В настоящее время такими машинами разрабатывают более 80% общего объема мерзлых грунтов. Машины первой группы представляют собой рыхлители на мощных тракторах, баровые, дисковые и дискофрезерные машины, сменное рыхлительное оборудование к экскаваторам с гибкой подвеской рабочего оборудования и т. д. Эти машины работают в комплексе с землеройной техникой, обеспечивающей окончательную разработку грунта до заданной отметки. Так, например, при рытье траншей в мерзлых грунтах применяют предварительное рыхление прочного верхнего слоя грунта тракторным рыхлителем с последующей разработкой забоя одноковшовым, или траншейным, экскаватором.

Ко второй группе машин относятся цепные и роторные траншейные экскаваторы, рабочие органы и скоростные режимы которых приспособлены для разработки мерзлых грунтов с промерзанием на всю глубину траншеи (например, экскаватор ЭТР254).

Для разрушения мерзлых грунтов с промерзанием на глубину до 0,5—0,7 м ударными /нагрузками применяют клин-молоты массой 2000—3000 кг и более, подвешиваемые к подъемным канатам грузовых лебедок самоходных стреловых кранов и экскаваторов, оборудованных крановыми стрелами. Во время работы клин-молот подтягивается канатом к головке стрелы и сбрасывается с высоты 6—8 м.

Свободно падающий клин-молот может иметь направляющую раму, смонтированную на гусеничном тракторе. Нижняя опора рамы подрессорена, что несколько уменьшает влияние динамических нагрузок на трактор при работе. Подъем клин-молота на высоту до 6 м производится лебедкой с приводом от коробки отбора мощности трактора. При перебазировках машины направляющая рама переводится в горизонтальное транспортное положение.

Разрушение мерзлого грунта может производиться забиваемым клиновым рабочим органом, который внедряется в грунт ударами падающего груза.

Способ непосредственного разрушения мерзлых грунтов ударной нагрузкой свободно падающих и забиваемых клин-молотов, хотя и является наиболее простым, все же не получил широкого распространения вследствие низкой производительности (10— 15 м3/ч) и высокой энергоемкости, а также и потому, что большие динамические нагрузки вредно воздействуют как на базовую машину, так и на коммуникации и сооружения, расположенные поблизости от места работы машины.

Для выполнения больших объемов работ на линейных объектах строительства применяют, как правило, высокопроизводительные баровые, дисковые и землеройно-фрезерные машины.

Баровые машины предназначены для нарезания в мерзлых грунтах вертикальных продольных щелей на глубину до 2 м с помощью одной, двух или трех режущих наклонных цепей — баров. Оконтуренные с двух сторон прорезанными щелями полосы грунта разрабатываются затем одноковшовыми экскаваторами с оборудованием обратной лопаты или многоковшовыми траншейными экскаваторами, работающими на пониженных скоростях. Массив мерзлого грунта может быть разрезан барами на крупные блоки массой 5—10 т, которые удаляют из забоя кранами или лебедками. В некоторых случаях разрезанный барами мерзлый грунт предварительно разрушают машинами ударного действия, а его дальнейшую выемку производят экскаваторами.

В качестве базы для баровых машин используют гусеничные и пневмоколесные тракторы, универсальные одноковшовые экскаваторы, цепные многоковшовые и скребковые траншейные экскаваторы.

Однобаровая машина на базе гусеничного трактора мощностью 108 л. с. (80 кВт) состоит из рабочего органа в виде вертикально установленного цепного бара, редуктора привода 1 и гидравлического механизма подъема-опускания рабочего органа. Бар состоит из режущей замкнутой цепи, огибающей направляющую раму (стрелу) с приводной и натяжной звездочками. Каждое звено цепи служит резцедержателем. Резцы специальной формы располагаются на цепи веерообразно и при движении прорезают щель шириной 0,2—0,3 м на заданную глубину. Режущая цепь приводится в движение со скоростью 1 —1,3 м/с от коробки отбора мощности трактора через Редуктор, на конце выходного вала которого укреплена ведущая звездочка цепи. Заглубление бара до заданной отметки, фиксация в рабочем положении, а также подъем в горизонтальное транспортное положение производятся путем поворота его рамы (в вертикальной плоскости) вокруг вала приводной звездочки с помощью гидроцилиндра 4 двустороннего действия.

Трансмиссия хода тягача баровой машины дооборудуется гид-ромеханичесмш ходоуменыиителем, обеспечивающим движение при работе со скоростью 20—140 м/ч. Для выполнения различных планировочных работ, уборки разрушенного мерзлого грунта и засыпки траншей спереди трактора навешивается бульдозерный отвал 6. Гидроцилиндры управления рабочим органом и отвалом бульдозера обслуживаются шестеренным насосом.

Основными преимуществами баровых машин, определяющими их широкое распространение, являются сравнительно высокая производительность (до 40 м3/ч), простота конструкции и удобство в эксплуатации. Основные недостатки — большие затраты мощности (до 60% от всей потребляемой) на преодоление трения в цепях, работающих в абразивной среде, и низкая долговечность рабочего органа.

