Скальные грунты с предварительно разрыхляют взрывом и затем перемещают землеройными машинами. В ряде случаев при относительно тонких прослойках (до 20 см) такие грунты можно разрабатывать механическим способом.

В строительстве при нормировании землеройных работ и определении расценок наибольшее распространение получила классификация Госстроя СССР, распределяющая немерзлые и мерзлые грунты в состоянии природной влажности и плотности по группам в зависимости от трудности разработки, перемещения и укладки разными машинами. Принятая классификация позволяет оценить трудность разработки не только однородных грунтов, но и с большим количеством включений валунов, строительного мусора, с примесями щебня, гравия и т. п.

В соответствии с классификацией Госстроя СССР принято разделять немерзлые грунты на шесть групп (I—VI) и мерзлые на четыре. Грунты природной влажности и прочности, отнесенные к I—III группам, разрабатывают бульдозерами без предварительного рыхления. Остальные грунты рассматриваются как прочные и требующие предварительного механического или взрывного рыхления.

Проведенные исследования показали, что наиболее полное представление о свойствах грунта в массиве на глубину до 30 м при работе рыхлителей наряду со скоростью продольных звуковых волн, характеризующей степень трещиноватости, дает скорость распространения ультразвуковых продольных волн (частота

Примечание. Без примесей принят грунт, в объеме которого примеси щебня, гальки и строительного мусора не превышают 10%.

Рис. 1. Диаграммы рыхлимости грунтов при использовании рыхлителя на тракторе мощностью 522 кВт:
01 — моренная (ледниковая) глина с включениями скальных грунтов; 02 — гранит; 03 — базальт, 04 — диабаз, 05 — сланец; Об — песчаник; 07 — алеврит; 08 — аргилит; 09 — обломочный скальный грунт; 10 — брекчия; 11 — селитроносный скальный грунт; 12 — известняк; 13 — слоистый сланец; 14 — шиферный сланец; /5 — уголь; 16 — железная руда; А — разрыхляемые в массиве; Б — разрыхляемые в прослойках; В — не поддающиеся эффективной разработке рыхлителями

Принципиальную возможность рыхления определяют по диаграмме. В соответствии с диаграммой предусмотрено пять характерных областей:
1 — разработка грунта экскаваторами без предварительного рыхления; 2—4 — разработка грунта рыхлителями соответственно на тракторах мощностью 132—183; 183— 294; 294—385 кВт; 5 — рыхление грунтов взрывом.

Мерзлые грунты ввиду значительной сопротивляемости разрушению разрабатывают рыхлителями или взрывом с дальнейшим перемещением бульдозерами. Рост отрицательной температуры является одной из основных причин сопротивляемости мерзлых грунтов разрушению рабочими органами землеройных машин. Удельное сопротивление резанию при понижении температуры с —0,5 до —40 °С непрерывно возрастает. Особенно резкое увеличение сопротивления резанию наблюдается при переходе из немерзлого в пластично-мерзлое состояния и из пластично-мерзлого в твердо-мерзлое.

Значительное повышение прочности с понижением температуры в основном наблюдается у влагонасыщепных грунтов В процессе разрушения при влажности, близкой к полной влагоемкости, наиболее трудоемки мерзлые супеси и суглинки.

Рис. 2. Диаграмма определения необходимой мощности рыхлителя в зависимости от свойств разрабатываемого скального грунта:

Вследствие анизотропии свойств разрушение мерзлых грунтов режущим инструментом наиболее эффективно вдоль ледяных прослоек. При воздействии инструмента на мерзлый грунт в направлении, перпендикулярном прослойкам, от грунта откалываются элементы толщиной, равной расстоянию между соседними прослойками, что предопределяет рост сопротивления резанию и снижение производительности машин.

Одним из основных показателей прочности мерзлых грунтов, тесно связанных с сопротивлением резанию, является число ударов динамического плотномера ДорНИИ. Число ударов С при погружении в грунт на глубину 10 см плоского цилиндрического наконечника площадью 1 см2 приближенно »характеризует сопротивление грунта резанию. За каждый удар производят работу в 10 Дж. Работа, затраченная на внедрение наконечника, является критерием плотности и сопротивления грунта разрушению.

