4.4. Строительные дороги

Строительные площадки крупных гидроузлов, как известно, привязываются к ближайшим магистральным железным дорогам, от которых при необходимости специализированными организациями строятся ветки внутрипостроечных железных дорог. Эти ветки соединяют основные железнодорожные магистрали с базами строительства и с монтажной площадкой здания ГЭС. В отдаленных неосвоенных и горных районах такая возможность отсутствует и тогда главными транспортными коммуникациями являются автомобильные дороги. Даже при наличии подъездных железных дорог, протяженность внутрипостроечных автодорог, связывающих строительную площадку с карьерами, подсобными предприятиями, складскими базами бывает очень велика. При возведении Братской ГЭС было построено более 152 км. автомобильных дорог. А для строительства Саяно-Шушенской ГЭС только подъездная дорога от железнодорожной станции Абакан до створа ГЭС имеет протяженность свыше 125 км.

В зависимости от назначения, в общем случае различают две группы дорог: дороги общего пользования и дороги промышленного транспорта. Первые делятся на государственные, федеральные и местные, имеют пять категорий, в зависимости от интенсивности движения и проектируются (табл. 4.7) в соответствии с требованиями СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги».

Строительные дороги относятся ко второй группе, т.е. к дорогам промышленного транспорта и проектируются в соответствии с требованиями СНиП 2.05.07-91 «Промышленный транспорт», глава 5. Автомобильный транспорт.

Эти дороги подразделяются на внешние и внутриплощадочные, межплощадочные, карьерные и служебные. Применительно к строительству эти дороги имеют следующие назначения:

∙Внешние автомобильные дороги – подъездные дороги, соединяющие

строительство с дорогами общего пользования (железнодорожными станциями, портами и др.)

∙Внутриплощадочные дороги – дороги внутри отдельных предприятий (базы, гравийно-сортировочного хозяйства, бетонного завода и т.д.)

∙Межплощадочные дороги – дороги между отдельными предприятиями (бетонный завод – сооружение и др.)

∙Карьерные дороги – дороги от карьеров местных строительных материалов до места их применения.

∙	Служебные дороги – для	обслуживания предприятий			и протяженных
	сооружений (ЛЭП, каналы и др.)
			Таблица 4.7. Категории общих дорог
					Расчетная
	Назначение автомобильной дороги		Категория		интенсивность
			дороги		движения, прив.
					ед./сут.
			I-a		Св. 14000
			(автомагистраль)		Св. 14000
Магистральные федеральные дороги			I-б (скоростная
			дорога)		Св. 6000
			II
			I-б (скоростная		Св. 14000
Прочие федеральные дороги			дорога)
			II		Св. 6000
			III		Св. 2000 до 6000

86

		II	Св. 6000 до
	Республиканские, краевые, областные		14000
		III
	дороги и дороги автономных образований		Св. 2000 до 6000
		IV
			Св. 200 до 2000
	Дороги местного значения	IV	Св. 200 до 2000
		V	До 200

Категории внутриплощадочных и межплощадочных автодорог устанавливаются в зависимости от объема грузопотоков. Применительно к строительству их можно интерпретировать согласно табл. 4.8.

Таблица 4.8. Категории внутриплощадочных и межплощадочных строительных дорог.

			Расчетный объем
Вид и общее назначение			перевозок, млн т	Категория
внутриплощадочных и межплощадочных дорог			нетто/год, в обоих	дороги
			направлениях
Производственные,		обеспечивающие	Св. 0,7	I-в
производственные	связи	предприятий,	« 0,35 до 0,7	II-в
производственных баз и отдельных объектов			« 0,35	III-в
строительства
Служебные и патрульные, обеспечивающие			-	IV-в
перевозку вспомогательных		и хозяйственных
грузов и проезд машин вдоль ЛП и различных
коммуникаций

Карьерные автомобильные дороги подразделяются на категории согласно табл. 4.9.

	Таблица 4.9.Категории карьерных дорог.
Вид и общее назначение	Расчетный объем	Категория
	перевозок, млн т
карьерных дорог		дороги
	брутто/год
Технологические постоянные для доставки	Св. 15/25	I-к
местных строительных материалов от карьеров	« 5/8 до 15/25	II-к
к потребителям.	5/8	III-к
Служебные	-	IV-к

Внешние (подъездные) автодороги и внутренние дороги, подлежащие в перспективе включению в состав сети дорог общего пользования перестраиваются в процессе эксплуатации в соответствии к требованиям сети дорог общего пользования или сразу проектируются и строятся в соответствии с ними.

Поперечный профиль автодорог в общем случае включает следующие элементы: проезжую часть, обочины, упорные бровки – бермы, кюветы и полосу обреза защитных земных насаждений (Рис. 4.6.).

87

Рис. 4.6. Основные элементы дорог 1 – проезжая часть, 2 – земляное полотно, 3 – бровка, 4 – откос земляного полотна, 5,

6 – обочины, 7 – кюветы, 8 – защитная зона

Наличие или отсутствие отдельных элементов зависит от категории дорог.

Основные параметры поперечного профиля внутриплощадочных и межплощадочных автодорог принимаются в соответствии с табл. 4.10.

Таблица 4.10. Основные параметры поперечного профиля внутриплощадочных и межплощадочных автодорог

	Параметры поперечного профиля	Значения параметров для дорог категории
		I-в	II-в	III-в	IV-в
	Число полос движения	2(4)	2	2	1
	Ширина проезжей части, м, для
	расчетного автомобиля шириной, м:
	2,5 и менее	7,5(15,0)	7,0/7,5	6,0/6,5	4,5/4,5
	2,75	7,5(15,0)
	3,2	7,5/8,0	7,0/7,5	6,0/6,5	4,5/4,5
	3,5	9,0/10,5	8,0/9,5	7,5/9,0	4,5/5,0
	3,8	10,0/12,0	9,5/11,5	9,0/10,5	5,0/5,5
	5,0	11,5/14,5	10,0/13,0	9,5/12,0	5,0/6,0
	Ширина обочины, м	14,0/17,5	13,0/16,0	12,0/15,0	6,5/7,0
		1,5/2,0	1,5/1,5	1,5/1,0	1,0-3,25
					1,0-3,5

Типы дорожных одежд, основные виды покрытий, материалы и способы их укладки выбираются в зависимости от класса дороги, наличия местных дорожно-строительных материалов с учетом природных условий района, опыта проектирования, строительства и эксплуатации, автомобильных дорог в данном районе.

Превышение верхней части земляного полотна над поверхностью земли или уровня грунтовых вод зависит от типа грунта и природно-климатических условий.

По природным условиям для строительства дорог территория Российской Федерации разделена на пять дорожно-климатических зон (Рис. 4.7.). В соответствии с этим превышение земляного полотна колеблется от 0,3 до 2,4 м над поверхностью земли или уровнем грунтовых вод.

88

Рис.4.7. Дорожно-климатические зоны

Сооружение, на котором располагается дорожное полотно, называется земляным, полотном. В зависимости от рельефа местности оно может быть в выемке или насыпи. Главное требование к земляному полотну — устойчивость и обеспечение прочности дорожного полотна. Это достигается съемом растительного слоя, тщательным уплотнением, отводом поверхностных и грунтовых вод. Дорожное полотно должно быть выше поверхности снегового покрова на 0,4—0,6 м., в зависимости от дорожно климатической зоны.

Конструктивно дорожное полотно может состоять из нескольких слоев, в том числе верхнего покрытия (слоя износа), основания покрытия и подстилающего слоя. Типы покрытия назначаются в зависимости от категории дороги капитальным или облегченным. В качестве капитального покрытия применяется цементобетонные, асфальтобетонные черные щебеночные, укладываемые в горячем состоянии. К облегченным покрытиям относятся покрытия из щебеночных и гравийных материалов, обработанных битумом, из холодного асфальтобетона, из грунта, обработанного вязкими битумами. Дороги Ш категории могут иметь щебеночные, шлаковые, гравийные, грунтовые покрытия, обработанные вяжущими или сборные колейные покрытия из железобетонных плит. Во всех случаях земляное полотно под дорожным покрытием должно быть дренировано со стоком воды в сторону кюветов.

Пример одной из строительных дорог Саяно-Шушенской ГЭС дан на рис. 4.8.

89

Рис. 4.8. Одна из строительных дорог Саяно-Шушенской ГЭС

Для каждой автодороги определяются основные показатели подобные показателям (паспорт) табл. 4.11.

Технологические дороги в зависимости от срока службы делятся на постоянные и временные. К временным дорогам относятся дороги со сроком службы до одного года.

Особое место в гидротехническом строительстве занимают землевозные дороги. По интенсивности движения они часто должны быть отнесены к 1 или 2 категории. Но поскольку они являются обычно временными, их выполняют без нужды для этой категории покрытия, что ухудшает их эксилостационные качества.

Этот недостаток устраняется такими путями:

-применением специальных автосамосвалов повышенной проходимости с баллонами низкого давления с увеличением размера колес;

-устройством грунтовых дорог со скелетными добавками;

-применением инвентарных покрытий.

В качестве временных покрытий применяют, как правило, железнодорожные плиты или для небольших машин - деревянный настил, которые перекладываются по мере изменения трассы дороги.

Ширина проезжей части временных дорог принимается - 3,5 м - при одностороннем движении, 7,0 м - при двухстороннем движении с обочинами 1 м и более. Обочины не предусматривают в забоях, на отвалах и грунтовых дорогах без покрытий. Предельные уклоны путей не должны быть более 50,8. В порядке исключения выезды из котлованов и карьеров могут иметь уклоны до 0,15. Наименьший радиус поворота - 20 м, желательно не менее 50 м.

Забойные пути представляют собой грунтовые дороги, периодически выравниваемые бульдозерами или грейдерами. Магистральные грунтовые пути периодически выравнивают, уплотняют и улучшают добавками или обрабатывают вяжущими.

Тронспортно-

Таблица 4.11. Основные тронспортно-эксплуатационные показатели дороги.

Наименобание		Eд. изм.	Показател
			и
1.	Дорожноклиматическая зона		III
2.	Тип местности	—	горный
3.	Категория автомобильных дорог	—	1-В
4.	Расчетный грузооборот (млн)	или т/год, абт/сут.	сбыше 0.7

расчетная интенсивность

90

эксплуатационные показатели

5.	Расчетный срок эксплуатации		лет	5
6.	Расчетный автомобиль		тип	БелАЗ-7540
7.	Расчетная скорость		км/час	30
8.	Ширина:
а) земляного полотна			м	17.10
б) проезжей части			м	12.00
б) полосы движения			м	6.00
г) обочины			м	2.00-3.10
9.	Число полос движения		полос	2
10.		Типы дорожных одежд	—	Переходный
11.		Расчетное расстояние видимости:
а) поверхности дороги			м	50
б) встречного автомобиля			м	100
12. Наименьшие радиусы кривых в плане
при перевозках
а) обычных грузов			м	30
б) длинномерных и негабаритных грузов			м	50
13.		Наименьшие радиусы кривых в
продольном профиле:
а) выпуклых			м	500
б) вогнутых			м	600
14.		Наибольший продольный уклон	%
15.		Протяженность трассы	км

Способы устройства автомобильных дорог зависят от их категории. Прокладку грунтовой дороги начинают с профилирования полотна автогрейдером. Разрыхленный грунт укрепляют твердыми скелетными материалами - отходами известняковых карьеров, песчано-гравийными смесями, отходами камнедробильных заводов, металлургическими или котельными шлаками. Толщина укрепляемого слоя - от 10 до 35 см в зависимости от типа и грузоподъемности автомобилей. Укрепленный слой уплотняется катками.

Гравийные и щебеночные покрытия устраиваются толщиной от 15 до 30 см в два слоя: нижний слой из более крупных фракций, верхний - из средних и мелких для возможности максимального уплотнения. Крупным недостатком гравийных и щебеночных покрытий является пылеобразование, с которым приходится бороться поливанием водой. Также покрытия могут быть существенно улучшены путем обработки битумом горячим или холодным.

По мере развития строительства, его производственной базы и увеличения парка автомобилей, дороги перманентно улучшаются. В качестве примера может служить процесс улучшения дорог на строительстве Братской ГЭС типовыми поперечниками, которые представлены в динамике на рисунке 4.9 - они песчано-гравийного покрытия на первой стадии строительства до асфальтобетонных покрытий на заключительной стадии. Покрытия из асфальтобетона укладываются в горячем состоянии толщиной 4-5 см на щебеночном или гравийно-щебеночном основании. Двухслойные покрытия из горячего асфальто-бетона толщиной 6-8 см устраивают толщиной 7-9 см на бетонном или на щебеночном основании. Горячая асфальтобетонная смесь поступает с асфальтобетонного завода с температурой 130 -150°С и разравнивается асфальтоукладчиком и уплотняется виброкатками.

91

Рис. 4.9. Изменение типового профиля строительных дорог Братской ГЭС в течение строительства, а – в начале строительства, б – в середине строительства, в – к концу строительства

Бетонные покрытия бывают монолитными и сборными. Монолитные бетонные покрытия укладываются толщиной до 25 см с армированием сетками в нижней части плиты и с уплотнением площадочными вибраторами. Основанием для них служит хорошо уплотненная щебеночная подготовка толщиной 15-20 см. В зимнее время бетонные покрытия укладываются с электроподогревом и теплоизоляцией. Технологическая схема бетонирования такого покрытия, применяемая на дорогах БратскГЭССтроя представлена на рисунке 4.10. Сборные бетонные покрытия могут устраиваться по всей ширине проезжей части из дорожных или аэродромных плит ПАГ, а облегченные, временные - из переносных плит колейных покрытий — в карьерах, в забоях экскаватора, на временных подъездных приобъектных дорогах.

92

Рис. 4.10. Технологическая схема бетонирования основания покрытия дороги в зимнее время А – поперечный разрез полотна, б – продольный разрез, 1 – утепляющий слой опилок

толщиной 20 см, 2 – температурный шов (доска толщиной 40 мм), 3 – электроды диаметром 6 мм через 50-60 см, 4 – площадный вибратор С-414, укрепленный на швеллере № 20 (виброрейка), 5 – опалубка (брус 18*18 см), 6 – штыри диаметром 20-30 мм через 2-3 м, 7 – уложенный бетон слоем 18 см, 8 – песчано-гравийный грунт слоем 5 см, 9 – песок слоем 5 см, 10 – штыри крепления опалубки, 11 – нижние электроды со скобами крепления, 12 – верхние электроды

Деревянные или лежневые дороги применяются как временные в болотистых местах, на лесоразработках в качестве колейных покрытий из бревен, уложенных поперек движения и обитых досками по ширине колеи.

Специфическими особенностями автомобильных дорог на гидротехнических стройках является широкое применение ледовых дорог для сообщения между берегами и строительство бечевников — дороги вдоль русла реки для подхода к стволу гидроузла (Рис. 4.11). В горной местности дороги к створу нередко прокладываются в тоннелях (Саяно-Шушенская, Чиркейская, Ирганайская ГЭС и др.). Прокладка ледовых дорог начинается с промеров толщины льда, при котором можно начинать работу бульдозера (40-50 см). Работа начинается с расчистки полосы от снега и торосов, профилирование дороги грейдерами. Дороги, рассчитанные на длительные сроки работы усиливаются колейными лежневыми покрытиями из бруса в две или одну полосу движения. На одноколейных дорогах выполняется разъездная площадка через 150-200 м также с колейным настилом. По колеям закрепляется колесо - отбойные брусья, края дороги обозначаются вешками. Съезды на лед выполняются устройством сплошного деревянного настила. Ледовые дороги требуют постоянного систематического контроля — промеров льда, заморозки трещин, установки знаков допустимой грузоподъемности, инструктаж водителей.

93

Рис. 4.11. Схема настилов для ледовых дорог а и б – для грузов весом 20-25 тс, в – для грузов весом 45-60 тс, 1 – естественный лед, 2-

поперечины из брусьев сечением 15*22 см, 3 – прогоны из брусьев сечением 15*22 см, 4 – настил из досок толщиной 5 см, 5 – колесоотбойный брус сечением 15*22 см, 6 – поперечины из бревен диаметром 22 см, 7 – колесный настил из бревен диаметром 18*22 см, 8 – намороженный лед, 9 – прогоны из бревен диаметром 22 см, 10 – поперечины из бревен диаметром 20-22 см, 11 – настил из бревен диаметром 18-20 см,

Несущую способность ледяного покрова можно предварительно определить по таблице 4.12.

Таблица 4.12. Несущая способность ледяного покрова

		Вес		Толщина льда	Минимальные
				речного при	расстояния от груза
	Груз	груза
			мокрого	температуре от 1-20	до
		(т)
				°С	кромки льда
	Человек со	0,1	15	10	5
	снаряжением
	Автомобиль с	8,5	45	30	25
	грузом или бульдозер
	Автомобиль с	10	50	40	26
	грузом
	Трактор-тягач с	20	70	55	30
	грузом
	Экскаватор	40	100	95	38

94

Бичевники отсыпаются по берегам по урезу воды на высоту, превышающую на 1-1,5 м наивысший уровень нижнего бьефа ГЭС. Отсыпка ведется из укрупненного камня из расчета неразмываемости насыпи при максимально возможных скоростях в нижнем бьефе. По бровке бичевника, обращенного к воде, выставляются сплошные ограждения из сборного железобетона (рис. 4.12), со стороны безводного откоса устраивается камнезащитные стенки крупность камня для отсыпки определяется по формуле проф. Избаша СВ. для устойчивости камня на выкат из гнезда. Максимальная скорость, при которой камень не выскочит из гнезда определяется по формуле:

Vmax = Kb П Д cosα

Где а — угол откоса насыпи к горизонту;

Д = 3			GW	- диаметр камня, приведенный к шару;
			π
W -~ объем камня;
П =	2g γ1 − γ - коэффициент, характеризующий свойства жидкости и камня;
				γ
γ	—		объемный вес воды; γ1 — объемный вес воды; Kb — коэффициент

устойчивости камня на выкатывание из гнезда, Kb ≈1,2.

Рис. 4.12. Элементы дороги вдоль русла реки (бичевник)

1- асфальтобетонное покрытие, 2 – бетонное покрытие, 3 – щебеночная подготовка, 4

– насыпь из крупного камня, 5 – сплошное ограждение из железобетонных элементов, 6 – камнезащитная стенка, 7 - дренаж

Для выполнения земляных работ по трассе дороги применяются мобильные одноковшовые дизельные экскаваторы на гусеничном или колесном ходу с емкостью ковша 1 м3, например, гусеничный полноповоротный экскаватор ЭО-4322, предназначенный для разработки грунтов I-IV категории Он имеет более 25 видов сменного рабочего оборудования, способного выполнять практически все виды дорожных работ. Таким же требованиям отвечает экскаватор фирмы «LIEBHERR» (Германия) модели А-312 Litronic с объемом ковша 0,75 м3, «Поклэн» (Франция), «Хитачи» (Япония). Вес этих машин находится в пределах 20-30 тонн, скорость передвижения 20 км/ч, габаритная высота 3-3,2 м, ширина ходовой базы 2.8 м.

.Для разравнивания отсыпаемого земляного полотна применяются бульдозеры, мощность которых подбирается в зависимости от вида отсыпаемого грунта. На группах I, II, и разрыхленных III группы применяются бульдозер с поворотным прямым отвалом ДЗ101А, с мощностью двигателя 96 кВт. Для разравнивания каменной отсыпки применяются бульдозер на базе трактора ДЭТ-250М, Т-ЗЗО, Т-500 или Т-800. К этим тракторам

95

существует рабочее оборудование, рыхлители, отвал коробчатого сечения с козырьком в верхней части позволяет перемещать значительные по объему массы грунта.

Планировку отсыпаемого земляного полотна производят автогрейдерами, типоразмерный ряд которых включает классы по мощности от 160 до 250. В настоящее время серийно выпускается автогрейдер классов 160 и 250 С системами автоматического управления отвалом. Грейдерный отвал имеет ширину от 3724 мм. У автогрейдера ДЗ122А до 4800 мм, у грейдера ДЗ-140 высота отвала от 610 мм до 800 мм соответственно. С помощью грейдеров выводят из боковых резервов насыпи высотой до 1 м, вырезают кюветы глубиной до 0,8 м, срезают и профилируют откосы. Грейдерами устраивают в земляном полотне корыта для укладки дорожной одежды, перемещают и разравнивают щебень по полотну дороги, а также устраивают твердые покрытия дорог путем смешивания грунтовых или гравийно-щебеночных материалов с вяжущими. В зимнее время грейдерами очищают дороги от снежных заносов, складывают и сдвигают на обочины наросший, на поверхности дорожного полотна лед. Грейдеры незаменимы при ремонте грунтовых дорог с легкими покрытиями.

Важнейшей технологической операцией в строительстве дорог является уплотнение грунтов. Плотность грунта оценивается степенью его уплотнения, которая оценивается

отношением плотности скелета грунта ρскел.факт при данной его влажности к стандартной

	плотности ρскл 8ст, полученной в лаборатории на приборе СоюздорНИИ ε =	ρскел.факт	%
		ρст

при строительстве автомобильных дорог степень уплотнения насыпей должны быть 0,95-1,0 %. Рекомендуемая влажность для различных грунтов представлена в таблице.

