Методы снижения энергозатрат при разработке мерзлых и прочных грунтов

И.Г. МАРТЮЧЕНКО

МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ 
ЭНЕРГОЗАТРАТ ПРИ 
РАЗРАБОТКЕ МЕРЗЛЫХ 
И ПРОЧНЫХ ГРУНТОВ

2004

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Саратовский государственный технический университет

И.Г. МАРТЮЧЕНКО

МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ 
ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕРЗЛЫХ 
И ПРОЧНЫХ ГРУНТОВ

Саратов 2004

УДК 624.139: 624.132.3 
ББК 39.311-06-5 
М 65

Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор 
Саратовского государственного аграрного университета 
В.В. Слюсаренко 
Доктор технических наук, профессор, 
зам. директора ФГУП СНПЦ «Росдортех»
А.В. Кочетков

Одобрено 
редакционно-издательским советом 
Саратовского государственного технического университета

Мартюченко И.Г.

М65 Методы снижения энергозатрат при разработке мерзлых и прочных
грунтов. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2004. 150 с.
ISBN 5-7433-1396-2

Рассмотрен метод разработки мерзлых и прочных грунтов, основанный на применении и совершенствовании конструкций винтовых рабочих органов, обеспечивающих 
интенсификацию рабочих процессов разработки грунтов и способствующих снижению 
удельных энергозатрат при производстве зимних земляных работ. Приводятся аналитические исследования по определению геометрических и силовых параметров винтовых 
рабочих органов. Представлены результаты исследований по применению тепловой 
энергии для локального нагрева контактного слоя грунта с целью снижения затрат 
энергии на преодоление сил сопротивления трению. Даны описания конструкций и результаты экспериментальных исследований оборудования с винтовыми рабочими органами для рыхления мерзлых и прочных грунтов, бурения скважин и анкерного крепления объектов к грунту.
Для научных и инженерно-технических работников, научно-исследовательских 
проектных организаций и вузов.

Ил. 59. Табл. 10 Библиогр. 113 назв

УДК 624.139: 624.132.3 
ББК 39.311-06-5

ISBN 5-7433-1396-2

© Саратовский государственный 
технический университет, 2004 

О Мартюченко И.Г., 2004

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................5
1. Состояние проблемы разработки прочных 
и мерзлых грунтов 
7
1.1. Основные методы и оборудования для разработки прочных и мерзлых 
грунтов...................................................................................................................... 7
1.2. Основные направления интенсификации разработки прочных 
грунтов...................................................................................................................11
2. Научные 
предпосылки 
к 
совершенствованию технологических
процессов разработки прочных 
и мерзлых фунтов...................................28
2.1. Анализ факторного пространства, характеризующего процесс 
взаимодействия винтовых рабочих органов с грунтом................................ 28
2.1.1.Анализ физико-механических свойств мерзлых грунтов..................... 28
2.1.2.Анализ факторного влияния на процесс взаимодействия с грунтом 
существующих рабочих органов......................................................................... 33
2.2. Общая программа исследований..................................................................44
2.2.1 .Основные методические положения....................................................... 44
3. Теоретические 
исследования 
процессов 
взаимодействия 
винтовых 
рабочих органов с фунтом................................................................................. 46
3.1. Определение сил деформации грунта в зоне его контакта с 
поверхностью винтового рабочего органа...................................................... 47
3.1.1 .Определение исходных зависимостей...................................................... 47
3.1.2. Силы деформации грунта элементами заходной части винтового 
инструмента......................................................................................................... 53
3.1.3. Силы контактного давления винтовой лопасти на грунт под 
воздействием внешней нагрузки.........................................................................58
3.2. Анализ процесса работы винтовых рабочих органов и выбор основных 
параметров.............................................................................................................61
3.2.1. Определение влияния геометрических параметров винтового 
рабочего органа на его тяговую способность................................................. 61
3.2.2. Определение минимальной глубины завинчивания..................................67
3.2.3. Определение зависимости величины крутящего момента от 
геометрических параметров и грунтовых условий 
 
69
3.2.4. Анализ результатов теоретических исследований влияния 
геометрических параметров на эффективность работы винтовых
рабочих органов..................................................................................................... 71
3.3. Аналитические исследования применения тепловой энергии для 
образования жидкостной смазки в мерзлом грунте....................................73
3.3.1.Теоретические предпосылки получения смазки в грунте при локальном 
нагреве винтового рабочего органа...................................................................73
3.3.2. Определение температурного поля при взаимодействии нагреваемого 
винтового рабочего органа с мерзлым грунтом............................................. 76
3.3.3. Определение количества тепла, необходимого 
для получения 
слоя жидкостной смазки.................................................................................... 84

3

3.3.4Анализ результатов теоретических исследований применения 
тепловой энергии для образования жидкостной смазки в мерзлом
грунте............................. 
 
