Разработка грунта механическим методом
Методы разработки грунта
Разработка грунта механическим методом
Механический метод основан на применении для разработки, перемещения и укладки грунта машин и механизмов. Ведущим процессом в данном комплексе является разработка грунта. При механическом способе разработки на грунт действует усилие резания (скалывания) рабочего органа различных машин. В результате определенные 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 называется землеройно-транспортной.
1. Разработка грунта землеройными машинами. К землеройным машинам относят одноковшовые экскаваторы цикличного и непрерывного действия. Наибольшее применение имеют одноковшовые экскаваторы, которыми выполняется около 45% всего объема земляных работ.
Для разработки грунта одноковшовыми экскаваторами в промышленном и гражданском строительстве используют экскаваторы с ковшом вместимостью 0,15... 2 м, реже до 4 м.
Процесс разработки грунта экскаватором с любым видом рабочего оборудования складывается из чередующихся в определенной последовательности операций в одном цикле: резание грунта и заполнение ковша, подъем 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.
Предельные размеры выемок, которые могут быть выполнены одноковшовым экскаватором с одной стоянки, зависят от его рабочих параметров.
Основными рабочими параметрами одноковшовых экскаваторов при разработке выемок являются максимально возможная глубина копания (резания) — Н, высота копания +Н, наибольший и наименьший радиусы копания на уровне стоянки экскаватора 
и 
, радиус выгрузки 
, высота выгрузки 
(рис. 6.1.1).
Разработку грунта одноковшовыми экскаваторами ведут позиционно. Зону, в которой действует экскаватор на данной позиции, называют забоем. В нее входят площадка, на которой находится экскаватор, часть массива грунта, разрабатываемого с одной стоянки, и площадка, на которой устанавливается транспорт под погрузку или размещается отвал грунта. По окончании разработки грунта в данном забое экскаватор перемещается на новую позицию.
Экскаватор и транспортные средства должны быть расположены в забое таким образом, чтобы средняя величина угла поворота экскаватора от места заполнения ковша до места его выгрузки была минимальной, так как на время поворота стрелы может расходоваться до 70% рабочего времени цикла экскаватора.
Экскаватор с прямой лопатой используют для разработки грунтов, расположенных выше уровня стоянки экскаватора, преимущественно с погрузкой на транспорт. Процесс выемки грунта осуществляется лобовыми и боковым забоями.
В лобовом забое экскаватор разрабатывает грунт впереди себя и отгружаетего на транспортные средства, которые подают к экскаватору по дну забоя.
Рисунок 6.1.2 – Схемы проходок экскаватора с рабочим оборудованием «прямая лопата»: а —лобовая (торцевая) прополка, б — то же. с двусторонним расположением транспорта; в — уширенная лобовая проходка с движением экскаватора «зигзаг»; г—боковая проходка, д — разработка котлована по ярусам. I, II, III, IV—ярусы разработки: 1—экскаватор: 2— автосамосвал: 3 —направление движения транспорта.
При узких забоях (рис. 6.1.2, а) самосвалы подают с одной стороны сзади экскаватора, а при нормальных (рис. 6.1.3, б) — собеих сторон экскаватора попеременно, что исключает простои экскаватора при смене транспортных единиц. Экскаватор перемещается прямолинейно по оси забоя.
В некоторых случаях разработку грунта ведут уширенным забоем с перемещением экскаватора по зигзагу (рис. 6.1.2, в). В уширенных забоях сокращаются холостые проходы экскаватора и облегчаются условия маневрирования автосамосвалов.
Рисунок 6.1.1 – Схемы рабочих параметров одноковшового экскаватора и профили забоев:
а —«прямая лопата» с канатным и гидравлическим приводом; б —то же, «обратная лопата»; в —то же, «грейфер»; г —драглайн.
Более эффективным является разработка грунта способом бокового забоя (рисунок 6.1.2, г), когда экскаватор черпает грунт преимущественно с одной стороны перемещения и частично впереди себя. По этой схеме транспорт подается под погрузку сбоку выработки, чем достигается значительное уменьшение угла поворота стрелы экскаватора при погрузке грунта в транспортные средства.
Выемки, глубина которых превышает максимальную высоту забоя для данного типа экскаватора, разрабатывают в несколько – ярусов (рис. 6.1.2, д).
Число автомобилей или автопоездов, необходимых для обеспечения бесперебойной работы экскаватора,
где 
, 
, 
—продолжительности соответственно установки машины под нагрузку, нагрузки машины экскаватором, пробега машины в оба конца при заданном расстоянии, мин;
, 
, 
— продолжительности соответственно установки машины под разгрузку, разгрузку машины, технологических перерывов, возникающих во время рейса (маневры, пропуск встречного транспорта на разъезде, ожидание), мин.
При расстоянии L (км) и средней скорости v (км/ч)
Продолжительность нагрузки автосамосвала колеблется в широких пределах в зависимости от числа ковшей, погружаемых в кузов, рода грунта, среднего угла поворота машины при погрузке и типа экскаватора
где 
— число ковшей грунта, погружаемого в кузов; 
— продолжительность одного цикла экскавации, мин; 
, 
—число циклов экскаватора за 1 мин при работе с погрузкой в транспортные средства.
