Principalele proprietăți ale solurilor și metode de dezvoltare a acestora
Solurile sunt roci care alcătuiesc straturile de suprafață ale scoarței terestre; s-au format ca urmare a intemperiilor și distrugerii rocii continentale. Majoritatea solurilor sunt de origine minerală, dar există soluri de formare parțial sau complet organică.
În condiții de apariție naturală, solurile constau din particule solide de diferite dimensiuni, care formează scheletul solului de aer și apă. Acesta din urmă, în funcție de temperatura solului, poate fi în diverse faze ale stării sale (solid, lichid, gazos).
În funcție de natura conexiunii dintre particulele solide, solurile sunt împărțite în vrac, coezive și stâncoase.
Solurile afânate, necoezive se caracterizează prin lipsa aderenței între particule, permeabilitate semnificativă la apă, compresibilitate scăzută, forțe mari de frecare internă și deformare rapidă sub sarcină.
Solurile coezive se caracterizează prin permeabilitate scăzută la apă; prezenţa apei în ele determină forţele de coeziune moleculară. Prin urmare, solurile coezive se caracterizează prin cordon semnificativ între particule, deformații mari sub sarcină și durata deformațiilor.
În solurile stâncoase, particulele lor sunt legate rigid între ele printr-o substanță de cimentare, iar această legătură nu este restabilită dacă este ruptă. O clasificare și caracteristici mai complete ale solurilor sunt date în cărțile de referință și literatura de specialitate.
Proprietățile solului au un impact semnificativ asupra naturii dezvoltării lor și asupra productivității mașinilor. În acest sens, la alegerea tipului de mașină pentru excavare, este necesar să se țină cont de proprietățile caracteristice și de starea solurilor dezvoltate. Din acest punct de vedere, cele mai importante proprietăți ale solurilor - rezistența la dezvoltare și stabilitatea lor ca fundație pe care este instalată mașina, sunt determinate înîn principal compoziţia granulometrică şi proprietăţile fizice şi mecanice ale solului.
Pentru a evalua cele mai importante proprietăți fizice și mecanice ale solului, sunt importante densitatea în vrac, afânarea, umiditatea, unghiul de repaus, coeziunea (coeziunea), fracturarea, stratificarea.
Masa volumetrică - raportul dintre masa solului în stare de umiditate naturală și volumul acestuia. Distingeți masa volumetrică într-un corp dens și în sol afânat. Densitatea în vrac a solurilor excavate de mașinile de terasare variază între 1,5 și 2,0 g/m3, în funcție de compoziția mineralogică, porozitate și umiditate.
În timp sau sub influența mașinilor de compactare a solului, solurile afânate sunt compactate. Valorile medii ale coeficientului de afânare inițială variază de la 1,08 la 1,32, iar coeficientul de afânare reziduală variază de la 1,01 la 1,09. La dezvoltarea solurilor înghețate, coeficientul de afânare crește de aproximativ 1,5-2,5 ori.
Proprietățile solului variază foarte mult în funcție de conținutul lor de apă. Solurile sunt considerate uscate cu un conținut de umiditate mai mic de 5%, umede cu un conținut de umiditate de 5-30% și saturate sau umede cu un conținut de umiditate mai mare de 30%.
Coeziunea sau coeziunea reciprocă a particulelor de sol caracterizează capacitatea solului de a rezista influenței forțelor externe care tind să-și separe particulele. Rezistența solului la tăiere sau eroziune depinde de mărimea forțelor de aderență.
Solurile sunt dezvoltate prin diverse metode cu productivitate mai mare sau mai mică a muncii și a mașinilor. Prin urmare, fiecare sol poate fi inclus în grupul de soluri ușor dezvoltate printr-o metodă și în grupul de soluri greu dezvoltate printr-o altă metodă.
Solurile dezvoltate de mașinile de construcții sunt de obicei clasificate în următoarele șase grupe: Grupa I -sol vegetal, turbă, nisip și lut nisipos; Grupa II - lut asemănător loessului, loess umed vrac, pietriș până la 15 mm; Grupa III - argilă grasă, argilă grea, pietriș grosier, loess natural de umiditate; Grupa a IV-a - argilă reziduală, lut cu piatră zdrobită, loess întărit, marnă moale, baloane, tripoli; Grupele V și VI - roci și minereu, precum și soluri argiloase înghețate și lutoase.
În complexul de terasamente, procesul de conducere este dezvoltarea solului. Prin urmare, metoda de excavare determină tipul mașinii conducătoare și toate celelalte echipamente pentru mecanizarea acestui proces tehnologic.
Există trei moduri principale de dezvoltare a solului și a rocilor: mecanică, hidraulică și explozivă.
Cu metoda mecanică, separarea unei părți a solului sau a rocii de masivul principal se realizează cu ajutorul unui cuțit sau al unui corp de lucru al unei mașini de terasament.
Cu metoda hidraulică, se realizează dezvoltarea solului în cariere sau săpături utile: în suprafețe uscate - cu un jet de apă compact puternic și în suprafețe subacvatice - prin aspirarea solului de sub apă cu o conductă de admisie folosind o pompă centrifugă puternică. - o dragă; solurile dense sunt afânate în același timp cu un tăietor mecanic - un ripper.
