CC BY
56
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.139
В. С. ИВКИН, П. Ю. ВОЛЫНЩИКОВ
РАЗРАБОТКА МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТ В СТЕСНЁННЫХ УСЛОВИЯХ СТРОИТЕЛЬСТВА
Специфичность физико-механических свойств мёрзлых грунтов, их высокая прочность, соизмеримая с прочностью рабочих органов землеройных машин, и абразивность затрудняют применение известных технологий и оборудования для выполнения малообъёмных, рассредоточенных зимних земляных работ в стеснённых условиях строительства.
Бульдозерно-рыхлительные машины на базе мощных отечественных гусеничных промышленных тракторов ДЭТ-250, ДЭТ-320, Т-50.01 обеспечивают полное выполнение технологического процесса рыхления и транспортирование мёрзлого грунта на строительных площадках с большим объёмом земляных работ, но из-за больших габаритов и массы, малых транспортных скоростей их невозможно использовать при выполнении работ малых объёмов, рассредоточенных в стеснённых условиях строительства.
Проблема рыхления мёрзлых грунтов усугубляется ещё и тем, что в большинстве районов России грунт промерзает на глубину 0,8-2,5 метра, а зимний период длится 4-7месяцев.
Механизировать процесс рыхления мёрзлых грунтов малых объёмов, рассредоточенных работ можно за счёт применения газоимпульсных рыхлителей, установленных на малогабаритный землеройных машинах, которые в зимний период простаивают.
Подвод в зону рыхления (при выхлопе из рабочей камеры газоимпульсного рыхлителя) высоких энергий сжатого воздуха (газа) высокого давления позволяет разрушать мёрзлые грунты наименее энергоёмким способом, при доминировании наименее энергоёмких напряжений разрыва.
Ключевые слова: газовый импульс, мёрзлый грунт, прочность, рыхление, уплотняемость.
Рыхлители на гусеничных тракторах мощностью менее 100 кВт не могут рыхлить мёрзлые грунты даже при небольшой глубине промерзания из-за недостаточного тягового усилия базовой машины [1].
Промышленный гусеничных трактор отличает классическая компоновка с передним расположением двигателя и задним размещением кабины, что обеспечивает оператору хорошую видимость бульдозерно-рыхлительного оборудования.
Рыхлительное оборудование состоит из металлической рамы сварной конструкции, рабочего органа, выполненного в виде зуба, состоящего из стойки и литого (съёмного) наконечника. Гидравлическое управление позволяет осуществить принудительное заглубление рабочей части зуба рыхлителя в грунт [2].
Используя многолетний опыт эксплуатации промышленных тракторов ДЭТ-250 в ООО «ЧТЗ-Уралтрак» серийно изготавливается ди-
© Ивкин В. С., Волынщиков П. Ю., 2013
зель-электрический трактор ДЭТ-320. На тракторе ДЭТ-320 установлен двигатель Ярославского моторного завода ЯМЗ-7512.10.
На Чебоксарском заводе промышленных тракторов изготовлен трактор Т-50.01 с бульдо-зерно-рыхлительным оборудованием (см. таблицу 1), который прошёл эксплуатационные испытания при разработке многолетнемёрзлых грунтов в зонах промышленного освоения рассыпных месторождений республики Саха-Якутия [3].
На тракторе Т-50.01 установлен У-образный дизель жидкостного охлаждения, обладающий большим запасом крутящего момента и хорошей топливной экономичностью. Система пуска дизеля - электростартёрная с подогревом охлаждающей жидкости, масел и аккумуляторов для пуска машины при отрицательных температурах.
Наиболее эффективно рыхлители на базе гусеничных промышленных тракторов работают при температуре мёрзлого грунта не ниже минус 15С, когда прочность мёрзлого грунта характеризуется 260-320 ударами динамического плотномера ДОРНИИ [2].
