Винтовые рабочие органы машин для разработки мерзлых грунтов

Москва
ИНФРА-М
2014

ВинтоВые рабочие 

органы машин  
для разработки 
мерзлых грунтоВ

МОНОГРАФИЯ

И.Г. Мартюченко

Мартюченко И.Г.
Винтовые рабочие органы машин для разработки мерзлых грунтов: 
Монография. — М.: ИНФРА-М, 2014. — 200 с. — (Научная мысль). – 
DOI 10.12737/2808 (www.doi.org).

ISBN 978-5-16-009645-2 (print)
ISBN 978-5-16-100951-2 (online)

В монографии рассмотрены вопросы создания винтовых рабочих органов 
машин для разработки мерзлых грунтов. Приведены результаты теоретических и 
экспериментальных исследований процесса взаимодействия винтовых рабочих 
органов с грунтовой средой. Представлены результаты исследований по определению геометрических и силовых параметров винтовых рабочих органов и 
применению тепловой энергии для локального нагрева контактного слоя грунта 
с целью снижения затрат энергии на преодоление сил сопротивления трению. 
Для научных и инженерно-технических работников, научно-исследовательских организаций и вузов.

ББК 38.6-5 

УДК 621(075.4)
ББК 38.6-5
 
М29

© Мартюченко И.Г., 2014
ISBN 978-5-16-009645-2 (print)
ISBN 978-5-16-100951-2 (online)

М29

Рецензенты:
В.В. Слюсаренко — д-р техн. наук, проф.;
А.С. Денисов — д-р техн. наук, проф.

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

ВВЕДЕНИЕ

При выполнении общестроительных, дорожных, мелиоративных и 

других видов строительных работ значительную долю составляют земляные работы, производство которых происходит в сложных условиях. 
К таким условиям, в первую очередь, относятся работы, производимые 
на грунтах повышенной прочности – мерзлых грунтах. Специфичность 
физико-механических свойств мерзлых грунтов, их высокая прочность, 
соизмеримая с прочностью рабочих органов машин, и высокая абразивность затрудняют использование известных технологий и существующего оборудования для выполнения земляных работ. Производство таких работ требует, как правило, применения машин повышенной мощности и соответственно повышенных энергетических затрат.

Несмотря на имеющееся огромное разнообразие средств механиза
ции, методов и совершенствования технологий, вопрос механизации 
зимних земляных работ до настоящего времени остается до конца не 
решенным. В первую очередь, остается открытым вопрос механизации 
трудоемких работ, выполняемых в стесненных условиях. Значительная 
доля земляных работ, в том числе и на мерзлых грунтах, производится 
вблизи существующих строений, действующих предприятий, линий 
электропередач и других, близко расположенных объектов. Близость к 
месту производства работ существующих объектов и сооружений, а 
также ограничения, связанные с малыми размерами строительной площадки, сдерживают применение целого ряда способов разработки грунтов (механических, ударных, взрывных).

Существующий парк землеройных машин, в основном, содержит 

мощную, крупногабаритную технику, которую невозможно использовать в стесненных условиях строительства. Машиностроительная промышленность, в связи с масштабными объемами строительства в предшествующие годы, была ориентирована на выпуск землеройных машин 
повышенной мощности. 

Создание машин повышенной мощности предусматривалось и для 

работ, связанных с разработкой мерзлых грунтов. Технологический 
принцип работы многих видов машин и оборудования этого назначения 
основан на реализации значительных усилий для обеспечения процессов резания или разрушения прочного мерзлого грунта. Поэтому наращивание мощности землеройной техники являлось одним из приоритетов в развитии этих машин.

Альтернативным вариантом повышения эффективности разработки 

мерзлых грунтов является использование новых методов воздействия 
рабочих органов на разрабатываемый грунт. В связи с этим, внимание 
многих ученых направлено на проведение исследований и разработку 
теорий, способствующих созданию новых видов рабочих органов ма

шин и новых технологических принципов их воздействия на грунт, 
дающих возможность наиболее эффективно осуществлять рабочие процессы. 

В поле поиска новых эффективных решений входило и применение 

новых физических методов разработки грунтов. Наибольшее внимание 
уделялось и уделяется вопросам интенсификации разработки мерзлых и 
прочных грунтов с применением энергии высокочастотных колебаний 
звукового и ультразвукового диапазона, газодинамического воздействия, использования газо-воздушной смазки [1].

