Машины и оборудование для разработки и бурения мерзлых грунтов

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Федеральное агентство по образованию 

Саратовский государственный технический университет

И.Г. Мартюченко

МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ 
И БУРЕНИЯ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Учебное пособие 
по курсу «Строительные и дорожные машины» 
для студентов специальности 
«Подъемно-транспортные, строительные 
и дорожные машины и оборудование»

Саратов 2009

УДК 624.139.002.5 
ББК 39.3 И -06-5 
М 29

Рецензенты:
Кафедра «Строительные и мелиоративные машины» 
Саратовского государственного аграрного университета 
им. Н.И. Вавилова 
Доктор технических наук, профессор 
Ф.К. Абдразаков

Одобрено 
редакционно-издательским советом 
Саратовского государственного технического университета

Мартюченко И.Г.
М 29 Машины и оборудование для разработки и бурения мерзлых фунтов 
учеб. пособие / И.Г. Мартюченко. Саратов: Сараг. гос. техн. ун-т, 
2009. 101 с.
ISBN 978-5-7433-2067-7

В учебном пособии рассмотрены состояние и тенденции развития в стране 
и за рубежом механизации земляных и буровых работ в условиях мёрзлых и 
вечномёрзлых грунтов.
Дана оценка физико-механических свойств мёрзлых фунтов и анализ 
применения различных видов оборудования для производства земляных работ. 
Рассмотрены методы и виды оборудования для бурения скважин в мёрзлых 
фунтах при фундаментном строительстве. Приведены конструкции бурового 
инструмента. Даны основы расчёта некоторых видов оборудования.
Пособие предназначено для студентов специальности 190205 «Подъёмнотранспортные. строительные и дорожные машины» и может быть использовано 
инженерно-техническими 
работниками, 
занимающимися 
разработкой 
оборудования для земляных и буровых работ.

УДК 624.139.002.5 
ББК 39.311-06-5

ISBN 978-5-7433-2067-7

© Саратовский государственный 
технический университет, 2009 
© Мартюченко И.Г., 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................4

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ............................5

2.МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ

ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ...............................................9

3.МАШИНЫ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ

ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ОБЩЕСТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ.................. 13

3.1 .Машины для разработки мёрзлых фунтов резанием 
I 3

3.2.Машины для разработки мёрзлых фунтов методом скола 
I 7

3.3.Выбор и расчёт основных параметров навесных рыхлителей 
статического действия............................................................................................26

4.МАШИНЫ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ В 
СТЕСНЕННЫХ УСЛОВИЯХ СТРОИТЕЛЬСТВА................................... 33

4.1.Навесное мерзлоторыхлительное оборудование на базе одноковшовых 
экскаваторов............................................................................................................. 33

4.2.Мерзлоторыхлительное оборудование

с замкнутым силовым потоком............................................................................37

4.3.Выбор и расчёт основных параметров винтоклиновых 
мерзлоторыхлителей............................................................................................... 43

5.МЕТОДЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА 
ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ ПРИ СООРУЖЕНИИ СВАЙНЫХ 
ФУНДАМЕНТОВ НА МЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ..............................................51

5.1.Машины и оборудование для производства буровых работ в мерзлых 
фунтах в строительстве.........................................................................................53

5.2.Буровой инструмент для бурения в мерзлых ф унтах..............................66

5.3.Выбор и расчёты основных параметров оборудования

для бурения скважин инструментом режущего типа...................................... 74

