Лекции и пособия / 3. УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ - ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО РОИЗВОДСТВА - 2004_pavlenko_tsp

50

около 15 % стоимости и 18...20 % трудоемкости общего объема работ.

В строительном производстве грунтом называют породы, залегающие в верхних слоях земной коры. Свойства и качество грунта влияют на устойчивость земляных сооружений, трудоемкость разработки и стоимость работ. Для выбора наиболее эффективного способа производства работ следует учитывать основные характеристики грунта: плотность, влажность, сцепление, разрыхляемость и угол естественного откоса.

Физико-механические свойства грунтов характеризуются объемным весом, естественной влажностью, удельным весом, пластичностью и гранулометрическим составом (табл. 3.1).

Таблица 3.1 Основные физико-механические характеристики грунтов

Наименование		Краткое определение
Объемный вес грунта	γоб	Вес единицы объема грунта, включая и вес содержащей-
естественной влажно-		ся в нем воды
сти
Естественная влаж-	ω	Отношение веса воды, заключенной в порах грунта, к ве-
ность		су твердых частиц грунта
	ωо	Отношение объема воды в порах грунта ко всему объему
		пор.
Относительная влаж-		Грунт считается:
ность		• сухим или маловлажным при 0<ωо<0,4;
		• влажным при 0,4<ωо<0,8;
		• насыщенным водой или мокрым при 0,8<ωо<1,0
Удельный вес	γ	Отношение веса твердых частиц грунта к их объему
Объемный вес скеле-	γс	Отношение веса твердых частиц грунта к общему объему
та грунта		грунта
Приведенная порис-	ε	Отношение объема пор к объему твердых частиц грунта
тость (коэффициент
пористости)
Пористость	n	Отношение объема пор ко всему объему грунта
	D	Отношение естественной пористости грунта к пористо-
		сти его в самом рыхлом и в самом уплотненном состоянии
Коэффициент плот-		Грунт считается:
ности грунта		• рыхлым при 0<D<1/3;
		• средней плотности при 1/3<D<2/3;
		• плотным при 2/3<D<1

Взаимозависимость между основными физико-механическими характеристиками грунтов представлена в табл. 3.2.

Грунт, находящийся в естественном состоянии, разрыхляется в процессе разработки. При этом объем грунта увеличивается, а плотность уменьшается. Это явление, называемое первоначальным разрыхлением грунта, характеризуется коэффициентом первоначального разрыхления Кр. Этот коэффициент представляет собой отношение объема разрыхленного грунта к объему грунта в естественном состоянии, для песчаного грунта Кр = 1,08...1,17, суглинистого Кр

= 1,14...1,28, глинистого Кр = 1,24...1,3.

51

Взаимозависимость между характеристиками грунтов

Таблица 3.2

Искомая

Как функция от значений

величина

γ

γоб

γс

n

ε

ω

ωо

γ

-

_γс_

_γс_

γc (1+ε)

-

-

1-n

1-n

γоб

-

γс (1+ω)

-

-

γс (1+ω)

-

γс

_γ_

_γоб_

γ (1-n)

_γ_

_γоб_

-

1+ε

1+ω

1+ε

1+ω

n

_γ-γc_

1−

γоб

_γ-γс_

_ε_

1−

γоб

-

γ

γ(1+ω)

γ

1+ε

γ(1+ω)

ε

_

γ-γ

c_

-

_

γ-γ

c_

_n_

γ(1

+ ω)

−1

-

γc

γc

1-n

γоб

ω

-

_γоб-γc_

_γоб-γc_

-

-

ωо

γc

γc

γс

ωо

-

-

ωγс

-

-

ωγс

Уложенный в насыпь разрыхленный грунт уплотняется под влиянием массы вышележащих слоев или механического уплотнения, движения транспорта, смачивания дождем и т.д. Характеристики основных грунтов представлены в табл. 3.3 и 3.4.