89
4. Экспериментальные 
исследования 
основных 
параметров 
и
технологических принципов работы винтовых рабочих органов................93
4.1. Общая методика экспериментальных исследований. 
Экспериментальное лабораторное оборудование......................................... 93
4.2.Исследование физического процесса взаимодействия винтовых рабочих 
органов с грунтовой средой1 
1....................................................................100
4.3. Исследование тяговых способностей винтового рабочего органа......107
4.4.Результаты лабораторных и полевых исследований винтового
бурового инструмента...................................................................................... 117
4.4.1. Конструктивные особенности винтового бура...............................117
4.5. Определение рациональных параметров винтовых анкеров................124
4.6. Влияние локального нагрева винтовых рабочих органов на
энергоемкость процесса внедрения в мерзлый грунт...................................131
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................... 143
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..............................................................145

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 
фунтах повышенной прочности, в том числе на мерзлых фунтах. 
Специфичность физико-механических свойств мёрзлых фунтов, их 
высокая прочность, соизмеримая с прочностью рабочих органов машин, и 
абразивность 
зафудняет 
применение 
известных 
технологий 
и 
оборудования для выполнения земляных работ. Производство таких работ 
требует применения машин и оборудования повышенной мощности и 
соответственно повышенных энергетических зафат.
Значительная доля земляных работ, в том числе и на прочных 
фунтах, производится в городах и поселках, вблизи действующих 
предприятий, линий элекфопередач и других близко расположенных 
инженерных сооружений и коммуникаций. Близость к месту производства 
работ инженерных сооружений и коммуникаций, а также офаничения, 
связанные с малыми размерами сфоительной площадки, и другие 
стесненные условия сдерживают применение целого ряда способов 
(механических ударных, взрывных) разработки фунтов.
Несмофя на огромное разнообразие методов, средств механизации 
и совершенствования технологий, уровень выполнения земляных работ, 
особенно в мерзлых и прочных фунтах, отстает от современных 
фебований, предъявляемых практикой и экономикой различных отраслей 
хозяйства. Существующий парк землеройных машин в большей своей 
части мало соответствует указанным условиям проведения работ. Поэтому

5

поиск путей снижения энергозатрат, в том числе за счет обеспечения 
возможности применения машин малой мощности, которые в зимнее 
время, как правило, не используются, является острой и актуальной 
проблемой современного строительного производства.
Многие создатели землеройных машин ведут свою работу в 
поисках 
эффективных 
методов 
воздействия 
рабочих 
органов 
на 
разрабатываемый грунт. Повысить эффективность производства земляных 
работ можно путем совершенствования существующих и разработки 
принципиально новых методов разработки мерзлых и прочных фунтов, 
консфуирования на базе этих методов высокопроизводительных и 
универсальных рабочих органов. Важное значение имеет создание новых 
консфукций 
рабочих 
органов, 
позволяющих 
расширить 
диапазон 
использования существующего парка машин, и в первую очередь, средних 
и малых мощностей.
До настоящего времени наиболее эффективными и изученными 
являются механические методы разрушения фунтов.
Наиболее 
значительные 
теоретические 
и 
экспериментальные 
исследования по изучению механизма разрушения фунтов 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 и других ученых. Глубокое 
изучение 
процесса 
механического 
разрушения 
фунтов 
позволило 
обоснованно подходить к решению задач по созданию новых видов 
рабочих органов для разработки фунтов.
Вопросы 
комбинированных методов разрушения мерзлых и 
прочных фунтов, сочетающие механическую и другие виды энергии 
воздействия 
на 
фунт, 
в 
настоящее 
время 
являются 
объектами 
исследований многих ученых. Наибольшее внимание уделяется вопросам 
интенсификации разработки мерзлых и прочных фунтов с применением 
энергии 
высокочастотных 
колебаний 
звукового 
и ульфазвукового 
диапазона, газодинамического воздействия, использования газовоздушной 
смазки [1]. Решению данных задач посвящены работы B.J1. Бападинского, 
В.И. Баловнева, В.В. Карпова, В.К. Руднева, Д.И. Федорова, Л.А. Хмары.
Несмофя на значительные теоретические и экспериментальные 
исследования в области разрушения мерзлых фунтов, вопросы снижения 
энергозафат при производстве земляных работ в зимнее время до 
настоящего времени исследованы недостаточно.

