Строительство и ремонт

Технология и организация сельского строительства

А.А. Алексеев

§ 14. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ

Процесс производства земляных работ в общем случае состоит из рыхления, отрыва и выемки (разработки) грунта, перемещения его к месту разгрузки в насыпь или в отвал и укладки грунта с разравниванием и уплотнением. В настоящее время в сельском строительстве применяют три способа разработки грунта: механический, гидромеханический и взрывной.

Механический способ заключается в отделении части грунта резаньем при помощи зубьев ковша, ножом или резцом; гидромеханический— в размыве грунта струей воды под давлением до 300 МПа из гидромонитора или всасывании грунта землесосом из-под воды; взрывной способ заключается в разрушении грунта путем взрыва, а при необходимости также и в перемещении земляных масс в нужном направлении силой газов, образующихся при сгорании взрывчатых веществ (взрыв на выброс).

Каждый из этих способов имеет свою область применения.

Машины для разработки грунта резаньем делят на следующие группы:

землеройные экскаваторы выбирают грунт за счет движения рабочего органа — ковша. По характеру рабочего процесса экскаваторы делят на машины периодического (цикличного) действия— одноковшовые  и   машины   непрерывного действия —

многоковшовые;      

машины и оборудование для гидромеханизации выполняют разработку, транспортирование и укладку грунта при помощи энергии потока воды.

В сельском строительстве разработку грунтов ведут в основном одноковшовыми экскаваторами, бульдозерами, скреперами и автогрейдерами.

Выбор способов производства земляных работ зависит от размеров и объемов земляных сооружений, свойств грунтов, наличия грунтовых вод и других условий.

Разработка грунтов одноковшовыми экскаваторами. Одноковшовый экскаватор — самоходная машина с одним ковшом, предназначенный для разработки грунтов с последующим перемещением н выгрузкой их в отвал или в транспортные средства. Экскаваторы классифицируют по. признакам: назначению и виду рабочего оборудования; ходового и силового оборудования.

По назначению и виду рабочего оборудования, а также по конструктивным особенностям экскаваторы подразделяют на строительные, карьерные, вскрышные и шагающие драглайны. По виду ходового оборудования различают экскаваторы на гусеничном, шагающем и пневмоколесном ходу.

Строительные экскаваторы являются универсальными, так как приспособлены для выполнения различных земляных общестроительных работ за счет смены своего рабочего оборудования в короткий срок и непосредственно в условиях строительной площадки. Они могут иметь следующее сменное оборудование (рис. 1.12): прямую лопату, обратную лопату, драглейн, грейфер, кран, копер для забивки свай, корчеватель пней. Первые три имеют жесткую кинематическую связь между ковшом и стрелой; драглайн и грейфер имеют гибкую канатно-подвесную связь со стрелой.

Тип одноковшового экскаватора выбирают при разработке проекта производства работ в зависимости от объемов работ, сроков их выполнения, рельефа местности, размеров выемки, условий выгрузки грунта.

Одноковшовые экскаваторы работают в забоях — рабочая зона, включающая рабочее место экскаватора, часть массива грунта, отрываемого с одной стоянки, площадку для укладки грунта или место для стоянки и маневрирования транспортных средств.

В зависимости от условий работы экскаватора применяют забои: лобовой при рытье узких пионерных траншей, а также траншей для подземных инженерных коммуникаций, устройства фундаментов; торцовый — при разработке выемок ниже уровня стоянки экскаватора; боковой — при разработке выемки, при этом пути транспортных средств устраивают параллельно оси перемещения экскаватора на одном уровне со стоянкой экскаватора или выше подошвы забоя при небольшой его глубине (рис. 1.13).

При большой ширине выемки лобового забоя грунт можно разрабатывать с перемещением экскаватора по зигзагу (рис. 1.13, а), 410 обеспечивает условия работы автотранспорта и открывает фронт работы по планировке дна котлована и устройства фундаментов.

Экскаватор с прямой лопатой работает лобовым или боковым способом, находясь на дне забоя, ведет разработку грунта выше уровня своей стоянки.

