2.5.3. Определение рабочей и профильной кубатуры по участкам работ

С помощью кривой объемов земляных работ земляное полотно может быть разбито на несколько участков, отличающихся по способу перемещения грунта: с продольной или поперечной возкой.

Участки с продольной возкой получают, отсекая на кривой сегменты равных объемов (см. рис. 2.2). При этом положение распределительных линий выбирают так, чтобы получить наименьший объем рабочей кубатуры, а также возможно меньшее среднее расстояние перемещения грунта.

Иногда роль распределительной линии выполняет нулевая линия кривой объемов. В других случаях ее удобнее провести по касательной к одной из вершин кривой. Возможны и другие варианты.

Проведя одну или несколько распределительных линий, в итоге разбивают земляное полотно на ряд участков (с продольной и поперечной схемой работ).

Если характер кривой позволяет рассмотреть несколько вариантов разбивки земляного полотна на массивы грунта, необходимо провести их сравнение и выбрать лучший из них. Экономическое обоснование и критерии сравнения вариантов распределения земляных масс подробно изложены в [1, 6, 10].

В курсовом проекте ограничиваются сравнением объемов рабочей кубатуры и соотношения длины участков с продольной и поперечной схемами земляных работ, а также коэффициентов распределения земляных масс, которые определяют по формуле

(2.23)

где V_пр – объем профильной кубатуры на участке, м³; V_р – то же рабочей кубатуры.

Рабочая кубатура и длина каждого из расчетных участков определяются путем замеров по чертежу. Профильная кубатура при известном объеме рабочей кубатуры на участке может быть подсчитана по формулам:

• для участков с продольным перемещением грунта

(2.24)

• для участков с поперечным перемещением грунта

– из резервов (карьеров) в насыпь (2.25)

– из выемок в кавальеры (отвалы) (2.26)

2.5.4. Определение средней дальности перемещения грунта

Среднее расстояние перемещения грунта на участках с продольной схемой работ определяется с помощью кривой распределения земляных масс. Для этого на сегментах равных объемов строят равновеликие им прямоугольники (см. рис. 2.2). Сторона такого прямоугольника, параллельная распределительной линии, представляет собой расстояние между центрами тяжести соответствующих земляных массивов. Это расстояние с учетом коэффициента развития землевозной дороги К_д, равного 1,15…1,2, является средней дальностью возки грунта на данном продольном участке l_в

(2.27)

где l_ср – расстояние между центрами тяжести массивов грунта, м, определяемое графически.

Аналогично находят расстояние между центрами тяжести массивов и когда участки равных объемов устанавливают с помощью распределительной линии второго порядка как на участке № 2 второго варианта (см. рис. 2.2), где l_ср = 1427 м.

На участках с поперечной схемой работ среднее расстояние перемещения грунта определяется с учетом поперечных размеров земляных сооружений (выемок и кавальеров, насыпей и резервов). Размещение и размеры кавальеров и резервов регламентируется указаниями [22] и [17]. Основные рекомендации по проектированию этих сооружений приведены также в учебнике [1].

В учебном проекте геометрические размеры кавальеров и резервов принимают по средней рабочей отметке соответственно выемки и насыпи, величину которой для участка длиной L и профильной кубатурой V_пр подсчитывают по формуле

(2.28)

где В – ширина выемки по низу, насыпи – по верху, м.

Если на поперечном участке используется бестранспортная схема работ, среднее расстояние перемещения грунта принимается равным расстоянию между осью выемки (насыпи) и осью кавальера (резерва). В случае применения транспортных схем необходимо учитывать размещение на участке въездов и съездов:

(2.29)

где l_ср – расстояние между осями сооружений, м; S_ср – среднее расстояние между въездами и съездами на участке, м.

Указания [8] рекомендуют назначать расстояния между въездами и съездами в зависимости от величины средней рабочей отметки на участке:

– средняя рабочая отметка, м 2 3 4 5 6;

– среднее расстояние между

въездами (съездами), м 65 80 95 110 130.

