2.ЗЕМЛЯНЫЕ РАБОТЫ

2.1.Виды земляных сооружений

При строительстве зданий и сооружений выполняются различ­ ные виды земляных работ: планировка площадки, рыхление твер­ дых или мерзлых грунтов, заглубление фундаментов, обратная за­ сыпка, а также устройство земляных сооружений, которые подраз­ деляют на постоянные, временные и вспомогательные сооружения.

Постоянными называют земляные сооружения, которые после строительства эксплуатируются (каналы, дороги и т. п.).

Временные сооружения (котлованы под фундаменты, траншеи подтрубопроводы и т. д.) после производства работ ликвидируются.

Кюветы, водоотводные канавы и т. п. являются вспомогатель­ ными земляными сооружениями.

Временные выемки шириной до 3 м и длиной, значительно пре­ вышающей ширину, называются траншеями. Выемку, длина кото­ рой не превышает десятикратной ширины, называют котлованом . Котлованы и траншеи имеют дно и боковые стенки, или откосы. Временные выемки под транспортные магистрали, шахты, штольни и другие земляные сооружения, закрытые с поверхности, называ­ ются подземными выработками.

После устройства подземных сооружений и частей зданий грунт укладывают в пространство между боковой поверхностью со­ оружения и откосом котлована. Такую работу называют обратной засыпкой «пазух».

Земляные работы составляют до 20 % всей трудоемкости воз­ ведения здания, поэтому земляные работы всегда стремились меха­ низировать. В настоящее время до 97 % объема земляных работ в строительстве комплексно механизированы, однако при мелких рассредоточенных объемах работ, устройстве фундаментов в стес­ ненных условиях, зачистке дна и откосов котлованов, устройстве дренажных канав в гористой местности еще применяется ручной труд. Поэтому основная задача при выполнении земляных работ— полностью исключить ручной труд.

2.2. Осушение строительной площадки

Понижение уровня грунтовых вод или отвод поверхностных вод (верховодки) обычно осуществляют устройством водопонижеиия или водоотвода. Чаще для этого используют водоотводные ка­ навы или обваловывание с нагорной части площадки.

При значительном притоке грунтовых вод устраивают откры­ тые или закрытые дренажи. Открытые дренажи представляют со­ бой канавы, на дно которых укладываются слои фильтрующего ма­ териала: крупнозернистого песка, щебня или гравия. Закрытые дре­ нажи — это траншеи, разрабатываемые ниже уровня сезонного промерзания грунта и засыпаемые послойно фильтрующими мате­ риалами. По дну дренажа можно укладывать трубу с отверстиями в боковых стенках (перфорированную) для отвода воды.

Для защиты от притока воды могут использоваться ледяные стенки из замороженного грунта или противофилирационные эк­ раны.

Осушение выемки открытым водоотливом применяется при не­ большом притоке воды и заключается в том, что подошве выемки придается небольшой уклон к зумпфу, размер которого в плане 1 х 1 м. Воду из приямков откачивают насосами: поршневыми при небольшом притоке воды; центробежными для чистой воды; диафрагмовыми для загрязненной воды.

Откачанная из зумпф-колодца вода отводится по трубам или лоткам. При большом притоке воды стенки котлованов во избежа­ ние обрушения крепят.

2.3. Укрепление грунтов

Обычно при возведении земляных сооружений их боковые стенки устраивают таким образом, чтобы угол откоса был меньше угла естественного откоса. Однако очень часто, особенно в город­ ских условиях, из-за стесненности устроить откосы невозможно. Кроме того, при намокании даже правильно выполненных откосов верхняя часть выемки может обрушиться. Такие случаи происходят из-за того, что при намокании грунта угол его естественного откоса может резко измениться (например, у глины с 45° до 15°, у суглинка с 50° до 20° и т. д.). В таких условиях необходимо, наряду с ограни­

горизонтальных досок или щитов и распорок, прижимающих дос­ ки или щиты к стенкам траншеи.

Подкосное крепление (рис. 1, д) состоит из щитов или досок, прижатых к грунту стойками, раскрепленными подкосами и упо­ рами.