Рекомендуемая влажность грунта при его уплотнении.
Грунт	Влажность при коэффициенте уплотнения
	1-0,98	0,95
Пески пылеватые, супесь крупная	Не более 1,35	Не более 1,6
Супеси легкие и пылеватые	0,8-1,25	0,75-1,35
Супеси тяжелые и суглинки	0,85-1,15	0,8-1,2
Суглинки тяжелые и глины	0,95-1,05	0,9-1,1

Существует целый ряд разновидностей грунтоуплотняющих машин (до 14 типоразмеров). Наиболее употребительные самоходные виброкатки ДУ-62, ДУ-57, ДУ-58, предназначенные для уплотнения спланированных слоев грунта, нижних слоев асфальтобетонных покрытий и материалов дорожного основания.

На заключительной стадии строительства дорог в работу вступают асфальтоукладчики. Они имеют 5 типоразмеров, отличающихся по ширине укладки: I — с малой шириной укладки 1-3 м, II— с шириной укладки 2-4,5 м, III - с шириной укладки 2,5-7,5 м, VI — с шириной 3-9 м и V — с шириной укладки 3-12 м при выборе асфальтоукладчика для строительства новых дорог отдают предпочтение широкозахватным моделям III и IV типоразмеров, а при ремонте дорог — узкозахватным II типоразмерам. Для внутристроительных и подъездных дорог применяются колесные асфальтоукладчики отечественного производства ДС-191-504, ДС-191А, ДС-191-506. В процессе движения асфальтоукладчика уплотняющий рабочий орган производит уплотнение по всей ширине укладываемой полосе покрытия.

96

ГЛАВА 5. Основные положения определения производительности строительных машин

5.1. Категории производительности строительных машин

Производительность машин – объём работ, производимый машиной за единицу времени (например, за час, смену, сутки и т.д.). Обычно производительность машин принято определять за 1 час работы.

Различают 3 вида производительности машин:

∙	конструктивную	– Пк,
∙	техническою	– Пт,

∙эксплуатационную – Пэ.

Конструктивная производительность машин – количество продукции, выработанное машиной за 1 час при непрерывной работе. Процесс работы рассматривается при технических скоростях движения машин, условиях работы и нагрузках, установленных заводом изготовителем.

Для машин циклического действия.

Пк = q'	× n'	(5.1)
ц	ц

где: q'ц – объём работ (продукции) выработанный за 1 рабочий цикл в т, м³ или шт. при паспортной загрузке рабочего органа машины (ёмкости ковша, грузоподъёмности крана).

nц' = tAэ

ц – количество условных рабочих циклов, выполняемых машиной за 1 час непрерывной работы в заводских (теоретических) условиях.

tц - продолжительность одного цикла;

А – переходной коэффициент – соотношение расчётной единицы времени работы (1 ч) и времени цикла (при tц в часах А = 1, при tц в мин А = 60, при tц в сек А = 3600).

Техническая производительность - наивысшая производительность за 1 час непрерывной работы, которая может быть достигнута в конкретных условиях производства работ при совершенной (проектной) организации строительного процесса.

В некоторых учебниках для каждого типа машин циклического действия приводятся свои формулы для технической производительности с включениями различных поправок и коэффициентов.

С целью унификации и общего подхода к определению технической производительности машин предлагается более общая исходная формула применимая для всех типов цикличных машин с введением общего коэффициента загрузки.

	П Т = qц × пц = qц'						× KЗ × пц' × Кц	(5.2)
		q		= q'	× K		,
	где:		ц			З –	фактический расчетный объем продукции с учётом реальных
				ц

условий загрузки рабочего органа.

КЗ – коэффициент загрузки рабочего органа, машины в конкретных условиях работы, учитывающий все возможные факторы, влияющие на загрузку рабочего органа. Для каждого типа машин этот коэффициент должен учитывать все особенности конкретных условий работы машины, влияющих на объем конечной продукции. Например, для экскаваторов это – разрыхление грунта, полнота наполнения ковша, для кранов - это фактический вес груза по отношению к паспортной грузоподъемности

Кц – коэффициент учитывающий конкретные условия, влияющие на продолжительность цикла.

97

Эксплутационная производительность машины – это среднечасовая производительность в течении смены в производственных условиях с учётом перерывов в работе машин, предусмотренных нормами или проектом (заправка топливом, смена рабочего оборудования, перемещения по площадке и т.д.).

П э	= П Т × К	в	× К	у ,	(5.3)
ч

* – Обычно часовую эксплуатационную производительность обозначают Пч, что и принято в дальнейшем.

в= Тчр Тчк.см – коэффициент внутрисменного использования машины в течение смены;

Тчр. – число расчётных часов работы машины за смену;

Тк

ч. см – общее число часов в смене (календарное)

Ку – коэффициент управления, учитывающий квалификацию машиниста и его утомляемость в зависимости от удобства управления. В настоящее время этот коэффициент, не учитывающийся из-за недостатка исследований по его величине.

В отличии от ПК и ПТ , определяемых за 1 час работы машины, эксплутационная производительность рассчитывается не только за 1 час, но и за смену, месяц и др.

Псутэ	= Пч × Трч сут					Пмесэ = Пч × Трч мес		Пгодэ = Пч × Трч год	(5.4)
	Т р	,Т р			,Т р	,
где:							– расчетное число часов работы машины с учетом ее годового
	ч.сут		ч.мес		ч.год
режима, то есть			Т р	= j (годового режима работы машины)
			ч

Основой для определения Тчр является годовой режим работы машины (§5.2).

Для машин непрерывного действия соответственно: ПК=3600×f’×V’

ПТ=3600×f×V=3600×f’KЗV ПЭ=ПТ×Кв×Ку,

где: f’ – площадь сечения потока продукции в м² при паспортной загрузке рабочего органа.

V’ – скорость потока продукции м/с.

f – расчётная площадь сечения потока продукции м² при конкретных условиях загрузки.

КЗ – коэффициент загрузки рабочего органа.

V – расчётная скорость потока продукции, м/с, учитывающая конкретные условия работы.

5.2. Определение годового режима работы строительных машин

Годовой режим работы определяется по формуле

ДР=ДК - Дперер=365 - Дперер

(5.5)

где: ДР –расчетное число дней работы машины в году. ДК – число календарных дней в году (365).

Дперер – число нерабочих дней (перерывов) в году Дперер – определяется из условия работы машины, её обслуживания и перемещения на

объект

Дперер =(Двых + Дмет + Дрсм + Дперебаз + Дожид + Днепр)		(5.6)
где:	Двых – число выходных дней по календарю.

Дмет – число дней с неблагоприятными климатическими условиями = j (климатических зон) (ветер > 10 м/с, дождь, промерзание грунта)

98

Дрем – число дней для ремонта;

Дрем = Тгр * Рчр , где Тгр - отработанное время машины; Рчр – нормативные затраты времени ремонта на 1 час рабочего времени (по спец. нормам):

Дперебаз – число дней для перебазировки Дожид – число дней ожидания ремонта (по данным аналогов в ПОС)

Днепр – число дней перерывов по непредвиденным обстоятельствам Днепр ≈ 3%(Дк-Дв)

Годовой режим распределяется по сезонам, месяцам, с учётом αз – коэффициента снижения расчётных часов машины в зимний сезон.

При отсутствии конкретных данных для определения Тчр , он приближенно может быть определён с использованием коэффициента использования календарного времени года в

работе машины – Кик .

Пэ = Пк × Кк

год ч год и (5.7)

Кик =ϕ (типа машины, температурной зоны) ≈ 0,3-0,5

5.3. Определение необходимой общей производительности и числа строительных машин

Общая потребная производительность строительных машин для производства земляных работ определяется в зависимости от необходимой интенсивности работ J.

åПi = j(Ji )

Для каждого вида работ на основании календарного плана устанавливается график изменения интенсивности на весь период возведения сооружения. Эти графики, как правило, имеют ступенчатый характер, изменяясь по годам, сезонам месяцам.

На основании этих графиков выделяют среднюю месячную интенсивность за какой-то

J ср J пик

длительный период мес и кратковременную пиковую мес интенсивность.

В принципе, производительность строительных машин должна удовлетворять максимальную пиковую потребность в интенсивности работ. Но эту пиковую потребность можно удовлетворить не только за счёт увеличения количества машин, но и за счёт изменения режима работы машины. Это положение и принимается при определении необходимого количества машин.

Обычно расчёты ведутся на среднюю месячную расчётную производительность за расчётный период. Тогда:

летн		åViлетн
Jмес	i =
		nмеслетн
зимн		åViзимн
Jмес	i =
		nзимн	(5.8)
		мес

Производительность машин и их число должны обеспечивать эту интенсивность при нормальном режиме работы

Плетн × N ³ Jлетн

мес i i мес i

99

	летн
Ni =	Jмес i
	летн
	Пмес i	(5.9)

где: Nj – число машин

Пиковая месячная интенсивность должна обеспечиваться за счёт работы этих же машин при специальном пиковом режиме работы (увеличение числа смен использования машин в сутки). Обычно расчетная производительность парка однотипных машин учитывает двухсменную работу 65-70% всех машин и 30-35% – односменную. В период пиковых нагрузок число машин не меняется, но работа значительного их числа переводится на двухсменный или даже трехсменный режим.

Тогда

Пмеспик i = Пч i × Тпикч i
Niпик =	Jпик
	мес i
	Ппик		(5.10)
	мес i

Необходимо стремится к тому, чтобы

Ni ³ Nпикi

Выбор конкретных машин осуществляется по соответствующим каталогам.

В настоящее время отечественная и зарубежная промышленность выпускает большое количество строительных машин, с большим разнообразием параметров и характеристик. Выпуском машин занимаются многие заводы и фирмы в том числе:

∙в России: – КЗТМ ЗАО (крастяж маш) – красноярский завод тяжелого

машиностроения, ОМЗ – объединенные машиностроительные заводы – Группа Уралмаш – Ижора, ВЭКС – Воронежский экскаваторный завод, Ковровский экскаваторный завод, САРЭКСОЛО – Саранский экскаваторный завод, ТВЭКС – Тверской экскаваторный завод, ATLAC-TEREX, ЭКСКО ОАО – Костромской экскаваторный завод;

∙за рубежом: Komatsu, Caterpillar, Volvo, Hitachi, Daewoo… и другие.

Сведения о выпускаемых машинах каждой фирмы можно найти в интернете. Диапазон общих характеристик машин будет дан в соответствующих разделах учебника.

100

101

РАЗДЕЛ II. ПРОИЗВОДСТВО ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ ГЛАВА 6. Общие вопросы производства земляных работ

6.1. Виды земляных работ и сооружений

Земляные работы присутствуют при возведении почти всех сооружений и на всех этапах строительства гидротехнических объектов. На первом этапе – это отсыпка перемычек и разработка котлованов, на втором – это отсыпка каменного банкета и грунта при перекрытии, на третьем – это разработка котлованов при русловой компоновке и отсыпка основного тела плотины при пойменной компоновке, на четвертом и пятом – это продолжение отсыпки земляных частей сооружений, благоустройство территорий.

Стоимость земляных работ достигает до 50% общей стоимости объекта. Объёмы работ особенно в гидротехническом строительстве достигают многих миллионов кубических метров грунта. Так при строительстве Волжской ГЭС им. Ленина потребовалось переработать 162 млн. м³; на Канале им. Москвы – 154 млн. м³; на Братской ГЭС – 17,7 млн. м³.

По высотному положению относительно существующей поверхности земли земляные сооружения делят на выемки и насыпи.

Выемки – сооружения расположенные ниже дневной поверхности земли (Рис. 6.1) – каналы, траншеи, карьеры.

Насыпи – сооружения, возводимые на отметках выше дневной поверхности земли (рис. 6.2) – плотины, дамбы, дорожное полотно и др.

К насыпям относят и обратные засыпки ранее образованных выемок. Полувыемки – сооружения с преобладанием выемки.

Полунасыпи – сооружения с преобладанием насыпи.

В зависимости от назначения различают выемки профильные и не профильные. Профильные выемки (деловые) являются частью строящихся сооружений. Не

профильные – выемки для получения грунтов для насыпи (карьеры, резервы) и дополнительные выемки по условиям производства работ.

В зависимости от срока существования различают постоянные или временные выемки. Последние возводятся только на время производства строительных работ.

Виды основных сооружений и их различия видны из Рис.6.1, 6.2.

102

Рис. 6.1. Основные типы выемок (поперечное сечение): а) котлован б) траншея в) канал г) канал в полувыемке

1– Естественная поверхность земли; 2– контур будующего сооружени; 3–профильная выемка; 4– профильная насыпь; 5– квальер (отвал) грунта – непрофильная насыпь.

Рис. 6.2. Основные типы насыпей а) Однородная плотина (дамба) б) разнородная плотина; в) канал в насыпи; г) канал в

полунасыпи; д) обратная засыпка; е) насыпь дорожного полотна 1 – профильная насыпь; 2 – естественная поверхность земли;3 – контур котлована; 4 –

контур отдельных внутренних частей плотины; 5 – резервы грунта; 6 – отвал; 7 – обратная засыпка.

Элементы поперечного сечения выемки и насыпи даны на Рис. 6.3. Крутизна откосов характеризуется коэффициентами заложения откосов.

	m =	L	= ctgα =	1
		H		tgα ,		(6.1)

где L – длина горизонтальной проекции откоса; Н – глубина выемки или высота насыпи;

α – угол наклона поверхности откоса к горизонтальной поверхности.

103

Рис. 6.3. Элементы поперечного сечения выемок и насыпей: а) выемка б) насыпь в) откос выемок и насыпей

1 – Глубина выемки; 2 – ось выемки; 3 – дно выемки; 4 – подошва откоса выемки; 5 – откос выемки; 6 – промежуточная берма; 7 – берма; 8 – высота насыпи; 9 – ось насыпи; 10 – гребень насыпи; 11 – бровка насыпи; 12 – средний откос насыпи; 13 – откос насыпи между бермами; 14 – подошва откоса насыпи; 15 – основание насыпи.

Для постоянных земляных сооружений крутизна откосов задаётся проектом из условий их устойчивости. Для временных котлованов и траншей крутизна откосов назначается с учётом вида грунтов и глубины выемок.

Особым видом земляных работ являются планировочные работы, выполняемые для выравнивания поверхности (площадки) и придания ей заданного уклона. При этом срезают грунт с повышенных мест и отсыпают его в пониженных местах с общим выравниванием поверхности.

Объём земляных работ определяют в соответствии с правилами вычисления объёмов геометрических тел, используя вычислительную технику, а для сложных конфигураций и поверхностей соответствующие программы. Объёмы работ по выемкам определяют по грунту, как правило, в состоянии его естественной плотности. При возведении насыпей объем укладываемого грунта определяется с учетом коэффициента уплотнения.

Различают проектные (профильные) объёмы работ и производственные. Проектные – по геометрическим размерам в проекте сооружения. Производственные объёмы – фактически выполняемые с учётом дополнительных объёмов, связанных с условиями производства работ, переработки грунтов и деформацией (осадки) насыпей.

6.2. Строительные свойства грунтов

Грунт – сложная 3х фазная система, состоящая из твёрдых частиц горных пород, воды и газа (воздуха). Объем грунта зависит от объема составляющих его фаз.

Vгр.=Vтв.+Vводы+Vвозд.

Различают два класса грунтов:

-класс грунтов с жесткими структурными связями – класс скальных грунтов;

-класс грунтов без жестких структурных связей – класс нескальных (рыхлых) грунтов. Скальные грунты по пределу прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном

состоянии Rс , МПа, подразделяются на:

-очень прочные (Rс > 120);

-прочные (120 ≥ Rс > 50);

-средней прочности (50 ≥ Rс > 15);

-малопрочные (15 ≥ Rс ≥5);

Полускальные грунты:

-пониженной прочности (5 > Rс ≥ 3);

-низкой прочности (3 ≥ Rс ≥ 1);

-весьма низкой прочности (Rс < 1).

К скальным грунтам относятся породы: магматические (граниты, диориты, порфиры, долериты, базальты), метаморфические (гнейсы, кварциты, кристаллические сланцы, мраморы), осадочные (крепкие известняки, доломиты и песчаники с кремнистым цементом). В монолитном состоянии они характеризуются следующими значениями физико-механических характеристик: плотность грунта 2,50-3,10 т/м³; пористость < 0,01; сопротивление разрыву ≥ 1МПа.

Полускальные грунты обладают жесткими кристаллическими связями и пластичными коллоидными связями. Это раздробленные выветрелые скальные магматические и метаморфические породы, а также осадочные: глинистые сланцы, аргиллиты, алевролиты, песчаники, конгломераты на глинистом цементе, мелы, мергели, некоторые виды известняков и доломитов, туфы, гипсы и др. В монолите они характеризуются

104

следующими значениями физико-механических характеристик: плотность грунта 2,20-2,65 т/м³; пористость до 0,15; сопротивление разрыву 0,1-1 МПа.

Нескальные грунты в природных условиях залегают в виде несцементированных между собой частиц различной крупности. Одной из важных характеристик этих грунтов является гранулометрический состав – количественное сочетание в грунте частиц различной крупности в процентах (Рис.6.4). В зависимости от гранулометрического состава нескальные грунты подразделяются на крупнообломочные, песчаные и глинистые грунты.

Рис. 6.4 Гранулометрический состав грунтов

К крупнообломочным и песчаным грунтам относятся грунты с числом пластичности Ip<1, а именно: пески, гравий, галечник, т.е. грунты, не обладающие или обладающие очень слабыми связями между зернами, их плотность 1,40-1,90 т/м³; пористость 0,25-0,40. Принятая номенклатура крупнообломочных и песчаных грунтов приведена в табл.6.1.

Таблица 6.1. Наименование видов грунтов Распределение частиц по крупности в %

от массы сухого грунта

Крупнообломочные
Валунный	грунт	(при	преобладании	Масса частиц крупнее 200мм составляет
неокатанных частиц – глыбовый)				более 50%
Галечниковый грунт (при преобладании				Масса частиц крупнее 10мм составляет
неокатанных частиц – щебенистый)				более 50%
Гравийный	грунт	(при	преобладании	Масса частиц крупнее 2мм составляет
неокатанных частиц – дресвяный)				более 50%
Песчаные
Песок гравелистый				Масса частиц крупнее 2мм составляет
				более 25%
Песок крупный				Масса частиц крупнее 0,5мм составляет
				более 50%
Песок средней крупности				Масса	частиц	крупнее	0,25мм
				составляет более 50%
Песок мелкий				Масса частиц крупнее 0,1мм составляет

105

	более 75% и более
Песок пылеватый	Масса частиц крупнее 0,1мм составляет
	менее 75%

Дополнительно песчаные грунты различаются по неоднородности гранулометрического состава, характеризуемой коэффициентом неоднородности

	k60 /10	=	d60
			d10	(6.2)

где d60 - диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится (по массе) 60% частиц;

d10 - диаметр частиц, меньше которого в данном грунте содержится 10% частиц; Глинистые грунты – грунты, содержащие значительное количество глинистых частиц

< 0,005 мм (Рис.6.4). Глинистые грунты обладают водоколлоидными структурными связями. В увлажненном состоянии они становятся пластичными. Такие грунты большей частью размокают, некоторые из них разбухают. Их плотность 1,10 – 2,10 т/м³; пористость от 0,25 до 0,80. К таким грунтам относятся глины, глинистые мергели, суглинки, супеси, лессы, в том числе просадочные.

В строительной практике эти грунты классифицируют в зависимости от содержания глинистых частиц:

∙глинистые >60-30% (тяжёлые, лёгкие, песчаные),

∙суглинистые 30-10% (тяжёлые, средние, лёгкие),

∙супесчаные 10-3% (тяжёлые, лёгкие, пылеватые).

Пластические свойства глинистых грунтов оцениваются числом пластичности

I p	= (WL			-Wp ) ³ 1	;		(6.3)
						Wp
где	W	L	- влажность на границе текучести, %;				- влажность на границе раскатывания,

%.

В зависимости от числа пластичности грунты подразделяются на виды согласно

табл.6.2.			Таблица 6.2.
	Наименование	видов	глинистых	Число пластичности	I p
	грунтов
	Супесь			1≤ I p ≤7
	Суглинок			7< I p ≤17
	Глина			I p >17

Важными свойствами грунтов является их водонепроницаемость, характеризуемая коэффициентом фильтрации – скорости фильтрации в грунте при градиенте напора, равном единице (таблица 6.3.). Эта характеристика важна не только при конструировании земляных сооружений, но и при решении вопросов организации и технологии ряда работ, в частности, при возведении перемычек, организации водоотлива и др.

	Таблица 6.3.
Наименование грунта	Коэффициент фильтрации, м/сутки
Гравий
чистый	200-100

106

с песком	150-75
Песок
крупный гравелистый	100-50
крупный	75-25
средний	25-10
мелкий	10-2
мелкозернистый	2-1
глинистый
Супесь	0,7-0,2
Суглинок	0,4-0,065
Глины	0,005 и меньше

Состояние и свойства грунтов и пород изменяются во времени как под воздействием природных факторов, так и под влиянием деятельности человека. Подробным изучением свойств грунтов занимаются специальные дисциплины: инженерная геология, грунтоведение и механика грунтов. Здесь же отметим только свойства, которые важны в строительстве и существенно влияют на трудность и условия разработки грунтов.

Наиболее важными показателями физических свойств грунтов, помимо их гранулометрического состава являются: плотность, влажность, внутреннее трение и сцепление.