Для нарезки щелей в мерзлых грунтах применяются также дисковые щелерезные машины (одно- и двухдисковые) на базе тракторов и траншейных экскаваторов, рабочим органом которых является диск с зубьями диаметром до 3 м. Привод рабочего органа может быть гидравлическим или механическим.

Навесное рабочее оборудование однодисковой машины на базе гусеничного трактора мощностью 80 кВт включает в себя плоский ротор-диск диаметром 2,3 м и гидравлический механизм подъема-опускания рабочего органа. Машина способна отрывать щели шириной 0,12 м и узкие траншеи шириной до 0,4 м и а глубину до 1,6—2 м. Ротор снабжен зубьями-клыками, режущими и транспортирующими грунт. Зубья ротора армированы твердосплавными пластинами. Позади ротора на раме установлен зачистной башмак. Привод ротора, вращающегося с частотой 13,4 об/мин, осуществляется от высокомоментного гидромотора через зубчатую передачу. Передвижение машины со скоростью 10—400 м/ч при нарезании щелей обеспечивается гидравлическим ходоуменыиителем. Механизм подъема-опускания рабочего органа обеспечивает его плавное опускание, подъем, фиксацию в заданном положении и принудительный напор на грунт с помощью гидроцилиндров 6, обслуживаемых гидронасосами базового тягача.

На рис. 3, б показана двухдисковая щелерезная машина с механическим приводом рабочего органа на базе трактора мощностью 80 кВт. Два диска 8 диаметром 2,8 м с зубьями приводятся во вращение от вала отбора мощности трактора через муфту включения, карданную передачу и задний автомобильный мост, прикрепленный к раме рабочего органа. Диски прорезают в мерзлом грунте одновременно две щели шириной 0,1 на глубину до 1,2 м. Расстояние между осями щелей составляет 1,84 м. Подъем и опускания рабочего органа производятся двумя гидроцилиндрами. Гидромеханический ходоуменынитель базового тягача обеспечивает бесступенчатое регулирование скоростей рабочего хода в диапазоне 10—300 м/ч. Спереди базовых тракторов дисковых машин навешивают бульдозерные отвалы с гидравлическим управлением.

Основные достоинства дисковых щелерезных машин по сравнению с баровыми — пониженная энергоемкость процесса резания за счет малого количества трущихся поверхностей ротора, более высокие производительность (до 400 м3/ч) и долговечность (в 2—3 раза) жесткого рабочего органа; основные недостатки — громоздкость, высокая металлоемкость и ограниченная глубина копания, составляющая примерно 0,5 диаметра ротора.

Для послойной разработки (фрезерования) мерзлого грунта при отрывке неглубоких выемок и планировании поверхностей применяются землеройно-фрезерные машины (ЗФМ), агрегатированные с бульдозером, которые рыхлят фрезой Диаметром до 1 м полосу шириной 2,2—3 м на глубину 0,3—0,5 м со скоростью до 100—150 м/ч. Землеройно-фрезерные машины базируются на серийных гусеничных бульдозерах мощностью 80—118 кВт, оборудованных гидравлическими ходоуменынителями для получения пониженных рабочих скоростей передвижения. Рабочий орган машины — фреза — представляет собой толстостенную трубу с кронштейнами, на которых крепятся режущие зубья, с износоустойчивой твердо сплавной наплавкой. Привод фрезы осуществляется
от коробки отбора мощности трактора через систему цепных передач. В трансмиссию привода фрезы включена предохранительная муфта.

—

На большей части территории нашей страны с наступлением морозов почвогрунты промерзают на различную глубину в зависимости от температуры окружающего воздуха и продолжительности зимнего периода.

Механическая прочность и абразивность мерзлого грунта в десятки и сотни раз выше, чем талого, поэтому разработка его является одним из наиболее энергоемких и дорогостоящих процессов в строительстве.

В современном строительстве существуют самые различные методы и средства ведения зимних земляных работ.

Основные объемы земляных работ в зимнее время выполняются методом разрушения замерзшего грунта.

Самое широкое распространение в практике строительства имеет механический способ разрушения мерзлого грунта с помощью специальных машин.

В настоящее время для разработки мерзлого грунта механическим способом применяются машины двух видов. В одних машинах процесс разработки основан на резании грунта, в других — на использовании энергии удара. При резании средняя энергоемкость рабочего процесса невысока, можно получить выемку заданного профиля и разрыхлить грунт с определенным фракционным составом.

Существенным недостатком процесса резания является быстрый износ зубьев рабочего органа вследствие высокой абразивности мерзлого грунта. Это особенно относится к машинам с повышенной скоростью резания.

Машины для резания мерзлого грунта отличаются от машин для талого грунта повышенными прочностью рабочего органа и износостойкостью режущих элементов.

Лучшим режущим инструментом для мерзлого грунта являются зубья, армированные твердосплавленными пластинками. Однако из-за хрупкости твердосплавные пластинки при встрече с камнями подвергаются интенсивному выкрашиванию.

Энергия удара используется при разработке, мерзлого грунта, как правило, в машинах циклического ударного действия. Этот способ несовершенен и малопроизводителен, но в практике строительства все еще широко применяется из-за отсутствия достаточного количества эффективных машин.

