Тема занятия 4. Технология переработки грунта

ЛЕКЦИЯ 5. Виды земляных сооружений

Классифи­кация грунтов по трудности разработки.

Разбивка земляных сооружений на местно­сти.

Производство строительно-монтажных работ и в первую очередь, возведение подземной части зданий и сооружений, сопряжено с выполнением значительных объемов земляных работ. Земляные работы относят к наиболее тяжелым и трудоемким видам строительных работ, выполняемым в сложных условиях и в значительной степени зависящих от природно-климатических факторов. Поэтому одной из задач, стоящих пред проектировщиками, технологами, строителями является разработка и реализация методов и технологий, способствующих сокращению объемов земляных работ на строительной площадке.

Совокупность рабочих процессов, связанных с разработкой, перемещением, укладкой грунта и отделкой земляных сооружений называют земляными работами.

При производстве земляных работ следует предусматривать снятие и рациональное использование плодородного слоя. Мощность его определяется на основе оценки уровня плодородия с учетом данных многолетней урожайности сельскохозяйственных культур.

Целесообразность снятия плодородного слоя почвы должна быть установлена проектом в зависимости от уровня плодородия почвенного покрова.

Плодородный слой почвы, не использованный сразу в ходе работ, складывают в бурты. Поверхность бурта и его откосы засевают многолетними травами, если срок хранения плодородного слоя почвы превышает два года.

Технологические процессы, связанные с возведением подземной части зданий и сооружений, называют работами нулевого цикла. В состав нулевого цикла обычно входят технологические процессы переработка грунта, отрывка котлованов и траншей, устройство дренажей, усиление и подготовка оснований под здание, возведение фундаментов и стен, перекрытий, туннелей, выполнение обратной засыпки грунта в пазухи между фундаментами и откосами котлованов и др. Прокладка подземных коммуникаций: водопровода, канализации, теплосети, электроснабжения, телефонных линий, газопровода с устройством выпуском из изданий. Работы нулевого цикла считают завершенными после устройства подземной части здания со всеми коммуникациями и элементами подземных сооружений.

Земляные работы относят к наиболее тяжелым и трудоемким видам строительных работ. Их выполняют различными методами, выделяемыми в четыре группы: механический, гидравлический, взрывной и ручной.

Грунтами называют породы, залегающие в верхних слоях земной кары. Грунт состоит из трех основных фаз: твердой (минеральные частицы, образующие скелет), жидкой (вода, частично или полностью заполняющая поры грунта) и газообразный (воздух).

Грунты подразделяют на четыре группы: скальные, крупнообломочные, песчаные и глинистые.

Скальные – изверженные, метаморфические и осадочные породы с жестким связями между зернами, залегающие в виде сплошного или трещиноватого массива.

Крупнообломочные –нецементированные грунты, содержащие более 50% по массе обломков кристаллических или осадочных пород, с размером частиц более 2 мм.

Песчаные – сыпучие в сухом состоянии грунты, содержащие менее 50% по массе частиц крупные 2мм и не обладающие свойством пластичности, число пластичности

J p < 0.01

Глинистые – связанные грунты, для которых число пластичности Jp > 0.01

На производстве земляных работ большое влияние оказывают физико-механическое свойства грунтов: средняя плотность, влажность, сила внутреннего сцепления частиц, разрыхляемость.

Различают следующие виды грунтов.

Пески –сыпучая смесь зерен кварца и других минералов крупностью 0.25 …….2 мм, образовавшаяся в результате выветривания горных пород.

Супеси – пески с примесь. 5-10% глины.

Гравий – горные породы, состоящие из отдельных скатных зерен диаметром 2……40 мм, иногда с некоторой примесью глинистых частиц.

Глины – горные породы, состоящие из чрезвычайно мелких частиц (менее 0.005мм), с небольшой примесью мелких песчаных частиц.

Суглинки – пески, содержащие 10…….30 % глины. Суглинки делятся на легкие, средние и тяжелые.

Лессовидные грунты – содержат более 50% пылевидных частиц при незначительном содержании глинистых и известковых частиц. Лессовидные грунты при наличии воды размокают и теряют устойчивость.

Плывуны – песчано-глинистые грунты, сильно насыщенные водой.

Растительные грунты – различные почвы с примесью 1 …..20% перегноя.

Скальные грунты – состоят из твердых горных пород.

Виды земляных сооружений

Результатом разработки грунта является земляное сооружение, представляющее собой инженерное сооружение, устраиваемое из грунта в грунтовом массиве или возводимое на поверхности грунта. Земляные сооружения разделяют:

По отношению к поверхности грунта –выемки, насыпи, подземные выработки, обратные засыпки;

По сроку службы – постоянные и временные.