Плотность – это масса грунта в единице объёма. Различают три категории плотности:

ρгр

=

mгр

Vгр - плотность грунта (вместе с водой);

(6.4)

mT

ρскел

=

Vгр

- плотность сухого грунта или скелета;

(6.5)

ρS

=

mT

- плотность твердых частиц грунта;

(6.6)

VT

ρS

= ϕ

(минералогического состава) ≈ 2,4÷2,8.

(6.7)

где

mгр

– масса грунта;

Vгр

– объём грунта;

m

– масса твердых частиц;

V

– объём

T

T

твердых частиц.

Производными этих характеристик являются:

n =

VП

а) Пористость:

Vгр

,

(6.8)

где

V

П

- объем пор,

Vгр

- объем грунта.

m =

VT

Аналогично для твердых частиц:

Vгр ,

(6.9)

m + n = 1

e = VП =

n

m

б) Коэффициент пористости – e:

V

(6.10)

T

Для оценки плотности сложения несвязных грунтов значений ρскел , n, e недостаточно, т.к. плотность сложения зависит еще и от формы частиц и даже одинаковые по зерновому составу грунты могут в одном и том же состоянии по плотности сложения иметь

различные ρскел , n, e. Поэтому для таких грунтов вводится дополнительная характеристика

– показатель плотности сложения (относительная плотность сложения):

107

J D =

e

max

− e

ест

=

eф

emax − emin

emax

(6.11)

где

eф -фактическое снижение коэффициента пористости по

сравнению с

максимальным,

emax - полное возможное изменение коэффициента пористости,

e

min

и

emax

- коэффициенты пористости грунта в максимально плотном и рыхлом

состояниях,

eест -

сооружения).

коэффициент пористости

в естественных условиях

основания (или

При

e = emax

- самое рыхлое сложение, при

e = e

min - самое плотное сложение.

При

J D = 0 − 0.33 - грунты рыхлые, при J D = 0.33 − 0.66 - грунты средней плотности,

при J D = 0.66 −1.0 - грунты плотные.

Существенное влияние на свойства грунтов и условия их разработки оказывает влажность. Влажность грунтов W – это соотношение массы воды Мв и массы твердых частиц (Мсух.гр.)

	W =	M в	(6.12)
		М сух.гр

Она изменяется от 5 до 60% (<5%-сухие грунты, от 5 до 30%-влажные, >30%-мокрые)

(табл.6.4.). С изменением влажности изменяется трудность разработки грунтов. Труднее разрабатываются сухие грунты и повышенной влажности. Наиболее существенное влияние влажность играет при уплотнении грунтов. Чем больше глинистых и пылеватых частиц в грунте, тем большее количество влаги удерживается в его порах.

Таблица 6.4

		Характерная			Wраск			Число	Влажность
			Пластические						при
	Вид грунта	естественная						пластичности
			свойства			Wтек			наибольшей
		влажность ωест, %
								Jp	липкости
	Супесь	10-15	Слабо			10 −18		0-7	20-25
			пластичный			20 − 25
	Суглинок	20-28	Пластичный		18 − 25			7-17	25-30
						25 − 35
	Глина	25-35	Высоко			25 − 30		>17	35-45
			пластичный			45 − 50
	Для крупнообломочных и песчаных грунтов применяется классификация по степени
	влажности грунтов – доли заполнения пор водой (табл.6.5.).							Таблица 6.5.
	Наименование крупнообломочных и				Степень влажности Sr
	песчаных грунтов по степени влажности
	Маловлажные				0< Sr ≤0.5
	Влажные				0.5< Sr ≤0.8
	Насыщенные водой				0.8< Sr ≤1.0

Степень влажности определяется по формуле

108

Sr = (W × ρS ) (eo × ρw ) ,	(6.13)
где W – природная влажность грунта, доли единицы;	ρs - плотность частиц грунта,
т/м³; ρw - плотность воды, принимаемая равной 1 т/м³;	eo - коэффициент пористости
грунта природного сложения и влажности.

В процессе разработки частицы грунта отделяются друг от друга и вследствие менее плотного прилегания после разработки занимают больший объём, с соответствующим уменьшением средней плотности. Это свойство грунтов называется разрыхляемостью и характеризуется коэффициентом разрыхляемости kp.

	Kp =	Vp
		V	(6.14)
		e
	где:		Vp – объём грунта после разработки (рыхлого)

Ve – объём грунта в естественном состоянии до разработки

Наибольшее разрыхление имеют скальные грунты (1,4;1,5), наименьшее – пески (1,08¸1,17). (Таблица 6.6.) Разрыхление грунтов необходимо учитывать в течение всего

технологического процесса при разработке, погрузке, транспортировке, укладке и уплотнении. Различают первичное и остаточное разрыхление.

Таблица 6.6. Коэффициенты разрыхления основных грунтов

Грунты		Коэффициенты разрыхления
		Первоначальный		Остаточный
Песок и супесь		1,08	– 1,17	1,01	– 1,025
Гравий		1,20	– 1,30	1,03	– 1,04
Глина, суглинок		1,24	– 1,30	1,04	– 1,07
Глина, суглинок тяжелые с		1,26	– 1,32	1,06	– 1,09
примесью щебня и гравия
Лёс		1,14	– 1,28	1,015 – 1,05
Растительный грунт
Скальные	разрыхленные	1,40	– 1,5	1,20	– 1,30
грунты

Трудность разработки и перемещения грунта сильно зависит от таких показателей как внутреннее трение и сцепление (табл.6.7). Показателем трудности разработки грунта землеройными машинами служит удельное сопротивление грунта резанью kр кгс/см2 и

сопротивление грунта копанию kк кгс/см2.
kр, kк = j(f, fм, c),		(6.15)
где	f – коэффициент внутреннего трения грунта по грунту; fм – коэффициент
внутреннего трения грунта по металлу; с – сцепление частиц грунта.
В свою очередь: f = tgj fм = tgjм		(6.16)

где: j – угол внутреннего трения грунта по грунту, jм – угол внутреннего трения

грунта по металлу.		jм = (0,5¸0,75)j
В первом приближении можно принять:
Таблица 6.7. Ориентировочные значения j и			с.
Вид грунтов		Угол	внутреннего	Удельное
	трения j, град			сцепление с, МПа

109

Песчаные
гравелистые и крупные		43-38	0,001
средней крупности		40-35	0,002-0,001
мелкие		38-32	0,003-0,001
пылеватые		36-30	0,004-0,002
Глинистые при влажности	на
пределе раскатывания Wp %
9,5-15,4		25-21	0,006-0,003
15,5-22,4		22-17	0,025-0,009
22,5-30,4		18-15	0,041-0,023

Сопротивление грунта резанию и копанию можно снизить предварительным рыхлением или увлажнением грунта. Увлажнение следует производить с таким расчётом, чтобы грунт не налипал на рабочие органы, и не затруднялось передвижение механизмов по поверхности забоя.

Для выбора типа машины при разработке грунтов весьма важной их характеристикой является способность грунтов выдерживать нагрузки от передвигающихся и работающих машин – так называемая несущая способность грунтов (Рн). Несущая способность – это удельная нагрузка на грунт, при которой отсутствует выпор грунта.

Рн = ϕ(f, c, ω)

Реальная нагрузка на грунт Р от гусеничных машин должна быть меньше Рн Р ≤ (0,6÷0,8)Рн

Грунты в состоянии обычной естественной влажности обладают довольно хорошей несущей способностью. Однако с увеличением влажности прочность грунтов резко снижается (табл.6.8.).

Прочность грунтов на сжатие, МПа.		Таблица 6.8.
Грунты	Влажность
Пески	естественная	высокая
крупные	0,35-0,45	0,35-0,45
средние	0,25-0,35	0,25-0,35
мелкие	0,20-0,30	0,15-0,25
супеси	0,25-0,30	0,2-0,3
суглинки	0,20-0,30	0,1-0,25
глины	0,25-0,60	0,1-0,4
торфяники	0,02-0,06	0,01-0,015

Классификация грунтов по трудности разработки

Едиными нормами и расценками (ЕНиР) предусматривается разделение грунтов по трудности разработки на отдельные группы.

Группы грунтов зависят не только от типа грунта, но и от способа его разработки и типа применяемых машин.

В таблице 6.9. приведены группы грунтов по трудности и разработки основными землеройными машинами.

Таблица 6.9. Группы грунтов по трудности разработки
Наименование		Разработка грунта				Разрабо-
грунта	экскаваторами	Скре-	Буль-	Грей-	Бурильно-	тка
	ОдноМногоко-	пера-	дозе-	дерами	крановыми	мерзлого

110

				ков-	вшовыми	ми	рами		машинами	грунта
				шовы-	траншей-
				ми	ными
	1			2	3	4	5	6	7	8
Глина ломовая				lV	-	-	lll	-	ll	lllм
То же, жирная без				ll	ll	ll	ll	ll	l	lllм
примесей
Гравийно-				l	-	ll	ll	lll	-	-
галечниковые
грунты			с
размером		частиц
до 80 мм
Растительный				l	l	l	l	l	l	-
грунт без корней
и примесей
Лёсс	мягкий		без	l	ll	l	l	l	l	lм
примесей
Лёсс твердый				lV	-	ll	lll	-	-	-
Песок			без	l	ll	ll	ll	ll	l	lм
примесей
Скальные грунты,				Vl	-	-	-	-	-	-
предварительно
разрыхленные
(кроме
отнесенных к			lV
и V группам)
Суглинок		лёгкий		l	l	l	l	l	l	llм
и	лёссовидный
без примесей
Суглинок				lll	-	-	ll	-	-	lllм
тяжелый			без
примесей
Суспесь			без	l	ll	ll	ll	ll	ll	lм
примесей
Торф без корней				l	l	l	l	l	l	llм

6.3 Определение объемов земляных работ. Баланс грунтовых масс

Общие положения

Строительство гидротехнических сооружений отличается по сравнению со строительством других промышленных сооружений выполнением больших объемов земляных работ, которые в свою очередь определяют достаточно высокую стоимость и длительные сроки строительства.

Определение объемов работ по сооружениям выполняется как на стадии проектирования, так и в процессе строительства. Казалось бы, процесс подсчета объемов работ по различным сооружением довольно прост и не требует значительной математической подготовки. Однако, как проектировщики-гидротехники, так и строители сталкиваются здесь с различными трудностями. Во-первых, это связано с многообразием архитектурных форм различных сооружений, среди которых довольно часто встречаются криволинейные поверхности нетрадиционной формы. Во-вторых, приходится сталкиваться с различными подходами и методами при определении объёмов земляных работ для различных сооружений. Зачастую,

111

выбор метода расчета может занять у проектировщика достаточно много времени. И, наконец, сама процедура определения объёмов работ достаточно трудоёмкая, требует существенной деталировки объектов и кропотливой их обработки.

Необходимо отметить, что качественное определение объёмов земляных работ, особенно временных, устраиваемых в период выполнения строительно-монтажных работ, является важным элементом технологического проектирования. Достоверность результатов расчета может существенно повлиять на выбор решения о способах производства работ, комплексной механизации и организации земляных работ по различным сооружениям, другими словами - на технико-экономические показатели производства.

Подсчёт объёмов земляных работ должен производиться в соответствии с указаниями нормативных документов (СНиПов) и с учётом классификации грунтов по трудности разработке. Следует отметить, что при расчете объёмов земляных работ объёмы грунтов всегда определяются в плотном теле, т.е. при плотности их естественного залегания. Общий объём работ по сооружениям представляет собой сумму из объемов основных и дополнительных работ.

В состав объемов основных работ включаются все объёмы работ, определяемые конструкцией сооружения и его отдельных частей. В дополнительных - учитываются объёмы работ, без выполнения которых процесс производства основных видов работ становится невозможным (съезды и выезды из котлована, уширения для проезда и разворота транспорта, различные перемычки, подсыпки и т.д.).

Способы определения объемов земляных работ

Выбор способа подсчета объемов земляных работ зависит в основном от вида сооружения, рельефа местности и требуемой точности расчетов.Всё многообразие методов и способов расчёта объемов работ предполагает знание основных плановых размеров сооружений, глубину заложения и крутизну откосов, а также принятые решения о методах выполнения основных производственных процессов.

Существуют различные способы определения объёмов земляных работ – аналитический, графический и графоаналитический (комбинированный).

В случае применения аналитического способа расчёта необходимо знание математических зависимостей по определению объёмов простых геометрических фигур. В том случае, когда форма объекта представляет собой сложное очертание поверхности выемки или насыпи, последние разбивают на ряд более простых геометрических тел, определяют объёмы полученных фигур и затем суммируют их.

При использовании графического способа расчёта объёмов работ необходимо построить различные графические зависимости изменения объёма работ от различных величин проектируемого объекта и на их основании определить соответствующий объём работ.

При графоаналитическом способе определения объёма работ строят графические зависимости изменения площади поперечного сечения объекта от линейных величин и затем обрабатывают их аналитическим способом.

Определение объёмов выемок (котлованов)

Подсчёт объёмов земляных работ по устройству выемок (котлованов, траншей) и насыпей при известных размерах достаточно прост и производится по известным математическим зависимостям.

Размеры котлованов зависят от размеров строящихся зданий и сооружений, глубины их заложения, а также от принятой схемы возведения.

Встроительной практике выделяют следующие схемы возведения сооружения:

−схема 1 (кольцевая) – механизмы по транспортировке материалов и возведению сооружения перемещаются вокруг котлована по берме;

−схема 2 – механизмы перемещаются по дну котлована;

−схема 3 – механизмы в процессе основного строительства перемещаются по дну котлована, а заключительные монтажные работы осуществляют снаружи;

−схема 4 (комбинированная) – механизмы, выполняющие монтажные работы

112

передвигаются как снаружи котлована, так и по его дну.

По схеме 1 как правило возводят небольшие сооружения, ширина (диаметр) которых не превышает 15 метров (Всоор < 15м).

По схеме 2 возводят более крупные сооружения, (Всоор > 15м). При этом размеры котлована

должны обеспечивать проезд механизмов вокруг возводимых сооружений.

По схеме 3 и 4 строят особо крупные сооружения, размеры которых многократно

превышают размер в 15 метров (Всоор >> 15м).

В зависимости от размеров возводимого сооружения ширина котлована по дну Bк определяется путём суммирования следующих величин: ширины собственно сооружения, проезда транспортных средств (в случае их перемещения по дну), ширины полосы для размещения водоотливных средств (канав, приямков, иглофильтров и т.д.). Длина котлована по дну Lк определяется аналогично.

Значение крутизны откосов котлованов (коэффициент заложения откосов) m зависит от глубины выемки и прочностных свойств грунтов. Предварительно крутизну откосов можно назначить по нижеприведенной таблице:

Таблица 6.10. Расчетная максимально допустимая крутизна откосов

Группа

Грунт

При глубине выемки, м

грунта

5-6

6-8

8-10

10-14

I

Песок (влажный

1 : 1,25

1 : 1,5

1 : 1,75

1 : 2

ненасыщенный)

II

Супесь

1 : 1

1 : 1,25

1 : 1,5

1 : 1,75

I, II

Суглинок

1 : 0,85

1 : 1

1 : 1,25

1 : 1,5

III, IV

Тяжелый

1 : 0,75

1 : 1

1 : 1,25

1 : 1,5

суглинок, глина

На рисунке 6.5. представлены схемы для определения объемов земляных работ котлованов различной конфигурации.

Зная размеры котлована понизу Вк и Lк, назначив крутизну откосов m и зная глубину котлована H, определяют размеры котлована поверху Bкв, Lкв и вычисляют объём грунта. При глубине котлована 5 – 8 м устраивают промежуточные бермы шириной 2,5 и более метров в зависимости от условий организации и технологии работ.

Объём котлована прямоугольной формы с откосами определяют по формуле

опрокинутой усечённой пирамиды (призматоида):
Vк = H/6*{BкLк + BквLкв + (Bк + Bкв)*(Lк + Lкв)},	(6.17)

где Bк и Lк - ширина и длина котлована по дну, м; Bкв и Lкв - то же, поверху;

H - глубина котлована, м.

113

Рис. 6.5. Схемы для определения объёмов земляных работ при устройстве котлованов различной формы, траншей, насыпей: а, б, в - котлованы прямоугольные, многоугольные, круглые; г - траншея с откосами; д – насыпь

Объём котлована, имеющего форму многоугольника с откосами определяют по формуле:

Vк = H/6*(F1 + F2 + 4Fср), (6.18) где F1 и F2 - площади дна и верха котлована; Fср - площадь сечения по середине его высоты

м2.

Объём квадратного котлована с откосами определяют по формуле опрокинутого призматоида:

Vк = Н/3 (F1 + F2 +		)	`	(6.19)
	F1 F2

Объём круглого в плане котлована с откосами (рис. 6, в) определяют по формуле опрокинутого усечённого конуса:

Vk = πH / 3(R2 + r 2 + Rr),

(6.20)

где R и r - радиусы верхнего и нижнего оснований котлована.

Котлованы для сооружений, состоящих из цилиндрической и конической частей (радиальные отстойники, метатенки и др.), которые обычно возводятся группами, т.е. по несколько в одном котловане, отрывают в два этапа: вначале устраивают общий прямоугольный котлован с размерами Bк, Lк понизу и Bкв, Lкв поверху от отметки заложения их цилиндрической частей, а затем делают углубления для конических частей сооружения. Соответственно и объёмы земляных работ определяют в два этапа: вначале рассчитывают объём общего прямоугольного котлована по приведённым выше формулам, а затем объём конических углублений с использованием приведённой формулы усечённого конуса.

При расчётах объёмов земляных работ следует также учитывать объёмы, въездных и выездных (пионерных) траншей, которые определяются по формуле:

,

(6.21)

где Н - глубина котлована в местах устройства траншей, м; b - ширина траншеи понизу, принимаемая равной при одностороннем движении 4,5м и при двухстороннем - 6м; m - коэффициент откоса (уклона) въездной или выездной траншеи (от 1: 10 до 1 : 15).

Тогда общий объём Vобщ котлована с учётом въездных и выездных траншей равен:

Vобщ = Vк + nVв.тр.,

(6.22)

114

где Vк - объём собственно котлована, м3; n - количество въездных и выездных траншей;

Vв.тр. - их объём, м3.

При подсчетах объёмов работ по котловану из общего объёма последнего следует выделять объём работ по срезке растительного слоя, а также объём работ по срезке недобора при экскавации грунта, который оставляют у дна котлована, с целью сохранения

целостности и прочности грунтового основания.
Объём срезки растительного слоя Vс следует определять по формуле:
Vс = Vск + Vср,	(6.23)
где Vск - объём срезки грунта в пределах котлована, м3;
Vср - то же, в пределах рабочей зоны, м3.
Vск = BквLквtс,	(6.24)
где Bкв, Lкв - ширина и длина котлована поверху, м;
tс - толщина срезаемого слоя, принимаемая равной 0,15-0,20 м
Vср = B*L,	(6.25)

где B - ширина рабочей зоны на берме котлована, необходимая для складирования материалов, конструкций и движения строительных машин, принимаемая равной 15-20 м;

L - протяженность рабочей зоны, м.
Объём работ по зачистке недобора по дну котлована равен:
Vзач. = BкLкhн,	(6.26)

где Bк, Lк - ширина и длина котлована понизу, м; hн - толщина недобора, м.

Толщина недобора при отрывке котлованов одноковшовыми экскаваторами определяется в зависимости от вида рабочего оборудования экскаватора и вместимости его ковша по таблице 2 или по техническим условиям на подготовку основания данного сооружения.

													Таблица 6.11.
	Рабочее				Допустимые недоборы грунта (hн), см при отрывке
				одноковшовым экскаватором с ёмкостью ковша, м3
	оборудование
			0,25-
	экскаватора						0,5-0,65		0,8-1,25		1,5-2,5		3-5
			0,40
	Прямая		5				10		10		15		20
	лопата
	Обратная		10				15		20		---		---
	лопата
	Драглайн		15				20		25		30		30

Определение объёмов насыпей

Как было отмечено выше, при расчете объёмов земляных работ объёмы грунтов всегда определяются в плотном теле. В связи с этим обстоятельством, при производстве насыпей объём необходимого грунта в плотном теле сооружения Vгр изменяется в

зависимости от соотношения плотности грунта в карьере γгр и плотности грунта в насыпи γнас и определяется по формуле

Vгр =	Vнас	,	(6.24)
1 + К
где Vнас – геометрический объём насыпи с требуемой плотностью,
Vгр – объём необходимого		грунта, разрабатываемого в карьере	с естественной

115

плотностью, К – коэффициент остаточного разрыхления (уплотнения) грунта, определяемый по

формуле

	K =	γ гр − γ нас	.	(6.25)
		γ гр

В том случае, если плотность грунта в насыпи превышает значения естественной плотности грунта, то коэффициент разрыхления будет иметь отрицательное значение (явление уплотнения).

Геометрические объёмы насыпей определяют, используя подходы и способы аналогичные при расчётах объёмов работ по выемкам, описанным выше.

Наибольшее распространение имеет графоаналитический способ, который приведен ниже.

1. Вычерчивают продольный профиль и поперечное сечение плотины с учетом врезки котлована (рис.6.6.а).