	Характеристика основных грунтов				Таблица 3.3
Грунт	Удельный	Объемный	Порис-	Угол внутрен	Коэффициент
	вес, т/м3	вес, т/м3	тость,	него трения,	фильтрации,
			%	град.	см/сек.
Галька	2,65-2,80	1,8-2,0	35-50	30-40	1·10-1·10-1
Глина	2,60-2,75	1,7-2,0	30-60	7-20	1·10-7-1·10-13
Гравий	2,65-2,80	1,8-2,0	35-50	25-30	1·10-1-1·10-3
Иловатые грунты	2,20-2,50	1,6-1,8	30-60	15-30	1·10-3-1·10-6
Песок мелкий	2,65-2,70	1,6-1,9	30-50	22-35	1·10-3-1·10-4
Песок средний	2,65-2,68	1,6-1,9	35-50	26-35	1·10-2-1·10-3
Песок крупный	2,65-2,68	1,6-2,0	35-50	27-40	1·10-1-1·10-2
Суглинок	2,60-2,70	1,5-1,8	30-60	12-25	1·10-5-1·10-8
Суглинок пылеватый	2,60-2,70	1,5-1,7	30-60	12-25	1·10-6-1·10-8

Рытье котлованов и траншей с вертикальными стенками без крепления допускается в грунтах естественной влажности при отсутствии грунтовых вод и глубине выемки не более:

-1 м – в насыпных, песчаных, песчаных и гравелистых грунтах;

-1,25 м – в супесчаных и суглинистых грунтах;

-1,5 м – в глинистых грунтах;

-2 м – в особо плотных грунтах, требующих для разработки применения ломов, кирок.

52

	Углы естественного откоса грунтов										Таблица 3.4
				Относительная влажность грунта						Мокрый
Грунт		Сухой				Влажный
	Гра-		Отношение		Гра-		Отношение		Гра-		Отношение
			высоты к				высоты к за-				высоты к
	дусы		заложению		дусы		ложению		дусы		заложению
Галька	35		1	: 1,5	45		1	: 1	25		1	: 2,25
Гравий	40		1	: 1,25	40		1	: 1,25	35		1	: 1,5
Глина жирная	45		1	: 1	35		1	: 1,5	15		1	: 3,75
Грунт насыпной	35		1	: 1,5	45		1	: 1	27		1	: 2
Грунт растительный	40		1	: 1,25	35		1	: 1,5	25		1	: 2,25
Песок крупный	30		1	: 1,75	32		1	: 1,5	27		1	: 2
Песок средний	28		1	: 2	35		1	: 1,5	25		1	: 2,25
Песок мелкий	25		1	: 2,25	30		1	: 1,75	20		1	: 2,75
Суглинок легкий	40		1	: 1,25	30		1	: 1,75	20		1	: 1,75
Суглинок,	50		1	: 0,75	40		1	: 1,25	30		1	: 1,75
глина легкая

При большей глубине, для обеспечения устойчивости земляных сооружений (насыпей, выемок), разработку производят с откосами (табл. 3.5), крутизна которых характеризуется отношением высоты к заложению: h/a=1/m (рис.3.1, б.е), где m - коэффициент откоса.

Таблица 3.5

Наибольшая допускаемая крутизна откосов котлованов и траншей, выполняемых без крепления

Грунты		При глубине выемки, м
		до 3		до 6
Насыпные, песчаные, гравелистые	1	: 1,25	1	: 1,5
Супесчаные	1	: 0,67	1	: 1
Суглинистые	1	: 0,67	1	: 0,75
Глинистые	1	: 0,5	1	: 0,67
Лессовые	1	: 0,5	1	: 0,75
Скальные разборные	1	: 0,1	1	: 0,25
Скальные плотные	1	: 0,1	1	: 0,1

Крутизна откоса зависит от угла естественного откоса, при котором грунт находится в состоянии предельного равновесия. На угол естественного откоса влияют угол внутреннего трения, сцепление и давление вышележащих слоев грунта. При отсутствии сцепления предельный угол естественного откоса равенуглувнутреннеготрения.

