1.Физические свойства грунтов
Грунты состоят из твердых минеральных частиц («скелет» грунта), воды и воздуха и, таким образом, представляют собой (при положительной температуре) трехфазную систему. Все грунты различаются между собой многими признаками. Для механики грунтов наиболее важными являются их физические и механические свойства. Количественные показатели свойств грунтов называют характеристиками. Основные из этих характеристик определяют опытным путем в лаборатории или в полевых условиях, остальные вычисляют затем по найденным основным характеристикам. Основными характеристиками физических свойств грунтов служат: гранулометрический состав, удельный вес грунта природного сложения, удельный вес частиц грунта, влажность, границы раскатывания и текучести. Гранулометрический состав характеризует содержание по массе групп частиц (фракций) грунта различной крупности по отношению к общей массе абсолютно сухого грунта. В зависимости от содержания в грунте частиц разных размеров определяют степень неоднородности гранулометрического состава.Степень неоднородности гранулометрического состава не может быть меньше единицы и практически не бывает больше 200. Удельным весом грунта природного сложения у называют отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему, включая поры, умноженное на ускорение свободного падения g, равное 9,81 м/с2. Удельные веса нескальных грунтов природного сложения, встречающихся в строительной практике, имеют значения от 15 до 22 кН/м3.Разные грунты имеют удельные веса частиц, мало отличающиеся между собой. Удельные веса частиц песков составляют от 26,5 до 26,8 кН/м3, супесей и суглинков — от 26,0 до 27,0 кН/м3 и глин — от 26,0 до 27,5 кН/м3. Пластичность и консистенция глинистых грунтов. Изменение влажности оказывает большое влияние на свойства глинистых грунтов, которые при этом могут переходить из твердого состояния в полутвердое, затем в пластичное и, наконец, в текучее или наоборот. Если образцу маловлажного глинистого грунта попытаться путем раскатывания придать форму проволоки, то он будет крошиться Основными физико-механическими свойствами грунтовявляются: 1. Гранулометрический состав, т. е. процентное содержание по весу частиц различной крупности: гальки (40 мм), гравия (2—40 мм), песка (0,25—2 мм), песчаной пыли (0,05— 0,25 мм), пылеватых частиц (0,005—0,05 мм) и глинистых частиц (менее 0,005 мм). 2. Объемный вес, т. е. отношение веса грунта к его объему при естественной влажности. Для грунтов он составляет от 15 до 20 кн/м3 (1,5—2 г/,и3). 3. Пористост ь — объем пор, заполненных водой и воздухом в процентах от общего объема грунта. Она характеризуется коэффициентом пористости, представляющим собой отношение объема занятых водой и воздухом пор к объему твердых частиц. 4. Весовая влажность — отношение веса воды к весу сухого грунта в %. 5. Связность (взаимное сцепление частиц) — способность грунта сопротивляться разделению на отдельные частицы под действием внешних нагрузок. Типичным представителем связных грунтов являются глину, несвязных грунтов — сухие пески. 6. Пластичность — свойство грунта изменять свою форму под действием внешних сил и сохранять эту форму после удаления внешних сил. Наибольшей пластичностью отличаются влажные глины; песок и промытый гравий — материалы непластичные. 7. Прочность. В связи с тем, что грунты, особенно не связные, имеют незначительную прочность, не удается пользойваться такими характеристиками, как прочность на одноосное. 8. Сопротивление сдвигу. Под действием механической нагрузки грунт разрушается в результате деформаций, превосходящих предельные значения. Считается, что эти деформации происходят по плоскостям скольжения (плоскостям, по которым происходит сдвиг одних частиц относительно других). При разрушении грунта частицы сопротивляются относитель—ному сдвигу. Это сопротивление характеризуется величиной, сцепления. Сопротивление сдвигу по плоскости скольжения уве-личивается в результате внутреннего трения частиц, возникаю щего под действием нормальных напряжений. Если выделить условно сдвигаемую частицу грунта, то напряжения, действующие в плоскости скольжения частицы, могут быть упрощенно представлены так, как показано на рис. 49.
Рис. 48. Предел прочности на одноосное сжатие мерзлых грунтов в зависимости от температуры и влажности ш в :
Рис. 49. Условия равновесия частицы грунта на откосе
9. Угол естественного откоса ф — угол у основания конуса, который образуется при отсыпании разрыхленного грунта с некоторой высоты. Этот угол зависит от величины коэффициента внутреннего трения и от связности. Для несвязных грунтов угол естественного откоса равен углу внутреннего трения. Величины углов естественного откоса приводятся в табл. 8.
10. Сопротивл ени е грунта вдавливанию. При вдавливании в грунт штампа или какой-либо опорной поверхности (ходовой части машины, элемента рабочего органа) под штампом происходят деформации в условиях, близких к всестороннему сжатию (т. е. когда на элемент грунта действуют одновременно окружающий массив и поверхность штампа так, что элемент оказывается сжатым со всех сторон). Чем ближе к поверхности грунта расположен элемент, тем меньше влияние всестороннего сжатия. Вдавливание на небольшую глубину (до 1 см) называют смятием. При этом усилие, необходимое для вдавливания штампа, во много раз меньше, чем при вдавливании штампа на значительную глубину. В частности, допускаемые нагрузки для ходовых частей” машин предусматривают погружение до 6—12 см. Величина усилия, необходимого для вдавливания штампа, зависит от размеров штампа. Чем меньше он, тем больше должно быть удельное усилие при вдавливании.
11. Абразивность (от латинского слова abrasio — соскабливать) — способность материала оказывать истирающее действие на другой материал. Абразивность грунтов из горных пород в значительной степени определяет износ рабочих органов землеройных машин. Имеются различные методы оценки аб-разивности, однако все они пока еще являются относительными, так как износ зависит от удельных давлений, скорости взаимного перемещения и прочностных показателей. При одних и тех же прочностных показателях величина износа может быть различной.
Коэффициент трения грунта о сталь зависит от состояния поверхности стали и физико-механических свойств грунта.
12. Разрыхляемость определяется как отношение объема разрыхленного грунта Vp к объему V первоначальному (в плотном теле).
Первоначальное разрыхление — это разрыхление, наблюдаемое сразу после отделения грунта от массива; остаточное разрыхление наблюдается через некоторое время после укладки грунта в отвал или насыпь, где происходит его самоуплотнение без трамбования.
Копание и резание грунтов
Копание — совокупность процессов отделения грунта от массива, включающих резание грунта, перемещение его по рабочему органу и впереди последнего, а в отдельных случаях и перемещение внутри рабочего органа (в частности, в ковшах экскаваторов).
Резание — процесс отделения грунта от массива при помощи режущей части рабочего органа, обычно имеющей вид клина.
Одно из них — движение, при котором отделяется стружка1, другое (оно может быть названо движением подачи) — при котором изменяется толщина стружки.
Скорость движения подачи обычно в несколько раз меньше скорости главного движения. Соотношение скоростей этих движений в известной мере определяет траекторию рабочего органа.
Рис. 50. Геометрия рабочего органа
В землеройно-транспортных машинах режущий орган (нож) предварительно внедряется в грунт до определенной глубины, а затем, двигаясь в нужном направлении, срезает стружку заданной толщины.
Как правило, внедрение в грунт происходит в результате одновременного перемещения ножа вглубь и вперед.
Механику отделения грунта от массива в процессе резания можно представить так.
Термином «стружка» пользуются при обработке металлов, он не всегда отражает физическую сущность процессов, происходящих при резании грунтов, однако удобен при расчетах сил сопротивления грунта резанию и копанию, наполнения ковша и производительности землеройных машин. Поэтому применяется условно.
Указанный способ моделирования процесса резания был впервые предложен М. И. Гальпериным и В. Д. Абезгаузом.
У передней грани формируется уплотненное ядро (рис. 52), которое, двигаясь перед режущей частью рабочего органа, внедряется в массив и отделяет стружку. Размеры ядра в процессе резания непрерывно изменяются, а само ядро периодически обновляется.
При углах резания, меньших 30°, у большинства грунтов ядро не образуется. В этом случае стружка отделяется под воздействием передней грани рабочего органа.
Рис. 51. Внедрение штампа у одной открытой стенки
Грунт отделяется от массива в результате сдвига или отрыва. Характер этого отделения зависит от физико-механических свойств грунта, геометрии рабочего органа и режимов работы.