Наиболее эффективны инвентарные трубчатые распорные ра­ мы благодаря их малой массе, легкости монтажа и демонтажа. На необходимую ширину их устанавливают поворотом муфт с винто­ вой нарезкой.

При отрывке траншей деревянные или металлические крепле­ ния устанавливают экскаватором непосредственно при отрывке вы­ емки. Экскаватор устанавливает блоки и по мере углубления тран­ шеи придавливает ковшом их верхние торцы.

Способы закрепления грунтов

Для создания вокруг разрабатываемых выемок постоянных во­ донепроницаемых завес или для повышения несущей способности грунтовых оснований применяют следующие способы искусствен­ ного закрепления грунтов: цементацию и битумизацию; химиче­ ский, термический, электрический, электрохимический, механиче­ ский и др.

Цементация или битумизация заключается в инъецировании

вгрунт цементного раствора или разогретых битумов. Эти способы применяют для пористых грунтов с высоким коэффициентом фильтрации, а также трещиноватых скальных пород.

Химическим способом (силикатизацией) закрепляют песча­ ные и лессовые грунты, нагнетая в них химические растворы (один или два).

Двухрастворное закрепление заключается в последовательном нагнетании в грунт водных растворов сначала силиката натрия (ЫагЗЮз), а затем хлористого кальция (СаС12). Растворы вступают

вреакцию и образуют гель кремниевой кислоты л8Ю2тН 20 . Двух­ компонентные растворы рекомендуется применять в достаточно хорошо дренирующих грунтах с коэффициентом фильтрации более 2 м/сут. Прочность закрепленных таким способом грунтов состав­

ляет 1,5_3 МПа.

Однорастворное закрепление (смесь силиката натрия и отвердителя) применяют для слабодренирующих грунтов с коэффициен­

том фильтрации менее 0,3 м/сут. Прочность закрепленных грунтов достигает 0,3.. .0,6 МПа.

Термическое закрепление заключается в обжиге лессовых грунтов раскаленными газами с температурой 900-1000 °С, нагне­ таемыми через скважины в их поры. Газы подаются в толщу грунта вместе с воздухом через жаропрочные трубы в пробуренных сква­ жинах.

Электрическим способом закрепляют влажные глинистые грунты. Способ заключается в использовании эффекта электроосмо­ са, для чего через грунт пропускают постоянный электрический ток с напряженностью поля 0,5-1 В/см и плотностью 1-5 А/м2. При этом глина осушается, уплотняется и теряет способность к пучению.

Электрохимический способ отличается от предыдущего тем, что одновременно с электрическим током в грунт вводят через тру­ бу, являющуюся катодом, растворы химических добавок (хлори­ стый кальций, хлорное железо, силикат натрия и др.). Благодаря этому интенсивность процесса закрепления грунта возрастает.

Замораживание грунтов применяют в сильно водонасыщенных грунтах (плывунах) при разработке глубоких выемок. Для этого по периметру котлована погружают замораживающие колонки из труб, соединенных между собой трубопроводом, по которому нагнетают специальную жидкость— рассол (растворы солей с низкой темпера­ турой замерзания), охлажденный холодильной установкой до -20...-25 °С. Расстояние между колонками в среднем от 1,5.. .3 м.

Механический способ укрепления грунтов имеет следующие разновидности: устройство грунтовых подушек и грунтовых свай, вытрамбовывание котлованов и др.

Устройство грунтовых подушек заключается в замене слабого грунта основания другим, более прочным, для чего слабый грунт удаляют и отсыпают прочный грунт с послойным трамбованием.

При устройстве грунтовых свай в слабый грунт забивают сваю-лидер, после извлечения лидера в полученную скважину за­ сыпают грунт с послойным уплотнением.

Вытрамбовывание котлованов осуществляют с помощью тя­ желых трамбовок, подвешенных на стреле крана. Этот способ ме­ нее сложен, чем способ грунтовых подушек, поскольку не требует замены грунта основания.

Уплотнение котлованов значительных размеров может осуще­ ствляться гладкими или кулачковыми катками, трамбующими ма­ шинами, виброкатками и виброплитами.

