Разработка грунта механизированным способом

Основным способом выполнения земляных работ является механизированная переработка грунта. Грунт разрабатывается, перемещается, укладывается, разравнивается, уплотняется с помощью землеройных и землеройно-транспортных машин, оснащенных соответствующим рабочим оборудованием. Выбор количества, типов и марок машин зависит от пространственной формы и геометрических параметров земляных сооружений, грунтовых и гидрологических условий строительной площадки, проектных сроков производства работ.

Производство земляных работ в общем случае состоит из трех процессов: разработка выемки, транспортирование грунта, отсыпка иасыпи, при этом ведущим является процесс разработки грунта. Разработка выемок производится тремя основными способами: резанием, размывом струей и взрывным способом. При механическом способе разработки действуют усилия резания или скалывания грунта рабочими органами различных машин. В результате определенные порции грунта отделяются от массива и могут быть перемещены. При разработке способом резания применяют землеройные, землеройно-транспортные и землеройно-планировочные машины.

Землеройные машины - экскаваторы, канавокопатели отрывают грунт ножом ковша, отсыпают его в отвал или бункеры транспорта, располагаемые в непосредственной близости от землеройной машины.

Землеройно-транспортные машины — скреперы и бульдозеры предназначены для разработки грунта в выемке, транспортирования его и отсыпки в насыпи. Эти машины обеспечивают полную механизацию всего комплексного процесса производства земляных работ.

Землеройно-планировочные машины — прицепные и самоходные фейдеры и бульдозеры предназначены для разработки, перемещения и планирования грунта.

Для разработки грунта размывом струей воды и перемещения разжиженного грунта по трубам применяются гидромониторы, землесосные установки.

Эффективной формой механизированного способа производства земляных работ является комплексная механизация. Основной принцип комплексной механизации заключается в том, что все мятнни занятые на выполнении процессов и операций, должны соответствовать друг другу своими технико-экономическими и технологическими параметрами. В этом случае вводится понятие комплекта (системы) машин, а весь производственный процесс называют комплексно-механизированным технологическим процессом производства земляных работ.

В зависимости от выполняемых технологических процессов машины для земляных работ можно разделить на следующие группы:

· экскаваторы;

· землеройно-транспортные машины;

· погрузчики;

· машины для уплотнения грунта;

· машины и оборудование для разработки мерзлых грунтов;

· машины и оборудование для подготовительных работ;

· машины и оборудование для бурения скважин;

· машины для гидромеханической разработки грунта;

· машины для транспортировки грунта.

Закрытые способы разработки грунта

ЗАКРЫТЫЕ СПОСОБЫ РАЗРАБОТКИ ГРУНТА

Для прокладки трубопроводов, коммунальных и транспортных тоннелей и т.п. обычно роют траншею. Но иногда отрыть траншею невозможно, например, при пересечении трассой трубопровода транспортной магистрали с интенсивным движением, которое невозможно прервать даже на относительно короткий срок. В таких случаях принято прибегать к так называемым закрытым методам прокладки трубопроводов: проколу, продавливанию, горизонтальному бурению или пневмопробивке.

Прокол

Прокол - это образование отверстий за счет радиального уплотнения грунта при вдавливании в него трубы с коническим наконечником. Вдавливание производят гидравлическим домкратом. В котловане укладывают звено трубы с наконечником и после выверки домкратом вдавливают в грунт на длину хода штока. После возвращения штока в начальное положение вводят на его место нажимной патрубок (шомпол), и процесс повторяется. По окончании вдавливания первого звена трубы на полную длину шомпол убирается, в котлован опускается следующее звено, которое приваривается встык к уже задавленному в грунт. Далее залавливают наваренное звено, и цикл повторяется достаточное количество раз до прокола на всю длину участка, который нельзя копать традиционным образом. За каждый цикл происходит продвижение трубы на 150 мм. Этот метод практикуется в хорошо сжимаемых грунтах, отверстия «прокалывают» для труб диаметром от 100 до 400 мм на глубине более 3 м. В мало сжимаемых грунтах (песке, супеси) для обеспечения устойчивости стенок дополнительно к горизонтальному усилию необходимо применять поперечное и вибрационное воздействие. При этом выполняют отверстия диаметром до 300 мм.

