Рис. 1. Предел прочности на одноосное сжатие мерзлых грунтов в зависимости от температуры и влажности ш в %:

Рис. 49. Условия равновесия частицы грунта на откосе

9. Угол естественного откоса ф — угол у основания конуса, который образуется при отсыпании разрыхленного грунта с некоторой высоты. Этот угол зависит от величины коэффициента внутреннего трения и от связности. Для несвязных грунтов угол естественного откоса равен углу внутреннего трения.

10. Сопротивл ени е грунта вдавливанию. При вдавливании в грунт штампа или какой-либо опорной поверхности (ходовой части машины, элемента рабочего органа) под штампом происходят деформации в условиях, близких к всестороннему сжатию (т. е. когда на элемент грунта действуют одновременно окружающий массив и поверхность штампа так, что элемент оказывается сжатым со всех сторон).

Чем ближе к поверхности грунта расположен элемент, тем меньше влияние всестороннего сжатия. Вдавливание на небольшую глубину (до 1 см) называют смятием. При этом усилие, необходимое для вдавливания штампа, во много раз меньше, чем при вдавливании штампа на значительную глубину.

В частности, допускаемые нагрузки для ходовых частей” машин предусматривают погружение до 6—12 см. Величина усилия, необходимого для вдавливания штампа, зависит от размеров штампа. Чем меньше он, тем больше должно быть удельное усилие при вдавливании.

11. Абразивность (от латинского слова abrasio — соскабливать) — способность материала оказывать истирающее действие на другой материал. Абразивность грунтов из горных пород в значительной степени определяет износ рабочих органов землеройных машин. Имеются различные методы оценки аб-разивности, однако все они пока еще являются относительными, так как износ зависит от удельных давлений, скорости взаимного перемещения и прочностных показателей. При одних и тех же прочностных показателях величина износа может быть различной.

Коэффициент трения грунта о сталь зависит от состояния поверхности стали и физико-механических свойств грунта.

13. Разрыхляемость определяется как отношение объема разрыхленного грунта Vp к объему V первоначальному (в плотном теле).

Первоначальное разрыхление — это разрыхление, наблюдаемое сразу после отделения грунта от массива; остаточное разрыхление наблюдается через некоторое время после укладки грунта в отвал или насыпь, где происходит его самоуплотнение без трамбования.

Копание и резание грунтов

Копание — совокупность процессов отделения грунта от массива, включающих резание грунта, перемещение его по рабочему органу и впереди последнего, а в отдельных случаях и перемещение внутри рабочего органа (в частности, в ковшах экскаваторов).

Резание — процесс отделения грунта от массива при помощи режущей части рабочего органа, обычно имеющей вид клина.

Одно из них — движение, при котором отделяется стружка1, другое (оно может быть названо движением подачи) — при котором изменяется толщина стружки.

Скорость движения подачи обычно в несколько раз меньше скорости главного движения. Соотношение скоростей этих движений в известной мере определяет траекторию рабочего органа.

Рис. 2. Геометрия рабочего органа

В землеройно-транспортных машинах режущий орган (нож) предварительно внедряется в грунт до определенной глубины, а затем, двигаясь в нужном направлении, срезает стружку заданной толщины.

Как правило, внедрение в грунт происходит в результате одновременного перемещения ножа вглубь и вперед.

Механику отделения грунта от массива в процессе резания можно представить так.

Термином «стружка» пользуются при обработке металлов, он не всегда отражает физическую сущность процессов, происходящих при резании грунтов, однако удобен при расчетах сил сопротивления грунта резанию и копанию, наполнения ковша и производительности землеройных машин. Поэтому применяется условно.

Указанный способ моделирования процесса резания был впервые предложен М. И. Гальпериным и В. Д. Абезгаузом.

У передней грани формируется уплотненное ядро, которое, двигаясь перед режущей частью рабочего органа, внедряется в массив и отделяет стружку. Размеры ядра в процессе резания непрерывно изменяются, а само ядро периодически обновляется.

