Сыпучие, несвязные грунты характеризуются отсутствием сцепления между частицами, значительной водопроницаемостью, малой сжимаемостью, высокой величиной сил внутреннего трения и быстротой деформаций под нагрузкой.

Связные грунты отличаются малой водопроницаемостью; присутствие в них воды обусловливает молекулярные силы сцепления. Поэтому связные грунты характеризуются значительным оцеплением между частицами, большими деформациями под нагрузкой и длительностью деформаций.

В скальных грунтах их частицы жестко связаны между собой цементирующим веществом, и эта связь при ее нарушении не восстанавливается.
Более полная классификация и характеристика грунтов приведены в справочниках и специальной литературе.

Свойства грунтов оказывают существенное влияние на характер их разработки и производительность машин. В связи с этим при выборе типа машины для земляных работ надо учитывать характерные свойства и состояние разрабатываемых грунтов. Наиболее важные с этой точки зрения свойства грунтов — сопротивление разработке и устойчивость их как основания, на котором установлена машина, определяются в основном гранулометрическим составом и физико-механическими свойствами грунта.

Гранулометрический состав грунта характеризуется процентным содержанием по весу частиц различной величины. Крупность отдельных частиц нескальных грунтов составляет: гальки 40 мм; гравия 2—40 мм; песка 0,25—5 мм; песчаной пыли 0,05— 0,25 мм; пылеватых частиц 0,005—0,05 мм и глинистых частиц 0,005 мм.

Для оценки наиболее важных физико-механических свойств грунта имеют значение объемная масса, разрыхляемоеть, влажность, угол естественного откоса, связность (сцепление), трещиноватость, слоистость.

Объемная масса — отношение массы грунта в состоянии естественной влажности к его объему. Различают объемную массу в плотном теле и в разрыхленном грунте. Объемная масса грунтов, разрабатываемых землеройными машинами, колеблется в пределах 1,5—2,0 г/ж3 в зависимости от их минералогического состава, пористости и влажности.

С течением времени или под воздействием грунтоуплотняющих машин разрыхленные грунты уплотняются. Средние значения коэффициента первоначального разрыхления колеблются в пределах 1,08—1,32, а коэффициента остаточного разрыхления— в пределах 1,01—1,09. При разработке мерзлых грунтов коэффициент разрыхления возрастает примерно в 1,5—2,5 раза.

Свойства грунтов в сильной степени меняются в зависимости от содержания в них воды. Грунты принято считать сухими с влажностью менее 5%, влажными—с влажностью 5—30% и насыщенными или мокрыми при влажности более 30%.

Связность или взаимное сцепление частиц грунта характеризует способность грунта противостоять воздействию внешних сил, которые стремятся разъединить его частицы. От величины сил сцепления зависит сопротивление грунта резанию или размыву.

Грунты разрабатывают различными методами с большей или меньшей производительностью труда и машин. Поэтому каждый грунт может входить в группу легко разрабатываемых грунтов одним методом и в группу трудно разрабатываемых грунтов другим методом.

Грунты, разрабатываемые строительными машинами, обычно относят к следующим шести группам:
I группа — растительный грунт, торф, пески и супеси;
II группа — лессовидный суглинок, рыхлый влажный лесс, гравий до 15 мм;
III группа — жирная глина, тяжелый суглинок, крупный гравий, лесс естественной влажности;
IV группа — ломовая глина, суглинок со щебнем, отвердевший лесс, мягкий мергель, опоки, трепел;
V и VI группа — скалы и руда, а также мерзлые глинистые и суглинистые грунты.

В комплексе земляных работ ведущим процессом является разработка грунта. Поэтому способ разработки грунта определяет тип ведущей машины и все остальное оборудование для механизации данного технологического процесса.

Различают три основных способа разработки грунта и горных пород: механический, гидравлический и взрывной.

При механическом способе отделение части грунта или горной породы от основного массива осуществляется ножевым или ковшовым рабочим органом землеройной машины.

При гидравлическом способе разработка грунта в карьерах или полезных выемках производится: в сухих забоях —мощной компактной водяной струей, а в забоях под водой — путем засасывания грунта из-под воды заборной трубой при помощи мощного центробежного насоса — землесоса; плотные грунты разрыхляются при этом механической фрезой — рыхлителем.

При взрывном способе разрушение грунта или горной породы и перемещение их в нужном направлении осуществляется давлением газов, выделяемых при взрыве и сгорании взрывчатых веществ.

Могут иметь место и комбинированные способы разработки грунта, например, гидромеханический, при котором гидравлический способ комбинируется с механическим, и т. п.

В стадии исследования и экспериментов находятся физический и химический способы разрушения грунта и горных пород. При физическом способе полное разрушение или уменьшение прочности грунта и горных пород осуществляется с помощью ультразвука, электрогидродинамического эффекта, тока высокой частоты, прожиганием реактивными горелками и охлаждением.

Рис. 1. Образование и поперечное сечение стружки в грунтах:
а — образование стружки; б — поперечное сечение стружки; 1 — стружки в пластичных грунтах; 2 — стружки в малосвязных, связных и сухих грунтах; 3 — стружка в твердых грунтах; 4 — блокированное резание; 5 — полусвободное резание; 6 — свободное резание

При химическом способе для отделения грунта и горных пород от массива их переводят в жидкое или газообразное состояние.

Механический способ разработки грунтов землеройными машинами получил наибольшее распространение, так как он применим почти для всех грунтов, кроме скальных .пород, которые предварительно должны быть .подорваны. При помощи разнообразных землеройных машин выполняется не-менее 80—85% всего объема земляных работ.

