Фізико–механічні характеристики ґрунтів

Основним об’єктом розробки в будівництві є піщані й глинисті, а також великоуламкові й напівскельні ґрунти, що покривають більшу частину земної поверхні.

В гірничо–видобувній промисловості ґрунти прийнято називати [4, 5] гірничими породами які представляють собою „самостійні геологічні тіла, складені сукупністю мінералів відповідного хімічного складу і структурно–текстурних особливостей”. Під структурою і текстурою гірничих порід розуміють ступінь кристалізації та абсолютні і відносні розміри і форми мінеральних складових та відносним положенням їх в масивах породи відповідно.

Об’єктами гірничих розробок являються всі види ґрунтів (гірничих порід), які знаходяться в земній корі, а також та частина ґрунтів, яка покриває корінні породи, так звані наноси. Як і в будівництві при виконанні земляних робіт в гірничо–видобувній промисловості ґрунти або гірничі породи, які розробляються, підлягають різного роду зовнішнім діям, в основному механічним, до яких відносяться: зсув, удар, переміщення, ущільнення та іншим, що викликає зміну стану гірничих порід.

Для виконання землерийних робіт на гірничо–видобувних підприємствах (в подальшому гірничих робіт), так як і в будівництві необхідно знати фізико–механічні властивості і характеристики гірничих порід як в їх природному стані, так і при їх руйнуванні, тобто штучно зміненому стані.

Основні фізико–механічні характеристики й показники ґрунтів: у масиві (цілині) – гранулометричний склад, пористість, щільність, міцність, розпушуваність, абразивність, липкість та ін.

Розглянемо ознаки ґрунтів, найбільш необхідні для оцінки умов застосування машин для земляних робіт.

Міцність – опір гірської породи загальному руйнуванню. Чисельно міцність ґрунту може бути представлена коефіцієнтом міцності, обумовленим по при одноосьовому стиску[__]

, (1.1)

де – коефіцієнт міцності при одноосьовому стиску, мПа;

– навантаження на ґрунт при одноосьовому стиску, Н;

– площа поперечного перерізу зразка, м².

Відповідно до методики М.М. Протодьяконова всі гірничі породи по міцності розділяються на 10 категорій з коефіцієнтом від і більш для I категорії до і менш для X категорії. Основні класифікації ґрунтів по методиці наведені в додатках, таблиці А1...А7.

Схема лабораторної установки для визначення міцності ґрунтів при одноосьовому стиску подана на рисунку 1.6.

а – лабораторна установка для дослідження зразків при одноосьовому стисненні; б – ударник ДорНДІ

Рисунок 1.6 – Схеми обладнання для дослідження міцності ґрунтів

Для оцінки труднощів розробки ґрунтів можна скористатися методом, запропонованим ДорНДІ, за допомогою приладу ударника ДорНДІ – рисунок 1.8, б.

Ударник ДорНДІ являє собою стержень, по якому між двома закріпленими шайбами розташовується вантаж масою 2,5 кг. Стержень встановлюють одним кінцем на поверхню ґрунту, піднімають вантаж у верхнє положення, і відпускають його. Падаючи, вантаж ударяє по нижній шайбі, при цьому робота одного удару складає 10 Н·м. Під дією сили удару стержень занурюється в ґрунт. У залежності від властивостей ґрунту для заглиблення на глибину 100 мм потрібне різне число ударів.

Між числом ударів і опором ґрунтів різанню існує наступна залежність:

Таблиця 1.1 – Залежність числа ударів від категорії ґрунту

Число ударів	1…4	5…8	9…16	16...34
Категорія ґрунтів	I	II	III	IV

Опір різанню – здатність гірничої породи (ґрунту) чинити опір механічному впливові, що викликає сукупність напруг стиску, розтягання і зрушення, подолання яких завершується руйнуванням ґрунту і відділенням шматків від масиву.

Різання – основний засіб розробки ґрунтів, за принципом якого улаштоване і діє більшість землерийних та землерійно–транспортних машин. Тому опір різанню – один з найважливіших факторів, який необхідно враховувати при проектуванні й експлуатації машин для земляних робіт.

