Влияние физико-механических свойств грунтов на работу машин для земляных работ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 625.08

В. С. ИВКИН, М. О. АЛАШЕЕВ

ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ НА РАБОТУ МАШИН ДЛЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ

Грунты можно рассматривать как определённую систему компонентов твёрдых минеральных частиц, образующих грунтовый скелет, воды в различных видах и состояниях (в том числе льда при нулевой или отрицательных температурах грунта), газов (в том числе и воздуха).Наличие пор (пустот) характерно для многих строительных материалов, но в грунтах пористость по существу определяет их физическое состояние и особенно механическое поведение: уплотняемость, сопротивление сдвигу, разрыву при внешних воздействиях. Предлагается процесс рыхления прочных и мёрзлых грунтов вести таким рабочим органом, таким способом, при котором будут преобладать деформации разрыва.

Ключевые слова: грунт, плотность, разрыхляемость, пористость, влажность, пластичность, прочность, липкость, абразивность, трение, механическое воздействие, газоимпульсное воздействие.

На работу землеройных машин оказывают влияние физико-механические свойства грунтов: I размеры и гранулометрический состав частиц минерального скелета грунта:

• глинистые (менее 0,005 мм);

• пылеватые (0,05^0,0005 мм);

• песчаные (2^0,05 мм);

• гравий (20^2 мм);

• галька и щебень ( более 20 мм).

II плотность

Плотностью называется масса 1 м3 грунта. Плотность является важнейшей характеристикой, положенной в основу классификации грунтов по трудности разработки землеройными машинами. Для основных категорий немёрзлых и

мёрзлых грунтов плотность составляет [1] от 1200 кг/м3 до 2800 кг/м3 (табл. 1).

III разрыхляемость

Свойство грунта увеличиваться в объёме при постоянстве собственной массы.

При воздействии рабочего органа землеройной машины на грунт нарушается целостность его структуры, характеризующаяся эффектом разрыхления. Объём грунта увеличивается, снижается его плотность. Коэффициент разрыхления грунта определяется по формуле

где Q^ - объём грунта разрыхлённого;

Таблица 1

Категории трудности разработки немёрзлых и мёрзлых грунтов в зависимости от числа «С» ударов динамического плотномера ДорНИИ

Категория грунта немёрзлого мёрзлого

I II III IV V VI VII VIII

Число ударов "C" 1-4 5-8 9-16 17-34 35-70 71-140 141-280 281-560

Плотность, кг/м3 1200 1500 1400 1900 1600 2000 1900 2200 2200 2500 2200 2600 2300 2600 2500 2800

Коэффициент разрыхления 1,08 1,17 1,14 1,28 1,24 1,3 1,26 1,37 1,3 1,42 1,4 1,45 1,4 1,45 1,4 1,6

© Ивкин В. С., Алашеев М. О., 2015

Ош1.т- объём грунта перед разрушением с ненарушенной структурой, (в плотном теле).

Значения коэффициентов разрыхления грунтов приведены в таблице 1.

IV пористость

Характерное свойство всех грунтов, влияющее на сопротивление механическому воздействию.

Пористостью называется отношение объёма пор к общему объёму грунта, выраженное в процентах. Пористость характеризует плотность сложения грунта. Вследствие неправильной формы и неодинаковых размеров минеральные частицы грунта прилегают неплотно, образуя промежутки - поры, повышающие деформатив-ность грунтов.

Пористость принято оценивать коэффициентом пористости:

8

Л

(2)

где В - объём пор;

А - объём, занятый частицами грунта.

Если коэффициент пористости 8 = 1, то это значит, что 50% занято порами и 50% скелетом грунта. Для глин значение коэффициента пористости может достигать 16 [2]. Частицы глинистых грунтов имеют пластинчатую, чешуйчатую или иглообразную формы. Поверхность глинистых фракций очень велика и достигает нескольких сотен квадратных метров на 1 грамм грунта [2].

Ориентировочное представление о типе грунта можно получить по количеству содержащихся в нём глинистых частиц (см. табл. 2).