Значительный вклад в теорию и создание машин и методов разра
ботки мерзлых и прочных грунтов внесли многие ученые. Наиболее 
значительные теоретические и экспериментальные исследования по 
изучению механизма разрушения грунтов содержат работы А.Н. Зеленина, Н.Г. Домбровского, Ю.А. Ветрова, Д.П. Волкова, В.И. Баловнева, 
М.И. Гальперина, И.А. Недорезова, В.Д. Абезгауза, А.Ф. Николаева, 
В.Д. Телушкина, Г.А. Шлойдо, В.В.Сурикова, В.К. Руднева, В.Ф. Бабкова, А.В. Фролова, Д.А. Лозового, А.М. Холодова, Л.А. Хмары,
Л.М. Бобылева, Д. И. Федорова и других, как российских, так и зарубежных ученых. Глубокое изучение процесса механического разрушения грунтов позволило обоснованно подходить к решению задач по созданию новых видов рабочих органов для разработки грунтов. 

Несмотря на значительные теоретические и экспериментальные ис
следования в области разработки мерзлых грунтов, вопросы повышения 
эффективности производства земляных работ на мерзлых грунтах, направленные на снижение силовых и энергетических затрат, все еще требуют дальнейшего своего решения. Особую актуальность имеют задачи 
механизации и совершенствования технологии зимних земляных работ, 
проводимых в стесненных условиях строительства. Решение этих задач 
должно быть направлено на создание новых конструкций рабочих органов, позволяющих расширить диапазон использования существующего 
парка машин, и в первую очередь, машин средних и малых мощностей.

В данной работе рассматриваются вопросы решения проблемы со
вершенствования средств механизации и технологий разработки мерзлых грунтов на основе использования принципа замыкания силового 
потока в системе «рабочий орган – грунтовая среда» за счет применения 
винтовых рабочих органов. Реализация данного принципа способствует 
повышению эффективности процесса взаимодействия рабочего органа с 
грунтом и обеспечивает возможность использования машин средней и 
малой мощности для разработки мерзлых и прочных грунтов в стесненных условиях.

1.
Состояние проблемы разработки 

мерзлых грунтов в строительстве

1.1. Характеристика объектов и условий произ
водства земляных работ в строительстве

Строительное производство отличается самым широким диапазоном 

видов и объемов работ и связано с возведением весьма сложных сооружений, таких как объекты производственного, гражданского, социального и культурного назначения, системы инженерных коммуникаций, 
мелиоративные каналы и т.д.

Строительные объекты имеют большое разнообразие, как по объе
мам производства работ, так и по их видам и технологиям. Наряду с 
такими строительными объектами как одноэтажные жилые дома и сооружения хозяйственного назначения, имеются объекты, отличающиеся 
большими объемами и фронтом земляных работ, например, здания производственного назначения, автомобильные дороги, ирригационные 
сооружения и др. 

Несмотря на разнообразие возводимых объектов, все они характери
зуются практически одной общностью – необходимостью производства 
земляных работ. Земляные работы относятся к числу наиболее распространенных и трудоемких видов строительных работ. По различным 
данным [2, 3, 4] удельный вес земляных работ в общей трудоемкости 
строительства составляет от 10% до 12%. Особенно большие объемы 
выполняются при строительстве дорог, прокладке инженерных коммуникаций, возведении подземных частей зданий и других инженерных 
сооружений. 

Производство земляных работ является одним из дорогостоящих ви
дов строительных работ, на его долю приходится иногда более 10% общей стоимости строительно-монтажных работ, а при строительстве оросительных систем стоимость выполнения земляных работ составляет от 
60% до 70% [2, 4].

Особую сложность представляют земляные работы, проводимые в 

зимнее время года. Анализ литературных источников показывает, что от 
20% до 40% общего объема земляных работ, производимых за год, приходится на разработку мерзлых грунтов, стоимость производства которых в десятки раз превышает стоимость земляных работ в теплое время 
года. Как показывает обобщенный анализ, объемы затраченных средств 
за годовой период на разработку мерзлых грунтов порой соответствуют 

затратам на весь объем земляных работ, выполняемых на немерзлых 
грунтах [4, 5, 6]. 

Учитывая географическое положение России, значительную долю 

таких работ приходится производить в неблагоприятных зимних условиях. По данным гидрометеослужбы, только в III-й климатической зоне, 
в которую входят такие города, как Москва, Саратов, Волгоград и другие города, число дней, когда грунт находится в промерзшем состоянии, 
составляет в среднем от 121 до 182 дней, т. е. от 33% до 49% календарных дней в году. Следует отметить, что глубина промерзания грунта в 
этих климатических зонах может достигать до 1,5 м (рис. 1.1). Кроме 
того, огромная часть территории России, до 47%, занята зоной многолетнемерзлых (вечномерзлых) грунтов. 