Экскаватор с обратной лопатой используют при разработке грунтов, которые находятся ниже уровня стоянки экскаватора, и преимущественно при рытье небольших котлованов и траншей.
Рисунок 6.1.3. –Схемы проходок экскаватора с рабочим оборудованием «обратная лопата»:
а —лобовая проходка при погрузке грунта в транспорт, подаваемый по дну забоя; б—то же, подаваемый на уровне стоянки экскаватора во временный отвал, в —боковая проходка: 1 — экскаватор: 2—автосамосвал; 3 —направление движения транспорта; 4—отвал.
Поярусная разработка выемки при этом виде оборудования, как правило, не практикуется. Разработку грунта ведут ниже уровня стоянки экскаватора лобовым или боковым забоем (рис. 6.1.3) с погрузкой грунта в транспортные средства или укладкой в отвал.
Отрывку котлована шириной 12...14 м обычно осуществляют лобовой проходкой при перемещении экскаватора по зигзагу, а при большей ширине —поперечно-торцовой.
Экскаватор-драглайн применяют для разработки грунтов, расположенных ниже уровня стоянки экскаватора: для рытья глубоких котлованов, широких траншей, возведения насыпей, разработки грунта из-под воды и т. п. Их применяют также для отделочных земляных работ при планировке площадей и зачистке откосов.
Разработку грунта драглайном осуществляют лобовыми и боковыми проходками аналогично экскаватору «обратная лопата». Драглайн обычно передвигается между очередными стоянками на '/5 длины стрелы. В зависимости от ширины выемки, способа разгрузки грунта (в отвал или в транспортные средства) и особенностей земляного сооружения в практике используют разнообразные схемы лобового и бокового способов разработки грунта.
Так как ковш драглайна гибко подвешен, весьма эффективными являются челночные способы работы — поперечно-челночный и продольно-челночный (рис. 6.1.4).
Экскаватор-грейфер применяют для рытья колодцев, узких глубоких котлованов, траншей и других сооружений, особенно в условиях разработки грунтов ниже .уровня грунтовых вод.
Одноковшовыми экскаваторами отрывают котлованы и траншеи на глубину, несколько меньшую проектной, оставляя так называемый «недобор» слоем 5... 10 см для того, чтобы избежать повреждения основания и не допускать переборов грунта.
В промышленном и гражданском строительстве для разработки траншей наибольшее распространение получили многоковшовые экскаваторы непрерывного действия.
Рабочим органом в многоковшовых траншейных экскаваторах является ковшовая цепь или ковшовый ротор. Экскаваторы с ковшовой цепью обеспечивают разработку траншей глубиной до 3,0 м в основном с вертикальными стенками, а роторные — глубиной до 2.5м, преимущественно с откосами (рисунок 6.1.5).
Рисунок 6.1.4 – Схемы проходок экскаватора с рабочим оборудованием «драглайн»:
а - боковая проходка с разработкой грунта поперечно-челночным способом; б – лобовая проходка с разработкой грунта продольно-челночным способом; 1 – окончание набора и подъем ковша; 2 – опускание ковша и набор грунта; 3 – разгрузка ковша; 4 – автосамосвал.
Рисунок 6.1.5 – Схемы разработки грунта многоковшовыми траншейными экскаваторами (размеры в м):
а — цепным экскаватором; б — роторным экскаватором.
2. Разработка грунта землеройно-транспортными машинами.Основными видами землеройно-транспортных машин являются скреперы и бульдозеры, которые за один цикл разрабатывают грунт, перемещают его, разгружают в насыпь и возвращаются в забой порожняком.
Скреперы—наиболее высокопроизводительные землеройно-транспортные машины. Эксплуатационные возможности позволяют использовать их при отрывке котлованов и планировке поверхностей. В настоящее время применяют прицепные (с объемом ковша 3; 7 и 8 м ), полуприцепные (с объемом ковша 4,5 м ) и самоходные (с объемом ковша 8; 15 и 25 м3) скреперы. Прицепные и полуприцепные скреперы наиболее эффективно применять при транспортировании грунта на расстояние до 1000 м, а самоходные — до 3000м.
Полный цикл работы скрепера состоит из набора грунта, движения нагруженного скрепера/разгрузки ковша и движения порожнего скрепера. Скрепер снимает ковшом стружку грунта толщиной 0,12-0,35 и шириной 1,65...2,75 м (для скреперов с объемом ковша 3…5 м3). Наибольшая толщина отсыпаемого слоя 0.35-0,5 м.
Для обеспечения равномерной толщины отсыпаемого грунта ковш разгружают только при движении скрепера.
Рисунок 6.1.6 – Способы срезания стружки грунта скреперами: а – постоянной толщины; б – клиновой (общий); в – гребенчатый; г – клевковый.
Набор грунта производят при прямолинейном движении скрепера. Для увеличения толщины стружки, сокращения времени и пути наполнения ковша применяют тракторы-толкачи, количество которых зависит от типа скреперов, вместимости ковша и дальности транспортирования (один толкач на 2…6 скреперов).