У залежності від опору різанню ґрунти поділяються на категорії. Міцність ґрунтів у даному випадку характеризується середньо максимальним питомим опором вільного зрізу гострим ножем, що відокремлює стружку при куті різання 45° (рис. 1.7) [3, 6].

Рисунок 1.7 – Схема вільного зрізу ґрунту гострим ножем

Це характеризує опір ґрунту, що приходиться на одиницю площі поперечного перерізу зрізу при відділенні стружки від ґрунтового масиву. Встановлено [3], що для глинистих ґрунтів між середньомаксимальним питомим опором вільному зрізові гострим ножем , зчепленням ґрунту і тимчасовим опором стискові існує залежність

.

Для орієнтованого визначення міцності ґрунтів, області застосування проектованої землерийної машини, а також сил різання можна використовувати таблиці А2 та А3 (додаток А).

Опір ґрунту різанню характеризується коефіцієнтом питомого опору різанню , значення якого визначається експериментально в залежності від роду і стану ґрунту або обчислюється по емпіричній залежності, запропонованої проф. Н.Г. Домбровським [7]

, (1.2)

де – коефіцієнт пропорційності, що коливається в межах 1,6...2,1 [2]; більше значення коефіцієнта пропорційності варто приймати для більш міцних ґрунтів.

Розпушуваність – здатність ґрунту збільшуватися в об’ємі при його руйнуванні. Розпушуваність характеризується коефіцієнтом розпушення, що представляє відношення об’єму розпушеної породи до первісного її об’єму

, (1.3)

де – коефіцієнт розпушення;

– об’єм ґрунту в розпушеному стані, м³;

– об’єм нерозпушеного, ґрунту, м³.

Розпушуваність характеризується також коефіцієнтом зменшення щільності (об'ємної маси), що визначається відношенням щільності ґрунту або іншого будівельного матеріалу в розпушеному стані (наприклад, після дроблення) до щільності в природному стані

, (1.4)

де – коефіцієнт зменшення щільності;

і – питома вага (щільність) ґрунту розпушеного й у природному стані, кг/м³.

При розрахунку ущільнення перевезеного матеріалу після його розвантаження враховують коефіцієнт ущільнення , що дорівнює відношенню щільності матеріалу в природному стані і після ущільнення

, (1.5)

де – щільність ґрунту після ущільнення, кг/м³.

Для більшості ґрунтів , , а .

Стисливість – властивість ґрунтів, що полягає в здатності змінювати свою структуру і будову під впливом зовнішніх впливів на більш компактну за рахунок зменшення пористості [3, 5].

Зміна обсягу ґрунтів при стиску – нелінійна функція (див. рисунок 1.8), компресійна крива відбиває деяку сумарну зміну об’єму пустот, що викликане загальною деформацією стиску ґрунтів. Цей процес (стиснення) складається з пружних деформацій часток, змін їхнього взаємного положення і відстані між ними, деформацій водно–колоїдних оболонок води і ін.

1 – період ущільнення; 2 – період розкріплення

Рисунок 1.8 – Компресійна крива ґрунтів

Відповідно до характеру залежності деформації ґрунтів від навантаження модуль стиску ґрунтів – величина непостійна: вона збільшується зі збільшенням деформації. Так для невеликих перепадів тиску стисливість ґрунту можна характеризувати коефіцієнтом стисливості, який визначається відношенням різниці пористості ґрунту на початку і в кінці інтервалу до прирощення тиску в цьому же інтервалі [ ]. Для великих інтервалів тиску стисливість характеризують компресійною кривою, представленою у вигляді рівняння

,

де і – коефіцієнти пористості початковий і кінцевий, відповідно;

і – тиск початковий і відповідний і–й ступені навантаження, Па;

– коефіцієнт компресії, визначений експериментально.

Стисливість є характеристикою ґрунтів, особливо важливою для процесів їх ущільнення. Опір ґрунту втисненню характеризується коефіцієнтом опору злипанню (коефіцієнтом пружності підстави), обумовленим навантаженням, під дією якою стержень з опорною поверхнею торця 1 см² зануриться на 1 см [3, 4]

, (1.6)

де – коефіцієнт опору зминанню, Н/см³;

– вертикальне навантаження, що діє на стержень, Н;

– площа опорної поверхні стержня, см²;

– зсув опорної поверхні стержня під дією навантаження , см.