2.4. Способы разработки грунта

Грунты можно разрабатывать механическим, гидромеханиче­ ским и взрывным способами.

М еханический является основным способом разработки и за­ ключается в отделении грунта от массива резанием с помощью зем­ леройных машин (экскаваторов) или землеройно-транспортных ма­ шин (бульдозеров, скреперов, грейдеров).

Основные процессы механической разработки грунта — рых­ ление, разработка, транспортирование, отсыпка, разравнивание, уп­ лотнение, планирование откосов и площадей.

Гидромеханический способ основан на размывании грунта водяной струей гидромонитора или всасывании разжиженного грунта земснарядом.

Взрывным способом в основном разрабатывают грунты, нахо­ дящиеся за городом. Для этого в земляном массиве бурят скважины, в которые закладываются взрывчатые вещества (ВВ).

2.5. М аш ины для земляных работ

Примерно 97 % всех работ при устройстве земляных сооруже­ ний комплексно механизированы, т. е. при выполнении процесса полностью исключается ручной труд. Грунт разрабатывается в карьере экскаватором с погрузкой в автосамосвалы, транспорти­ руется, разгружается после подъема кузова, разравнивается бульдо­ зерами и уплотняется катками.

В промышленном и гражданском строительстве наиболее рас­ пространены следующие машины для земляных работ:

•землеройные (экскаваторы), т. е. машины, которые только разрабатывают грунт;

•землеройно-транспортные (бульдозеры, скреперы, грейде­ ры), т. е. машины, которые разрабатывают и перемещают грунт;

•рыхлительные (бульдозеры-рыхлители, дизель-молоты);

•транспортирующие (автосамосвалы);

•грунтоуплотняющие (катки, вибрационные трамбующие плиты и др.);

•специальные машины (буровые установки, копры и т. д.).

Землеройные машины

Экскаваторы делятся на одноковшовые и экскаваторы непре­ рывного действия. Наибольший объем земляных работ в строитель­ стве (45%) выполняется одноковшовыми экскаваторам и на пневмоколесном ходу (вместимость стандартного ковша 0,15-0,65 м3) и на гусеничном ходу (вместимость стандартного ков­ ша 0,25-2,5 м3, реже до 4 м3). Кроме стандартных ковшей при разра­ ботке легких грунтов могут устанавливаться ковши повышенной вместимости.

Основным экскаваторным оборудованием является ковш в ви­ де обратной лопаты. К другим видам сменного оборудования отно­ сятся прямая лопата, грейфер, драглайн, планировочный и погру­ зочный ковши.

Экскаватор с обратнойлопатой (рис. 2, б) используют при раз­ работке грунтов, которые находятся ниже уровня стоянки экскавато­ ра, преимущественно при рытье небольших котлованов и траншей.

Экскаватор с прямой лопатой (рис. 2, а) используют для раз­ работки грунтов, расположенных выше уровня стоянки экскавато­ ра, преимущественно с погрузкой на транспорт.

Экскаватор-грейфер (рис. 2, в) применяют для рытья колодцев, узких глубоких котлованов, траншей и других сооружений, особенно в условиях разработки грунтов ниже уровня грунтовых вод.

Экскаватор-драглайн (рис. 2, г) применяют для разработки грунтов, расположенных ниже уровня стоянки экскаватора: для ры­ тья глубоких котлованов, широких траншей, возведения насыпей, разработки грунта из-под воды и т. п. Преимуществами драглайна являются большие радиусы действия (до 10 м) и глубина копания (до 12 м).

Рабочую зону экскаватора, включая место стоянки транспорт­ ных средств, называют забоем, перемещение экскаватора при разра­ ботке грунта— проходкой. Значение перемещения экскаватора при смене смежного места стоянки называется длиной передвижки.

Рис. 2. Схемы рабочих параметров одноковшового экскаватора с канатным и гидравлическим приводом и профили забоев: а — прямая лопата; б — обратная

лопата; в — грейфер; г — драглайн

Процесс выемки грунта осуществляется забоем. Забои бывают лобовыми (при применении обратной лопаты — торцевыми) и бо­ ковыми, проходки— продольными и поперечными. В зависимо­ сти от количества проходок по высоте выемки различают одно-, двух- и трехъярусную разработку грунта. Выемки, глубина кото­ рых превышает максимальную высоту забоя для данного типа экс­ каватора, разрабатывают в несколько ярусов.

