Производство земляных работ

Введение
При строительстве любого здания или сооружения, а также планировке и благоустройстве территорий ведут переработку грунта. Переработка включает следующие процессы: разработка грунта, перемещение грунта, укладка и уплотнение.
Непосредственному выполнению этих процессов в ряде случаев предшествуют или сопутствуют подготовительные или вспомогательные процессы. Подготовительные процессы осуществляются до начала разработки грунта, а вспомогательные - до или в процессе возведения земляных сооружений. Весь этот комплекс процессов называется земляными работами.
При производстве земляных работ все подготовительные, вспомогательные (разработка земляных сооружений, водоотлив, рыхление плотных или мерзлых грунтов) и основные процессы выполняются комплектами машин и механизмов, каждый из которых предназначен для определенного рабочего процесса или операции, таких как разработка, транспортирование, разравнивание и уплотнение, планировка откосов и т.п. В общем случае одна и та же работа может быть выполнена с большей или меньшей эффективностью различных комплектов машин или сменного навесного оборудования. Способ и комплект машин для конкретных производственных условий выбирают на основе технико - экономических показателей, зависящих от основных факторов производства: объема работ, заданных сроков на выполнение, рельефа, гидрологии местности, видов и параметров земляных масс, минимальной стоимости и трудоемкости и др. В зависимости от количества земляных и землеройно - транспортных машин, составляют календарный график, содержащий информацию о последовательности и сроках производства работ.
1 Состав земляных работ
В состав земляных работ, осуществляемых в комплексе работ нулевого цикла внутри кварталов или для отдельно строящихся зданий, входят:
а) срезка, транспортировка и укладка в штабели растительного слоя грунта (места складирования грунта на картограмме земляных работ определяет и наносит строительная организация);
б) срезка и подсыпка грунта при вертикальной планировке территорий;
в) рытье траншей для прокладки и перекладки внутриквартальных и дворовых подземных коммуникаций - водопровода, канализации, газопровода, теплосети, водостоков, коллекторов, дренажа, электрокабеля и слаботочных линий;
г) устройство земляного корыта и песчаного основания под постоянные и временные внутриквартальные дороги и проезды;
д) рытье котлованов и траншей под фундаменты зданий и сооружений с отвозкой излишнего грунта в пазухах, траншеях и отсеках технических подполий с подвозкой недостающего грунта;
е) засыпка и уплотнение грунта в пазухах, траншеях и отсеках технических подполий с подвозкой недостающего грунта;
ж) подготовка основания под пути башенных кранов.
2 Определение объемов земляных работ
Объемы разрабатываемого грунта измеряют кубическими метрами плотного тела. Для некоторых процессов (уплотнение поверхности, планировка и т.д.) объемы могут измеряться квадратными метрами поверхности. Подсчет объемов разрабатываемого грунта сводится к определению объемов различных геометрических фигур. При этом допускается, что объем грунта ограничен плоскостями, отдельные неровности не влияют значительно на точность расчета
Объемы разрабатываемого грунта измеряют кубическими метрами плотного тела. Для некоторых процессов (уплотнение поверхности, планировка и т.д.) объемы могут измеряться квадратными метрами поверхности.
Подсчет объемов разрабатываемого грунта сводится к определению объемов различных геометрических фигур. При этом допускается, что объем грунта ограничен плоскостями, отдельные неровности не влияют значительно на точность расчета.
В промышленном и гражданском строительстве приходится в основном рассчитывать объемы котлованов, траншей, выемок и насыпей при вертикальной планировке площадок. Объем котлована (рисунок 1, а) рассчитывают по формуле (1).
V = H / 6 [(2a + a1)b + (2a1 + a)b1], (1)
где Н - глубина котлована, м;
a, b - длины сторон котлована у основания, м;
а1, b1 - длины сторон котлована поверху (а1 = а + 2Нт; b1 = b + 2Нт), м;
т - коэффициент откоса.
Рисунок 1- Схемы определения объемов земляных работ
а, в - геометрические схемы определения объема соответственно котлована и траншеи; б- разрез котлована; г - план площадки с откосами (с линией нулевых работ и схематическим представлением геометрических фигур для определения объемов разрабатываемого грунта); С - сооружение; О - обратная засыпка.
Для определения объема обратной засыпки пазух котлована, когда объем его известен, нужно из объема котлована вычесть объем подземной части сооружения (рисунок 1, б).
