Определение объемов земляных масс в котлованах и траншеях. Метод поперечников.
Лекция 2.
План лекции.
1.Основные понятии. Земляные сооружения. Элементы откосов.
2.Грунты и их свойства.
3. Подсчет объемов земляных работ при вертикальной планировке площадки и разработке котлована.
4.Определение объемов земляных масс в котлованах и траншеях. Метод поперечников.
5.Механизация земляных работ.
Основные понятия. Земляные сооружения. Элементы откосов выемки и насыпи.
Земляные работы – работы по перемещению, укладке, уплотнению грунта.
Виды земляных сооруженийпостоянные и временные: выемки (земляные сооружения расположенные ниже дневной поверхности); насыпи ( сооружения расположенные выше дневной поверхности);котлован (временная профильная выемка для возведения подземных частей сооружений);траншея( линейно протяженная профильная выемка с вертикальными или наклонными стенками);карьер(непрофильная выемка, для добычи открытым способом полезных ископаемых и грунта); pезерв (непрофильная линейно протяженная выемка, из который берут грунт для строительства насыпных сооружений);отвал ( непрофильная постоянная или временная насыпь, предназначенная для складирования грунта); кавальер (непрофильная постоянная линейная насыпь грунта вдоль протяженной профильной выемки); шурф(глубокая выемка с малыми размерами в плане).
Для устойчивости земляного сооружения выполняются откосы. Крутизна откосов земляных сооружений характеризуется коэффициентом заложением откосов.
Рис.1 Элементы откосов выемки и насыпи.
Где α – угол откоса; h – глубина выемки или высота насыпи; 1:m – крутизна откоса; m – коэффициент откоса; а - заложение откоса.
Крутизну откосов временных котлованов и траншей назначают с учетом вида грунтов и глубины выемки (табл.1).
Таблица 1
Наибольшая допустимая крутизна откосов траншей и котлованов в непереувлажненных грунтах.
| Виды грунтов | Крутизна откоса (отношение его высоты к заложению) при глубине выемки, м, не более | ||
| 1,5 | |||
| Насыпные неуплотненные | 1:0,67 | 1:1 | 1:1,25 |
| Песчаные и гравийные | 1:0,5 | 1:1 | 1:1 |
| Супесь | 1:0,25 | 1:0,67 | 1:0,85 |
| Суглинок | 1:0 | 1:0,5 | 1:0,75 |
| Глина | 1:0 | 1:0,25 | 1:0,5 |
| Лессы и лессовидные | 1:1 | 1:0,5 | 1:0,5 |
При глубине выемок > 5 м крутизну откосов определяют из условия их устойчивости. Объемы земляных работ определяют в соответствии с правилами вычисления геометрических фигур. Объемы земляных работ определятся по грунту в состоянии естественной плотности.
Баланс грунтовых масс – отражает рациональное распределение грунта между выемками и насыпями (в виде таблиц и схем с учетом наилучшего использования грунта из профильных выемок для возведения насыпей при минимальных дальностях перемещения грунта) .
Грунты и их свойства.
Грунт - горные породы, почвы, техногенные образования, представляющие собой многокомпонентную и многообразную геологическую систему.
Грунт скальный - грунт, состоящий из кристаллитов одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи кристаллизационного типа.
Грунт полускальный - грунт, состоящий из одного или нескольких минералов, имеющих жесткие структурные связи цементационного типа.
Грунт дисперсный - грунт, состоящий из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабосвязанных друг с другом; образуется в результате выветривания скальных грунтов с последующей транспортировкой продуктов выветривания водным или золовым путем и их отложения.
Структура грунта- пространственная организация компонентов грунта, характеризующаяся совокупностью морфологических (размер, форма частиц, их количественное соотношение), геометрических (пространственная композиция структурных элементов) и энергетических признаков (тип структурных связей и общая энергия структуры) и определяющаяся составом, количественным соотношением и взаимодействием компонентов грунта.