Ввиду разделения прочности нескальных грунтов в мерзлом и немерзлом состояниях по коэффициенту крепости с большим усреднением в ряде случаев используют классификацию, предложенную проф. А. Н. Зелениным, по числу С. Все группы разбиты на восемь категорий, включая немерзлые (I—IV категории) и мерзлые (V—VIII категории) грунты. По этой классификации каждой категории грунтов соответствует следующее число ударов С: (1—4)/3; (5—8)/6; (9—16)/12; (17—35)/25 для категорий I—IV; (35—70)/50; (70—140)/100; (140—280)/200; (280—560)/400 — для категорий V—VIII (в числителе приведены границы интервала, в знаменателе — средние значения).

Грунты I—IV категории разрабатывают обычным землеройным оборудованием. Грунты V—VIII категории являются более крепкими и при большой глубине промерзания разрабатываются после; предварительного механического или взрывного рыхления.

Закономерности изменения усилия резания мерзлых грунтов и числа ударов динамического плотномера, как установлено А. Н. Зелениным, взаимно линейно коррелируются для грунтов различного гранулометрического состава, влажности и температуры в интервале от —1 до —15°С, кроме песка.

На основании сравнения числа ударов с сопротивлением резанию грунта эталонным рабочим органом с режущей кромкой шириной 3 см, углом заострения 180° и углом резания 90° при глубине блокированного резания 1 см составлена шкала сопротивления мерзлых грунтов резанию. В табл. 1.4 приведены сопротивления мерзлых грунтов резанию в интервале наиболее характерных температур от —1 до —15 °С.

При расчетах бульдозеров и рыхлителей трудность разработки грунтов характеризуют силой резания (рыхления), равной по величине, но противоположно направленной силе сопротивления грунта резанию (рыхлению) и параллельной касательной к траектории режущей кромки рабочего органа. Сила резания рабочего органа зависит от его формы и размеров; угла резания, угла заострения в плане, ширины и степени затупления режущей части; толщины стружки, числа блокированных граней; прочностных характеристик грунта.

Сложность процесса затрудняет аналитическое определение сопротивления резанию на базе известных теорий прочности материалов. Для расчета сопротивления резанию в ряде случаев используют принципы механики грунтов, изучающей напряженно-деформированное состояние грунтов и условия их прочности с использованием паспорта прочности, представляющего собой график огибающей кругов напряжений Мора — функциональной зависимости между касательными т,- и нормальными щ напряжениями, соответствующими прочности данного грунта под воздействием внешних сил. Кривые зависимостей разграничивают область упругих деформаций (внутри под огибающей) от области пластического течения или хрупкого разрушения грунта.

Условие возникновения пластических деформаций в данной точке массива находится при допущении прямолинейной огибающей кругов напряжений Мора, дающей наиболее приемлемые результаты при исследовании большинства грунтов.

Одновременно исследуют напряженное состояние массива при помощи уравнений математической теории упругости, которые справедливы не только для упругих, но и для любых сплошных линейно-деформированных тел. Разрушение грунта под действием нагрузки определяют исходя из предельного равновесия его в исследуемой точке, соответствующего такому напряженному состоянию, когда незначительное добавочное воздействие нарушает равновесие системы. Решение заключается в нахождении наиболее невыгодного положения поверхности сдвига и определении усилий сдвига грунта.

При всей строгости решения аналитический метод имеет ряд недостатков, ограничивающих широкое его использование, так как он не учитывает пространственность процесса и формирование ядра уплотнения на режущей грани инструмента. При этом методе требуется большая вычислительная работа.

Наибольшее признание получил метод эмпирического исследования сопротивления грунтов резанию, сущность которого заключается в непосредственном изменении силы резания (рыхления) на работающей машине или стенде. Такая методика позволяет обобщить формулы определения усилий резания в зависимости от свойств грунта, конфигурации рабочего органа и технологии с учетом реальных условий работы.

Анализ экспериментальных данных показывает, что при разработке мерзлых грунтов рыхлителями с острыми наконечниками удельная энергоемкость процесса составляет 0,05—0,66 кВт-ч/м3 в зависимости от угла рыхления, глубины борозды, количества и шага зубьев, прочностных характеристик грунта.

Установка двух-трех зубьев с рациональным шагом, обеспечивающим сплошное разрушение грунта за счет взаимодействия зубьев, позволяет снизить удельную энергоемкость в 2 раза.