Глава в производство земляных работ в зимних условиях

§ 1. Общие сведения

Основными свойствами сезонно-мерз-лых грунтов являются повышенная ме­ханическая прочность, наличие пласти­ческих деформаций, пучинистость и по­вышенное электросопротивление. Прояв­ление этих свойств и глубина промерза­ния зависят в основном от длительности

промерзания (рис. III.21, а), темпера­туры, влажности и вида грунта.

Помимо указанных факторов, глубина промерзания грунтов йщ, зависит и от силы ветра, толщины снежного покрова, характера естественного по­крова (трава, пахотная земля, торф, кам­ни, дорожные покрытия и т. д.), а также теплопроводности, влажности и уровня грунтовых вод.

Экскаваторный забой промерзает с кровли и откоса забоя, а также непо­средственно с лобовой части его. В связи с этим разработка мерзлого грунта одно-

Рис. III.21. Изменение глубины промерзания и свойств мерзлых грунтов:

а — изменение глубины промерзания ft™, в зависимости от длительности промерзания; б — изменение свойств мерзлого грунта в зависимости от глубины промерзания; в — схема промерзания экскаваторного забоя; г — изменение удельного сопротивления копанию по глубине мерзлого слоя; 1 — распределение температуры в грунте; 2 — пластические деформации; 3 — пучение; 4 — механическая прочность; 5 — электросопротивление; 6 — снежный покров: 7 — мерзлый грунт; 8 — незамерзший грунт; I...IV — направления копания грунта;

KS , К*)Р . /fp — удельные сопротивления копанию мерзлого слоя соответственно в верхней, средней части м м ^гт и талого грунта

ковшовыми экскаваторами производится по четырем схемам (направлениям дви­жения ковша): / — вдоль мерзлого слоя (при различной глубине внедрения ков­ша от открытой поверхности); // — по­перек мерзлого слоя (в пределах его); /// — поперек мерзлого слоя (начиная с немерзлого грунта, т. е. с подбоем); IV — под углом к мерзлому слою в от­косе забоя (рис. III.21, в).

С понижением температуры механиче­ская прочность грунта, а также удельное сопротивление резанию и копанию резко возрастают (в 5—8 раз). Поскольку тем­пература мерзлого грунта изменяется по глубине h_Up, соответственно изменяются прочностные характеристики грунта: наибольшие значения удельного сопро­тивления копанию Kfm имеют место в верхней, наружной части мерзлого слоя и наименьшие — на границе мерзло­го и немерзлого (талого) грунта (рис. III. 21, г).

В тех случаях, когда помимо кровли уступа промерзает и откос забоя экска­ватора (рис. III.21, в), устанавливается долевое участие мерзлых грунтов в забое ■ X, %, по выражению

*=■—------_ш----, (Ш.М)

где S_M и 5 — площадь мерзлоты в забое и общая площадь забоя; Н и В — высо­та и ширина забоя, м.

По известному значению удельного сопротивления копанию в немерзлом (та­лом) состоянии Kft, МПа, можно оп­ределить удельное сопротивление копа­нию в поверхностной (наиболее промерз­шей) части мерзлого слоя Kf™-

/Сл. = /СлМейпр+1), (Ш.63) >,где k_cx — коэффициент, зависящий от нсхемы копания мерзлого слоя в забое |(рис. III.21, в); при переходе от / к IV |схеме изменяется от 1 до 0,5; е — коэф-Ьфициент, зависящий от влажности грун-ров (для грунтов влажностью до = 3... |.. 22 % е = 0,09ау).

Для глинистых и суглинистых грун-ов удельное сопротивление копанию иерзлого слоя Kfu, МПа, одноковшовы-экскаваторами типа прямая и обрат-ая лопата может быть вычислено так-по известному значению относитель-плотности грунта С, определенной

ударником ДорНИИ:

Кр* = 0,008С&сх. (Ш.64)

Для неоднородных забоев (сложенных из грунтов с различными прочностными свойствами) целесообразно определить средневзвешенное значение удельного сопротивления копанию:

К? = КгЛ + Kft (1 - %)• (Ш.65)

В этом случае неоднородный забой ха­рактеризуется средневзвешенной груп­пой грунта, согласно которой принима­ются соответствующие нормы выработки и производительность экскаватора.