Рис. 1.1. Глубина сезонного промерзания и оттаивания грунта [7]

Значительная глубина промерзания грунта и длительность его пре
бывания в этом состоянии являются объективной причиной трудности 
проведения строительных работ, которая вызвана особыми свойствами 
мерзлого грунта: высокой прочностью, сопоставимой с прочностью бетона, и высокой абразивностью. Абразивность мерзлых грунтов, например, в 70…200 раз выше, чем немерзлых, и возрастает с понижением 
температуры. Особые условия производства работ в зимнее время требуют повышенных затрат труда, энергии, применения специальных технологий и средств механизации для выполнения работ.

На трудоемкость и стоимость зимних земляных работ влияет множе
ство факторов. В первую очередь, к ним относятся не соответствие 
уровня механизации видам выполняемых работ, степень реализации 
технологических возможностей используемых машин и оборудования 
на объектах строительства. Значительное влияние оказывают и территориальная рассредоточенность возводимых объектов, оторванность от
развитой дорожной сети и источников энергоресурсов.

Наименее механизированными и, следовательно, дорогостоящими, 

как показывает опыт строительного производства, являются земляные 
работы, производимые в условиях, когда использование существующих 
технологий и машин ограничено рядом факторов. Такие условия принято называть стесненными. К ним относятся:

малые размеры строительной площадки, ограничивающие работу 
и маневрирование строительной техники;

труднодоступность машин и рабочего оборудования к рабочей
зоне выполнения работ;

рассредоточенные объекты с малым объемом земляных работ;

ограничения или недопустимость применения динамических методов воздействия на грунт, которые могут повлечь вредное воздействие на близлежащие инженерные сооружения и другие объекты;

наличие близко расположенных инженерных коммуникаций и 
других сооружений в непосредственной зоне выполнения работ, 
повреждение которых возможно при разработке грунтов.

Как показывает опыт механизации земляных работ, практически на 

всех строительных площадках имеются объекты, ограничивающие применение существующих машин и оборудования для выполнения зимних
земляных работ. 

Анализ проектов сооружений производственного и социального на
значения показывает, что объем земляных работ в труднодоступных для 
машин местах, т.е. в стесненных условиях, составляет до 30% от общего
объема.

Ограниченные размеры места проведения работ не дают возмож
ность применять габаритную технику и обеспечивать ее маневрирование. Для этих условий в значительных объемах приходится использовать ручной труд с применением механизированного инструмента. Значительная доля ручного труда ведет к увеличению стоимости производства зимних земляных работ. Так, по данным литературных источников 
[4], более 11% всех трудозатрат приходится на ручной труд с применением отбойного молотка, производительность которого при имеющихся 
объемах далека от желаемой. 

Особую сложность представляет сооружение свайных фундаментов 

рядом с существующими строениями. На сегодняшний день самым распространенным способом устройства оснований зданий является их
возведение на забивных сваях. Однако, ввиду отрицательного влияния 
ударных нагрузок, которые передаются на близкорасположенные здания и сооружения, в последнее время все более широкое применение 
находят способы погружения свай методом задавливания. Однако, при 
производстве работ этим способом на прочных грунтах, в том числе 
мерзлых, возникает необходимость лидерного бурения скважин под 

задавливаемую сваю. Для этих целей используют установки шнекового 
бурения на базе автомобилей или тракторов. Как правило, работы ведутся одновременно. Буровой установкой бурятся скважины, сваезадавливающим оборудованием осуществляется погружение свай. При этом 
маневрированию и проведению работ мешают оголовки уже погруженных свай, что значительно осложняет ведение работ. 

Проблема производства буровых работ на мерзлых грунтах стоит не 

только при устройстве лидерных скважин под задавливаемые сваи, но и 
при бурении шпуров и скважин для использования тепловых или химических методов оттаивания мерзлого грунта с целью установки нагревательных устройств или инъекцирования химических реагентов. Такие 
работы производятся, как правило, на малообъемных объектах при небольших размерах строительной площадки, что также ограничивает 
возможность применения крупногабаритных машин и оборудования. 

На основе обобщенного анализа объектов гражданского и промыш
ленного назначения можно заключить, что при строительстве и ремонте 
этих объектов существует ряд ограничений при производстве земляных 
работ в стесненных условиях. Поэтому, для проведения работ в таких 
условиях наиболее целесообразным является применение машин, обладающих небольшими габаритами, достаточной маневренностью и обеспечивающих возможность доступа рабочего оборудования к месту выполнения работ.

