Элементы земляных сооружений

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО ВЫБОРУ МАШИН

Глава 1.Сведения о земляныхработах, назначение и классификация машин

1.1. Земляные работы и сооружения

Земляные работыявляются сос­тавной . частью строительства боль­шинства инженерных сооружений. Они включают в себя: отрывку тран­шей, каналов, котлованов, устройство закрытых проходок в грунте в виде туннелей или шахт, возведение пло­тин, бурение скважин и т. п.

Машины для земляных работклас­сифицируют по назначению, режиму работы, степени подвижности и дру­гим признакам.

В связи с возможностью исполь­зования базовых частей современных машин для работы с различными ви­дами сменного оборудования класси­фикация по назначению носит услов­ный характер. Различают землерой­ные машины для отрывки и переме­щения грунта в пределах зоны дося­гаемости рабочего оборудования (од­ноковшовые экскаваторы), землерой-но-транспортные машины для послой­ной разработки грунта и перемещения его на большие расстояния (бульдо­зеры, скреперы, грейдеры, грейдеры-элеваторы), машины и оборудование для уплотнения грунтов, а также ма­шины и оборудование для разработки мерзлых грунтов.

По режиму работы машины быва­ют цикличного и непрерывного дейст­вия.

По степени подвижности машины для земляных работ относятся боль­шей частью к передвижным самоход­ным или прицепным, за исключением некоторых видов оборудования для уплотнения грунтов. Эти машины не имеют собственных ходовых устройств и относятся к полустационарным.

Земляные сооружения— особая группа инженерных сооружений, об­разуемых в грунтовом массиве или

возводимых из грунта, уложенного на поверхности земли. Земляное соору­жение, расположенное ниже поверх­ности, называется выемкой, на поверхности — насыпью, на оп­ределенной глубине от поверхности -подземным. Если земляное соо­ружение находится на косогоре, то оно может состоять частично из вые­мок и частично из насыпей. В попе­речном разрезе сооружение в этих случаях оформляется в виде полувы­емки и полунасыпи.

По назначению земляные сооруже­ния классифицируют на: гидротехни­ческие (плотины, дамбы, каналы, рус­ла, ковши портов, набережные); ир­ригационные и мелиоративные (пру­ды, водоудерживающие сооружения, водоподводящие, распределительные и осушительные каналы, очистные со­оружения и т. п.); дорожные (земля­ное полотно для железных и автомо­бильных дорог); сооружения промыш­ленного и гражданского строитель­ства (площадки промышленных пред­приятий, сооружения водопровода и канализации, поля орошения, емко­сти для горючего и т. д.); подземные сооружения (туннели, метро, шахты и штольни).

По служебному назначению зем­ляные сооружения подразделяют на две группы — временные и постоян­ные.

К временным сооружениям относят котлованы для устройства оснований, траншеи для трубопрово­дов и коллекторов, возводимые для того, чтобы оградить постоянное со­оружение на время его постройки от воздействия проточных или грунтовых вод, а также, чтобы обеспечить уст­ройство основания для самого соору­жения. Временные сооружения могут иметь значительные размеры в плане

Элементы земляных сооружений

/ — нагорная канава; 2 — банкет; 3 — берма; 4 — - откос; 5 — выемка; 6 — верхняя бровка; 7 — нижняя бровка; 8 — насыпь; 9 ~ ступенчатое основание; 10 — контрбанкет; // — резерв; 12 — насыпь; 13 — бруствер; /4 — траншея; 15 — кавальер; 16 — канава; 17 — дорожное полотно; /8 — подпорная стенка

и по глубине, а их объемы измеряться миллионами кубометров (котлованы гидростанций, плотин, шлюзов).

