Машины для рыхления мерзлых и тяжелых грунтов

Обновлено: 08.07.2024

Бульдозеры с рыхлителями относятся к землеройным машинам, широко применяемым на разработке мерзлых грунтов. Технические характеристики бульдозеров с рыхлителями даны в табл. 1.

Технические характеристики бульдозеров с рыхлителями j

Номинальная мощность, кВт

Ширина гусеницы, мм

База трактора, мм

Максимальное заглубление зуба, мм

Габаритные размеры с трактором и бульдозером в транспортном положении), мм *

* Параметры даны с бульдозером

Применение бульдозеров с, рыхлителями повышенной мощности наиболее эффективно на разработке мерзлых грунтов.

Такое рыхление производят, как правило, одним зубом рыхлителя.

На сдвижке разрыхленного грунта можно использовать менее мощные бульдозеры с рыхлителями.

Для эффективной работы бульдозера на сдвижке направление его движения должно совпадать с направлением движения рыхлителя.

С понижением температуры и увеличением влажности грунта увеличивается его прочность, в результате чего уменьшается эффективности рыхления. Кроме того, эффективность рыхления снижается и при рыхлении высокотемпературных пластичных мерзлых грунтов.

Разработку мерзлых грунтов, в основном, производят, при последовательном рыхлении и сдвижке разрыхленного грунта. Учитывая, что мощные бульдозеры с рыхлителями дефицитны, строители часто, параллельно с ними, применяют на сдвижке разрыхленного грунта в отвал менее мощные бульдозеры тягового класса 10 - 15 тс. В этом случае сначала производят рыхление мерзлого грунта в объеме ( V _зад), необходимом для включения в работу менее мощного бульдозера (или бульдозера с рыхлителем) на сдвижку грунта. Затем разработку мерзлого грунта производят при параллельной работе машин на рыхлении и сдвижке грунта

При значительных объемах работ рыхление и сдвижку мерзлого грунта производят захватками. Величину захватки ( V _зах ) устанавливают из условия исключения повторного смерзания разрыхленного грунта в объеме работ, не менее сменной и не более 1…5 суточной выработки машины (в зависимости от температуры наружного воздуха). При этом в процессе разработки мерзлого грунта часто появляются вынужденные простои рыхлителя или бульдозера из-за отсутствия фронта работ. Технологическая последовательность работы рыхлителя и бульдозера в этом случае зависит от вида неравенства производительностей машин на рыхлении (П_рых ) и сдвижке (П_б) грунта.

Если П_рых > П_б, рыхлитель закончит рыхление мерзлого грунта на захватке раньше бульдозера и будет вынужден простаивать, так как при его непрерывной работе разрыхленный грунт в заделе начнет смерзаться. Время вынужденного простоя равно времени, в течение которого объем не сдвинутого бульдозером разрыхленного грунта уменьшится до V _зад. По истечении времени рыхлитель возобновит работу на следующей захватке, и в дальнейшем технологическая последовательность его работы может повторяться. Бульдозер при этом работает непрерывно.

Если производительность рыхлителя меньше производительности бульдозера, технологическая последовательность работы машин на разработке мерзлого грунта отличается от вышеописанной. В этом случае первоначальный объем разрыхленного грунта ( ) в процессе последующей взаимной работы рыхлителя и бульдозера будет непрерывно уменьшаться и к концу работы рыхлителя на захватке станет равен объему разрыхленного грунта в безопасном интервале между машинами ( ) . Дальнейшая взаимная работа машин становится опасной. Бульдозер будет вынужден простаивать в течение времени ( ), при котором объем разрыхленного грунта увеличится до объема первоначально задела ( ). По истечении времени бульдозер продолжит работу на сдвижке грунта на следующей захватке, и в дальнейшем технологическая последовательность его работы может повторяться, рыхлитель при этом работает непрерывно.

Практика показала, что при чрезмерно большом назначении числа захваток уменьшается производительность машин в результате увеличенная, переводов машин с захватки на захватку и доли вспомогательных операций внутри цикла для таких машин, как рыхлитель.

Чрезмерное же уменьшение числа захваток снижает производительность бульдозера из-за увеличения расстояния перемещения грунта, увеличивает время разработки мерзлого грунта из-за уменьшения доли совмещения операций и повторного смерзания разрыхленного грунта.

При глубине промерзания грунта 0,5. 0,6 м производится разработка одним слоем (при достаточном тяговом усилии трактора), то есть Н_р = 0,5. 0,6 м. При большей глубине промерзания разработку мерзлого грунта производят послойно.