Продавливание

Метод применяется для прокладки стальных труб диаметром от 500 до 1800 мм, либо коллекторов квадратного (прямоугольного) сечения на расстояние до 80 м. Технология следующая: в грунт последовательно вдавливают звенья труб, внутри которых грунт разрабатывается и удаляется посредством шнековой установки. В легко размываемых грунтах удаление производят гидромеханическим методом (струей воды размывают грунт внутри трубы и пульпу откачивают насосом). Часто трубы используют как футляры для размещения в них основных трубопроводов.

Бурение

Бурение применяют для прокладки в глинистых грунтах трубопроводов диаметром от 800 до 1000 мм на длину до 100 м. Конец трубы снабжается режущей коронкой увеличенного диаметра, труба приводится во вращение от мотора, установленного на бровке котлована. Поступательное движение трубе сообщает реечный домкрат с упором в заднюю стенку котлована. Грунт, заполняющий трубу изнутри, может удаляться, как в описанном выше способе.

Пневмопробивка

Пневмопробивка ведется при помощи специального проходческого снаряда виброударного действия — пневмопробойника. Агрегат представляет собой самодвижущуюся пневматическую машину, корпус которой является рабочим органом, образующим скважину. Ударник под действием сжатого воздуха совершает возвратно-поступательные движения и наносит удары по переднему внутреннему торцу корпуса, забивая его в грунт.

Пневмопробойник позволяет проходить скважины длиной до 50 м для трубопроводов диаметром до 300 мм. Применение пневмопробойника резко увеличивает производительность труда по сравнению с традиционными методами бестраншейной прокладки подземных коммуникаций.

1. Разработка грунта в зимних условиях

В условиях современного круглогодичного строительства примерно 20 % объема земляных работ разрабатывают в зимнее время.

В связи повышенной прочностью мерзлых грунтов зимой в несколько раз увеличивается трудоемкость и стоимость их разработки.

Без предварительной подготовки может разрабатываться грунт, промерзший на глубину до: 0,1м - скреперами и бульдозерами; 0,15 м - экскаваторами-драглайнами; 0,25 м - экскаваторами, оборудованными прямой лопатой, с ковшами вместимостью 0,5...0,65 м ; 0,4 м - то же, но более мощными экскаваторами. В остальных случаях грунт до разработки должен быть предварительно подготовлен одним из следующих способов: предохранением от промерзания; оттаиванием; рыхлением.

Предохранение от промерзания заключается в предварительной обработке или утеплении грунта до замерзания теплоизоляционными материалами. Для этого грунт после отвода поверхностных вод можно разрыхлять или вспахивать с боронованием на глубину до 0,35 м, закрывать местными теплоизоляционными материалами (листва, хвоя, опилки и т.п.), а также устраивать снегозадержание.

Оттаивание грунта может осуществляться сверху вниз, снизу вверх и по горизонтальному направлению - радиально от нагревателя.

Наиболее простым (но дорогостоящим) является огневой способ (рис.29), при котором грунт оттаивает сверху вниз благодаря сжиганию на поверхности замерзшего грунта под колпаком твердого или жидкого топлива. Для оттаивания 1 м мерзлого грунта расходуется примерно 130 кг торфа, 50 кг угля, 0,15 м дров, 5 кг дизельного топлива.

Рис.29. Схемы оттаивания грунта

а - огневым способом;

б - паровыми иглами;

в, г - горизонтальными и вертикальными электродами;

1 - камера сгорания;

2 - вытяжная труба;

3 - слой грунта (опилок);

4 - паропровод;

5 - колпак;

6 - скважина;

7 - паровая игла;

8 - электрод;

9 - трехфазная электросеть.