Экскаваторы, оборудованные обратной лопатой, драглайны и грейферы разрабатывают забои, расположенные ниже уровня свай стоянки (рис. 1.12,6, в), могут работать в слабых грунтах, включая разработку их под водой. Экскаваторы, оборудованные драглайном, эффективны для разработки выемок и сооружения насыпей в легких и средних грунтах с выгрузкой грунта в отвал или с погрузкой в транспорт. Экскаваторы с оборудованием грейфера могут копать котлованы с отвесными стенками с отгрузкой грунта в отвал или транспорт и вести погрузо-разгрузочные работы.

Экскаваторы с обратной лопатой эффективно использовать для разработки узких траншей с вертикальными стенками, а также котлованов глубиной до 6 м. Шагающие экскаваторы драглайн1,: с ковшом вместимостью 4—100 м3 и стрелой длиной 40—100 ч изготовляют только с одним видом рабочего оборудования — драглайном. Применяют их для земляных работ на крупных объектах гидротехнического, мелиоративного и ирригационного строительства, а также на открытых горных работах.

Каждый рабочий цикл одноковшового экскаватора состоит из последовательных операций: копания, поворота ковша из забоя, выгрузки и обратного его поворота в забой. При каждом цикле ковш экскаватора выгружает некоторый объем грунта. После выработки забоя, разрабатываемого с одной стоянки на рабочую длину рукоятки, происходит передвижка экскаватора.

Высокая производительность экскаватора достигается за счет повышения числа рабочих циклов и объема грунта, выгружаемого за каждый цикл.

Следует заметить, что производительность экскаватора не увеличивается пропорционально вместимости его ковша, поскольку с увеличением последней будет увеличиваться также и продолжительность операций копания грунта и выгрузки.

Для транспортирования грунта, разрабатываемого экскаваторами, в сельском строительстве наиболее применимы автомобили-самосвалы и тракторы с прицепами. Рельсовый транспорт не применяется. При устройстве въездов в котлованы необходимо предусматривать уклоны 0,10—0,15 и ширину въездов понизу для одностороннего движения 3—4 м и двухстороннего 7—8 м.

Для уменьшения стоимости разработки грунта и транспортирования его, необходимо, чтобы число автомобилей-самосвалов я тракторных прицепов, а также вместимость их кузовов соответствовали производительности экскаватора.

Грузоподъемность автотранспортных средств назначают в зависимости от вместимости ковша экскаватора и дальности транспортирования грунта

Разработка грунта многоковшовыми экскаваторами. Многоковшовые экскаваторы, в отличие от одноковшовых, являются землеройными машинами непрерывного действия, у которых процесс черпания грунта происходит при возвратно-поступательном движении экскаватора вдоль забоя. Рабочее оборудование многоковшовых экскаваторов состоит из ковшовой рамы, которую обегает цепь с ковшами, или колеса (ротора) с ковшами, расположенными по его периферии. В зависимости от типа рабочего оборудования многоковшовые экскаваторы подразделяют на цепные с ковшовой цепью и колесно-ковшовые с ковшовым колесом (ротором).

Различают (рис. 1.14) многоковшовые экскаваторы поперечного черпания, у которых ковшовые рамы имеют поперечное перемещение по отношению к направлению рабочего движения экскаваторы, и многоковшовые экскаваторы продольного черпания с рабочим оборудованием, перемещающимся в плоскости движения экскаватора.

В начале разработки ковшовую раму экскаватора поперечного черпания устанавливают в горизонтальное положение и ковшами снимают первый слой, а затем последовательно разрабатывают нижние слои до тех пор, пока низ рамы не примет проектное положение выемки.

Экскаваторы поперечного черпания разрабатывают грунт I—IV группы без валунов, превышающих размер ковша. Экскаваторы в зависимости от их мощности имеют ковш вместимостью 15—4500 л. Они могут разрабатывать траншеи, выемки, карьеры и выполнять вскрышные работы. Производительность таких экскаваторов зависит от вместимости ковша, например, с ковшом вместимостью 20 л при глубине копания 7 м — 35 м3/ч, а с ковшом 30 л при глубине копания 9,5 — 54 м3/ч.