В грунте, имеющем сцепление, угол естественного откоса изменяется от максимальной величины в верхней части выемки или насыпи до минимальной

– в нижней, приближаясь к углу внутреннего трения. В связи с этим откосы высоких насыпей и глубоких выемок устраивают с переменной крутизной, с более

53

пологим очертанием внизу.

Строительными нормами и правилами установлены значения крутизны откосов для постоянных и временных земляных сооружений в зависимости от их глубины или высоты. Откосы насыпей постоянных сооружений делают более пологими, чем откосы выемок.

3.2. Способы разработки грунта

При механизированном способе разработки на грунт действует усилие резания рабочих органов различных машин. В результате определенные порции грунта отделяются от массива и могут быть перемещены и уложены в насыпь. Машина, только разрабатывающая грунт, называется землеройной, разрабатывающая и перемещающая грунт – землеройно-транспортной.

К землеройным машинам относят одноковшовые экскаваторы (цикличного действия) и экскаваторы непрерывного действия. Наибольшее применение имеют одноковшовые экскаваторы, которыми выполняется около 45 % всего объема земляных работ (рис. 3.2).

Впромышлённом и гражданском строительстве применяют экскаваторы

сковшом вместимостью 0,15...2 м3 реже до 4 м3. Они имеют комплект сменного оборудования, включающий прямую и обратную лопаты, драглайн и грейфер. Кроме того, стрела, входящая в комплект драглайна и грейфера, может быть оборудована грузовым крюком или клином-бабой.

Основные рабочие параметры одноковшовых экскаваторов при разработке выемок, котлованов и траншей: - максимально возможная глубина копания -Н, высота копания +Н, наибольший и наименьший радиусы копания на уровне стенки экскаватора Rмакс и Rмин, радиус выгрузки Rв, высота выгрузки Hв.

Рис. 3.2 Схема разработки грунта экскаватором

с прямой лопатой:

1–стрела; 2–рукоять; 3–ковш; 4–самосвал

54

Рабочий цикл одноковшового экскаватора состоит из копания (заполнения ковша), перемещения к месту выгрузки, выгрузки в отвал или в транспортные средства и обратного хода в забой.

Оптимальная высота или глубина забоя должна быть достаточной для заполнения ковша экскаватора за одно черпание. Если высота забоя относительно мала (например, при разработке планировочной выемки) целесообразно использовать экскаватор совместно с бульдозером. Последний разрабатывает грунт и перемещает его к рабочему месту экскаватора. Здесь бульдозер окучивает грунт, обеспечивая достаточную высоту забоя, что позволяет эффективно применять экскаватор.

Экскаватор с прямой лопатой используют для разработки грунта, расположенного выше уровня стоянки экскаватора, преимущественно с погрузкой на транспорт. Грунт разрабатывают лобовым и боковым забоями.

В лобовом забое экскаватор разрабатывает грунт впереди себя и отгружает его на транспортные средства, которые подают к экскаватору по дну забоя. В зависимости от ширины проходки лобовые забои подразделяются на узкие (ширина проходки менее 1,5 размера наибольшего оптимального радиуса резания), нормальные (ширина 1,5÷1,9), уширенные (при ширине 2÷2,5) и попереч- но-торцевые (при ширине до 3,5).

Ширина лобовых проходок определяется по формулам:

– для лобовой прямолинейной

B = 2 R02 −lп2 ;

– для зигзагообразной

B = 2 R02 −lп2 + 2Rc ;

– для поперечно-торцевой

B = 2 R02 −lп2 + 2nRc .

Более эффективна разработка грунта способом бокового забоя (рис. 3.2). Транспорт подается под погрузку сбоку выработки, благодаря чему значительно уменьшается угол поворота стрелы экскаватора при погрузке грунта в транспорт. В боковых забоях транспортные пути проходят параллельно оси перемещения экскаватора и, как правило, на уровне его стоянки.

Ширину боковой проходки определяют по формуле:

B = R02 −lп2 + 0,7R0 .