Таблица 2
Соотношения сопротивления мёрзлого грунта и льда различным видам деформации [1]
Таблица 1
Технические характеристики бульдозерно-рыхлительных агрегатов на базе мощных гусеничных промышленных тракторов
Марка бульдозерно-рыхлительного агрегата ДЭТ-250Б1Р1 ДЭТ-320Б1Р1 Т-50.01 БР1
Двигатель В-31М4 ЯМЗ 7512.10 У-образный дизель жидкостного охлаждения
Эксплуатационная мощность двигателя, кВт 237 243 555
Максимальное заглубление зуба рыхлителя в грунт, мм 1250 1250 1760
Габаритные размеры, мм длина 8740 8720 10650
ширина 4250 4250 5500
высота 3600 4030 4550
Масса бульдозера с рыхлителем, кг 41095 44900 89900
Характер деформации Разрыв Сжатие Сдвиг Изгиб Резание Вдавливание
Среднее значение относительного показателя для мёрзлого грунта 1 3 1,7 2 7 21
Среднее значение относительного показателя для льда 1 2,6 4 1,9 Нет данных
Более производительно выполняется рыхление в декабре-январе, когда температура грунта в районах с сезонным промерзанием не опускается ниже минус 8-10С и глубина промерзания не превышает 40-60 см, что позволяет производить однослойное рыхление грунта на всю глубину промерзания [2].
Перед рыхлением мёрзлого грунта необходимо снять снежный покров с разрабатываемого участка, так как при работе по снегу даже толщиной всего несколько сантиметров резко снижается сцепление гусениц промышленного трактора с мёрзлым грунтом.
При рыхлении высокопрочных мёрзлых грунтов эффективен тандемный способ с использованием дополнительного трактора-толкача. Рыхление с толкачом увеличивает машинное время и общие затраты в 2 раза, однако при этом в 3-4 раза возрастает производительность рыхления и снижается износ рыхлителя и толкача [2].
При разработке прочных скальных грунтов режущая кромка наконечника нагревается до температуры 600-650 С [4]. Поэтому долговечность наконечников при работе на вечномёрзлых
грунтах составила 40-70 часов, а на прочных скальных грунтах значительно ниже - только 2 или 10 часов.
Теплофизические процессы в мёрзлом грунте, трансформация мёрзлого грунта в пластичное состояние были также установлены Беловым П. А. при изучении работы ударника ДОРНИИ для определения прочности мёрзлого грунта [5] и Мартюченко И. Г. [6].
Под действием внешнего давления происходит структурная перестройка в контактном слое мёрзлого грунта, приводящая к плавлению льда. Переход льда в воду в контактном слое снижает коэффициент трения на глинистых и суглинистых грунтах, но повышает его значение на песчаных грунтах [6]. Причина заключается в том, что при частичном плавлении льда мелкодисперсные частицы глинистого грунта теряют своё связанное состояние и вместе с водой образуют смазывающий слой суспензии.
В крупнозернистых грунтах (песчаных) частичное плавление льда не является достаточным для расцементирования крупных частиц, так как толщина оттаянного слоя значительно меньше
кристаллов кварца - основы песчаных грунтов [6].
Рыхлители на базе мощных промышленных тракторов обеспечивают полное выполнение технологического процесса рыхления и транспортирование мёрзлого грунта только на строительных площадках с большим объёмом земляных работ.
Основными недостатками этих рыхлителей являются:
1) быстрый износ режущих наконечников рабочего органа - зуба;
2) невозможность применения при выполнении работ малых объёмов, рассредоточенных работ в стеснённых условиях строительства, так как габариты и масса бульдозерно-рыхлительных агрегатов (см. таблицу 1) очень большие.
Граница между работами малых и больших объёмов является условной.
Однако известно [7], что при уменьшении объемов и увеличении рассредоточенности работ происходит ухудшение основных показателей механизированного процесса:
1) снижается эксплуатационная производительность рыхлителя;
2) повышается себестоимость и трудоёмкость рыхления мёрзлого грунта.
Ухудшение основных показателей при выполнении работ малых объёмов происходит вследствие дополнительных затрат на переезды между объектами. Это зависит от мобильности и транспортабельности рыхлителей. Сосредоточенность объёмов земляных работ Суь характеризуется количеством продукции, которое приходится на 1 километр транспортного перемещения рыхлителя:
Суг = ^ , м2/км, (1)
Ь Ь
где V - объём рыхления мёрзлого грунта;
Ь - межобъектное транспортное перемещение рыхлителя для выполнения этого объёма работ
Переезды рыхлителя по территории строительной площадки здесь не учитываются, так как они связаны с технологических процессом по рыхлению мёрзлого грунта.