Также по направлению сверху вниз грунт можно отогревать горизонтальными электродами. Для создания токопроводящих условий поверхность грунта покрывают опилками, смоченными в солевом растворе. Затем отогретый грунт становится проводником тока, а опилки способствуют сохранению тепла.

Прогревание мерзлого грунта электротоком снизу вверх можно осуществить, если имеется возможность погрузить вертикальные электроды ниже уровня промерзания грунта.

Примером отогревания грунта в радиальном направлении может служить оттаивание паровыми иглами или электронагревателями. В первом случае пар, проходя между двумя трубами отдает тепло грунту через наружную трубу; во втором - внутри трубы располагают нагревательный элемент, который нагревает поверхность трубы.

Рыхление грунта может осуществляться взрывным или механическим способом. Взрывание грунта производят только специально подготовленные рабочие-подрывники. Для этого в грунте пробуривают отверстия - шпуры или нарезают щели, в которые закладываются заряды взрывчатого вещества (ВВ).

Механическое рыхление может осуществляться статическим или динамическим воздействием. Пример статического воздействия - рыхление грунта бульдозерно-рыхлительными агрегатами.

В качестве механизмов для динамического воздействия используют дизель-молоты, клин-молоты, машины ударного действия, а также навесное оборудование на экскаваторы (клин и шар-молоты) или гидравлические молоты (рис.30).

Рис.30. Рыхление мерзлого грунта

а - молотом свободного падения;

б, в - то же дизель-молотом и гидромолотом;

г, д- при глубине промерзания до и более 1,5 м;

1 - молот;

2 - экскаватор;

3 - мерзлый слой грунта;

4 - направляющая штанга;

5 - дизель-молот;

6- гидромолот.

Кроме рыхления иногда мерзлые грунты режут на блоки с последующим их удалением тракторами или разработкой экскаваторами. Такой метод особо эффективен в тех случаях, когда недопустимо сотрясение грунта. Для нарезания блоков рекомендуются баровые машины с цепным рабочим органом, смонтированном на базе трактора.

1. Назначение и классификация свай.

Сваи применяют для устройства фундаментов под различные здания и сооружения, повышения несущей способности слабых грунтов, шпунтовые сваи - для укрепления стенок котлованов от обрушения.

Сваи подразделяют по целому ряду признаков на несколько групп:

- по материалу- деревянные, металлические, бетонные и железобетонные, комбинированные, грунтовые;

- по конструкции-квадратные, трубчатые, прямоугольные и многоугольные, с уширением и без него, цельные и составные, призматические и конические, сплошного сечения и пустотелые, винтовые и сваи-колонны;

- по способу устройства- забивные, изготовляемые на заводе или на самой площадке и погружаемые в грунт, и набивные, устраиваемые непосредственно в грунте (в заранее пробуренной скважине);

- по характеру работы(по способу передачи нагрузки на основание) - сваи-стойки, которые передают нагрузку от здания своими концами на скальный или практически несжимаемый грунт, и висячие сваи, передающие нагрузку за счет трения грунта по боковой поверхности сваи;

- по виду воспринимаемой нагрузки—центральная, вертикально действующая нагрузка, нагрузка с эксцентриситетом, и усилия выдергивания;

- по виду армированияжелезобетонных свай - с напрягаемой и ненапрягаемой продольной арматурой, с поперечным армированием и без него.

Свайный куст—несколько рядом расположенных свай, совместно воспринимающих общую нагрузку;

Ростверк—конструкция, объединяющая сверху сваи для их совместной работы

Деревянные сваиизготовляют из древесины сосны, ели, лиственницы, кедра, пихты, дуба. Длина свай 4... 12 м, диаметр в тонком конце 18...34 см. В нижнем конце свая заострена на 3...4 грани, острие должно совпадать с осью сваи, отклоненное от оси острие может увести сваю при забивке от проектного положения. При забивке в плотные грунты и предохранения острия от разрушения на него надевают металлический башмак - наконечник, а на верхнюю часть - железное Кольцо-бугель, предохраняющий голову сваи от разрушения (размочаливания) при забивке.