К постоянным земляным со­оружениям относятся насыпи и выем­ки, а также защитные сооружения, устраиваемые с целью защиты от раз­рушающего воздействия поверхност­ных и грунтовых вод на все время су­ществования насыпей, выемок, плотин и т. д.; водоотводные устройства — открытые каналы (напорные, забан-кетные, водоотводящие, осушитель­ные), кюветы, отводящие русла, слу­жащие для отвода поверхностных вод; дренажи, лотки, глубокие прорези, штольни и шахты водопонижения, служащие для отвода и понижения го­ризонта грунтовых вод; направляю­щие и регулирующие сооружения - защитные бермы, струенаправляющие траверсы и дамбы; устройства, обес­печивающие устойчивость насыпей,— уступы в основании на косогоре, упор­ные контрбанкеты, устройства, отво­дящие грунтовые или фильтрующие воды из низовой части насыпи.

На рис. 1.1 приведены схемы основ­ных элементов земляных сооружений.

Банкетом (рис. 1.1, а) называется невысокий земляной вал, устраивае­мый вдоль верхней бровки откоса, вы­емки с нагорной стороны для защиты выемки от стока поверхностных вод.

Контрбанкет (рис. 1.1,6)— невы­сокий земляной вал, устраиваемый вдоль нижней бровки низового откоса насыпи, расположенной на косогоре. Для предотвращения сползания грун­та насыпь делается на ступенчатом основании.

Бермой называется площадка у верхнего откоса земляного сооруже­ния.

Защитная берма (рис. 1.1, в) - площадка, отделяющая насыпь от ре­зерва.

Бровка откоса — линия пересече­ния поверхности откоса с поверхно­стью земли или верхней части соору­жения. Различают верхнюю и нижнюю бровки.

Подошвой откоса (или нижней бровкой откоса) называется линия

пересечения плоскости откоса соору­жения с земной поверхностью или ос­нованием выемки.

Бруствер (рис. 1.1,г) — отвал из грунта, образованный после разработ­ки траншеи и расположенный вдоль нее.

Выемка (рис. 1.1, д) представляет собой земляное сооружение, которое находится ниже поверхности земли.

Дорожное полотно (рис. 1.1, е) - проезжая часть дороги.

Кавальер — отвал, отсыпаемый из лишнего грунта, образовавшегося при разработке выемки, и расположенный вдоль нее.

Канава — выемка с малым сече­нием и большой протяженностью, слу­жащая для отвода поверхностных вод. Если канава расположена в непосред­ственной близости от дороги, она на­зывается кюветом.

Напорная канава устанавливается вдоль земляного сооружения и служит для отвода грунтовых вод, поступаю­щих по склону местности.

Забанкетной канавой называется канава, расположенная за банкетом выемки.

Карьер—выемка, из которой бе­рут грунт для сооружения насыпи которая, как правило, размещается вдали от сооружения.

Насыпь — земляное сооружение, возводимое на горизонтальном или наклонном основаниях.

Откос сооружения — боковая по­верхность сооружения, соединяющая верхнюю и нижнюю грани.

Подпорная стенка (рис. 1.1, эк) - сооружение, возводимое из железо­бетона, кирпича или камня на косого­ре с низовой стороны насыпи, служа­щее для удержания откоса.

Резервом называется выемка, грунт из которой использован для воз­ведения насыпи.

Уклон — подъем или опускание поверхности местности или дороги. Уклон определяется по формуле

i =H / l

где Н — разница отметок на участке длины l.

На железных дорогах уклон измеряется в промилях. Уклон, равный 1 промилю, озна­чает, что поверхность дороги поднимается или опускается на 1 м в расчете на каждый кило­метр пути. Уклон измеряется также а десятич­ных цифрах (1 = Н/1), процентах (i = H/l• 100) и градусах (i = H/l = tga), где а — угол уклона.

Траншеей называется выемка зна­чительной длины и сравнительно не­большой ширины, предназначенная для укладки трубопроводов.

Каждое строительство имеет спе­цифические виды земляных сооруже­ний. Основными видами гидротехни­ческих и мелиоративных земляных сооружений являются плотины (дамбы) и каналы.

