При выполнении земляных работ (до 80—85% общего объема) наиболее применимо воздействие на грунт твердым телом, которое происходит при работе всех землеройных и грунтоуплотняющих машин. Второе место по объему выполняемых работ (до 10—15% общего объема) занимает гидромеханизация, при которой грунт разрушается и транспортируется водой.

Способ давления газа на грунт применяют главным образом при выполнении взрывных работ.

Воздействие на грунт твердым телом (инструментом) может быть статическим, динамическим и вибрационным. Под статическим понимают воздействие, происходящее при относительно постоянных скоростях перемещения рабочего органа. При этом не исключаются динамические явления в системе машина — грунт (например, при встрече с труднопреодолимым препятствием). В случае динамического воздействия величина нагрузки на грунт резко меняется по времени, скорости перемещения рабочего органа переменны и его кинетическая энергия передается грунту.

Вибрационное воздействие инструмента на грунт происходит при знакопеременных скоростях и нагрузках. Частота колебаний может находиться в этом случае в широких пределах:‘от дозвуковой области (50—100 Гц) до ультразвуковой (20 кГц).

Вода и газ воздействуют на грунт динамическим путем, при котором связи между частицами грунта разрушаются вследствие передачи грунту кинетической энергии воздействующей среды.

В последние годы с целью интенсификации рабочих процессов комбинируют различные способы воздействия на грунт. Так, при статическом воздействии на грунт режущего инструмента ему сообщается колебание или к нему подводится струя воздуха, снижающие трение на рабочей поверхности и сопротивление копанию. При разработке грунта водой (например, с применением землесосов) струи ее выполняют роль механического рыхлителя.

Рассмотрим воздействие на грунт твердого тела, применяемого в виде инструмента, которое характеризуется внедрением рабочего инструмента в грунт и перемещением его внутри массива грунта.

Возможны три способа деформации и нарушения внутренних связей грунта: погружение в него инструмента движением, направленным перпендикулярно поверхности грунта, разрезание его перемещением инструмента вдоль поверхности и срезание пласта грунта (стружки) движением инструмента в плоскости, параллельной поверхности. Наиболее распространен последний способ.

Для определения требуемых усилий на рабочих органах землеройных машин необходимо знать предельные напряжения, которые нарушают внутренние связи грунта.

Работами А. Н. Зеленина и других советских ученых установлено, что при больших значениях о огибающие кривые стремятся к прямой, параллельной оси абсцисс и р->0, а при положительных значениях а разрушение образцов наступает раньше расчетного, как это показано на рис. 2, б.

Разрезание грунта часто используют при работе машин для производства земляных работ; отрывки траншей для укладки кабелей, линий связи, трубопроводов, рыхления плотных грунтов перед их разработкой, грунт разрезается при применении зубьев на режущих профилях землеройных машин и в ряде других случаев. Процесс разрезания протекает различно в пластичных и скалывающихся грунтах.

Схема процесса разрезания в скалывающихся грунтах типа супесей и суглинков показана на рис. 3. При перемещении в грунте ножа перед ним выдвигается »верх по плоскости скольжения клинообразное тело, имеющее в плане форму раковины. Вначале на поверхности образуется тело скольжения, идущее от верхней части ножа; затем отделяются тела скольжения большего размера, идущие от нижних точек ножа. Периодически образующиеся тела скольжения поднимаются вверх и целики грунта принимают характерную ступенчатую структуру. Перед передней гранью ножа аналогично вдавливаемому штампу образуется ядро уплотнения грунта, передвигающееся вместе с ножом. Раковины скола образуются на определенной глубине от поверхности, ниже которой грунт в силу упругости раздвигается в стороны и вниз, не поднимаясь вверх.

Периодические сдвиги тел скольжения вызывают колебания усилия, действующего на нож. В момент скола усилия снижаются, а затем нарастают по мере деформации грунта до образования предельных напряжений сдвига. Диаграмма изменения тягового усилия получает для этого процесса характерный пилообразный вид.

Глубина резания, при которой увеличение раковины скола прекращается, называют критической. Постоянство объема раковины скола сохраняется как при вертикальном положении ножа, так и при наклонном. Это явление объясняется сжимаемостью грунтов под нагрузкой. С увеличением глубины резания напряжения сжатия перед движущимся профилем, необходимые для образования раковин скола, увеличиваются и достигают величины, достаточной для сжатия грунта на толщину ножа в боковом направлении. Вследствие этого критическая глубина тем больше, чем шире прорезающий нож; для углов резания 25—45°. На рис. 4 показано, что в зоне А (до критической глубины) грунт разрыхляется, а в зоне Б уплотняется.

Образование ядра уплотнения перед движущимся профилем является нежелательным, так как при этом происходит трение грунта о грунт, имеющее более высокое значение, чем трение грунта о сталь.

Ядро уплотнения имеет параболическое очертание и после его образования перед режущим профилем в дальнейшем грунт деформируется под действием этого ядра. Ядро уплотнения образуется в любом грунте независимо от толщины режущего профиля при угле заострения режущего профиля р>504-60°, т. е. большем двойного угла внешнего трения при симметричном заострении; при ₽<50° ядро не образуется. При относительно малом расстоянии между двумя параллельно расположенными профилями между ними образуется одно уплотненное ядро и они работают вместе как-профиль общей ширины.

Срезание пласта грунта (стружки) является основным элементом процесса копания, при котором грунт отделяется от массива и перемещается внутрь рабочего органа или перед ним. Срезание стружки является наименее энергоемким способом разработки грунта, поскольку он удаляется в сторону свободной стороны с минимальными затратами энергии на сжатие и уплотнение. Однако процесс срезания стружки в чистом виде практически неосуществим, так как кроме основных режущих элементов у землеройных машин имеются емкости (ковши) с вертикальными стенками или элементы несущих конструкций, которые тоже взаимодействуют с грунтом. Сам режущий элемент в процессе работы первоначально внедряется в грунт, а затем срезает стружку. Таким образом, реальный процесс разработки грунта включает в себя, как правило, элементы вдавливания, разрезания и срезания стружки при одновременном перемещении грунта по рабочей поверхности инструмента и перед ним, что в совокупности называют копанием. В зависимости от вида инструмента и траектории его движения превалирует тот или иной вид резания.

Рабочие органы землеройных машин различают по виду режущей кромки, способу деформации и перемещения грунта. Режущая кромка может иметь вид прямого клина, косого клина, диска, совка или периметра. Кроме того, режущие кромки могут иметь зубья для разработки плотных грунтов.

По способу действия рабочие органы различают как пассивные и активные. К первым относят такие, которые при работе не перемещаются по отношению к машине, рабочие же усилия возникают от энергии, подводимой к движителю машины. Рабочие органы активного действия при работе перемещаются по отношению к машине и приводятся в движение двигателем машины непосредственно, минуя движитель.

В последнее время применяют рабочие органы комбинированного действия, которые для выполнения рабочего процесса кроме энергии, сообщаемой движителем, реализуют одновременно энергию, получаемую непосредственно от первичного двигателя машины. Примером этому могут служить: плужно-роторный рабочий орган, сочетающий плужный отвал пассивного действия с ротором активного действия (позиция), рыхлитель пассивного действия, к которому дополнительно подводится энергия, вызывающая его вибрацию, корчеватель активного действия, который сочетает напор, создаваемый движителем машины, с активным поворотом корчующих клыков.

По способу перемещения грунта рабочие органы делятся на три группы: отвального типа, ковшового и скребкового. Рабочие органы отвального типа, как правило, имеют режущую кромку в виде прямого или косого клина, сочетающуюся с отвальной поверхностью криволинейного очертания (рабочие органы бульдозеров, автогрейдеров, грейдер-элеваторов и др.).

При прямо поставленном отвале срезанный грунт в виде призмы волочения перемещается перед отвалом к месту укладки. При косо поставленном отвале одновременно с поступательным движением машины осуществляется перемещение грунта в сторону относительно отвала.

У рабочих органов ковшового типа имеются рабочие кромки типа прямого клина или совка. Срезанный пласт грунта поступает в ковш и перемещается этим ковшом к месту отсыпки или грузится в транспортные средства. При этом загрузка ковша грунтом может осуществляться снизу, как у ковша скрепера пассивного действия и грейфера активного действия, или спереди, как у ковшей прямых и обратных лопат, драглайнов, многоковшовых экскаваторов. Траектории движения ковшей во время заполнения могут быть прямолинейными, как у драглайна и цепного рабочего органа, или криволинейными, как для одноковшовых экскаваторов или роторных. При криволинейном ротационном движении разгрузка ковшей может осуществляться под действием гравитационных или инерционных сил.

Бесковшовые рабочие органы срезают грунт, не перемещая его, а для транспортирования грунта служат специальные средства, как, например, лопатки скребкового цепного рабочего органа или выбросные лопатки ротационного рабочего органа.