По функциональному назначению –котлованы, траншеи, ямы, скважины, отвалы, плотины, дамбы, дорожные полотна, туннели, планировочные площадки, выработки;

По геометрическим параметром и пространственной форме – глубокие, мелкие, протяженные, сосредоточенные, простые, сложные и т.д.

По назначению и длительности эксплуатации земляные сооружения могут быть постоянными и временными. Постоянные сооружения являются составными элементами строящихся объектов и предназначены для нормальной и длительной их эксплуатации. К ним относят плотины, дамбы, каналы, выемки и насыпи автомобильных и железных дорог.

Временные сооружения устраивают лишь на период строительства и предназначены для выполнения строительно-монтажных работ по возведению фундаментов подземных частей здания, технологического оборудования, прокладки инженерных коммуникаций и др. 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 разрабатывают, как правило, при возведения заглубленной части объемных сооружений, например, фундаментов, подвальных этажей.

Траншеи копают при прокладке линейно-протяжных коммуникаций, наружных сетей водоснабжений, канализации, газоснабжения, теплоснабжения.

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. Основными его характеристиками являются глубина (Н),ширина по дну (), и по верху (), заложения откосов (), основание откоса (), угол откоса ().

Глубина разработки определяется разницей отметок дневной поверхности выработки (бровки) и дна (основания откоса).

Ширина по дну выемки равняется ширине возводимого в выемке элемента сооружения (А) плюс величина зазоров (с), зависящая от характера обработки внешних поверхностей элемента. Например, при отрывке котлована трапецеидальной формы под фундамент сооружения, имеющий на внешних поверхностях оклеечную гидроизоляцию, величина уширения дна котлована (с) должна быть не менее 0.6 м. Тогда ширина выемки по дну, м, составит b = A+2*0.7.

В выемках прямоугольного профиля величина уширения, кроме того, зависит от глубины выемки и вида креплений стенок.

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

Основание откоса ограничивается линией пересечения плоскости откоса с дневной поверхностью грунта и дна.

Угол откоса () – острый угол между плоскостью откоса и горизонтальной плоскостью на уровне дна выработки.

Пространство между внешней поверхностью возведенного в выемке элемента сооружения и плоскостью откоса, засыпаемое грунтом, называется пазухой

Наклонные боковые поверхности выемок и насыпей называет откосами, а горизонтальные поверхности вокруг них – бермами. Остальные элементами земляных сооружений являются: дно выемки – нижняя горизонтальная земляная выемка; бровка- верхняя кромка откоса; подошва – нижняя кромка откоса; резервы – это выемки, из которых берут грунт для устройства насыпи; кавальера – это насыпи, образующиеся при отсыпке ненужного грунта. Места для отсыпки строительного и другого мусора называют свалками, а места, где осуществляют разработку песка, щебня и других строительных материалов – карьерами. Выемки, закрытые с поверхности земли и устраиваемые для прокладки транспортных и коммуникационных туннелей называют подземными выработками. Выемки имеют дно и наклонные откосы, после устройства подземных сооружений выполняется обратная засыпка пазух- заполнение грунтом, пространства между сооружением и откосами котлована.

Существенное влияние на технологию производства земляных работ оказывают физические свойства грунтов: плотность, пористость, угол естественного откоса, сцепление, влажность, разрыхляемость.

Плотность грунта – отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему. Она составляет для песчаных и глинистых грунтов 1.6-2.0 т/м3. для скальных -2.2-3.5 т/м3 .

Пористость характеризует структуру грунта. Чем меньше пористость тем более плотную структуру имеет грунт.

Угол естественного откоса – угол, при котором грунт находиться в состоянии предельного равновесия, определяет крутизну устойчивых откосов выемок и насыпей, зависит от угла внутреннего трения, сил сцепления и других физических свойств.

Сцепление зависит от сил связей между частицами грунта и определяется начальным сопротивлением грунта сдвигу. На сцепление влияют вид грунта и его состояния, при промерзании влажных и мокрых грунтов сила сцепления значительно возрастает.

Влажность характеризуется степенью насыщения грунта водой. Грунт считают сухим при влажности до 5% и мокрым при влажности более 30%.

Влажность оказывает влияние на физико-мехеническое характеристики грунта и особенно, когда изменяется фазовое состояние воды при отрицательных температурах. Естественная влажность грунта обычно составляет, %: песка – 7-10; супесей – 10-15; суглинков – 15-25; глин – 20-35.

Пластичность грунта выражается числом пластичности J которое представляет из себя разновидность влажностей в долях единицы, соответствующее двум состояниям грунта: на границе текучести и на границе раскатывания (пластичности). Число пластичности J с супесей изменяется от 1-7 суглинков 7-17, а у глин – более 17.

Разрыхляемость – это способность грунта увеличиваться в объеме при разработке вследствие потери связи между частицами. Увеличение объема грунта характеризуется коэффициентами первоначального разрыхления Кp и остаточного разрыхления Кpo

Коэффициент первоначального разрыхления Кp представляет собой отношение объема разрыхленного грунта к его объему в естественном состоянии и составляет: для песчаных грунтов 1.08 – 1.17; суглинистых – 1.14 -1.28; глинистых 1.24-1.3. Для полускальных и скальных грунтов коэффициент Кр зависит от среднего размера куска грунта dp и составляет обычно: при взрывании «на встряхивание» - 1.15-1.12 и при взрывании «на развал» - 1.3 -1.5.

Коэффициент разрыхления характеризуется следующим выражением:

Кр = Vразр / Vест

Коэффициент остаточного разрыхления Кро характеризует остаточное увеличение объема грунта (по сравнению с естественным состоянием) после его уплотнения под действием массы вышележащих слоев атмосферных осадков, движения транспорта или механического уплотнения. Коэффициент остаточного разрыхления обычно на 10-20% меньше величины Кр этих же грунтов.

Категория грунта	Коэффициент разрыхления грунта
	первоначальный	остаточный
1	2	3
I I (торф и растительный грунт) II III IV V-XI	8-17 20-30 14-28 24-30 26-32 30-50	1-2.5 3-4 1.5 -5 4.-7 6-9 10-30

В практике проектирования земляных работ используется такая характеристика, как трудность разработки. Она учитывает не только свойства грунтов, но и трудоемкость их разработки с использованием соответствующих машин и механизмов.

Порядок разделения грунтов на группы по трудности разработки приведен в сборнике ЕНиР на земляные работы. Так, например при разработке грунтов одноковшовыми экскаваторами и скреперами –две, бульдозерами и грейдерами – три. При производстве земляных работ вручную грунты по трудности их разработки разделены на семь групп. Во всех случаях меньший номер группы соответствует грунтам, трудность разработки которых наименьшая.

Определение объемов разрабатываемого грунта

Объемы земляных работ определяют при проектировании земляных сооружений, при составлении проектов организации строительства и проектов производства работ.

Сложные формы рельефа местности затрудняют точные подсчеты объемов земляных работ. Поэтому условно принимают, что поверхность грунта образована плоскостями. При этом пренебрегают отдельными неровностями, так как они не оказывают существенного влияния на определяемую величину объема. Это позволяет при подсчетах применять формулы элементарной геометрии. При сложной форме сооружения его расчленяют на ряд простых геометрических фигур и суммируют их объемы.

Для каждого вида земляных сооружений принимают соответствующие методы расчета объемов.

Грунты в зависимости от трудности с способа их разработки делятся на категории (таблица 1).

При разработке грунт разрыхляется и увеличивается в объеме. Объем насыпи будет больше объема выемки, из которой грунт взят. Грунт в насыпи под действием собственного веса или механического воздействия уплотняется постепенно, поэтому различны значения первоначального процента увеличения объема (разрыхления) и процента остаточного разрыхления после осадки грунта (таблица 2).

Категория грунтов	Виды грунтов	Плотность кг/м3	Способ разработки
1	2	3	4
I II III IV V….VII VIII ….XI	Песок, супесь, растительный грунт, торф Легкий суглинок, лесс, гравий, песок со щебнем, супесь со строймусором Жирная глина, тяжелый суглинок, гравий крупный, растительная земля с корнями, суглинок со щебнем или галькой Тяжелая глина, жирная глина со щебнем, сланцевая глина Плотный отвердевший лесс, дресва, меловые породы, сланцы, туф, известняк, и ракушечник Граниты, известняки, песчаники, базальты, диабазы, конгломерат с галькой	600-1600 1600-1900 1750-1900 1900-2000 1200-2800 2200-3000	Ручной(лапатой), машинами Ручной(лопаты, кирки), машинами Ручной(лопаты, кирки, ломы), машинами Ручной(лопаты, кирки, ломы, клинья и молоты), машинами Ручной (ломы и кирки, отбойные молотки), взрывным способом Взрывным способом