Когда требуются длинные сваи (> 12 м), их сплачивают из нескольких бревен - в торец, вполдерева или накладками. Для предохранения свай от гниения их пропитывают антисептиками или погружают так, чтобы вся свая располагалась ниже самого низкого уровня грунтовых вод.

Деревянные шпунты изготовляют из брусьев, на одной грани устраивают гребень, на другой - паз, преимущественно прямоугольного сечения. Перед забивкой шпунтины соединяют по 2...3 шт. в пакет, делают общий скос на острие и надевают общий бугель. Обычно толщина шпунтин 5... 14 см, но может доходить до 26 см.

Металлические сваи применяют в портовом, мостовом, энергетическом и промышленном строительстве, при возведении высотных сооружений (радиомачт, телебашен). Используют стальные трубы диаметром 25...100 см, рельсы, двутавры, винтовые сваи со специальным наконечником, завинчиваемые в грунт.

Сваи-оболочки - металлические трубчатые сваи диаметром 1,2...2 м и более, длиной до 14 м, при необходимости их наращивают и соединяют на сварке. Сваи с открытым нижним торцом по мере заглубления заполняют грунтом, который, уплотняясь, увеличивает несущую способность сваи. Сваи-оболочки с закрытым нижним торцом в виде съемного наконечника забивают в грунт. Металлический наконечник всегда остается в грунте, сама свая может быть оставлена и заполнена бетонной смесью для повышения несущей способности или извлечена. В процессе извлечения сваи-оболочки ее полость заполняется бетонной смесью.

Стальной шпунт применяют для устройства водонепроницаемых стенок котлованов, подпорных стенок, пирсов, набережных. Для шпунта выпускают специальные профили - плоские, корытообразные, зет-образные длиной до 30 м, в отдельных случаях используют обычный стальной прокат.

Железобетонные сваи выпускают сечением от 20 х 20 до 60 х 60 см и длиной от 3 до 16 м с обычной и предварительно напряженной арматурой. Предварительное напряжение позволяет сократить расход бетона на 15...20%, металла до 50...60% по сравнению с обычным армированием. Армирование необходимо для транспортирования и забивки свай, для нормальной работы на сжатие достаточно косвенного армирования. Предварительное напряжение при забивке препятствует возникновению деформаций, трещин, стягивает имеющиеся трещины.

Полые сваи квадратного и трубчатого сечения длиной 2...6 м применяют в плотных грунтах и малых нагрузках от строящегося сооружения, наружный диаметр может доходить до 80 см

Устройство свайных фундаментов является комплексным процессом, включающим на примере метода забивки:

- подготовку территории для ведения работ;

- геодезическую разбивку с выносом в натуру положения каждой сваи;

- доставку на стройплощадку, монтаж, наладку и опробование оборудования для погружения свай;

- транспортировку готовых свай от места их изготовления к месту их погружения;

- забивку свай;

- срезку готовых свай по заданной отметке;

- вывоз со строительной площадки срезанных остатков свай;

- устройство монолитного или сборного ростверка;

- демонтаж оборудования.

Анализ грунтов, их несущей способности показывает, что для большей части территории России плотные грунты залегают на сравнительно небольшой глубине, что позволяет использовать сваи длиной 3...7 м.

1. Методы погружения заранее изготовленных свай

1. Ударный метод – основан на забивке свай специальными агрегатами — молотами. Забивка сваи состоит из операций:

– передвижения копровой установки к месту забивки сваи,

– подтягивания сваи к копру, ее выверки и установки в проектную точку забивки;

– самой забивки;

– измерения величины забивки сваи и при необходимости динамического испытания сваи.

