Технология переработки грунта
Переработку грунта ведут с целью подготовки основания под здания, изменения рельефа местности, устройство полотна дорог, устройство подземных выемок и т.д. Результатом переработки грунта являются земляные сооружения: выемки, насыпи, подземные выработки, обратные засыпки.
Выемку, имеющую ширину до 3м и длину, значительно превышающую ширину, называют траншеей. Выемку, длина которой не превышает десятикратной её ширины, называют котлованом. Выемки, закрытые с поверхности называют подземными выработками. После устройства подземных сооружений грунт укладывают в так называемые «пазухи» - этот процесс называют обратной засыпкой. Основными процессами переработки грунта являются разработка грунта, его перемещение и укладка. В ряде случаев этим процессам сопутствуют подготовительные и вспомогательные процессы. Весь этот комплекс процессов называют земляными работами.
Земляные работы относят к наиболее тяжёлым и трудоёмким видам строительных работ. На 1 м3 объёма промышленного сооружения в среднем перерабатывается 1,5 … 2 м3 грунта, а на 1 м3 объёма гражданского строительства – до 0,5 м3. Переработку грунта ведут различными методами, которые делятся на 4-ре группы: механический, гидравлический, взрывной и ручной. В современном строительстве механическим методом перерабатывается около 95%, гидравлическим – около 2%, взрывным – до 1% всего объёма, ручной труд с применением специализированного инструмента – 2% всего объёма работ. Производство работ вручную влияет на общие затраты т.к. производительность ручного труда в 20 … 30 раз ниже механизированного.
Строительные свойства грунтов
Плотность – масса 1 м3 грунта в естественном состоянии (в плотном теле). Плотность песчаных и глинистых грунтов – 1,6 … 2,1 т/м3, скальных неразрыхлённых грунтов – 3,3 т/м3.
Влажность – степень насыщения грунта водой. При влажности более 30% грунты – мокрые, при влажности до 5% - сухие.
Липкость – способность грунта при определённой влажности прилипать к поверхности различных предметов. Липкость определяют усилием, необходимым для отрыва прилипшего предмета от грунта (для глин до 0,05 МПа).
Разрыхляемость – способность грунта увеличиваться о объёме в процессе его разработки. При этом плотность грунта уменьшается. Это явление называется первоначальным разрыхлением грунта и характеризуется коэффициентом разрыхления кр. Этот коэффициент представляет собой отношение объёма разрыхлённого грунта к объёму грунта в естественном состоянии (для песчаных кр = 1,08 … 1,17, суглинистых кр = 1,14 … 1,28 и глинистых грунтов кр = 1,24 … 1,3).
Уложенный в насыпь разрыхлённый грунт под влиянием массы вышележащих слоёв грунта или механического уплотнения уплотняется. Однако грунт не занимает того объёма, который он занимал до разработки, сохраняя остаточное разрыхление, показателем которого является коэффициент остаточного разрыхления грунта ко.р., для песчаных грунтов ко.р = 1,01 … 1,025, для суглинистых – 1,015 … 1,05, для глинистых – 1,04 … 1,09.
Сцепление характеризуют начальным сопротивлением грунта сдвигу, оно зависит от вида грунта и его влажности. Сила сцепления для песчаных грунтов – 0,03 … 0,05 МПа, для глинистых – 0,05 … 0,3 МПа.
Угол естественного откоса характеризуется физическими свойствами грунта, при котором он находится в состоянии предельного равновесия. Крутизна откосов определяется отношением высоты к заложению: h/a = 1/m, где m – коэффициент откоса. Крутизна откоса зависит от угла естественного откоса.
Удельное сопротивление резанию зависит как от свойств разрабатываемого грунта, так и от конструктивного исполнения рабочего органа землеройного оборудования. С учётом этого грунты по трудности их разработки классифицируют в группы (ЕНиР 2-1-1, табл. 1 и 2). Для одноковшовых экскаваторов грунты подразделяют на 6, для многоковшовых экскаваторов и скреперов – на две, для бульдозеров и грейдеров – на три группы. При разработке грунтов вручную их делят на семь групп. В состав первой группы входят легко разрабатываемые грунты, в последнюю – трудно разрабатываемые.