При углах резания, меньших 30°, у большинства грунтов ядро не образуется. В этом случае стружка отделяется под воздействием передней грани рабочего органа.

Рис. 3. Внедрение штампа у одной открытой стенки

Грунт отделяется от массива в результате сдвига или отрыва. Характер этого отделения зависит от физико-механических свойств грунта, геометрии рабочего органа и режимов работы.

Определение отдельных параметров процесса резания и копания грунта, усилий, наивыгоднейших режимов, геометрии рабочего органа из-за сложности процесса и одновременного влияния многих факторов пока еще не получило аналитического решения. В основном усилия и режимы подбираются на основе экспериментальных данных.

Рис. 4. Удельное сопротивление резанию при разработке

До определенных значений с по мере его увеличения второй фактор оказывает большее влияние и, следовательно, величина kp уменьшается. После увеличения с сверх определенных значений большее влияние оказывает всестороннее сжатие и сопротивление kp увеличивается. Это продолжается, пока значение с не достигнет величины си после чего значения kp стабилизируются.

При полусвободном и свободном резании удельное сопротивление с увеличением с при постоянном b уменьшается и после определенных значений с тоже стабилизируется.

Величина kp в значительной степени зависит от физико-механических свойств грунта и в большей степени от его прочности на одноосное сжатие. Последняя зависит от влажности, объемного веса, пластичности, связности грунта и других параметров. Так как прочность на одноосное сжатие многих талых грунтов мала и трудно поддается измерению, а для некоторых грунтов, например для песков, ее вообще нельзя измерить, то трудность разработки характеризуют категорией грунта.

Рис. 5. Ударник конструкции ДорНИИ

Под действием удара стержень внедряется в грунт. В зависимости от физико-механических свойств грунта для внедрения стержня на глубину 0,1 м требуется различное число ударов: например, в просеянный песок влажностью 9,2% требуется всего один удар, а в легкий суглинок вл а леностью 10,6% — 12 ударов. Величина kp зависит также от геометрии режущей части рабочего органа. Опыты показывают, что для большинства грунтов оптимальное значение угла резания б должно быть 20—30°. При меньших углах б лезвие получается очень тонким. С увеличением этого угла удельное сопротивление резанию возрастает. Задний угол а должен быть не меньше 7°, особенно для экскаваторов и бурильных машин, при работе которых в результате сложного перемещения рабочего органа угол а фактически уменьшается. При а = 7-М0° не всегда можно достигнуть, чтобы угол резания составлял 20—30°, так как в этом случае угол заострения р не превышает 25°, а при такой величине угла заострения прочность режущей части рабочего органа недостаточна. Поэтому угол р делают больше 25°, тогда при а — 7—10° угол резания получается очень часто больше 20—30°.

С увеличением угла б на каждые 10° удельное сопротивление резанию возрастает примерно на 10—12%. Поэтому, если прочность режущей части достаточна, то следует работать на углах, близких к оптимальным значениям.

2. Сила сопротивления внедрению режущего лезвия рабочего органа в грунт Р п (в направлении, нормальном к траектории) , т. е. сила подачи.

Как правило, режущая часть рабочего органа быстро затупляется и на ней образуется так называемая площадка затупления. Профиле площадки затупления может совпадать или не совпадать с траекторией движения режущего лезвия. На форму профиля влияют физико-механические свойства грунта и режимы работы.

Рис. 6. Виды затупления режущего лезвия

На рис. 6 показан различный характер затупления режущего лезвия и возникающие при этом силы.

Если траектория движения совпадает с профилем площадки затупления и радиус закругления незначителен, то можно считать, что сопротивление Рп возникает только при отжиме рабочего органа от поверхности грунта в результате упругого последействия.

Если траектория движения совпадает с профилем площадки затупления и при этом на режущей кромке образовался радиус закругления, определяющий площадку затупления, то появляются дополнительные силы, отжимающие рабочий орган в процессе резания.