Наиболее распространены сваи длиной 6...10 м, забиваемые с помощью самоходных сваебойных установок

Современные сваебойные агрегаты имеют специальные устройства, механизирующие процесс подтаскивания и подъема свай, а также заводку головы сваи в на­головник. Сваи небольшой длины (до 6 м) можно под­таскивать таким образом, чтобы их острие скользило по грунту.

Ударным способом сваи погружают с помощью раз­личных молотов:

– механических,

– подвесных,

– паровоздуш­ных,

– дизель-молотов

Механические и подвесные дизель-молоты применя­ются при сравнительно небольших объемах работ. Мас­са ударной части свободно падающего молота при за­бивке сваи в грунты средней плотности равна 1,25 массы сваи длиной 12 м с наголовником.

Паровоздушные молоты выпускают различных марок. У большинства молотов двойного действия ударной ча­стью является поршень. Масса ударной части паровоз­душных молотов двойного действия составляет 15...20 % общей массы молота.

Широкое применение получили дизель-молоты благодаря высокой производительности, простоте эксплуатации. На стройках обычно применяют два типа дизель-молотов:

– штанговые

Ударная часть штанговых дизель-молотов — подвижный цилиндр, открытый снизу и перемещающийся в направляющих штангах. С падением цилиндра на неподвижный поршень в каме­ре сгорания воспламеняется смесь воздуха и топлива, а образующиеся в результате сгорания смеси подбрасы­вают цилиндр вверх, после чего происходит новый удар, и цикл повторяется.

– трубчатые.

Ударная часть трубчатого дизель-молота— подвиж­ный поршень с головкой, а неподвижная часть — ци­линдр. Распыление топлива и воспламенение смеси про­исходит при ударе головки поршня по поверхности сфе­рической впадины цилиндра, куда подается топливо. Число ударов в минуту у штанговых дизель-молотов — 50...60, а у трубчатых — 40...50.

Трубчатый дизель-молот по сравнению со штанговым при одинаковой массе ударной части обладает значитель­но большей энергией удара.

Неотъемлемая часть дизель-молота — наголовники, необходимые для закрепления сваи в направляющих сваебойной установки и предохранения головы сваи от разрушения ударами молота. Размеры внутренней по­лости наголовника должны соответствовать размерам го­ловы сваи.

Между наголовником и сваей устанавливается амортизирующая прокладка.

Сваи начинают забивать с медленного опускания мо­лота на наголовник после ее установки на грунт и вы­верки. Первые удары делают при небольшой высоте подъема молота — 0,4..,0,5 м. В начале забивки необхо­димо внимательно следить за правильностью погруже­ния сваи в плане и по вертикали.

Сваи забивают до проектной отметки или до получения расчетного отказа.

Отказ – минимальной величины погру­жения сваи за один или несколько ударов.

Для этого в конце забивки, когда величина отказа сваи близка к расчетной, его измеряют с точностью до 1 мм не менее чем по трем последовательным залогам на последнем метре погружения сваи (рис. У1.3).

Залог – 10 ударов молота одиночного действия или 1мин. работы вибропогружателя.

При забивке свай подвесными паровоздушными одиночного действия или дизельными молотами залог принимают равным 10 ударам.

При забивке свай молотами двойного действия за залог принимают число ударов в 2 мин.

Сваи, не давшие контрольного отказа, после перерыва в 3...4 дня подвергают дополнительной забивке.

Железобетонные сваи, не достигшие проектной отметки, но имеющие расчетную величину отказа, срезают под одну отметку машиной или вручную с помощью отбойного молотка и газосварочного аппарата.

Применяют рядовую, спиральную и секционную схемы забивки свай в зависимости от формы и размера свайного поля, а также вида грунта.

Рядовую схему (рис. У1.4, а) применяют при устрой­стве свайных фундаментов зданий и сооружений в не­связных грунтах. При строительстве линейного сооружения забивку свай производят последовательными рядами, по захваткам. Сначала забивают сваи в первом ряду на участке 1—2, затем на втором участке 3—4 и в третьем на участке 5—6. По окончании работ на первой захват­ке сваебойный агрегат переходит во вторую и продолжа­ет забивку свай в такой же последовательности.