Рис. 6.6.а

Рис. 6.6.б

2.Строят графики изменения площади поперечного сечения плотины и, в случае необходимости, её элементов (ядра, боковых призм и т.д.) от высоты плотины ω = f(h) (рис. 6.6.б). За высоту плотины принимают расстояние от гребня плотины до ее основания с учетом врезки котлована. Площадь поперечных сечений рассчитывается аналитическим способом в удобной табличной форме.

3.Используя продольный профиль плотины, строят графики зависимости изменения площади поперечного сечения плотины и необходимых элементов от её длины

W = f(L) (рис. 6.6.в).

116

Рис.6.6.в.

4. Объёмы работ по плотине и её частям представляют собой площади соответствующих эпюр на графике зависимости W = f(L) и определяются по формуле:

Vпл = Sплот* mв * mг ,

где Vпл – общий объём плотины; Sплот – площадь эпюры на графике;

mв и mг – соответственно масштабы вертикальный и горизонтальный.

Подобным образом можно определить при необходимости объёмы работ по любым другим элементам насыпи или выемки, в том числе и объём снятия растительного слоя или объём обратной засыпки. Однако последние ввиду их малых величин по отношению к общему объёму плотины и малой графической точности целесообразнее определять аналитическим путём в табличной форме.

6.4. Баланс грунтовых масс

Разрабатываемый в выемках грунт перемещают в насыпи. Суммарный объём выемок всегда равен объёму насыпей. Необходимо стремится к тому, чтобы грунт из профильных выемок максимально использовался в профильных насыпях, сводя к минимуму не профильные объёмы в карьерах.

Для этой цели составляется баланс грунтовых масс – проектный документ, отражающий рациональное распределение грунта между выемками и насыпями. Он составляется в виде схем и таблиц (рис. 6.5 и табл. 6.9) с целью минимизации переработки и перемещения грунтов и минимальной общей стоимости земляных работ.

При составлении баланса грунтовых масс должны быть учтены все производственные объёмы работ.

Сумма объёмов всех выемок должна быть равна сумме объёмов всех насыпей.

ΣVвыемок = ΣVнасыпей.

Таблица 6.12. Ведомость баланса грунтовых масс

		Выемки Vв				Насыпи Vн
		Наименование			Объём	Отвал	Земляная	Временный	Планировка
						грунта	плотина	отвал грунта	площадок
1		Котлован	под	земляную	V В.1	V Н.1	V Н.2	V Н.3	–
		плотину
2		Котлован	под	бетонную	V В.2	V Н.4	V Н.5	–	–
		плотину
3		Отводящий канал			V В.3	V Н.6	V Н.7	–	V Н.8
	4	Подводящий канал			V В.4	V Н.9	V Н.10	V Н.11	V Н.12
5		Прочие сооружения			V В.5	V Н.13	–	–	V Н.14
6		Карьер			V В.6	–	V Н.15	V Н.16	V Н.17
7		Временный отвал			V В.7	-	V Н.18	-	V Н.19

åVВ	ΣV Нотв	ΣV Нплот	ΣV Нвр.отв	ΣV Нплан
	åVН

117

Рис 6.7. Общая схема расположения земляных сооружений и перемещений грунтов 1 – поверхность земли; 2 – котлован под земляную плотину; 3 – котлован под бетонное

сооружение; 4 – земляная плотина; 5 – бетонное сооружение; 6 – обратная засыпка; 7 – русло реки; 8 – подводящий канал; 9 – отводящий канал; 10 – постоянные отвалы; 11 – временные отвалы; 13 – отвалы растительного грунта; 14 – карьеры

118

ГЛАВА 7. Технология производства земляных работ экскаваторами

7.1. Виды одноковшовых экскаваторов (о. э.) и их рабочее оборудование

Одноковшовые экскаваторы – землеройные машины циклического действия, основным рабочим органом которых является ковш с зубьями. Предназначаются для разработки грунтов в различных условиях.

Классификация одноковшовых экскаваторов известна из курса строительных машин. Экскаваторы различают по следующим признакам: по типу подвески (жесткая, шарнирнорычажная, канатная); по типу ходового устройства (колесные, гусеничные, шагающие); по типу рабочего оборудования (прямая лопата, обратная лопата, драглайн, грейфер, кран, копер и др.).

Привод рабочего оборудования может быть канатным или гидравлическим. Последние выполняются с шарнирно-рычажным и телескопическим оборудованием. Для замены рабочего оборудования применяются быстроразъемные устройства.

По типу поворотного устройства различают: полноповоротные и неполноповоротные. Всего существует более 700 наименований экскаваторов, 400 типов.

Для обеспечения выбора экскаватора разработана соответствующая индексация.

Система индексации экскаваторов. Действующая система индексации предусматривает следующую структуру индекса (рис.7.1).

119

Рис. 7.1. Структурная схема индексации одноковшовых универсальных экскаваторов Г – гусеничное ходовое устройство с минимально допускаемой поверхностью гусениц,

ГУ – гусеничное ходовое устройство с увеличенной поверхностью гусениц, П – пневмоколесное ходовое устройство, СШ – специальное шасси автомобильного типа, А – шасси грузового автомобиля, Тр – трактор, Пр – прицепное ходовое устройство, Пп – плавучее ходовое устройство.

Буквы ЭО означают «экскаватор одноковшовый универсальный».

Далее четыре основные цифры индекса последовательно означают: размерную группу машины, тип ходового устройства, конструктивное исполнение рабочего оборудования (тип подвески) и порядковый номер данной модели. Восемь размерных групп экскаваторов обозначаются цифрами с 1 до 8. Размер экскаватора характеризуют масса машины и мощность основного двигателя, а также вместимость основного ковша. В настоящее время серийно выпускаются экскаваторы 3-6-й размерных групп. Вместимость основных ковшей экскаваторов составляет: для 2-й размерной группы – 0,25-0,28 м³; 3-й – 0,40-0,65 м³; 4-й – 0,65-1,00 м³; 5-й – 1,00-1,60 м³; 6-й – 1,60-2,50 м³; 7-й – 2,50-4,00 м³.

Тип ходового устройства указывается цифрами с 1 по 9: 1 – гусеничное (Г); 2 – гусеничное уширенное (ГУ); 3 – пневмоколесное (П); 4 – специальное шасси автомобильного типа (СШ); 5 – шасси грузового автомобиля (А); 6 – шасси серийного трактора (Тр); 7 – прицепное ходовое устройство (Пр); 8,9 – резерв. Конструктивное использование рабочего оборудования указывается цифрами: 1 (с гибкой подвеской); 2 (с жесткой подвеской); 3 (телескопическое). Последняя цифра индекса означает порядковый номер модели экскаватора. Первая из дополнительных букв после цифрового индекса (А, Б, В и т.д.) означает порядковую модернизацию данной машины, последующие – вид специального климатического исполнения (С или ХЛ – северное, Т - тропическое, ТВ – для работы во влажных тропиках). Например, индекс ЭО-5123ХЛ расшифровывается так: экскаватор одноковшовый универсальный, 5-й размерной группы, на гусеничном ходовом устройстве, с жесткой подвеской рабочего оборудования, третья модель в северном исполнении. Экскаватор оборудуется основным ковшом вместимостью 1,0 м³, соответствующей 5-й размерной группе, и сменными вместимостью 1,25 и 1,6 м³.

Экскаваторы с механическим приводом представляют собой полноповоротные машины с гибкой подвеской рабочего оборудования. Основными видами сменного рабочего оборудования таких машин являются прямая лопата, обратная лопата, драглайн, кран и грейфер (Рис.7.2.).

120

Рис. 7.2. Схемы одноковшовых экскаваторов с механическим приводом а) прямая лопата, б) обратная лопата, в) драглайн, г) грейфер

Экскаваторы с гидравлическим приводом (Рис.7.3.) представляют собой полно и неполноповоротные машины с жесткой подвеской рабочего оборудования, у которых для передачи мощности от двигателя к рабочим механизмам используется гидравлический привод. Технологические возможности таких экскаваторов значительно выше, чем экскаваторов с механическим приводом, поэтому современные экскаваторы выпускаются в основном с гидравлическим приводом. Их производительность в среднем выше на 30-35% по сравнению с механическим приводом, однако, они не могут быть использованы в качестве драглайна..

По виду исполнения рабочего оборудования различают гидравлические экскаваторы с шарнирно-рычажным и телескопическим рабочим оборудованием. Основное рабочее движение шарнирно-рычажного оборудования в вертикальной плоскости обеспечивает изменение угла наклона стрелы, поворот рукояти с ковшом относительно стрелы и поворот ковша относительно рукояти. Основным рабочим движением телескопического рабочего оборудования является выдвижение и втягивание телескопической стрелы.

Рис. 7.3. Схемы экскаваторов с гидравлическим приводом а) прямая лопата, б) обратная лопата

Общий вид экскаваторов с механическим и гидравлическим оборудованием дан на рис.7.4.

121

Рис. 7.4. Общий вид экскаваторов прямая лопата а) с канатным приводом, б) с гидравлическим приводом

1 – гусеничная ходовая часть, 2 – поворотная машинная платформа, 3 – рабочий орган (рукоять с ковшом на стреле)

Рис.7.4(в). Общий вид современного экскаватора с гидравлическим приводом

122

В настоящее время отечественная и зарубежная промышленность выпускает большое количество экскаваторов, также как и других строительных машин с большим разнообразием параметров и характеристик. Выпуском машин занимаются многие заводы и фирмы, в том числе: в России – КЗТМ ЗАО (крастяжмаш) – Красноярский завод тяжелого машиностроения, ОМЗ – объединенные машиностроительные заводы – группа УралМашИжора, ВЭКС – Воронежский экскаваторный завод, Ковровский экскаваторный завод, САРЭКСОАО – Саранский экскаваторный завод, ТВЭКС – Тверской экскаваторный завод, АТЛАС-TEREX, ЭКСКО ОАО – Костромской экскаваторный завод.

За рубежом: Komatsu, Caterpillar, Volvo, Mitachi, Daewoo и др.

Сведения о выпускаемых машинах каждой фирмы можно найти в Интернете. Диапазон общих характеристик экскаваторов дан в таблице 7.1.

Таблица 7.1. Диапазон характеристик экскаваторов
Шасси	Вид рабочего	Емкость ковша,		Глубина		Радиус копания,
	оборудования	м³		(Высота)		м
		Отечественные		копания, м
Гусеничные	Пр. лопата	0,75	– 0,16	10,5 – 22,2		10,5 – 23,7
	Обр. лопата	0,4 – 3,2		3 – 8,4		5 – 11,6
Колесные	Пр. лопата	0,25	– 1,6	3,2	– 6,8	3,2	– 9,8
Шагающие	Обр. лопата	0,15	– 1,3	2,8	– 6,2	3,4	– 10,25
		Зарубежные
Гусеничные	Пр. лопата	0,45	– 42	4,9	– 13,8	5,3	– 14,5
	Обр. лопата	0,45	– 42	4,0	– 7,1	13,8
Колесные	Пр. лопата	0,48	– 1,68	4,9	– 5,7	5,4	– 6,95
	Обр. лопата	0,48	– 1,68	2,64 – 6,34		До 11

Выпускаемые машины имеют много моделей, отличающихся, как своими характеристиками, технологическими возможностями, сменным оборудованием, условиями управления, так и внешним видом.

Группа одноковшовых строительных экскаватопов претерпела за последние годы существенные конструктивные изменения, которые позволили расширить сферу их применения, повысить мобильность, универсальность, рабочие скорости, производительность, снизить стоимость работ по сравнению с предыдущим поколением этих машин.

Одним из главных изменений в их конструктивной схеме явилось применение гидропривода. Это позволило облегчить и упростить конструкциюстрелы и рукояти, придать дополнительные движения рабочему органу – ковшу, упростить трансмиссию, позволило осуществить независимое, бесступенчатое регулирование в широком диапазоне скоростей.

	Выборочная номенклатура отечественных экскаваторов дана в таблице 7.2.
	Таблица 7.2. Выборочная номенклатура одноковшовых гидравлических экскаваторов
на гусеничном ходу
Показатели				Номенклатура
			ЭО-3122	ЭО-4124	ЭО-5122А	ЭО-6123
		Обратная лопата
1.	Вместимость ковшей, м³		0,4	1,0	1,25	2,5
2.	Наибольшая глубина копания, м		4,8	6,0	6,21	7,2
3.	Наибольший радиус копания	на	7,75	9,4	9,75	11,5
	уровне стоянки, Rк, м

123

4.	Наибольшая высота выгрузки, Нв, м				4,5	5,0	5,31	5,8
5.	Наибольший радиус выгрузки, Rв, м				6,54	7,8	6,3	7,6
				Прямая лопата
6.	Вместимость ковшей, м³				0,63	1,0	1,6	2,5
7.	Наибольший радиус копания, Rк, м				6,8	7	8,93	10,2
8.	Наибольшая высота копания, Нк, м				7,3	8,2	9,65	10,2
9.	Наибольшая высота выгрузки, Нв, м				4,1	5	5,10	5,95
10.		Радиус	выгрузки	при	4,62 При	4,3	4,62	5,7
	наибольшей высоте выгрузки, Rв, м				Нв=3,7м

Как пример современного экскаватора приведем характеристики экскаватора ЭО-5124 и ЭО-6123.

Экскаваторы ЭО-5124 и ЭО-6123 (рис.7.5.), относящиеся соответственно к 5-й и 6-й размерным группам, являются наиболее мощными из универсальных гусеничных полноповоротных экскаваторов. Их производительность в 1,5 – 2,3 раза выше, чем экскаваторов 4-й размерной группы. Кроме традиционных видов рабочего оборудования, они оснащены глубинным грейфером и буровым оборудованием.

Рис. 7.5. Гидравлический гусеничный экскаватор ЭО-6123 с оборудованием прямая лопата

1 – ходовая тележка, 2 – противовес, 3 – капот, 4 – кабина, 5, 8, 9 – гидроцилиндры стрелы, ковша и рукоятки, 6 – стрела, 7 – рукоять, 10 – ковш, 11 – поворотная платформа

Вместимость ковша экскаватора ЭО-5124 – 1,6 м³, а ЭО-6123 – 2,5 м³. Экскаваторы ЭО5124 имеют силовую установку, в которой применены гидронасосы с управляемой производительностью, работающие на холостых оборотах дизеля с малой подачей. Работающие движения экскаватора плавно регулируются.

Экскаваторы ЭО-6123 в большей степени унифицированы с экскаваторами ЭО-5124. Отличием является применение в первом электрических двигателей силовой установки, питающихся от внешней электросети переменного тока напряжением 380 В.

124

Таблица 7.3. Перечень видов сменного рабочего оборудования и рабочих органов гидравлических экскаваторов
Экска			Обратная лопата				Прямая лопата		Грейфер		Телескопическое
ватор											оборудование
	Экскава	Зачистн	Профил	Зуб	Гидрав	Захватно-	Экскавац	Погрузоч	Двухчелю	Многоче	Экскавац	Планировоч
	ционный	ой ковш	ьный	рыхл	лическ	клещевой	ионный	ный ковш	стной	люстной	ионно-	ный отвал
	ковш	вместим	ковш	итель	ий или	рабочий	ковш	вместимо	ковш	ковш, м³	зачистной
	вместим	остью,	вмести		гидроп	орган с	вместимо	стью, м³	вместимо		ковш, м³
	остью,	м³	мостью		невмат	ковшом	стью, м³		стью, м³
	м³		, м³		ически	вместимо
					й молот	стью, м³
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
ЭО-	0,2;	0,5	0,5	имеет	СП-71	-	-	0,5;	0,35;	0,36	-	-
3322	0,4;			ся	(СП-			0,8	0,5
Б	0,5;				71А)
	0,63
ЭО-	0,4;	-	-	.	ГПМ-	-	0.8;	0,8;	0,63	-	-	-
4321	0,63;				300		1,0	1,6
А	1,0
ЭО-	0,65;	-	-	имеет	СП-62	0,65	1,0	0,85;	0,75	-	-	-
4121	1,0;			ся				1,4
Б	1,25
ЭО-	0,8;	-	-	.	.	0,65	1,0	1,1;	0,6;	-	-	-
4125	1,0;							1,4	0,75
	1,25
ЭО-	1,25;	-	-	-	-	1,0	1,6;	2,8	1,0	-	-	-
5123	2,0						2,0
ЭО-	1,25;	-	-	-	-	1,0	1,6;	2,8	1,0	-	-	-
5124	2,0						2,0
ЭО-	1,6	-	-	-	-	-	2,5;	5	-	-	-	-
6123							3,2

125

При отсутствии внешней сети такого напряжения к экскаватору может придаваться дизель-генераторная установка.

На универсальных гидравлических экскаваторах наиболее часто применяют обратную и прямую лопаты, грейфер, рыхлители, гидромолот, погрузчик и сменные рабочие органы для различных работ.

Большинство машин имеют сменное оборудование. Выборочные сведения о наличии сменного оборудования даны в таблице 7.3.

В настоящее время при строительстве ГЭС за рубежом используются строительные машины с автоматическим управлением, оснащенные диспетчерской системой спутниковой связи, что обеспечивает управление всеми механизмами и транспортом из одного центра и поведением бульдозеров и экскаваторов наподобии боевых истребителей.

7.2. Технология производства земляных работ экскаваторами – прямая лопата

Область применения.

Экскаваторы «прямая лопата» предназначаются для разработки грунтов в основном выше уровня стоянки.

Основными параметрами, определяющими технологические возможности этих экскаваторов являются (рис. 7.5 а): Rp – радиус резания, Нр – высота резания, Rв – радиус выгрузки, Нв – высота выгрузки, Ro – радиус копания на уровне стоянки, Нн.в. – высота напорного вала, hр – глубина копания ниже уровня стоянки.

Рис. 7.5. Параметры экскаватора «прямая лопата» (а) и схема его работы (б)

1 – гусеничный ход. Устройство, 2 – поворотная платформа, 3 – стрела, 4 – рукоять, 5 – ковш с откидным днищем

Схема работы
Рабочий цикл включает: копание, поворот, выгрузка-возврат.
Продолжительность цикла равна:
tц = tкоп. + tпов. + tвыгр. + tвозвр. = ϕ (qк, вид грунта, αпов.),	(7.1)
где tкоп., tпов., tвыгр., tвозвр. – соответственно время копания, поворота,	выгрузки и
копания, αпов – угол поворота.

При копании включаются механизмы напора и подъема ковша, который перемещается из нижнего положения (I) в верхнее (IV), срезает стружку грунта и наполняется, на заключительной стадии копания рукоять втягивается, стрела начинает поворот на выгрузку. Толщина стружки регулируется напорным механизмом. Для уменьшения сопротивления копанию в плотных грунтах каждая последующая стружка снимается так, чтобы ковш перекрывал след от предыдущего движения. При этом одна из боковых стенок ковша исключается из процесса копания и уменьшает трение, т. е. идет разработка по радиусу с наложением следов ковша. Таким же образом разрабатываются следующие слои

126

стружки, пока не будет использован почти весь ход рукояти. После чего экскаватор передвигается на расстояние передвижки – lпер.

lпер.max = lх.р.		(7.2)
lх.р. » Rр.max – Rр.min
где	lпер. – величина передвижки экскаватора, lх.р. – длина хода рукояти.

Практически lпер. » (0,6 ÷ 0,8) ∙lх.р.

Минимальная высота забоя из условия полного наполнения ковша должна быть равна:

Нз. min =	q/	× kз	kз	=	kн
					k p
	всhc
			,			(7.3)
где:			Нз.min – минимальная высота забоя, q1 – геометрическая емкость ковша, вс –

ширина стружки ковша, hc – толщина стружки, kн – коэффициент наполнения ковша, kp – коэффициент разрыхления грунта, kз - коэффициент загрузки.

Экскаватор обычно рассчитывается на наполнение ковша в тяжелых грунтах. При этом минимальная высота забоя равна высоте напорного вала (Нн.в.) экскаватора.

Нз.min = Нн.в.

Нз.min = 0,3 – 0,4 Нн.в. - в легких грунтах; Нз.min = 0,5 – 0,6 Нн.в. - в средних грунтах. Разработка более высоких забоев более экономична, а поэтому реальная высота

определяется конкретными условиями безопасности работы.

Забои экскаватора

Забой – рабочее место экскаватора, включающее и участок маневрирования транспортом. Различают лобовой и боковой забои.

Лобовой забой (рис. 7.6). При лобовом забое разработка грунта ведется впереди и по обеим сторонам экскаватора полосой, определяемой рабочими параметрами экскаватора и положением транспортных средств. Параметры забоя (ширина В и глубина Нз.) зависят от параметров экскаватора и от расположения транспортных средств.

При расположении транспортных средств на дне выемки (на уровне стоянки экскаватора) параметры забоя зависят, также от требований к профилю выемки и прямолинейности откоса. Их легко определить, зная параметры экскаватора и

транспортных средств.
а)	б)	в)

Рис. 7.6. Схемы лобовых забоев

127

а) с разгрузкой в отвал; б) с погрузкой на а/м выше уровня стоянки; в) с погрузкой на а/м на уровне стоянки

При возможности выемки с «волнистым» откосом

В = 2Rp.max

Hз ≤ Hp.max

(7.4)

При необходимости точного выдерживания профиля выемки и прямолинейности откоса

В = 2	Rp2	.max − lпер2
Hз ≤ Hp.max			(7.5)

lпер = (0,6 ÷ 0,7)∙lх.р. (0,8 ÷ 1,2 м – для экскаваторов малой мощности, 1,5 ÷ 2,0 м – для экскаваторов средней мощности, 4,0 ÷ 6,0 м – для экскаваторов большой мощности).

