Машины и оборудование для разработки мерзлых грунтов

3

ВВЕДЕНИЕ

Высокий темп промышленного и гражданского строительства, сокращение сроков выполнения работ без учета времени года, а также условия строительства в районах Урала, Сибири, Дальнего Востока и Севера приводят к тому, что грунты все чаще разрабатываются в мерзлом состоянии.

Учитывая, что мерзлые грунты обладают большой прочностью и высокой абразивностью, увеличивающей износ рабочих органов землеройных машин, трудоемкость их разработки весьма высока, а долговечность используемых машин низка. Для облегчения разработки грунта в зимних условиях практикуются следующие мероприятия:

1)предохранение грунтов от промерзания (утепление, предварительное осеннее поверхностное рыхление грунта, химическая обработка);

2)оттаивание грунта перед его разработкой (обогрев паром, электроподогрев, нагревание пламенем и т.п.);

3)рыхление мерзлого грунта различными способами для облегчения его экскавации (механические, взрывом, термические, электрические, комбинированные).

Наименее энергоемкими и наиболее универсальными способами разработки мерзлого грунта являются механические. Механические способы рыхления мерзлого грунта довольно разнообразны. Применяемые для этого машины могут быть классифицированы по виду рабочего процесса:

1)режущие, к которым могут быть отнесены машины с дисковой фрезой, с барами, рыхлители, буры, многоковшовые экскаваторы;

2)ударные: со свободно падающим рабочим органом, дизельмолоты, гидропружинные молоты, ручной ударный инструмент;

3)вибрационные, которые обычно выполняются в комбинации

срезанием (виброфрезы) или ударом (ковши с виброударными зубьями), или сколом (виброклинья).

В большинстве случаев земляные работы в мерзлых грунтах производят при комбинированном использовании машин. Так, нарезание щелей (барами или дисковой фрезой) обычно сочетают с работой

4

одноковшового экскаватора для скола и экскавации нарезанных блоков, крупный скол с использованием удара сочетают с работой одноковшового экскаватора и т.д.

При разработке котлованов и вскрышных работах нарезают блоки, рыхлят поверхностный слой рыхлителями (или взрывом) в сочетании с одноковшовым экскаватором. Траншеи обычно разрабатывают многоковшовыми экскаваторами с различными рабочими органами: цепными барами с чистым резанием; цепными барами с резанием и сколом; роторами с зубьями, обеспечивающими резание и крупный скол. При послойном рыхлении мерзлого грунта навесными рыхлителями на базе мощных тракторов и тягачей и дальнейшей его экскавации используют бульдозеры и экскаваторы.

1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Мерзлые грунты по гранулометрическому составу классифицируют на следующие группы: пески, супеси, суглинки и глины. Основными компонентами четырехфазной структуры мерзлых грунтов являются твердые минеральные частицы, вязкопластичные включения льда, жидкие (незамерзшая и прочносвязная вода) и газообразные включения в виде паров и газов. Физико-механические свойства мерзлых грунтов существенно влияют на процесс их разработки рабочими органами землеройных машин.

Основными параметрами, характеризующими механическую прочность мерзлых грунтов, являются временное сопротивление сжатию, растяжению и сдвигу. Величина этих сопротивлений для одного и того же типа грунта неодинакова. Если принять за единицу величину временного сопротивления растяжению σр (кг/см2), то сопротивление сдвигу τ = 1,7 кг/см2, изгибу σв = 2,0 кг/см2; одноосному сжатию σсж = 3,0 кг/см2; резанию Кр = 9,0 кг/см2; статическому вдавливанию Кп= 21,0 кг/см2. При разрушении мерзлого грунта землеройными машинами в основном возникают деформации сжатия и растяжения [11].

Согласно современным представлениям, мерзлый грунт можно рассматривать как упруговязкопластичное тело. В зависимости от продолжительности приложения нагрузки, скорости деформации, ве-

5

личины нагрузки и физико-механического состояния грунта могут проявляться в той или иной степени как упругие, так и пластические свойства мерзлого грунта.

Мерзлый грунт хорошо сопротивляется кратковременным нагрузкам. В зависимости от продолжительности воздействия величина его мгновенной прочности может изменяться в несколько раз. При этом при скоростях нагружения, близких к скорости работы землеройных машин, интенсивно проявляются упругие свойства мерзлых грунтов.

Одним из основных факторов, влияющих на прочность мерзлого грунта, является температура. При уменьшении температуры сопротивление мерзлого грунта разрушению резко возрастает. Изменяется также и характер деформации мерзлых грунтов и их абразивность. Так, при низких температурах более проявляются признаки хрупкости, а при относительно высоких – пластичности. Абразивность же мерзлых грунтов в 70–200 раз выше, чем немерзлых, и возрастает с понижением температуры.