Экскаваторы продольного черпания предназначаются для рытья траншей под укладку водопроводных, канализационных и другого назначения труб, линий связи и силовых кабелей, а также для рытья траншей под ленточные фундаменты и др. Экскаваторы изготовляются с глубиной копания 1—3,5 м и шириной 0,5—1,8 м. Вместимость ковша колеблется в пределах 12—50 л.

У роторных экскаваторов рабочим органом является вращающееся колесо с ковшами, установленное на конце рамы.

Скорость резания грунта колеблется от 0,3 до 3 м/с в зависимости от мощности экскаватора и свойств разрабатываемого грунта. Ковши режут грунт и наполняются, двигаясь снизу вверх. При верхнем положении ковша происходит опорожнение ковша, и грунт по наклонному желобу поступает на ленточный конвейер. Роторные экскаваторы могут разрабатывать связные и более твердые глинистые и другие грунты, они имеют большую производительность. Например, роторный экскаватор ЭС-10 роет траншею шириной 1,26 м, глубиной 2,5 м и имеет производительность 600 м3/ч грунта. Этот экскаватор может разрабатывать мерзлые и скальные грунты.

Разработка грунтов скреперами. Скреперы бывают самоходные или прицепные к трактору. Скрепер может выполнять весь комплекс земляных работ — резание грунта, транспортирование его к месту укладки, разравнивание и уплотнение. Рабочим органом екрннчлнилистой кошм, ни кромке днища которого во всю его ширину имеется нож, с помощью которого срезают слой грунта. Ковш, снабженный механизмом опускания, подъема и разгрузки, приводимый в движение лебедкой или гидроприводом.

Ковш по ходу скрепера опускают на грунт, врезается в него под действием силы тяги трактора или самоходного двигателя и снимает слон грунта. Наполненный ковш поднимается на ходу в транспортное положение, и скрепер перемещается к месту выгрузки, которая производится также на ходу, путем выталкивания грунта подвижней задней стенкой ковша или путем подъема его днища. Грунт вываливается между передней и задней осями скрепера и частично уплотняется его задними колесами. Толшина срезки слоя в зависимости от мощности скрепера равна 15-—30 см, разрабатываемых грунтов до IV группы. Толщина слоя при выгрузке регулируется скреперистом.

Дальность транспортирования грунта скрепером колеблется от 50 до 300 м, а скреперы с пневмоколесными тягачами — до 5000 м.

По способу перемещения скреперы подразделяют на прицепные, полуприцепные и самоходные.

При производстве земляных работ скреперами применяют следующие схемы движения (рис. 1.15):

схема движения скрепера по эллипсу (рис. 1.15, а) применяется при планировке, возведении невысоких насыпей и фронте работ 50—100 м с поперечной и продольной разработкой грунта, а также при разработке выемок с укладкой грунта в резервы;

 спиральная: (кольцевая) схема движения скрепера (рис. 1.15, г) применяется для возведения насыпей высотой 2—2,5 м из резервов н для укладки грунта в кавальеры. Эта схема целесообразна для насыпей шириной, равной не менее длины пути разгрузки ковша скрепера, а также при разности отметок насыпи и резервов 2,5—'3 м, и при ширине резерва, недостаточной для наполнения ковша или невозможности применения поперечно-челночной схемы;

поперечно-челночная схема (рис. 1.15,(9) используется д^я-разработок грунта в выемках на глубину до 1,5 м с перемещением его в двусторонние отвалы. Грунт в ковш набирают при движении скрепера перпендикулярно оси выемки. При такой схеме разработки грунта сокращается число поворотов скрепера и длина его пути груженого и порожнего хода;

продольно-челночная схема (рис. 1.15, е) движения скрепера применяется для возведения насыпей высотой 4—6 м из резервов или русла канала. При этой схеме появляется возможность сократить до минимума путь порожнего хода скрепера и число его поворотов.

Разработка грунтов бульдозерами. Бульдозер представляет собой навесное оборудование на гусеничном или колесном ходу, предназначен для послойного срезания и перемещения грунта. Рабочим, органом бульдозера является отвал с ножом. Отвал может подниматься, на высоту до 1,8 м от уровня земли или опускаться на глубину до 0,9 м ниже поверхности гусениц, врезаясь в грунт.