При расположении транспортных средств выше уровня стоянки (на бровке выемки) параметры выемки зависят от условий погрузки грунта на транспорт (от односторонней или двусторонней разгрузки) (рис. 7.6,б).

При односторонней разгрузке В = В1 + В2

В1 = Rp (7.6)

B2 = Rв − в2тр. − С < Rp

Нз = Нв – hтр. – a

где: втр. – ширина транспортных средств; С – расстояние от бровки откоса до транспортных средств; hтр. – высота транспортного средства; а – запас в положении ковша над транспортным средством в период разгрузки.

При 2-х сторонней разгрузке

	B1 = B2 = (Rв −	втр.	− С) < Rp
		2
	В = 2В1 ≤ 2Rp
		(7.7)

Боковой забой (рис. 7.7). Боковой забой применяется при разработке грунтов по одну сторону от оси проходки и погрузке грунта на транспортные средства при больших размерах выемки.

128

Рис. 7.7. Схема бокового забоя

Параметры забоя:

Вmax = B1max + B2max Hp ≤ Hp.max

B1max = Rp2.max − lп2 – при работе с ровным откосом.

B1max = Rp.max – при работе с волнистым откосом.

В2.max = Rв.max – 0,5 втр – С	– при расположении транспорта на уровне оси поворота
стрелы (β = 90°).	(7.8)

129

В2.max = Rв.max Sinβ - 0,5 втр. – С – при расположении транспорта впереди экскаватора.

Обычно βср. = 70 – 90°.	(7.9)
Ширина забоя:
Взаб. = В1 + В2 – (Rp – Rmax)	(7.10)
Все обозначения прежние.

При значительных глубинах и больших размерах выемки (H > Hp max) она разбивается

на ярусы и отдельные ленты – забои (рис. 7.8). Вход экскаватора в каждый ярус осуществляется проходной пионерной траншеей, глубина которой определяется условиями

	выгрузки грунта и расположением транспорта.					В − Вп
		nя =	Н		nл =
	Число ярусов:		Нз , (7.11) Число полных лент:			Вл , (7.12)

где: H – полная глубина выемки; Нз – максимальная высота забоя; В – ширина выемки в каждом ярусе поверху; Вп – ширина первой ленты (пионерной траншеи); Вл – ширина одной ленты разработки; nл – число полных лент в одном ярусе (с округлением до большего числа).

Рис. 7.8. Схема разработки котлована большой площади а) план; б) разрез

1 – пионерская траншея; 2 – путь движения экскаватора; 3 – экскаватор

Примерные практические размеры высоты забоев для прямых лопат колеблются:

Емкость ковша	Высота забоя
0,5	3,5
1,0	4,5
2,0	5,1
3,0	6,1
4-5	6,1
6-8	6,5

130

7.3. Технология производства работ экскаваторами «обратная лопата»

Область применения

Применяется в основном при разработке грунта ниже уровня стоянки, для разработки грунтов в нешироких каналах, небольших котлованах, траншеях с крутыми откосами, при устройстве и очистке осушительных каналов, для нетяжелых грунтов, т.к. не имеет принудительного напора. В гидротехническом строительстве эти экскаваторы не получили большого распространения из-за того, что они выпускаются с ковшами небольшой емкости и с более низкой производительностью по сравнению с прямой лопатой.

Основными рабочими параметрами (р. п.) являются (рис. 7.9 а): Ro – радиус резания на уровне поверхности земли, Rр.max – радиус резания на уровне наибольшей глубины резания, Hр.max – наибольшая глубина резания (от поверхности земли до дна забоя). (Последняя имеет два значения в зависимости от ширины разрабатываемой выемки: большее – при ширине выемки меньшей расстояния между гусеницами; меньшее – при более широких выемках). Rв.нач.; Rв.кон. – радиус выгрузки (начальный и конечный), Hв.нач.; Нв.кон. – высота выгрузки (начальная и конечная).

Рис. 7.9.а. Параметры экскаватора обратная лопата

Схема работы экскаватора обратная лопата

Разработка грунта производится копанием «на себя». При этом стрела обратной лопаты, в отличие от прямой лопаты, поднимается и опускается при каждом черпании.

Угол ее наклона к горизонту α изменяется от +60° до –40°.

Рабочий цикл: копание, поворот на выгрузку, разгрузка ковша. Возвращение к месту копания.

Разработка грунта ведется лобовым или боковым забоем.

При лобовом забое (рис. 7.9 б) экскаватор перемещается по оси выемки и отсыпает грунт на транспорт или отвал. Такой способ применяется при разработке траншей, узких каналов и котлованов. В связных грунтах откосы выемок очень крутые, вплоть до вертикальных. Наименьшая ширина траншеи равна ширине ковша.

131

Рис. 7.9.б.в. Схемы работы экскаватора обратная лопата б) лобовой забой (разрез и план), в) боковой забой

Вmin = В ковша (7.13)

Наибольшая возможная ширина выемки зависит от размещения отвалов грунта (при работе в отвал) из условия равенства объема выемки – объему отвала.

Вmax = ϕ (размещения отвала или транспорта)
При работе на транспорт: Вmax ≈ 1,6 R max	(7.14)

Выемки большой ширины (В > 1,6 Rmax) разрабатывают боковым забоем (рис. 7.9 в). В

этом случае обратная лопата размещается и передвигается сбоку от выемки, отсыпая грунт в односторонний отвал или в транспортные средства. При очень больших размерах выемки разработка ведется за несколько проходов.

7.4. Технология производства работ экскаваторами – драглайн

Область применения. Предназначен для разработки грунта ниже уровня стоянки и изпод воды. Ковш гибко связан со стрелой с помощью каната.

При емкости ковша qk =4,0 ÷ 4,3 м³– экскаваторы изготавливаются на гусеничном ходу.

При емкости ковша 4,0 ÷ 25,0 м³ как шагающие экскаваторы.

Очень эффективен при работе в отвал. Параметры даны на рис. 7.10.

132

Рис. 7.10. Схема последовательности разработки забоя экскаватором-драглайн

I – разработка забоя с первой стоянки, II-III – последовательность разработки забоя без заглубления (на уровне 0 забоя)

lnI – длинна первой передвижки при работе без заглубления, lnII = lnIII – то же для II и III передвижки, II` – контур разработки при работе с заглублением, lnI` – длина первой передвижки при работе с заглублением, lnII` – длина второй передвижки

Схема работы. Ковш опускается на грунт, включается тяговый механизм и ковш под действием собственного веса и тягового каната заглубляется в землю и перемещаясь, постепенно наполняется. После наполнения ковша включается подъемный механизм, и ковш отрывается от земли. На разгрузке тяговый трос ослабляется, и ковш под действием собственного веса опрокидывается.

Последовательность разработки забоя такова: (рис. 7.10): с первой стоянки драглайн разрабатывает элемент забоя в форме АВСД. Наклон линии ВС = m1 = j (вид грунта) (угол β = 45° – легкий грунт, 40° – средний, 30° – тяжелый).

АВ = li × Cosa – hп × Сtgg = li × Cosa – hп × m2 (7.15) ДСmin = lk. – длина ковша

НI = j (lc, a, g, b) = j (lc, m1m2) – из геометрической схемы забоя.

Наклон линии АД – m2 (g) = j (вида грунта) (песок – g = 40 ÷ 45°; глина – g = 20 ÷ 30°).

После разработки 1-го элемента экскаватор перемещается на длину передвижки lп. При дальнейшей необходимости углубления забоя ковш должен опуститься в точку С, тогда:

l´п = mֽнֽ (7.16)

Если углубление не требуется, то ковш должен опуститься в точку Д, тогда: l¢п = mֽнֽ+ ДС (7.17)

При последующих передвижках и работе без заброса

Нмакс. = lc × Cosa × tgg – hп

(7.18)

При средних значениях a » g = 30° имеем Нмакс. » 0,37 × lc.

133

При работе с забросом Нмакс. » (0,5 ÷ 0,6) lc.

Забои экскаватора – драглайн

Также как и при другом оборудовании, экскаватор – драглайн производит выемки боковым и лобовым забоями.

При боковом забое экскаватор перемещается по бровке выемки. Параметры забоя определяются исходя из описанного выше для 1-ой стоянки.

При лобовом забое экскаватор идет по оси выемки и разрабатывает грунт на себя. При этом может быть достигнут Нмакс..

В зависимости от конкретных условий выемки, транспортировки и размеров выемки могут применяться и более сложные схемы забоев: продольно-лобовыми ходами; поперечно-лобовыми ходами; челночная схема; поперечно-челночная схема и другие. При этом экскаватор-драглайн работает только в отвал по условиям техники безопасности.

7.5.Технология производства работ экскаватором - грейфером

Область применения – для разработки грунта выше и ниже уровня стоянки. Особенное распространение получил на погрузочно-разгрузочных работах.

Оборудован специальными ковшами (2-х, 3–4-х и даже 12 лепестковыми). Ковш грейфера набирает грунт с площади приблизительно равной площади раскрытия ковша в плане. Эта особенность позволяет использовать экскаваторы с грейферными ковшами для устройства малых по площади, но глубоких выемок (траншеи, шахты, малые котлованы). Ковш грейфера врезается в грунт только под действием собственного веса, поэтому грейферный ковш тяжелый и имеет наибольшую массу, приходящуюся на единицу емкости ковша. Глубина копания (резания) зависит от канатоемкости барабанов лебедок.

В гидротехническом строительстве – грейфер вспомогательный механизм и применяется для разработки глубоких колодцев, узких траншей и котлованов, для выемки грунта из-под воды, в частности для разборки перемычек, разработки каналов.

7. 6. Производительность экскаваторов

Для определения производительности экскаваторов воспользуемся общими формулами для определения производительности машин циклического действия (глава 5).

Пэч = qц × nц × kв ,			qц = qk × kз,
nц =	А	kз = kн
	tц ,	kр	(7.19)

где qц – фактический объем грунта в ковше экскаватора, nц – число циклов в час, kв – коэффициент использования внутрисменного рабочего времени, А – переходный коэффициент, равный 3600, 60, 1 – соответственно при определении времени цикла tц в

nц =	3600
сек, мин, часах. Для экскаватора обычно tц определяют в сек. Тогда А = 3600 и	tц ,

tц – продолжительность рабочего цикла, qк – геометрическая емкость ковша экскаватора, kз – коэффициент загрузки ковша экскаватора, kн – коэффициент наполнения ковша, kр – коэффициент разрыхления грунта.

Раскроем значения некоторых из этих параметров.

Коэффициент использования внутрисменного рабочего времени по опыту эксплуатации равен kв ³ 0,85 при работе в отвал, kв ³ 0,75 при работе на транспорт.

Коэффициент наполнения ковша:

kн = j (типа и категории грунта, типа экскаватора).

При разработке рыхлых грунтов прямой лопатой kн = 0,95 ÷ 1,5; драглайном –

kн = 0,8 ÷ 1,3; грейфером – kн = 0,6 ÷ 1,0. При разработке плохо взорванной скалы

kн = (0,75 ÷ 0,9), (0,55 ÷ 0,8), (0,3 ÷ 0,4) соответственно для прямой лопаты, драглайна, грейфера.

134

Коэффициент разрыхления грунта:

kр = j (тип и категория грунта) » 1,1 ¸ 1,5. Время рабочего цикла tц =j (qк, условий работы),

Рабочий цикл tц экскаватора включает: копание, поворот, выгрузку, обратный поворот tц = tкоп. + tпов. + tвыгр. + tвозвр. + tожид.тр-та = j (qк., группа гр., aпов., Nтрансп., ky)

(7.20)

tкоп. = j (qк, толщины стружки hстр, длины стружки lстр, скорости движения

ковша, квалификации машиниста kу) =j (qк, hстр, lстр, Vк, kу)							(7.21)
hстр =j ( типа грунта, длины стружки, qк )
	lcтр =	q	k	tкоп =	lстр
при lстр=Нзабоя ;		bk ;			Vкоп
Vк = 0,75 – 1,0 м/с ,	tпов. = j (aпов.).						(7.22)

Каждый градус угла поворота увеличивает tц на 1%, поэтому рационально работать при

aмин. £ 90º.
t выгр. = j (qк, констр. ковша, W) = 1 ÷ 3 с.	(7.23)

Большое влияние на tц оказывают условия работы машиниста, поэтому для увеличения производительности требуется улучшение конструкции экскаваторов и улучшение

эргономических требований (ky). В целом tц при aпов. = 90º равно tц = 15 ÷ 30 с, в зависимости от типа экскаватора и условий выгрузки. Для драглайна tц » 15 ÷ 40 с. Для грейфера tц » 15 ÷ 25 с.

Общая производительность при погрузке на транспорт колеблется в пределах 70 ÷ 100 м³/час на 1 м³ емкости ковша для I группы грунта и 35 ÷ 50 м³/час для IV категории.

Пользуясь вышеприведенными формулами и рекомендациями, можно определить производительность при различных параметрах забоя экскаватора и из условия максимальной производительности выбрать оптимальные.

Имеется и иной подход к определению оптимальных параметров, в частности ширины забоя, основанный на более детальном рассмотрении времени цикла и потерь рабочего времени (см. Приложении 1). Но его применение связано с необходимостью детализации конкретных потерь рабочего времени и определения kв , что практически затруднительно.

При определении эксплуатационной производительности за более длительный период требуется определить расчетное число рабочего времени за расчетный период, исходя из годового режима работы экскаватора Трч.год (глава 5).

П	мес.	= П	час	×Т р	П	год	= П	час	×Т р	(7.24)
				ч.мес. ;					ч.год

Трч.год = j (температурных зон, типа экскаватора).

По результатам расчетов и опытным данным для экскаваторов Трч.год » 3500 ÷ 2500 ч.

При отсутствии или недостаточности исходных данных для определения Трч и использовании Кик – коэффициента использования календарного времени года часто пользуются формулой:

Пгод = Пч × Ткч.год × Кик

(7.25)

По опыту для экскаваторов Кик.год » 0,38 ÷ 0,33 (» 0,4 ÷ 0,3) в зависимости от

температурных зон.

При работе экскаватора на транспорт существенное влияние оказывают условия погрузки, число и емкость транспортных средств. Производительность увеличивается при увеличении емкости транспорта, сокращении интервалов в подаче транспорта.

Наиболее эффективна работа экскаватора на транспорт, когда вместимость транспортной единицы в 4-5 раз больше емкости ковша экскаватора. Интервалы в подаче транспорта также существенно влияют на производительность, особенно для больших емкостей транспорта.

135

136

ГЛАВА 8. Производства земляных работ землеройнотранспортными машинами

8.1. Виды землеройно-транспортных машин

К землеройно-транспортным машинам относятся машины, у которых рабочий орган осуществляет набор грунта одновременно с движением машины, т.е. машина одновременно разрабатывает и перемещает грунт и при заполнении рабочего органа может его транспортировать. К таким машинам относятся: скреперы, бульдозеры, грейдеры. Их преимущества относительно землеройных машин заключаются:

∙в более высокой производительности на 1 т. веса (Пудельн. = 4,6 м³/час на 1 т.

веса, а у ЭШ 4/40 Пуд. = 2,3 м³/час на 1 т. веса);

∙в отсутствии необходимости устройства специальных дорог;

∙в транспортировке грунта без дополнительных транспортных машин.

Втоже время им свойственны и существенные недостатки:

∙невозможность работы в глубоких и небольших в плане котлованах сложной формы;

∙относительная небольшая экономически оправданная дальность перемещения;

∙сложность работы машин с увлажненными и мокрыми грунтами.

Общий вид отдельных типов землеройно-транспортных машин дан на рис 8.1.

Рис.8.1. Землеройно-транспортные машины а, б – бульдозер с неповоротным и поворотным отвалом, в – бульдозер на пневмоходу,

г – самоходный скрепер, д - автогрейдер

8.2. Технология производства земляных работ скреперами

Типы скреперов

Скрепер – это самоходная или прицепная землеройно-транспортная машина с рабочим органом в виде ковша на пневмоколесах, снабженного в нижней части ножом для

137

срезания слоя грунта (рис.8.1.д). При наличии собственного привода скрепер называют самоходным. Прицепные скрепера буксируются гусеничными или колесными тракторами.

По способу загрузки различают скреперы с заполнением ковша за счет подпора грунта при резании и с заполнением ковша с помощью загрузочного устройства.

У скреперов первого типа срезание стружки грунта и заполнение ковша осуществляется за счет силы тяжести ведущих колес скрепера и гусениц тягача. Такие скреперы выпускаются как прицепные, так и самоходные

У скреперов второго типа заполнение ковша осуществляется элеватором, что обеспечивает загрузку ковша без толкача. Такие скреперы выпускаются в основном самоходными. Преимущество этих скреперов – заполнение ковша с «шапкой». Недостаток

– трудность использования на влажных глинистых грунтах.

За рубежом имеются скреперы со шнековым элеватором, который обеспечивает более быстрое и полное заполнение ковша и повышает производительность.

По принципу управления рабочим органом различают скреперы с канатно-блочным и с гидравлическим управлением. У скреперов с гидравлическим управлением подъем/ опускание ковша и заглубление режущей кромки в грунт осуществляется принудительно с помощью гидроцилиндров. Это позволяет регулировать толщину срезаемой стружки, сокращать время набора грунта и разрабатывать более плотные грунты.

Наиболее современные скреперы – автоматизированные типа ДЗ-172,5, снабженные лазерным устройством, обеспечивающим стабильность заданных параметров стружки.

Рис.8.1.е. Вид современного скрепера.

Наибольшее распространение в строительстве получили самоходные скреперы с гидравлическим управлением. Они более маневренны, более скоростные, имеют большую производительность в 1,5 - 2,0 раза по сравнению с прицепными скреперами той же вместимости.

Различают скреперы малой (до 3м³), средней (3-10м³) и большой (более 10м³) емкости.

138

Промышленностью серийно выпускаются прицепные скреперы с ковшами 3,0 – 15 м³, работающие с тягачами мощностью 75 – 330 л.с. и самоходные скреперы с ковшами 8 -25 м³.

В целом отечественная и зарубежная промышленность выпускает скреперы с большим диапазоном характеристик. Диапазон некоторых характеристик выпускаемых промышленностью скреперов дан в таблице 8.1.

Таблица 8.1. Диапазон характеристик скреперов
Тип	Мощность	Вместимость ковша		Ширина	Толщина
	двигателя	Геометрич.	С	резания	отс. слоя
			шапкой
	кВт	м³	м³	м	м
		Отечественные
Прицепные	59-243	3,5-10	4,0-12,5	1,9-3,0	0,2-0,5
Полуприцепны	121-265	3,5 - 12	4,5-16	2,4-3,4	0,15-0,5
е и самоходные
Зарубежные	190-450	6 - 26	8,4-33,6	2,9-3,85	0,37-0,6

Пример современного скрепера ДЗ-13Б приведен на рис. 8.1.ж.

Рис. 8.2.ж. Скрепер ДЗ-13Б 1 – одноосный тягач БелАЗ-7442, 2 – электрооборудование, 3 – седельносцепное

устройство, 4 – рычажный механизм заслонки, 5 – заслонка, 6 – тяговая рама, 7 – ковш, 8 – задняя стенка, 9 – пневмосистема тормозов, 10 - колесо

Скрепер предназначен для послойной разработки грунтов, не содержащих каменистых включений крупностью более 350 мм. Набор грунта производится с помощью тракторатолкача класса 25-35 с соответствующим толкающим устройством. Управление рабочим органом - гидравлическое. Вместимость ковша 23 м³, грузоподъемность – 30 т.

Многие скреперы оборудованы системой «Копир-Стабилоплан-10л», которая обеспечивает автоматическое управление гидроцилиндрами подъема-опускания ковша для выдерживания заданного положения режущей кромки, подсыпки и выемки планируемой поверхности.

Выборочная номенклатура отечественных скреперов дана в таблице 8.2.

Таблица 8.2. Выборочная номенклатура отечественных скреперов

139

Марка	Мощность	Вместимость	Ширина	Толщина	Наив.
	двигателя,	ковша,	резания	отсыпки	скорость
	кВт	геом/с			движения,
		шапкой, м³			км/ч
1	2	3	4	5	6
		Прицепные
ДЗ-30	59	3/3,5	1,9	0,3	10,8
ДЗ-20	80	7/9	2,62	0,3	10,1
ДЗ-111А	96	4,3/5,5	2,43	0,4	9,3
ДЗ-77А	118	8,8/10	2,75	0,4	10,5
ДЗ-172.5.03	125	8,8/11	2,75	0,4	10,5
ДЗ-79	243	15/18	3,02	0,5	10,4
		Полуприцепные и самоходные
ДЗ-87-1	121	4,5/6	2,43	0,41	30
ДЗ-11П	159	8/10	2,78	0,475	40
ДЗ-13Б	265	16/23	3,43	0,15-0,51	50

Технология работ

Скреперы предназначаются для послойного срезания, перемещения, послойной отсыпки, разравнивания и частичного уплотнения грунтов. В гидротехническом строительстве они в основном применяются при строительстве каналов, разработке крупных котлованов, карьеров и отсыпке плотин.