Если профиль траектории не совпадает с профилем площадки затупления, то выступающая за траекторию часть внедряется в грунт. Сила Р при этом определяется сопротивлением внедрению выступающей части в грунт.

Рис. 7. Изменение усилий при вдавливании плоского штампа в мерзлый песок в условиях всестороннего сжатия

—

Физические и механические (деформационные и прочностные) свойства грунтов проявляются при воздействии внешних нагрузок от рабочих органов и движителей машин. Применительно к землеройным машинам практический интерес представляют прочностные свойства грунтов, характеризующие их сопротивление разрушению рабочими органами.

Наиболее полно отражает характеристику грунтов в любом сложном напряженном состоянии так называемый паспорт прочности, представляющий собой график функциональной зависимости касательных и нормальных напряжении, соответствующих прочности данного грунта под действием внешних сил. Такой паспорт прочности получают по результатам прочностных испытаний грунтов при одноосном сжатии и растяжении и испытаний в условиях неравномерного объемного напряженного состояния (ГОСТ 21153.4—75).

Прочность скальных грунтов уменьшается с увеличением размера составляющих частиц и насыщения водой. Существенно уменьшается прочность с увеличением пористости и трещиноватости.

Сопротивляемость скальных грунтов разрушению зависит от увеличения скорости нагружения: чем слабее грунт, тем относительно больший прирост прочности.

Нескальные грунты в немерзлом состоянии имеют существенно меньшую прочность. В общем случае они представляют собой трехфазную среду из воды, воздуха и частиц грунта (грунтового скелета). Прочность этих грунтов определяется структурными связями между частицами и зависит от плотности, степени водона-сыщения, формы частиц и химико-минералогического состава. При одноосном сжатии прочность высушенных глинистых грунтов может быть высокой. С ростом влажности и уменьшением плотности прочность резко снижается и становится близкой к пулю. С увеличением дисперсности прочность глинистых грунтов в немерзлом состоянии, как правило, возрастает.

Прочность глин на разрыв существенно меньше 0,1 МПа. С ростом крупности частиц грунта прочность на разрыв снижается. Наибольшая прочность сдвигу наблюдается у переуплотненных сцементированных глинистых грунтов.

На сопротивление сдвигу нескальных грунтов существенное влияние оказывает также длительность времени разрушения. Кратковременная прочность глинистых грунтов при сдвиге на 15% выше длительной прочности. Кратковременная прочность одноосному сжатию выше длительной на 24%.

Мерзлые грунты имеют существенно более высокую прочность, чем немерзлые, вследствие цементирующего воздействия льда. Лед, являясь основным компонентом, обусловливает особенности мерзлого грунта.

Согласно современным представлениям мерзлый грунт рассматривают как упругопластично-вязкую среду, прочностные характеристики которой в первую очередь зависят от температуры, влажности, гранулометрического состава.

Вязкие свойства обусловлены перемещением во времени минеральных частиц, течением кристаллов льда и пленок незамерзшей воды. Наличие у мерзлых грунтов вязких свойств не позволяет однозначно использовать для землеройных машин имеющиеся литературные данные по прочности, полученные для оценки их свойств применительно к сооружению оснований и фундаментов.

При разработке твердомерзлых грунтов рыхлителями время отделения элементов стружки составляет, как правило, менее 1 с. В этом интервале нагружения свойства мерзлого грунта претерпевают существенные изменения: предел прочности в 5—15 раз превышает предел длительной прочности, увеличивается хрупкость и склонность к разрушению от растягивающих напряжений.

Во ВНИИстройдормаше был проведен комплекс исследований кратковременной прочности мерзлых грунтов в зависимости от относительной скорости деформирования, температуры, влажности и гранулометрического состава применительно к работе рыхлителей с учетом кратковременности и динамичности воздействия рабочего органа.