У экскаваторов непрерывного действия все операции по раз­ работке грунта выполняются одновременно и непрерывно. По типу рабочего органа такие экскаваторы подразделяют на цепные много­ ковшовые и скребковые, роторные многоковшовые и бесковшовые. По характеру движения рабочего органа они делятся на экскавато­ ры продольного, поперечного и радиального копания. У первых на­ правление движения рабочего органа (ротора, ковшовой цепи) сов­

падает с направлением движения машины. У вторых оно перпенди­ кулярно направлению движения машины. У третьих рабочие органы поворачиваются относительно базы машины (роторные стреловые экскаваторы).

По типу ходового оборудования различают экскаваторы на гу­ сеничном, пневмоколесиом и рельсовом ходу.

Цепные экскаваторы продольного копания (непрерывного дей­ ствия) применяются для отрывки траншей под кабели, трубопрово­ ды и другие коммуникации с небольшим объемом работ в грунтах первой группы без каменных включений. После срезки ковшами грунт поднимается наверх, откуда скребками, шнеками и отваль­ ным устройством сдвигается в сторону от траншеи.

Роторные экскаваторы продольного копания имеют по сравне­ нию с цепными более высокую производительность, но и большую массу. Они используются при больших объемах земляных работ и разработкевыемок под крупные линейно-протяженные сооружения.

Плужные канавокопатели применяются для отрывки каналов полногопрофиля при создании оросительных и осушительных сетей.

Экскаваторы поперечного копания выпускаются с цепным ра­ бочим органом и применяются при добыче строительных материа­ лов (песка, глины), мелиоративных и других работах.

Роторные стреловые экскаваторы применяются в промыш­ ленном, транспортном и мелиоративном строительстве при разра­ ботке крупных котлованов, прокладке каналов, тоннелей, устройст­ ве дамб и плотин, разработке грунта в стесненных условиях. Они имеют небольшие размеры и обладают хорошей маневренностью. Грунт разрабатывается вращающимся ротором при одновременном повороте роторной стрелы в горизонтальной и вертикальной плос­ костях. Срезанный грунт с помощью ленточного транспортера пе­ регружается в транспортное средство и отвозится от места разра­ ботки.

Землеройно-транспортные машины

К основным землеройно-транспортным машинам относятся скреперы, бульдозеры, грейдеры, которые разрабатывают грунт, перемешают его, разгружают в насыпь и возвращаются в забой по­ рожняком.

Скреперы предназначены для послойного копания грунтов в материковом залегании, их транспортирования и отсыпки в зем­ ляные сооружения с планированием слоями равномерной толщины. Скреперы применяют для разработки талых грунтов I и П групп, в том числе грунтов с каменистыми включениями.

При работе на непереувлажненных суглинках, лессах, чернозе­ мах и почвах с примесями гравия и гальки скреперы загружаются с «шапкой» и разгружаются полностью. Эти же грунты, но высо­ хшие и отвердевшие, а также глины, солончаки и дресву необходи­ мо предварительно разрыхлить плугами или рыхлителями, чтобы обеспечить нормальную загрузку скреперов.

При сухих сыпучих песках скреперы загружаются на 60-70 % геометрической вместимости. На липких и переувлажненных грун­ тах работа скреперов малопроизводительна вследствие прилипания грунта к днищу и стенкам ковшей. На горизонтах ниже уровня грунтовых вод скреперы неработоспособны.

Применяют прицепные (с объемом ковша 3-10 м3), полуприцепные (4,5-5 м3) и самоходные (8-25 м3) скреперы. Прицепные и полуприцепные скреперы наиболее эффективны при транспорти­ ровке грунта на расстояние до 1000 м, а самоходные — на расстоя­ ние до 3000 м.

