Лекции 4. Технология земляных работ

По назначению и длительности эксплуатации земляные сооружения могут быть постоянными и временными. Постоянные сооружения являются составными элементами строящихся объектов и предназначены для нормальной и длительной их эксплуатации. К ним относят плотины, дамбы, каналы, выемки и насыпи автомобильных и железных дорог и т. п.

Временные сооружения устраивают лишь на период строительства и предназначены для выполнения строительно-монтажных работ по возведению фундаментов подземных частей здания, технологического оборудования, прокладки инженерных коммуникаций и др.

Выемки, у которых ширина соизмерима с длиной, но не меньше 1/10 длины, называются котлованами, при ширине менее 1/10 — траншеями. Котлованы разрабатывают, как правило, при возведения заглубленной части объемных сооружений, например, фундаментов, подвальных этажей. Траншеи копают при прокладке линейно-протяжных коммуникаций, наружных сетей водоснабжений, канализации, газоснабжения, теплоснабжения.

Наклонные боковые поверхности выемок и насыпей называют откосами, а горизонтальные поверхности вокруг них — бермами. Остальными элементами земляных сооружений являются: дно выемки — нижняя горизонтальная земляная выемка; бровка — верхняя кромка откоса; подошва — нижняя кромка откоса; резервы — это выемки, из которых берут грунт для устройства насыпи; кавальера — это насыпи, образующиеся при отсыпке ненужного грунта.

Грунтами называют породы, залегающие в верхних слоях земной коры. Грунт состоит из трех основных фаз: твердой (минеральные частицы, образующие скелет), жидкой (вода, частично или полностью заполняющая поры грунта) и газообразной (воздух).

Грунты подразделяют на четыре основные группы: скальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые.

Скальные — изверженные, метаморфические и осадочные породы с жесткими связями между зернами, залегающие в виде сплошного или трещиноватого массива.

Крупнообломочные — несцементированные грунты, содержащие более 50% по массе обломков кристаллических или осадочных пород с размером частиц более 2 мм.

Песчаные — сыпучие в сухом состоянии грунты, содержащие менее 50% по массе частиц крупнее 2 мм и не обладающие свойством пластичности, число пластичности Jp < 0,01;

Глинистые — связанные грунты, для которых число пластичности Jp > 0,01;

Разрыхляемость — это способность грунта увеличиваться в объеме при разработке вследствие потери связи между частицами. Увеличение объема грунта характеризуется коэффициентами первоначального разрыхления Кр и остаточного разрыхления Кр.о.

Подготовительные процессы, связанные с разработкой выемок и насыпей, выполняют до начала разработок грунта. Они включают в себя очистку территории, геодезическую разбивку сооружения, снятие плодородного слоя почвы для использования при рекультивации земель, рыхление плотных грунтов, осушение территории, устройство поверхностного водоотвода.

Очистка территории состоит в удалении деревьев и кустарников, корчевке пней, уборке крупных камней — валунов, сноса строений. Деревья и кустарники выкапывают вместе с корнями и пересаживают в новые места.

Геодезическая разбивка земляных сооружений заключается в обозначении их положения на местности. Разбивку ведут в двух плоскостях: горизонтальной и вертикальной.

При горизонтальной разбивке определяют и закрепляют на местности положение осей строящихся объектов и намечают очертание земляных сооружений в плане, а при вертикальной — глубину выемок и высоту насыпей.

При возведении зданий и сооружений для определения их положения на местности и перенесения в натуру их размеров на генеральном плане наносят геодезическую строительную сетку в условной системе координат со стороной квадратов 100—200 м. Оси координат ориентируют параллельно осям зданий.

Строительная сетка должна быть привязана к пунктам геодезической основы топографической съемки местности, по которым был составлен генеральный план известными в инженерной геодезии способами переноса на местность. Построенная на местности геодезическая строительная сетка является ориентиром для перенесения проекта в натуру.

Для детальной разбивки осей зданий, обозначения контура котлованов и закрепления их на местности служит строительная обноска. Она может быть сплошной по всему периметру здания или прерывистой. Обноску устраивают из деревянных стоек и досок, прибитых к ним горизонтально с внешней стороны или инвентарных металлических труб. Устанавливается обноска с использованием геодезических инструментов параллельно основным осям. На обноске обозначаются оси здания и отметки, перенесенные с закрепленных на местности створных знаков и реперов. Разбивка зданий и сооружений проверяется и принимается по акту.

Снятие плодородного слоя почвы. В зависимости от толщины плодородного слоя грунта срезка его производится бульдозерами или скреперами с окучиванием и дальнейшим перемещением из отвалов автосамосвалами или одноковшовыми экскаваторами с погрузкой в транспортные средства.

