
Поскольку мёрзлые грунты относятся к анизотропным материалам, с прочностью на сжатие,
значительно превышающей прочность растяжения (формулы 1, 2), то в разрушаемом объёме мёрзлого грунта зона растяжения (разрыва) будет существенно больше, чем зона сжатия. Мёрзлый грунт в растянутых зонах разрушается как хрупкий материал, а в сжатых - как пластичный. Причина этого явления заключается в строении мёрзлого грунта, состоящего из очень твёрдых минеральных частиц, прочность связей которых (прочность льда-цемента) во много раз меньше прочности самих минеральных частиц.
Кроме того, мёрзлый грунт как четырёхфаз-ное природное образование (твёрдые минеральные частицы, лёд-цемент, незамёрзшая и проч-носвязанная вода, газообразные компоненты, находящиеся в порах и пустотах грунта) обладает свойствами неоднородного материала, имеющего множество пустот различной формы и размеров, которые являются очагами концентрации напряжений и, как следствие, хрупкого разрушения при растяжении.
Работу газодинамического рыхлителя можно разделить на два этапа: первый этап - завинчивание рыхлителя на расчётную глубину рыхлениях одновременным заполнением рабочей камеры сжатым воздухом высокого давления; второй этап - рыхление мёрзлого грунта.
Завинчивание рабочего оборудования на глубину рыхления основано на использовании свойств уплотняемости мёрзлых грунтов.
Угшотняемость мёрзлых грунтов является характерным их свойством [11], существенно отличающим грунты от массивных скальных пород и других твёрдых тел, и заключается в способности грунтов изменять своё строение (упаковку твёрдых минеральных частиц). Под влиянием сжимающей нагрузки вокруг рабочего органа в массиве грунта лёд-цемент разрушается, нарушается прочность связей между минеральными частицами, возникают поверхности разрыва и скольжения, минеральные частицы более компактно упаковываются вследствие сдвига (соскальзывания) более мелких частиц в поры и пустоты грунта.
Эффективность разрушения достигается за
счёт комбинированного воздействия газодинамического рыхлителя на мёрзлый грунт:
• механического - заключающегося в создании напряжённого состояния (уплотнения грунта), образования начальных трещин в зоне выхлопных отверстий разрядной втулки газодинамического рыхлителя;
• пневматического - за счёт выхлопа из рабочей камеры (подвода) в зону рыхления мёрз-
лого грунта довольно высоких энергий газа высокого давления. Сжатый воздух (газ) проникает в начальные трещины, расклинивает их, способствуя отделению грунта от массива (рис.1).
Поскольку наиболее энергоёмкой фазой процесса является начальный момент взаимодействия рабочего органа рыхлителя с грунтом, соответствующий зарождению и страгиванию трещин, а поддержание развития трещин требует меньшего усилия, то расширение сжатого газа приводит к расклинированию трещин, интенсивному процессу трещинообразования, определяя тем самым низкую энергоёмкость процесса разрушения.
ВЫВОДЫ
При рыхлении мёрзлого грунта газодинамическим рыхлителем можно выделить:
а) фазу завинчивания рабочего органа в мёрзлый грунт. Процесс завинчивания сопровождается значительным ростом контактных напряжений, что приводит к разрушению льда-цемента между минеральными частицами, подплавлению льда в слое мёрзлого грунта, соприкасающимся с рабочими поверхностями рыхлителя, и снижению сил трения. Эти явления снижают износ рабочего органа. При завинчивании рабочего органа появляются микротрещины в грунте, ослабляющие монолит, происходит подготовка ко второй фазе;
б) фазу отрыва мёрзлого грунта от массива за счёт выхлопа из рабочей камеры (подвода) в зону рыхления мёрзлого грунта довольно высоких энергий газа высокого давления. Однократное приложение разрушающей нагрузки сжатого газа (воздуха) высокого давления способствует интенсивному процессу трещинообразования, чотрыву мёрзлого грунта от массива.
В существующих рыхлителях ударного действия с забиваемым рабочим органом разрушающая нагрузка прикладывается многократно [1].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Зеленин, А. Н. Машины для земляных работ : учебное пособие для вузов/ А. Н. Зеленин, В. И. Баловнев, И. П. Керров. - М. : Машиностроение, 1975. - 424 с.
2. Недорезов, И. А. Интенсификация рабочих процессов землеройно-транспортных машин : учебное пособие/ И. А. Недорезов. - М.: МАДИ, 1979. - 50 с.
3. Пат. №2052032 С1 Российская Федерация, МПК Е02Р5/32 Газодинамический рыхлитель/ Ивкин В. С.; заявитель и~ патентообладатель
Ульян, гос. техн. ун-т. - №93057944/03; заявл. 29.12.93; опубл. 10.01.96, Бюл. №1. - 16 с.
4. Пат. №2209891 Российская Федерация, МПК 7Е02Р5/32 Газодинамический рыхлитель/ Ивкин В. С.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - №2002110492/03; заявл. 19.04.2002; опубл. 10.08.2003, Бюл. №22. - 12 с.
5. Пат. №2231601 Российская Федерация, МПК 7Е02Р5/32 Газодинамический рыхлитель/ Ивкин В. С., Щелыкалин В. С.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. -№2003108241/03; заявл. 25.03.2003; опубл. 27.06.2004, Бюл. №18,-16 с.
6. Пат. №2236514 Российская Федерация, МПК 7Е02Р5/32 Газодинамический рыхлитель/ Ивкин В. С., Кузьмин Е. К.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. №2003116529/03; заявл. 03.06.2003; опубл.
20.09.2004, Бюл. №26.-15 с.
7. Пат. №2244784 Российская Федерация, МПК 7Е02Р5/32 Газодинамический рыхлитель/ Ивкин В. С., Кузьмин Е. К.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. -№2003130251; заявл. 10.10.2003; опубл.
20.01.2005, Бюл. №2.-11 с.
8. Пат. №2252989 Российская Федерация, МПК 7Е02Р5/32. Устройство и разрушение прочных и мёрзлых грунтов/ Ивкин В. С., Морозов В. В.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - №2004106179/03; заявл. 02.03.2004; опубл. 27.05.2005, Бюл. №15. - 12 с.
9. Пат. №2256751 Российская Федерация,
МПК 7Е02Р5/32. Устройство и разрушение прочных и мёрзлых грунтов/ Ивкин В. С., Морозов В. В.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - №2004112155/03; заявл. 20.04.2004; опубл. 20.07.2005, Бюл. №20. - 12 с.
10. Пат. №2276235 Российская Федерация, МПК 7Е02Р5/30. Устройство и разрушение прочных и мёрзлых грунтов/ Ивкин В. С., Морозов В. В.; заявитель и патентообладатель Ульян, гос. техн. ун-т. - №2004118762; заявл. 21.06.2004; опубл. 10.05.2006, Бюл. №13.-21 с.
11. Цытович, Н. А. Механика мёрзлых грунтов: учебное пособие/ Н. А. Цытович. - М. : Высш. школа, 1973. - 448 с.
оео©®ее©о0©©оо©ооо©о
Макашов Сергей Валентинович, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Строительное производство и материалы» УлГГУ. Имеет монографии, учебник, учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области строительных материалов. Ивкин Валерий Семёнович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» УлГТЬ'. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ. Кочетова Надежда Владимировна, студентка
3 курса строительного факультета УлГТУ.
\
