Ковшовая рама (телескопическая) поднимается и опускается гидравлическими цилиндрами при помощи канатов. Ее длина может изменяться в зависимости от глубины канала. Наружное планирующее звено 13 ковшовой рамы позволяет планировать дно канала.
Особенности рабочего процесса
Рис. 5.20. Схемы рабочего процесса:
а – радиальными срезами грунта; б– параллельными срезами грунта в поперечном сечении забоя; I, II – крайние положения ковшовой рамы; 1, 2… – последовательные срезы
Принцип рабочего процесса (см. рис. 5.20) таких машин заключается в послойном отделении от массива грунта или полезного ископаемого (добыча глины в карьерах кирпичных заводов).
В зависимости от возможных положений ковшовой рамы относительно поверхности массива различают технологические схемы рабочего процесса с радиальными и параллельными срезами грунта в профиле забоя. В первом случае траектории резания имеют очертание пучка веерообразно-расходящихся линий (рис. а). Во втором случае угол наклона ковшовой рамы не изменяется, для чего во внутренней ее части имеется шарнирное членение – внутреннее планирующее звено (б). При его повороте рабочая часть рамы подается на массив без изменения ее угла наклона.
Раздел VI. Машины и оборудование для специальных земляных работ
Тема 6.1. Машины и оборудование для уплотнения грунтов Общие сведения о процессе уплотнения грунтов
Насыпи и другие грунтовые сооружения возводятся из грунтов, разрыхленных в процессе разработки и, следовательно, обладающих пониженной прочностью. Поэтому для обеспечения устойчивости земляных сооружений и долговечности возводимых на них инженерных сооружений отсыпаемые грунты подвергаются уплотнению, которое включает в себя два этапа: разрушение существующей структуры грунта и создание новой, более
278
устойчивой по отношению к различным механическим воздействиям путем относительного смещения частиц грунта, необходимого для наиболее компактной их укладки и вытеснения газообразной и жидкой фаз. Этот процесс сопровождается уменьшением объема.
Качество уплотнения грунта характеризуется постоянством его упругих свойств (упругие деформации значительно преобладают перед остаточными). Увеличение степени нагружения на грунт возможно лишь до достижения предела уплотнения. Дальнейший рост нагрузки будет вызывать не уплотнение, а разрушение грунта, сопровождающееся сдвигом, появлением трещин и даже разрыхлением сложившейся структуры грунта.
Структуру грунта обычно оценивают одним показателем – плотностью, которую должны получить в результате его уплотнения. Большое значение при уплотнении имеет влажность грунтов. Влажность, при которой требуемая плотность достигается при наименьшей затрате механической работы, называется оптимальной.
Машины для уплотнения грунтов работают по принципу периодических местных нагружений или циклических нагрузок, сопровождающихся последующей разгрузкой. В зависимости от вида нагружения различают статическое и динамическое воздействие на грунт. Статическое воздействие характеризуется сравнительно небольшими скоростями изменения напряженного состояния, динамическое – резким изменением состояния (ударные или вибрационные волны).
Уплотнение грунтов производят укаткой, трамбованием, вибрацией, вибротрамбованием и виброукаткой.
При укатке деформация и связанное с ней уплотнение грунта происходят в результате давления, создаваемого вальцом или колесом на поверхности уплотняемого слоя.
При трамбовании грунт уплотняется падающей массой, обладающей в момент встречи с поверхностью грунта определенной скоростью.
При вибрировании уплотняемому слою грунта сообщаются колебательные движения, а сам вибрационный орган машины не отрывается от грунта.
Если возмущения вибрирующей массы превзойдут определенный предел, рабочий орган машины будет отрываться от поверхности грунта и ударять о грунт с большой частотой; этот процесс называется вибротрамбованием.
В соответствии с приведенными выше методами уплотнения грунтов по принципу воздействия на уплотняемый грунт машины бывают статического (катки), ударного (трамбующие), вибрационного (вибрационные машины) и комбинированного действия.
Основные параметры машин для уплотнения грунтов
Параметры машин для уплотнения грунтов при рассмотренных выше методах уплотнения занесем в табл 6.1.
