Машини для земляних робіт
54
Вступ
Супіщані ґрунти містять в невеликій кількості глинистих частинки, що додає зв'язність цим ґрунтам. Значний зміст піщаних частинок створює жорсткість скелета, тому супіщані ґрунти при підвищенні вогкості більше, ніж глинисті, зберігають стійкість.
Землерийні і ґрунтоущільнюючі машини під час роботи взаємодіють з ґрунтом. Робочий орган землерийної машини розробляє ґрунт і прибирає його із забою. Ґрунтоущільнююча машина, діючи на ґрунт, змінює його густину. Гусениці або ходові колеса машин і ґрунт постійно взаємодіють. Таким чином, властивості ґрунтів представляють істотний інтерес при розгляді питань їх розробки і ущільнення, а також для вивчення руху машин по поверхні ґрунту.
Ґрунти є складними дисперсними тілами, що полягають при постійній температурі з трьох або двох фаз: твердої, рідкої і газоподібної або твердої і рідкої. Ґрунти, що складаються з твердої і газоподібної фаз, в природних умовах зустрічаються рідко. При негативній температурі до складу ґрунту входять не тільки мінеральні зерна, вода і гази, а також і лід.
Властивості кожної з фаз, кількісні співвідношення і взаємодія між ними визначають специфічну фізичну і хімічну природу ґрунтів і їх будівельні властивості.
Для оцінки фазового складу ґрунтів застосовуються характеристики, якими виражають кількісні відносини між об'ємами твердих мінеральних частинок, води і газу.
Характеристики ґрунтів багато в чому залежать від складу ґрунту, тобто від відносного вмісту в ньому частинок різної крупної, а також від густини і вогкості його.
Піщані ґрунти володіють високим коефіцієнтом внутрішнього тертя, малозв'язані, добре водопроникні, малоущільнені, мають невелику висоту капілярного підняття, непластичні, при зволоженні трохи знижують опір навантаженням. Рух машин по сипких пісках утруднений.
Піщані пилуваті ґрунти можуть характеризуватися як малозв'язні, непластичні і водопроникні. Особливістю цієї групи фрунтів є те, що вони легко розріджуються і втрачають несучу здатність при зволоженні.
Супіщані дрібні ґрунти містять велику кількість пилуватих частинок, що робить їх нестійкими в зволоженому стані. Ці ґрунти малопластичні і при зволоженні легко деформуються.
Пилуваті ґрунти при зволоженні переходять в стан пливунів і різко знижують опір навантаженням. Легко розмиваються водою, схильні до комкоутворюванню.
Суглинні ґрунти пластичні, володіють великою зв'язністю в сухому стані, але швидко втрачають її при зволоженні.
Важкі суглинні ґрунти. Властивості зв'язності, пластичності, стисливості і низької водопроникності виражені сильніше, ніж у суглинних ґрунтів.
Глини володіють великою зв'язністю, густиною і пластичністю. Практично водонепроникні.
Глини, суглинки і супіски відносяться до групи глинистих ґрунтів.
Фізичні характеристики ґрунтів
В природних умовах ґрунти можуть мати різний фізичний стан: піщані - від щільного до вельми рихлого, глинисті - від твердого до текучого.
Для оцінки ґрунтів, як середовища для земляних робіт, необхідно знати їх властивості і стан.
Пористістю ґрунтів називається об'єм пір (зайнятих водою і повітрям), виражений у відсотках від загального об'єму ґрунту:
Коефіцієнт пористості - відношення об'єму пір (зайнятих водою і повітрям) до об'єму твердих частинок ґрунту:
Вагова вогкість - відношення ваги води до ваги сухого ґрунту:
при якій максимальна густина ґрунту може бути досягнута при якнайменшій витраті механічної роботи.
Питомою вагою ґрунту А наливається відношення ваги твердих частинок ґрунту до об'єму ними рідини.
Глини і ґрунти знаходяться в пластичному стані в межах вогкості, характеризуючи межу розкочування і межу текучості. Межею розкочування (межею пластичності) наминають вагову вогкість (у відсотках), при якій тісто, виготовляють з грунту і води і розкочуване в джгут деякою товщиною, починає кришитися.