Текстура грунта- пространственное расположение слагающих грунт элементов (слоистость, трещиноватость и др.).
Грунт глинистый - связный минеральный грунт, обладающий числом пластичности I_p >= 1.
Песок - несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером меньше 2 мм составляет более 50 % (I_p = 0).
Грунт крупнообломочный- несвязный минеральный грунт, в котором масса частиц размером крупнее 2 мм составляет более 50%. Почва - поверхностный плодородный слой дисперсного грунта, образованный под влиянием биогенного и атмосферного факторов.
Грунт набухающий - грунт, который при замачивании водой или другой жидкостью увеличивается в объеме и имеет относительную деформацию набухания (в условиях свободного набухания) - e_sw >= 0,04.
Грунт просадочный - грунт, который под действием внешней нагрузки и собственного веса или только от собственного веса при замачивании водой или другой жидкостью претерпевает вертикальную деформацию (просадку) и имеет относительную деформацию просадки 
sl ≥ 0,01.
Характеристики физических свойств грунта: влажность, степень влажности, влажность на границе текучести, влажность на границе раскатывания, число пластичности, показатель текучести, плотность грунта, плотность частиц грунта, плотность скелета грунта, пористость, коэффициент пористости, коэффициент фильтрации, сцепление, угол внутреннего трения, коэффициент Пуассона, модуль деформации грунта и др.
Увеличение объема грунта в результате разработки определяется с помощью коэффициента разрыхления. Различают коэффициент первоначального разрыхления (есть объем разрыхленного грунта разделить на объем грунта в естественном состоянии) и коэффициент остаточного разрыхления (есть объем уплотненного грунта разделить на объем грунта в естественном состоянии) .
К подготовительным работам относятся: подготовка территории, геодезическая разбивка, обеспечение водоотвода, прокладка дорог и др.
К вспомогательным работам относятся устройство временных креплений, водоотлив, понижение уровня грунтовых вод, искусственное закрепление слабых грунтов.
Подсчет объемов земляных работ при вертикальной планировке площадки и разработке котлована.
3.1 Подсчет объемов земляных работ при вертикальной планировке площадки.
Различают планировку под естественный уклон, под заданную отметку, под нулевой баланс (проектная отметка находится из условия равенства объемов насыпи и выемки).
Различают следующие методы подсчета земляных масс: метод квадратных призм (площадку разбивают на квадраты) и метод треугольных призм (квадраты, далее, разбивают на треугольные призмы).
Расчет объема земляных масс при вертикальной площадке ведется в следующем порядке (рис.3):
1. На план площадки в горизонталях наносится планировочная сетка, которая делит участок на квадраты со сторонами от 20 (при сложном рельефе) до 100 м (при спокойном рельефе). Общее количество квадратов самое различное ( это может быть и 200-300 квадратов).
2. В вершинах квадратов методом интерполяции определяют черные отметки (отметка естественного уровня земли).
Рис.2 К определению черных отметок вершин квадратов.
3. При планировке под заданную отметку и отсутствие уклонов красная отметка вершин квадратов одинакова и равна заданной. При планировке под заданную отметку и наличие уклонов с двух сторон красная отметка определяется по формуле (1):
Где Нкра – заданная красная отметка ; i1,i2 – уклоны вдоль сторон площадки; а1,а2 – расстояния от точки а до заданной вершины квадрата;
4. При планировке под нулевой баланс и использовании метода квадратных призм определяется средняя планировочная отметка по формуле (2):
При планировке под нулевой баланс и использовании метода треугольных призм средняя планировочная отметка определяется по формуле (3):
Где ∑Н1 – сумма черных отметок, принадлежащих только одному квадрату (вершины квадратных призм в углах площадки), ∑Н2 – сумма черных отметок, принадлежащих только двум квадратам и т.д.; n – количество квадратов.
5. Определение рабочих отметок вершин квадратов:
Если рабочая отметка имеет знак “+”, то это соответствует выемке, знак “-” – насыпи. Проставляем рабочие отметки в левом верхнем углу от вершины со своим знаком, черные – в правом верхнем углу, красные – в правом нижнем углу.
6. Построение линии нулевых работ. Линия нулевых работ-линия, соединяющая нулевые рабочие отметки. Применяем графический способ определения. Построение ведем на базисной линии с разными по знаку рабочими отметками. Для этого проводим мысленно перпендикуляры к базисной линии в вершинах с черными отметками разных знаков и в одном и том же масштабе, но в противоположные стороны откладываем рабочие отметки, полученные точки соединяем пунктирной линией. Там, где эта линия пересекает базисную линию (сторону квадрата) и есть нулевая рабочая отметка. Обходим все стороны квадратов, если на сторонах квадратов имеются рабочие отметки, определяем нулевые рабочие отметки, соединяем их ломанной линией. На площадке в зависимости от рельефа может быть несколько линий нулевых работ.
7. Определение объемов грунта в фигурах насыпи и выемки.
Линия нулевых работ разделила площадку на фигуры объемов грунта насыпи и фигуры выемки. Объем грунта в фигуре есть площадь этой фигуры умноженная на среднюю рабочую отметку фигуры (по абсолютной величине). Средняя рабочая отметка фигуры есть сумма рабочих отметок фигуры разделить на количество вершин фигуры. Суммируем объемы фигур насыпи и отдельно выемки. При планировке под нулевой баланс разность между суммарными объемами насыпи и выемки не должны превышать 5 
.
8. При необходимости возведения откосов объемы грунта в откосах суммируем к объемам грунта в прилежащих фигурах насыпи и выемки. Объемы грунта в угловых откоса(VУ ) определяются по формуле (5), рядовых с одной нулевой отметкой(V1 ) – (6), рядовых с двумя рабочими отметками (V2 ) – (7).
Рис.3 Определение объемов земляных масс методом квадратных призм.
Подсчет объемов земляных масс методом квадратных призм выполняется на практическом занятии.
Определение объемов земляных масс в котлованах и траншеях. Метод поперечников.
Объем котлованов (траншей) длиной “а”, огражденных с двух противоположных сторон наклонными стенками и имеющих ширину по дну “b”и по верху “d”определяют по формуле (8):
Объем котлована, имеющего четыре наклонных стенки определяется по формуле (9):
Где “a”и “b” – ширина котлована по низу, “c” и “d” – ширина котлована по верху, “Н” – глубина котлована.
При сложном рельефе и больших размерах выемок используют метод поперечников. Для этого :
1. на плане котлована в поперечном направлении проводятся вертикальные секущие плоскости на расстоянии друг от друга, указанном в задании как шаг поперечников и строятся поперечные профили этих сечений с учетом откосов котлованов;
2. подсчитывается площадь поперечников; площадь каждого поперечного сечения котлована представляет собой сумму площадей элементарных фигур, входящих в поперечник;
3. подсчитывается объем грунта между соседними поперечниками как полусумма соседних поперечников умноженная на расстояние между соседними поперечниками (шаг поперечников);окончательно объем грунта в котловане равен сумме объемов грунта между всеми поперечниками и объемов грунта в торцевых поперечниках.
Рис.4 Подсчет объема грунта в котловане методом поперечников.
Подсчет объема грунта методом поперечников выполняется на практическом занятии.
Для рационального производства планировочных работ составляют план распределения земляных масс , исключающий повторные перевалы грунта и предусматривающий перевозку грунта из выемки в насыпь кратчайшим путем. Сумма произведений объемов выемок на среднюю дальность возки грунта (расстояние между центрами тяжести выемки и насыпи) должна быть минимальной. Перемещения грунта с участка на участок изображают в виде таблицы – балансовой ведомости земляных масс, а также составляют план перемещения земляных масс в графической форме с указанием объемов перевозимого грунта.