Верхняя площадка плотины (рис. 1.2, а) шириной не менее 2...3 м, воз­вышается над наибольшим уровнем воды на 1...2 м, называется гребнем плотины. Углубление, устраиваемое в середине основания плотины и запол­няемое уплотненным грунтом, из ко­торого возводится плотина, называ­ется замком или зубом плотины. Зуб предназначен для лучшего сопряже­ния тела плотины с ее основанием. Боковая поверхность плотины, распо­ложенная со стороны воды, называ­ется мокрым откосом, а противопо­ложная — сухим откосом. На высоких плотинах устанавливаются промежу­точные борты.

Канал — продольная выемка, за­полняемая водой. По назначению он бывает судоходным, оросительным и осушительным. Каналы могут прохо­дить в выемках (рис. 1.2,6), полувы-емках-полунасыпях (рис. 1.2, б) и в насыпях (рис. 1.2, г). На длинных от­косах выемок выше уровня воды устраивают промежуточные бермы. Лишний грунт из выемок укладывают в кавальеры.

Земляное сооружение (рис. 1.2, д), образованное над естественной по­верхностью земли и служащее для прокладывания по нему дороги - назы­вается дорожной насыпью. Для ее воз­ведения используется грунт из резер­вов, располагаемых вдоль насыпи.

1.2. Основные виды гидротехнических соору­жений

I — мокрый откос; 2 — верхняя площадка; 3 — промежуточная берма; 4 — сухой откос; ,5 — замок (зуб) плотины; 6 — кавальер; 7 — проме­жуточная берма; 8 — дорожная насыпь; 9 — резерв; '0 —нагорная канава; // — кавальер; — кювет; 13 — обочина; 14 — одежда дороги; 15 — котлован; 16 — щиты с распорками

Земляное сооружение, образован­ное при выемке грунта ниже поверх­ности земли, является дорожной вы­емкой (рис. 1.2, е). Лишний грунт укладывается в кавальеры, а для от­вода влаги устраивают нагорные ка­навы или кюветы. Полотно дороги может быть устроено на косогоре и состоять из полунасыпи-полувыемки (рис. 1.2, ж).

Безрельсовые дороги сооружают по типовым поперечникам (рис. 1.2, я), Верх полотна для стока дождевых вод делают с уклоном к бровкам от­косов. В средней части земляного по-

лотна вынимают грунт (корыто) для укладки одежды дороги. С двух сто­рон корыта остаются две полосы — обочины.

Открытая разработка, предназна­ченная для устройства в ней подзем­ной части сооружения (например, фундамента), называется котлованом (рис. 1.2, и). После возведения фун­даментов пространство между ними и стенками котлована засыпают, т. е. осуществляется обратная засыпка. Стенки котлована для обеспечения безопасной работы выполняют поло­гими.

Открытая выработка, имеющая значительную длину при сравнительно небольшой ширине и служащая для укладки различных линейных устройств, называется траншеей (рис. 1.2, к). Вертикальные стенки траншеи укреп­ляются щитами с распорками.

1.2. Сведения о грунтах и их классификация

При строительстве постоянных и временных сооружений объектом ме­ханизированной разработки, переме­щения и укладки являются грунты. Под грунтом понимают любую горную породу, почву, твердые отходы произ­водственной и хозяйственной деятель­ности человека, которые используют как основание, среду или материал для возведения зданий и инженерных сооружений. Грунт рассматривают как сложную многокомпонентную из­меняющуюся но времени систему, трудность разработки которой земле­ройными машинами зависит от харак­тера структурных связей, происхож­дения, условий образования, грануло­метрического состава, наличия влаги, газов, солей и льда.

По совокупности признаков грунты делятся на классы, группы, подгруп­пы, типы, виды и разновидности (ГОСТ 25100—82).

В зависимости от характера струк­турных связей грунты подразделяют на два основных класса: скальные —

с жесткими (кристаллизационными или цементационными) связями и нескальные — без жестких связей.