Расстояние между параллельными проходами рыхлителя машинист устанавливает с таким условием, чтобы происходил скол мерзлого грунта, и гребешки, получаемые от проходов рыхлителя, не превышали 0,1 - 0,15 м, что способствует более эффективной последующей работе бульдозера.

При невыполнении этого условия и работе на прочных грунтах (число ударов ударника ДорНИИ около 60) рыхление производят при движении рыхлителя и в перпендикулярном направлении или под некоторым углом, не допуская смещения стойки зуба в ранее сделанную прорезь.

При послойной разработке выемок (траншей, котлованов и т.п.) в мерзлом грунте необходимо учитывать технологическое сужение выемки на величину ширины рыхлителя после рыхления каждого слоя вследствие расположения зуба рыхлителя по продольной оси.

Сдвижку разрыхленного грунта наиболее эффективно производить бульдозером при лобовом толкании грунта траншейным способом.

Для улучшения тягово-сцепных качеств базового трактора необходимо:

перед началом рыхления удалить снежный покров с разрабатываемого участка (снег рекомендуется убирать с площади, которая может быть разрыхлена в течение 4 - 5 ч);

на неровной местности рыхление мерзлого грунта производить при движении рыхлителя в направлении уклона.

При последовательном выполнении операций рыхления и сдвижки на разработке мерзлого грунта календарный план работы бульдозера и рыхлителя определяют послойно по аналитическим формулам.

Величину задела ( ), выполняемого рыхлителем для бульдозера, определяют в зависимости от вида неравенства производительностей бульдозера (П_б) и рыхлителя (П_рых) на рыхлении и сдвижке грунта по следующим формулам: если П_рых ≥ П_б , то = П_бТ_см ; если П_рых = П_рыхТ_см. При мерзлы й грунт разрабатывают захватками.

При параллельной работе рыхлителя и бульдозера подбор оптимального состава комплекса машин и определение календарного плана их работы производят в результате построения графиков Ганта, которые являются одновариантной статической моделью, отображающей картину фиксированного во времени положения работ. Для этого определяют:

рациональную глубину рыхления Н_Р (по табл. 2 или расчетом);

количество разрабатываемых слоев мерзлого грунта (п );

технологический объем грунта ( V _раз ) с учетом сужения выемки на величину ширины рыхлителя после рыхления каждого разрабатываемого слоя мерзлого грунта;

схему производства работ;

путь перемещения разрыхленного грунта в отвал;

производительность рыхлителя и бульдозера (по нормативным данным).

Опытные значения для некоторых грунтовых условий глубины рыхления Н_Р в зависимости от прочности грунта

Рыхление мерзлого грунта осуществляется взрывным или механическим способами.

Рыхление взрывами -один из основных способов подготовки мерзлых грунтов для разработки экскаваторами.Этот способ весьма эффективен при глубине промерзания более 1 м и больших объемах работ, выполняемых на вновь осваиваемых территориях или вдали от зданий и сооружений.Сущность взрывного способа рыхления мерзлого грунта состоит в его дроблении энергией взрыва зарядов и по технологии осуществления не отличается от изложенного выше.

Рыхление грунта трактором

Механическое рыхление заключается в дроблении или сколе мерзлого слоя динамическим или статическим воздействием , которое осуществляют сменным рабочим оборудованием , устанавливаемым на базовой машине ( экскаваторе, тракторе и др.). Чаще всего механическое рыхление применяют для утепления больших участков земли предназначенные для проведения работ в зимних условиях.

При вспахивании и боронировании грунта на участке, предназначенном для разработки в зимних условиях, его верхний слой приобретает рыхлую структуру с замкнутыми пустотами, заполненными воздухом, обладающую достаточными термоизоляционными свойствами.Вспашку ведут тракторными плугами или рыхлителями на глубину 20…35 см с последующим боронованием на глубину 15…20 см в одном или перекрестных направлениях, что повышает термоизоляционный эффект на 18…30 %.

При 80…100 градусо-днях ( произведение средней суточной температуры на число суток ) толщина мерзлого слоя составляет 5 см, а при 550…650-40 см. Снеговой покров на утепляемой площади можно искусственно увеличить, сгребая снег бульдозерами, автогрейдерами или путем снегозадержания с помощью щитов.
Динамическое воздействие наиболее эффективно при разработке твердомерзлых грунтов. Из методов динамического воздействия наиболее распространен ударный способ, при котором используют клин-молот ( рыхление раскалыванием) или дизель-молот ( рыхление сколом). Рыхление раскалыванием применяют при глубине промерзания 0,5…0,7 м.