Землеройные машины производят разрушение грунта в основном последовательным отделением части грунта (стружки) от массива. Перемещение срезанной стружки по рабочему органу машины и накапливание в нем грунта вызывают значительные сопротивления. Характер разрушения грунта и величина .возникающих при этом сопротивлений зависят от многих факторов — механических свойств грунта и его физического состояния, формы и расположения режущего органа и т. п.

Проф. Н. Г. Домбровским проведен большой комплекс исследований на одноковшовых экскаваторах и создана теория разрушения первоначальной структуры грунта. В соответствии с этой теорией в начале процесса копания режущий клин, воздействуя на грунт, производит уплотнение грунта. Затем, когда силы давления передней грани клина уравновесят максимальное сопротивление сдвигу (у пород пластичных и слабых) или сколу (у пород твердых), в плоскости скольжения произойдет сдвиг или отрыв части стружки и начнется новое уплотнение.

Рис. 2. Призма волочения при различных траекториях ковша:
а — горизонтальная; б — наклонная; в — почти вертикальная

Чем толще стружка и меньше угол копания б, тем больше область деформации грунта. Однако сопротивление деформации грунта
меньше, и сдвиг наступает быстрее при срезании тонкой стружки и большом угле копания.

В общем случае поперечное сечение стружки имеет вид, показанный на рис. 2, б.

Наиболее характерным и имеющим практическое значение является полусвободное резание, поскольку блокированное резание и свободное характерны только для начала и конца процесса разработки слоя или забоя. При этом, фактическое поперечное сечение разрушенной ковшом стружки больше, чем площадь как за счет зубьев, так и за счет сколов грунта снаружи боковых стенок.

Помимо чистого резания, при копании грунта происходит также перемещение срезанной части грунта по ковшу; часть его поступает в ковш, а часть образует перед режущей кромкой ковша призму волочения, величина которой зависит от рода состояния грунта, траектории и формы рабочего органа и угла копания.

В общем случае при копании грунта возникают три рода сопротивлений: сопротивление трению ковша о грунт Рт, сопротивление резанию грунта Рр и сопротивление перемещению призмы волочения и грунта в ковше Рп.

При работе в неоднородных грунтах, при тупой режущей кромке и неудачной ее конструкции значения Рю могут значительно возрасти.

Перспективными являются машины, осуществляющие процесс копания при движении рабочего органа сверху вниз и работающие по методу скола с обрушением. Энергоемкость процесса копания машин, работающих по этому принципу, по данным проф. Н. Г. Домбровского, в среднем на 40—50% меньше, чем у обычных, и в зависимости от рода грунта составит от 0,02 до 0,2 квт-ч на 1 м3. По такому принципу работают, например землеройно-фрезерные машины.
Энергоемкость процесса разработки грунта (на 1 м3) в зависимости от группы грунта, размеров и конструкции рабочего органа примерно составляет: а) при механическом способе разработки —от 1 до 3 квт-ч, достигая в отдельных случаях 6 квт-ч; б) при гидравлическом способе — от 10 до 12 квт-ч.

—

Грунтами называют горные породы и минерально-органические среды, образующие поверхностный слой земной коры.

Рыхлые горные породы и минерально-органические среды разрабатывают землеройными машинами непосредственно в состоянии их залегания. Скальные горные породы (скальные грунты), такие, как граниты, известняки, песчаники и др., характеризующиеся высокой прочностью, водонепроницаемостью и состоящие из сплошной твердой среды, землеройные машины непосредственно не разрабатывают, их предварительно дробят, как правило, взрывным способом.

Грунты представляют собой сложную трехфазную среду, состоящую из минеральных частиц, воды и воздуха. Твердые минеральные частицы, входящие в состав грунта, называют скелетом грунта.

Свойства грунтов определяются химическим составом и формой минеральных частиц, связью между ними и степенью влажности. Для выбора способов разработки и оценки энергетических затрат на разработку необходимо знать свойства грунтов, зависящие от их основных характеристик.

Процентным содержанием по массе частиц различной крупности определяется гранулометрический состав грунта. По гранулометрическому составу грунты разделяют на следующие группы: галечниковые (размер частиц 40—20 мм); гравийные (20—2 мм), песчаные (2—0,05 мм); пылеватые (0,05—0,005 мм); глинистые (менее 0,005 мм).

Чем мельче частицы грунта, тем больше отношение площади их поверхности к объему, т. е. их удельная поверхность. По мере увеличения удельной поверхности возрастают силы взаимодействия частиц между собой и грунты становятся прочнее.

Отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему называют плотностью грунта. Плотность большинства грунтов колеблется в узких пределах — 1,5 —2 т/м3.

С помощью этого показателя можно определить массу грунта в ковше экскаватора или в кузове самосвала, если объемы их известны.

Разрыхляемость — свойство грунта увеличивать свой объем в процессе разработки. Грунт до разработки находится в состоянии естественного залегания, или, как говорят, в плотном теле. После разработки объем его увеличивается. Характеризуют разрыхляемость коэффициентом разрыхления Кр~ Уразр/Улл, где Уразр — объем разрыхленного грунта; Упл — объем того же количества грунта в плотном теле. Для сыпучих неплотных грунтов Др =1,05… …1,2, для вязких плотных грунтов КР=1,2… 1,5.

Коэффициент разрыхления учитывают при расчете вместимости ковшей и кузовов, ширины ленты конвейеров и размеров отвалов грунта.