Бульдозером можно разрабатывать любые грунты, включая подорванные скальные и смерзшиеся грунты. Он имеет канатное или гидравлическое управление.

В сельском строительстве бульдозеры используют в основном для послойного резания и транспортирования грунта на небольшие (до 100 м) расстояния. Срезанный грунт накапливается перед отвалом бульдозера и перемещается к месту отсыпки.

Бульдозер также используется для возведения насыпей высотой 1 —1,5 м из грунтов боковых резервов, разработки котлованов небольшой глубины с перемещением грунта в насыпь или отвал, срезания растительного слоя, засыпки траншей и котлованов, планировки и зачистки недоборов грунта в котлованах, разрабатываемых экскаваторами. Бульдозерами разрабатываются группы I—III группы без предварительного рыхления при толщине срезаемого слоя до 30 см.

Разработку грунтов бульдозерами производят по трем основным схемам: прямая, ступенчатая и боковая (рис. 1.16).

При схеме прямой разработки (рис. 1.16, а), двигаясь прямолинейно, бульдозер производит набор грунта, перемещает его к месту укладки и возвращается задним ходом для набора следующей порции грунта. По этой схеме при длине перемещения на 10—-30 м засыпают траншеи из отвалов и~ из небольших выемок.

При схеме ступенчатой разработки (рис. 1.16,6) бульдозер раз

рабатывает грунт параллельными отдельными полосами шириной,

равной ширине отвала бульдозера. После перемещения грунта на

первой полосе бульдозер возвращается задним ходом на следую

щую полосу и снова производит набор грунта в полосе параллель

но первой. Так ведется разработка грунта на всем участке.

Боковую схему (рис. 1.16, в) применяют при разработках легких грунтов, срезаемых толстыми слоями, при которой бульдозер ведет разработку перпендикулярно оси земляного сооружения. Для повторного набора грунта бульдозер возвращается задним ходом.

Разработка грунтов грейдерами. Грейдеры представляют собой самоходные или прицепные к тракторам (тягачам) землеройные машины для послойной разработки и планировки грунта. Грейдеры используют для профилирования полотна дорог, устройства кюветов, откосов, возведения невысоких насыпей из резервов, планировки территории с перемещением грунта на расстояние до 25 м.

Рабочим органом грейдера является отвал с ножом для резанья и перемещения грунта. Кроме отвала грейдеры могут иметь сменное оборудование: откосник и удлинитель к отвалу и рыхлитель-кирковщик. Отличительной особенностью грейдера является большая подвижность отвала, который может быть установлен под различными углами к направлению его движения.

Технологический процесс возведения насыпи состоит из трех основных операций: нарезания грунта ножом отвала; перемещение грунта к месту укладки и планировки его; срезка откосов.

Возведение невысоких дорожных насыпей из боковых резервов начинают после ее топографической разбивки на местности, с про-. бивки ножом первой борозды по линии подошвы  насыпи, затем срезают грунт с резервов от внешней бровки резерва или от внут-, ренней и укладывают его в полотно дороги.

Самоходным грейдером разрабатывают канавы глубиной до 1,1 м и шириной по дну 0,4—1 м; а также планируют откосы насыпей (рис. 1.17).

Ручной способ разработки грунта. Несмотря на широкое применение землеройных и транспортных машин, земляные работы небольшого объема в сельской местности выполняют вручную с применением средств малой механизации. Так, например, для рыхления грунта твердых пород можно применять отбойные молотки, использующие для работы энергию сжатого воздуха, вырабатываемого компрессорами. При зачистке дна выемок и откосов можно использовать ленточные конвейеры для транспортирования грунта на бровку и др.

Укладка и уплотнение грунтов в насыпи. Основные мероприятия, обеспечивающие неизменяемость земляных сооружений, заключаются в правильном выборе грунтов и способе укладки их в насыпи н уплотнения. Основания под насыпи, возводимые из глинистых грунтов на косогорах крутизной от 1 :5 до 1:3 независимо от их высоты, должны нарезаться уступами с шириной полок 1—4 м и высотой до 2 м с целью предупреждения оползней насыпного грунта.

При возведении насыпи на сырых и мокрых основаниях необходимо до начала отсыпки насыпи обеспечить отвод поверхностных вод и осушение основания.