Для этого клин-молот подвешивают к стреле драглайна ( рис-1,а). При работе с таким молотом стрелу устанавливают под углом не менее 60 градусов, что обеспечивает достаточную высоту падения молота.При применении молотов свободного падения из-за динамической перегрузки быстро изнашивается трос, тележка и отдельные узлы машины. Кроме того, от ударного воздействия на грунт колебания его могут вредно воздействовать на расположенные вблизи сооружения.

Рисунок-1. Механическое рыхление мерзлого грунта

а-клином-молотом; б-дизель-молотом; 1-клин-молот; 2-экскаватор; 3-мерзлый слой грунта;4-направляющая штанга; 5-дизель-молот.

Рыхление сколом применяют при глубине промерзания до 1,3 м. Дизель- молот является навесным оборудованием к экскаватору (рис-1,б), трактору -погрузчику и трактору.Рыхлить мерзлый грунт дизель-молотом можно по двум технологическим схемам. По первой схеме дизель-молот рыхлит мерзлый слой грунта двигаясь зигзагом по точкам, расположенным в шахматном порядке с шагом 0,8 м.

При этом сферы дробления от каждой рабочей стоянки сливаются между собой, образуя сплошной разрыхленный слой, подготовленный для последующей разработки.Вторая схема требует предварительной подготовки открытой стенки забоя, разрабатываемого экскаватором.После этого дизель- молот устанавливают на расстоянии примерно 1 м от бровки забоя и наносят им удары по одному месту до тех пор, пока не произойдет скол глыбы мерзлого грунта.Затем дизель-молот перемещается вдоль бровки, повторяя эту операцию.

Ударные мерзлоторыхлители хорошо работают при низких температурах грунта, когда для него характерны не пластичные, а хрупкие деформации, способствующие его раскалыванию под действием удара. При небольших и рассредоточенных объемах работ в некоторых случаях целесообразно для рыхления мерзлого грунта применять средства малой механизации-бурильные ( отбойные )молотки.

Для этого в углу котлована вначале устанавливают небольшой приямок глубиной 15…25 см, а затем методом скола в сторону приямка его удаляют в пионерную траншею, идущую вдоль одной из стенок котлована. После этого остальную площадь разрабатывают методом скола в сторону этой траншеи. Разработка ведется постоянно.

Статическое воздействие основано на создании режущего усилия в мерзлом грунте. Для этого применяют специальное оборудование, у которого непрерывное режущее усилие ножа создается за счет тягового усилия трактора-тягача. Машины этого типа производят послойную проходку мерзлого грунта, обеспечивая за каждую проходку рыхление глубиной 0,3…0,4 м.

Поэтому мерзлый слой, предварительно разрыхленный такими машинами, разрабатывают бульдозерами.В противоположность ударным рыхлителям статические рыхлители хорошо работают при высоких температурах грунта, когда пластические деформации значительны, а механическая прочность грунта понижена.

Рыхлители такого типа могут быть прицепными и навесными -на заднем мосту трактора. Очень часто их используют( агрегируют) совместно с бульдозером, который может в этом случае попеременно рыхлить или разрабатывать грунт.Прицепной рыхлитель при этом отцепляют а навесной поднимают.

В зависимости от мощности двигателя и механических свойств мерзлого грунта число зубъев рыхлителя колеблется от 1 до 5, причем чаще всего пользуются одним зубом. Для эффективной работы тракторного рыхлителя на мерзлом грунте необходимо, чтобы двигатель обладал достаточной мощностью 100…180 кВт.

Рыхлят грунт параллельными ( примерно через 0,5 м) проходками с последующими поперечными проходками под углом 60…90° к предыдущим. Мерзлый грунт, разрыхленный перекрестными проходками одностоечного рыхлителя, можно успешно разрабатывать тракторным скрепером. Этот способ весьма экономичен и с успехом конкурирует с буровзрывным способом.

◊ Непосредственная разработка мерзлых грунтов

Без предварительного рыхления мерзлый грунт можно разрабатывать обычными средствами механизации: толщиной до 0,1 м-бульдозерами и скреперами; до 0,25 м-экскаватором, оборудованным прямой лопатой с ковшом вместимостью 0,65 м³; до 0,4 м-экскаватором с ковшом вместимостью 1 м³ и более.