Объем земляных работ вычисляют для каждого квадрата в отдельности и результаты подсчета записывают внутри его. После этого подсчитывают общий объем насыпей и сводят баланс земляных масс по всему планируемому участку. Картограмму составляют в следующем порядке:
1) выписывают на светокопию плана, ниже проектных отметок, черные отметки и составляют разности проектных и черных отметок для всех вершин квадратов сетки, определяя этим рабочие отметки: для насыпей со знаком плюс, а для выемок со знаком минус;
2) проводят линию нулевых работ через точки, для которых проектная и черная отметки совпадают. Если знаки рабочих отметок данного квадрата различны, то между ними определяют точку нулевых работ, через которую пройдет нулевая линия, и тогда квадрат разбивается на отдельные геометрические фигуры. Точки нулевых работ, расположенные на сторонах квадрата, определяют методом интерполяции между смежными рабочими отметками, имеющими разные знаки;
3) после проведения линии нулевых работ производят подсчет объемов земляных масс (насыпей и выемок) для каждого полного квадрата сетки или части его, составляемой двумя полными или неполными сторонами квадрата и проходящей через него линией нулевых работ.
Объем подсчитывают по общепринятым формулам.
3 Подготовительные процессы
К подготовительным работам (предшествующим земляным) относятся: освобождение территории строительства от пней, кустарников, деревьев, крупных камней, сносимых строений, а также вынос действующих коммуникаций с площадки строительства; геодезическая разбивка намечаемых сооружений, водоотвод и водопонижение. Состав подготовительных работ должен определяться ППР.
Для работ по очистке территории широко используют строительные машины и средства малой механизации; так, для корчевки пней и удаления кустарников применяют тракторы, бульдозеры (при диаметре пней до 40 см), корчевательные лебедки и машины (при диаметре пней более 40 см), а также корчеватели-собиратели, кусторезы и экскаваторы со специальным оборудованием. При большом объеме работ крупные деревья валят с помощью моторных либо электрических пил.
Для производства планировочных работ после очистки строительной территории при обычных связных грунтах применяют бульдозеры, скреперы, грейдеры и экскаваторы.
Плодородный слой почвы в основании всех насыпей и на площади, занимаемой различными выемками и карьерами, должен сниматься и укладываться в отвалы для использования его в последующем при восстановлении нарушенных и малопродуктивных сельскохозяйственных земель, а также при благоустройстве площадок.
Разработка плотных грунтов (например, сухая глина), а также грунтов щебенистых, мерзлых, скальных и др. требует предварительного рыхления.
Плотные грунты рыхлят с помощью экскаваторов и тракторов со специальным, оборудованием, тяжелых одностойковых рыхлителей на тракторах мощностью 29420—183875 Вт и более, дизель-молотов или буровых машин на тракторах мощностью 73550 Вт и выше, а также взрывным способом. После разрыхления грунт разрабатывают скреперами, бульдозерами или экскаваторами.
В зимних условиях производство земляных работ усложняется вследствие промерзания грунтов, которое сопровождается их затвердением в результате превращения воды, находящейся в порах грунта, в лед. Чем выше влажность грунта и чем мельче поры, тем сильнее он затвердевает при замерзании. С понижением температуры твердость мерзлых грунтов увеличивается. Для снижения трудоемкости разработки мерзлых грунтов их предохраняют от промерзания, рыхлят и оттаивают. Грунты можно предохранять от промерзания, устраивая водоотводы, пропахивая почву плугами в теплое время года на глубину до 35 см, с последующим рыхлением боронами на глубину 15—20 см. Воздух, находящийся в замкнутой среде грунта, не циркулирующий и не продуваемый, обладает малой теплопроводностью и является хорошим изолятором. Целесообразно покрывать грунт снегом слоем 1 —1,5 м, т. к. теплопроводность снега меньше, чем грунта, покрывать грунт на небольших участках можно торфом, опилками, шлаком, соломой, листвой и другими местными теплоизоляционными материалами. Толщина слоя их определяется расчетом. Например, для средней полосы СССР толщина опилок или торфа для утепления глинистых грунтов, подлежащих разработке в ноябре,— 15, декабре — 25, январе— 35, феврале — 40 и в марте — 45 см. Если не удается предохранить грунт от промерзания, его подготавливают к разработке в мерзлом состоянии рыхлением или оттаиванием.
Рыхление мерзлых грунтов взрывами. При больших объемах работ и промерзании грунта не менее 0,6 м его рыхлят взрыванием, если эти площади значительно удалены от жилых домов, промышленных зданий и инженерных сооружений. Этот способ является наиболее производительным, но и дорогостоящий: себестоимость разработки 1 м3 грунта составляет 0,51—.1,2 руб.