Межею (межею) текучості називають вагову вогкість тесту, виготовленого з ґрунту і води, при якій прилад - «балансирний конус» занурюється під дією власної ваги 76 Г. за 5 сік на глибину 10 мм Кут конуса при вершині рівний 30°.
Числом пластичності називають різницю між межею текучості і межею розкочування:
Ґрунти вважаються сухими, якщо водою заповнено не більше 1/3 об'єму пір; вологими - при заповненні від до 2/3 об'єму пір і мокрими - при більшому заповненні пір водою.
Об'ємна вага - відношення ваги ґрунту при природній вогкості до його об'єму V:
Об'ємна вага ґрунтів звичайно коливається в межах 1,5 - 2,0 Т/м3 залежно від мінералогічного складу, пористості і вогкості. Об'ємна вага робить істотний вплив на витрату енергії при підйомі і транспортуванні грунту.
Об'ємна вага скелета грунту
Об'ємною вагою скелета звичайно користуються при визначенні ступеня ущільнення грунту.
Найбільша густина грунту, одержана методом стандартного ущільнення, називається максимальною стандартною густиною, а відповідна їй вогкість - оптимальною вогкістю.
Консистенція зв'язних ґрунтів залежно від змісту води може мінятися в значних межах - від текучої до твердої.
Кількісний вираз консистенції глинистих ґрунтів визначається показником консистенції
Значення показника В для різних консистенцій глинистих грунтів приводяться нижче:
Тверда консистенція Менше 0
Напівтверда 0-0,25
Тугопластична 0,25-0,50
М'яко-пластична 0,5-0,75
Текучопластична 0,75-1,00
Текуча Більше 1,00
За рубежем консистенція глинистих грунтів останнім часом визначається по межі міцності циліндрового зразка Р (кГ/см2) при стисненні його уздовж осі до роздавлювання згідно наступним межам:
Дуже м'яка Менше 0,25
Жорстка 1-2
М'яка 0,25-0,50
Дуже жорстка 2-4
Средньожжорстка 0,5-1,0
Надзвичайно жорстка Більше 4
Клейкість - здатність грунту прилипати до різних предметів - властива більшості пластичних ґрунтів при достатній вогкості і малому змісті піску, тобто для супіску, суглинком і глин.
Фізико-механічні властивості ґрунтів
Розпушуванням називають здатність грунту збільшуватися в об'ємі при розробці. При розпушуванні зменшується об'ємна вага грунту. Коефіцієнт розпушування характеризує відношення об'єму розпушеного грунту до об'єму, який він займав в природному заляганні. З часом розпушений ґрунт ущільнюється, але зберігає деяку залишкову розпушеність.
Середні значення коефіцієнта розпушування коливаються в межах 1,08-1,32, а коефіцієнт залишкового розпушування - в межах 1,01-1,09. Великі значення відносяться до важких ґрунтів. Коефіцієнти розпушування мерзлого грунту приблизно відповідають коефіцієнтам розпушування висаджених скельних порід і коливаються в межах 1,5-1,6. Чим більше при руйнуванні грунту розміри окремих його шматків, тим менше коефіцієнт. Тому величина його зменшується із збільшенням робочого органу машини і залежить від типу органу, що розробляє ґрунт.
Опір грунту зсуву. В розрахунках землерийних машин і їх робочих органів використовують коефіцієнт внутрішнього тертя грунту і коефіцієнт зчеплення грунту, обумовлюючі опірність ґрунтів зсуву.
Зв'язність грунту залежить головним чином від його гранулометричного складу, вогкості і густини. В пісках, навіть вологих, зв'язність виявляється в незначному ступені, і тому ґрунти відносять до незв'язних. Супіску можна віднести до малозв'язних ґрунтів. Зв'язність особливо стає помітною у суглинком і глин, тому останні відносять до ґрунтів зв'язних.