Выемки, глубина которых превосходит максимальную высоту забоя для данного типа экскаватора, разрабатывают в несколько ярусов.

Экскаватор с обратной лопатой используют при разработке грунта, который находится ниже уровня стоянки экскаватора, и преимущественно при рытье небольших котлованов и траншей. Поярусная разработка выемки при этом, как правило, не практикуется. Разработку грунта ведут ниже уровня стоянки экскаватора торцевыми или боковыми забоями (рис. 3.3) с погрузкой в транспорт или укладкой в отвал.

55

Рис. 3.3. Схемы разработки котлована

а – экскаватором с обратной лопатой; б – драглайном; в – торцовой проходкой при перемещении экскаватора по прямой; г- двумя торцовыми проходками;

д- с поперечно-торцовым перемещением; е- разработка драглайном боковой проходкой

Отрывку котлована шириной 12…14 м обычно осуществляют лобовой проходкой при перемещении экскаватора по зигзагу, а при большей ширине – поперечно-торцевой.

Экскаватор-драглайн применяют для разработки грунта, расположенного ниже уровня стоянки экскаватора (для рытья глубоких котлованов, широких траншей, возведения насыпей, разработки грунта из-под воды и т. п.), а также для отделочных земляных работ при планировке площадей и зачистке откосов. Преимущество драглайна – большие радиус действия (до 10 м) и глубина копания (до 12 м). Особенно эффективно разрабатывать драглайном мягкий и плотный грунт, в том числе обводненный (рис. 3.3).

Разработку драглайном осуществляют лобовыми и боковыми проходками аналогично экскаватору с обратной лопатой. Драглайн обычно передвигается между очередными стоянками на 1/5 длины стрелы.

56

Экскаватор-грейфер применяют для рытья колодцев, узких глубоких котлованов, траншей и подобных сооружений, особенно в условиях разработки грунта ниже уровня грунтовых вод (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Грейфер:

а– грейфер опущен на перегружаемый материал; б– зачерпывание материала; в– подъем заполненного грейфера; г– разгрузка грейфера; 1,2– канаты; 3,8–головки; 4–тяга; 5–блок; 6– челюсть; 7– оттяжной канат-успокоитель

Этими машинами отрывают котлованы и траншеи на глубину, несколько меньшую проектной, с оставлением «недобора». Слой недобора (5…10 см) оставляют для того, чтобы избежать повреждения основания и не допускать переборов грунта. Для повышения эффективности работы экскаваторов применяют скребковый нож, насаженный на ковш экскаватора. Это приспособление позволяет механизировать операцию по зачистке дна котлованов и траншей и вести их с точностью до ±2 см, что исключает необходимость ручных доработок.

Для разработки траншей применяют также экскаваторы непрерывного действия. Рабочий орган этих экскаваторов – ковшовая цепь или ковшовый ротор.

Экскаваторы с ковшовой цепью обеспечивают разработку траншей глубиной до 3,5 м в основном с вертикальными стенками (рис.3.5), а роторные – глубиной до 2,5 м, преимущественно с откосами.

Впоследнем случае на ковши ротора устанавливают откосники. Ковши наполняются грунтом при движении их вверх по наклонной или криволинейной поверхности разрабатываемой выемки. Опорожняются ковши в момент достижения ими высшей точки траектории, где они опрокидываются. Высыпающийся грунт попадает на ленточный конвейер, доставляющий его на погрузку в транспорт или в отвал.

Взависимости от направления разработки грунта многоковшовые экскаваторы подразделяются на экскаваторы поперечного и продольного копания.

57

Рис. 3.5. Цепной многоковшовый экскаваторканавокопатель

Основные землеройно-транспортные машины – скреперы и бульдозеры, которые за 1 цикл разрабатывают грунт, перемещают его, разгружают в насыпь и возвращаются в забой порожняком.