Подготовительные и вспомогательные процессы
Должны обеспечивать качественное и безопасное производство работ и включают: разбивку земляных сооружений, водоотлив и понижение уровня грунтовых вод, временное крепление стенок выемок, искусственное закрепление грунтов.
Разбивка земляных сооружений. Состоит в установлении и закреплении их положения на местности.
Водоотлив и понижение уровня грунтовых вод. При устройстве выемок, расположенных ниже уровня грунтовых вод, необходимо: осушать водонасыщенный грунт; предотвращать попадание грунтовой воды в выемки.
Открытый водоотлив предусматривает откачку воды непосредственно из выемки. Водосборные канавы устраивают шириной по дну 0,3 … 0,6 и глубиной 1 … 2 м с уклоном 0,01 … 0,02 в сторону приямков. Недостаток метода – потоки грунтовой воды разжижают грунт и выносят из него на поверхность мелкие частицы (суффозия грунта), в результате несущая способность в основаниях может снизится.
Грунтовый водоотлив обеспечивает снижение УГВ ниже дна будущей выемки. УГВ понижается благодаря непрерывной откачки воды водопонизительными установками из систем колодцев и скважин, расположенных вокруг выемки. Основные способы – иглофильтровой, вакуумный и электроосмотический. Иглофильтровой способ – иглофильтровая установка, водосборный коллектор и насос. Вакуумный способ водопонижения – используют вакуумные водопонизительные установки для понижения УГВ в мелкозернистых грунтах с коэффициентом фильтрации 0,02 … 1 м/сут, в которых применять иглофильтровые установки нецелесообразно. Явление электроосмоса используют для расширения области применения иглофильтровых установок в грунтах с коэффициентом фильтрации менее 0,05 м/сут. В этом случае наряду с иглофильтрами в грунт погружают стальные стержни. Иглофильтры подключают к отрицательному (катод), а стержни – к положительному полюсу постоянного тока (анод). Под действием электрического тока вода освобождается и перемещается в сторону иглофильтров. Коэффициент фильтрации грунта увеличивается в 5 … 25 раз.
Временное крепление стенок. Временная крепь может быть выполнена в виде деревянного или металлического шпунта, деревянных щитов с опорными стойками, щитов с распорными и других конструкций.
Искусственное закрепление грунтов. В зависимости от физико-механических свойств грунта, его состояния, требуемой степени закрепления применяют замораживание, цементацию, битумизацию, химический, термический, электрический, электрохимический и другие способы искусственного закрепления грунтов.
Разработка грунта механическим методом
Основан на применении для разработки, перемещения и укладки грунта машин и механизмов. Ведущим процессом является разработка грунта – на грунт действует усилие резания (скалывания) рабочего органа различных машин. В результате определённые порции грунта отделяются от массива и могут быть перемещены и уложены в насыпь. Если машина только разрабатывает грунт, то она носит название землеройной. Если машина разрабатывает и перемещает грунт, то она носит название землеройно-транспортной.
Разработка грунта землеройными машинами. К землеройным машинам относят одноковшовые экскаваторы цикличного и непрерывного действия. Наибольшее применение имеют одноковшовые экскаваторы (45% всего объёма землеройных работ). Используются экскаваторы с ковшом вместимостью 0,15 … 2 м3, реже до 4 м3. Цикл операций: резание грунта и заполнение ковша, подъём ковша с грунтом, поворот экскаватора вокруг оси к месту выгрузки, выгрузка грунта из ковша, обратный поворот экскаватора, опускание ковша и подача его в исходное положение.
Основные рабочие параметры одноковшовых экскаваторов: максимальная высота копания, глубина копания, наибольший и наименьший радиус копания, радиус выгрузки, высота выгрузки. Зону, в которой действует экскаватор называют забоем. Средняя величина угла поворота экскаватора от места заполнения до места выгрузки должна быть минимальной, т.к. на поворот стрелы расходуется до 70% рабочего времени цикла экскаватора.
