Все рыхлые горные породы, образовавшиеся из изверженных осадочных или
метаморфических горных пород и применяемые в строительном или дорожном
деле, называются грунтами. При разработке грунта землеройно-транспортные
машины по-разному взаимодействуют с ним: отделяют его от массива,
уплотняют катками или колесами. Гусеницы и протекторы на колесах
тракторов взаимодействуют с грунтом, повышая тяговое усилие машины по
сцепному весу.
Знание основных физико-механических свойств грунтов позволяет правильно
назначить основные параметры землеройно-транспортных машин при их
расчете и проектировании.
Грунт состоит из трех основных фаз: твердой (минеральных частиц,
образующих грунтовый скелет), жидкой (воды, частично или полностью
заполняющей поры грунта) и газообразной (воздуха). При промерзании
грунта к этим трем основным фазам, образующим грунт, добавляется лед.
Грунт представляет собой гигроскопический материал, поглощающий воду из
паров воздуха. Основными составляющими элементами грунта являются песок
и глина.
Пески малосвязаны, водопроницаемы, малосжимаемы, непластичны при
высыхании, не уменьшаются в объеме и легко размываются. Глины отличаются
от песков противоположными перечисленными свойствами. К грунтам
смешанного происхождения следует отнести супеси и суглинки.
Частицы грунта, размер которых занимает среднее положение между
песчаными и глинистыми, носят название пылеватых. Пылеватые грунты при
увлажнении переходят в состояние плывунов и резко снижают прочностные
свойства. Частицы, составляющие грунты, принято классифицировать по их
крупности. Ориентировочное представление о типе грунта можно получить по
числу содержащихся в нем глинистых фракций.
Скелетные несвязные грунты содержат в своем составе меньше 3% глинистых
фракций. Грунты, содержащие больше 3% глинистых фракций, называются
глинистыми грунтами. Скелетные группы делятся в свою очередь на
крупнообломочные и песчаные, а глинистые — на супеси, суглинки, глины.
Грунты, помимо различия в размерах и форме образующих частиц, отличаются
также объемом пор, влажностью и температурой.
Основные физико-механические свойства грунта:
1. Плотность грунта — это отношение массы грунта при естественной
влажности к его объему V: V
В зависимости от минералогического состава, пористости и влажности,
плотность грунтов в залежи, разрабатываемой зем-леройно-транспортными
машинами, обычно составляет 1500— 2000 кг/м3. Плотность разрыхленных
грунтов песка или глины находится в пределах 1500—1600 кг/м3, и ее
необходимо знать при определении массы грунта в ковше или в призме
волочения.
2. Пористостью называется отношение объема пор к общему объему грунта,
выраженное в процентах. Величина 8 может быть целым или дробным числом.
Для песка не может превышать 1, для глины ее значение достигает 16.
3. Разрыхляемость — это свойство разрабатываемого грунта увеличиваться в
объеме при постоянстве его массы. Коэффициент разрыхления kp
характеризует отношение объема разрыхляемого грунта к объему этого же
грунта в плотном состоянии и численно изменяется от 1,08 до 1,35.
Меньшее значение соответствует песчаным грунтам, большее — глинистым.
4. Плотность скелета грунта характеризует его степень уплотнения и
определяется по формуле
где у — плотность грунта, кг/м3; w — влажность, %
5. Липкость — способность грунта прилипать к соприкасающимся с ним
предметами. Липкость проявляется у мелко-Дисперсных, глинистых грунтов
при большой влажности.
6. Коэффициенты трения грунта о сталь и грунта по грунту. Коэффициент
трения имеет большое значение при взаимодействии рабочих органов
землеройных машин с грунтом.
Угол внутреннего трения ф является важным параметром процесса-разрушения
грунтов. Значения тангенсов углов ф, р, б при взаимодействии рабочих
органов с различными грунтами приведены в табл. 9.
7. Влажность определяется количеством воды, содержащейся в порах. При
увеличении влажности связных грунтов снижается коэффициент трения,
сцепление, а соответственно и сопротивление внешним нагрузкам.