În metoda explozivă, distrugerea solului sau a rocii și deplasarea lor în direcția corectă se realizează prin presiunea gazelor eliberate în timpul exploziei și arderii explozivilor.
Pot exista și metode combinate de dezvoltare a solului, de exemplu, hidromecanice, în care metoda hidraulică este combinată cu cea mecanică etc.
Metodele fizice și chimice de distrugere a solului și a rocilor se află în stadiul de cercetare și experimente. Cu metoda fizică, distrugerea completă sau scăderea rezistenței solului șirocilor se realizeaza cu ajutorul ultrasunetelor, efect electrohidrodinamic, curent de inalta frecventa, ardere cu arzatoare cu jet si racire.
Orez. 70. Formarea şi secţiunea transversală a aşchiilor în sol: a - formarea aşchiilor; b - secțiunea transversală a așchiilor; 1 - așchii în soluri de plastic; 2 - așchii în soluri slab coezive, coezive și uscate; 3 - așchii în soluri dure; 4 - tăiere blocată; 5 - tăiere semiliberă; 6 - tăiere liberă
În metoda chimică, pentru a separa solul și rocile din masiv, acestea sunt transferate în stare lichidă sau gazoasă.
Metoda mecanică de excavare a solurilor cu mașini de terasare este cea mai răspândită, deoarece este aplicabilă aproape tuturor solurilor, cu excepția rocilor, care trebuie să fie mai întâi sablate. Cu ajutorul unei varietăți de mașini de terasament se realizează cel puțin 80-85% din volumul total al lucrărilor de terasament.
Mașinile de terasare produc distrugerea solului în principal prin separarea succesivă a unei părți a solului (așchii) de matrice. Mișcarea așchiilor tăiate de-a lungul corpului de lucru al mașinii și acumularea de sol în acesta provoacă o rezistență semnificativă. Natura distrugerii solului și amploarea rezistențelor care apar în acest caz depind de mulți factori - proprietățile mecanice ale solului și starea sa fizică, forma și locația corpului de tăiere etc.
Prof. N. G. Dombrovsky a efectuat un complex mare de studii asupra excavatoarelor cu o singură cupă și a creat o teorie a distrugerii structurii inițiale a solului. În conformitate cu această teorie, la începutul procesului de săpare, pana de tăiere, acționând asupra solului, produce compactarea solului. Apoi, când forțele de presiune ale feței frontale a panei echilibrează rezistența maximă la forfecare (în plastic și roci slabe)sau o așchie (în roci dure), se va produce o deplasare sau separare a unei părți a așchiilor în planul de alunecare și va începe o nouă compactare (Fig. 70, a).
Orez. 71. Prismă de desen pentru diverse traiectorii cupei: a - orizontală; b - înclinat; c - aproape verticală
Cu cât așchiile sunt mai groase și cu cât unghiul de săpare b este mai mic, cu atât aria de deformare a solului este mai mare. Cu toate acestea, rezistența la deformarea solului este mai mică, iar forfecarea are loc mai rapid la tăierea așchiilor subțiri și la un unghi mare de săpare.
În cazul general, secțiunea transversală a cipului are forma prezentată în Fig. 70b.
Cea mai caracteristică și de importanță practică este tăierea semiliberă, deoarece tăierea blocată și tăierea liberă sunt tipice doar pentru începutul și sfârșitul procesului de dezvoltare a stratului sau a fundului găurii. În același timp, secțiunea transversală reală a așchiilor distruse de oală este mai mare decât suprafața (Fig. 70, b) atât din cauza dinților, cât și datorită așchiilor de pământ din afara pereților laterali.
Pe lângă tăierea curată, la săparea solului, partea tăiată a solului se mișcă și de-a lungul găleții; o parte din acesta intră în găleată, iar o parte formează o prismă de desen în fața muchiei tăietoare a găleții (Fig. 71), a cărei valoare depinde de tipul de stare a solului, de traiectoria și forma corpului de lucru și de unghi de săpare.
În cazul general, la săparea solului, apar trei tipuri de rezistență: rezistența la frecare a găleții pe sol Rt, rezistența la tăierea solului Pp și rezistența la mișcare a prismei de tragere și a solului în găleată Rp.
Când se lucrează în soluri neomogene, cu o tăietură tocită și designul său nereușit, valorile Ryu pot crește semnificativ.
Promițătoare sunt mașinile care efectuează procesul de săpare atunci când corpul de lucru se mișcă de sus în jos și lucrează conform metodei de clivaj cu colaps. Intensitatea energeticăprocesul mașinilor de săpat care funcționează pe acest principiu, conform prof. N. G. Dombrovsky, în medie cu 40-50% mai puțin decât cel convențional, iar în funcție de tipul de sol va fi de la 0,02 la 0,2 kWh la 1 m3. Conform acestui principiu, de exemplu, funcționează mașinile de terasament și de frezat. Intensitatea energetică a procesului de dezvoltare a solului (la 1 m3), în funcție de grupa de sol, dimensiunea și designul corpului de lucru, este de aproximativ: a) cu o metodă mecanică de dezvoltare - de la 1 la 3 kWh, ajungând în unele cazuri 6 kWh; b) cu metoda hidraulică - de la 10 la 12 kWh.