Экскаватор с прямой лопатой используется для разработки грунтов, расположенных выше уровня стоянки экскаватора, преимущественно с погрузкой в транспорт. Процесс выемки грунта осуществляется лобовыми и боковыми забоями.
Экскаватор с обратной лопатой используется при разработке грунтов, которые находятся ниже уровня стоянки экскаватора лобовым или боковым забоем. Отрывку котлована шириной 12 … 14 м осуществляют лобовой проходкой при перемещении экскаватора по зигзагу, а при большой ширине – поперечно-торцевой.
Экскаватор-драглайн применяют для разработки грунтов, расположенных ниже уровня стоянки экскаватора: для рытья глубоких котлованов, широких траншей, рытья грунта из под воды и т.д. Их применяют для отделочных земляных работ при планировке площадей и зачистке откосов. Преимуществами драглайна являются большие радиусы действия (до 10 м) и глубина копания (до 12 м). Разработку грунта осуществляют лобовыми и боковыми проходками аналогично экскаватору «обратная лопата». Драглайн обычно передвигается между очередными стоянками на 1/5 длины стрелы.
Экскаватор-грейфер применяют для рытья колодцев, узких глубоких котлованов, траншей, особенно в условиях разработки грунтов ниже уровня грунтовых вод.
Многоковшовые экскаваторы непрерывного действия. Рабочим органом является ковшовая цепь или ковшовый ротор. Цепь – траншеи глубиной до 3,0 м с вертикальными стенками, роторные – глубиной до 2,5 м с откосами.
Разработка грунта землеройно-транспортными машинами. Основные виды – скреперы и бульдозеры, которые за один цикл разрабатывают грунт, перемещают его, разгружают в насыпь и возвращаются в забой порожняком.
Скреперы – применяют прицепные (с объёмом ковша 3,7,8 м3), полуприцепные (с объёмом ковша 4,5 м3) и самоходные (с объёмом ковша 8,15,25 м3). Прицепные и полуприцепные скреперы наиболее эффективно применять при транспортировке грунта на расстояние до 1000 м, а самоходные до 3000м. Скреперами ведут разработку, транспортирование и укладку грунтов I и II групп по трудности разработки (песчаные, супесчаные и др.). Применяют следующие траектории движения скреперов: Эллиптическую, спиральную, «восьмёркой», зигзагообразную, челночно-поперечную и челночно-продольную.
Бульдозерами разрабатывают грунт в неглубоких и протяжённых выемках для перемещения его в насыпи на расстояние до 100 м, для обратной засыпки, зачистки, разравнивания и планировки грунта. Разработку выемок ведут ярусами. Планировка площадок выполняется двумя способами: траншейным и послойным. При перемещении грунта на расстояние свыше 40 м применяют способ разработки с промежуточным валом, а также спаренную работу двух бульдозеров.
Укладка и уплотнение грунта. Выполняют при планировочных работах, возведении насыпей, обратных засыпках. Наибольшее распространение получило уплотнение грунта катками статического действия: гладкими, кулачковыми, пневмошинными. Обычно необходимое число проходов по одному месту 6 … 8. Толщина слоёв 0,2 … 0,4 м в рыхло состоянии. Уплотнение грунта ведут в той же последовательности, что и его отсыпку. Грунт уплотняют путём последовательных круговых проходок катка по всей площади насыпи, причём каждая проходка должна перекрывать предыдущую на 0,2 … 0,3 м. Закончив укатку свей площади за один раз, приступают ко второй проходке.
Вытрамбование грунта - новый метод устройства выемок под фундаменты. Осуществляют посредством приложения на грунт ударной нагрузки путём сбрасывания с высоты 3 … 8 м тяжёлой трамбовки в одно и то же место до образования котлована небольшой глубины. В результате под котлованом и вокруг него образуется уплотнённая зона. В плане трамбовки могут иметь форму квадрата, прямоугольника, шестиугольника или круга шириной понизу 0,4 … 1,4 м, а поверху 0,7 … 2,0 м. Высота трамбовки составляет 1 … 3,5 м с конусностью боковых стенок от 1:20 до 1:5. Масса трамбовки находится в пределах 2 … 10 т.