5.Виды земляных работ

По продолжительности использования земляные сооружения могут быть постоянными или временными. Постоянные сооружения являются составными элементами строящихся объектов и предназначаются для нормальной их эксплуатации. К числу таких сооружений относятся каналы, выемки и насыпи автомобильных и железных дорог, дамбы гидротехнических и регуляционных сооружений, скважины на воду и т. п.

Временные земляные сооружения устраиваются при возведении подземной или заглубленной части зданий, инженерных сетей, коммуникаций и т. д. После этого они частично или полностью ликвидируются. Выемки, у которых ширина соизмерима с длиной, но не меньше 1/10 длины, называются котлованами, при ширине менее 1/10 - траншеями.

Котлованы вырывают, как правило, при возведении заглубленной части объемных сооружений (фундаментов, подвальных этажей: технических помещений, предназначенных для размещения оборудования санитарно-технических и технологических систем).

Траншеи копают при прокладке линейно протяженных коммуникаций, наружных сетей водоснабжения, канализации, газоснабжения, отопления, электроснабжения и др.

Наиболее распространенные поперечные профили земляных сооружений представлены на рис. 1. При устройстве выемок на строительных площадках, не име­ющих ограничений по ширине, а также в целях обеспечения максимального уровня механизации земляных работ применяются земляные сооружения с трапецеидальным поперечным профилем (рис. 2). Основными его характеристиками являются глубина (h), ширина по дну (b) и поверху (В), заложение откосов (а), основание откоса, угол откоса.

Ширина по дну выемки равняется ширине возводимого в выемке элемента сооружения (А) плюс величина зазоров (с), зависящая от характера обработки внешних поверхностей элемента.

Ширина по верху выемки определяется как сумма ширины по дну ее (b) плюс значение двух заложений откосов (а). Под заложением откоса понимается величина проекции линии откоса на горизонталь, т. е. а =  hсtg а.

В практике проектирования земляных сооружений и в нормативной документации уклон боковых поверхностей часто выражается отношением глубины (h) к заложению откоса (а), называемым крутизной откоса (h/а). Величина, обратная крутизне откоса, носит название коэффициент откоса (m). Значение т обусловливается видом грунта, степенью его обводненности, продолжительностью использования выемки и ее глубиной. Чем монолитнее грунт и больше его обводненность, тем больше крутизна откоса выемки.

Устройство откосов с крутизной больше нормативной не обеспечивает их устойчивости в процессе функционирования, так как возможно обрушение грунта в объеме призмы (Я0). Излишнее уменьшение крутизны откосов связано с большими дополнительными объемами разработки грунта.

Машины для земляных работ

Машины для земляных работ в гражданском строительстве ис­пользуют при рыхлении плотных, скальных и мерзлых грунтов, пла­нировании строительных площадок, подготовке оснований под до­роги и проезды, разработке котлованов под фундаменты зданий и сооружений и т. п.

Машины осуществляют разработку грунтов тремя основными способами:

- механическим, при котором грунт отделяется от массива пассивными и приводными (активными) режущими органами — но­жами, зубьями, скребками, клиньями, резцами, фрезами и т. п.;

- гидромеханическим, при котором грунт разрушается в открытом забое направленной с помощью гидромонитора струей воды под давлением до 6 МПа или всасыванием предварительно разрушенного (гидромонитором или фрезой) грунта со дна реки или водоема грунтовым насосом-землесосом;

- взрывным, при котором разрушение грунта (породы) проис­ходит под давлением расширяющихся продуктов сгорания (газов), взрывчатых веществ.

В настоящее время около 95 % земляных работ в строительстве осуществляется механическим способом

Одноковшовые экскаваторы — универсальные землеройные машины, выполняющие рытье котлованов, траншей, каналов, а также устройство насыпей и других земляных сооружений. Экскаваторы оснащаются различным сменным оборудованием: прямой или обратной лопатой — для разработки грунта выше или ниже уровня стоянки экскаватора (рытье траншей и котлованов); драглайном — для разработки грунта ниже уровня стоянки экскаватора (рытье глубоких котлованов, широких траншей, возведения насыпей); грейфером — для рытья небольших, но сравнительно глубоких котлованов, а также для погрузочно-разгрузочных работ; телескопическим оборудованием — для планировочных работ (экскаваторы-планировщики).

