Общие сведения о грунтах.

Грунтами называют поверхностные слои земли, образованные в результате выветривания горных пород.

Как физическое тело грунты в общем случае представляет собой многокомпонентную систему, состоящую из твердой фазы (скелета грунта), жидкой (воды) и газообразной (паров и газов). В состав мерзлых грунтов входит еще и лед. Грунты делятся на скальные (сцементированные с пределом прочности не менее 5 МПа: граниты; песчаники; известняки и т. п.); полускальные (сцементированные породы с пределом прочности до 5 МПа: мергели, окаменевшие глины, гипсоносные конгломераты и т. п.); крупнообломочные (куски скальных и полускальных пород); песчаные (несцементированные мелкие частички разрушенных горных пород размером от 0,05 до 2 мм); глинистые (размером менее 0,005 мм).

Помимо приведенной классификации грунты распределяют для производственных целей по группам в зависимости от трудности их разработки.

В СНиПе грунты разделены на одиннадцать групп трудности разработки, из которых машинная разработка предусматривается только для первых восьми категорий (вручную могут разрабатываться грунты всех категорий). Категории грунтов различают по их наименованиям и плотности. Применяется также классификация грунтов по времени бурения в них шпура глубиной 1 м. Согласно этой классификации грунты делят на одиннадцать категорий, из которых первыми тремя охватываются песчаные и глинистые, а остальными - полускальные и скальные грунты. Одна из распространенных классификаций грунтов основывается на использовании плотномера ДорНИИ. Прибор представляет собой цилиндрический стержень сечением 1 см², на который надета гиря, массой 2,5 кг. Падая с высоты 0,4 м, гиря ударяется об упорную шайбу на стержне, заставляя его внедряться в грунт. Числом ударов гири или, что равнозначно работой для погружения стержня на 10 см, оценивается крепость грунта.

2.2. Физико-механические свойства грунтов.

По физико-механическим свойствам грунты различают в зависимости от признаков петрографии и условий залегания (минеральный состав, структура и текстура грунтов); физического состояния (гранулометрической состав, пористость, влажность, температура, теплопроводность, разрыхляемость и уплотняемость); содержащейся в них воды (пластичность, размокаемость, набухаемость, водопроницаемость, липкость); механических свойств (сцепление, сопротивление сжатию, растяжению, сдвигу, резанию, нажатию, внешнему и внутреннему трению, образивность, несущая способность).

В инженерных расчетах при проектировании МЗР чаще всего используются следующие характеристики грунтов: (таблица 2.1) плотность r (отношение массы грунта при естественной влажности грунта к его объему); разрыхляемость, которая определяется коэффициентом разрыхления грунта к_р, представляющим собой отношение объема V_р разрыхленного грунта к объему грунта в его естественном залегании V, т.е. ( ); коэффициенты удельного сопротивления грунта резанию (к) и копанию (к₁), определяемые как отношение усилий затрачиваемых на резание Р_р или копание Р_к грунта к площади вырезаемой стружки F, т.е. ; ; коэффициент внешнего трения (грунта о сталь) μ₁=tg φ₁, (φ₁ угол трения грунта о сталь, который в условиях взаимодействия с рабочим органом машины составляет от 15 до 30⁰, а μ ₁ – соответственно от 0,27 до 0,57); коэффициент внутреннего трения (грунта о грунт) μ₂= tg φ₂ (φ_{2 –} угол внутреннего трения, который в зависимости от влажности грунта может иметь значения от 28 до 45⁰, а μ ₂ – соответственно от 0,53 до 1).

2.3. Способы разработки грунтов.

Разработка грунтов всегда начинается с их разрушения, поэтому в МЗР целесообразно воплощать такие принципы воздействия на грунты, которые соответствовали бы наименьшей энергоемкости их разрушения.

Различают три основных способа разработки грунтов: механический, гидравлический и взрывной.

Механическое разрушение осуществляется сосредоточенным силовым воздействием рабочего органа (ножа, ковша, отвала и др.) на грунтовый массив. Энергоемкость разработки песчанистых и глинистых грунтов этим способом составляет от 0,05 до 0,3 кВт· ч/м³.

Гидравлическое разрушение производят размывом грунта напорной струей воды или всасыванием его со дна водоема в смеси с водой.

Для разработки грунта в этом случае требуется до 4 кВт· ч/м³ энергии и 50-60 м³ воды на 1 м³ грунта.

Взрывное разрушение происходит под давлением газов, выделяющихся при воспламенении взрывчатого вещества, которое закладывают в специально пробуренные в грунте скважины (шпуры) или прорезанные узкие щели или траншеи. Кроме названных, известны также физические и химические способы разработки грунтов.

К физическим способам относят воздействие на грунты ультразвука, тока высокой частоты, температурных изменений (прожигание, оттаивание).

Табл. 2.3. Характеристика грунтов I- IV категорий С_у

Химическое разрушение осуществляется переводом грунтов в жидкое или газообразное состояние.

Применяют также комбинированные способы разрушения грунтов: гидромеханический, термомеханический, термопневматический, электрогидравлический, газомеханический, взрывомеханический, взрывогидравлический, электротермический.

Гидромеханический способ применяют в землесосных снарядах, где разрушение грунта производят механически, например, фрезой.

Термомеханический и термопневматический способы находят применение в термобурах. При термомеханическом способе разрушение грунта происходит путем прогрева его высокотемпературной газовой струей и дальнейшего разрушения термоослабленного слоя грунта режущим инструментом. При термопневматическом бурении разрушение и удаление из скважины грунта обеспечивается только высокотемпературной газовой струей. Газовые струи в термобурах образуются при сгорании жидкого топлива и окисления (кислорода, воздуха и др.). их температура достигает 1800-2000⁰ С, а скорость 1400 м/с.

Электрогидравлический способ разрушения грунтов основан на использовании эффекта ударной волны, образующейся в искровом разряде в жидкости. На этом принципе работают электрогидравлические установки для дробления валунов и негабаритных камней, образующихся при взрывном способе разрушения грунтов.

Газомеханический способ разрушения грунтов осуществляется путем подачи импульсами или непрерывным потоком газов под давлением в зону режущей кромки рабочего органа (отвала, ковша), которые разрыхляют грунт и уменьшают сопротивление движению рабочего органа.

Наиболее распространен механический способ разрушения, посредством которого выполняют 85-90% всего объема земляных работ. Достаточно широко применяются также гидравлический и взрывной способы. Физический и химический способы находятся еще в стадии освоения.