Рыхление грунтов. Для облегчения разработки плотных грунтов их предварительно рыхлят. Плотные нескальные грунты разрыхляют плугами и рыхлителями, являющимися прицепным или навесным оборудованием к трактору.

Осушение территории производят путем устройства осушительных канав и дренажей. Основную осушительную магистраль прокладывают по наиболее низкому месту. К ней подводят поперечные канавы, соблюдая требуемый проектом уклон для отвода воды от строительной площадки.

Поверхностный водоотвод предназначен для предохранения от заполнения атмосферными водами разрабатываемых выемок. Для этого до начала земляных работ устраивают водоотводные канавы, через которые атмосферные воды самотеком поступают за пределы строительной площадки.

К подготовительным работам по устройству земляных сооружений приступают после отвода земель в установленном порядке. Организации, осуществляющие строительство и проводящие работы, связанные с нарушением почвенного покрова, обязаны снимать и хранить плодородный слой почвы в целях использования его для рекультивации земель и повышения плодородия малопродуктивных угодий. Рекультивация земель состоит в восстановлении плодородия почвы на площадях с нарушенным почвенным покровом. При этом планируют неровности, подсыпая в необходимых случаях грунт, а затем покрывают всю поверхность новым почвенным слоем.

Вспомогательные процессы, связанные с устройством земляных сооружений, выполняют в ходе устройства земляных сооружений или после их возведения. Классификация применяющихся в настоящее время перспективных видов вспомогательных процессов при устройстве земляных сооружений.

Открытый водоотлив. Осушение выемок открытым водоотливом заключается в том, что при разработке котлована в водоносном грунте подошве выемки придают небольшой уклон к устраиваемому в самой пониженной части приямку (зумпфу), из которого воду откачивают насосами и отводят по водоотводным канавам или лоткам от выемки на расстояние не менее 100 м. Для водоотвода применяют поршневые, диафрагмовые и центробежные насосы, всасывающие воду, содержащую разжиженный грунт, с глубины 4—6 м. При разработке траншей приямки устраивают в специальном отсеке траншеи (рис. 4).

Искусственное водопонижение. Заключается в понижении гидростатического уровня грунтовых вод ниже нулевой отметки выработки. Оно может осуществляться с помощью легких иглофильтровых установок, эжекторными установками, устройством водопоглощающих и водопонижающих скважин.

Рис. 2 Схема открытого водоотлива

• 1-шпунтовое ограждение;
• 1 — водосборный приямок;
• 2 — всасывающий рукав;
• 3 — насос;
• 5 — водоотводный желоб

Применение того или иного способа определяется прежде всего проницаемостью водосодержащих грунтов, мощностью водоносного горизонта, его гидравлическими особенностями и требуемой глубиной понижения уровня грунтовых вод. В наиболее сложных геологических условиях, например при чередовании пластов различной водонепроницаемости, может осуществляться сочетание открытого водоотлива с одним из способов водопонижения.

Легкие иглофильтровые установки (ЛИУ) применяют для искусственного понижения грунтовых вод на глубину 4—5 м в песчаных отложениях. При понижении уровня воды на большую глубину используют двух — трехярусные установки.

Иглофильтры обычно устанавливают по периметру осушаемого котлована на расстоянии 0,5 м от бровки откоса. Если нужно понизить уровень грунтовых вод более чем на 4 — 5 м, иглофильтры монтируют в два яруса. Установки ЛИУ — 2, ЛИУ — 3, ЛИУ — 5 и ПВУ — 2 имеют производительность соответственно 30, 60, 120 и 400 м³ воды в 1ч.

Количество иглофильтров можно определить по формуле.

N = Q/q,.

где Q — приток воды, м3/ч; q — пропускная способность одного иглофильтра.

Шаг иглофильтра определяют:

h = P/N,.

где Р — периметр котлована.

Эжекторные иглофильтровые установки (ЭИУ) используют для понижения уровня грунтовых вод на 15—20 м в грунтах с коэффициентом фильтрации 1—40 м/сут и при близком залегании водоупора от дна котлована. Эжекторные иглофильтровые установки (ЭИ-2.5, ЭИ-4, ЭИ-6 и др.) состоят из иглофильтров с эжекторными водоподъемниками, распределительного трубопровода (коллектора) и центробежных насосов. Применяют схемы эжекторной установки с циркуляционным резервуаром и без него.