Рабочий цикл скрепера состоит из последовательно повторяю­ щихся операций: порожний ход, загрузка ковша, груженый ход и разгрузка (рис. 3).

Рис. 3. Последовательность технологических операций, выполняемых скрепером: а — загрузка ковша грунтом с толкачом; б — выгрузка грунта из ковша

Скрепер снимает ковшом стружку грунта толщиной 0,12-0,35 м.

Набор грунта производят при прямолинейном движении скре­ пера или движении под уклон. При разработке плотных грунтов для увеличения толщины стружки применяют тракгоры-толкачи, число

Рис. 4. Автогрейдер: 1— силовая установка; 2 — кабина; 3 — рама; 4 — гидросистема; 5 — тяговая рама; 6 — кирковщик; 7 — передний ведущий мост; 8 — отвал; 9 — поворотный круг; 10 — средний ведущий мост; 11 — подвеска мостов; 12 — задний ведущий мост

в грунтах с отметкой выше уровня грунтовых вод и неработоспо­ собны на заболоченных землях.

Эффективность работы грейдеров обеспечивается при рабочих ходах протяженностью более 0,5 км.

2.6.Разработка грунта в зимних условиях

Вусловиях современного круглогодичного строительства при­ мерно 20 % объема земляных работ производят в зимнее время.

Всвязи повышенной прочностью мерзлых грунтов зимой в не­ сколько раз увеличивается трудоемкость и стоимость их разработки.

Без предварительной подготовки может разрабатываться скре­ перами и бульдозерами грунт, промерзший на глубину до 0,1 м; экскаваторами-драглайнами — до 0,15 м; экскаваторами, оборудо­ ванными прямой лопатой, с ковшами вместимостью 0,5-0,65 м3 — до 0,25 м; экскаваторами с прямой лопатой, но более мощными — до 0,4 м.

Востальных случаях грунт до разработки должен быть предва­ рительно подготовлен одним из следующих способов: предохране­ нием от промерзания; оттаиванием; рыхлением.

Предохранение от промерзания заключается в предваритель­ ной обработке или утеплении грунта до замерзания теплоизоляци­

онными 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 нагрева­ теля.

Наиболее простым (но дорогостоящим) является огневой спо­ соб, при котором грунт оттаивает сверху вниз благодаря сжиганию твердого или жидкого топлива на поверхности замерзшего грунта под колпаком. Для оттаивания 1 м3 мерзлого грунта расходуется примерно 130 кг торфа, 50 кг угля, 0,15 м3 дров, 5 кг дизельного то­ плива.

Также по направлению сверху вниз грунт можно отогревать го­ ризонтальными электродами. Для создания токопроводящих усло­ вий поверхность грунта покрывают опилками, смоченными в соле­ вом 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 мо­ жет служить оттаивание паровыми иглами или электронагревателя­ ми. В первом случае пар, проходя между двумя трубами, отдает те­ пло грунту через наружную трубу; во втором случае внутри трубы располагают нагревательный элемент, который нагревает поверх­ ность трубы.

Рыхление грунта может осуществляться взрывным и механиче­ ским способами. Взрывание грунта производят только специально подготовленные рабочие-подрывники. Для этого в грунте пробури­ вают отверстия (шпуры) или нарезают щели, в которые закладыва­ ются заряды взрывчатого вещества.

Механическое рыхление может осуществляться статическим или динамическим воздействием. Пример статического воздей­ ствия — рыхление грунта булъдозерно-рыхлительными агрега­ тами.

док грунта. Принимая котлованы и траншеи, проверяют соответст­ вие проекту их размеров, отметок, качества грунта в основании, правильность устройства креплений. После освидетельствования выполненных работ разрешается устраивать фундаменты, уклады­ вать трубы и т. п.

Систематически должно проверяться выполнение разработан­ ныхмероприятий по охране природы: снятие и перемещение в отва­ лы плодородного слоя почвы для последующего использования; за­ щита буртов от эрозии, подтопления, загрязнения; выявление ар­ хеологических и палеонтологических находок и принятие мер по их сохранению; надежное хранение горюче-смазочных и других мате­ риалов, способных негативно воздействовать на природу.