            Одноковшовые экскаваторы бывают с механическим (канатным) и гидравлическим приводом. В настоящее время широко применяются гидравлические экскаваторы, которые по сравнению с канатными имеют значительные конструктивные и технологические преимущества: они более производительны (на 15... ...20 %), легче в управлении, эффективны при разработке плотных и полускальных грунтов, их конструкция позволяет оперативно заменять сменное оборудование и сменные рабочие органы. Кроме того, гидравлические экскаваторы обеспечивают с одной стоянки в большую рабочую зону экскаватора.

            Многоковшовые экскаваторы (цепные и роторные продольного копания) служат для разработки грунта ниже уровня стоянки, в основном при отрывке траншей (с вертикальными и наклонными стенками)под фундаменты, инженерные и трубопроводные сети.

            Бульдозеры используют для копания, перемещения и планировки грунта, а также его зачистки в котлованах, разработанных другими землеройными машинами.

            Бульдозер, оборудованный навесным статическим рыхлителем, служит для рыхления мерзлых и полускальных грунтов.

            Скреперы применяют для послойного копания, транспортирования и отсыпки слоями мягких и сыпучих грунтов.

            Грейдеры и автогрейдеры предназначены для планировочных и профилировочных работ с грунтом или материалами, используемыми для устройства дорожных оснований.

            Грейдеры-элеваторы применяются для послойного копания грунта и перемещения его в отвал или транспортные средства.

            Гидромониторные установки и земснаряды отделяют, транспортируют и укладывают грунт с помощью воды. Они служат для намыва площадок, плотин, насыпей, разработки котлованов, спрямления русел рек, углубления водоемов, добычи и сортировки песка, гравия и т. п. Для транспортирования грунта применяют трубопроводы.

            Грунтоуплотняющие машины и механизмы предназначены для послойного уплотнения различных по физико-механическим свойствам грунтов. Для этой цели применяют кулачковые катки, трамбовочные плиты, вибрационные установки, навесные гидротрамбовки, вибраторы и другие средства.

            Для транспортирования грунта используют самосвалы, автопоезда в составе автомобилей ЗИЛ, МАЗ, КраЗ .

Планировка площадок, устройство выемок и насыпей

            Вертикальная планировка - это изменение естественного рельефа земли путем срезки, подсыпки, смягчения уклонов и приспособления его для целей строительства. Вертикальная планировка участка подразумевает земляные работы: подсыпка, срез пластов земли, смягчение естественного рельефа земли. Вертикальная планировка территории выполняется для подготовки территории под всевозможные задачи, от ландшафтного благоустройства парковой зоны с сохранением растительного грунта до сооружения системы отвода ливневых вод и паводков от фундаментов зданий.

С помощью вертикальной планировки строительного участка можно решить задачу высотной организации рельефа будущего объекта, увязать отметки, расположенные на территории объекта с отметками, принадлежащими прилегающим улицам, проездам и т.д. Возведение насыпи из боковых резервов заключается в вырезании и перемещении грунта автогрейдером из резервов при продольных проходах машины. Резервы разрабатываются попеременно с обеих сторон насыпи, и грунт перемещается к ее оси. В этом случае грунт приходится перемещать как в самом резерве, так и на насыпи.

Насыпь возводят послойно, постепенно наращивая ее высоту. Если при этом не требуется уплотнения каждого слоя, а предусматриваются естественная осадка и уплотнение отсыпанного грунта, валики в насыпи укладывают вприжим. При капитальном покрытии грунт в насыпи укладывают с послойным уплотнением.