279
Табл. 6.1. Параметры циклической нагрузки
|
Максимальное |
Скорость |
Общее время |
|
|
изменения |
напряженного |
||
Метод уплотнения |
напряжение, |
|||
напряженного |
состояния грунта |
|||
|
МПа |
|||
|
состояния, МПа/с |
за один цикл, с |
||
|
|
|||
Укатка катками на пневматических |
0,6–1 |
0,5–6 |
0,1–0,4 |
|
шинах |
||||
|
|
|
||
Трамбование |
0,5–1,8 |
45,0–200 |
0,016–0,03 |
|
Вибрирование |
0,03–0,09 |
1,0–9 |
0,01–0,03 |
|
Вибротрамбование |
0,05–0,09 |
4,5–45 |
0,008–0,011 |
|
|
|
|
|
Максимальная толщина уплотняемого слоя – это глубина активной зоны h0, которая зависит от поперечного размера рабочего органа в плане, возникающих в грунте напряжений, скорости изменения напряженного состояния, вида и влажности грунта:
где 
– коэффициент, зависящий от скорости изменения напряжения (при укатке 
, при трамбовании и вибрировании 
); 
– минимальный поперечный размер поверхности контакта рабочего органа машины с уплотняемым грунтом, см; 
и 
– влажность и оптимальная влажность уплотняемого грунта, %; 
– основание натуральных логарифмов; 
– коэффициент, зависящий от свойств грунта (для связных грунтов 
= 3,7); 
– напряжения по поверхности контакта; 
– предел прочности грунта.
Давление на поверхности контакта рабочих органов с грунтом не должно превышать предела прочности грунта. Наиболее эффективное уплотнение достигается при
где 
– допустимое максимальное значение контактного давления.
Машины статического действия
К машинам статического действия относят прицепные, полуприцепные и самоходные катки. Рабочими органами катков являются металлические вальцы (гладкие, кулачковые, решетчатые) или колеса с пневматическими шинами. Они получили большое распространение вследствие своей простоты и экономичности.
Катки с гладкими вальцами и на пневмошинах применяют для уплотнения как связных, так и несвязных грунтов. Кулачковыми катками уплотняют только связные грунты, решетчатыми – обломочные, мерзлые и др.
Рабочий процесс катков с гладкими вальцами состоит из многократного перекатывания вальцов по поверхности уплотняемою грунта, т. е. цикличного воздействия на него. Деформации и связанное с ними уплотнение происходят в результате давления, создаваемого силой тяжести вальцев (см. рис. 6.1).
280
Рис. 6.1. Распределение давлений под гладким движущимся вальцем: 
и 
– обратимая и необратимая части полной деформации 
; 
– допустимое максимальное контактное давление
При движении вальца симметричность эпюры нарушается (при неподвижном вальце эпюра симметричная), и эпюра как бы сдвигается вперед, а перед вальцом возникает волна, величина которой пропорциональна напряжениям. Для увеличения контактного давления внутреннюю полость вальца загружают балластом через специальный люк, расположенный в торцовой части.
Машины динамического действия
Основным недостатком катков статического действия является их большая масса, потребная для нормальной работы. Эту массу можно значительно снизить при том же уплотняющем эффекте, если рабочие органы машин выполнить вибрирующими.
Вибрационные катки выполняют прицепными и самоходными. Рассмотрим односекционный (с одним вальцом на оси) прицепной виброкаток (рис. 6.2)
Чаще всего в виброкатках применяют центробежные вибровозбудители с круговой вынуждающей силой. Их приводят в действие от двс самоходного катка или специально установленного на раме прицепного катка двигателя привода возбудителя. Сущность работы виброкатка состоит в том, что периодические возмущения, передаваемые от вибратора в грунт рабочим органом, интенсифицируют перестройку сложившейся структуры грунта, в результате чего получается более плотная упаковка грунтовых частиц, при этом нужное уплотнение слоя грунта достигается меньшим числом проходов.
281
Рис. 6.2. Прицепной вибрационный каток:
1 – двигатель; 2 – муфта сцепления; 2 – клиноременная передача; 4 – валец; 5 – дебаланс
Максимальное контактное давление 
вибрирующего вальца на грунт равно примерно половине максимального статического контактного давления (у машин статического действия)
Оптимальную скорость движения виброкатка, км/ч, при которой обеспечивается необходимая для уплотнения повторность приложения нагрузки, рекомендуется определять для связных грунтов по формуле
где 
– частота колебаний, Гц.
Виброплиты. Для уплотнения несвязных грунтов и гравийно-песчаных материалов в стесненных или недоступных для других машин местах применяют вибрационные плиты (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Виброплита:
1 – клиноременная передача; 2 – двигатель; 3 – уплотняющая плита; 4 – дебалансы
282