В основу опору ґрунтів зсуву встановлений закон Кулона про прямолінійну залежність граничного опору грунту Зсуву т від нормальних напруг:
Для ґрунтів, що не володіють зчепленням С = 0 (наприклад, сухі піски), вказана формула приймає вигляд
Внутрішнє тертя ґрунтів характеризується величиною кута внутрішнього тертя, тангенс якого рівний коефіцієнту внутрішнього тертя
Мал. 1. Залежність кута внутрішнього тертя від вогкості
Мал. 2. Залежність зчеплення від коефіцієнта водонасичення (ступені ущільнення) і вогкості:
Опірність грунту зсуву залежить від швидкості зсуву. Властивості ґрунтів більшою мірою залежать від їх складу і стану. Враховуючи це, орієнтовні значення кута внутрішнього тертя і коефіцієнта зчеплення.
Кут природного укосу. При відсипанні з деякої висоти розпушений ґрунт відкладається у вигляді конуса. Кут у підстави конуса називається кутом природного укосу.
Кут природного укосу залежить від виду грунту і його вогкості і обумовлюється кутом внутрішнього тертя і коефіцієнтом зчеплення.
Якщо розпушений ґрунт лежить на горизонтальній площині, що скоює вертикальні коливання, то кут його природного укосу буде менше ніж на площині, що знаходиться в стані спокою.
Коефіцієнт тертя сталі по ґрунтах порушеної структури, як показують досліди Ю.А. Ветрова, складає приблизно 2/1 величини коефіцієнта тертя по ґрунтах непорушеної структури.
Вогкість грунту є найістотнішим чинником, що впливає на коефіцієнт тертя. При зміні вогкості від повітряно-сухого стану до максимальної капілярної вологоємності коефіцієнт тертя об сталь може зменшитися в 2 рази і більш.
Коефіцієнт тертя грунту об сталь залежно від вогкості виражається (по Ю.А. Ветрову)
Між коефіцієнтами внутрішнього тертя і коефіцієнтом тертя грунту об сталь є зразкова залежність
Коефіцієнтом бічного розширення називається відношення відносної деформації бічного розширення до відносної деформації стиснення зразка.
Якщо стискати ґрунт в умовах неможливості бічного розширення, наприклад в судині з жорсткими стінками, стискаюча сила, ущільнюючи ґрунт, викликає тиск грунту на бічні стінки, що обмежують розширення грунту.
Збільшення стискаючого тиску викликає у відповідь збільшення бічного тиску; відношення приросту бічного тиску до приросту стискаючого тиску характеризується коефіцієнтом бічного тиску, тобто
Лабораторні випробування показали, що коефіцієнт бічного тиску можна розглядати як відносно постійну характеристику грунту.
Коефіцієнт бічного тиску пов'язаний з коефіцієнтом бічного розширення грунту.
Ця залежність виглядає таким чином:
Коефіцієнт бічного тиску збільшується із зростанням коефіцієнта тертя насипного грунту об стінки ковша.
В граничному випадку, коли коефіцієнт тертя об стінки рівний коефіцієнту внутрішнього тертя коефіцієнт бічного тиску
Р.І. Покровській, користуючись методами статистичної механіки, встановив зв'язок між коефіцієнтом бічного тиску сипкого тіла, кутом його внутрішнього тертя, величиною зчеплення і тиском випробовуваним сипким тілом. Цей зв'язок виражається формулою
Модуль деформації грунту аналогічний модулю пружності однорідних тіл (металу і ін.), проте між ними є і істотні відмінності, які полягають в наступному:
модуль деформації грунту визначається по загальній деформації (оборотної і необоротної);
модуль деформації одного і того ж грунту змінюється при коливанні вогкості і густини грунту;
оскільки деформація ґрунтів має нелінійний характер, модуль деформації може характеризувати ґрунт в малих інтервалах напруг.
Не дивлячись на вказані вище умовності, вважають, що крива Опору грунту вдавлюванню штампу при визначенні модуля деформації є основною характеристикою міцності грунту при розрахунках товщини дорожнього одягу.