Рис. 1. Виды разрушения мерзлой супеси влажностью 11% температурой—(2±0,5)°С при скоростях, см/с, деформирования:
I—IV — соответственно 0,15; 1,0; 3,8; 95,2

Установлено, что при повышении скорости деформирования (уменьшении времени нагружения) увеличивается сопротивление мерзлых грунтов сжатию и растяжению, причем в большей мере глинистых грунтов. Одновременно существенно изменяется характер разрушения образцов от пластического к ярко выраженному — хрупкому. Нагружение с большими скоростями сопровождается разрушением образцов глинистых грунтов с деформированием столбчатых призм в направлении действия усилия, характерным для продольного разрыва хрупких материалов.

Значительное качественное изменение разрушения образцов от пластического к хрупкому отражается и на характере диаграммы разрушения: с увеличением скорости деформирования возрастает предел пропорциональности, и при хрупком разрушении он совпадает с пределом прочности. При одноосном растяжении во всех случаях разрыв происходит хрупко, без заметных пластических деформаций и сохраняется прямая пропорциональная зависимость относительной деформации и напряжения.

Одним из основных факторов, влияющих па прочность мерзлого грунта как при кратковременном, так и при длительном действии нагрузки, является отрицательная температура. При понижении температуры грунта от 0 до —20 °С — наиболее типичной для работы рыхлителей, наблюдается увеличение прочностных характеристик грунта с уменьшающейся интенсивностью. Наиболее резко сопротивление разрушению повышается в момент перехода грунта из немерзлого состояния в пластично-мерзлое (переходное состояние от немерзлого грунта к твердомерзлому). Пластично-мерзлые грунты обладают повышенной вязкостью, липкостью и вследствие этого их трудно разрабатывать.

Рис. 2. Диаграммы сжатия при скорости деформирования

Рис. 3. Зависимость кратковременной прочности мерзлого песка от температуры при влажности:
1—3 — при 38 °С; 7 см/с; 4, 6 — при 0,72 см/с; 5, 7— при 0,15 см/с; 1 — хрупкое разрушение; 2, 3, 4 — упругонластическое разрушение; 5 — пластическое деформирование; 6 и 7 — то же, что 4 и 5, с учетом поперечной деформации образца
1 – 5%; 2 – 10%; 3 — 15%; 4 – 20%

Большое влияние на прочность мерзлых грунтов оказывает влажность, за критерий оценки которой принята весовая влажность (отношение массы воды к массе сухого грунта). В зависимости от вида напряженно-деформированного состояния и скорости деформирования кратковременная сопротивляемость мерзлых грунтов при увеличении влажности изменяется по-разному.

Сопротивление кратковременному растяжению мерзлых глинистых грунтов при увеличении влажности в начале возрастает до полной влагоемкости (т. е. влажности, теоретически соответствующей полному заполнению пор водой), а затем уменьшается, приближаясь при сильном переувлажнении к прочности льда. Для песчаных грунтов с повышением влажности прочность при растяжении непрерывно возрастает, имё*я наибольшее значение при избыточной влажности.

Сопротивление различных мерзлых грунтов кратковременному сжатию при увеличении влажности во всех случаях повышается без проявления ярко выраженного максимума. При одноосном сжатии прочность песчаного грунта при избыточной влажности близка к прочности льда. При повышении влажности сопротивляемость глинистых грунтов одноосному сжатию также непрерывно увеличивается и при влагонасыщении выше полной значительно превышает прочность льда.

Рис. 4. Зависимость кратковременной прочности мерзлых грунтов от влажности:
а — при одноосном сжатии; б — при одноосном растяжении; при температуре — ГС (кривые 1, 4, 7, 70); при температуре — 5 °С (кривые 2, 5, S, 11); при температуре —10 °С (кривые 3, 6, 9, 12); 7—3 — песок; 4—6 — супесь; 7—9— глина; 10—12 — суглинок

Таким образом, зависимость прочности при одноосном сжатии от влажности глинистых грунтов при кратковременном нагружении отличается от зависимости при длительном нагружении.