Разрушение грунта ведется двумя путями: с помощью свободно падающих (бросаемых с высоты) тяжелых металлических грузов, называемых шаром- или клином-молотами, либо путем забивания в грунт металлического клина. В первом случае удар получается ненаправленным, и для нарушения целостности массива затрачивается большая энергия; в другом — от массива откалываются определенные глыбы грунта.

Машины для разработки мерзлого грунта резанием можно разделить на две группы:
1) машины, которыми мерзлый грунт только разрушается или разрезается на блоки и подготавливается для последующей разработки землеройными машинами общего назначения;
2) машины, которыми выполняют весь технологический процесс разработки и удаления грунта.

К первой группе машин относятся щелерезные баровые и дисковые машины, фрезерные, роторные активные и стоечные пассивные рыхлители; ко второй — многоковшовые цепные и роторные экскаваторы.

—

Объем разработки мерзлых грунтов быстро увеличивается в связи с расширением строительства в северных и северо-восточных районах нашей страны — там, где зимний период продолжается 6—7 месяцев.

В связи со значительной прочностью мерзлых грунтов разрабатывать их машинами, применяемыми в обычных условиях, невозможно без предварительной подготовки забоя или замены рабочих органов. Предварительная подготовка забоя заключается в предохранении грунта от промерзания укрытием, оттаивании, нарезании щелей, взрывном и механическом рыхлении, а также физическом или химическом способах разупрочнения грунта. Если грунт надежно предохранен от промерзания, его можно разрабатывать в зимнее время обычными землеройными машинами. Стоимость укрытия грунта теплоизоляционными материалами (шлаком, торфом, соломой, опилками, снегом, пенопластом и т. п.) незначительна, трудоемкость также невелика. Недостаточно широко применяют этот метод из-за сложности соответствующего планирования и организации работ на строительной площадке, а также трудности предохранить слои утеплителя от случайного разрушения.

Оттаивание мерзлых грунтов (огнем, паром, горячей водой, поверхностными и глубинными электродами) целесообразно применять для небольших объемов работ, или при выполнении их в стесненных условиях. Для оттаивания грунта расходуется много энергии (3—9 кВт/м3), и при сравнительно небольшой трудоемкости оно имеет высокую стоимость.

Для подготовки мерзлых грунтов к экскавации чаще других применяют механический способ их разрушения. Основными группами машин, работающих по этому способу, являются навесные рыхлители, машины для нарезания щелей и разработки траншей, оборудование ударного и вибрационного действия.

Для рыхления мерзлых грунтов можно использовать рыхлители на тракторах с тяговым усилием 150 кН (15 т) и более. Обычно навесные рыхлители, рабочие органы которых неподвижны относительно машин (статического действия), целесообразно применять на больших участках работ, так как из-за большой глубины рыхления мерзлых грунтов за один проход при малых площадях участков следующие за рыхлителем машины будут загружены недостаточно.

Мерзлый грунт рыхлится послойно, и на эффективность работы рыхлителя особенно влияет прочность промерзшего слоя, зависящая от температуры и влажности грунта. При температуре грунта ниже —15 °С применять статические рыхлители обычно не рекомендуется. Наиболее целесообразно рыхлить грунт за один проход на глубину промерзания; в этом случае мерзлый грунт взламывается при наименьших затратах энергии. Навесной рыхлитель может работать так при толщине слоя промерзания не более 0,3—0,5 м.

Убирать разрыхленный грунт следует сразу вслед за рыхлением, так как он быстро смерзается и разрабатывать его скреперами или бульдозерами невозможно. Перед началом работы рыхлителя с площадки удаляют снежный покров, благодаря чему увеличивается сцепление тягача с грунтом.

Для работы при отрицательных температурах применяют как. обычные машины, так и в северном исполнении. Обычные машины после проведения определенных мероприятий, могут, как правило, успешно работать до температуры —25 °С. При более низких температурах следует использовать машины в северном исполнении, серийный выпуск которых отечественным машиностроением возрастает.

При проектировании таких машин необходимо предусматривать режущие элементы и детали ходового механизма, повышенной износостойкости, более прочные детали и узлы машин в зонах концентрации напряжений. При расчете размеров сопрягаемых деталей нужно учитывать температурные изменения размеров деталей, так как перепад температур достигает 80—100°. Металлы, применяемые для изготовления машин, при температуре —60 °С должны обладать достаточной, не ниже (20д-30) 104 Н-м/м2, ударной вязкостью. Сварные конструкции отечественных узлов изготовляют из низколегированных сталей, например, 09Г2С(М), 15ХСНД и т. п.

При выполнении указанных требований обеспечивается достаточная надежность работы землеройных машин в северном исполнении при температуре до —50 °С. Для успешной эксплуатации зимой обычных машин проводят подготовительные мероприятия. К ним относятся теплоизоляция и обогрев топливных баков и аппаратуры, смена смазочных масел и топлива на зимние марки, утепление кабины машиниста, установка аккумуляторных батарей.