Модуль деформації грунту прийнято визначати по кривій опору грунту вдавлюванню циліндрового штампу:
Опір грунту вдавлюванню визначається коефіцієнтом опору тому, що зім'яв - навантаженням на 1 см2, під дією Якого опорна поверхня занурюється на 1 см. Навантаженням, що допускається, вважається таке, яке викликає занурення не більш ніж на 6-12 см. Величина ця дещо міняється залежно від розмірів опорних частин, але ця зміна менше ступеня точності визначення вказаного коефіцієнта.
Опір грунту різанню звичайно характеризується питомим опором чистого різання (в кГ 1м2), тобто зусиллям, віднесеним до одиниці площі поперечного перетину вирізуваного пласта грунту.
Ця величина міняється у великих межах, оскільки залежить від режиму роботи, параметрів робочого органу і наступних параметрів грунту: об'ємної ваги, кутів внутрішнього і зовнішнього тертя, питомої сили зчеплення. Перераховані параметри грунту в основному визначаються його гранулометричним складом, вогкістю, густиною і температурою.
А.Н. Зеленин запропонував оцінювати приналежність грунту до тієї або іншої категорії по числу ударів ударника. Вантаж 2,5 кГ падає з висоти 400 мм і ударяється про буртик наконечника, проводячи за один удар роботу, рівну 1 кГ-м. Наконечник зроблений у вигляді циліндрового стрижня заввишки (завдовжки) 100 мм з площею поперечного перетину, рівною 1 см2.
Число ударів, необхідне для занурення наконечника в ґрунт, рівне -30 для немерзлих ґрунтів і 30 - 360 для мерзлих суглинних і глинистих ґрунтів в діапазоні температур від -1 до -15°.
Загальна характеристика робочого процесу. Класифікація машин для земляних робіт
Земляні роботи є складовою частиною будівництва більшості інженерних споруд. Вони включають: уривку котлованів, траншей і меліоративних каналів; зведення насипів, дамб; пристрій закритих проходок в ґрунті у вигляді шахт і тунелів під різні підземні споруди; буріння горизонтальних, похилих і вертикальних свердловин при безтраншейній прокладці трубопроводів під насипами залізних і шосейних доріг, для установки опор паль в щільних ґрунтах, для закладки зарядів вибухових речовин при розробці ґрунтів вибухом і т. п.
По характеру робочого процесу, складу операцій і послідовності їх виконання земляні споруди ділять на виїмки і насипи. Виїмка утворюється в результаті видалення надлишків грунту за її межі, а насип - шляхом відсипання грунту, внесеного ззовні, з його пошаровим ущільненням. Остання операція обумовлена необхідністю відновлення щільного стану грунту в насипі, який був їм втрачено при відділенні від масиву унаслідок розпушування. Видалений з виїмок ґрунт укладають у відвали, а для відсипання насипів його доставляють з кар'єрів або резервів, розташованих поблизу споруджуваному насипу. Якщо виїмки чергують з насипами, як, наприклад, в дорожньому будівництві, то витягуваний з виїмок ґрунт звичайно використовують для відсипання насипів. Для кожної з перерахованих технологічних схем виробництва земляних робіт - виїмка-відвал, резерв-насип - характерні операції відділення грунту від масиву, його переміщення і відсипання. При зведенні насипів додається операція ущільнення грунту, а загальною для насипів і виїмок є планувальна операція, якої ці інженерні споруди доводяться до проектних розмірів. При плануванні зрізаються виступи і засипаються западини подібно розробці резервів і відсипанню насипів, але тільки в розмірах мікрорельєфу планованої поверхні. Ту ж структуру робочого процесу має розробка кар'єрів будівельних матеріалів (піску, гравію і т. п.), а також видобуток корисних копалин відкритим способом. Відмінність полягає в тому, що ні забій, ні відвал не є інженерними спорудами, а планування дна кар'єру (підошви забою) виконують лише для зручності пересування по ньому машин і підготовки стійкої підстави для їх роботи.