Раздробленный взрывом грунт необходимо сразу же удалить из забоя, не допуская его смерзания.
Величина глыб взорванного грунта не должна быть более 'вместимости ковша экскаватора.
Механическое рыхление мерзлых грунтов можно разделить на три основных вида: разрушение ударными нагрузками, статическое рыхление и резание грунтов.
При большой глубине промерзания грунта его предварительно рыхлят ударными приспособлениями, подвешенными к стреле на тракторе С-80 или С-100, при глубине промерзания до 0,6—0,7 м — клин-молотом массой 1—3 т, который вырабатывает за смену до 110 м3 грунта, при помощи дизель-молота и клина, устанавливаемых в качестве сменного оборудования на экскаваторах и тракторах.
Послойное рыхление мерзлых грунтов осуществляется с помощью навесных статических рыхлителей, смонтированных на тракторах ДЭТ-250 и Т-180.
Себестоимость разработки 1 м3 грунта этими рыхлителями составляет 0,12—0,3 руб, производительность — 50—80 м3 грунта в 1 ч, трудоемкость работ уменьшается в 3—4 раза.
Для резания мерзлого грунта применяют так называемые баровые машины, смонтированные на тракторах С-80, С-100 и Т-180, а также на базе траншейных экскаваторов ЭТН-171, ЭТУ-353, ЭТУ-354, ЭТН-124 и др. С помощью этих баровых машин мерзлый грунт разрезают на отдельные блоки либо в нем устраивают прорези, после чего грунт разрабатывают экскаватором. Себестоимость разработки баровыми машинами 1 м3 мерзлого грунта 0,25— 0,65 руб.
Мерзлые грунты рекомендуется рыхлить при глубине промерзания более 0,4 м. Разработка мерзлых грунтов экскаватором без предварительного рыхления допускается при толщине мерзлого слоя до 0,25 м, с ковшом вместимостью 1 м3 — до 0,4 м3.
При отрывке котлованов и траншей в зимних условиях необходимо предохранить их основания от промерзания путем недобора грунта или укрытия основания опилками, шлаком и др. изолирующими материалами. Основание зачищают перед устройством фундаментов, укладкой трубопроводов.
Способы оттаивания мерзлых грунтов. При невозможности применения взрывного или механического способа рыхления мерзлого грунта его оттаивают способами: огневым, электропрогревом, паровым или водяными иглами. Эти способы рекомендуются при небольших объемах работ, выполняемых в населенных местностях, при уровне грунтовых вод не менее 1 м ниже глубины промерзания.
Для оттаивания мерзлого грунта огневым способом применяют специальный агрегат, состоящий из коробов, уложенных на грунт и засыпанных шлаком или песком на 15—20 см. Агрегат работает на жидком топливе с паровым дутьем. Участок длиной 8 м, шириной 1 м оттаивает за 8 ч на 20—30 см. В конце смены агрегат убирают, а поверхность прогретого грунта засыпают опилками слоем 20—30 см и через 10—12 ч после этого грунт дополнительно. оттаивает до 1 м. Стоимость оттаивания на 1 м3 грунта составляет 0,3—0,4 руб., трудоемкость — 0,125 чел.-дня.
Для оттаивания грунтов паром или горячей водой применяют паровые или водяные циркуляционные иглы, устанавливаемые в скважины, пробуренные на глубину 0,7 толщины мерзлого грунта.
При оттаивании мерзлого грунта электропрогревом применяют электроды или электронглы. Электроды представляют собой куски водогазопроводных труб длиной 1,2—1,5 м, диаметром 12—16 мм, которые присоединяют к электрической сети. При горизонтальном расположении электродов их укладывают на поверхность мерзлого грунта с расстоянием между ними 0,4—0,8 м и засыпают слоем опилок толщиной 0,15—0,2 м. При вертикальном расположении электродов их забивают в грунт на глубину 0,2—0,25 м, а затем по мере оттаивания грунта электроды погружают глубже. Располагают их друг от друга на 0,4—0,8 м. Место электропрогрева грунта огораживают.
Оттаивание грунтов глубинными электродами. Глубинные электроды забивают в грунт в шахматном порядке через всю толщу мерзлого .слоя и далее в талый грунт на 0,15—0,2 м. В этом случае грунт оттаивает снизу вверх. Расстояние между электродами зависит от напряжения электрического тока: при напряжении 220 В расстояние 0,4—0,5 м, а при напряжении 380 В расстояние между электродами 0,7—0,8 м. Грунты разрабатывают через 24—48 ч после электропрогрева. Расход электроэнергии составляет 12—40 кВт-ч на 1 м3 грунта.
