Свойства грунтов, влияющие на трудность их разработки
Грунтами называют выветрившиеся горные породы, образующие кору земли. По происхождению, состоянию и механической прочности различают грунты скальные — сцементированные водоустойчивые породы с пределом прочности в водонасыщенном состоянии не менее 5 МПа (граниты, песчаники, известняки и т. п.); полускальные — сцементированные горные породы с пределом прочности до 5 МПа (мергели, окаменевшие глины, гипсоносные конгломераты и т.п.); крупнообломочные — куски скальных и полускальных пород, песчаные — состоящие из мелких несцементированных частиц, разрушенных горных пород размером 0,05... 2 мм, глинистые — с размером частиц менее 0,005 мм.
По гранулометрическому составу, оцениваемому долевым содержанием фракций по массе, различают грунты глинистые (с размерами частиц менее 0,005 мм), пылеватые (0,005...0,05 мм), песчаные (0,05...5 мм), гравийные (2...20 мм), галечные и щебеночные (20...200 мм), валуны и камни (более 200 мм). Наиболее часто встречающиеся в строительной практике грунты различают по процентному содержанию с них глинистых частиц: глины - не менее 30%; суглинки — от 10 до 30 %; супеси — от 3 до 10% с преобладанием песчаных частиц над пылевидными; пески — менее 3 %.
Грунт состоит из твердых частиц, воды и газов (обычно воздуха), находящихся в его порах.
Влажность грунтов оценивают отношением массы воды к массе твердых частиц. Она составляет от 1... 2 % для сухих песков, до 200 % и более для текучих глин и илов. В некоторых случаях, например, при оценке степени принудительного уплотнения грунтов, пользуются так называемой оптимальной влажностью, которая изменяется от 8... 14% для мелких и пылеватых песков до 20... 30 % для жирных глин.
При разработке грунты увеличиваются в объеме за счет образования пустот между кусками. Степень такого увеличения объема оценивают коэффициентом разрыхления, равным отношению объема определенной массы грунта после разработки к ее объему до разработки. Значения коэффициента разрыхления колеблются от 1,08... 1,15 для песков до 1,45...1,6 для мерзлых грунтов и скальных пород. После укладки грунта в отвалы и естественного или принудительного уплотнения степень их разрыхления уменьшается. Ее оценивают коэффициентом остаточного разрыхления (от 1,02... 1,05 для песков и суглинков до 1,2... 1,3 для скальных пород). Уплотняемость грунтов характеризуется увеличением их плотности вследствие вытеснения из пор воды и воздуха и компактной укладки частиц.
После снятия внешней нагрузки сжатый в порах воздух расширяется, вызывая обратимую деформациюгрунта. В процессе повторных нагружений из пор каждый раз удаляется все большее количество воздуха. Вследствие этого обратимые деформации уменьшаются. Степень уплотнения грунта характеризуется остаточной деформацией, основная доля которой приходится на первые циклы нагружения. Ее оценивают коэффициентом уплотнения, равным отношению фактической плотности к ее стандартному максимальному значению, соответствующему оптимальной влажности. При уплотнении грунтов требуемый коэффициент уплотнения назначают в зависимости от ответственности земляного сооружения в пределах 0,9.. 1.
Прочность и деформируемостьгрунтов определяется, в основном, свойствами слагающих их частиц и связей между ними. Прочность частиц обусловлена внутримолекулярными силами, а прочность связей — их сцеплением. При разработке грунтов эти связи разрушаются, а при уплотнении восстанавливаются.
Сцепление определяется начальным сопротивлением сдвигу и зависит от вида грунта и степени его влажности. В соответствии с законом Кулона это можно выразить следующей аналитической зависимостью
t = aР + Ск (3.1)
где a - коэффициент трения грунта по поверхности скольжения, Р - нормальное напряжение, t - касательное напряжение сдвигу, Ск- сцепление в куске.
Графически это выражение может быть интерпретировано, как это показано на рисунке 3.3. В какой-то степени оно отражает свойство тела Сен-Венана.
Обычно сцепление в куске составляет для песчаных грунтов 0,03 - 0,05, для глинистых - 0,05 - 0,2, для полускальных грунтов - 0,3-4 и скальных - более 4-5 МПа. Иногда определяют также сцепление в массиве См, которое в зависимости от величины коэффициента структурного ослабления в массиве l определяют при условии, что СМ = СК. Величину См определяют путем среза грунтовых призм размером 50 × 50 или 50 × 70 см.