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................... 79

ВВЕДЕНИЕ

При выполнении строительных работ значительную долю в общем 
объёме составляют земляные работы, производимые в сложных условиях. 
В 
первую очередь, это работы, производимые при отрицательных 
температурах воздуха и фунта, и работы, производимые в стеснённых 
условиях, т.е. офаничение фронта работ и наличие близко расположенных 
инженерных 
сооружений 
и 
коммуникаций. 
Существующий 
парк 
землеройных машин 
в большей 
своей части 
мало удовлетворяют 
указанным условиям.
Кроме того, отдельную проблему представляет бурение скважин при 
фундаментном строительстве в фунтах с офицательной температурой. 
Специфичность 
физико-механических 
свойств 
мёрзлых 
фунтов 
затрудняет применение известных технологий 
и оборудования для 
производства буровых работ.
В данном учебном пособии рассмотрены методы и машины для 
производства земляных и буровых работ в зимних условиях строительства. 
Дан 
анализ 
и 
показаны 
тенденции 
развития 
машин 
и 
рабочего 
оборудования для выполнения указанных работ. Приведены основы 
расчета некоторых видов оборудования.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЁРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Под термином «грунт» понимаются рыхлые горные породы коры 
выветривания 
скальной 
оболочки 
Земли 
(литосферы), 
несвязанные 
(сыпучие) или связанные, прочность связей которых во много раз меньше 
прочности 
самих 
минеральных 
частиц. 
Характерной 
особенностью 
грунтов как природных тел, является раздробленность, дисперсность, что 
является отличием их от скальных (твёрдых и крепких) пород [1].
В состав природных грунтов входят три группы элементов: 1) твёрдые 
минеральные частицы; 2) вода в различных видах и состояниях; 3) 
газообразные включения.
Все 
виды 
грунтов, 
имеющие 
отрицательную 
температуру 
и 
содержащие в своём составе лёд, относятся к мёрзлым грунтам.
В зависимости от продолжительности пребывания фунтов в мерзлом 
состоянии они подразделяются на вечномерзлые (находящиеся в мёрзлом 
состоянии от 3-х и более лет) и сезонномерзлые грунты. Глубина 
промерзания сезонномерзлых фунтов составляет в разных климатических 
зонах от нескольких десятков сантиметров до 2,5.. .3 метров. Толщина 
залегания слоя вечной мерзлоты колеблется от 5 до 1200 м.
При рассмотрении мерзлых фунтов 
как рабочей среды машин и 
оборудования, предназначенных для их разработки, представляют интерес 
следующие физико-механические свойства:
- 
механическая прочность;
- 
хрупко-пластично-вязкие свойства;
- 
высокая нестабильность механических характеристик;
- 
абразивность;
- теплофизические параметры (теплоемкость, теплопроводность и 
температуропроводность);
- 
электропроводность;
- 
диэлектрическая проницаемость.
Особенности свойств мерзлых фунтов определяются сложностью их 
четырехкомпонентной структуры, состоящей из твердых минеральных 
частиц, льда, незамершей рыхло- и прочносвязанной воды (замерзающей 
при температуре от -20 до -190°С), газов (воздух и пары воды).
Основу скелета фунта составляют минеральные частицы - частицы 
фунта, которые различают по размеру, форме и составу. По крупности они 
подразделяются на песчаные частицы размером 2-0,05 мм в поперечнике, 
пылевые частицы 0,05-0,005 мм и глинистые 0,005 мм и менее.

Наибольшее 
влияние 
на свойства 
мерзлых 
ф у т о в  оказывает 
сцементированность минеральных частиц льдом. Степень цементации 
определяется объемной льдистостью, т.е. соотношением количества льда и 
минеральных частиц в 
грунте: слабольдистые -  льда менее 25%, 
льдистые -  льда 25...50%, сильнольдистые -л ьд а свыше 50%.
Физико-механические свойства грунта значительно меняются от 
соотношения составляющих его фаз, от сил внешнего воздействия на 
фунт, 
его 
температурного состояния. 
Наибольшей 
механической 
прочностью обладают фунты с влажностью, не превышающей полной 
влагоёмкости и с малым по времени процессом замораживания. В таких 
фунтах практически отсутствует скопление кристаллов льда-цемента, в 
результате чего образуется монолит со слитой криогенной структурой, 
когда лед равномерно распределен в порах фунта. Меньшей прочностью 
обладают фунты, представляющие слоистую структуру, когда лед 
находится в виде параллельных линз, прослоек, а также фунты, имеющие 
ячеистую структуру с включениями льда в виде равномерной сетки. Льдоцементные связи в таком фунте оказываются слабее, и разработка такого 
грунта вызывает меньше трудностей [2,3].
Мёрзлые фунты по степени цементации их льдом и по реологическим 
свойствам 
подразделяются 
на 
твёрдомёрзлые, 
пластичномерзлые 
и 
сыпучие.
К твёрдомёрзлым относятся грунты, прочно сцементированные льдом 
и характеризуемые относительно хрупким разрушением и практически 
несжимаемостью под нафузкой [1].
К пластичномёрзлым относятся фунты, сцементированные льдом, но 
обладающие вязкими свойствами и характеризуемые сжимаемостью под 
нагрузками. К этим грунтам относятся также песчаные и глинистые со 
степенью заполнения объёма пор фунта льдом и незамёрзшей водой 
G>0,8, если их температура находится в диапазоне температур начала 
замерзания и твердения фунта.
Вязкие свойства мёрзлого грунта обусловлены перемещением во 
времени минеральных частиц, течением кристаллов льда и плёнок 
незамёрзшей воды.
К сыпучемёрзлым относятся фунты крупнообломочные и песчаные, 
не сцементированные льдом вследствие их малой влажности.
Цементационные связи между кристаллами льда и минеральным 
скелетом фунта осуществляется через пленки незамерзшей воды. Ее 
количество влияет на прочность и упруго-пластично-вязкие свойства 
мерзлого грунта. С ростом количества незамерзшей воды пластичность 
мерзлого грунта увеличивается, а с уменьшением ее доли -  уменьшается.
Льдистость 
и 
количество 
незамерзшей 
воды 
зависят 
от 
гранулометрического состава, относительной влажности и величины 
отрицательной температуры в данный момент.