К скальным грунтам отно­сятся магматические (граниты, дио­риты, базальты, порфиры и др.), ме­таморфические (гнейсы, сланцы, мра­моры, кварциты и др.), осадочные сцементированные (брекчии, песчани­ки, алевролиты, аргеллиты, извест­няки, мел, гипс и др.) породы природ­ного происхождения, а также искус­ственные грунты, закрепленные це­ментными растворами, жидким сили­катом, расплавленным битумом, из­вестью и т. п.

Нескальные грунты охва­тывают песок, супесь, суглинок, глину и лесс (без примесей и с примесями щебня, гальки, гравия или строитель­ного мусора); грунты растительного слоя, черноземы и торфяные грунты (органогенные породы, представляю­щие собой скопление остатков расте­ний, подвергшихся неполному разло­жению в условиях избыточной влаж­ности и затрудненного доступа воз­духа); солончаки и солонцы (грунты, содержащие растворы солей); гравий-но-галечные, щебенистые грунты, а также шлаки.

Песок является рыхлой несцемен­тированной горной породой, состоя­щей из обломков различных минера­лов и пород с преобладанием частиц размером 0,05—2 мм (количество гли­нистых частиц размером до 0,005 мм не превышает 3 %).

Супесь, суглинок и глину относят к глинистым грунтам (грунты с содер­жанием глинистых частиц больше 3%).

Лесс — пористая порода, содер­жащая тонкопесчаные и крупнопыле-ватые частицы размером 0,01—0,1 мм с примесью известковых частиц в виде отдельных кусочков и трубочек.

Щебенистые и гравийно-галечные грунты имеют в своем составе преоб­ладание угловатых и окатанных об­ломков горных пород размером 4— 20 мм.

В зависимости от температуры, и наличия льда грунты подразделяют на немерзлые, морозные (охлажден­ные) и мерзлые.

Немерзлые грунты не содер­жат льда и находятся при положи­тельной температуре. Трудоемкость их разработки с использованием зем­леройных машин нормируется в состо­янии естественной влажности и плот­ности, т. е. когда они не находятся под воздействием грунтовых, проточ­ных и дождевых вод и не расположе­ны в отвалах.

Морозные грунты имеют отри­цательную температуру и не содер­жат льда. Морозные песчаные, галеч­ные, крупнообломочные и скальные грунты по трудоемкости разработки нормируются как немерзлые вследст­вие отсутствия упрочняющих льдоце-ментных связей.

Мерзлые грунты имеют отри­цательную и нулевую температуру и содержат лед, цементирующий мине­ральные частицы. Наличие льда обус­ловливает особенности структуры и специфику физико-механических свойств мерзлых грунтов.

По продолжительности непрерыв­ного пребывания в мерзлом состоя­нии они делятся на кратковременно-мерзлые (часы, сутки), сезонномерз-лые (месяцы), перелетки (1—2 года) и многолетнемерзлые (от нескольких лет до сотен и тысяч лет).

Трудность разработки, перемеще­ния и укладки грунта при возведении земляных сооружений существенно зависит от их прочностных характе­ристик, которые проявляются под воз­действием внешних нагрузок, прикла­дываемых рабочими органами и дви­жителями машин.

Основные прочностные характе­ристики грунтов зависят от структуры (размера, формы и соотношения ча­стиц), текстуры (пространственного расположения частиц независимо от размера), гранулометрического соста­ва (относительного весового содер­жания частиц различной крупности),

влажности, плотности, температуры, скорости деформации (длительности времени разрушения).

В настоящее время применительно к разработке грунтов землеройными машинами нашла признание их клас­сификация по категориям в зависи­мости от прочности и классификация по группам в зависимости от трудно­сти разработки.

Одной из наиболее общих является классификация скальных грунтов по коэффициенту крепости (прочно­сти) — обобщенному показателю их сопротивляемости разрушению, раз­работанная М. М. Протодьяконовым. Коэффициент крепости является чис­ленной характеристикой прочностных свойств грунтов.

