Рис. 69. Зависимость предела прочности грунта при одноосном сжатии от отрицательной температуры:
1 — песок; 2 — суглинок

При замерзании грунта происходит резкое увеличение его прочности и особенно при температурах в пределах от О до —7” С, когда замерзает значительная часть содержащейся в грунте воды (рис. 69). В мерзлом состоянии песок при большей прочности обладает более высокой хрупкостью, чем мерзлые суглинки и глины. Последние, особенно при небольших отрицательных температурах, обнаруживают большую вязкость, что значительно затрудняет их разработку машинами ударного действия.

Трудоемкость земляных работ в зимнее время повышается ввиду более высокой прочности грунта, что вызывает необходимость его рыхления перед разработкой; существующего ограничения как в содержании, так и в размерах мерзлых комьев; тяжелых погодных условий (отрицательные температуры, снегопады и т. п.).

Подготовка мерзлого грунта к разработке осуществляется оттаиванием грунта (термическое оттаивание, оттаивание паром, электрооттаивание, засоление и т. п.) или его рыхлением.

Рыхление грунта может производиться машинами ударного действия; машинами, разрушающими мерзлый грунт резанием; взрывным способом; гидродинамическим способом (при сверхскоростных истечениях жидкости) или тепловым резанием мерзлого грунта.

Машины ударного действия производят разрушение грунта путем последовательных ударов рабочего органа о грунт. По характеру действия различают машины ударного действия со свободным падением рабочего органа (клин-молот, шар-молот) и машины с принудительным внедрением рабочего органа в мерзлый грунт. Принудительное внедрение клина производится ударами по нему свободнопадающего груза (ударный клин), а также многочастотными ударными органами дизельмолотов (клин с дизель-молотом) или вибраторов (виброклин).

К машинам, рыхлящим мерзлый грунт резанием, относятся: ба-ровые машины, имеющие рабочие органы в виде бесконечной цепи с установленными на ней резцами; дисковые или фрезерные машины с рабочим органом в виде диска с резцами, а также цепные и роторные траншейные экскаваторы, приспособленные для разработки мерзлых грунтов.

Наименее энергоемким из существующих в настоящее время способов разрушения мерзлых грунтов является взрывной способ. Так, энергоемкость разрушения мерзлых грунтов взрывом в 10—13 раз меньше, чем при резании. Однако по условиям работ в большинстве случаев он не
может быть применен.

Одними из наиболее перспективных являются машины, производящие рыхление мерзлых грунтов методом крупного ударного скола. Рабочим органом здесь является клин, забиваемый в грунт специальным механическим копром. Средняя энергоемкость подобных машин при разрушении мерзлого грунта составляет 0,4—0,8 квт-ч1м3. Производительность этих машин обычно составляет 45—120 мя в смену. К этой группе машин относятся также и навесные рыхлители (например, навесной рыхлитель на тракторе ДЭТ-250 типа РМГ-2), являющиеся эффективными машинами для рыхления мерзлого грунта толщиной до 60—100 см. Производительность составляет 40:—200 м3 в смену.

Эффективными машинами являются также роторные траншейные экскаваторы, приспособленные для разработки мерзлых грунтов. Однако энергоемкость последних выше, чем машин ударного действия, и составляет 5—8 квт-ч!л13. Преимущество роторных траншейных экскаваторов заключается в том, что при помощи этих машин грунт одновременно отделяется от массива и транспортируется в отвал или в транспортные средства, в то время как при разработке грунта сколом необходимы машины для уборки грунта в отвал. То же имеет место при разработке мерзлого грунта баровыми и фрезерными машинами. Уборка отдельных блоков мерзлого грунта, нарезанных баровыми машинами, должна осуществляться другими средствами. Блоки мерзлого грунта практически не могут быть использованы при устройстве большинства земляных сооружений и вывозятся в отвалы.