1. Состояние проблемы разработки прочных 
и мерзлых грунтов

1.1. Основные методы и оборудования для 
разработки прочных и мерзлых грунтов

В настоящее время в практике строительства широко используются 
различные 
методы 
и 
способы разработки 
мёрзлых 
грунтов. 
Это 
определяется различием технологических условий работ, различием видов 
и объектов разработки, наличием энергии и соответствующего типа 
машин, 
физико-механическими 
свойствами 
фунтов, 
величиной 
и 
продолжительностью действия отрицательной температуры и другими 
причинами.
Всё многообразие методов можно разделить на две основные 
фуппы:
- разработка мёрзлых фунтов с предварительной подготовкой с 
целью сохранения или преобразования его в талое (немёрзлое) состояние;
- разработка фунтов в твёрдопрочном, мёрзлом состоянии.
К первому методу относятся способы предохранения фунтов от 
промерзания и способы предварительного оттаивания мёрзлых фунтов за 
счёт теплового воздействия на него.
Для предохранения от промерзания используются различные 
технологии: от предварительной вспашки фунта и снегозадержания, до 
утепления фунта различными теплоизоляционными материалами. В 
качестве теплоизоляционных материалов используются опилки, пена, 
получаемая воздушно-механическим путём из раствора карбомидной 
смолы и других материалов. Однако применение методов предохранения 
фунта от промерзания возможно только на ранее известных объектах, 
работы на которых предстоит проводить в зимнее время.
Оттаивание 
мёрзлых 
фунтов 
с 
использованием 
каких-либо 
нафевателей рекомендуется, как правило, применять в исключительных 
случаях - при невозможности применения взрывного или механического 
рыхления. Этот способ применяют при сравнительно небольших объёмах 
подготавливаемого фунта:
оттаивание небольших котлованов, участков фаншей, вводов 
и т.д. в труднодоступных местах и стеснённых условиях;
при близком расположении к месту работ фубопроводов, 
кабелей и других подземных сооружений; 
при аварийных и ремонтных работах.

7

Оттаивание грунта с помощью паровых, водяных, электрических 
игл, а также специальных форсунок, несмотря на большое разнообразие 
различных конструкций и способов, не нашло широкого применения из-за 
необходимости 
использования 
дорогостоящих 
энергоносителей, 
дефицитных 
горючих 
материалов. 
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 энергоёмких.
Как видно из сравнения показателей 
различных способов 
разработки мерзлых грунтов, представленных в табл. 1.1, способы 
оттаивания грунтов-самые энергоемкие. Кроме того, применение метода 
предварительной подготовки грунта увеличивает сроки производства 
работ и трудоёмкость их выполнения. 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.

Таблица 1.1
Показатели различных способов разработки мёрзлых грунтов

Способ разработки
Энергоёмкость, 

кВт ч/м3

Трудоёмкость, 

чел дн/м3

Предохранение от промерзания
0,02-0,002

Оттаивание:

огневое
136
0,11-0,14

паровое
190
0,16

электрическое
81
0,7-0,28

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

8

В связи с этим наиболее широкое распространение получили 
механические 
способы 
разработки 
грунтов 
в 
мёрзлом 
состоянии. 
Механическими способами производится до 85% всего объёма зимних 
земляных 
работ 
[2]. 
Причинами 
этого 
является 
повышенная 
эффективность выполнения работ, сочетающая в себе более высокую 
производительность, 
меньшую 
энергоемкость 
и 
более 
широкую 
возможность применения этих методов в зависимости от условий 
производства работ.
Показательно распределение механических способов разработки 
мёрзлых грунтов в общем объёме производства зимних земляных работ. 
Удельный вес применимости этих способов представлен в табл. 1.2. Как 
видно из таблицы, основная доля (74,7%) работ по разрушению мёрзлых 
грунтов приходится на два механических способа рыхления: разрушение 
грунта гидромолотом (42,8%) и рыхлителями на тракторах (31,9%). Два 
этих способа рыхления реализуют такую схему воздействия на грунт, при 
которой происходит его разрушение методом отрыва. Данная схема 
разрушения требует наименьших энергозатрат.

Таблица 1.2

Распределение способов разработки мёрзлых грунтов 

в общем объёме работ

Способы подготовки и разработки 

мерзлых грунтов

Удельный 

вес, %

Предохранение от промерзания
1,1

Оттаивание грунта
0,1

Взрывные способы
4,2

Фрезерными машинами
0,1

Баровыми машинами
14,7

Клин-молотом на экскаваторах
42,8

Рыхлителями на одноковшовых экскаваторах
1,1

Рыхлителями на тракторах
31,9

Многоковшовыми экскаваторами и траншеекопателями
3,3

Ручными машинами
0,3

Прочими способами
0,4

9