Проектирование кавальеров. Кавальер – вспомогательное земляное сооружение, служащее для размещения в нем излишнего грунта из выемки. Предпочтение следует отдавать двухсторонним кавальерам, обеспечивающим симметричную разработку выемки [1]. Кавальеры с низовой стороны отсыпаются с разрывами в пониженных местах, но не реже, чем через каждые 50 м. Ширина разрыва в нижней части должна быть не менее 1 м. Основные конструктивные параметры кавальера показаны на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Геометрические размеры кавальера

Поперечные размеры кавальера назначаются из условия, чтобы площадь его поперечного сечения F_к была равна площади сечения выемки F_в на соответствующем пикете с учетом разрыхления грунта при его разработке:

–

(2.30)

при одностороннем расположении кавальера F_к = F_в К_р;

– при двухстороннем расположении кавальеров F_к = 0,5 F_в К_р,

где К_р – коэффициент первоначального разрыхления грунта.

Площадь поперечного сечения выемки определяется по формуле

(2.31)

где B – ширина выемки по низу, м; H – рабочая отметка, м; m – показатель крутизны откоса выемки; F_сп – площадь поперечного сечения сливной призмы, м²; F_кюв – площадь поперечного сечения кювета, м².

Если на участке выемка разрабатывается в кавальер не на всю глубину, площадь поперечного сечения кавальера рассчитывается по формулам:

(2.32)

– при одностороннем расположении кавальера ;

– при двухстороннем расположении кавальеров ,

где V_пр – профильная кубатура, подлежащая перемещению в кавальеры, м³; К_р – коэффициент первоначального разрыхления грунта; l – длина участка, на котором проектируется кавальер, м.

После определения расчетной площади поперечного сечения кавальера назначают некоторую его высоту h_к и определяют ширину оснований a₁ и a₂:

; . (2.33)

В обычных условиях высоту кавальера принимают не более 3 м, а откосы – не круче 1:1,5. Ширина кавальера по верху должна допускать безопасное движение по нему машин (не менее 5 м).

Расстояние между осью выемки и осью кавальера составит

. (2.34)

На однопутных линиях при проектировании двухсторонних кавальеров необходимо предусматривать возможность последующего сооружения второго пути (расстояние между осями первого и второго путей равно 4,1 м). При проектировании кавальеров можно пользоваться номограммой (прил. 2). Расчеты удобно вести в табличной форме (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Проектирование кавальера

Наименование показателя	Единица измерения	Пикеты
		11	12	13	14
Рабочая отметка	м
Площадь поперечника	м2
Ширина кавальера по низу	м
Ширина кавальера по верху	м
Расстояние между осями выемки и кавальера	м

Проектирование резервов. Резервы – это вспомогательные сооружения, грунт из которых используется для отсыпки насыпей, в дальнейшем служат для отвода воды вдоль насыпи (рис. 2.4). В равнинной местности резервы могут устраиваться с обеих сторон земляного полотна, на косогорных участках круче 1:10 – с одной (нагорной) стороны. Предпочтительнее двухсторонние резервы, обеспечивающие симметричную отсыпку насыпи.

Для организации водоотвода дну резерва придаются уклоны: продольный 0,002…0,008; поперечный – не менее 0,02. Необходимо также обеспечить выход резерва в ближайший лог. Поэтому за исходную отметку принимается отметка дна лога, увеличенная на 0,5 м. От нее отсчитываются с учетом продольного уклона отметки дна резерва по всем пикетам. Затем определяются размеры поперечного сечения резерва.

Рис. 2.4. Геометрические размеры резервов

Размеры резерва должны обеспечить получение из него объема рабочей кубатуры (с учетом остаточного разрыхления грунта):

–

(2.35)

при одностороннем расположении резерва ;

– при двухстороннем расположении резервов ,

где F_р – площадь поперечного сечения резерва, м²; F_н – площадь поперечного сечения насыпи, м²; К₀ – коэффициент остаточного разрыхления грунта. Площадь поперечного сечения насыпи определяется из выражений:

(2.36)

– при высоте насыпи до 6 м;

– при 6 м < Н < 12 м.

Приняв некоторую расчетную глубину резерва h_o по установленному значению поперечного сечения, определяют остальные его размеры.

При закладке резервов шириной по дну до 10 м размеры поперечного сечения вычисляют по формулам:

; , (2.37)

h₁ = h₀ – 0,01 a₂; h₂ = h₀ + 0,01 a₂. (2.38)

При ширине резерва по дну более 10 м расчетные формулы имеют вид:

; , (2.39)

; , (2.40)

где a₁ – ширина резерва по верху, м; a₂ – то же по дну; h₁ – глубина резерва со стороны насыпи, м; h₂ – то же с полевой стороны; h₃ – то же по оси резерва; h_o – то же расчетная средняя глубина резерва.

Как и при проектировании кавальера все расчеты целесообразно выполнять в табличной форме. С целью экономии времени удобно пользоваться номограммой, приведенной в прил. 2.

Расстояние между осью резерва и осью насыпи l_ср определяется из выражения

, (2.41)

где d – ширина бермы, м; Н_ср – средняя рабочая отметка насыпи на участке проектирования резерва, м. При закладке резервов необходимо учитывать возможность последующего сооружения второго пути.

Пример распределения земляных масс. Рассмотрим пример распределения земляных масс по данным, приведенным на рис. 2.2.

Возможные варианты (I–III) выделения на кривой участков с продольной и поперечной возкой грунта показаны на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Варианты распределения земляных масс

Расчеты рабочей кубатуры и длины производственных участков выполнены графически (рис. 2.5). Профильная кубатура по участкам подсчитана по формулам (2.24)–(2.26).

Расчетные показатели вариантов распределения земляных масс приведены в табл. 2.4–2.6.

Сравнение вариантов распределения земляных масс по принятым критериям показано в табл. 2.7.

Таблица 2.4

Расчетные показатели I варианта распределения земляных масс

Номер участка	Длина участка, м		Кубатура, м3
	продольного	поперечного	рабочая	профильная
1	1073	–	34446	69588
2	–	66	8891	8083
3	524	–	12877	26014
4	790	–	23796	48073
5	–	547	17983	19981
Итого:	2387	613	97993	171739

Таблица 2.5

Расчетные показатели II варианта распределения земляных масс

Номер участка	Длина участка, м		Кубатура, м3
	продольного	поперечного	рабочая	профильная
1	1073	–	34446	69588
2	222	–	8891	17962
3	524	–	12877	26014
4	790	–	23796	48073
5	–	391	9092	10102
Итого:	2609	391	89102	171739

Таблица 2.6

Расчетные показатели III варианта распределения земляных масс

Номер участка	Длина участка, м		Кубатура, м3
	продольного	Поперечного	рабочая	Профильная
1	1073	–	34446	69588
2	–	282	21768	19798
3	500	–	12877	22059
4	428	–	10919	22059
5	–	717	30860	34289
Итого:	2001	999	110870	171739

Таблица 2.7

Сравнение вариантов распределения земляных масс

Показатель	Вариант
	I	II	III
Объем рабочей кубатуры, м3 Доля участков с продольной возкой, % Коэффициент использования рабочей кубатуры	97993 79,6 1,752	89102 87 1,93	110870 66,7 1,55

По результатам сравнения вариантов к дальнейшей разработке следует принять вариант II, имеющий лучшие показатели использования рабочей кубатуры.

Выбранный вариант распределения земляных масс требует дополнительного анализа, так как разделение выемок на частные объемы с помощью разделительных вертикальных плоскостей не всегда отвечает требованиям технологии работ.