В тонкодисперсных грунтах (глины, суглинки) при прочих равных 
условиях незамерзшей воды больше, чем в крупнофракционных (пески, 
супеси). Отсюда -  более высокая механическая прочность и повышенная 
хрупкость последних.
Понижение 
температуры 
увеличивает 
льдистость 
грунтов 
при 
возрастании прочности самого льда. Одновременно уменьшается и 
количество незамерзшей воды. Этот приводит к повышению механической 
прочности мерзлого грунта, который при этом ведет себя как хрупкая 
среда. Так, при понижении температуры от 
-  5 до -  40"С прочность 
грунтов разного гранулометрического состава увеличивается в 3...8 раз. 
Наиболее резко прочность грунта повышается в моменты перехода из 
талого состояния в пластично-мерзлое и из пластично-мерзлого в 
твердомерзлое. 
Температурная 
зона 
этих 
переходов 
0 ...- 
4°С 
в
зависимости от гранулометрического состава фунта.
На механическую прочность мерзлого фунта влияет скорость 
приложения механической нагрузки. Известно, что при повышении 
скорости приложения нафузок увеличивается величина сопротивления 
фунтов сжатию и растяжению. При разработке мёрзлых фунтов скорость 
отделения стружки фунта составляет, как правило, менее 1 с. В этом 
интервале нагружения свойства мёрзлого фунта сильно изменяются и 
предел прочности в 5-15 раз превышает предел прочности длительного 
нафужения [2]. При этом увеличивается хрупкость фунта и склонность к 
разрушению от растягивающих напряжений.
Абсолютные значения механической прочности мерзлых фунтов в 
десятки раз превышают прочность немерзлых фунтов. Прочность на 
сжатие их, например, может достигать 20...40 МПа, что соответствует 
прочности бетона марок 200...400. При этом мерзлые фунты обладают 
различной 
сопротивляемостью 
разрушению 
при 
различных 
видах 
деформации. Данные показатели представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1
Сопротивление мёрзлых фунтов и льда различным видам 
деформации

Вид
сопротивления
Температура, °С
Влажность,
%

Предел прочности, МПа
песок
супесь
суглинок
глина
лёд

Разрыв (ар)
-1
17-22
0,62
0,77
0,87
0,55
0,55
Сжатие (асж)
-1
-II5,21
5,19
2,55
2,05
1,2
Разрыв (О).)
-10
-//1,66
2,23
2,09
2,01
1
Сжатие (сгсж )
-10
-//10,77
13,38
10,57
6,41
3,05

Разрыв (ар)
-25
-//4,41
4,9
4,3
2,94
1,55
Сжатие (асж)
-25
-//19,1
16,7
8,33
4,2

Если удельные сопротивления одноосному растяжению <т 
принять

за единицу и сравнить с ними среднее значения сопротивлению мёрзлого 
фунта сжатию, сдвигу и изгибу, то можно получить относительные 
соотношения сопротивления мёрзлых фунтов разрушению, значения 
которых представлены в табл. 1.2 [3, 4].

Таблица ] .2
Относительные соотношения удельного сопротивления мёрзлого 
фунта и льда различным видам деформации

Характер
деформации
Разрыв
Сжатие
Сдвиг
Изгиб
Резание
Вдавливание
Среднее значение 
относительного 
показателя для 
мёрзлого грунта

1
3
1,7
2
7
21

Среднее значение 
относительного 
показателя для льда
1
2.6
4
1,9

Из 
анализа 
механических 
свойств 
мёрзлых 
грунтов 
и 
его 
сопротивления разрушающим нагрузкам следует, что при проектировании 
и 
создании 
мерзлоторыхлительного 
оборудования 
и 
инструмента, 
необходимо 
предусматривать 
возможность 
реализации 
наименее 
энергоёмких способов разрушения 
разрывом, сдвигом, изгибом. Кроме 
того, процесс разрушения должен осуществляться крупным сколом, т.е. 
без излишнего измельчения фунта, с целью сокращения энергозатрат.
Важным 
свойством 
мерзлых 
грунтов 
является 
их 
высокая 
абразивность. Способностью истирать при фении материал рабочих 
органов машин обладают и немерзлые фунты. Но у мерзлых грунтов 
изнашивающая способность в 70...200 раз выше. Так, например, стойкость 
наконечника зуба навесного рыхлителя, изготовленного из стали Г 13, на 
песчаных мерзлых фунтах не превышает 10... 12 часов работы.
Высокая абразивность мерзлых грунтов объясняется закреплением 
абразивных частиц, цементирующим льдом. Если в немерзлых фунтах эти 
частицы имеют возможность повернуться к ножу наиболее округлой 
стороной, то в мерзлых этого не происходит. Процесс трения в зоне 
взаимодействия 
мерзлого 
фунта 
с 
рабочим 
органом 
аналогичен 
шлифованию металла абразивным кругом с той разницей, что мерзлый 
фунт является абразивом с самозатачивающейся бесконечной абразивной 
поверхностью.
При термических, термомеханических, электротермических и других 
способах 
разрушения 
или 
разупрочнения 
мерзлого 
фунта 
с