Во время движения скрепера ковш опускается, врезается ножом в грунт и заполняется. После наполнения ковш приподнимается и транспортируется к месту выгрузки. Разгружается ковш опрокидыванием вперед или назад (свободная выгрузка), или посредством специальных приспособлений (принудительная выгрузка). Высыпающийся грунт разравнивается ножом.

Набор грунта скрепером можно вести только на прямом участке. Минимальная длина прямого участка (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Схема рабочего забоя скрепера а) вертикальный, б) план

Lск – длина скрепера, Lн – длина пути набора грунта, Lтр – длина трактора (тягача) Lпр.min = lн. + lск. + lт.

где lн. – длина участка наполнения ковша, lск. – длина скрепера, lт. – длина тягача.

140

Длина участка наполнения ковша определяется из условия полного наполнения ковша на прямолинейном участке:

	lн =	qk	×	kн	(8.1)
		вк hckc		kp

где: qк – геометрическая емкость ковша, м3 ; hс – толщина стружки резания (0,08- 0,25 в зависимости от типа грунта); вк – ширина ковша (2-3 м), в зависимости от емкости

ковша qк; кс – коэффициент неравномерности толщины стружки (≈ 0,7); кн – коэффициент наполнения ковша; кр – коэффициент разрыхления грунта, зависящий от типа грунта.

Все эти показатели зависят от емкости ковша и типа грунта: hр.мах≈0,15-0,35; lн≈15-20м. Длина участка выгрузки (разгрузки)

Lвыгр =	qk	×	kн	= 4 - 24м	(8.2)
	вк hотс
			kр

hотс. – толщина слоя отсыпки ≈ 0,35 – 0,5 м.

Резание грунта может производиться по нескольким схемам: с постоянной толщиной стружки; с переменной (клиновидной) толщиной; «гребенчатая», «клевками».

Предельные уклоны движения могут быть найдены исходя из равенства тягового сопротивления и силы тяги на крюке. Примерно они равны 0,12-0,15 – для подъема в груженом состоянии; 0,1-0,3 –при загрузке ковша.

Общая схема движения скрепера по циклу – разработка-выгрузка зависит от размеров выемки и насыпи и дальности транспортировки. В основном, применяется 2 схемы – продольная и поперечная. При этом могут быть следующие разновидности движения скреперов (рис.8.3): а) кольцевая; б) по восьмерке; в) по змейке; г) продольно-челночная; д) поперечно-челночная; е) спиральная.

141

д	е
)	)

Рис. 8.3. Схемы движения скреперов а) кольцевая, б) по восьмерке, в) по змейке, г) продольно-челночная, д) поперечно-

челночная, е) спиральная.

Выбор типа и мощности скрепера зависит от объемов работ, габаритов выемки и условий работ (уклоны местности, возможность маневрирования) и дальности транспортирования. Целесообразная дальность транспортирования зависит от типа скрепера: 400-800 м – для прицепных скреперов, до 3000 м – для самоходных скреперов, больше 3000 м – быстроходные самоходные скрепера.

Производительность скрепера

Воспользуемся общими формулами гл.5.

Пэч = qц × nц × Кв = q1ц × Кз × nц × Кв,

где:

q

ц

= q1

× К

з ;

q1

= q

к - геометрическая емкость ковша;

(8.3)

ц

ц

kз

=

kн

– коэффициент загрузки и потерь; Кн, Кр = j (типа грунта);

kp

nц

=

3600

tц

; Кв = 0,8 - 0,9 .

tц = tкоп. + tтр. + tразгр. + tвозв. + tдоп.,

lпор.

(8.4)

tкоп. =

lн

tтр. =

lтр.

tпор. =

tразр. =

lразр.

Vк.ср. ;

Vпор. ;

где:

Vт.ср. ;

Vр.ср. ; tдоп. » 60 с

где tц – время одного цикла, tкоп, tтр, tразгр, tвозвр, tдоп – время элементов цикла, соответственно копания, транспорта, разгрузки, возврата, дополнительные на повороты и переключение передач и т. д.

В итоге

П э = q ×		Кн		× 3600	;		(8.5)
ч	к	К	р	t
				ц
Пгодэ	= Пчэ ×Тчр.год или Пгодэ = Пчэ ×Тчк.год × Кик					;	(8.6)
Трч.год – расчетное число часов работы машины в год.

При нормальном режиме работы по данным расчетов и опытным данным Трч.год=» 2900

– 1700; Кик = 0,34 – 0,2.
В целом П = j (qк, lн., lразгр., Lтр., Кн. Кр, hн, типа грунта)	(8.7)

Влияние различных факторов на производительность скреперов дано на рис.8.4.

142

Рис. 8.4. Влияние различных факторов на производительность скреперов а) Влияние емкости ковша и дальности возки, б) Влияние влажности на Кн для

различных грунтов (q = 6 м³), в) Влияние «толкача» на Кн, г) Влияние толщины окружности на Кн (qн = 6 м³)

1 – песок; 2 – суглинок; 3 – с толкачом; 4 – без толкача; 5 – грунты I группы (пески; 6 – грунты II группы (суглинки, глины)

Пути повышения производительности: набор грунта с толкачом (увеличивается Кн.); набор грунта под уклон (уменьшается tц.); набор «уступами» (уменьшается lн, а следовательно tц.).

8.3. Технология производства земляных работ бульдозерами

Бульдозеры представляют собой землеройно-транспортные машины цикличного действия, выполняющие операции по резанию, перемещению, разгрузке и укладке грунта. Они представляют собой гусеничный или колесный трактор, оборудованный впереди рабочим органом – управляемым отвалом с ножом в нижней части.

Схема бульдозера дана на рис.8.5.

143

Рис. 8.5. Параметры бульдозера и схема его работы а) Схема бульдозера с неповоротным отвалом; б) Схема бульдозера с поворотным

отвалом; г) Схема отвала с грунтом 1 – Отвал с ножом; 2 – Рама; 3 – Шаровой шарнир; 4 – Гидроцилиндры

Lн – длина пути наполнения отвала (пути резания); Lгх – длина груженого хода; Lв – длина выгрузки

Бульдозеры классифицируют по следующим показателям:

-по виду ходового оборудования – гусеничные, колесные;

-по степени подвижности отвала – неповоротные, поворотный (универсальный);

-по типу отвала - с переменным радиусом кривизны, с адаптивной лобовой частью, с выступающими ножами, ковшевого типа, с откидными рыхлительными зубьями, с боковыми захватами;

-по системе управления отвалом – канатно-блочная, гидравлическая;

-по мощности двигателя и тяговому усилию (табл.1): легкие (15,5-60 кВт), средние (60-108 кВт), тяжелые (110-220 кВт), сверхтяжелые (свыше 220 кВт).

Наиболее распространены гусеничные бульдозеры с гидравлической системой управления отвалом. Общий вид современного бульдозера представлен на Рис.8.5.а.

144

Рис.8.5.а. Общий вид современного бульдозера

Конструктивные особенности определенных типов бульдозеров учитывают разнообразие условий управления. Так некоторые модели современных гидравлических бульдозеров снабжаются дополнительной автоматизированной системой управления отвалом «Автоплан», обеспечивающей автоматическую стабилизацию заданного положения отвала при выполнении планировочных работ.

Диапазон характеристик бульдозеров, выпускаемых промышленностью, дан в таблице

8.2.

Таблица 8.2.Диапазон характеристик бульдозеров
Тип	Мощность, кВт	Габариты отвала, м		Объем призмы
		Ширина, м	Высота, м	волочения, м³
1	2	3	4	5
		Отечественные
Гусеничные	60-600	3,3-4,5	0,8-2,1	5,8-18,5
Колесные	40-260	2,0-4,3	0,6-1,4
		Зарубежные
	78-1050	3,2-5,6	1,0-2,6	2,9-25,6

Выборочная номенклатура отечественных бульдозеров дана в таблице 8.3.

Таблица 8.3. Выборочная номенклатура бульдозеров
Марка	Мощность	Габариты отвала
	двигателя, кВт	Длина, м	Высота, м
ДЗ-29	59	2,56	0,8
ДЗ-101А	96	2,86	1,05
ДЗ-53	80	3,2	3,2
ДЗ-27	118	1,1	1,1
ДЗ-35	133	3,36	1,2
ДЗ-132-1	243	4,55	1,7
ДЗ-141ХЛ	368	4,8	2,0

Основное рабочее оборудование бульдозера – отвал с ножом на базе трактора.

Рабочий процесс включает: резание,		транспорт, выгрузка, возвратный ход,
маневрирование.
tц = tрез. + tтр. + tвыгр. + tпор. + tман.	(8.7)

145

Объем грунта перед отвалом			H2
F	=
сеч			2tgϕ .		(8.8)
qк = Fсеч ∙ BоSinβ ∙ kз ,
где Fсеч – площадь поперечного сечения грунта перед отвалом, Bо– ширина отвала.
Длина участка наполнения: lн	=		qк		×	kн	,	(8.9)
		hpкhво(Sinβ)
						kр

где qк – геометрическая емкость призмы; hp – глубина резания (толщина стружки резания); kh – коэффициент неравномерности толщины резания; Во – ширина ковша; β –

угол разворота ковша.

Схемы резки стружки – такие же, как у скрепера: постоянной толщины, клином, клевками, гребенкой.

Схемы разработки: продольная, поперечная. (рис. 8.6. б, в, г, д). Схемы отсыпки: горизонтальными слоями, наклонными слоями.

Рис. 8.6. Схемы резания (а, б, в) и схемы разработки бульдозером (г, д, е)

а) с постоянной толщиной стружки; б) гребенчатая; в) клиновая; г) полосовая; д) траншейная; е) с промежуточным валом

146

Во – ширина отвала; DВп – размер «перехлеста»; Вс – ширина стенки

Производительность: по аналогии со скрепером.

П э = q	ц	× n × k	в	= q	к	× k	з	×	3600 × k	в
ч		ц							tц
										(8.10)

К= kн kс ki

зk р

Где kн, kр – коэффициенты наполнения и разрыхления, kс – коэффициент сохранности грунта при перемещении, ki – коэффициент влияния уклона.

На коэффициент загрузки Кз существенное влияние оказывают потери, зависящие от длины транспортировки и типа грунта.

Кс – коэффициент сохранности грунта = j (Lтр. и вида грунта) Приблизительно Кс ≈1 −0,05Lтр , где lтр – длина пути транспортирования

Предельная длина транспортирования, при которой грунт теряется практически полностью »25 м – для сыпучих грунтов, » 100 м – для связных грунтов.

Ki - коэффициент влияния уклона (подъёма). Приблизительно при уклоне от 0 до 20ºС ki изменяется от 1 до 2,5, соответственно при подъёме ki изменяется от 1 до 0,40.

Пгод = Пч × Трч.год = Пч × Ткч.год × Кки.год	(8.11)
Трч.год = j (tклим.усл..) » 3400 – 3000,	Кки.год. = 0,39 ¸ 0,34

Пути повышения производительности бульдозеров

Основной причиной снижения производительности является потери грунта при транспортировке.

Для уменьшения потерь и повышения Кн применяются: боковые открылки, козырьки, уширители отвалов (L увеличивают до 70 м), работа в траншее (рис. 8.6 д), работа с промежуточным валом (рис. 8.6 е), работа спаренными бульдозерами, перемещение грунта по траншее, резание грунта боковой кромкой, гребенчатое резание грунта.

Область применения (самостоятельно): разработка выемок до 2-х м, вскрышные работы, культурно-технические работы, планировка площадей и откосов с заложением до 1:1,75, обратные засыпки. В комплексе с другими машинами: работа в забоях с экскаваторами, разравнивание грунта в насыпях.

8.4. Производства земляных работ грейдерами

Грейдеры также относятся к землеройным транспортным машинам и представляют собой прицепные и полуприцепные машины, работающие в сцепе с гусеничными тракторами или колесными тягачами, самоходные машины (автогрейдеры) на пневмоходу.

В гидротехническом строительстве они в основном играют вспомогательную роль и применяются на профилировании дорог, возведении дорожных насыпей, устройстве боковых канав, планировке откосов насыпей и др.

Основным рабочим органом грейдеров является отвал.

Классифицируются грейдеры в основном по весу и мощности двигателя. Диапазон характеристик грейдеров, выпускаемых промышленностью, дан в таблице 8.3..

Таблица 8.3.
Тип грейдера		Размер отвала, м	Масса, т	Мощность двигателя,
		длина без удлинителя	высота	квт
Прицепные	и	3,0-3,7	0,4-0,7 2,8-4,65	трактор
полуприцепные
Самоходные		3,7	3,35
Автогрейдеры		3,7-4,8	9,7-26,6	66-184

147

8.5. Производства земляных работ подъемно-транспортными машинами (погрузчиками)

Виды подъемнно-транспортных машин

К погрузчикам относят машины, используемые в основном, для погрузочноразгрузочных работах.

Каждый вид погрузчиков имеет свои преимущества и недостатки и используется в зависимости от условий и технологии работ.

Подъемно транспортные машины могут быть одноковшовые (циклического действия) или многоковшовые (непрерывного действия), гусеничные или на пневматическом ходу.

Так у погрузчиков на гусеничном ходу высокая производительность и они способны развивать большое напорное усилие, необходимое для загрузки ковша. Пневмоколесные погрузчики более маневренны, с более высокими скоростями могут не только вести погрузочно-разгрузочные работы, но и транспортировать грузы.

Наибольшее распространение среди этой группы техники получили колесные погрузчики.

Колесные погрузчики это компактные, полноприводные машины, используемые в гидротехническом строительстве в основном для вспомогательных работ.

Все колесные погрузчики можно условно подразделить на фронтальные, экскаваторыпогрузчики, телескопические погрузчики и минипогрузчики.

Фронтальные погрузчики

Фронтальный погрузчик представляет собой специализированную погрузочную машину, которая предназначена для осуществления различных операций, связанных с захватом, подъемом, а также укладкой всевозможных сыпучих материалов.

Рис 8.7.а. Фронтальный погрузчик

Погрузчик способен транспортировать различные грузы в захватах или на ковше, осуществлять буксировку различных прицепов и другое оборудование на небольшие расстояния.

Фронтальный погрузчик отличается от экскаватора существенно меньшими габаритами и весом. Кроме того, фронтальный погрузчик по сравнению с экскаватором имеет более высокую грузоподъемность, обладает большей маневренностью и требует для работы меньше рабочего пространства. Следует отметить также высокую универсальность погрузчика, за счет использования различного съемного оборудования.

148

Сфера применения фронтальных погрузчиков очень широка. В зависимости от модификации они могут использоваться для погрузки сыпучих и искусственных материалов, выполнения земляных работ и планировки площадок, успешно применяются на складах, в портах и карьерах. А так же при различного рода монтажных работах. Как правило, погрузка осуществляется в бортовые автомобили или вагоны.

Свое название фронтальный погрузчик получил из-за того, что его основной рабочий орган – отвал, расположен спереди. Благодаря такому расположению отвала погрузчик способен производить разработку грунта, как в движении, так и стационарно. Благодаря полному приводу и большой мощности основного двигателя имеет повышенную проходимость и способен разворачиваться на одном месте.

Производительность погрузчиков оценивается по общим формулам, применяемым для определения производительности машин циклического действия. (глава 5)

Рабочий цикл фронтального погрузчика включает в себя: опускание ковша, движение машины вперед для его загрузки, подъем ковша, отъезд с разворотом и подъезд к месту выгрузки, разгрузка ковша, возвращение с разворотом к месту загрузки.

tц = tзагр.+ tподъ. + tтр. + tразгр. + tвозв. + tдоп., (8.12)

где tц – время одного цикла, tзагр, tподъ, tтр, tразгр, tвозвр, tдоп – время элементов цикла, соответственно загрузки, подъема, транспорта, разгрузки, возврата, дополнительные на повороты и переключение передач и т. д.

Отличие рабочего цикла погрузчика с задней разгрузкой в том, что после подъема ковша погрузчика, движение к месту выгрузки осуществляется задним ходом без разворота.

Одноковшовые фронтальные погрузчики оснащаются сменным рабочим оборудованием, что повышает их универсальность. Ковши различного вида и емкости, захваты, крюки, вилы, приспособления для погрузки длинномерных грузов. Подсоединение дополнительного оборудования осуществляется с помощью автоматической сцепки.

Фронтальные погрузчики могут обеспечить разгрузку в бок, с помощью специальных гидроцилиндров.

В зависимости от выполнения погрузочно-транспортных операций каждый автопогрузчик выступает либо технологически самостоятельной подъемно-транспортной машиной, либо входит в комплект средств механизации погрузочно-разгрузочных работ объекта применения. Хотя объекты применения автопогрузчиков различаются по назначению и организации работ, однако технология производства погрузочнотранспортных операций автопогрузчиками – одинакова.

Особенность производства погрузочно-разгрузочных и транспортных работ заключается в том, что поднимаемый и перевозимый погрузчиками груз не может иметь большой размер по высоте, из-за чего резко уменьшается обзорность впереди лежащей дороги из кабины водителя.

Для безопасной работы погрузчика требуется специальная подготовка дорог и площадок с соблюдением допустимых уклонов. Лучше всего колесные погрузчики работают на ровной незагроможденной поверхности.

Автопогрузчик, работающий в стесненных условиях, может развивать скорость до 22 км/час.

Электропогрузчик в аналогичных условиях развивает скорость до 12 км/час. Транспортная скорость фронтального погрузчика может доходить до 40-45км/час, что

позволяет эффективно использовать эти машины при перевозке грузов на небольшие расстояния в пределах строительной площадки.

К основным техническим параметрам погрузчиков относится грузоподъемность, высота подъема, тип двигателя, тип грузоподъемника, трансмиссии, количество секций гидрораспределителя.

Телескопические погрузчики

149

Телескопический погрузчик это машина, сочетающая в себе функции вилового и одноковшового погрузчиков с телескопической стрелой.

Рис.8.7.б. Телескопический погрузчик

Одним из главных преимуществ использования в работе погрузчиков с телескопической стрелой, является их универсальность, т.к. эти машины способны грузить, как сыпучие материалы, так и контейнеры. А при необходимости выполнять роль подъемника с рабочей платформой для персонала.

Высота подъема стрелы может доходить до 17-20 м.

Погрузчики с телескопической стрелой находят широкое применение в гражданском и промышленном строительстве, сельском хозяйстве, различных областях промышленности.

Погрузчики, как правило, создаются на базе специальных самоходных шасси с гидрообъемной трансмиссией, со всеми ведущими и управляемыми колесами.

К особенностям этой модели следует отнести возможность нивелирования рамы в поперечном направлении за счет специальной подвески ходовой части. Это позволяет обеспечить необходимую устойчивость при работе на уклонах и пересеченной местности.

Погрузчики этого типа, для большей устойчивости, могут иметь выносные опоры специальной конструкции.

При работе с выносными опорами за счет увеличения продольной устойчивости грузоподъемность, на максимальной высоте подъема, повышается более чем на 20 %, а при небольшом вылете почти втрое.

Погрузчики с телескопической стрелой способны передвигаться в рабочем диапазоне со скоростью до 7 км/час, а в транспортном диапазоне до 30 км/час.

Для обеспечения максимального радиуса разворота, колеса переднего и заднего мостов могут поворачиваться в разные стороны или в одну сторону, для передвижения боком. При транспортных пробегах управляются только передние колеса.

На погрузчиках, как правило, устанавливается двух или трехсекционная телескопическая стрела. Оголовок стрелы снабжен устройством, для быстрой смены рабочих органов с механической или гидравлической фиксацией. Погрузчики могут быть оснащены системой контроля нагрузки с визуальной или звуковой сигнализацией.

При производстве работ на автопогрузчике надо иметь в виду, что по ширине рабочего оборудования, поднимаемый груз должен быть расположен равномерно и согласно грузовой диаграммы погрузчика.

150

Рис.8.7.в. Грузовая диаграмма

Комплект сменных рабочих органов обеспечивает универсальность и включает ковши различной емкости с зубьями и без, вилы для штучных и тарных грузов, вилы и ковши с челюстным захватом, двухчелюстные ковши, крановый гусек, бадьи для бетона с механическим или гидравлическим открыванием шибера, платформы для подъема людей и т.д.

Экскаваторы-погрузчики

Машина, которая называется экскаватор-погрузчик это многоцелевая машина, которая представляет собой сочетание фронтального погрузчика и экскаватора.

Рис.8.7.г. Экскаватор-погрузчик

Эта машина, благодаря большому количеству сменного оборудования, широко используется в промышленном и гражданском строительстве, при производстве земляных

151

работ и благоустройстве территории, ремонте дорог и при погрузочно-разгрузочных операциях.

Вкомплект дополнительного навесного оборудования этой машины входит широкий спектр различных предметов: ковши, обратная лопата, планировочные ковши ( в т.ч. и поворотные), профильные ковши, челюстные ковши, которые используются, как для копания, так и для захвата и подъема грузов (таких как бордюрные камни, доски бревна и т.п.), а также различного вида погрузочные ковши.

Вкачестве навесного оборудования экскаваторов-погрузчиков могут использоваться гидромолоты. Энергия удара и масса гидромолотов сбалансированы и обеспечивают минимальную отдачу на рукоять и стрелу экскаваторов-погрузчиков. На стрелу экскаватора может также устанавливаться гидравлическая вибро-трамбовка или фреза-планировщик, которые навешиваются вместо ковша. На фронтальный механизм помимо ковшей может устанавливаться бункер для бетона, виловые захваты, челюстной ковш, подъемный крюк. Для уборки асфальтового покрытия автомобильных дорог может использоваться фронтальная дорожная щетка с гидравлическим приводом, а для уборки снега – шнековый ковш. Экскаваторы-погрузчики могут быть оснащены разнообразным гидравлическим ручным инструментом: дисковые пилы, гидравлический отбойный молоток, гидравлическая дрель и гидравлический перфоратор, могут присоединяться различного рода погружные насосы.