Рис. 3.3. Влияние нормального напряжения на величину трения
Коэффициент l изменяется в широких пределах и зависит от степени трещиноватости массива и направления среза по отношению к трещинам. Например, для песчаников он изменяется в пределах 0,03 - 0,47.
Прочность (сцепление) неоднородного трещиноватого массива См, снижается в несколько раз по сравнению с прочностью пород в куске Ск. Все это говорит о том, что оценка прочностных свойств пород и грунтов с точки зрения их разрушения ковшом экскаватора должна производиться с учетом трещиноватости массива, т.е. по величине сцепления в массиве, а не в куске. Таблица 3.1.
При сооружении карьеров по добыче строительных материалов или котлованов породы и грунты делят на мягкие, плотные, полускальные и скальные, которые могут быть применены и в практике строительных работ.
Гранулометрический состав разрыхленной массы характеризуется процентным содержанием кусков различных фракций. Общим характерным показателем гранулометрического состава является средневзвешенный размер кусков (средний диаметр кусков).
(3..2)
где di - средний размер фракции, определяемый как среднее арифметическое отдельных измерений, Рi - содержание фракций в долях единицы. Величину dср. определяют фотопланиметрическим способом.
Таблица 3.1.
Классификация основных групп пород по прочности
Разновидность пород и грунтов | Коэффициент крепости | Сцепление в мПа | |
В куске Ск | В массиве См | ||
Мягкие | ≤ 0,5 - 0,8 | ≤ 0,03 - 0,07 | < 0,03 |
Плотные | 0,8 - 2,0 | 0,07 - 0,3 | 0,03 - 0,1 |
Полускальные | 2 - 6 | 0,3 - 4,0 | 0,1 - 0,55 |
Скальные | >6 | > 4 | > 0,55 |
Подразделение пород по кусковатости в массиве и после разрыхления, применительно к одноковшовым экскаваторам, можно принять по данным таблицы 3.2.
Таблица 3.2
Подразделение пород по кусковатости применительно к одноковшовым
экскаваторам
Кусковатость | Средневзвешенный размер куска в см | |
В массиве | В разрыхленном массиве | |
Очень мелкая | 7 - 10 | |
Мелкая | 10 - 15 | 5 - 10 |
Средняя | 10 - 25 | 10 - 20 |
Крупная | 25 - 40 | 20 - 30 |
Очень крупная |
Коэффициент первоначального разрыхления Кр (отношение объема разрыхленного грунта к его объему в естественном состоянии) составляет для песчаных грунтов 1,08 -1,17 , суглинистых - 1,14 - 1,28 , глинистых - 1,24 - 1,3. Для полускальных и скальных грунтов коэффициент Кр зависит от кусковатости разрыхленного материала (средневзвешенного размера куска dср) и составляет при взрывании «на встряхивание» 1,05 - 1,15, «на развал» - 1,25 - 1,5.
При разработке мерзлых грунтов учитывают их основные свойства. К ним относятся повышенная механическая прочность, пластическая деформация, пучинистость и повышенное электросопротивление грунта. Степень проявления этих свойств зависит от температуры окружающей среды, влажности и вида грунта.
С понижением температуры механическая прочность грунта, его сопротивление резанию и копанию резко возрастает. Изменение температуры по глубине мерзлого слоя грунта способствует изменению прочностных характеристик грунта. Наибольшее значение они имеют в верхней части мерзлого слоя и наименьшее - на границе мерзлого и не мерзлого грунта.
Глубина промерзания грунтов зависит от температуры воздуха, силы ветра, толщины снежного покрова, характера естественного покрова (трава, пахотная земля, торф, камни, дорожное покрытие и т.д.), а также от теплопроводности, влажности самого грунта и уровня грунтовых вод.
Рис. 3.4. Схема модели тела Кельвина
При взаимном перемещении частиц грунта между собой возникают силы внутреннего трения, а при перемещении грунта относительно рабочих органов — силы внешнего трения. Согласно закону Кулона эти силы пропорциональны нормальной нагрузке с коэффициентами пропорциональности, называемыми коэффициентами соответственно внутреннего и внешнего трения.Для большинства глинистых и песчаных грунтов первый составляет 0,18. 0,7, а второй — 0,15...0,55.