Нижний слой грунта можно укладывать двумя способами. В одном случае валики укладывают вразбежку с последующим разравниванием их отвалом, в результате получается насыпь высотой 20—30 см. Во втором случае валики укладывают наращиванием от края насыпи к оси. При этом первый валик перемещают к краю насыпи и частично разравнивают; второй валик перемещают через первый, третий — через первый и второй и т. д. с частичным разравниванием каждого валика.

После отсыпки и разравнивания слоя его уплотняют. Сооружение насыпи заканчивается отделкой откосов и планированием дна резервов.

Внутренние и внешние откосы резерва высотой до 1 м отделывают автогрейдерами с помощью откосника, установленного на отвале. Отделка откосов выполняется одним-двумя продольными проходами машины.

Одним из видов работ по устройству выемок при сооружении земляного полотна дороги является устройство кюветов.

Кюветы устраивают при сооружении дороги в выемках, на нулевых отметках и при небольших насыпях высотой до 0,5 м. Продольный уклон боковых кюветов обычно аналогичен уклону самой дороги, но не должен быть менее 0,5% и более 5%. Основная разработка кюветов выполняется отвалом автогрейдера, а зачистка откосов и выравнивание дна — откосником, закрепленным на отвале. Причем боковые кюветы глубиной до 0,5 м вырезают автогрейдерами легкого и среднего типов, а более глубокие — тяжелыми. При устройстве боковых кюветов отвал автогрейдера и сама машина принимают следующие рабочие положения.

При срезке внутреннего откоса кювета отвал устанавливают под углом захвата 35—40°.

Предохранение грунта от промерзания

Для уменьшения трудозатрат и стоимости земляных работ грунт, подлежащий разработке в зимних условиях необходимо либо предохранить от промерзания, либо превратить его в такое состояние (рыхлый или талый), при котором могли бы его разрабатывать землеройные машины. Используют следующие виды разработки грунтов:

1. Предохранение грунта от промерзания с последующей разработкой обычными методами

2. оттаивание грунта с разработкой его в талом состоянии

3. Разработка грунта в мерзлом состоянии с предварительным рыхлением

4. Непосредственная разработка мерзлого грунта Чтобы не повысить теплопроводность грунта, нельзя допускать заполнения его пор водой. Для этого разрыхленный грунт в осенний период времени защищают от увлажнения поверхностными водами, а в зимний период на площади заборонованного грунта устраивают снегозадержание с помощью щитов или производят искусственное увеличение толщины слоя снега до 1,5 м, перемещая его с соседних участков. Эффективным способом предохранения грунта от промерзания является также нанесение на его поверхность в осенний период сплошного слоя пористой полимерной пены толщиной 250...300 мм с помощью пеногенерирующей установки ПГК-2М. Грунт в основании траншеи предохраняют от промерзания с помощью деревянных щитов, уложенных сверху траншеи и засыпанных слоем снега 15... 100 см. Для защиты грунта от промерзания применяют химический способ, используя для этого иодобромистую воду, технический хлористый натрий или отходы химических предприятий, содержащие водорастворимые соли. Возможность применения этого способа должна быть проверена с учетом агрессивного воздействия отходов химических производств на подземные коммуникации зданий и сооружений.

Рыхление предохраняет грунт от промерзания в течение первой трети зимы, а снегозадержание или утепление — в течение первой и второй трети зимы. Поверхность грунта, подлежащего разработке зимой, осенью покрывают каким-либо теплоизоляционным материалом: опилками, шлаком, торфом, а также щитами с утеплителем (сотопласты и поропласты). Оттаивание происходит за счет теплового воздействия и характеризуется значительной трудоемкостью и энергетическими затратами. Применяется в редких случаях, когда другие методы недопустимы или неприемлемы - вблизи действующих коммуникаций и кабелей, в стес-ненных условиях, при аварийных и ремонтных работах.

Способы оттаивания классифицируются по направлению распространения теплоты в грунте и по применяемому теплоносителю (сжигание топлива, пар, горячая вода, электричество). По направлению оттаивания все способы делятся на три группы.