Тампонаж заключается в нагнетании в трещиноватые и крупнопористые грунты, обладающие коэффициентом фильтрации больше 80 м/сут, тампонажных растворов или смесей, которые в результате взаимодействия придают грунту водонепроницаемость и монолитность. Нагнетание тампонажных смесей производится через систему тампонажных скважин, расположенных вокруг будущей выработки. Существует три разновидности тампонажа: цементация, глинизация и битумизация.

В строительстве в настоящее время применяется четыре способа разработки грунта: механический, гидромеханический, взрывной и комбинированный.

Механический способ. Он заключается в разработке грунта резанием землеройными и землеройно-транспортными машинами. К числу землеройных машин относятся одноковшовые и многоковшовые экскаваторы. К землеройно-транспортным относятся бульдозеры, скреперы, грейдеры, автогрейдеры, струги, планировщики и др. Они предназначены для послойного резания, транспортирования, отсыпки и планировки грунта.

Гидромеханический — широко распространенный в водохозяйственном строительстве способ. Он предусматривает размыв грунта напорной водяной струей гидромониторных установок или всасыванием его со дна водоемов плавучими земленасосными снарядами. Гидромониторные установки и земснаряды, которые с помощью воды размывают, транспортируют и укладывают грунт в насыпь, служат для разработки котлованов, каналов, углубления водоемов, а также для намыва территорий, плотин, насыпей под дороги и т. п. Размываемый грунт транспортируется в виде жидкой суспензии (пульпы) по трубопроводам.

Взрывной способ. Сущность данного способа заключается в отделении грунта от массива, а иногда и его перемещения на небольшие расстояния за счет энергии взрыва зарядов взрывчатых веществ, помещенных в предварительно устроенные в грунте шпуры, скважины, щели или шурфы.

Комбинированный способ представляет собой сочетание, например, механического и гидромеханического или механического и взрывного способа, что зависит от конкретных условий строительства.

Технологический процесс устройства выемки включает разработку грунта с выгрузкой в транспортные средства или на бровку выемки; крепление вертикальных сеток; транспортирование грунта; срезку откосов и планировку дна; обратную засыпку и уплотнение грунта.

Технологические схемы разработки грунта. Разработка грунта одноковшовыми экскаваторами независимо от типа рабочего органа может осуществляться по одной из двух технологических схем: в отвал (на вымет) или с погрузкой в транспортные средства. Выбор той или иной схемы зависит от вида и условий расположения земляного сооружения, возможности дальнейшего использования разработанного грунта, его физико-механических свойств.

Рабочая зона экскаватора, где находится его стоянка и разрабатываемый с этой стоянки массив грунта: называется забоем. (В этой зоне располагается загружаемый в транспортные средства или отвал грунта.) Выемка, образующаяся в результате последовательной разработки грунта при периодическом передвижении экскаватора в зоне, называется проходкой. По характеру разработки грунта проходки могут быть лобовыми (торцевыми) и боковыми. При лобовой проходке экскаватор двигается по оси выемки и разрабатывает грунт впереди себя и по обе стороны от оси, а при боковой — с одной стороны по ходу движения. Характер проходки зависит от глубины и ширины котлована и условий его разработки.

Эксплуатационная производительность экскаватора зависит от длительности цикла, а также продолжительности использования экскаватора в течение смены и определяется по формуле:

Пэ = Т 60 q n Ке Кв, где Т — продолжительность смены, ч; q — геометрический объем ковша, м3; п — количество циклов в минуту 60/ty; ty — время одного цикла; Ке — коэффициент наполнения ковша; Кв — коэффициент использования экскаватора по времени.

Коэффициент Ке и Кв зависят от вида рабочего оборудования, группы грунта, емкости ковша и вида работ, а число циклов n определяется условиями работы экскаватора.

Технологический процесс гидромеханизированной разработки грунтов включает: размывку грунта в карьере (резерве), транспортирование водогрунтовой массы (пульпы) к месту возведения насыпи; послойное устройство насыпи и отделение от грунта излишней воды.

Различают два основных способа гидромеханической разработки грунта: гидромониторный и земснарядный.

Разработка грунта гидромониторами. Гидромониторная установка состоит из гидромониторов, присоединенных к магистральному трубопроводу, по которому из насосной станции подают воду. На конец ствола каждого гидромонитора навинчивается насадка, формирующая выбрасываемую с большой кинетической энергией струю, которая превращает грунт в гидросмесь, направляемую самотеком по лоткам или канавам в насыпь. Расход воды и скорость струи регулируют с помощью сменных насадок.

Основная литература 1, 2, 4.

Контрольные вопросы.

• 1. Назовите основные виды земляных сооружений и их отличия.
• 2. Назовите виды грунтов.
• 3. Назовите способы разработки грунтов.
• 4. Для чего проводят искусственное водопонижение грунтов?