Перед отсыпкой насыпи необходимо произвести опытное уплотнение грунта в условиях производства работ с применением выбранных уплотняющих машин для уточнения: толщины уплотняемого слоя; числа проходов уплотняющих средств по одному следу; оптимальной влажности грунта. Оптимальная влажность для песчаных грунтов составляет 8—12%, супесчаных 9—15%, суглинистых 12—18%, глинистых 18—25%. Опытное уплотнение следует производить для каждого вида грунта, используемого в сооружении, и для каждого вида применяемых уплотняющих машин.

' Насыпь следует, как правило, возводить из однородных грунтов. Отсыпаемый грунт необходимо разравнивать горизонтальными или слабонаклонными слоями, толщина которых назначается в зависимости от используемых уплотняющих средств и норм плотности отсыпаемого грунта. Виды грунтов для отсыпки насыпей должны устанавливаться в проекте сооружения.

При необходимости отсыпки насыпи из неоднородных грунтов следует соблюдать условия:

поверхность слоев из менее дренирующих грунтов, располагаемых под слоями из более дренирующих, должна иметь уклон в пределах 0,04—0,1 от оси насыпи к краям;

поверхность слоев из более дренирующих грунтов, располагаемых под слоями менее дренирующих, должна, быть горизонтальной;

запрещается покрывать откосы насыпей грунтом с худшими дренирующими свойствами, чем у грунта, уложенного в тело насыпи;

возведение насыпей из неоднородных грунтов, состоящих из песка, суглинка и гравия, допускается лишь в виде естественной карьерной смеси.

Поверхность основания или предыдущего слоя, уплотненного кулачковыми или пневмоколесными катками, перед отсыпкой последующего слоя можно не разрыхлять.

Поверхность насыпи необходимо разделить на равновеликие по площади карты, на каждой из которых последовательно производить следующие операции: выгрузку, разравнивание, увлажнение или подсушивание и уплотнение грунта. Размер карт и потребность в оборудовании назначают из условия непрерывного выполнения всех перечисленных выше операций.

Отсыпку слоев начинают вести .от краев насыпи к середине. На переувлажненных и слабых основаниях отсыпка слоев грунта ведется от середины насыпи к краям до высоты 3 м, а далее от краев к середине.

Движение транспортных средств, доставляющих грунт в 'насыпь, следует регулировать по всей ширине слоя отсыпки. Отсыпка последующего слоя грунта возможна только после разравнивания и уплотнения нижележащего слоя грунта до требуемой плотности.

Связные грунты следует уплотнять катками на пневматическом ходу, кулачковыми и решетчатыми, трамбующими и вибротрам-бующими машинами. Уплотнение несвязных грунтов следует ве-оти вибрационными и вибротрамбуюшими машинами и катками на пневматическом ходу.

Уплотнение грунтов насыпей и обратных засыпок необходимо нести послойно. Толщину уплотняемых слоев назначают в зависимости от условий производства работ, вида грунта, уплотняющих машин и результатов опытного уплотнения.

В табл. 1.7 приведены сведения о толщине слоя грунта и числа проходов (ударов) в зависимости от уплотняющих машин и качества грунтов.

Уплотнение грунта начинают от бровки насыпи к ее середине. Каждый последующий проход (удар) уплотняющей машины должен перекрывать предыдущую уплотняющую полосу на 0,1—0,2 м. В особо стесненных местах следует вести уплотнение грунта электротрамбовками. В местах обратных засыпок, где невозможно обеспечить качественное уплотнение грунта, обратную засыпку следует выполнять малосжимаемыми грунтами — крупнообломочными, крупными и средней крупности песками.

Разработка грунта гидромеханическим способом. Под гидромеханизацией понимают способ производства земляных работ, при котором обеспечивается поточность работ, т. е. все основные операции технологического процесса — разработка, перемещение, укладка и уплотнение грунта выполняются при помощи энергии потока воды и следуют одна за другой.

Грунты средствами гидромеханизации можно разрабатывать

как в полезной выемке, при которой ее глубина ограничивается

проектными размерами сооружения, так и в карьере —резерве.