Для оттаивания мерзлого грунта электроиглами последние устанавливают в пробуренные в мерзлом грунте отверстия на расстоянии 0,5—1,3 м друг от друга; грунт оттаивает за 12—14 ч.
Водоотвод и водоотлив. Воды со строительной площадки отводят путем предварительного устройства временных водоперехватывающих и водоотводных канав, лотков и дренажей. Для защиты строительной площадки на время производства земляных работ от ливневых и талых вод устраивают с нагорной стороны выемок нагорные канавы, отвалы грунта или кавельеры для отвода в сторону ливневых и талых поверхностных вод.
При рытье котлованов и траншей в условиях грунтовых вод производят открытый водоотлив или искусственное водопонижение.
Открытый водоотлив состоит в непосредственном откачивании воды из котлована или траншеи при помощи насосов: поршневых, диафрагмовых, центробежных и специальных глубинных насосов; для этого в пониженной точке котлована (траншеи) устраивают колодец (приямок для воды), куда опускают приемный рукав насоса.
Грунтовые воды при разработке котлованов и траншей можно отводить через дренажи, которые устраивают открытыми или закрытыми. Открытые дренажи представляют собой канаву или лоток, дно которых должно быть ниже уровня водопонюкеиия, находиться в плотном, не пропускающем воду грунте и иметь уклон в пониженное место.
Закрытый дренаж устраивают в виде глубоких траншей, заложенных ниже промерзания грунта с заполнением дренирующими материалами: песок, галька, щебень. При большом притоке воды по дну траншеи укладывают бетонные или керамические трубы с отверстиями в стенках.
Искусственное водопонижение грунтовых вод осуществляется с помощью легких иглофильтровых установок, представляющих ряд фильтров из металлических труб, погруженных в грунт по периметру верхней бровки котлована и соединенных с водосборным коллектором, который в свою очередь присоединен к насосному агрегату. Грунтовая вода непрерывно откачивается через иглофильтры насосом и отводится за пределы строительной площадки в пониженные места.
4 Строительные машины для производства земляных работ
Для выполнения земляных работ в строительстве применяются следующие типы машин: землеройно-транспортные, экскаваторы, бурильные и вспомогательные.
Землеройно-транспортные машины применяют для послойного снятия грунта, транспортировки его и выгрузки в насыпь или отвал. К таким машинам относят бульдозеры и скреперы различных типов (см. табл.). Бульдозеры широко применяются в строительстве при снятии верхнего слоя грунта и планировке местности, рытье неглубоких котлованов, засыпке котлованов и траншей после укладки трубопроводов, возведении фундаментов, уборке строительного мусора и т. д. ,
Скреперы колесные прицепные к тракторам в основном применяют в гидротехническом строительстве при устройстве выемок, подсыпок, планировке местности, транспортировке фунта на расстояние до 200...400 м. Для больших выемок и дальних перемещений грунта используются самоходные автоскреперы.
Экскаваторы одноковшовые (рисунок 2) являются основными землеройными машинами, бывают на гусеничном и пневмоколесном ходу со сменным рабочим оборудованием — прямой или обратной лопатой, драглайном или грейфером.
Рисунок 2 – Гидравлический экскаватор
Экскаваторы с прямой лопатой применяют для разработки фунта с погрузкой на транспорт и реже для отсыпки грунта, при этом забой должен располагаться выше уровня стоянки экскаватора, а транспорт на одном или несколько выше уровне экскаватора.
Экскаватор с обратной лопатой применяют для разработки котлованов и траншей, при этом забой должен быть ниже уровня стоянки экскаватора, а транспорт на уровне стоянки.
Драглайн и грейфер как сменное оборудование могут использоваться на экскаваторах с прямой и обратной лопатой путем установки удлиненной стрелы и специальных ковшов. Экскаватор-драглайн применяют для разработок, требующих большого радиуса действия, глубоких выемок, с извлечением грунта из-под воды, при этом транспорт располагается на уровне стоянки.
На экскаватор-грейфер подвешивается специальный ковш, состоящий из двух или более челюстей, смыкающихся и размыкающихся с помощью системы тросов. Ковш в раскрытом состоянии опускается на грунт и врезается в него, посредством сжимания челюстей ковш наполняется и поднимается, экскаватор поворачивается для выгрузки, разгруженный ковш возвращается в начальное положение.
Экскаватор-грейфер применяют для разработки глубоких малого сечения котлованов, извлечения грунта из-под воды, погрузки и разгрузки песка, гравия, щебня.
