ЗЕМЛЕРОЙНЫЕ И ЗЕМЛЕРОЙНО-ТРАНСПОРТНЫЕ МАШИНЫ

Земляные работы — это одни из самих распространенных и трудоемких процессов в строительстве. Стоимость производства земляных работ значительна и в среднем составляет 10... 15% полной стоимости работ.

Основные виды земляных работ: рытье траншей и котлованов; обратная их засыпка после возведения фундамента и укладки коммуникаций; рыхление плотных, скальных и мерзлых грунтов; планирование строительных площадок; подготовка оснований под внутриквартальные проезды, площадки и т.п.

Разработку грунта можно осуществлять различными способами: механическим, гидромеханическим (отделение, транспортирование и укладка грунта с помощью воды); взрывным (разрушение грунта под давлением расширяющихся продуктов сгорания или взрывчатых веществ); физическим (ультразвуком или токами высокой частоты), а также термическим и химическим. Применяют также и комбинированные способы разработки грунта. В городском строительстве до 95% общего объема земляных работ осуществляют механическим способом.

Земляные работы, кроме разработки грунта, включают его транспортирование и укладку с предварительной планировкой и последующим уплотнением. Указанным операциям обычно предшествуют подготовительные работы, связанные с подготовкой строительной площадки, созданием водоотлива и понижением уровня грунтовых вод. При производстве земляных работ механическим способом применяют землеройно-транспортные машины (бульдозеры, автогрейдеры, скреперы), экскаваторы, машины для буровых работ. Для правильного выбора типа машины необходимо знать физическую сущность и механику процессов, происходящих при разрушении грунта рабочим органом.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЗЕМЛЕРОЙНЫХ МАШИН С ГРУНТОМ

Грунтами называют поверхностные слои земли, образованные в результате выветривания горных пород. На процесс взаимодействия рабочего органа с грунтом оказывают влияние физико-механические свойства грунта, основными из которых являются:

  • гранулометрический состав — процентное содержание по массе частиц различной крупности;
  • плотность — отношение массы к единице объема (для большинства грунтов — 1,5...2 т/м3);
  • пористость—отношение объема пор кобщему объему грунта, %;
  • влажность — способность грунта сопротивляться разделению на отдельные частицы под действием внешних нагрузок;
  • разрыхляемость — свойство разрабатываемого грунта увеличиваться в объеме при постоянстве собственной массы, которая выражается коэффициентом разрыхления Кр, равным отношению объемов грунта в разрыхленном и естественном состояниях р = 1,1... 1,40);
  • угол естественного откоса — угол у основания конуса, который образуется при отсыпании разрыхленного грунта с некоторой высоты;
  • пластичность — способность грунта деформироваться под действием внешних сил и сохранять полученную форму после снятия нагрузки;
  • сжимаемость — свойство грунтов уменьшаться в объеме под действием внешней нагрузки;
  • прочность — способность грунта сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок;
  • сопротивление сдвигу — сцепление частиц грунта между собой;
  • коэффициент трения грунта о сталь (0,55...0,65) и грунта по грунту (0,3...0,50);
  • абразивность — способность грунта (породы) интенсивно изнашивать (истирать) взаимодействующие с ним рабочие органы машин;
  • липкость — способность грунта прилипать к поверхности рабочих органов.

Различают грунты нескальные (песок, супесь, суглинок, глина и т.п.), разборно-скальные (сцементированные глины — аргаллиты, гипс, мел, известняки и др.) и скальные (плотные известняки, долмит, мрамор, песчаник и др.). Грунты, имеющие положительную температуру, называют немерзлыми (талыми), отрицательную —мерзлыми, если они содержат лед, и морозными (охлажденными), если лед в их составе отсутствует. Наличие льда в мерзлых грунтах существенно повышает их прочность и затрудняет работу землеройных машин. Нескальные немерзлые грунты разрабатывают обычными землеройными сред-ствами, скально-разборные и мерзлые грунты с небольшой глубиной промерзания перед разработкой предварительно разрыхляют механическим способом. Скальные и мерзлые грунты с большой глубиной промерзания предварительно разрыхляют взрывным способом. В некоторых случаях мерзлые грунты разрабатывают специально предназначенными для этих целей землеройными машинами. Для оценки трудности разработки нескальных мерзлых и немерзлых грунтов обычно пользуются предложенной А.Н. Зелениным классификацией грунтов, разбитых на восемь категорий по числу ударов (числу С) динамического плотномера (ударник) ДорНИИ (табл. 5.1). Категорию грунта определяют числом ударов, которые необходимы для погружения в грунт на глубину 10 см цилиндрического стержня плотномера площадью 1 см2 под действием груза весом 25 Н, падающего с высоты 0,4 м и производящего за каждый удар работу в 10 Дж.

Таблица 5.1

Классификация грунтов по числу С

Категория немерзлого грунта

I

II

III

IV

Число ударов С

1-4(3)

5...8(6)

9...16(12)

17...35(2)

Категория мерзлого грунта

V

VI

VII

VIII

Число ударов С

35...70(50)

70...140(100)

140...280(200)

280...560(400)

Примечание. В скобках приведены средние значения числа ударов для каждой категории грунта.