С экскаваторами-погрузчиками может применяться различного рода бурильное оборудование. Это оборудование очень удобно для быстрой установки всевозможных опор

истолбов. Навешивание бурильного оборудования на экскаваторы-погрузчики, оборудованные устройствами быстрой сцепки, занимает минимальное время и не требует больших трудозатрат. Оборудование состоит из гидравлического привода, шнеков различного диаметра, удлинителей шнеков и подвесной системы. Ассортимент шнеков включает в себя, как обычные шнеки для бурения по грунту, так и шнеки с твердоплавными коронками, для бурения по абаразивным грунтам и мягким скальным породам.

Минипогрузчики

Минипогрузчики – это машины, несущие в себе характеристики больших машин в компактных габаритах.

152

Рис.8.7.д Минипогрузчик

Они обладают эксплуатационной простотой, комфортабельностью, долговечностью и универсальностью. Грузоподъемность погрузчиков достаточна для использования большого количества навесного оборудования (более 60 видов агрегатов). Несмотря на малые габариты, эти погрузчики обладают достаточно высоким вылетом стрелы (более 3 м) и относительно большой грузоподъемностью. Из-за малых размеров они особенно незаменимы при производстве погрузочно-разгрузочных работ в стесненных условиях.

Универсальность и сравнительно невысокая цена, на технику такой грузоподъемности, обуславливает ее широкое применение.

Для производства работ в сложных условиях, где требуется повышенная проходимость техники, на строительных площадках применяют минипогрузчики на гусеничном ходу.

153

Рис.8.7.е. Минипогрузчик на гусеничном ходу.

Из представленных, на сегодняшний день, на рынке машиностроительной техники производителей наиболее востребованной является продукция ведущих мировых производителей: «Caterpillar», «Volvo», «JCB», «Daewoo» и другие. Наиболее популярными российскими производителями являются Орловский и Донецкий заводы.

154

ГЛАВА 9. Возведение качественных насыпей

9.1 Качественные насыпи и состав технологических процессов

К качественным насыпям относятся насыпи, удовлетворяющие определенным требованиям к ним, например по составу и характеристике грунтов, плотности, водонепроницаемости, устойчивости и т.д. Отсюда и различные требования как и к конструкции так и к технологии их возведения. Это – земляные плотины, дамбы, перемычки, обратные засыпки, земляное полотно автодорог, железных дорог и т.д. (рис.9.1).

Рис.9.1. Основные типы сооружений из качественных насыпей.

а, б, в – плотины соответственно однородные, неоднородные с ядром, неоднородные с экраном, г – насыпь под железную дорогу, д – насыпь под автомобильную дорогу.

Наиболее характерными типами сооружений в речном гидротехническом строительстве являются плотины. При этом, в зависимости от материала их тела, материала противофильтрационного устройства и способа возведения различают основные типы плотин, указанные в табл.9.1.

Таблица 9.1.
Тип плотины	Отличительные признаки
Земляная насыпная	Грунты от глинистых до гравийно-галечниковых; отсыпают насухо
	с уплотнением или в воду
Земляная намывная	Грунты от глинистых до гравийно-галечниковых; намывают
	средствами гидромеханизации
Каменно-земляная	Грунты тела - крупнообломочные; противофильтрационных
	устройств – от глинистых до мелкопесчаных
Каменно-набросная	Грунты тела - крупнообломочные; противофильтрационные
	устройства – из негрунтовых материалов

Технология возведения качественных насыпей должна быть такой, чтобы были удовлетворены все требования, предъявляемые к качеству сооружения. Эти требования устанавливаются на основе проведения комплекса расчетов по определению напряженнодеформированного состояния и фильтрационной прочности элементов плотины.

Для выявления свойств материалов, используемых в насыпи, вначале производятся соответствующие изыскания местных строительных материалов.

Далее составляются различные варианты плотины, как по конструкции, так и по технологии возведения. На основании технико-экономического сравнения выбирается

155

оптимальный и для него составляется окончательный проект и разрабатывается окончательная технология.

Для качественных насыпей используется обычно качественный грунт из полезных выемок или карьеров. В принципе, для земляной плотины пригодны почти все виды мягких грунтов, за исключением плывунных, илистых и трудно разрабатываемых глин.

Отсыпка грунта в насыпи всегда производится отдельными слоями. Слои могут быть как горизонтальными, так и наклонными.

Послойная отсыпка включает несколько технологических процессов (рис.9.2):

1.Подготовка поверхности;

2.Отсыпка грунта;

3.Разравнивание;

4.Дополнительная обработка грунта до требуемых технологических свойств (увлажнение, подсушка и др.);

5.Уплотнение;

6.Контроль качества.

Рис. 9.2. Схема отсыпки однородной плотины (насыпи)

а – разрез по оси насыпи, б – поперечное сечение насып, в – план на отметке насыпи (разбивка на карты отсыпки).

I,II,III – карты отсыпки соответственно: отсыпка и увлажнение, послойное разравнивание, уплотнение: 1 – слой отсыпки, 2 – землевоз, 3 – бульдозер, 4 – уплотняющая машина.

Устройство насыпи начинается с подготовки основания. Это – удаление деревьев, кустарников, растительного слоя. Растительный слой удаляется бульдозерами, скреперами. Для лучшего контакта основание рыхлится. Если насыпь возводится не сразу, то оставляется защитный слой, который удаляется непосредственно перед отсыпкой. Толщина слоя: 20 – 30 см при отсыпке– до зимы, до 1 – 1,5 м – если насыпь предусматривается зимой. После подготовки основания составляется акт на «скрытые работы». Основание принимается приемочной комиссией.

Подготовка поверхности в процессе отсыпки заключается в рыхлении верхнего укатанного слоя. Отсыпка грунта производится, как правило, самосвалами, скреперами или

156

другими транспортными средствами (конвейеры). Разравнивание производится обычно бульдозерами слоями требуемой величины.

Дополнительная обработка грунта заключается в доведении грунта до требуемой кондиции по влажности.

Для обеспечения непрерывности процесса поверхность насыпи разбивается на отдельные участки – карты, на которых последовательно производятся все технологические операции.

9.2 Сущность уплотнения и влияние различных факторов

Сущность уплотнения и классификация способов уплотнения

Для возведения любой насыпи, прежде всего, необходимо где-то разработать и доставить грунт для этой насыпи. Грунт в естественном состоянии мог быть очень плотный, но в процессе разработки и перемещения он подвергается различным воздействиям, в результате чего его прежняя структура и плотность изменяются. Поэтому при укладке в насыпь необходимо снова привести его в такое состояние, которое повысило бы его плотность и устойчивость против внешних воздействий. Это достигается процессом уплотнения. Именно тщательное уплотнение обеспечивает устойчивость таких земляных сооружений как плотины, дамбы. От степени уплотнения зависит долговечность насыпей и долговечность возводимых на них дорогостоящих сооружений (зданий, дорог и т.д.). Вместе с тем, уплотнение является и наиболее дешевым и поэтому самым распространенным методом придания грунтам необходимой прочности и устойчивости. Его стоимость обычно составляет не более 5–6 % от общей стоимости земляных работ.

Сущность должна включать основной процесс, происходящий в грунте. Это не смятие и деформация частиц, а перемещение частиц и занятие ими более компактного, устойчивого положения с точки зрения неизменности структуры. Поэтому правильнее сущность уплотнения формулировать так: сущность уплотнения заключается в обеспечении перемещения отдельных частиц внутри грунта и такого их перераспределения в положении относительно друг друга, которое образует более компактную, устойчивую структуру против внешних воздействий. Под структурой понимается взаиморасположение отдельных частиц, характер связей между ними, количество и качественное состояние в грунте влажности.

Перемещение частиц может быть обеспечено различными воздействиями: силовыми, динамическими, вибрационными и др. И в зависимости от свойств грунта эти воздействия имеют разный эффект. Задача – выбрать такие воздействия, которые в наибольшей мере способствуют перемещению частиц именно данного грунта данных свойств.

В зависимости от способа воздействия на грунт для его уплотнения, т.е. для перемещения частиц и их более компактной укладки, различают следующие способы уплотнения (таблица 9.2):

-машинами статического действия (укаткой),

-машинами динамического действия,

-машинами комбинированного действия,

-отсыпкой грунта в воду,

-самоуплотнение.

Влияние различных факторов на уплотняемость грунтов

Уплотняемость грунтов – относительная способность грунта повышать свою первоначальную плотность под различными воздействиями.

На уплотнение грунтов влияют многие факторы:

∙естественная структура и физические свойства,

∙механический состав грунта (гранулометрический состав),

∙влажность грунта,

∙начальная плотность,

157

∙толщина уплотняемого слоя,

∙число проходов по одному следу,

∙способ уплотнения и параметры машин.

Влияние структуры и физико-механических свойств

Как известно, грунты состоят из трех фаз: твердой, жидкой, газообразной. Частицы

мелкой твердой фазы разделяют по крупности на: песчаные – 2,0-0,05 мм разной формы, пылеватые – 0,05-0,002 мм в основном сферической формы, глинистые - < 0,002 мм кристаллические частицы пластинчатой или чешуйчатой формы.

Свойства грунтов в основном определяются содержанием в них глинистых фракций, а так же минералогическим составом последних. Глинистые частицы придают грунту связность, которая выражается в том, что между отдельными частицами возникают силы притяжения, в результате которых частицы как бы склеиваются. С этих позиций различают грунты: связные > 12 % глинистых частиц, мало связные 4-11 %, несвязные < 3 %.

Глинистые частицы имеют очень небольшую толщину, но большую удельную поверхность. Например, 1 гр. высушенного грунта имеет площадь в несколько десятков м2. Твердые минеральные частицы несут на себе электрический заряд, благодаря чему взаимодействуют с жидкой фазой – водой и удерживают молекулы воды. Этот слой воды, непосредственно прилегающий к поверхности частиц, имеет аномальные свойства и обнаруживает свойства твердых тел, т.е. обладает упругостью, прочностью на сдвиг, пределом текучести. В результате связности из отдельных частиц образуются агрегаты и вся масса грунта структурируется. Принято различать микро и макро агрегатные структуры. Микроагрегаты – песчаные образования из отдельных частиц. Макроагрегаты – вторичные образования из микроагрегатов.

Грунт поступает в насыпи из выемок, претерпев воздействие машин, т.е. с нарушенной естественной структурой и состоит из отдельных комьев. Структура и сцепление внутри комьев сохраняются в прежнем естественном состоянии (виде). Общая же структура нарушается. Задача уплотнения восстановить нарушенные связи, а может быть даже усилить их. Чем больше связности, тем труднее обеспечить перемещение частиц, а, следовательно, и уплотнение.

Влияние неоднородности грунтов (грансостава)

Грансостав характеризует соотношение различных фракций в составе грунта и обычно выражается соответствующими кривыми (рис.9.3).

Для характеристики неоднородности песчаных и крупнообломочных грунтов введен коэффициент неоднородности:

К60	=	D60
		D10
10			,	(9.1)
где	D60 -		диаметр частиц,	меньше которого в грунте находится 60% частиц

(контролирующий диаметр), D10 - диаметр частиц, меньше которого в грунте находится 10% частиц (эффективный диаметр).

Чем больше К6010, тем грунт неоднородней. При К =1 – грунт предельно однородный. Более интенсивно уплотняются разнородные несвязные грунты.

158

æ	d	60	ö
ç K =			÷
ç	d10		÷
Рис.9.3. Влияние неоднородности грунтов è			ø на плотность грунтов.

а) кривые гранулометрического состава грунтов различной степени неоднородности (1, 2, 3), б) сравнительные характеристики грунтов различной степени неоднородности (1, 2, 3).

Влияние влажности

Вода в грунте подразделяется на: связную (прочносвязную и рыхлую), которая за счет электрических и адсорбционных сил удерживается на поверхности частиц; и свободную, подчиняющуюся действию гравитационных сил. Количество связной воды находится в зависимости от удельной поверхности частиц и минералогического состава, т.е. от количества глинистых частиц.

Влажность грунта оказывает особенно большое влияние на физико-механические свойства грунтов. По мере повышения влажности связный грунт из монолитного сравнительно очень прочного, но хрупкого, превращается в пластичную массу, а затем переходит в пластичное состояние. Пластичное состояние связного грунта по влажности

принято ограничивать двумя характерными значениями влажности: WP - влажность на

пределе пластичности, WL - влажность на пределе текучести. Разница между ними – число пластичности:

J P = WL -WP :

(9.2)

Число пластичности принято в основу строительной классификации грунтов по влажности: супеси J P = 1%- 7%(0,01- 0,07), суглинки J P = 7%-17%(0,07- 0,17), глины

J P > 17%(> 0,17) .

Для конкретной технологии при повышении влажности вначале плотность увеличивается, достигая при определенной влажности максимального значения (Рис.9.4). Эта влажность называется оптимальной. Она различна для различных грунтов и различных технологий уплотнения (табл.9.2.).

159

В соответствии с этим при отсыпке грунтов влажность должна соответствовать оптимальной, для чего – доувлажнение или подсушивание.

Рис.9.4. Влияние влажности на плотность грунтов.

	Примерные значения оптимальной влажности. Таблица 9.2.
	Грунт	Влажность		Наибольшая
		естественная Wест	оптимальная Wопт	плотность, т/м3
	Песчаный	8-12	8-12	1,7-1,9
	Супесчаный	10-15	9-16	1,8-2,1
	Суглинистый	20-28	10-18	1,7-1,7
	Глинистый	25-35	17-21	1,5-1,8

Влияние числа проходок и толщины уплотняемого слоя

Уплотнение грунта зависит и от толщины уплотняемых слоев и от числа проходок. Тонкие слои дают более равномерное уплотнение. Повышение числа проходок повышает и плотность. Вначале интенсивно, но после 4-6 проходок интенсивность падает (рис.9.5), а после 10-12 проходок - почти прекращается. Необходимое число повторных проходов устанавливается по опытному уплотнению. Обычно это 6-8 раз.

160

Рис.9.5. Влияние числа проходок (ударов) на плотность.

а) Изменение коэффициента пористости грунта (е) от сжимающих напряжений (σ ) и количества проходок (1,2,3,…),

б) Изменение плотности уплотняемого слоя ρ от количества проходок (n).

Максимальная толщина слоя, при которой еще достигается требуемая плотность (как

правило, не менее ρd ), называется предельной толщиной слоя. Но для ее достижения требуется большое количество проходок. Поэтому выбирают так называемую оптимальную толщину. Она составляет примерно 80-90% от предельной величины.

hопт = (0,8÷ 0,9)hпред

Влияние рабочего органа и контактных напряжений

Что касается конкретной толщины оптимального слоя для различных машин, то она зависит во многом как от физико-механических свойств грунтов, так и от конкретных размеров машин, которые определяют как общие нагрузки, так и площади передачи этих нагрузок, т.е. контактные напряжения. Проведенные опыты показали, что действие

нагрузки распространяется вглубь грунта на 3,5dш, т.е. hмакс ≈ 3,5dш , где dш- приведенный диаметр штампа. Но напряжения по глубине уменьшаются, и плотность по глубине будет различная, поэтому толщина уплотняемого слоя не может быть равной глубине предельной проработки.

На распределение напряжений по глубине влияет наличие жесткого основания. При отсутствии жесткого основания (рис.9.6а) напряжения распределяются по классической (теории) кривой Буссинеска. При приближении жесткого основания распределение напряжений выравнивается. В итоге имеется зона, где деформация грунта по глубине распространяется более или менее равномерно. Эту зону называют активной, а ее глубину

– глубиной активной зоны. В ней реализуется 80-90% всей необратимой деформации грунта. При таких условиях глубина активной зоны близка к 2dш .

Hакт ≈ 2dш

Глубина активной зоны h0 зависит также и от контактного давления σ 0 (рис.9.6б).

161

Рис.9.6. Влияние различных факторов на распределение напряжений по глубине и величину активной зоны.

а) Распределение напряжений по глубине в зависимости от толщины слоя уплотнения (от положения жесткого основания. 1 - при полупространстве (Кривая Буссинеска), 2 - при большой толщине слоя, 3 - при малой толщине слоя.

б) Зависимость активной зоны h0/hmax от величины контактного давления σ/σр.

Имеются различные предложения для определения глубины активной зоны. В

наиболее общем виде, для расчета глубины активной зоны Hакт предложена следующая формула:

W

(1− e−β

σ 0

W

H

акт

= αB

σ р ) = ϕ(B ,

,σ

0

,σ

р

)

min W

min W

,

(9.3)

0

0

где Bmin- минимальный поперечный размер поверхности контакта рабочего органа; σ р - предел прочности грунта при его оптимальной влажности; σ 0 - контактное давление;

W- влажность грунта; W0- оптимальная влажность грунта; α,β - коэффициенты: α = ϕ (скорости изменения напряженного состояния или длительности приложения нагрузок);

α = ϕ(	σ	,	t )
при укатке α ≈ 1,7− 2,0, при трамбовании α = 1,1; т.е.	t		нагр ;

β = ϕ (вида грунта); для связных грунтов β = 3,7. Толщина уплотняемых слоев.

Толщина, при которой достигается требуемая степень уплотнения при наименьшей затрате механической работы, называется оптимальной, Hсл.опт .

Hсл.опт ≤ Hакт .

При условии ρd ≤ 0,95ρmax оптимальная толщина слоя может быть принята равной

глубине активной зоны: Hсл.опт = Hакт = 2dш

Определение требуемой плотности

Как видно из предыдущего, на плотность грунтов при уплотнении влияет множество факторов, поэтому определение требуемой плотности для конкретных грунтов и сооружений является сложной задачей.

В общем случае плотность сложения грунта земляных, насыпных, каменно-земляных и каменно-набросных плотин определяется с учетом:

а) исследований свойств грунтового материала и расположения его в теле плотины (как по высоте, так и по элементам профиля);

б) внешних нагрузок; в) напряженно-деформированного состояния;

г) способа отсыпки и уплотнения грунтового материала и интенсивности возведения. Практическое решение этой задачи можно разделить на два этапа.

162

На первом этапе осуществляется детальное полевое и лабораторное изучение реальных свойств грунтов конкретных карьеров, предполагаемых к использованию в насыпях. На основании анализа фактических характеристик грунтов и результатов расчетов напряженно-деформированного и фильтрационного состояний проектируемого сооружения при выдерживании нормативных требований определяются расчетные характеристики грунтов, обеспечивающих эти требования. Комплексным выражением этих требований для конкретных конструкций и конкретных грунтов является требуемая плотность.

На втором этапе осуществляется определение оптимальных технологических параметров уплотнения, обеспечивающих получение расчетных характеристик грунтов, в частности плотности.

Такая работа выполняется на опытных полигонах непосредственно на строительстве с использованием грунтов из конкретных карьеров и намечаемых типов машин. Эта работа проводится с целью уточнения:

-оптимальной толщины укатываемого слоя из условий обеспечения требуемой плотности грунта;

-оптимальной влажности, при которой грунт должен укладываться в сооружение;

-необходимого количества проходов уплотняющих средств по одному следу. Опытное уплотнение следует производить для каждого вида грунта, используемого в

сооружении, и для каждого типа применяемых уплотняющих машин. Для каждого типа механизма и вида грунта возводятся две насыпи.

Насыпь №1 возводится для определения значений оптимальной влажности Wопт и

максимальной плотности сухого грунта ρd ,max . Она имеет размеры в плане 15*15 м и возводится тремя слоями толщиной 10-15 см каждый. В поперечном направлении насыпь разбивается на 5 полос шириной по 3 м каждая. В полосы грунт укладывается с различными значениями влажности, равными Wопт и отклонениями в ту и другую стороны.

Различная влажность грунта достигается путем подсушки или дополнительного увлажнения. До укладки в полосы контролируется влажность грунта путем отбора проб. После достижения определенной влажности грунт укладывается слоями и укатывается 10 проходами. Из каждого слоя производится отбор проб для определения плотности и влажности грунта из шурфов. После отбора проб укладывается следующий слой насыпи.

Насыпь №2 предназначена для определения необходимого количества проходов механизма по одному следу n и эффективной толщины уплотняемого слоя грунта hэф. Насыпь имеет размеры в плане 15*15 м и отсыпается в три слоя. В поперечном направлении насыпь разбивается на 5 полос шириной по 3 м каждая. В первые 4 полосы грунт укладывается толщиной слоя, равной 10-15 см, толщина слоя в последней полосе составляет 1м. Полосы укатываются различным количеством проходов, равным 2, 4, 6, 8, - для катков с гладким вальцем на пневмошинах и виброкатков. Полоса толщиной 1 м укладывается 10 проходами механизмов. В насыпь грунт укладывается при оптимальной влажности, определенной после возведения насыпи №1. После укатки каждого слоя производится отбор проб из шурфов для определения плотности и влажности грунта.

163

Рис. 9.7. Схема площадок на опытном полигоне.