V влажность

Влажность грунта определяется по формуле (Свл-Сс)

а) = с • 100%, (3)

где Овл - вес влажной пробы грунта;

Ос - вес пробы после высушивания. Различают следующие виды влажности грунтов (табл. 3):

гигроскопическую - частица грунта покрыта плёнкой воды толщиной в одну молекулу;

молекулярную - частица грунта может удерживать плёнку за счёт молекулярных сил притяжения;

капиллярную - вода заполняет тончайшие капилляры между частицами грунта;

гравитационную - вода заполняет крупные поры, пустоты в грунте и передвигается в них под действием сил тяжести или сил напора.

Из таблицы 3 видно, что различные грунты в разной степени обладают способностью удерживать влагу. Чем больше в грунте глинистых частиц, тем больше воды они способны удержать. На этом свойстве основана классификация грунтов по числу пластичности юп . VI пластичность

Пластичностью грунта называется его способность деформироваться под действием внешних сил и сохранять полученную форму после снятия нагрузки.

Число пластичности грунта юп определяется по формуле

юп = ют - юр , (4)

где юп - предел текучести (весовая влажность, при повышении которой грунт переходит из пластического в жидкое состояние);

юр - предел раскатывания (весовая влажность, при превышении которой грунт переходит из твёрдого в пластическое состояние), определяемый как влажность пробы грунта, разделяющейся на отдельные части (куски) при раскатывании в жгут диаметром менее 3 мм.

Классификация грунтов по содержанию глинистых частиц

Таблица 2

Тип грунта Глина Суглинок Супесь Песок

Содержание частиц мельче 0,005 мм в % по массе Более 30 30-10 10-3 менее 3

Способность грунтов удерживать влагу

Таблица 3

Наименование Влажность грунтов ю %

грунта Гигроскопическая Молекулярная Капиллярная Гравитационная

Песок 1,5-3 5-6 7-8 7-10

Супесь 3-6 8-12 12-15 12-15

Суглинок 6-8 12-15 15-20 15-25

Глина 8-13 15-20 20-28 25-35

Классификация грунтов на основе числа пластичности

Таблица 4

Таблица 5

Соотношения сопротивления мёрзлого грунта и льда различным видам деформации

Наименование грунта Число пластичности

Песок Менее 1

Супесь 1-7

Суглинок 7 1 7

Глина Более 17

Метод разрушения грунтов Разрыв Сжатие Сдвиг Изгиб Резание Вдавливание

Оценка методов разрушения: а) для мёрзлого грунта 1 3 1,7 2 7 21

б) для льда 1 2,6 4 1,9 нет данных

Классификация грунтов на основе числа пластичности позволяет установить их наименование (табл. 4).

VII сжимаемость

Сжимаемость грунтов заключается в способности изменять своё строение под влиянием внешних нагрузок за счёт уменьшения объёма пор между минеральными частицами грунта.

VIII прочность

Прочностью грунта называется его способность сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок.

В таблице 5 приведены соотношения сопротивления мёрзлого грунта и льда различным видам деформации.

Вода в грунте при понижении температуры ниже 0°С замерзает, образуя лёд - цемент. Сопротивление различным видам деформаций возрастает. Фазовый переход воды в кристаллическое состояние - лёд растянут в значительном интервале отрицательных температур:

а) при температурах от 0°С до минус 2°С замерзает гравитационная вода, заполняющая крупные поры и пустоты в грунте;

б) капиллярная вода связана со стенками капилляров, и температура её замерзания от минус 2°С до минус 20°С [3];

Лёд является основным компонентом в мёрзлом грунте, определяющим его прочность.