Последний факт подтвержден специальным экспериментом, выполненным с образцами мерзлой супеси влажностью 5—20% в интервале относительных скоростей нагружения 0,015—9,5 с-1. Полученные графики функции асж (и) свидетельствуют об изменении соотношения прочности при одноосном сжатии водонасыщенной супеси влажностью 11; 15; 20% при переходе от области I к области II и далее к области III (индекс в обозначении соответствует влажности).

Приведенные данные убедительно показывают, что характер связи при кратковременном разрушении глинистого грунта не является инвариантным и существенно изменяется с ростом скорости деформирования. Ветвь спада зависимости при увеличении скорости смещается в область водопасыщенного грунта. В результате смещения максимума эмпирическая линия регрессии Осж((о) в заданном интервале <0=54-20% при больших скоростях деформирования приближается к возрастающей линейной.

Прочность мерзлых грунтов существенно зависит от гранулометрического состава.

Рис. 5. Зависимость прочности мерзлой супеси при одноосном сжатии от скорости деформирования:
а — общие координаты; б — полулогарифмические координаты; 1—4— при влажности 5; И; 15; 20% соответственно

Сопротивляемость глинистых грунтов длительным внешним нагрузкам по мере повышения количества высокодисперсных частиц, как правило, меньше, чем сопротивляемость песчаных при одинаковых температуре и степени насыщения пор льдом. При более быстрых деформациях соотношение сопротивлений глинистых грунтов и песчаных при одноосном сжатии изменяется вследствие большего влияния скорости деформации на прочностные показатели глинистых грунтов по сравнению с песчаными.

Полученные значения кратковременной прочности мерзлых грунтов с учетом поперечной деформации образцов позволили уточнить и сравнить прочностные свойства грунтов различного гранулометрического состава. Для сравнительного анализа приняты грунты с коэффициентом водонасыщенности. При этом данные гранулометрического состава приведены к общему показателю— коэффициенту X, численно равному отношению количества пылеватых и глинистых частиц к общей сумме фракций, меньших 1 мм. Наибольшую кратковременную прочность при сжатии имеет супесь. При дальнейшем увеличении количества пылеватых и глинистых частиц прочность снижается, причем в большей мере при температуре —10 и —5 °С и в меньшей — при температуре —ГС. Прочность наиболее крупнозернистого материала (мерзлого песка) несколько меньше, чем супеси и суглинка, и при соответствующей температуре приближается к прочности льда.

Рис. 6. Зависимость кратковременной прочности мерзлых грунтов от гранулометрического состава: ври температуре —ГС (кривые 1); при температуре —5 °С (кривые 2, 5); при температуре — II(ГС (кривые 3, 6); 1—3 — одноосное растяжение: 4—6 — одноосное сжатие

Сравнение кратковременных сопротивлений растяжению мерзлых грунтов в зависимости от гранулометрического состава показывает, что увеличение количества дисперсных частиц ведет к повышению прочности при растяжении супеси и еще в большей мере — суглинка и глины по отношению к песку.

Взаимное расположение слагающих элементов мерзлого грунта, т. е. его строение, связанное с появлением в них льда не только в виде цемента, но и в виде включений и прослоек.. При этом образуется специфическая криогенная текстура, характеризуемая неоднородностью строения и обусловленная взаимным расположением и отношением включений льда и агрегатов минеральных частиц. Наличие нескольких типов криогенных текстур (массивной, слоистой, сетчатой и корковой) дифференцирует прочностные свойства мерзлых грунтов и является одной из основных причин их анизотропии.

При быстром сдвиге наибольшее сопротивление разрушению в. направлении, перпендикулярном прослойкам льда, проявляют грунты сетчатой и слоистой текстуры. Сопротивления грунта сдвигу снижаются при массивной текстуре. Еще меньшее сопротивление грунтов слоистой текстуры при сдвиге вдоль прослоек, если зона сдвига проходит по контакту с ледяными прослойками.