В грунтах , промерзших не более чем на 0,4 м, траншеи отрывают без рыхления грунта роторными и цепными траншейными экскаваторами на базе мощных гусеничных тягачей.

Рисунок-2. Технические средства для непосредственной разработки мерзлого грунта

Послойную разработку грунта осуществляют специализированной землеройно-фрезерной машиной, снимающей стружку толщиной до 0,3 м и шириной 2,6 м ( рис-2). Разработанный мерзлый грунт перемещается бульдозерным оборудованием, входящим в комплект машины.

Механическая разработка мерзлого грунта осуществляется непосредственно машинами статического действия с предварительным рыхлением грунтов или нарезкой в них щелей. Работа экскаваторов прямая или обратная лопата без предварительного рыхления грунта допускается при глубине промерзания до 0,25 м ковшом объемом 0,5. 0,8 м 3 , до 0,4 м — ковшом объемом более 1 м 3 . Экскаватором драглайн разрабатывают грунт при глубине промерзания 0,1. 0,15 м (ковшом объемом не менее 1 м 3 с зубьями и не менее 0,5 м 3 с режущей кромкой). Без предварительного рыхления мерзлого грунта разработку ведут также с помощью экскаваторов непрерывного действия (цепные и роторные).

При большей глубине промерзания (от 0,4 до 2 м) разработку грунта ведут с предварительным рыхлением машинами статического и динамического действия.

К рыхлителям статического действия относятся навесные рыхлители на тракторах (рис. 4.13, г), землеройно-фрезерные машины (рис. 4.13, д) и специально оборудованные экскаваторы обратная лопата. Разработка мерзлого грунта с помощью рыхлителей целесообразна на больших площадях при устройстве котлованов и широких траншей (более 8 м). Работа выполняется обычно рыхлителями в комплекте с бульдозером и экскаватором. При больших глубинах промерзания мерзлый грунт разрабатывают послойно (от 0,4 до 1 м) с последующей погрузкой экскаватором в транспорт (рис. 4.13, е).

Рис. 4.13. Методы и средства разработки мерзлых грунтов

Рыхлителями динамического действия являются подвесные шар-молот и клин-молот свободного падения, навесные одно-, двух- и трехклинный рыхлители (рис. 4.13, ж), дизель-молот с клином, вибромолот, пневмо- и гидромолоты (рис. 4.13, з).

Рыхлители динамического действия отличаются от рыхлителей статического действия большими массой и высотой подъема ударной части. Машины динамического действия работают по принципу крупного скола мерзлого грунта. При глубине промерзания более 1 м рыхление выполняется послойно с окучиванием грунта верхнего слоя бульдозером. Размер выемки должен быть не меньше ширины полосы (1,5. 3 м), разрабатываемой рыхлителем.

При разработке мерзлого грунта с предварительным нарезанием щелей используются машины, оборудованные барами (рис. 4.13, и), дисковыми фрезами (рис. 4.13, к) или пилами, либо одноцепные экскаваторы.

Такой метод применим при отрывке траншей и котлованов любых размеров. В связи с нарезкой мерзлого грунта на блоки или полосы данный метод называется блочным. Рассматривают мелко-и крупноблочный методы. Мелкоблочный используют при разработке небольших котлованов и траншей и погрузкой грунта экскаватором в транспорт или работой навымет. При глубине промерзания до 1,3 м и нарезке щелей через 0,4. 05 м грунт разрабатывают экскаватором обратная лопата с ковшом вместимостью 0,65 м 3 и выше. При ширине траншеи поверху до 2 м достаточно сделать только продольные прорези, при ширине свыше 2 м нарезают и поперечные (под углом 30°) щели (рис. 4.13, л). Широкие котлованы разрабатывают только лобовыми проходками. При крупноблочном методе мерзлые грунты нарезают на блоки массой 4. 10 т с последующим удалением их из выемок кранами, тракторами (бульдозерами) или электролебедками.

Рыхление мерзлого грунта взрывным методом применяют при глубине промерзания свыше 0,4 м. Основными способами такого рыхления являются: щелевой, шпуровой и скважинный.

Щелевой способ используют при любой глубине промерзания грунта. Щели шириной 15. 30 см и глубиной (0,9. 0,95) hпр нарезают с шагом (0,9. 1,3) hпр. Количество щелей зависит от размеров выемки. Заряд закладывают через одну щель.