Лёд образует новые контакты и связи между минеральными частицами грунта, которых нет в грунте немёрзлом;

в) физически прочносвязанная вода под действием огромных электромолекулярных сил притяжения надёжно соединена с твёрдыми минеральными частицами грунта, обволакивая их в

виде плёнки толщиной в одну молекулу [2]. Количество физически прочносвязанной воды зависит от смачиваемости твёрдых минеральных частиц грунта. Смачиваемость твёрдых минеральных частиц грунта обуславливается их адсорбционной способностью - концентрировать (адсорбировать) на своей поверхности молекулы воды за счёт электростатического притяжения. Адсорбционная способность грунтов возрастает при наличии в них глинистых минеральных частиц. Физически прочносвязанная вода имеет высокую плотность до 1,74 г/см3,низкую температуру замерзания до минус 78°С.

Итак, мёрзлые грунты в природных условиях, когда их температура не опускается ниже минус 30°С, минус 40°С, всегда содержат некоторое количество незамерзшей (как правило, физически прочносвязанной) воды [3].

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 от четырёх до семи месяцев. Более 40% территории России занимают многолетнемёрзлые (вечномёрзлые) грунты.

IX трение грунта о сталь и грунта по грунту

Величина коэффициента трения имеет существенное значение при взаимодействии рабочих органов землеройных машин с грунтом. При внедрении ковша экскаватора в забой, при движении ковша драглайна по грунту или при перемещении грунта по отвалу бульдозера возникает сопротивление

Т = N -1 в 5 , (5)

где N - сила, направленная нормально к плоскости трения;

5 - угол трения грунта о сталь. Коэффициент трения «/'» о сталь равен:

/ ' = 1ё 5. (6)

При перемещении грунта (призмы волочения) перед отвалом бульдозера, перед ковшом скрепера возникает сопротивление

Тпер Сдризм Р , (7)

где Опризм - вес призмы волочения; р - угол трения грунта по грунту Коэффициент трения «/» грунта по грунту равен:

/ = 1ё Р . (8)

Значения коэффициентов трения грунта о сталь, грунта по грунту для различных типов немёрзлых грунтов приведены в таблице 6.

Установлены две причины появления сил трения:

1) шероховатость поверхности;

2) молекулярное сцепление.

Если речь идёт о шероховатости поверхности, то исходя из молекулярных представлений, сухое трение можно рассматривать как силу, затраченную на скалывание, срезание или смятие бугор-

ков трущихся поверхностей. Но чтобы разрушить эти бугорки, надо разрушить сцепление молекул.

Разрыв молекулярных сцеплений и является общей основой трения. Трение тесно связано со сдвигом и изнашиванием, так как они имеют общую природу. При изучении трения мёрзлых грунтов приходится обращать внимание не только на сухое трение, но и изучать поведение льда между трущимися поверхностями [2].

Кроме того, трение мёрзлых грунтов зависит от их отрицательной температуры. Значения коэффициентов трения грунта по грунту «/» при температурах промерзания от минус 1°С до минус 40 °С приведены в таблице 7.

Из данных таблицы 7 следует , что для всех типов мёрзлых грунтов коэффициент трения грунта по грунту уменьшается при понижении отрицательной температуры.

Это явление может быть объяснено наличием большого количества льда, снижающего силу трения грунтов.

Из таблицы 8 следует, что коэффициенты трения мёрзлого грунта по металлу и грунта по грунту примерно одинаковы. Это свойство мёрзлых грунтов объясняется льдистостью и резко отличается для немёрзлых грунтов (см. табл. 6).

Таблица 6

Значения коэффициентов трения грунта о сталь, грунта по грунту для немёрзлых грунтов [2]

Тип грунта Коэффициент трения

грунта о сталь «/ '» грунта по грунту «/»

Песок, супесь 0,6-0,75 0,45-0,5

Суглинок 0,75-0,85 0,5-0,6

Глина 0,85-0,95 0,6-0,7

Таблица 7

Значения коэффициентов трения грунта по грунту «/» для различных типов мёрзлых грунтов [2]

Грунт Влажность ю% При г = - 1 °С При г = - 10°С При г = - 17°С При г = - 40°С

Песок 15 0,5 0,45 0,43 0,4

Супесь 21 0,51 0,5 0,4 0,3

Суглинок 25 0,65 0,58 0,55 0,55

Глина 33 0,63 0,61 0,59 0,6

Таблица 8

Сопоставление коэффициентов трения грунта о сталь и грунта по грунту при температуре мёрзлого грунта минус 10 °С и полной влагоёмкости [2]

Грунт Влажность ю% Коэффициент трения

грунта по металлу <<Г '» грунта по грунту <Ф>

Песок 15 0,47 0,45

Супесь 21 0,5 0,5

Суглинок 25 0,53 0,58

Глина 33 0,62 0,61

X липкость

Способность грунта прилипать к поверхности рабочих органов землеройных машин. Липкость проявляется у глинистых грунтов. Численно липкость (адгезия) характеризуется силой, которую нужно приложить, чтобы оторвать глинистый грунт от металлической поверхности.

Липкость глинистых грунтов служит серьёзным препятствием при их разработке, погрузке и транспортировке. Песчаные грунты практически не проявляют склонности к налипанию. Для немёрзлых грунтов [2] сила налипания зависит от площади контакта грунта с рабочим органом:

Рл=Оуд-Р , (9)

где Рл - сила налипания, кН;

Б - площадь контакта грунта с рабочим органом, м2;

оуд - среднее удельное налипание;

°уд = (7—8) кН/м2 - для глин;

°уд = (5—7) кН/м2 - для суглинков.

Разработка землеройными машинами мёрзлых грунтов при отрицательной температуре сопровождается примерзанием налипшего грунта к поверхности рабочего органа или других элементов конструкции. Силы сцепления в зоне контакта примёрзшего грунта с поверхностью конструкции достигает величин, в десятки раз превышающих значения липкости. Сила прилипания грунта к стали 0,1—0,2 кгс/см2.

Намёрзший на рабочие поверхности грунт значительно снижает производительность землеройных машин.

XI абразивность

Способность грунта интенсивно изнашивать (истирать) взаимодействующие с ним рабочие органы землеройных машин.

Например, при работе роторного экскаватора ЭТР-253 в немёрзлых грунтах режущие зубья ковша выдерживают проходку траншеи до 15 километров, а в мёрзлых - только 800 метров, то есть 3 или 4 часа работы экскаватора.

Изнашивающаяся способность мёрзлых грунтов может быть в 70 даже 500 раз больше, чем немёрзлых [4].

При резании мёрзлого грунта наблюдается процесс, аналогичный процессу резания металла шлифованным кругом. Мёрзлый грунт является самозатачиваемым абразивом с бесконечной абразивной поверхностью. Грунторазрушающая часть рабочего органа рыхлителя на базе гусеничного промышленного трактора имеет форму клина, который внедряется и перемещается в грунте. Рабочий процесс резания грунта бульдо-зерно-рыхлительными агрегатами сопровождается резкоменяющимися горизонтальными, вер-

тикальными и боковыми усилиями, действующими на зуб [4].

Эффективность и производительность рыхлителей в первую очередь определяется работоспособностью наконечников зубьев. Их устойчивость к ударным нагрузкам должна сочетаться с повышенной износостойкостью и способностью сохранять прочность при сильном нагреве.

При разработке прочных скальных грунтов режущая кромка наконечника нагревается до температуры 600°С, 650°С [5].

Поэтому долговечность наконечников при работе на мёрзлых грунтах составляет 40, 70 часов, а на прочных скальных грунтах только 2 или 10 часов [5].

Под действием внешнего давления происходят теплофизические процессы в мёрзлом грунте, трансформация мёрзлого грунта в пластическое состояние, плавление льда. Переход льда в воду в контактном слое снижает коэффициент трения на глинистых и суглинистых грунтах. При плавлении льда мелкодисперсные частицы глинистого грунта теряют своё связанное состояние и вместе с водой образуют смазывающий слой суспензии .

Рыхлители на базе мощных промышленных тракторов обеспечили полное выполнение технологического процесса и транспортирования мёрзлого грунта только на строительных площадках с большим объёмом земляных работ [6, 7].

Основными недостатками этих рыхлителей являются:

1) быстрый износ режущих наконечников рабочего органа - зуба;

2) невозможность применения при выполнении работ малых объёмов, рассредоточенных в стесненных условиях строительства, так как габариты и масса бульдозерно-рыхлительных агрегатов очень большие [7].

Подача сжатого воздуха высокого давления в зону рыхления является одним из перспективных направлений совершенствования рабочего оборудования рыхлителя [6, 7, 8, 9].

Однократное приложение разрушающей нагрузки при выхлопе из рабочей камеры, при подводе в зону рыхления довольно высоких энергий сжатого газа (воздуха) высокого давления позволяет разрушать мёрзлый грунт наименее энергоёмким способом при доминировании наименее энергоёмких напряжений разрыва (см. табл. 5).

При рыхлении мёрзлого грунта газоимпульсным рыхлителем [6, 7, 8, 9] выделяют:

1) фазу завинчивания рабочего органа в мёрзлый грунт. Процесс завинчивания сопровождается ростом контактных напряжений между

минеральными частицами, подплавлением льда в слое мёрзлого грунта, соприкасающимся с трущимися поверхностями рыхлителя. Эти явления снижают износ рабочего органа. При завинчивании рабочего органа появляются микротрещины в грунте, ослабляющие монолит, происходит подготовка ко второй фазе;

2) отрыв мёрзлого грунта от массива за счёт выхлопа из рабочей камеры (подвода) в зону рыхления мёрзлого грунта сжатого воздуха высокого давления. Давление сжатого воздуха передаётся непосредственно разрыхляемому грунту. Рыхление мёрзлого грунта происходит по всем возможным направлениям расширения сжатого воздуха. Новая землеройная техника [6, 7, 8, 9] на принципах газоимпульсного рыхления мёрзлых грунтов - это малогабаритные, манёвренные 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 [6, 7, 8, 9] имеют более удачную силовую схему взаимодействия с мёрзлым грунтом, так как газовый импульс совершает основное рыхление мёрзлого грунта при доминировании наименее энергоёмких напряжений разрыва (см. табл. 5). В процессе рыхления грунта рыхлителями на базе мощных гусеничных промышленных тракторов нагрузки воспринимаются конструкцией зуба рыхлителя и базовой машиной, что приводит к увеличению массы и габаритов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дроздов А. Н. Строительные машины и оборудование: учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования. -М. : Издательский центр «Академия», 2012. -448 с.

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

3. Латышев О. Г. Разрушение горных пород.

- М. : Теплотехник, 2007. - 672 с.

4. Доценко А. И., Карасёв Г. Н., Кустарёв Г. В., Шестопалов К. К. Машины для земляных работ : учебник для студентов вузов. - М. : Издательский дом «БАСТЕТ», 2012. - 688 с.

5. Волобуев А. И., Веретеник А. Л., Сахаров Г. Н. О теплостойкости материала для наконечников рыхлителей // Строительные и дорожные машины.

- 1987. - №2. - С. 10-11.

6. Ивкин В. С., Чикилёв С. В. Преимущества газоимпульсного способа рыхления мёрзлых грунтов // Вестник УлГТУ. - 2014. - №1. - С.63-70.

7. Ивкин В. С., Волынщиков П. Ю. Разработка мёрзлых грунтов при выполнении работ в стеснённых условиях строительства // Вестник УлГТУ.

- 2013. - №2. - С.62-66.

8. Ивкин В. С., Максимов С. В., Муртаков А. Ю. Применение энергии сжатого газа высокого давления на рабочих органах землеройных машин // Вестник УлГТУ. - 2011. - №2. - С. 55-60.

9. Ивкин В. С., Максимов С. В., Тимофеев А. С. Определение зоны разрушения мёрзлого грунта в забой газоимпульсным рыхлителем // Вестник УлГТУ. - 2011. - №1. - С. 68-72.

Ивкин Валерий Семёнович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ. Алашеев Максим Олегович, студент 5 курса строительного факультета УлГТУ.

Поступила 27.04.2015 г.