1.2. Методы и средства производства зимних зем
ляных работ

1.2.1. Основные методы, средства и технологии раз
работки мерзлых грунтов 

Тенденция развития методов и средств разработки мерзлых грунтов 

характеризуется несколькими основными направлениями интенсификации процессов разработки грунтов. Наличие различных путей связано с 
поиском новых эффективных методов воздействия на грунт, учитывающих его специфические свойства. В строительной практике широко 
применяются различные методы и способы разработки мерзлых грунтов. Это связано с разнообразием технологических условий работ, различием видов и объектов производства, наличием энергии, физикомеханическими свойствами грунтов и рядом других причин.

Все многообразие методов можно разделить на две основные груп
пы:

- разработка мерзлых грунтов с предварительной подготовкой 

с целью сохранения или преобразования их в талое (немерзлое) состояние;

– разработка грунтов в твердопрочном, мерзлом состоянии.

К первому методу относятся способы предохранения грунтов от 

промерзания и способы предварительного оттаивания мерзлых грунтов 
за счет теплового или химического воздействия на него.

Для предохранения от промерзания используют разнообразные тех
нологии: снегозадержание, вспашка и боронование, глубокое предзимнее рыхление, утепление теплоизоляционными материалами [8, 9]. 

Общим недостатком методов предохранения грунта от промерзания 

является то, что их можно применять только на ранее запланированных 
объектах, работы на которых предстоит проводить в зимнее время. По 
этой причине эти способы предохранения грунта от промерзания не 
находят широкого применения в строительстве. Эти методы не могут 
быть применены для производства работ в стесненных условиях строительства, так как техника, используемая для этих работ, по своим габаритам и маневренности не отвечает тем требованиям, которые к ней 
предъявляются. 

Для стесненных условий большее применение находят методы от
таивания мерзлых грунтов с помощью паровых, водяных, электрических игл, а также специальных форсунок, но, несмотря на большое разнообразие различных конструкций и способов, используют этот метод в 
исключительных случаях, когда невозможно применение механического рыхления грунта. Применение этого метода ограничено из-за необходимости использования дорогостоящих энергоносителей, дефицитных горючих материалов [8]. Кроме того, из-за малой теплопроводности 
грунта глубина оттаивания за один цикл оказывается незначительной, и, 
как следствие этого, способ оттаивания грунта является одним из самых 
энергозатратных и дорогостоящих. Энергоемкость этого способа в десятки раз превышает энергоемкость механических методов разработки 
мерзлых грунтов (табл. 1.1). 

Существенным недостатком способов оттаивания грунта с помощью 

его нагрева является также то, что разработанный в оттаянном состоянии грунт быстро смерзается на открытом воздухе и его использование 
для обратных засыпок или другого технологического применения сильно усложняется, а порой и исключается. Все вышеназванные факторы 
ограничивают применение тепловых способов оттаивания грунта в 
строительстве.

Таблица 1.1

Показатели различных способов разработки мерзлых грунтов

Способ разработки
Энергоемкость,

кВт . ч/м3
Трудоемкость,

чел . дн/м3

Предохранение от промерзания
1,36
0,02-0,002

Оттаивание:

Огневое
136
0,11-0,14

Паровое
190
0,16

Электрическое
81
0,7-0,28

Прочее
0,05-0,06

Ручная разработка
1,9

Механизированный ручной инструмент
17,7
0,57-0,85

Буровзрывной
1,4
0,048

Механические способы:

Резание
5,45
0,003-0,09

Удар
0,55
0,005-0,05

Вибрация
1,64
0,044-0,08

отрыв от массива
0,28
0,005

Более распространенными методами подготовки мерзлого грунта к 

разработке являются методы химического оттаивания мерзлого грунта с 
использованием химических реагентов или предварительного засоления 
грунта. 

Эффективность оттаивания зависит от глубины проникновения в 

грунт химических реагентов, для чего производят бурение шпуров или 
послойное боронование оттаянного грунта. Необходимость использования большого количества техники для производства работ, связанных с 
выполнением операций по подготовке площадки, бурению шпуров или 
боронованию грунта и разливу химического реагента определяют высокую стоимость и трудоемкость работ. Следует отметить также, что применение этого метода связано с неблагоприятным воздействием химических веществ на окружающую среду. 

Ввиду перечисленных недостатков методы предварительной подго
товки мерзлого грунта оттаиванием являются экономически невыгодными. Свидетельством этого является то, что их доля в общем производстве работ составляет 0,1% (табл. 1.2).