Відділення грунту від масиву - руйнування - є основною операцією процесу його розробки. Найбільше поширення в будівництві (близько 85% від загального об'єму земляних робіт) набув механічний спосіб руйнування ґрунтів, при якому ґрунт відділяється від масиву унаслідок контактної силової дії на нього землерийного робочого органу. Енергоємність цього способу складає, 0,05…0,6 кВт-ч/м3. Міцні ґрунти і гірські породи руйнують вибухом з використанням вибухових речовин, які закладають в спеціально пробурені свердловини. Цей спосіб найдорожчий, але дозволяє істотно скоротити терміни виробництва робіт. Близько 12% ґрунтів розробляють гідромеханічним способом шляхом відділення грунту від масиву струменем води під високим тиском або в поєднанні з механічним способом. Енергоємність процесу складає 0,15…2 кВт-ч/м3.
Робочі органи машин, призначені тільки для відділення грунту від масиву механічним способом, використовують лише у разі розробки вельми міцних ґрунтів на стадії їх попереднього розпушування. Переважно робочі органи також переміщають і відсипають ґрунт у відвали, насипи або транспортні засоби, виконуючи ці операції після відділення грунту від масиву і його захоплення або суміщаючи повністю або частково перераховані операції в часі. Ґрунт може переміщатися до місця відсипання тільки за рахунок рухів робочого органу або за рахунок переміщення всієї машини. В конструкціях землерийних машин безперервної дії завершальну стадію транспортування грунту виконує спеціальний транспортуючий орган, наприклад, типу стрічкового конвеєра. Відсипають ґрунт шляхом звільнення від нього робочого або транспортуючого органу в кінці транспортної операції. У разі гідромеханічної розробки ґрунт переноситься до місця намивання в потоці води, а при вибуховому способі він відкидається в сторони розширяються газами, що утворюються унаслідок вибуху. Грубе планування земляних поверхонь виконують тими ж землерийними робочими органами шляхом більш чіткої координації їх руху, а для точного планування застосовують спеціальні робочі органи або машини. Ущільнення грунту полягає в компактному укладанні його частинок, унаслідок чого зменшується об'єм грунту і збільшується його густина. Для цього застосовують спеціальні машини і устаткування. Частково ґрунт може ущільнюватися транспортними засобами, що також переміщаються по його поверхні.
В загальному комплексі робіт на будівельному об'єкті земляні роботи частіше за все виконують раніше інших. В цьому випадку їм передує підготовка будівельного майданчика - видалення каміння, зрізає чагарника, корчування пнів, планування і засипка ям і т. п. Велику частину цих робіт виконують землерийними машинами, обладнаними спеціальними робочими органами. У зв'язку з цим машини для підготовчих робіт розглядають разом з машинами для земляних робіт. До підготовчих робіт також відносять попереднє розробці спушення міцних і мерзлих ґрунтів.
Машини для земляних робіт класифікують за призначенням, режиму роботи, ступеню рухливості і іншим ознакам. Класифікація за призначенням умовна, оскільки приводи, ходові пристрої і інші структурні елементи сучасних машин дозволяють використовувати одну і ту ж їх базову частину для роботи з різними видами змінного робочого устаткування, нерідко різного за призначенням. Універсальність машин істотно розширює область їх вживання, сприяє їх кращому використовуванню за часом, особливо в умовах невеликих об'ємів однотипних робіт, виконуваних будівельною організацією, більш ефективної організації технічного обслуговування. Універсальні машини класифікують по основних видах виконуваних ними робіт, визначуваних по техніко-експлуатаційних, економічних і інших міркуваннях. Розрізняють землерийні машини для уривки і переміщення грунту в межах зони досяжності робочого устаткування (одно- і багатоковшові екскаватори), землерийно-транспортні машини для пошарової розробки грунту і переміщення його на великі відстані (бульдозери, скрепери, грейдери, грейдер-елеватори), машини для підготовчих робіт, машини і устаткування для ущільнення ґрунтів, для буріння свердловин, у тому числі в міцних і мерзлих ґрунтах при їх руйнуванні вибухом, устаткування для гідромеханічної розробки, а також машини і устаткування для розробки ґрунтів в особливих умовах. Машини для планувальних робіт відносяться до групи землерийно-транспортних машин і частково до екскаваторів (екскаватори-планувальники).