При разработке грунтов I...VI групп обратными и прямыми лопатами вели­чины Kf (Kfm) составляют:

Группа грунта Г II III

Кр(К_р) 0,03...0,13 0,13...0,22 0,22..03

Группа грунта IV V VI

K_F(K_F) O.3...0,41 0,41...0,45 >0,45

Мерзлые грунты в силу своей повы­шенной механической прочности и со­противления копанию (разрушению) ус­ложняют производство земляных работ в зимних условиях и ограничивают воз­можность применения землеройных и землеройно-транспортных машин.

Для установления области возможного использования экскаваторов и другого оборудования (статических и динамиче­ских рыхлителей и т. п.) на мерзлых грунтах, особенно в очень прочных, не­обходимо выявить их технические воз­можности для непосредственной разра­ботки мерзлого грунта.

Допустимая для разработки одноков­шовыми экскаваторами глубина мерзлого слоя может быть ориентировочно опре­делена из эмпирического выражения

Ад = a_xElk^, (III.66)

где а_х — коэффициент, зависящий от группы грунта в немерзлом состоянии. Для грунтов I_III групп, разрабаты­ваемых прямой или обратной лопатой, коэффициент а_х изменяется от 0,5 до 0,3; Е — вместимость ковша, м³.

При работе драглайнов разработка мерзлого слоя может производиться только по II...IV схемам, т. е. поперек или под углом к мерзлому слою. Вели­чина Лд определяется по формуле (II 1.66), но значения коэффициента а_х

принимаются в 2 раза меньше по сравне­нию с прямыми и обратными лопатами.

Допустимая глубина разработки мерз­лого грунта Лд при работе траншейных роторных экскаваторов определяется в зависимости от номинального удельного усилия копания /Cf, модели экскаватора и конструкции рабочего органа. Ротор­ные экскаваторы со значениями ICf 2> ;> 1...1.4 МПа могут вполне эффективно разрабатывать мерзлые грунты с глу­биной промерзания 1,5...2 м. Несколько меньше возможности разработки мерз­лых грунтов имеют цепные многоковшо­вые экскаваторы.

Возможности применения землеройно-транспортных машин на мерзлых грун­тах в значительной степени определяют­ся конструктивным исполнением их ра­бочего органа и обеспечением устойчи­вой работы машины.

Глубина рыхления мерзлого грунта п_л навесными статическими рыхлителя­ми определяется, в первую очередь, мощ­ностью двигателя трактора, а также кон­структивным исполнением рыхлителя. При использовании тракторов, мощность двигателей которых 150...250 кВт, h_R — = 0,45... 1 м. Применение сверхмощных тракторов (мощность двигателя 400... ...450 кВт) позволяет увеличить глубину рыхления грунтов до 1,5 м.

Без предварительного рыхления раз­работка мерзлых грунтов скреперами и бульдозерами крайне ограничена; глу­бина рыхления — 0,05...0,15 м.

Глубина рыхления мерзлых грунтов динамическими рыхлителями (клин- и шар-молотом, дизель-молотом и др.) &_д = 0,4...0,6 м, а навесными гидромо­лотами — до 2 м (разработка ведется послойно).

При глубине промерзания грунта ftnp ^ йд производительность землерой­ного оборудования понижается. При

/*пр > hi предварительное разрушение (оттаивание) мерзлого слоя может про­изводиться не на всю величину h_np, a только на /i_p = h_np — h\.

Для эффективной разработки грунтов в зимнее время и подготовки мерзлого слоя глубиной /i_p к экскавации приме­няют следующие основные способы: пре­дохранение грунта от промерзания; меха­ническое разрушение (статическими и

динамическими рыхлителями, блочный способ); взрывное рыхление; оттаи­вание.