Определение отдельных параметров процесса резания и копания грунта, усилий, наивыгоднейших режимов, геометрии рабочего органа из-за сложности процесса и одновременного влияния многих факторов пока еще не получило аналитического решения. В основном усилия и режимы подбираются на основе экспериментальных данных.
Рис. 53. Удельное сопротивление резанию при разработке
До определенных значений с по мере его увеличения второй фактор оказывает большее влияние и, следовательно, величина kp уменьшается. После увеличения с сверх определенных значений большее влияние оказывает всестороннее сжатие и сопротивление kp увеличивается. Это продолжается, пока значение с не достигнет величины си после чего значения kp стабилизируются.
С увеличением Ь величина kv уменьшается и после определенных значений Ь она также стабилизируется.
При полусвободном и свободном резании удельное сопротивление с увеличением с при постоянном b уменьшается и после определенных значений с тоже стабилизируется.
Величина kp в значительной степени зависит от физико-механических свойств грунта и в большей степени от его прочности на одноосное сжатие. Последняя зависит от влажности, объемного веса, пластичности, связности грунта и других параметров. Так как прочность на одноосное сжатие многих талых грунтов мала и трудно поддается измерению, а для некоторых грунтов, например для песков, ее вообще нельзя измерить, то трудность разработки характеризуют категорией грунта.
Рис. 54. Ударник конструкции ДорНИИ
Под действием удара стержень внедряется в грунт. В зависимости от физико-механических свойств грунта для внедрения стержня на глубину 0,1 м требуется различное число ударов: например, в просеянный песок влажностью 9,2 требуется всего один удар, а в легкий суглинок вл а леностью 10,6% — 12 ударов. Величина kp зависит также от геометрии режущей части рабочего органа. Опыты показывают, что для большинства грунтов оптимальное значение угла резания б должно быть 20—30°. При меньших углах б лезвие получается очень тонким. С увеличением этого угла удельное сопротивление резанию возрастает. Задний угол а должен быть не меньше 7°, особенно для экскаваторов и бурильных машин, при работе которых в результате сложного перемещения рабочего органа угол а фактически уменьшается. При а = 7-М0° не всегда можно достигнуть, чтобы угол резания составлял 20—30°, так как в этом случае угол заострения р не превышает 25°, а при такой величине угла заострения прочность режущей части рабочего органа недостаточна. Поэтому угол р делают больше 25°, тогда при а — 7—10° угол резания получается очень часто больше 20—30°.
С увеличением угла б на каждые 10° удельное сопротивление резанию возрастает примерно на 10—12%. Поэтому, если прочность режущей части достаточна, то следует работать на углах, близких к оптимальным значениям.
2. Сила сопротивления внедрению режущего лезвия рабочего органа в грунт Р п (в направлении, нормальном к траектории) , т. е. сила подачи.
Как правило, режущая часть рабочего органа быстро затупляется и на ней образуется так называемая площадка затупления. Профиле площадки затупления может совпадать или не совпадать с траекторией движения режущего лезвия. На форму профиля влияют физико-механические свойства грунта и режимы работы.
Рис. 55. Виды затупления режущего лезвия
На рис. 55 показан различный характер затупления режущего лезвия и возникающие при этом силы.
Если траектория движения совпадает с профилем площадки затупления и радиус закругления незначителен, то можно считать, что сопротивление Рп возникает только при отжиме рабочего органа от поверхности грунта (рис. 55.а) в результате упругого последействия.
Если траектория движения совпадает с профилем площадки затупления и при этом на режущей кромке образовался радиус закругления, определяющий площадку затупления, то появляются дополнительные силы, отжимающие рабочий орган в процессе резания.
Если профиль траектории не совпадает с профилем площадки затупления, то выступающая за траекторию часть (рис. 55, в) внедряется в грунт. Сила Р„ при этом определяется сопротивлением внедрению выступающей части в грунт.
Рис. 56. Изменение усилий при вдавливании плоского штампа в мерзлый песок в условиях всестороннего сжатия
.
Классификационные показатели грунтов.
Основные физические показатели, характеризующие состав и состояние грунтов. Гранулометрический состав, плотность грунтов, удельный вес, влажность, пористость. Пластичность глинистых грунтов, границы текучести и раскатывания, показатели текучести. Методы определения физических характерист