Оттаивание грунта сверху вниз. Теплота распространяется в вертикальном направлении от дневной поверхности вглубь грунта. Способ наиболее прост, практически не требует подготовительных работ, наиболее часто применим на практике, хотя с точки зрения экономно-го расхода энергии наиболее несовершенен, так как источник теплоты размещается в зоне холодного воздуха, поэтому неизбежны значительные потери энергии в окружающее пространство.

Оттаивание грунта снизу вверх. Теплота распространяется от нижней границы мерзлого грунта к дневной поверхности.. Потребная тепловая энергия может быть частично сэкономлена за счет оставления верхней корки грунта в промерзшем состоянии. Этот тонкий слой грунта в 10...15 см будет беспрепятственно разработан экскаватором, для этого вполне хватит мощности машины.

Радиальное оттаивание грунта занимает промежуточное положение между двумя предыдущими способами по расходу тепловой энергии. Теплота распространяется в грунте радиально от вертикально установленных прогревных элементов, но для того, чтобы их установить и подключить к работе требуются значительные подготовительные работы.

Оттаивание непосредственным сжиганием топлива. Если в зимнее время необходимо выкопать 1...2 ямы, самое простое решение - обойтись простым костром. Поддерживание костра в течение смены приведет к оттаиванию грунта под ним на 30...40 см. Применяют способ крайне редко, так как только незначительная часть тепловой энергия расходуется продуктивно.

Огневой способ применим для отрывки небольших траншей, используется звеньевая конструкция из ряда металлических коробов усеченного типа, из которых легко собирается галерея необходимой длины, в первом из них устраивают камеру сгорания твердого или жидкого топлива (костер из дров, жидкое и газообразное топливо с сжиганием через форсунку). Тепловая энергия перемещается к вытяжной трубе последнего короба, создающей необходимую тягу, благодаря которой горячие газы проходят вдоль всей галереи и грунт под коробами прогревается по всей длине. Сверху короба желательно утеплить, часто утеплителем используют талый грунт. После смены агрегат убирают, полосу оттаявшего грунта засыпают опилками, дальнейшее оттаивание продолжается за счет аккумулированного в грунте тепла.

Электропрогрев. Используют горизонтальные и вертикальные электроды в виде стержней или полосовой стали. Для первоначального движения электрического тока между стержнями необходимо создать токопроводятцую среду. Такой средой может быть талый грунт, если электроды забить в грунт до талого грунта, или на поверхности грунта, очищенного от снега, насыпать слои опилок толщиной 15...20 см, смоченных солевым растворе с концентрацией 0,2...0,5%. Вначале смоченные опилки являются токопроводящим элементом. Под воздействием теплоты в слое опилок верхний слои грунта нагревается, оттаивает и сам становится проводником тока от одного электрода к другому.

Размораживание токами высокой частоты

Метод основан на способности переменного электрического поля вызывать тепловой эффект в материале, находящемся в зоне его действия. В зависимости от свойств материала электромагнитные колебания могут проникать на большую или меньшую глубину и тепловой эффект проявляется или по всей массе материала, или в толщине его. Так как интенсивность такого нагрева в меньшей степени зависит от коэффициента теплопроводности, чем интенсивность конвективного нагрева, то таяние кристаллов льда в тканях не оказывает существенного влияния на скорость распространения тепла в толще размораживаемого продукта. Однако при высокочастотном нагреве с изменением фазового состояния воды в тканях меняются их электрические свойства, и для получения того же теплового эффекта необходимо изменять частоту переменного электромагнитного поля. В воде всегда имеются растворенные соли, и хотя их концентрация невелика, однако достаточна для прохождения тока.

Водоотлив и водопонижение. Схемы водопонижающих систем.

Открытый водоотлив применяют для откачки протекающей воды непосредственно из котлованов или траншей насосами. При открытом водоотливе грунтовые воды просачиваются через откосы и дно котлована и направляются по прорытым водосборным канавам или лоткам к специально устроенным в пониженной части котлована приямкам, называемым зумпфами, откуда вода выкачивается диа-фрагмовыми или центробежными насосами соответствующей производительности. Насосы подбирают в зависимости от дебита (притока) вод, а сам дебит рассчитывают по формулам установившегося движения грунтовых вод.