Скреперы – наиболее производительные землеройно-транспортные машины (рис. 3.6). Эксплуатационные возможности позволяют использовать их при отрывке котлованов и планировке поверхностей. В настоящее время применяют прицепные (с объемом ковша 3,7 и 8 м3), полуприцепные (4,5 м3) и самоходные (8,15 и 25 м3) скреперы. Применение прицепных и полуприцепных скреперов наиболее эффективно при транспортировке грунта на расстояние до 1000 м, а самоходных – до 3000 м.

Рис. 3.6. Схема работы скрепера:

а- транспортное положение; б- набор; в- разгрузка; 1,3,6- гидроцилиндры; 2- заслонка; 4- ковш; 5- задняя стенка; 7- нож

Скрепер снимает ковшом стружку грунта толщиной 0,12 ... 0,35 м и шириной 1,65 ... 2,75 м (для скреперов с объемом ковша 3...8 м3). Толщина отсыпаемого слоя 0,35 ...0,5 м. Для обеспечения равномерной толщины отсыпаемого

58

грунта ковш разгружают только при движении скрепера.

Бульдозерами (рис. 3.7) разрабатывают грунт в неглубоких и протяженных выемках и резервуарах для перемещения его в насыпи на расстояние до 100 м (при применении мощных тракторов можно перемещать грунты и на большие расстояния).

Рис. 3.7. Основные виды работ, выполняемых бульдозерами:

а - разработка траншей, котлованов, каналов с отсыпкой грунта в кавальеры, насыпи;

б- срезка косогоров и засыпка выемок, в - снятие плодородного слоя или пустой породы,

г- планировка передним ходом, д - разравнивание при переднем ходе, е - планировка при заднем ходе машины, ж - засыпка траншей, з - толкание скрепера при наполнении ковша грунтом, и - погрузка грунта в автотранспорт с эстакады, к - погрузка материалов в авто-

транспорт с лотка, л - валка деревьев, м — корчевка пней, к — срезка кустарников и мелколесья, о — снегоочистительные работы; 1 - исходное положение бульдозера, 2 - резка и транспортирование грунта, 3 - бульдозер на насыпи, 4 - насыпь или кавальер, 5 - траншея, 6 косогор, 7 - выемка, 8 - плодородный слой или пустая порода, 9 - полезные ископаемые или строительные материалы, 10 - скрепер, 11 - эстакада, 12 -автотранспорт, 13 — лоток

59

Планировка площадок бульдозерами выполняется преимущественно двумя способами: траншейным и послойным (рис. 3.8). В первом случае выемку разбивают на ярусы глубиной 0,4 ... 0,5 м.

Рис.3.8. Способы разработки грунтов

а- траншейный с подачей в автотранспорт погрузчиком; б- под уклон с погрузкой из штабеля в транспорт экскаватором; в- двумя бульдозерамирыхлителями; 1- бульдозеры; 2- погрузчик; 3- автотранспорт; 4- экскаватор

Разработка каждого яруса ведется траншеями на ширину отвала с оставлением между ними полосы нетронутого грунта шириной 0,4... 0,6 м. Эти валы срезают бульдозером в последнюю очередь. Траншейный способ исключает значительные потери грунта при его транспортировке и поэтому является более производительным. При послойном способе выемка разрабатывается слоями на толщину снимаемой стружки за один проход бульдозера последовательно по всей ширине выемки или отдельным ее частям. Этот способ применяется при сложном очертании площадок и при небольшой глубине срезки.

Закрытые способы разработки грунта. В обычных условиях для про-

кладки трубопроводов, коммунальных и транспортных тоннелей отрывают траншею. Иногда отрыть траншею невозможно, например, при пересечении трассой трубопровода транспортной магистрали с интенсивным движением, которое невозможно прервать даже на относительно короткий срок. В этих условиях прибегают к закрытым методам работ: проколу, продавливанию, горизонтальному бурению и пневмопробивке.

Прокол основан на образовании отверстий за счет радиального уплотнения грунта при вдавливании в него трубы с коническим наконечником. Вдавли-