Влажность мерзлых грунтов существенно влияет на их механическую прочность. При влажности, меньшей полной водонасыщенности (порядка 20–22 % для супесчаных и 30–33 % для глинистых грунтов), прочность мерзлых грунтов возрастает, а при полной водонасыщенности и перенасыщенности влагой, как правило, уменьшается.

На механическую прочность мерзлых грунтов значительно влияет их гранулометрический состав и его структура (рис. 1).

Рис. 1. Структура мерзлых грунтов: а – слитная; б – слоистая; в – ячеистая

6

Так, увеличение содержания в грунте дисперсных частиц повышает его прочность при растяжении и сжатии. Объясняется это образованием в мерзлом песке жесткого каркаса, прочно армированного льдоцементными связями. Временное сопротивление мерзлого грунта сжатию и растяжению в значительной степени зависит не только от температуры и влажности, но и от скорости приложения нагрузки. При увеличении скорости приложения нагрузки сопротивление мерзлого грунта возрастает, так как изменяется характер разрушения, уменьшается его пластическая деформация и грунт разрушается как хрупкое или квазихрупкое тело. Основным становится предельное касательное напряжение, не изменяющееся при увеличении скорости.

Таким образом, все основные механические свойства, характеризующие мерзлые грунты, необходимо учитывать при выборе способа их разработки и типа исполнительного механизма. С технологической точки зрения все машины можно классифицировать на машины, предназначенные для устройства траншей (статического и динамического действия), послойного рыхления грунта (статического и динамического действия) и рыхления массива грунта (в основном динамического и комбинированного действия) (рис. 2).

2.МАШИНЫ СТАТИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

2.1.Рыхлители, их классификация, назначение,

область применения

Механические рыхлители предназначены для послойного разделения породы на отдельные куски или глыбы таких размеров, которые необходимы для последующей эффективной разработки, транспортировки или погрузки. Рыхлители используют также для удаления валунов, пней и т.д.

Применение рыхлительных агрегатов на подготовке вечномерзлых пород к выемке позволяет повысить эффективность использования бульдозеров, скреперов, погрузчиков, экскаваторов, снизить себестоимость разработки мерзлых пород, повысить безопасность работ. Стоимость работ при рыхлении мерзлых пород навесными рыхлителями в несколько раз ниже, чем при буровзрывном способе.

7

Существует большое число рыхлителей различных конструкций, которые можно подразделить на следующие типы: по виду тяги – на навесные и прицепные; по глубине рыхления – на рыхлители общего (для поверхностного рыхления на глубину до 500 мм) и специального назначения (для рыхления более 500 мм), по мощности двигателя базового трактора – на рыхлители малой мощности (менее 100 л.с.), средней мощности (100–200 л.с.), мощные (200–400 л.с.) и сверхмощные (свыше 400 л.с.); по виду ходового устройства базового трактора (тягача) – на рыхлители на гусеничном и пневмоколесном ходу.

Кроме того, по целевому назначению рыхлители подразделяются на вспомогательные и основные. Вспомогательные рыхлители монтируются в агрегате с основным оборудованием – погрузчиками, скреперами, автогрейдерами или навешиваются на бульдозерных отвалах. При разработке высокопрочных грунтов, формировании откосов, траншей и котлованов используют отвалы с рыхлительными зубьями или специальные отвалы с встроенными зубьями. Способы крепления рыхлительных зубьев, а также элементы крепления стойки зуба к отвалу показаны на рис. 3. Конструкции элементов крепления зубьев на отвалах обычного исполнения допускают регулировку шага зубьев в зависимости от вида работ и свойств разрушаемого материала.

Впоследнее время все большее признание получают специальные отвалы, оборудованные рыхлительными зубьями, встроенными непосредственно в отвал. При планировочных работах зубья убирают. Наибольшая глубина рыхления зубьев 305 мм и угол рыхления 40°. Предусмотрена установка двух типов сменных наконечников, заимствованных от навесного заднего рыхлителя. Установка зубьев по углам отвала облегчает рыхление материалов на стыках уступов и склонов, где сложно использовать рыхлители заднего расположения. Гидропривод позволяет водителю управлять зубьями дистанционно, не выходя из кабины.

Вряде случаев для повышения эффективности бульдозерного оборудования на отвале устанавливают зубья заднего рыхления, которые позволяют осуществлять разработку высокопрочного грунта на холостом ходу трактора при движении назад.

9