Водосборные канавы устраивают шириной по дну 0,3...0,6 м и глубиной 1...2 м с уклоном 0,01...0,02 м в сторону приямков. Сами приямки в устойчивых грунтах крепят в виде деревянного сруба без дна, а в оплывающих грунтах еще шпунтовой стенкой.

Водопонижение обеспечивает снижение уровня грунтовых вод (УГВ) ниже дна будущей выемки. Понижение уровня грунтовых вод состоит в откачке грунтовых вод глубинными насосами из шахтных колодцев (рис. 5.2) или буровых водопонижающих скважин, расположенных в непосредственной близости от будущего котлована или траншеи. При этом УГВ резко понижается, ранее насыщенный водой грунт и теперь обезвоженный, разрабатывается как грунт естественной влажности.

Иглофильтровый способ искусственного понижения УГВ основан на использовании иглофильтровых установок, состоящих из стальных труб с фильтрующим звеном в нижней части (иглофильтр), водосборного коллектора на поверхности земли и самовсасывающего вихревого насоса с электродвигателем. Стальные трубы погружают в обводненный грунт по периметру котлована или вдоль траншеи.

Иглофильтр состоит из двух частей: фильтрующего звена и надфильтровой трубы (диаметр иглофильтра 40...50 мм). Фильтрующее звено в свою очередь состоит из внутренней глухой и наружной перфорированной труб. Эта труба с наружной стороны обмотана проволокой, усилена фильтрационной и защитной сетками; снизу труба заканчивается фрезерным наконечником, внутри которого размещены шаровой и кольцевой клапаны.

Для опускания иглофильтра в рабочее положение при сложных грунтах применяют пробуривание скважин, в которые и опускаются иглофильтры (при глубинах до 6...9 м). В песках и супесчаных грунтах иглофильтры погружают гидравлическим способом (рис. 5.4, б), путем подмыва грунта под фрезерным наконечником водой с напором до 0,3 МПа. Вода поступает под давлением к низу наконечника, размывает окружающий грунт, в том числе и по периметру трубы. Под действием собственной массы иглофильтр погружается в грунт. После погружения иглофильтра на рабочую глубину полое пространство вокруг трубы частично заполняется просевшим грунтом, частично засыпается крупнозернистым песком или гравием.

Иглофильтры позволяют при одноярусном расположении понизить уровень грунтовых вод на 4...5 м, при двухъярусном - на 7...9 м. Иглофильтры располагают на расстоянии 0,5 м от бровки котлована или траншеи. Узкие траншеи глубиной до 4,5 м и шириной до 4 м осушают одним рядом иглофильтров, при большей ширине и глубине - двумя рядами. Вакуумный способ водопонижения основан на использовании эжекторньгх водопонизительньгх установок. Эти установки используют для понижения уровня грунтовых вод в мелкозернистых грунтах (мелкозернистые и пылеватые пески, супеси, илистые и лессовые грунты с коэффициентом фильтрации 0,02... 1 м/сут), в которых применять легкие иглофильтровые установки нецелесообразно. При работе вакуумных водопонизительных установок вакуум возникает в зоне эжекторного иглофильтра.

Эжекторная установка применима для понижения уровня грунтовых вод одним ярусом до глубины 15...20 м; Фильтровое звено эжектора решено по принципу легкого иглофильтра, а надфильтровое звено состоит из наружной и внутренних труб с эжекторной насадкой. Погружение в грунт колонки надфильтровых труб осуществляется, как и у иглофильтра, гидравлическим способом.

явление электроосмоса используют для расширения области применения иглофильтровых установок в грунтах с коэффициентом фильтрации менее 0,05 м/сут. В этом случае наряду с иглофильтрами в грунт на расстоянии 0,5... 1 м от иглофильтров со стороны котлована погружают стальные трубы или стержни на глубину, идентичную погружению иглофильтров. Иглофильтры подключают к отрицательному (катод), а трубы или стержни - к положительному полюсу источника постоянного тока (анод) (рис. 5.5, б).