Рабочие органы землеройных машин, отделяющие грунт от массива механическим способом, могут быть выполнены в виде: зуба на стойке (рис. 5.1, поз. 1) для рыхления разрабатываемой среды; ковша определенной вместимости со сплошной режущей кромкой (рис. 5.1, поз. 8) или оснащенной зубьями (рис. 5.1, поз. 2—4); отвала (рис. 5.1, поз. 9), снабженного в нижней части режущими ножами. Рабочие органы в виде ковшей называют ковшовыми, в виде отвала с ножами — отвальными или ножевыми. Рабочий процесс землеройных машин с ковшовыми и ножевыми рабочими органами состоит из последовательно выполняемых операций отделения грунта от массива, его перемещения (транспортирования) и отсыпки. Рабочие органы отделяют грунт от массива резанием и копанием. Резание — процесс отделения грунта от массива режущей частью рабочего органа. Копание — совокупность процессов, включающих резание грунта, перемещение срезанного грунта по рабочему органу и впереди его в виде призмы волочения, а у некоторых машин и перемещение грунта внутри рабочего органа. Сопротивление грунта копанию в 1,5... 2,8 раза больше, чем сопротивление грунта резанию.

При отделении грунта от массива механическим способом рабочему органу землеройной машины сообщаются обычно два движения — вдоль (главное движение) и поперек (движение подачи) срезаемой стружки грунта (рис. 5.2), которые могут выполняться раздельно или одновременно.

Рабочие органы землеройных машин

Рис. 5.1. Рабочие органы землеройных машин:

  • 1 — зуб рыхлителя; 2—7 — экскаваторные ковши прямой и обратной лопат, драглайна, погрузчика, планировщика; 8 — ковш скрепера;
  • 9 отвал бульдозера

Режущую часть (кромку) рабочего органа, имеющую обычно форму клина, характеризуют следующими геометрическими параметрами (рис. 5.2, а): длиной режущей кромки Ь, углом заострения (3, задним углом а, передним углом у, углом резания 5 = (3 + а и толщиной стружки И. Эффективность процесса резания обеспечивается при оптимальных углах резания и рациональной геометрии режущего инструмента. Оптимальные значения угла резания 8 составляют 30...32° для легких грунтов и 40...43° — для тяжелых грунтов. Задний угол принимают равным не менее 6...8°. Ножевые рабочие органы землеройных машин характеризуются также длиной В, высотой Ни радиусом кривизны г отвала; ковшовые — вместимостью д, шириной В, высотой Н и длиной L ковша.

На взаимодействующий с грунтом рабочий орган (рис. 5.2, б) действует сила сопротивления его движению в грунте F0, раскладываемая на две составляющие — касательную F0i и нормальную F02 к траектории движения рабочего органа. Силу F0i можно представить в виде

где Fp — сопротивление грунта резанию, кН; Fr — сопротивление трения рабочего органа о грунт, кН; Fn в — сопротивление перемещению призмы волочения и грунта в рабочем органе, кН.

Сопротивление грунта резанию представляет собой сопротивление внедрению передней грани рабочего органа в грунт в направлении главного движения.

Величина F зависит от поперечного сечения срезаемой стружки, физико-механических свойств грунта и геометрии режущей части рабочего органа:

где кр удельное сопротивление грунта резанию, кПа; bnh — ширина и толщина стружки, м.

Отношение F0l к поперечному сечению стружки представляет собой удельное сопротивление грунта копанию кк = F0i / bh. Значения kp, кк выбирают по табл. 5.2 и 5.3, в которые сведены данные, полученные экспериментальным путем для различных категорий грунтов и видов рабочих органов. Значения удельных сопротивлений резанию и копанию растут с увеличением прочности грунта. Нормальную составляющую сопротивления копанию F02, представляющую собой сопротивление внедрению режущей части рабочего органа в грунт в направлении, перпендикулярном касательной составляющей jF01, определяют из соотношения FQ2 = |/.F01, где |/ = 0,2...0,6 — коэффициент, зависящий от физико-механических свойств грунта и затупления режущей кромки. Более высокие значения ц/ соответствуют большему затуплению режущей части. Равнодействующая усилий F0l и FQ2, направленная под определенным углом к траектории движения

режущего органа: F0 = F§{ + Fq2

Геометрия режущих элементов рабочих органов землеройных машин

Рис. 5.2. Геометрия режущих элементов рабочих органов землеройных машин

Удельные сопротивления резанию грунта кр для машин с ножевым рабочим органом

Таблица 5.2

Грунт

Категория

Плотность р, т/м3

Коэффициент разрыхления кр

Удельное сопротивление резанию /ср, кПа

Нож

бульдозера

Нож

скрепера

Песок рыхлый, сухой

I

1,2...1,6

1,05...1,10

10...30

20...40

Песок влажный, супесь, суглинок разрыхленный

I

1.4...1,7

1,10...1,20

20...40

50....100

Суглинок, средний и мелкий гравий, легкая глина

II

1,5...1,8

1,15...1,25

60...80

90...180

Глина, плотный суглинок

III

1,6...1,9

1,20...1,30

100...160

160...300

Тяжелая глина, сланцы, суглинок со щебнем, гравием

IV

1,9...2,0

1,25...1,30

150...250

300...400

Удельные сопротивления копанию грунта кк для ковшовых рабочих органов экскаваторов

Таблица 5.3

Катего-

рия

Удельное сопротивление копанию кк, кПа

Одноковшовые экскаваторы

Многоковшовые экскаваторы

Прямая и обратная лопата

Драглайн

поперечного

копания

продольного копания (траншейные)

I

25...70

40...120

40... 100

80... 180

II

90...180

100...120

120...180

160...260

III

120...250

160...300

180...240

260...300

IV

250...400

300...500

240...300

300...400

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >