Классификация земляных сооружений. Способы производства земляных работ. Строительные свойства грунтов. Подсчёт объёмов земляных работ. Механическая разработка грунта. Производство работ землеройными и землеройно-транспортными машинами. Производство работ в зимний период. Гидромеханизированные земляные работы. Разработка грунта с использованием энергии взрыва.
Земляные сооружения классифицируются на:
а) выемки и насыпи;
б) постоянные и временные;
в) профильные и не профильные;
г) основные и вспомогательные.
Различают следующие основные виды выемок и насыпей:
1) Выемки:
- котлован – временная профильная выемка, шириной более трёх метров и длиной не более тройного размера ширины;
- траншея – временная протяжённая профильная выемка, шириной менее 3 м и длиной значительно больше ширины;
- шурф – временная сосредоточенная выемка с незначительными размерами в плане;
- резерв – линейно-протяжённая выемка, находящаяся в непосредственной близости, от линейно-протяжённой насыпи, которую создавали из грунта, взятого из резерва;
- карьер – сосредоточенная выемка для добычи качественного грунта.
2) Насыпи:
- качественная насыпь – постоянное сооружение правильной геометрической формы, имеющее заданные проектом размеры, плотность, водопроницаемость, устойчивость и т.д.;
- кавальер – линейно-протяжённая насыпь, создаваемая (часто правильная геометрической формы) при отсыпки ненужного грунта, а также его временного хранения перед использованием;
- отвал – не профильная насыпь, создаваемая при отсыпке не нужного грунта.
Производство земляных работ включает в себя подготовительные, вспомогательные и основные работы.
Подготовительные работы могут включать в себя: подготовку территории, геодезические работы, а также комплекс работ для ведения строительства в зимних условиях (утепление грунта перед наступлением холодов, оттаивание мёрзлого грунта и т.д.).
Вспомогательные работы, как правило, идут параллельно с основными работами. Могут включать в себя: рыхление плотного или мёрзлого грунта, устройство временного крепления выемок, уплотнение грунта, зачистка и планировка территорий, крепление откосов и т.д.
Основные работы – это работы непосредственно связанные с разработкой, транспортировкой и укладкой грунта.
В зависимости от вида применяемых средств различают 3 основных способа ведения земляных работ:
1) Механический способ – разработка грунта при помощи землеройных и землеройно-транспортных машин;
2) Гидромеханический – разработка грунта при помощи гидромониторов и землесосов;
3) Взрывной – разработка грунта с использованием энергии взрыва.
Выбор способа разработки зависит от проектного объёма работ, свойств грунта, гидрогеологических и других условий.
Под грунтами в строительном производстве понимают горные породы, залегающие в верхних слоях земной коры, которые могут служить основанием под сооружения, либо материалом для создания таких сооружений.
К основным строительным свойствам грунтов, которые могут влиять на земляные работы, относятся:
1) Плотность (естественная, насыпная) – отношение массы грунта к его объёму с учётом пор и пустот (находится в пределах 1,6–2,1 т/м3).
2) Естественная влажность – отношение массы влаги, содержащейся в порах грунта к массе сухого грунта. В естественном состоянии влажность может меняться в широких пределах (в среднем, для песчаных грунтов составляет 7–10%, для глинистых – до 35%).
3) Оптимальная влажность – это влажность, при которой грунт можно по максимуму уплотнить при наименьших трудозатратах. Для каждого вида грунта имеется свой интервал оптимальной влажности: песок – 8–12%, супесь – 9–15%, суглинок – 12–15%, глина – 18–25%. В случае, когда естественная влажность отличается от оптимальной для повышения эффективности уплотнения грунта его иногда экономически целесообразно предварительно увлажнить (если грунт сухой) или подсушить (если грунт переувлажнён).
4) Липкость – свойство глинистых грунтов при определенной влажности прилипать к предметам, например, к ковшу экскаватора или отвалу бульдозера. Свойство липкости характерно для глинистых грунтов, имеющих влажность 20–30%.
5) Разрыхление – увеличение объёма разработанного грунта по сравнению с его объёмом до разработки. Различают первоначальное и остаточное разрыхления. Первоначальное – соотношение объёма грунта сразу после разработки к объёму до разработки (характеризуется коэффициентом разрыхления). Остаточное – отношение объёма грунта после искусственного уплотнения к объёму до разработки (характеризуется коэффициентом остаточного разрыхления).
6) Размываемость – способность грунта сопротивляться размыву движущимся потоком воды (например, критическая скорость потока для песчаных грунтов примерно 0,15 м/с, для глинистых – 1,5 м/с).
7) Размокаемость (характерна для глинистых грунтов) – уменьшение механической прочности грунта вследствии его чрезмерного увлажнения неподвижной водой.
8) Набухаемость (характерна для глинистых грунтов) – проявляется в увеличении объёма грунта при контакте с водой.
9) Способность к морозному пучению (характерна для мелких, пылеватых и глинистых грунтов) – увеличение в объёме при замерзании увлажнённого грунта.
10) Фильтрационная способность – способность грунта пропускать через свои поры воду. Характеризуется коэффициентом фильтрации. С фильтрационными свойствами тесно связаны суффозия и кольматация. Под суффозией понимают процесс выноса из грунта мелких частиц фильтрационными потоками. Кольматация (заиление) – процесс вноса в грунт и отложение в его порах мелких частиц, осуществляемый фильтрационным потоком. Различают так же химические суффозию и кольматацию, которые сопровождаются растворением и выпадением в осадок веществ, содержащихся в грунте. Суффозия является вредным свойством, так как приводит к разрыхлению грунта, повышению его водопроницаемости и снижению устойчивости. Для защиты от суффозии используют обратные фильтры и другие мероприятия. Кольматация ухудшает эффективность дренажных систем препятствуя попаданию влаги в дренажную трубу. Иногда кольматация полезна, например, при заилении стенок каналов, что снижает потери воды из канала.
11) Угол естественного откоса – характеризует крутизну откоса находящегося в состоянии предельного равновесия. Данная величина учитывается при назначении профиля котлованов и насыпей, зависит от вида грунта и его физико-механических свойств.
12) Трудность разработки грунта – зависит от наименования грунта и вида применяемых землеройных машин. Для не мёрзлых грунтов подразделяется на 6 групп, для мёрзлых – на 4 группы. Чем больше номер, тем сложнее разработка.
Различают следующие виды объёмов земляных работ:
1) Проектный (профильный) – вычисляется по геометрическим размерам проектируемого земляного сооружения;
2) Производственный (рабочий) – включает в себя профильный объём, а также учитывает объёмы кавальеров, запас на осадку основания и тела насыпи, запас на потерю грунта при транспортировании и т.д.
Подсчёт профильных объёмов выполняется суммированием частных объёмов отдельных геометрических тел, на которые можно разбить проектируемое земляное сооружение. Подсчитанные объёмы записывают в ведомости группируя их по видам грунта, типам транспорта и землеройных машин и другим признакам.
Отметки, используемые при подсчете объемов:
- красная отметка – отметка, заложенная в проекте;
- чёрная отметка – фактическая отметка уровня поверхности земли до начала строительства;
- рабочая отметка – разность между красной и чёрной отметками (другими словами – это или глубина выемки, или высота насыпи в данной точке на плане).
Формулы подсчёта объёмов земляных работ приводятся в справочниках. Рассмотрим некоторые из них:
1) Подсчёт профильного объёма котлована или сосредоточенной насыпи.
Vкотл(нас.) = (a*b+a1*b1+(a1+a) *(b1+b)) * 
,
V котл(нас.) = ((2a+a1) *b+(2a1+a) *b1) * 
,
где
a×b и a1×b1 – размеры по низу и по верху земляного сооружения;
H – глубина (высота) земляного сооружения;
a1=a+2H*m,
b1=b+2H*m,
m – коэффициент откоса.
2) Подсчёт объёмов линейно-протяжённых земляных сооружений (траншеи, каналы, дамбы, земляное полотно для автодорог).
При подсчёте строительных объёмов продольных и поперечных профилей земляных сооружений в местах изменения уклонов естественной поверхности земли и контура земляных сооружений их делят вертикальными плоскостями на отдельные геометрические тела – призматоиды, объёмы которых можно определить по следующим формулам:
а) При несложной конфигурации рельефа и для ориентировочных расчетов:
Vпр= 
*L (объёмы получаются немного завышенными)
или
Vпр= 
*L (объёмы получаются немного заниженными);
б) При несложной конфигурации рельефа и для более точных расчётов:
Vпр= 
– формула Винклера,
Vпр= 
– формула Мурзо,
Vпр= 
– формула Симпсона,
где
F=0,5(B+b) H.
в) При сложной конфигурации рельефа используется видоизменённая формула Симпсона:
Vпр= 
.
3) Подсчёт объёмов при планировке территорий (площадных объектов).
Планировка выполняется для сглаживания естественного рельефа местности и придания территории уклона. Различают 2 основных метода: метод трёхгранных призм (при сложном рельефе) и метод квадратов (при спокойном рельефе).
При методе трёхгранных призм план участка строительства с горизонталями разбивают на отдельные квадраты со стороной: а =10–100 м (чем сложнее рельеф, тем меньше значение «а »). Каждый квадрат делится на 2 треугольника линией, которая проводится параллельно ближайшим горизонталям. В вершинах треугольника выписываются значения красных, чёрных и рабочих отметок.
Если рабочие отметки отдельного треугольника имеют одинаковый знак, то объём трёхгранной призмы подсчитывается по следующей формуле:
V= 
· 
= 
,
где
h1, h2, h3 – рабочие отметки.
Если рабочие отметки в отдельной призме имеют разный знак, то объёмы подсчитываются отдельно для двух геометрических тел, например, по следующим формулам:
Vн= 
*S1,
VB= 
*S2,
где
S1, S2 – площади оснований.
Определение отметки территории, при которой на рассматриваемом участке строительства будет соблюдаться нулевой баланс грунтовых масс (т.е. объемы выемок и насыпей будут примерно одинаковы) выполняется по следующей формуле:
Но= 
,
где
∑Hч – сумма чёрных отметок;
VIII, VII, …, I – количество треугольников примыкающих к узлу сетки;
n – количество треугольников.
При методе квадратов план участка разбивается на отдельные квадраты.
Если рабочие отметки отдельной призмы имеют одинаковый знак, то её объём вычисляется по формуле:
V= 
.
Если рабочие отметки у призмы разного знака, то объёмы насыпи и выемки подсчитываются отдельно в пределах данной призмы как в методе трёхгранных призм.
Средняя отметка территории при нулевом балансе вычисляется по формуле:
Но= 
,
где
n – количество квадратов.
С целью устранения неоправданных перемещений грунта в проекте организации строительства разрабатывают баланс земляных масс, где определяется наиболее рациональное распределение грунта на стройплощадке с учётом выемок, насыпей, обратных засыпок и т.п. Для наглядности характера перемещения грунта строят специальные таблицы. Необходимо стремиться к равенству объёмов выемок и насыпей (нулевой баланс), предусматривать перемещение грунта по кратчайшим расстояниям, максимально снижая транспортные расходы.
Строительные машины, используемые при механическом способе разработки можно подразделить на 3 основные группы:
1) Землеройные – разрабатывают и перемещают грунт на небольшие расстояния (одноковшовые и многоковшовые экскаваторы);
2) Землеройно-транспортные – разрабатывают и перемещают грунт на большие расстояния (скреперы, бульдозеры, автогрейдеры);
3) Вспомогательные – применяются при расчистке территории (корчеватели, рыхлители, кусторезы), планировке (бульдозеры, грейдеры), уплотнении (катки, трамбующие плиты), бурении (бурильные установки) и т.д.
Процесс разработки грунта одноковшовыми экскаваторами включает в себя следующие операции: набор грунта в ковш (экскавация), перемещение его на незначительное расстояние, разгрузка грунта в транспорт или отвал, возращение ковша к месту нового набора (в исходное состояние).
Разработка грунта экскаваторами ведется проходками, направление которых зависит от способа разработки. Различают: продольный способ (проходками вдоль большей стороны выемки) и поперечный (вдоль меньшей стороны).
Не глубокие выемки разрабатывают в один ярус, глубокие – в несколько ярусов.
Рабочая зона экскаватора, в которую входят площадка стоянки экскаватора, часть поверхности разрабатываемой выемки, место установки транспортных средств называется экскаваторным забоем.
Работа продольным способом может осуществляться лобовым, торцевым или боковым забоем. Поперечным способом обычно ведётся разработка боковым забоем. Способ разработки зависит от ширины выемки и рабочих характеристик экскаватора.
При работе лобовым забоем экскаватор перемещается вперёд, разрабатывая грунт впереди выше уровня своей стоянки. Таким способом обычно работают экскаваторы «прямая лопата». Разработанный грунт подаётся в транспортные средства, которые подъезжают к экскаватору сбоку или сзади, при этом угол поворота стрелы экскаватора может достигать 140°.
При разработке торцевым забоем экскаватор перемещается задним ходом, разрабатывая грунт ниже уровня стоянки. Таким способом работают экскаваторы «обратная лопата», драглайн, грейфер при разработке узких котлованов и траншей. Грунт погружается в транспортные средства или отвал.
При боковом забое грунт разрабатывается перед собой или частично сбоку выше или ниже уровня стоянки экскаватора. Передача транспортных средств осуществляется более удобным способом с уменьшением угла поворота стрелы экскаватора до 70°.
Размеры забоя и расположение в нём транспортных средств зависит от основных технических параметров экскаватора, которые указываются в паспорте. Высота забоя назначается из условия полного наполнения ковша грунтом при одном копании и зависит от категории грунта.
Экскаватор «прямая лопата» используется при разработке выемок большого объёма в дорожном строительстве, сооружении каналов, траншей, котлованов, а также для создания пионерных траншей. Грунт разрабатывается выше уровня стоянки экскаватора (также такой экскаватор может забирать грунт несколько ниже уровня стоянки, что даёт ему возможность самостоятельно делать съезды в карьеры с уклоном 1:8–1:10). Разработанный грунт подаётся в транспорт или (реже) в отвал.
При разработке не широких котлованов (шириной до 3,5 м максимального радиуса резания Rmax) работа ведётся, как правило, лобовым забоем. При ширине выемки больше 3,5 Rmax вначале экскаватор разрабатывает пионерную траншею лобовым забоем, а далее ведёт работу боковым забоем.
При разработке не глубоких котлованов небольшой ширины движение транспорта может быть организовано по бровке выемки.
Экскаватор «обратная лопата» широко используется в гражданском строительстве при разработке не глубоких котлованов (глубиной до 7 м), траншей и других не глубоких и широких выемок. Первую (пионерную) проходку ведёт торцевым забоем. При этом движение экскаватора осуществляется по бровке выемки.
Выгрузка грунта может производиться в транспорт или отвал. Одним из преимуществ является возможность разработки грунта находящегося под водой без мероприятий по водопонижению.
При разработке широких выемок расширение их осуществляется боковыми проходками с погрузкой грунта в транспорт.
Экскаваторы-драглайны применяются при разработке глубоких котлованов, широких траншей, возведении насыпей, при этом производство может осуществляться и при разработке грунта под водой. Драглайн также может использоваться для планировки и зачистки площадей и откосов. К основным преимуществам относятся большой радиус действия – до 10 м при глубине копания до 12 м. Благодаря гибкой подвеске, может осуществлять заброс ковша, увеличивая радиус действия на 20%. Грунт разрабатывается ниже уровня стоянки экскаватора. При разработке могут использоваться различные челночные схемы работы торцевым и боковым забоями: например, поперечно-челночный и продольно-челночный.
Грейфер применяется для создания глубоких и не больших по площади выемок, перегрузки сыпучих материалов, отсыпке каменной постели. Грейфер может разрабатывать грунт выше и ниже уровня стоянки экскаватора с выгрузкой грунта в транспорт или отвал.
Различают теоретическую, техническую и эксплуатационную производительности экскаваторов.
Теоретическая (конструктивная) производительность определяет максимально возможную производительность при разработке стандартного грунта и зависит от механических параметров экскаватора:
Пк=60*Vк*n (м3/час).
Техническая производительность учитывает вид грунта:
Пт=60*Vк*n*kн=Пк*kн.
Эксплуатационная (фактическая) – учитывает вид грунта, а также потери времени при простоях, передвижениях и т.д.:
Пэ=60*Vк*n*kн*kвр= Пт*kвр= Пк*kн*kвр.
При разработке выемок экскаваторным комплектом, ведущей машиной, определяющей состав технологической цепочки, является экскаватор, технические параметры которого (ёмкость ковша, эксплуатационная производительность) определяют выбор и количество транспортных средств (самосвалов).
При выборе транспортных средств руководствуются следующими соображениями:
1) В кузов самосвала должно помещаться целое число ковшей, от 3 до 6:
nк= 
=3÷ 6,
где
nк – число ковшей входящих в кузов самосвала;
Vкуз – объём кузова самосвала, м3;
Vк – объём ковша, м3;
Kн – коэффициент наполнения ковша.
2) Грузоподъёмность самосвала должна быть не меньше веса загруженного в кузов грунта:
Pс≥Gгр=nk*Vk*Kн*ρгр,
где
Рс – грузоподъёмность самосвала, т;
Gгр – вес грунта в кузове, т;
ρгр – плотность грунта (т/м3).
Количество самосвалов определяется исходя из продолжительности полного цикла самосвала, т.е. времени его оборота и времени, затрачиваемого под погрузку:
nc= 
,
где
nc – требуемое количество самосвалов;
Тц – время полного цикла (оборота), мин;
Тц=tп+tг.х.+tр+tх.х.,
где
tп – время погрузки, мин;
tг.х. – время гружёного хода, мин;
tр – время разгрузки, мин;
tх.х. – время холостого хода, мин.
Данное условие обеспечивает непрерывность и максимальную производительность.
Разработка грунта многоковшовым экскаваторами.
Применяется для разработки траншей дренажных и осушительных каналов, откосов и т.д. Основными рабочими органами ковш от 16-50 шт. закрепительные на бесколесной цепи облегающие цепную раму (цепные экскаваторы) или закрепленные на камне (роторные экскаваторы).
В зависимости от расположения ковшей рамы они подразделяются:
1)машины продольного
2)поперечного катания
Эксплуатационная производ. опред. по формуле:
Пэ=60Vк*nк*Ки*Квр
Разработка грунта землеройно-транспортными машинами.
1 Разработка грунта скрепером
Применяют при планировочных работах, разработке не глубоких выемок, возведении насыпей, вскрышных работах в карьерах. Наиболее эффективно при разработке мягких однородных грунтов средней влажности.
Производство земляных работ в зимний период.
Разработка грунта в зимних условиях может вестись следующими методами:
1) Предохраняя грунт от промерзания с последующей его разработкой обычными методами. Для этого могут быть выполнены следующие мероприятия:
-рыхление поверхности слоя грунта до наступления отрицательных температур одновременно с мероприятиями по отводу поверхностных вод; пропитка грунта солевыми растворами; укрытием поверхности грунта утеплителем.
Укрытие обычно осуществляется из местных дешевых материалов – листья, сухой мох, стружка, шлак толщиной слоя 20-40см. Многослойной укрытие с воздушной прослойкой при нехолодной зиме может защитить грунт от замерзания практически на всю зиму
2) Рыхление мерзлого грунта может осуществляться механическим или взрывным методами. Механическое рыхление может осуществляться статическим воздействием (например при помощи зуборыхлителя, которые могут устанавливаться на трактор или экскаватор). Динамическим воздействием (например при помощи молота свободного падения массой до 5т, подвижный к стреле экскаватора и сбрасываемой с высоты 5-8м, что позволяет рыхлить грунт глубиной 0,5-0,7, либо при помощи дизель молота или вибромолота присоединяются к экскаватору или трактору, что позволяет рыхлить грунт на глубине 1,2м). Рыхлением взрывом выполняется шнуровым, щелевым или скаженным методами, при глубине промерзаний 0,4м и больших объемов работ.
3) Непосредственно разработка мерзлого грунта без предварительного рыхления.
Может осуществляться блочным или механическим методами. При блочном методе мерзлый грунт разрезается на отдельные блоки баровой машины, которые затем удаляют экскаватор строительным краном или трактором.
При механическом методе разработка может экскаватор с ковшами оборудованными спец виброударами, зубьями или захватно-клещевыми устройствами, при небольшой глубине промерзания разработка может осуществляться толщиной до 0,3м и шириной 2,6м.
4)Оттаивание грунта и его разработка в талом состоянии. Этот метод как правило имеет большую трудо- и энергоемкость и его обычно применяют, когда нет возможности применить другие методы. Различают следующие разновидности:
-Огневой способ, для создания небольших траншей
-Способ электронагрева, при помощи горизонтальных (глубина оттаивания до 0,7м или вертикальных (больше 0,7м). специальных электродов из полосовой или круглой стали, устанавливаемых на поверхность или внутрь мерзлого грунта шагом=0,5
-Паровое оттаивание- при помощи выпуска пара в грунт через паровые иглы (трубы диаметром 250-500мм длиной до 2м, имеющие в нижней части наконечник с отверстием) применяют при глубине оттаивания большего 1м.
-Оттаивание электронагревателями с помощью электроигл (стальная труба d=5-6см, длинной =1м, внутри установлен нагревательный элемент).
-Непосредственным сжиганием топлива путем устройства костра поддерживаемого в течении длительного в нем (за смену оттает 30-40 см грунта, если укрыть опилками, то место оттаивания увеличится до 1 м). Применяется при разработке небольших ям.
При разработке выемок и насыпей в зимних условиях следует выполнять следующие требования:
а) При разработке выемок необходимо предохранять грунт от промерзания (например, покрытием теплоизоляцией или оставляют защитный слой грунта толщиной 25-40, которые убирают непосредственно перед установкой фундамента или др конструкций).
б) При засыпки выемок нужно предохранять выемку от попадания льда и снега, ограничивать кол-во мерзлого грунта используемого для засыпки (не более 15% объема насыпки).
в) При возведении насыпи основание должно быть очищено от снега и льда, и первые слои осыпаемого грунта должны быть из сухого хорошо дренажированного грунта. Каждый последующий слой укладывают на еще незамерзший предыдущий; Ограничивается объем мерзлого грунта используется для отсыпки (для земельных плотин не более 10% от общего объема насыпи),увлажнение грунта до оптимальной влажности необходимо выполнять до наступления холодов.
Гидромеханизированные земляные работы основаны на способности разрушения нескольких грунтов, движущимся потоком воды с последовательным перемещением водогрунтовой смеси – пульпы.
Гидромеханизацию применяют при больших объемах земляных работ, когда имеются большие запасы воды и энергии.
1) Гидромониторный
2) Землесосный
Гидромониторный выполняется при помощи гидромонитора, основными элементами которого является ствол с насадкой и шарнирными устройствами, позволяющими поворачивать его в разных направлениях, струя воды в забое ударяется о грунт, разрушает его и образует пульпу, которая стекает в специальные приямки зумпфы, откуда она откачивается насосами. Может вестись двумя способами:
а) встречный забой
б) попутный забой
Наиболее производительным является способ встречного забоя, движение пульпы при этом организуется в обход гидромонитора с 2х сторон.
Попутный забой обычно используется при небольшой высоте забоя. В отличии от встречного гидромонитор располагается в более благоприятном месте, движение пульпы ускоряет движение пульпы, но при этом расходуется большой объем воды и труднее разработка.
Землесосный осуществляется при помощи землесосного снаряда, основными элементами которого является баржа с грунтовым насосом всасывающий трубопровод, смонтированный на подвижной раме и имеющий на конце грунтозабирающее устройство-сосун, а также плавучий и магистральный трубопроводы.
При разработке твердых грунтов сосун может быть снабжен рыхлителями. Подача пульпы может осуществляться на высоту до 60 м строительными землесосами и до 8 м речными