Грунты как среда, взаимодействующая с рабочими органами машин
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.
При исследовании прочностных свойств мерзлые грунты подвергают разрыву, сжатию, изгибу, сдвигу, динамическому вдавливанию штампа.
Статьи по теме::
Экскаваторы - назначение и классификацияСкреперы - назначение и классификацияГрейдеры и автогрейдерыБульдозеры