Одноковшовые экскаваторы могут оснащаться дополнительным навесным оборудованием: захватом корчевателя для корчевки пней, трамбовкой, дизель-молотом для рыхления мерзлого грунта, клин-бабой, направляющими копра для забивки свай, стрелой с крюком для подъема грузов и др.
Роторные экскаваторы по сравнению с цепными многоковшовыми экскаваторами более долговечны и производительны.
Бурильные машины (рисунок 3) навесные на автомобили и тракторы применяют для копания ям под столбовые фундаменты, столбы линий связи, заборов и др.
Рисунок 3 – Буровая машина БТС-150
Катки (рисунок 4) для уплотнения грунта бывают гладкие, кулачковые, с падающими грузами, вибрационные, пневмоколесные и комбинированные. Уплотнение грунта повышает устойчивость земляных сооружений, уменьшает их осадку и увеличивает водонепроницаемость.
Рисунок 4 - Полуприцепные пневмокатки
1- тягачь, 2- балластные ящики, 3-рама, 4- колеса на пневмошинах, 5-тормозная система
При уплотнении грунта необходимо соблюдать следующие требования:
- уплотнение вести проходками вдоль оси насыпи, начиная от бровки по направлению к середине,
- край вальца катка должен быть не ближе 0,3 м от бровки во избежание обрушения откосов,
- каждый слой грунта должен уплотняться одинаковым количеством проходок,
- каждая проходка должна перекрывать след предыдущих на 10...15 см.
Заключение
Строительство любых зданий и сооружений вызывает необходимость переработки грунтов, включающей в свой состав их разработку, перемещение, укладку и уплотнение. Весь комплекс этих процессов называют земляными работами.
Удельный вес земляных работ в общем объеме строительно-монтажных работ очень велик и составляет около 15% по стоимости и до 20% по трудоемкости. На земляные работы приходится около 10% всех рабочих, занятых в строительстве.
Одним из важных резервов снижения объемов земляных работ, а следовательно, и стоимости строительства, использование которого полностью зависит от архитектора, является обеспечение привязки зданий и проектирование вертикальной планировки с учетом рельефа местности.
Снижение стоимости и трудоемкости земляных работ следует достигать, используя рациональные проектные решения, обеспечивающие максимальную сбалансированность необходимых выемок и насыпей при минимальных расстояниях перемещения грунта, комплексы машин, что сводит к минимуму объемы работ, выполняемых вручную.
В настоящее время земляные работы в основном выполняют механизированные комплексы, а ручная разработка грунта предусмотрена только в местах, недоступных для машин, так как производительность ручного труда в 20...30 раз ниже механизированного, что существенно влияет на общие затраты труда.
Промышленность выпускает различные высокопроизводительные землеройные, землеройно-транспортные, уплотняющие машины и механизмы.
Выбор комплекта машин и способа производства работ осуществляют на основании технико-экономического анализа различных вариантов.
Важными условиями дальнейшего совершенствования технологии земляных работ являются:
- рациональная организация производства земляных работ по времени года — сокращение объемов работ, выполняемых в зимнее время;
- повышение доли применения высокопроизводительных землеройных машин;
- создание и внедрение в производство комплектов машин для засыпки траншей и котлованов, уплотнения и разработки мерзлых грунтов.
Список используемой литературы
ЕНиР Сборник Е2. Земляные работы. Выпуск 1. Механизированные и ручные земляные работы (Докипедия: ЕНиР Сборник Е2. Земляные работы. Выпуск 1. Механизированные и ручные земляные работы)
СП 45.13330.2017 Земляные сооружения, основания и фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 3.02.01-87
Теличенко, В. И. Технология строительных процессов : учебник для строит. вузов / В. И. Теличенко, О. М. Терентьев, А. А. Лапидус.– М. : Высшая школа, 2005. –Ч.1. – 198 с.; Ч.2. – 393 с.
Технология строительных процессов : учебник / А. А. Афанасьев [и др.] ; под ред. Н. Н. Данилова и О. М. Терентьева. – 2-е изд., перераб. – М. : Высшая школа, 2000. – 464 с.
Волков, Д. П. Строительные машины и средства малой механизации : учебник для сред. проф. образования / Д. П. Волков, В. Я. Крикун. – М. : Академия, 2002. – 480 с.
Пермяков, В. Б. Комплексная механизация строительства : учебник для вузов / В. Б. Пермяков. – М. : Высшая школа, 2008. – 383 с.
Рейш, А. К. Машины для земляных работ : справ. пособие / А. К. Рейш, С. М. Борисов, Б. Ф. Бондаков. – М. : Стройиздат, 1981. – 352 с.