9.3 Способы уплотнения грунтов

Уплотнение машинами статического действия

Уплотнение машинами статического действия в зависимости от формы наружной поверхности барабана (шины) катка подразделяется на уплотнение:

-гладкими катками,

-пневмошинными катками,

-кулачковыми катками,

-решетчатыми катками (Рис.9.8).

Рис.9.8 Схемы уплотняющих катков статического действия а, б, в – катки с гладкими вальцами, г – кулачковые, д – решетчатые, е –

пневмоколесные, ж - комбинированные

164

Уплотнение гладкими катками

Сущность этого способа – уплотнение за счет силового воздействия на грунт в период движения катка (рис.9.9).

Рис 9.9. Схема уплотнения гладким катком.

Рис.9.9а. Общий вид гладкого катка

По мере движения катка в каждой точке грунта проходит волна напряжений и под действием напряжений происходит перегруппировка частиц.

165

Катки с гладкими вальцами имеют наибольшее распространение. Преимущество – простота конструкции. Недостатки – неравномерная передача напряжений на грунт и неравномерность уплотнения в пределах толщи. Эффект уплотнения зависит от

параметров (размеров) катка – веса Q, линейного давления на грунт - qл , радиуса барабана

R и режима уплотнения (числа проходок nпрох, скорости движения катка Vкатка). Максимальное давление:

σ		= ϕ(q	,	E0	)	Wе	, qл , R) ,	q =	Q
									B кгс/см
	max	л		R	,	Н опт = ϕ(W 0		л		(9.4)

где qл- линейное среднее удельное давление на грунт, E0 - модуль упругости грунта, We ,W0 - соответственно естественная и оптимальная влажности, R – радиус барабана

катка, B - ширина катка,

Уплотнение пневмошинными катками

Сущность – та же. Преимущество – деформируется не только грунт, но и сама шина, что приводит к относительно более равномерному распределению напряжений в грунте по глубине (рис.9.10).

Рис.9.10. Схема уплотнения пневмошинным катком.

σ max = ϕ(	P	)		H опт =ϕ(	We	,	Q1 P	)
	ξ		,		W0		ξ		,	(9.5)

Q1 - сила тяжести, приходящаяся на одно колесо, P – давление в шинах, кгс/см²,

ξ - статический коэффициент жесткости покрышки, зависящий от давления в шинах (изменяется от 0,6 до 0,16 при изменении давления от Р=1 до Р=6 кг/см²)

Уплотнение кулачковыми катками

Сущность – уплотнение (т.е. перегруппировка частиц) за счет повышенного давления под кулачком (рис.9.11).

166

	Рис.9.11. Схема уплотнения кулачковым катком
	σmax =	Q	, f = ab ,	H 0	=ϕ(	Q	, l,[σ])	(9.6.)
		mf				mf

a, b, f – размеры и площадь кулочка, m – количество кулачков в ряду, l – длина кулочка, [σ] - допустимое удельное давление

Рис.9.12. Общие виды катков: а, б, в – гладкие катки, г – пневмошинный каток.

167

Различают три зоны уплотнения по глубине (Рис. 10.4.): h1 – зона разрыхления при выглублении кулачка, h2 – зона уплотнения за счет сдвига в боковую поверхность при заглублении кулачка, h3 – зона, где грунт уплотнения вертикальной нагрузкой ниже опорной поверхности кулачка.

Способ эффективен в связных грунтах, где требуются повышенные напряжения. Нагрузка на один кулачек должна быть разрушающей для данного грунта, но не такой, чтобы кулачек вдавливался на всю высоту.

σ max = ϕ(Q, f , m) ≤ [σ ]	,	H0 = ϕ(hк ,bк ) ,
(9.7)

где Q- вес катка, f - площадь кулачка, m- количество кулачков в ряду, hк - высота кулачка, см, bк - толщина кулачка, см,[σ ] - допустимое удельное давление на опорную поверхность кулачков, [σ ] = ϕ (типа и свойств грунта).

Уплотнение машинами динамического действия

Уплотнение происходит под действием удара. Рабочими органами трамбующих машин являются плиты различных размеров, различного веса и формы, которые сбрасываются с различных высот (рис.9.12).

Рис 9.13. Схема уплотнения грунта трамбовкой.

168

Рис.9.14 Уплотнение грунта трамбованием а) трамбующими плитами на базе крана – экскаватора; б) трамбующими плитами при

обратной засыпке котлованов в стесненных условиях; в) трамбующей машиной на базе гусеничного трактора; г) вальцевой трамбовкой на крутых откосах.

Действие удара протекает в короткий промежуток времени. Кинетическая энергия падающей плиты передается частицам грунта, вызывая их перемещение и плотную укладку. Сопротивление по мере внедрения плиты увеличивается, а отсюда и сила удара изменяется от максимума в момент соприкосновения до 0 в конце погружения.

	σ max = 2q
P = ϕ(QH)		2gH			(9.8)
τ h ,	gτF ,
где Q- вес грунта,	H - высота		падения груза, τ - продолжительность удара, h-
глубина погружения за один удар,			g- ускорение силы тяжести, F - площадь ударного
элемента (плиты).					h уменьшается, сокращая продолжительность
При повторяющихся ударах величина

τ , и сила удара возрастает. Отсюда степень уплотнения можно регулировать не только силой тяжести, но и числом ударов n.

Так как напряжение σ зависит от трудно определяемой величины продолжительности удара τ , было предложено (проф. Харкута Н.Я.) определять параметры трамбующих машин по показателю удельного импульса:

169

	Q
J =		2gH			H0	= ϕ(J пред)
	gF			, тс. с/см²			(9.9)
Опытами установлены предельные импульсы					Jпред для различных грунтов, зная

которые возможно определить необходимые параметры.

Jпред=(40-60)10-3 кгс с/см² – для легких грунтов,

Jпред=(175-225)10-3 кгс с/см² – для связных тяжелых грунтов.

Оптимальная толщина слоя H0 возрастает с возрастанием J пред. Например:

при J пред=20*10-3 H0 =0,3 м, при J пред=180*10-3 H0 =1,35 м.

На связных грунтах можно получить большую глубину уплотнения, чем на несвязных. Имеются примеры уплотнения больших глубин до 10м и более. При этом вес груза (плиты) достигает десятков тонн.

Уплотнение машинами вибрационного действия

Сущность уплотнения – перегруппировка частиц за счет их колебаний, вызванных вибрационными машинами. Машины вибрационного действия сообщают грунту частые колебательные движения. Связи между частицами разрушаются. Из-за их разных сил инерции и импульсов происходит взаимное перемещение и более компактная укладка – уплотнение.

Процесс вибрации также значительно уменьшает условные коэффициенты вынужденного трения грунтов, что уменьшает сопротивление частиц трению. Так сухой мелкозернистый песок имеет коэффициент внутреннего трения до вибрации – 0,5, во время вибрации – 0,07, а после вибрации – 0,85.

Эффективность уплотнения зависит от энергии вибрации Pв, разнородности грунта K p

, влажности W, частоты и амплитуды вибрации n, А, времени вибрации tb . Ээффект = ϕ(Pb , K p , ω, n, A, tb )

	ρb =	mV 2	,
Энергия вибрации		r
H0 = ϕ(Pb , n, A,	Vугл ),				(9.10)
где Pв - энергия	вибрации,		m	-	масса дебаланса, V - окружная скорость,	r	-
эксцентриситет дебаланса, n - частота					колебаний, A - амплитуда колебаний, Vугл		-
угловая скорость.				n
Увеличение частоты колебаний					увеличивает эффективность уплотнения.	Для

виброуплотнения применяют машины разных типов – чисто вибрационные или комбинированные – виброударного действия. Последние наиболее эффективны. Типы машин: виброплиты, вибротрамбовки, виброкатки. Толщина слоев колеблется от 0,2 до 1,2 м.

Разновидности вибрационного уплотнения:

Большой интерес представляет глубиное гидровиброуплотнение (рис.9.15).

170

Рис.9.15. Уплотнение грунта глубинными вибраторами а) на глубину до 10 метров, б) на глубину до 2 метров,

1 – тяжелый гидровибратор, 2 – подвод воды, 3 – подвод электроэнергии, 4 – места погружения глубинных вибраторов, 5 – зона уплотнения грунта, 6 – глубинные вибраторы на штангах.

При этом используют стержневые электровибраторы с одновременной подачей воды в зону уплотнения. Применяется для рыхлых и малосвязных грунтов.

Уплотнение взрывами – разновидность вибрационного уплотнения – применяется для несвязных грунтов – песков.

Самоуплотнение замочкой и отсыпкой в воду

Один из древних приемов уплотнения – замочка насыпей.

Применялся с древних времен для возведения насыпей из лессовых грунтов.

Принцип – обильное увлажнение (до полного насыщения) вызывает потерю связности, распад агрегатов, оплывание макропор, что способствует более плотной укладке частиц. Уплотнение замочкой лессов сопровождается значительной деформацией насыпей.

Развитием этого способа является отсыпка грунта непосредственно в воду (рис.9.16). Очередной слой укладываемого грунта отсыпают в воду – в пруд в обвалованном

пространстве. В последние годы способ усовершенствовался путем дополнительного уплотнения машинами (бульдозерами, а/с, скреперами). Высота слоя больше глубины воды. Укладка в воду обеспечивает распад агрегатов, ликвидацию макропористости, в результате чего получается монолитная структура достаточной плотности и водопроницаемости. Существенное влияние оказывает гидродинамическое действие воды, интенсивность отсыпки.

171

Рис.9.16. Схема укладки грунта отсыпкой в воду - Дамбы обвалования; 2 - Ярус отсыпанного грунта в воду (карта отсыпки); 3 - Труба

для пропуска воды на соседние карты укладки; 4 - Транспорт

Сводная классификация способов уплотнения грунтов дана в таблице 9.2. Выборочная номенклатура отечественных катков дана в таблице 9.3.

172

Таблица 9.2

Способы уплотнения грунта

Машинами статического

действия с укаткой

Прицепные катки

Гладкие

Пневмошинные

Кулачковые

Решетчатые

Самоходные катки

Гладкие

Пневмошинные

Попутный проход машин

Скреперы

Автосамосвалы

Бульдозеры

Тракторы

Машинами

Машинами

динамического

вибрационного

действия

действия

(трамбованием)

Для

Трамбовка на

базе

поверхностного

уплотнения

экскаваторов

Плиты

Прицепные

Вальцы

Самоходные

Трамбовка на

базе

Для глубинного

тракторов

уплотнения

Гидровибраторы

Плиты

Дизельтрамбовка

Механизированный инструмент (ручной)

Пневмотрамбовка

Электротрамбовка Дизельная трамбовка

	Машинами					Отсыпкой
	комбинированного					грунта		в
	действия					воду
	Прицепные
	виброкатки
		Самоходные
		виброкатки
	Катки с падающими
	грузами

173

Таблице 9.3. Выборочная номенклатура отечественных катков
Модель			Показатели
катка	Масса	Ширина	Скорость	Диаметр	Толщи	Число	Частота
	без	уплотняе рабочая/трансп		вальцев	на	проходов	колебания
	балл/с	мой	орт.		уплотн	по следу
	балл	полосы			яемого
	т	м	м/сек		слоя		Гц
			Самоходные с гладкими вальцами
ДУ-50	6,5/8	1,8	0,76/2,17
ДУ-48Б	9/12	1,85	0-1,8/1,8
ДУ-49А	11/18		Кулачковые
ДУ-26А	5/9	1,8		1,4	0,2-0,22
ДУ-27	9,2/17,6	4		1,4	0,2-0,22
			Прицепные на превмошинах
ДУ-30	4/12,5	2,2	1,4/6,9		0,25	8-10
ДУ-39А	6/25	2,6	1,4/6,9		0,35	6-10
			Полуприцепные на пневмошинах
ДУ-37В	13/22,75	2,61	3/8,3		0,25	6-8
ДУ-21	27,8/56,	2,68	4,2/93		0,43	6-8
	7		Самоходные на пневмошинах
ДУ-31А	8,44/14	1,9	До 5,7		0,15
ДУ-29	23/30	2,22	До 6,4		0,15
А-4	3,8	1,5	Прицепные вибрационные		0,1-0,15 6-8
А-12	11,8	2	Самоходные с вибрацией		0,25-0,4	6-8
ДУ-54А	1,5/2,0	0,857	0,5-0,83				52
ДУ-47Б	6/8	1,2	0,42-1,88	1,6			30
ДУ-58	15/16	2	0-1,8/4,45				25,40

9.4 Особенности возведения неоднородных качественных насыпей

Особенности конструкций и технологий

В этих плотинах можно выделить следующие элементы (рис.9.17): упорные призмы, ядро, переходные зоны и фильтры.

Рис.9.17. Типы неоднородных насыпей (плотин) из крупнообломочных грунтов а) каменно – земляная плотина с ядром; б) каменно – земляная плотина с экраном; в) каменно

– набросная плотина 1, 2 – верховая и низовая упорные призмы из крупнообломочных грунтов; 3 – ядро из связных

грунтов; 4 – переходные слои и фильтры; 5 – защитный слой; 6 – экран из негрунтовых материалов (ж/б, металл)

Для упорных призм применяется любой крупнообломочный материал (камень). Для высоких плотин предусматривается его сортировка и зональная укладка. Более мелкий и менее прочный материал укладывается во внутренние зоны. Прочный и крупный – в наружные. Желательна разнозернистая горная масса (50% > 200 мм).

Размер	d		= ϕ(h , q , q		) < (	1	÷	1)h		(9.11)
		пред	сл	тр		2		3	сл

Все элементы плотины возводят одновременно, но с некоторым опережением одной части над другой в зависимости от конструкции.

В плотинах с экраном применяется опережение упорных призм (рис. 9.18а).

175

Рис.9.18.Схемы отсыпки разнородных плотин а) плотина с экраном, б) плотина с ядром при отсыпке ядра “Елочкой”, в) плотина с ядром при

отсыпке ядра “Ступеньками” 1, 2, 3 – очередность отсыпки

В плотинах с ядром укладка переходных зон и фильтров осуществляется, как правило “Елочкой”, при сохранении углов естественного откоса и поочередной укладкой слоев фильтра и ядра (рис. 9.18б). Иногда применяют ступенчатую схему укладки (рис.9.18в).

Уплотнение каждого элемента плотины осуществляется своими механизмами. В зависимости от размеров элементов плотины применяются различные схемы движения катков (Рис.9.19).

176

Рис 9.19. Схемы движения катков при уплотнении грунта в насыпях разной ширины

а) широкая насыпь b > 4Rпов , б)насыпь с шириной b = 2 − 4Rпов , в) насыпь с шириной b < 2Rпов со съездами.

Особенности уплотнения крупнообломочных грунтов

Крупнообломочные грунты – это скальные дробленые породы (каменная наброска). Отсыпка производится так же слоями.

Применяются следующие способы (рис.9.20): 1) малыми слоями (1-3,0 м) с уплотнением тяжелыми катками (иногда гружеными автосамосвалами); 2) большими слоями (10-15 м) с уплотнением гидромониторами; 3) с замывом песка.

Рис.9.20. Схемы уплотнения крупнообломочных (скальных) грунтов

177

а) тяжелыми катками и гружеными а/с; б) гидромониторной струей; в) замывом песка 1 – разнозернистая горная масса с большим содержанием мелочи; 2 – каток (груженые а/с); 3

– автосамосвал; 4 – горная масса с ограниченным содержанием мелочи; 5 – гидромонитор; 6 – горная масса с ограниченным содержанием мелочи с замывом песком; 7 – подача песчаной пульпы для замыва

Первый способ применяется при отсыпке разнозернистой горной массы с большим

содержанием мелочи. Толщина слоя Hсл > 3Dmax.

Второй способ – для отсыпки отсортированных скальных пород для исключения сегрегации при сбрасывании с откоса. Расход воды гидромонитора 1-4 м³ на 1м³ наброски.

Третий способ – при необходимости повышения надежности плотины (Ассуанская плотина). Для возможности замыва должны выдерживаться специальные требования к наброске с ограничением мелочи (мелочь <100мм – 50-60%).

Явление расслоения материала по крупности при падении на откосе называется сегрегацией. Для снижения сегрегации предусматривается: применение грунта с меньшей разнозернистостью, уменьшение толщины отсыпаемого слоя, оптимальное увлажнение грунтов.

9.5. Определение производительности грунтоуплотняющих машин и параметров потока

Производительность машин

Для уплотнения применяются различные способы и типы машин. Среди них – машины непрерывного действия и машины циклического действия.

А. Производительность машин непрерывного действия (катков)

Рабочим органом этих машин является барабан катка шириной В.

Общая формула для этих машин: П = Fпот ×V × KВ - при проходке в 1 след. При определении производительности в м³/час

		'	'		K3 =	B − Bпер
						B					(9.12)
Fпот = Fпот × K3 ;			Fпот = B × Hсл ;
Тогда при одной проходке по слою					П = (B - bпер )Hсл ×V × Kв
где	F '						F
		пот - площадь потока при полной ширине катка, м²;							пот - расчетная площадь потока с
учетом перехлеста – впер , м²;				V - скорость передвижения агрегата (катка)						кмчас ;	B - ширина
укатываемой полосы в м; bпер - ширина полосы перехлёста									(0.15 ¸ 0.2)B в м;		n - число
проходов		по одному	следу;	Kв - коэффициент		использования внутрисменного времени

(0.75 ¸ 0.85)

При проходе n раз по полосе, производительность в n раз меньше

П =	B − Bпер	Hсл ×V × Kв	м3
	n		час

При необходимости исчисления производительности в м2

П = B − Bпер V × K n в

Б. Производительность машин циклического действия (плиты).

Общая формула для этих машин:

(9.13)

(9.14)

П = qц × nц = qц '×K3 × nц × Kв	(9.15)
Рабочим органом этих машин является плита, площадью Fпл .

178

При трамбовании соседних участков плита ударяет с перехлестом Fперехл . Поэтому реальная площадь удара будет: qц = Fпл - DFперехл .

F

- F

qц '= Fтр

qц '= Fтр × kз

K3

=

пл

перехл

,

,

F

(9.16)

F × nц × kв

пл

Тогда при ударе без перехлеста: П =

м

2

час .

n

;

При ударе с перехлестом: П =

F - Fперехл × nц × kв

м

2

час .

n

;

м3

П = П × Hсл ; м3

час

При оценке производительности в

час :

Hсл - толщина слоя

Расчет параметров потока

а) Необходимая суммарная производительность механизмов

Псм( мес) ³ Iсм( мес) =	Vпот	Kнер	м	3
				смену( мес)
	T

Vпот - общий объем грунта в данном потоке (призма, ядро, переходные зоны); T производства работ (смена, мес); Кнер – коэффициент неравномерности.

б) Общая площадь одновременно отсыпаемых карт

å FK = Псм × Tсм

H0

(9.17)

- общий срок

(9.18)

Псм - сменная

эксплуатационная производительность ведущего механизма; Tсм -

продолжительность работы на карте (смен); H0 - толщина отсыпаемого слоя в уплотненном состоянии, м.

в) Площадь одной карты

FK = bк × lк

(9.19)

bк ,lк - ширина и длина карты = ϕ (типа катка, схемы работы, размера сооружения, å FK )

nK	=	å FK
		FK - целое число (за счет уточнения	fK )
				Fобщ.отм
			nк,отc =
				FK	(9.20)
г) Общее число карт на отметке отсыпки, nк,отс :

где Fобщ.отм – общая площадь отсыпки на данной отметке.

Некоторые практические рекомендации к выбору типа уплотняющих машин

Область применения:

1)Катки с гладкими вальцами (Р до 15т) - для уплотнения несвязных грунтов; Hсл ≤10-20 см, b=13-18 м, lmin =50 м

2)Кулачковые катки статического действия – для уплотнения связных грунтов; Легкие Р=8т, средние Р≤16т, тяжелые Р>16т.

Hсл ≤50 см, b=18-40 м, lmin =120-200 м

3)Пневмошинные катки – для уплотнения как сыпучих так и связных грунтов.

-прицепные легкие Р до 15 т;

-средние Р до 25 т;

179

-тяжелые Р до 50 т;

-особо тяжелые Р=100 т. Hсл =50-75 (4-6 проходок)

4)Вибрационные катки – для уплотнения несвязных грунтов.

Hсл =0,5 → 2,0 м (Р=4 → 40т)

5) Машины динамического и вибродинамического действия – для уплотнения различных грунтов. Виброплиты, вибротрамбовки, Р=0,5-2 т - в стесненных условиях Hсл ≈0,8 м.

В целом область применения дана в табл.9.4.

	Таблица 9.4. Области применения катков
	Тип	катков	Основная	Масса, т	Толщина	Число	Производи-
	(машин)		область		слоя, м	проходо	тельность,
			применения			в, кол	м³/час
1	С	гладкими	Несвязные	5-15	0,1-0,2	4-6	30-40
	вальцами		грунты
	самоходные
2	Кулачковые		Связные	10-20	0,2-0,35	6-12	40-80
			грунты,
			комковатые
3	Пневмошинные		Любые	10-50	0,15-0,50	6-10	75-250
			грунты,		0,20-0,60	4-8	100-350
			связные,
			несвязные
4	Вибрационные		Несвязные	3-12	0,20-1,5	4-6	50-1800
			грунты
5	Трамбовочные		Любые	2-3 (Д=12-13)	1,5-2,0
			грунты	10 (Д=2,4 м)	5,5-6,0
				25 (Д=3,5 м)	До 10

180