Спиральную схему применяют при кустовом распо­ложении свай (например, под тяжелые колонны). Забивка начинается от центра куста и по спирали идет к периферии (рис. У1.4,б).

Секционную забивку применяют при устройстве свайных полей на больших площадях в плотных грунтах. Сваи забиваются на площади каждой секции (2—3 ряда) с пропуском одного ряда между ними, т. е. агрегат проходит через точки 1—12 (рис. VI.4, в). Такая схема исключает2. Вибрационный и виброударный методы

Вибрационные способы применяют при устройстве свайных оснований в песчаных грунтах, которые подда­ются вибрации.

При вибрационном способе сваю погружают при помощи вибрационных машин, оказывающих на сваю динамические воздействия, которые позволяют резко уменьшить трение боковой поверхности сваи о грунт.

Вибропогружатель – это электромеханическая машина вибрационного действия, которая подвешивается к мачте сваепогружающего агрегата и соединяется со сваей (рис. VI.5, а, б).

Вибрационный метод эффективен при несвязных водонасыщенных грунтах. Более универсален виброудар­ный метод погружения свай с помощью вибромолотов, которые по виду привода разделяются на электрические, пневматические, гидравлические и вибромолоты с двига­телем внутреннего сгорания.

Наиболее распространенные пружинные вибромолоты (рис.. VI.5, в, г) работают следующим образом. Вибровозбудитель при вращении валов с дебалансами в противоположных направлениях совершает периодические колебания. Когда зазор между ударником вибровозбудителя и сваей меньше амплитуды колебаний вибровозбудителя, ударник периодически ударяет по наковальне наголовника сваи. Вибромолоты могут самонастраиваться, т. е. увеличивать энергию удара с повышением соп­ротивления грунта погружению свай. Масса ударной части (вибровозбудителя) вибромолота применительно к по­гружению железобетонных свай должна быть не менее 50 % массы сваи и составлять 650... 1350 кг.

неравномерное нарушение структуры грунта.

3. Погружение свай вдавливанием и вибровдавливанием.

Статическое и вибрационное вдавливание свай производят с помощью установок, действующих на сваю массой либо массой и вибрацией одновременно. Для этого используют установки, состоящие из двух тракторов, оборудованных направляющей рамой, опорной плитой, наголовником для передачи давления, соединенным с вдавливающим полиспастом. На од Трактор с мачтой устанавливают над местом погру­жения свай и с помощью малой лебедки опускают на землю опорную плиту. После этого на опорную плиту устанавливают пригрузочный трактор. Предварительно с помощью малой лебедки сваю помещают в проем мач­ты трактора, находящегося на грунте. Усилия от боль­шой лебедки передаются на наголовник, который начи­нает перемещаться по направляющим, обеспечивая тем самым вдавливание сваи.

Установка развивает усилие вдавливания до 350 кН и может погрузить за смену 13...15 свай длиной до 6 м. Точность установки сваи обеспечивается устройством «лидирующих» направляющих скважин. Такие скважи­ны устраивают буровыми станками на глубину, мень­шую, чем проектная отметка погружаемых свай, на 0,5... ...1 м.

Достоинство данного метода — простота монтажа на строительной площадке, недостаток — низкая произ­водительность из-за малой маневренности.

Более эффективен метод вибрационного вдавливания свай. Вибровдавливающий агрегат (рис. У1.7) состоит из двух рам. На задней раме имеется электрогенератор, работающий от тракторного двигателя, и двухбарабанная лебедка, на передней раме — направляющая стрела с вибропогружателем. После включения вибропогружа­теля и лебедки агрегата свая погружается за счет соб­ственной массы, массы вибропогружателя и части массы трактора, передаваемой вдавливающим канатом через вибропогружатель на сваю. Одновременно на сваю воз­действует вибрация, создаваемая низкочастотным погружателем с подрессорной плитой.