Поведение грунта под нагрузкой может быть описано с помощью реологической модели тела Кельвина. Рис. 3.4. Символически тело Кельвина может быть представлено реологической формулой
К = Н │ N (3.3)
То есть тело Гука ( Н ) и тело Ньютона ( N ) соединены параллельно. Отсюда
РК = РН + PN
или
РК = Е∙Δℓ + η∙έ (3.4)
где Е - модуль упругости; Δℓ - величина деформации; η - вязкость грунта или внутреннее трение; έ - градиент скорости.
При интегрировании этого дифференциального уравнения в определенных граничных условиях можно найти то или иное решение вопроса взаимодействии режущего органа с грунтом.
При взаимном перемещении грунта и землеройного рабочего органа происходит царапание твердыми грунтовыми частицами рабочих поверхностей режущего инструмента и других элементов рабочего органа и, как следствие, изменение его формы и размеров, называемое изнашиванием.Разработка грунтов изношенным режущим инструментом требует больше затрат энергии Способность грунтов изнашивать рабочие органы землеройных машин называют абразивностью.Большей абразивностью обладают более твердые грунты (песчаные и супесчаные) с частицами, закрепленными (сцементированными) в грунтовом, например, замерзшем массиве. Абразивная изнашивающая способность мерзлых грунтов в зависимости от их температуры, влажности и гранулометрического состава может быть в десятки раз выше, чем у тех же грунтов немерзлого состояния.
Грунты, содержащие глинистые частицы, способны прилипать к рабочим поверхностям рабочих органов, например, ковшовым, уменьшая тем самым их рабочий объем и создавая повышенные сопротивления перемещению отделенного от массива грунта внутрь ковша, вследствие чего увеличиваются затраты энергии на разработку грунта и снижается производительность землеройной машины. Это свойство грунтов, называемое липкостью,усиливается при отрицательных температурах. Силы сцепления примерзшего к рабочим органам грунта в десятки и сотни раз больше, чем в немерзлом состоянии. Для удаления прилипшего к рабочим органам грунта приходится делать вынужденные остановки машины, а в ряде случаев, например, для очистки от примерзшего грунта, принимать специальные меры, в основном, механического воздействия.
Рис. 3.5. Плотномер ДорНИИ
Грунты, разрабатываемые машинами, классифицируют по трудности разработки по 8 категориям. В основу этой классификации, предложенной проф. А. Н. Зелениным, положена плотность, измеряемая в килограммах на кубический метр, по показаниям плотномера конструкции ДорНИИ (рис. 3.5.). Последний представляет собой металлический стержень круглого поперечного сечения площадью 1 см2 с двумя шайбами-упорами, между которыми свободно перемещается груз массой 2,5 кг. Полный ход груза составляет 0,4 м, длина свободного нижнего конца стержня — 0,1 м. Для измерения плотности прибор нижним концом устанавливают на грунт, поднимают груз до упора в верхнюю шайбу и отпускают его. При падении груз ударяет о нижнюю шайбу, заставляя внедряться в грунт нижний конец стержня. Плотность грунта оценивают числом ударов, соответствующим внедрению в грунт стержня до упора в нижнюю шайбу.
Согласно классификации профессора А. Н. Зеленина грунты распределены по категориям следующим образом:
I категория - песок, супесь, мягкий суглинок средней крепости влажный и разрыхленный без включений;
II категория - суглинок без включений, мелкий и средний гравий, мягкая влажная или разрыхленная глина;
III категория - крепкий суглинок, глина средней крепости влажная или разрыхленная, аргиллиты и алевролиты;
IV категория - крепкий суглинок, крепкая и очень крепкая влажная глина, сланцы, конгломераты;
V категория - сланцы, конгломераты, отвердевшие глина и лесс, очень крепкие мел, гипс, песчаники, мягкие известняки, скальные и мерзлые породы;
VI категория - ракушечники и конгломераты, крепкие сланцы, известняки, песчаники средней крепости, мел, гипс, очень крепкие опоки и мергель;
VII категория - известняки, мерзлый грунт средней крепости;
VIII категория - скальные и мерзлые породы, очень хорошо взорванные (куски не более 1/3 ширины ковша).
Дата добавления: 2015-03-23; просмотров: 4707;