За единицу крепости скальных грунтов (I—VI категории) принята прочность кубика породы, имеющего сопротивление одноосному сжатию sсж=10 МПа (табл. 1.1). Для не­скальных грунтов (V1а—X катего­рии) коэффициент крепости опреде­лен в виде f = t / sсж + tgrт, где rт = (9...60°).

1.1.Классификация скальных грунтов по коэф­фициенту крепости

Категория	Грунты	Степень прочности	Коэффициент крепости прочности
I	Наиболее крепкие кварциты и ба-	Высшая
	зальты
II	Гранитные породы.	Очень креп-
	кварцевый порфир,	кие
	очень крепкий
	кремнистый сланец
	менее крепкие ква-
	рциты, крепкие
	песчаные известня- ки
	ки
III	Плотный гранит,	Крепкие	К)
	менее крепкие пес-
	чаники и известня-
	ки, кварцевые руд-
	ные жилы, крепкий
	конгломерат, очень
	крепкие железные
	руды

Продолжение табл. 1.1

Категория	Грунты	Степень прочности	Коэффициент крепости прочности
Ш а	Некрепкий гранит, крепкий мрамор, доломит, колчеда­ны	То же 1
IV	Обыкновенный пес-	Довольно
	чаник, железные	крепкие
	руды
1V а	Песчаные сланцы,	То же
	сланцевые песча-
	ники
V	Крепкий глинистый	Средние
	сланец, некрепкий
	песчаник и извест
	няк, мягкий конг-
	ломерат
V а	Разнообразные	То же
	сланцы, плотный
	мергель
VI	Мягкий сланец, из-	Довольно
	вестняк, мел, гипс,	мягкие
	мерзлый грунт, ан-
	трацит, обыкновен-
	ный мергель, раз-
	рушенный песча-
	ник
VI a	Щебенистый грунт.	Довольно	1,5
	разрушенный сла-	мягкие
	нец, слежавшиеся
	галька и щебень,
	отвердевшая глина
VII	Плотная глина,	Мягкие
	мягкий каменный
	уголь. глинистый
	грунт
VII a	Легкая песчанис-	Мягкие	0,8
	тая глина, лесс,
	гравий
VIII	Растительная зем-	Землистые	0,6
	ля, торф, легкий
	суглинок, сырой
	песок
XI	Песок, осыпи, мел-	Сыпучие	0,5
	кий гравий, насы-
	панная земля
X	Плавуны, болотист	Плывучие	0,3
	тый грунт, разжи-
	женные грунты

Нескальные грунты по этой клас­сификации имеют коэффициент крепо­сти f<2 относятся к довольно мяг­ким породам. Разработка таких грун-

тов осуществляется обычными земле­ройными машинами: экскаваторами, бульдозерами, скреперами, грейде­рами без предварительного рыхления.

Непрочные скальные и мерзлые грунты имеют коэффициент крепости f=2 — 5 и являются породами сред­ней крепости. Разрабатываются обыч­ным землеройным оборудованием после предварительного рыхления ме­ханическими средствами.

Скальные грунты с коэффициентом крепости f > 5 предварительно раз­рыхляют взрывом с дальнейшим пере­мещением землеройными машинами. В ряде случаев при относительно тон­ких прослойках (до 20 см) такие грун­ты можно разрабатывать и механи­ческим способом.

Разделение прочности нескальных грунтов в мерзлом и немерзлом состоя­ниях по коэффициенту крепости вы­полнено с большим усреднением. Для нескальных грунтов предпочтительно использовать классификацию по чис­лу ударов плотномера ДорНИИ, пред­ложенную А. Н. Зелениным, в соот­ветствии с которой грунты разбиты на 8 категорий (табл. 1.2).

Принцип взаимодействия ударника с грунтом основан на общности фи­зической картины резания, определяе­мой максимальными напряжениями всестороннего сжатия в области ре­жущей кромки рабочего органа, и ха­рактером вдавливания наконечника ударника в грунт.

Число ударов динамического плот­номера при погружении в грунт на