Гидромеханизированным способом разрабатывают несвязные и

связные грунты в карьерах, на дне искусственных водоемов, в рус

лах рек, в заполненных водой котлованах.

Для применения гидромеханизации необходимо наличие воды,

электроэнергии и подходящих грунтов

Трамбовочная плита массой 2 т при высоте падения 2 м Дизель-трамбовочная машина

Навесной тракторный трамбовщик

Примечание. Над чертой даны значения, необходимые для уплотнения грунта до плотности не менее 0,95; под чертой— до плотности не менее 0,98 от максимальной.

Разработка грунта гидромеханическим способом наиболее экономична, так как отпадает необходимость строить автомобильные дороги, не нужны транспортные и уплотняющие средства. Однако в сельском строительстве гидромеханизация применяется мало.

Грунт средствами гидромеханизации разрабатывают тремя способами: гидромониторным, землесосным и комбинированным.^

При гидромониторном способе, применяемом в сухих забоях, грунт размывается компактной струей воды, выбрасываемой из насадки гидромонитора под высоким давлением и с большой скоростью. Расход воды на 1 м3 разработки и транспортирования грунта составляет: для полужирных глин 10—14 м3, для мелкозернистых песков и легких супесей 4—6 м3, для крупнозернистых и суглинков 7—9 м3. Потребность гидромонитора в воде достигает 5 тыс. м3/ч при напоре ПО м и диаметре насадки 200 мм. Гидромонитор может размывать грунт снизу вверх (рис. 1.18,а) с обрушением грунта подмывом или сверху вниз (рис. 1.18,6). Более эффективен первый способ.

Воду к гидромонитору подают по трубам от насосной станции, располагаемой у водоема или на плавучем понтоне. Струя воды из гидромонитора проникает в грунт и разрушает его, нарушая взаимодействие сил трения и сцепления между частицами.

При ударе струи о грунт элементарные струйки воды проникают между частицами грунта и отрывают их от общей массы. Чем больше степень проникновения воды в грунт, тем интенсивнее его разрушение. Вода, смешиваясь с размытым грунтом, образует гидросмесь (пульпу), которая при благоприятном рельфе местности отводится самотеком к месту укладки по лоткам и канавам с большим уклоном или стекает в специальный приямок, откуда перекачивается специальным насосом — землесосом.

При    землесосном    способе грунт   разрабатывают в забоях под водой. При этом грунт всасывается   землесосами,  смонтированными на плавучих или передвижных землесосных снарядах. Для ускорения процесса разработки грунта обычно применяют механические фрезерные рыхлители.

Под воздействием центробежного насоса в сосуне возникает вакуум, и вода с грунтом поступает во всасывающую трубу, и землесос подает гидросмесь (пульпу) к берегу по трубопроводу, смонтированному на плавающих понтонах. На берегу к нему подключают магистральный трубопровод, по которому гидросмесь подают к месту ее укладки. Различают два способа намыва грунта: эстакадный, при котором магистральный трубопровод монтируют иа эстакадах и укладывают по периметру намывного участка или по оси его; намыв без эстакад, при котором трубопровод укладывают непосредственно на поверхность участка намыва и выпускает гидромассу из своего торца.

Беззстакадный способ намыва является более эффективным. Одним из важных показателей экономической эффективности гидромеханизации является консистенция гидросмеси (пульпы), характеризуемая степенью насыщения ее твердыми составляющими. Она выражается отношением во взятой пробе объемов или массой грунта к воде или к гидромассе, в соответствии с чем введены понятия о массовой и объемной консистенции. При укладке грунта в сооружение скорость движения гидросмеси снижается до весьма малой величины. При этом из гидросмеси выпадают частицы грунта и сами сортируются по фракциям. Эта особенность используется при возведении намывных сооружений и при обогащении песка и гравия для бетона. Производительность землесоса 0,4—12 тыс. м3/ч гидромассы при напоре 23—80 м.

При комбинированном способе грунт разрабатывают гидромонитором, а транспортируют и укладывают его с помощью гидравлики. Гидромеханизацию применяют при устройстве котлованов, траншей, каналов, плотин, дамб, дорожных насыпей и выемок, а также при планировке строительных площадок, вскрышных работах и др.