В связи с этим при назначении границ производственных участков необходимо там, где это целесообразно, предусмотреть горизонтальное членение массивов: в кавальер переместить грунт из верхней зоны выемки, из резерва возводить нижнюю часть насыпи. Оставшиеся объемы грунта в соответствии со схемой распределения разрабатывать по продольной схеме. Следует также объединить в пределах одной выемки все участки с продольной возкой, полученные при распределении земляных масс. При этом на объединенном участке рабочая кубатура будет равна сумме всех частных объемов, а дальность возки грунта определится как средневзвешенная всех частных расстояний

, (2.42)

где V_i – объем i-го расчетного участка, м³; l_i – среднее расстояние транспортировки грунта на i-м участке, м.

Для принятого варианта (табл. 2.5) производится расчет средней дальности возки грунта.

На участках с продольной схемой работ величины l_ср находят графически (см. рис. 2.2). С учетом коэффициента развития землевозной дороги К_д = 1,15…1,2 получим на участке № 1 l_в = 6401,17 = 750 м; на участке № 2 l_в = 14271,2 = 1712 м; на участке № 3 l_в = 2731,17 = 320 м; на участке № 4 l_в = 4271,15 = 491 м.

Так как на участках № 2 и № 4 используется один источник получения грунта – выемка на ПК20+73 – ПК30, можно объединить их в один производственный участок с общим объемом рабочей кубатуры 8891 + + 23796 = 32687 м³. Средневзвешенную дальность возки грунта на объединенном участке найдем по формуле (2.42)

м.

Участок с поперечной схемой работ (№ 5) имеет длину 391 м, что позволяет разместить на нем кавальер (одно- или двухсторонний), однако в методических целях принимаем решение увеличить длину участка, чтобы в кавальер переместить верхние слои выемки. При этом объем грунта в кавальере в соответствии со схемой распределения земляных масс остается 9092 м³.

Длину кавальера назначают с учетом требований по предотвращению снежных заносов мелких выемок, т.е. в пределах от ПК21+50 до ПК29+50 длиной 800 м.

Таким образом, размеры кавальера на участке определяются при следующих исходных данных: объем профильной кубатуры 10120 м³, длина кавальера 800 м, грунт на участке – суглинок тяжелый, коэффициент первоначального разрыхления грунта К_р = 1,27; расположение кавальера – одностороннее (с нагорной стороны).

Решение. 1. По формуле (2.32) площадь поперечного сечения кавальера F_к = 1,2710102 / 800 = 16,04 м².

2. Назначив высоту кавальера 1,5 м, по формуле (2.33) найдем

a₁ = (16,04 – 1,51,5²) / 1,5 = 8,44 > 5 м;

a₂ = 8,44 + 21,51,5 = 12,94 м.

3. По формуле (2.28) найдем среднюю рабочую отметку выемки

Н_ср = 1 / 3 ( ) = 2,56 м.

4. При бестранспортной схеме работ средняя дальность перемещения грунта из выемки в кавальер составит

l_ср = 15,7 / 2 + 1,52,56 + 5 + 4,1 + 12,94 / 2 = 27 м.

5. При транспортной схеме работ дальность возки грунта составит: 27 + 73 = 100 м.

Окончательно принимается следующая структура производственных участков по возведению земляного полотна от ПК0 до ПК30 (табл. 2.8).

Таблица 2.8

Структура производственных участков по возведению земляного полотна

Номер участка	Границы участка	Схема работ	Кубатура, м3		Дальность возки, м
			рабочая	профильная
1 2 3 4	ПК0 – ПК10+73 ПК10+73 – ПК16+61 ПК16+61 – ПК30 ПК21+50 – ПК29+50	Из выемки в насыпь Из выемки в насыпь Из выемки в насыпь Из выемки в кавальер	34446 12877 32687 9092	69588 26014 66035 10102	750 320 820 27(100)