Электроды размещают относительно друг друга в шахматном порядке. Шаг, или расстояние анодов и катодов в своем ряду принимают одинаковым в пределах 0,75...1,5 м. В качестве источника электропитания применяют сварочные аппараты или передвижные преобразователи электрического тока. Под действием силы электрического тока вода, содержащаяся в порах грунта, освобождается и перемещается по направлению к иглофильтрам. Благодаря электроосмосу коэффициент фильтрации грунта возрастает в 5...25 раз.

В сильно водонасыщенных грунтах (плывунах) при разработке глубоких выемок, подземных сооружений создаются противофилырационные завесы при помощи естественного или искусственного замораживания грунтов.

Естественное замораживание применяют в районах с низкими температурами. В летнее время выкапывают котлован до уровня фунтовых вод, а затем в период наступления морозов допускают промерзание грунта на откосах и дне выемки на глубину 20...30 см. После этого послойно (10... 15 см) снимают грунт, давая каждый раз промерзнуть грунту вглубь на 30 см. Таким образом, возникает льдогрунтовая оболочка, защищающая выемку от проникания в нее грунтовых вод.

Искусственное замораживание грунтов применяют при высоком уровне грунтовых вод (в сильно водонасыщенных грунтах и плывунах) при строительстве шахт, туннелей, при разработке котлованов (глубоких выемок) в песчаных, супесчаных и суглинистых грунтах. Цель замораживания - создание льдогрунтовой оболочки вокруг сооружения, под защитой которой будет осуществляться разработка выемки.

По периметру разрабатываемого котлована погружают замораживающие колонки из труб, соединенных между собой сетью из двух трубопроводов, которые подключены к холодильной камере. Замораживающая колонка (охлаждающая игла) состоит из двух труб - наружной с замкнутым и заостренным нижним концом и внутренней трубы диаметром порядка 35 мм, при этом внутренняя труба не замкнутая и она не доходит до низа наружной. К верху наружной трубы приварена крышка, через нее пропущена внутренняя труба, по которой подается замораживающий раствор, и сбоку в верхней части наружной трубы приварена отводящая труба, по которой уже использованный охлаждающий раствор подается снова в холодильную камеру; на этих отводящих трубах закреплены термометры для контроля за температурой рассола.

Для замораживания грунтов используют холодильную установку, подающую хлористый кальций или другой охлаждающий раствор - рассол (растворы солей с низкой температурой замерзания) в погруженные в грунт замораживающие колонки. 

Устройство тиксотропных противофильтрационных экранов толщиной 0,15...0,25 м производят с применением механизмов ударного, режущего, вибрационного и водовоздушного действия. В качестве машины ударного действия используют копровый агрегат, который вплотную друг к другу погружает в грунт несколько стальных шпунтин или пустотелых свай. Затем первый погруженный элемент извлекают гидравлическим трактором, а в образовавшуюся полость подают глиноцементный или глинистый раствор, обладающий тиксотропными свойствами. Тиксотропную суспензию приготовляют из бентонитовой глины, способной абсорбировать, т. е. поглощать воду в количестве, до 7 раз большем собственной массы, а после водонасыщения загустевать, приобретая гидрофобные (водоотталкивающие) свойства.

Вертикальный дренаж, устраиваемый при помощи дренирующих свай и дренирующих стен. Вначале производят бурение скважины диаметром около 90 см и глубиной до 6 м в обсадной трубе. В готовую скважину помещают арматурный каркас, внутри которого закреплена труба, в нижней части имеющая ряд отверстий для поступления в нее грунтовой воды. В полость между обсадной и внутренней дренажной трубами опускают бетонолитную трубу и далее ведут бетонирование сваи методом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ). В основание сваи подают фильтрбетон и одновременно начинают подъем обсадной трубы. Затем бетонируют сваю обычным бетоном.