Величина w определяется в лаборатории путем высушивания навески (пробы)
грунта массой а при 105° С, пока она не достигнет постоянной массы,
равной Ь.
8. Пластичностью называется способность грунта под действием внешних сил
деформироваться и после удаления нагрузки сохранять полученную форму.
Пластичностью обладают все связные грунты в определенных границах
влажности. Связные грунты находятся в пластичном состоянии, когда
границы влажности соответствуют границам раскатывания и текучести.
Границей раскатывания (пределом пластичности) wp называют массовую
влажность, выраженную в процентах, при которой тесто, изготовленное из
грунта и воды и раскатываемое в жгут диаметром 3 мм, начинает крошиться,
т. е. перестает быть пластичным.
Границей (пределом) текучести w? называют массовую влажность теста,
изготовленного из грунта и воды, при которой стандаг^тный прибор,
именуемый «балансирным конусом», массойТбг свободно погружается в это
тесто на 10 мм за 5 с.
Тип грунта — от песков до глин включительно — определяется по числу
пластичности, а не гранулометрическому составу, как это делалось ранее.
Число пластичности для супесей составляет от 1 до 7, для суглинков более
7 до 17, для глин оно более 17.
Песок определяется как грунт, не имеющий предела пластичности.
9. Консистенция определяется степенью подвижности частиц грунта при
различной влажности под воздействием механических нагрузок. Консистенция
взаимосвязана с естественной плотностью.
Внедрение в грунт рабочего органа определяется двумя движениями,
перемещением ножа вглубь и вперед (см. рис. 57). Для рабочего процесса
экскавации грунта является характерным наличие двух одновременно
выполняемых движений рабочего органа: внедрение резцов в глубь массива и
перемещение их вверх.
Резание немерзлых грунтов. Исследованиями А. Н. Зеленина было
установлено, что один и тот же грунт в зависимости от его влажности по
трудности разработки может быть слабым, средним и крепким. Критерием
оценки является шкала сопротивляемости грунтов, оцениваемая по числу
ударов (числу С) динамического плотномера.
Классификация грунтов по величине С составлена при помощи стандартного
плотномера, представленного на рис. 58. Груз массой 2,5 кг падает с
высоты, равной 400 мм, на буртик, производя за каждый удар работу равную
10 Дж. Число ударов, которое необходимо для погружения в грунт плоского
цилиндрического наконечника на глубину h= 100 мм, называются числом С.
Результаты опытов А. Н. Зеленина по установлению зависимостей между
числом С, усилием резания Р и влажностью грунтов w представлены на рис.
59.
Анализ приведенных графиков показывает следующее:
1. Кривые для песчаного грунта характеризуются возрастанием значений С и
Р при увеличении влажности в диапазоне от ш= 124-14%.
2. Все связные грунты от супеси до глин резко снижают сопротивляемость
резанию и вдавливанию при влажности равной максимальной молекулярной
влагоемкости.
3. Падение усилия резания и затрачиваемой работы для внедрения штампа
происходит при дальнейшем увлажнении грунта до состояния капиллярной
влажности, что примерно соответствует пределу пластичности.
При дальнейшем увлажнении скорость падения усилий замедляется и
сопротивляемость всех грунтов от песчаных до тяжелых глин включительно
становятся сопоставимыми одна с другой, т. е. мало зависит от категорий
грунта, так как грунт достаточно разжижен.
Резание мерзлых грунтов. В обширных районах севера и северо-востока СССР
около 11 млн. км2 занимают вечномерзлот-ные грунты. Мощность их
залегания изменяется от нескольких метров до 1,5 км.
По льдистости мерзлые грунты делятся на слабольдистые (содержание льда
не менее 25%); льдистые (содержание льда от 25 до 50%); сильнольдистые
(содержание льда более 50%).
Рис. 58. Динамический плотномер (размеры деталей указаны в мм)
А. Н. Зеленин установил, что для мерзлых грунтов в пределах от —1° до
—40° С и для различных значений их влажности и числа пластичности, число
ударов С изменяется от 35 до 560.