Совмещённость объёмов работ Суп характеризуется количеством суммарных объёмов работ, подлежащих выполнению на одном объекте:
СУ„ = ^ , (2)
п
где п - число мест, на которых работал рыхлитель при выполнении работ на одном объекте.
По данным Донского В. М. [7] к работам малых объёмов могут быть отнесены такие, у кото-
рых совмещённость объёмов работ Суь <200 м3 или сосредоточенность объёмов работ Суп <100 м3/км.
Граница между работами больших и малых объёмов существенно зависит от мобильности и транспортабельности рыхлителей. Донской В. М. предлагает [7] мобильность рыхлителя оценивать отношением скорости движения рыхлителя к эксплуатационной производительности:
Ы^т/Пэ. (3)
Транспортабельность машины характеризуется затратами времени на демонтаж, монтаж и подготовку её к работе на новом месте и определяется по формуле
Т=1/ 1 п.з. Пэ,
(4)
где 1 пз. - время, необходимое для демонтажа, монтажа и подготовку рыхлителя к работе;
Пэ - эксплуатационная производительность рыхлителя.
Мобильные и транспортабельные рыхлители должны иметь большие скорости передвижения своим ходом, незначительные затраты времени на монтаж, демонтаж и подготовку к работе и обладать небольшой массой и габаритами.
Использование рыхлителя в стеснённых условиях строительства считается возможным, если его габаритные размеры меньше по условиям производства работ, а маневренность характеризуется вписываемостью в угловые проезды и шириной площадки, необходимой для обратного разворота [7].
Перспективным направлением повышения эффективности работы рыхлителей является интенсификация их рабочих процессов, то есть использование для рыхления мёрзлого грунта дополнительной энергии. Подача сжатого воздуха высокого давления в зону рыхления является одним из перспективных направлений совершенствования рабочего оборудования рыхлителя [8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]. Землеройные машины малой и средней мощности простаивают в холодное время года, использование их с эффективным газоимпульсным оборудованием повысит коэффициент использования и годовую производительность машин.
Однократное приложение разрушающей нагрузки при выхлопе из рабочей камеры, при подводе в зону рыхления довольно высоких энергий сжатого газа (воздуха) высокого давления позволяет разрушать мёрзлый грунт наименее энергоёмким способом при доминировании наименее энергоёмких напряжений разрыва, так как сопротивление мёрзлого грунта резанию в
7 раз выше, чем сопротивление разрыву (см. таблицу 2).
При рыхлении мёрзлого грунта газодинамическим рыхлителем можно выделить:
а) фазу завинчивания рабочего органа в мёрзлый грунт. Процесс завинчивания сопровождается значительным ростом контактных напряжений между минеральными частицами, подплав-лением льда в слое мёрзлого грунта, соприкасающегося с рабочими поверхностями рыхлителя, и снижением сил трения. Эти явления снижают износ рабочего органа. При завинчивании рабочего органа появляются микротрещины в грунте, ослабляющие монолит, происходит подготовка ко второй фазе;
б) фазу отрыва мёрзлого грунта от массива за счёт выхлопа из рабочей камеры (подвода) в зону рыхления мёрзлого грунта довольно высоких энергий газа высокого давления. Энергия сжатого воздуха передаётся непосредственно разрыхляемому грунту. Расширяющийся воздух, внедряясь в трещины (имеющиеся в силу неоднородности его структуры, полученные в результате завинчивания рыхлителя) и действуя как клин, усиливает процесс рыхления.
Однократное приложение разрушающей нагрузки сжатого газа (воздуха) высокого давления способствует интенсивному процессу трещино-образования, отрыву мёрзлого грунта от массива.
Новая землеройная техника [8, 9, 10, 11, 12, 13, 14] на принципах газоимпульсного рыхления мёрзлых грунтов - это малогабаритные, маневренные и лёгкие машины с высокой производительностью, так как определяющим параметром является не тяговое усилие гусеничного промышленного трактора, а мощность газового импульса.
Машины с рабочими органами газоимпульсного действия [8, 9, 10, 11, 12, 13, 14] имеют и более удачную силовую схему взаимодействия с мёрзлым грунтом, так как газовый импульс совершает основное разрушение - рыхление мёрзлого грунта при доминировании наименее энергоемких напряжений разрыва (см. табл. 2). В процессе рыхления грунта рыхлителями на базе мощных гусеничных промышленных тракторов нагрузка воспринимается конструкцией зуба рыхлителя и базовой машиной, что приводит к увеличению массы и габаритов (см. табл. 1).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Машины для разработки мёрзлых грунтов / Ю. Н. Берновский, Б. З. Захарчук, М. И. Ровин-
ский, В. Д. Тёлушкин, И. З. Фиглин, Г. А. Шлой-до. - М. : Машиностроение, 1973. - 272 с.
2. Навесное тракторное оборудование для разработки высокопрочных грунтов / Б. З. За-харчук, Г. А. Шлойдо, А. А. Яркин, В. Д. Тёлушкин. - М. : Машиностроение, 1979. - 189 с.
3. Карлов, А. Г. Эксплуатационные показатели трактора Т-50.01 с бульдозерно-рыхли-тельным оборудованием / А. Г. Карлов, С. А. Анучин // Строительные и дорожные машины. -1996. - №11. - С. 12-18.
4. Волобуев, А. И. О теплостойкости материала для наконечников рыхлителей / А. И. Во-лобуев, А. Л. Веретеник, Г. Н. Сахаров // Строительные и дорожные машины. - 1987. - №2. -С. 10-11.
5. Белов, П. А. О физическом смысле числа с ударника ДорНИИ / П. А. Белов // Строительные и дорожные машины. - 2012. - №10. -С.45-47 .
6. Мартюченко, И. Г. Методы снижения энергозатрат при разработке мёрзлых и прочных грунтов / И. Г. Мартюченко. - Саратов : Сарат. гос. техн. ун-т, 2004. - 150 с.
7. Донской, В. М. Механизация земляных работ малых объёмов / В. М. Донской - Л. : Стройиздат, Ленинградское отделение, 1976. -160 с.
8. Пат. №2209891 С1 Российская Федерация, МПК 7Е 02 Б5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С. ; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - №2002110492/03; заявл. 19.04.2002; опубл. 10.08.2003, Бюл. №22. -12 с.
9. Пат. №2231601 Российская Федерация, МПК 7Е 02 Б5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С. ; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - №2003108241/03; заявл. 25.03.2003; опубл. 27.06.2004, Бюл. №18. - 16 с.
10. Пат.№2236514 Российская Федерация, МПК 7Е 02 Б5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С., Кузьмин Е. К. ; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. -№2003116529/03; заявл. 03.06.2003; опубл.
20.09.2004, Бюл. №26. - 15 с.
11. Пат. №2244784 Российская Федерация, МПК 7Е 02 Б5/32. Газодинамический рыхлитель / Ивкин В. С., Кузьмин Е. К. ; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. -№2003130251/03; заявл. 10.10.2003; опубл.
20.01.2005, Бюл. №2. - 11 с.
12. Пат.№2252989 Российская Федерация, МПК Е 02 Б5/32. Устройство для разрушения мёрзлых и прочных грунтов / Ивкин В. С., Морозов В. В. ; заявитель и патентообладатель Уль-
ян. гос. техн. ун-т. - №2004106179/03; заявл. 02.03.2004; опубл. 27.05.2005, Бюл. №15. - 12 с.
13. Пат. №2256751 Российская Федерация, МПК Е 02 Б5/32. Устройство для разрушения мёрзлых и прочных грунтов / Ивкин В. С., Морозов В. В.; заявитель и патентообладатель Ульян. гос. техн. ун-т. - №2004112155/03; заявл. 20.04.2004; опубл. 20.07.2005, Бюл. №20. - 12 с.
14. Пат. №2276235 Российская Федерация, МПК Е 02 Б5/32. Устройство для разрушения мёрзлых и прочных грунтов / Ивкин В. С., Морозов В. В.; заявитель и патентообладатель Уль-
ян. гос. техн. ун-т. - №2004118762/03; заявл. 21.06.2004; опубл. 10.05.2006, Бюл. №13. - 21 с.
Ивкин Валерий Семёнович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» УлГТУ. Имеет учебные пособия и статьи, изобретения и патенты в области механизации строительных работ. Волынщиков Павел Юрьевич, студент 5 курса строительного факультета УлГТУ.