Степень разрушения грунта ударными нагрузками определяется его физико-механическими свойствами, геометрией рабочего органа и накопленной к моменту удара кинетической энергией. Кинетическая энергия в свою очередь зависит от массы рабочего органа и его скорости. Для обеспечения нормальной работы экскаватора с емкостью ковша 0,65—1,0 м3 темп работы по рыхлению верхнего мерзлого слоя должен быть не менее 15 м3/ч. Для достижения такой производительности необходимая работа Ударов должна быть не менее 7500—8000 кГ-м.

Разрушение мерзлого грунта при внедрении клина носит скачкообразный характер. Вначале происходит упругая деформация грунта, а по достижении определенного напряжения развивается пластическая деформация, которая приводит к разрушению грунта на некоторую глубину. Далее процесс повторяется.

Глубину внедрения клина h при свободном падении рабочего органа или в результате ударов свободно падающего груза определяют, исходя из равенства живой силы удара и работы силы, затрачиваемой на разрушение грунта.

Эффективность работы машин ударного разрушения мерзлого грунта определяется правильным выбором основных параметров рабочего оборудования: формы и размеров клина, величины одного удара, отношения массы клина к массе груза. Форма клина определяется высотой клина Н, углом его заострения а и шириной Ь. Высота клина зависит от глубины промерзания. При глубине промерзания до 1,3—1,5 ж клинья существующих машин для ударного разрушения мерзлых грунтов имеют высоту в среднем 0,8—1,2 м.

При этом b не должно превышать 400—500 мм, так как в противном случае сильно возрастает масса клина. Для повышения 1за6 рабочий орган выполняют из двух-трех жестко скрепленных между собой клиньев.

Большое значение для эффективности работы машин с принудительным внедрением рабочего органа ударами свободно падающего груза имеет правильный выбор массы клина и падающего груза. Отношение массы клина к массе ударного груза обычно принимают равным 0,2—0,4, и оно не должно быть более 0,6—0,7.

Общая энергоемкость разрушения зависит как от работы единичного удара, так и от количества ударов. Общая энергоемкость процесса снижается при росте работы единичного удара в большей мере, чем за счет увеличения количества ударов.

Рис. 70. Схема навески

2. Установки с механическим копром. Клинья изготовляются литыми из стали, так как сварные конструкции не выдерживают динамических нагрузок.

3. Установки, в которых ударным механизмом служит дизель-молот. Преимуществом применения дизель-молота является большое количество ударов в единицу времени. Вместе с тем энергия одного удара невелика и, кроме того, дизель-молот трудно запускать’в зимних условиях.

4. Установки с виброклином (рис. 70). Большое количество ударов в единицу времени (730—850 колебаний в минуту) и большая возмущающая сила 12—18 т являются значительным преимуществом машин подобного типа. К недостаткам относится быстрый выход из строя электромотора вибратора и других элементов конструкции, подвергающихся действию вибрации.

Для разрушения мерзлых грунтов резанием применяются фрезы, цепные пилы (бары), шнеки или одиночные резцы, смонтированные на ковшевой цепи траншейных экскаваторов, а также многоковшевые роторы.

Рис. 71. Силы, действующие на резец при резании мерзлого грунта:
а — острый резец; б — профиль изношенной площадки резца совпадает с траекторией резца; в — резец с затупленной режущей кромкой; г — профиль изношенной площадки, который не совпадает с траекторией резца

Для разработки мерзлых грунтов в последнее время стали применять машины с рабочим органом в виде режущих цепей — баров. Бары обычно являются навесным оборудованием к тракторам (рис. 72) или многоковше-вым экскаваторам. Цепи баров приводят в движение через редуктор от вала отбора мощности.

Рис. 72. Схема баровой машины на тракторе;
1— гидроцилиндр подъема и опускания бары; 2 — редуктор; 3 — бара

Для снижения энергоемкости процесса разрушения грунта на цепях устанавливаются не только резцы, но и клинья. Резцы прорезают в грунте канавки, в оставшиеся между канавками объемы грунта скалываются. клиньями. На рис. 73 представлена схема расстановки резцов и клиньев. Скорость движения цепи составляет 0,5—0,8 м/сек.