использованием 
тепловой 
энергии 
важны 
его 
теплофизические 
характеристики, изменяющиеся в зависимости от вида грунта, его 
структуры, 
плотности, 
влажности, 
температуры. 
Изменение 
температурного 
поля 
обусловливает 
появление 
предельных 
термомеханических напряжений в массиве, фазовые переходы и изменение 
сопротивления разрушению. Скорость изменения температурного поля и 
степень его концентрации зависят, прежде всего от теплоемкости, 
теплопроводности и температуропроводности фунта.

2. МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ 

ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

В 
строительстве 
используются 
различные 
методы 
и 
способы 
разработки мёрзлых грунтов. Это связано с различными условиями 
производства работ, разными видами и объектами разработки, наличием 
энергии, физико-механическими свойствами мерзлых фунтов, величиной 
и продолжительностью действия отрицательной температуры и т.п.
Всё существующее многообразие методов производства земляных 
работ можно разделить на два основных:
- разработка мёрзлых фунтов с предварительной его подготовкой с 
целью преобразования его в талое (немёрзлое) состояние;
- разработка фунтов в твёрдопрочном, мёрзлом состоянии.
К первому методу относятся способы предохранения грунтов от 
промерзания и способы предварительного оттаивания мёрзлых грунтов за 
счёт теплового воздействия на него.
Для предохранения от промерзания используются различные способы -  
от предварительной вспашки грунта и снегозадержания до утепления 
грунта 
различными 
теплоизоляционными 
материалами. 
В 
качестве 
теплоизоляционных материалов применяются опилки, пена, получаемая 
воздушно-механическим путём из раствора карбамидной смолы и других 
материалов. Однако методы предохранения фунта от промерзания 
возможно использовать только на ранее известных объектах, работы на 
которых предстоит проводить в зимнее время.
Оттаивание мёрзлых грунтов с помощью каких-либо нагревателей 
рекомендуется, как правило, применять в исключительных случаях -  при 
невозможности применения взрывного или механического рыхления. Этот 
способ 
применяют 
при 
сравнительно 
небольших 
объёмах 
подготавливаемого грунта -  оттаивание небольших котлованов, участков 
траншей, вводов и т.д.; в труднодоступных местах и стеснённых условиях; 
при близком расположении к месту работ трубопроводов, кабелей и 
других подземных сооружений; при аварийных и ремонтных работах.

q

Применимость различных способов разработки мерзлых грунтов 
представлена в табл. 2.1.

Таблица 2.1

10

Показатели различных способов разработки мёрзлых грунтов

Способ
Энергоёмкость,
кВт-ч/м3
Трудоёмкость,
чел-дн/м3
I
2
3
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
17,7
0,57-0,85
инструмент
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

Оттаивание грунта с помощью паровых, водяных, электрических игл, 
а также специальных форсунок, несмотря на большое разнообразие 
различных конструкций и способов, не нашли широкого применения из-за 
необходимости 
использования 
дорогостоящих 
энергоносителей, 
дефицитных 
горючих 
материалов. 
Кроме 
того, 
из-за 
малой 
теплопроводности фунта глубина оттаивания за один цикл оказывается 
незначительной и, как следствие этого, способ оттаивания фунта является 
одним из самых энергоёмких.
Применение метода предварительной подготовки фунта увеличивает 
сроки производства работ и трудоёмкость их выполнения. Разработанный 
в оттаянном состоянии фунт бысфо смерзается на открытом воздухе, и 
его использование для обратных засыпок сильно усложняется, а порой и 
исключается.
В связи с этим широкое распросфанение имеют механические 
способы разработки грунтов в мёрзлом состоянии. Этими способами 
производится до 85% всего объёма зимних земляных работ [5].
Показательной является доля отдельных механических способов 
разработки мёрзлых фунтов в общем объёме производства зимних 
земляных работ. Удельный вес этих способов разработки мёрзлых фунтов 
представлены в табл. 2.2.