Скреперы набирают грунт (в зависимости от его вида) различными способами. (рисунок 6.1.6).
В зависимости от характера возводимого сооружения, взаимного расположения мест разработки и укладки грунта и от местных условий применяют следующие траектории движения скреперов: эллиптическую, спиральную, «восьмеркой», зигзагообразную, челночно-поперечную и челночно-продольную (рисунок 6.1.7).
Рисунок 6.1.7 – Схемы движения скреперов: а – эллипс; б – спираль; в – «восьмерка»; г – «зигзаг»; д – челночно-поперечная; е – челночно-продольная.
Тяжелые грунты, а также грунты с примесями, разработка которых затруднена, предварительно рыхлят на толщину срезаемой стружки. Для рыхления применяют рыхлители, являющиеся навесным или прицепным оборудованием к гусеничному трактору. Рыхлитель оборудован пятью стойками-ножами, а при рыхлении особо плотных грунтов — тремя (2-ю и 4-ю снимают).
Бульдозерами разрабатывают грунт в неглубоких и протяженных выемках и резервах для перемещения его в насыпи на расстояние до 100 м (при использовании более мощных тракторов можно перемещать грунты и на большие расстояния). Бульдозеры применяют также для окучивания грунтов, обратной засыпки траншей и пазух котлованов, зачистки дна котлованов после экскаваторных работ, для разравнивания и планировки грунта. Разработку выемок бульдозером ведут ярусами, соответствующими толщине стружки, снимаемой за одну проходку. Разработку ведут от начала выемки к середине (рис. 6.1.8, а), при этом должна быть обеспечена эффективная работа бульдозера под уклон.
В цикл работы бульдозера входят следующие операций: резание и набор грунта путем снятия стружки под уклон; перемещение грунта с надвижкой его отвалом; разгрузка грунта и возвратный холостой ход.
Для уменьшения потерь отвалы оборудуются по бокам открылками ящичного типа.
Планировка площадок бульдозерами выполняется преимущественно двумя способами: траншейным и послойным (рисунок 6.1.8).
Рисунок 6.1.8 - Схема резания и перемещения грунта бульдозером:
а—продольная при резании под уклон, б—то же, на горизонтальном участке; в—то же, траншейным способом: г—то же, послойным способом: 1—участок резания: 2—участок перемещения; 3—участок разгрузки, 4—насыпь: 5—выемка
При перемещениях грунта на расстояние свыше 40 м применяют способ разработки с промежуточным валом, а также спаренную работу двух бульдозеров. При разработке бульдозером особо плотных грунтов их предварительно следует разрыхлять.
3. Укладка и уплотнение грунта. Укладку и уплотнение грунтов выполняют при планировочных работах, возведении различных насыпей, обратных засылках траншей и пазух фундаментов. Отсыпку следует вести от краев насыпи к середине для лучшего уплотнения грунта, ограниченного отсыпными краевыми участками насыпи (рисунок 6.1.9).
Рисунок 6.1.9 – Способы отсыпки насыпей (размеры в м):
а — отсыпка насыпи горизонтальными слоями; б —то же, при переувлажненных и слабых основаниях и на болотах, в—веерный способ, г—эстакадный способ, д—способ отсыпки «с головы».
Наибольшее распространение получило уплотнение грунта катками статического действия: гладкими, кулачковыми, пневмошинными.
Необходимую плотность грунта нельзя получить однократным приложением уплотняющей нагрузки. Обычно необходимое число проходов катков по одному месту составляет 6... 8.
Процессу уплотнения грунта в планировочной насыпи предшествует его разравнивание, которое осуществляют бульдозерами и реже грейдерами. Разравнивание производится горизонтальными слоями при продольном ходе бульдозера. Толщина слоев 0,2…0,4 м в рыхлом состоянии. Последовательность и число проходов бульдозера устанавливают в зависимости от ширины насыпи. Разравнивание производят от краев насыпи к ее середине с перекрытием предыдущего прохода на 0,3 м.
Для уплотнения грунта в насыпях чаще всего используют прицепные катки на пневмоходу. Уплотнение грунта ведут в той же последовательности, что и его отсыпку. Грунт уплотняют путем последовательных круговых проходок катка по всей площади насыпи, причем каждая проходка должна перекрывать предыдущую на 0,2... 0,3 м. Закончив укатку всей площади за один раз, приступают ко второй проходке.
4. Вытрамбовывание грунта. В последние годы в практику строительства входит новый метод устройства выемок под фундаменты — вытрамбовывание грунта.
Вытрамбовывание осуществляют посредством приложения на грунт ударной нагрузки путем сбрасывания с высоты 3...8 м тяжелой трамбовки в одно и то же место до образования котлована необходимой глубины.
В зависимости от формы трамбовки (штампа) получают выемки различной конфигурации.
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.
Для вытрамбовывания используют краны-экскаваторы, автокраны, тракторы с навесным оборудованием, включающим направляющую штангу, сборную каретку и трамбовку, а при устройстве котлованов с уширением — дополнительно бункер для подачи жесткого материала.