Коефіцієнт опору злипанню дозволяє оцінити несучу здатність ґрунтів та правильно вибирати основні параметри ходового обладнання із умов прохідності машин.

Для звичайних піщано–глинистих ґрунтів цей показник дорівнює 0,02...0,1 мПа. Допустимим навантаженням для самохідних машин вважається таке, при якому опорна поверхня машини занурюється не більше ніж на 12 см.

Розрахункові модулі деформації () для середньозернистого піску складають 35...45 мПа, суглинків і глин – 7...22 мПа.

Як показує практика [3, 5], при механічному впливі вібраційними трамбуючими або іншими пристроями добре ущільнюються лише пухкі маловологі піщані та водонасичені ґрунти із легкопорушуємим контактом між мінеральними частками.

Абразивність – властивість ґрунтів з частками великої твердості зношувати інструмент, деталі робочих органів, деяких транспортних вузлів і ходового устаткування машин. У результаті зносу порушуються проектні умови взаємодії машини з ґрунтом, істотно збільшуються опори різанню й енергоємність руйнування ґрунтів.

За міру абразивності прийнятий відносний знос, вимірюваний відношенням об'ємного зносу сталі (см³) до об'ємного зносу ґрунту або породи

, (1.7)

де – відносний знос сталевого зразка;

– об'ємний знос ґрунту, см³.

На процес взаємодії робочих органів землерийних машин із ґрунтом впливає опір зовнішньому тертю, оцінюваний коефіцієнтом тертя між робочим органом і ґрунтом, що може змінюватися в широких межах, у залежності від стану ґрунтів. Так, зі збільшенням тиску коефіцієнт тертя збільшується, а зі збільшенням вологості ґрунту – зменшується. Значення коефіцієнта тертя між робочим органом і ґрунтом у розрахунках можна приймати в наступних межах: – для вологих глин і – для кременистих порід.

Серед інших фізико–механічних властивостей вплив на роботу землерийних машин мають наступні:

Щільність – відношення маси породи до її обсягу при природній вологості

, (1.8)

де – щільність ґрунту (породи), кг/м³;

– маса зразка, кг;

– об’єм зразка, м³.

Вологість – процентне відношення маси води, що утримується в ґрунті, до маси сухого ґрунту

, (1.9)

де – вологість ґрунту, %;

– маса води, кг;

– маса сухого ґрунту, кг.

В умовах помірного клімату в суху погоду ґрунти звичайно мають вологість 10...20%.

Об'ємна маса ґрунту – маса його твердих часток без маси води і пір

, (1.10)

де – об'ємна маса кістяка ґрунту, кг/м³;

– щільність ґрунту при природній вологості, кг/м³.

Питома маса ґрунту – відношення маси твердих часток до обсягу витиснутої ними рідини

, (1.11)

де – маса твердих часток, кг;

– обсяг витиснутої рідини із зразка, м³.

Питома маса більшості мінеральних часток ґрунту складає 2,4...2,8 т/м³, органічних речовин 1,2...1,4 т/м³.

Липкість – властивість ґрунтів прилипати до поверхні робочих органів та деталей механізмів пересування машин. шар ґрунту, який налипає наприклад на стінки та днище ковша, може значно погіршити умови роботи екскаватора, особливо процеси розвантаження ковша. Липкість має електромолекулярну теорію [3], вона залежить від величини вологості ґрунту, та зовнішнього тиску ґрунту на матеріал деталей та усяких інших параметрів. Липкість характерна для зв’язувальних ґрунтів, які знаходяться у зволоженому стані, наприклад для глинистих ґрунтів. Зі збільшенням вологості липкість ґрунту збільшується до відомої межі, а по досягненню деякого граничного значення (в основному при досягненні повної вологості). Липкість різко зменшується і при подальшому збільшенні вологості вона може повністю зникнути. Липкість характеризується питомою силою , необхідною для подолання налипання ґрунту на одиницю поверхні деталі. Так для глин питома сила складає від 6500 до 9000 Па [ ].

В технічних завданнях на проектування одноковшевих екскаваторів замовники цих машин повинні приводити основні фізико–механічні характеристики ґрунтів для роботи на яких ці екскаватори виготовляються.