Шпуровой способ применяют при глубине промерзания до 1,5 м. Шпуры диаметром до 75 мм располагают в углах квадратной сетки с размером сторон (0,7. 1,3) /г.

Скважинный способ рыхления рационален при глубине промерзания более 1,5 м. Скважины диаметром 140 мм располагают рядами в шахматном порядке. Расстояние между скважинами в ряду принимают (0,9. 1,1) hпр, между рядами — (1,1. 1,3) hпр
Способность разрыхленного различными методами грунта с течением некоторого времени вновь смерзаться требует при разработке комплексного технологического процесса земляных работ учитывать время начала смерзания грунта в зависимости от температуры наружного воздуха (при —5°, —10°, —20° и —30°С время смерзания соответственно 90, 60, 40 и 20 мин).

Обратную засыпку траншей и пазух фундаментов в зимнее время можно производить только талым грунтом с пониженной влажностью. Допускается наличие мерзлых комьев в грунте не более 15%. Размер комьев не должен превышать половины толщины уплотняемого слоя. Отсыпку грунта ведут более толстыми слоями (не менее 60 см) с выбором соответствующих грунтоуплотняющих машин и механизмов. Работы производят на суженном фронте с такой интенсивностью, чтобы уложенный слой грунта не замерзал до отсыпки следующего слоя. При перерывах в работе предусматриваются временные средства для утепления грунта.

При отрывке траншей и котлованов в зимнее время должны быть предусмотрены специальные меры от промерзания основания выемок. Грунт кавальеров, идущий на обратную засыпку с послойным уплотнением, также должен быть утеплен.

Земляные работы занимают существенную долю в общем объеме затрат времени на проведение строительных работ. В современных условиях, более эффективными являются такие подходы к проведению данных работ, которые позволяют выполнять их круглый год, что существенно ускоряет сроки строительства.

Основной проблемой в решении этой задачи является зимний период, а точнее – разработка технологии работы по мерзлому грунту.

Технологии разработки грунта в зимний период

Существует 4 основных подхода к разработке грунта в холодный сезон:

Заблаговременное укрытие грунта для предотвращения промерзания. Применяется в тех случаях, когда объем земляных работ относительно невелик и может быть выполнен в течение месяца. Заключается в утеплении грунта соломой, опилками или шлаком с последующим укрытием плотным материалом.
Прогревание мерзлого грунта. Осуществляется с помощью электроэнергии, пара, горячей воды и т.д. По причинам высокой энергоемкости, метод экономически малоэффективен, а потому используется редко.
Рыхление мерзлого грунта взрывным методом, с последующим вывозом. Данный метод может быть применен на относительно крупных площадках в условиях отсутствия плотной городской застройки. Метод требует специалистов высокой квалификации и специального оборудования.
Разрушение мерзлого грунта механическим способом и разработка землеройными машинами. Наиболее распространенный вариант, так как не подразумевает опасных работ или особых затрат энергетических ресурсов. Может применяться практически в любых условиях. В качестве разрушающего элемента используется различное навесное оборудование на стандартную спецтехнику – трактора и экскаваторы.

Механическое разрушение грунта

Для механического измельчения мерзлого грунта применяются следующие методы:

Ударное разрушение;
Резка грунта;
Обработка рыхлителями.

Первый метод подразумевает использование специальных клиньев весом до 3.5 т., которые выпускаются в виде сменных элементов для экскаваторов с решетчатой стрелой. Работа клиньев осуществляется путем поднятия по стреле и последующего свободного сбрасывания на грунт.

Из-за высоких динамических нагрузок, данный метод, приводит к ускоренному износу стрелы экскаватора, тросов и других элементов машины.

Небольшие объемы мерзлого грунта могут быть обработаны отбойными молотками, в том числе ручными.

Помимо этого, для ударного разрушения грунтов используются дизельные и гидравлические молоты.

Для резки грунта применяются специальные навесные режущие ковши, устанавливаемые на экскаваторах. Их отличительной особенностью является форма и длина зубьев, разработанные таким образом, чтобы максимально эффективно разрезать мерзлый грунт.

Так же для резки мерзлого грунта могут использоваться специализированные режущие цепи.

Впрочем, оптимальным вариантом с точки зрения сложность-затраты-результат считается использование навесных тракторных рыхлителей, устанавливаемых на гусеничных машинах. На больших площадках, такие машины целесообразно пускать в комплексе с бульдозерами, которые сразу же снимают слой разрыхленного грунта.

Читайте также: