Тема 6. Спорудження земляного полотна засобами гідромеханізації

6.1.Сфера застосування гідромеханізації і характеристика процесів.

6.2. Технологія гідронамивання.

6.3. Використання землесосних снарядів для спорудження ЗП.

6.1.Сфера застосування гідромеханізації і характеристика процесів

Гідромеханізація- безперервний технологічний комплекс механізованих процесів та технічних засобів земляних робіт, пов’язаних з розробкою ґрунту, його транспортуванням і укладанням у тіло споруд, у штабеля або відвал гідравлічними методами і забезпеченням високої продуктивності праці, зниження собівартості робіт.

У дорожньому будівництві гідромеханізація досить ефективна за великих і зосереджених об’ємів земляних робіт (більше 200 тис.м³) для намиву у штабелі ґрунту, який призначений для спорудження насипів, виконання крупних об’ємів зосереджених робіт, при намиві підходів до великих мостів, при спорудженні дамб і т.ін.

При розробці ґрунту засобами гідромеханізації утворюється гідросуміш або пульпа (механічна суміш ґрунту з водою), яка способом гідротранспортування переміщується до місця укладання.

Розрізняють три методи гідромеханізованих робіт: гідромоніторний, землесосний і комбінований.

Гідромоніторнийметод проведення робіт у надводному вибої має два технологічних варіанти:

• розробка ґрунту гідромоніторно-насосними установками з безнапірним (самопливом) гідротранспортування пульпи до місця укладання ґрунту (застосовують при наявності необхідних уклонів для створення потрібної швидкості руху пульпи);

• розробка ґрунту гідромоніторно-насосно-землесосними установками з примусовим (напірним) гідротранспортуванням пульпи до місця укладання ґрунту.

Землесоснийметод виконання робіт полягає у підводній розробці ґрунту і гідротранспортування пульпи плавучими землесосними снарядами до місця укладання ґрунту.

Комбінованийметод виконання робіт полягає в розробці і розпушенні ґрунту землерийними машинами і самопливом або при напірному гідротранспортуванні пульпи до місця укладання.

Характеристики пульпи. Основними характеристиками пульпи є її консистенція, концентрація і щільність.

Консистенціявизначається співвідношенням між вмістом ґрунту і води у пульпі.Об’ємна консистенціяК_об– це відношення об’єму ґрунту у щільному тілі V_г(умовний об’єм ґрунту без пор у щільному тілі) до об’єму води:

(6.1)

де:_в- щільність води;_г- щільність ґрунту;_п- щільність пульпи.

Масова консистенціяK_м- відношення маси ґрунту у сухому стані до маси води:

(6.2)

Концентраціяпульпи визначає співвідношення між ґрунтом і загальним об’ємом пульпи (ґрунт + вода) і виражається у масових (т/т) або об’ємних (м³/м³) відношеннях. За консистенції 1:10 об’ємна концентрація складає 1:11. Аналітично концентрація пульпи, %:

(6.3)

Об’ємна концентрація:

(6.4)

Щільністьпульпи_п- це відношення маси пульпи m_пдо її об’єму V_п. Вона змінюється у межах від 1,04 до 1,20 г/см³, що відповідає консистенції пульпи від 1:20 до 1:3.

Щільність пульпи (при прогнозуванні):

, (6.5)

де P – відношення маси ґрунту у пульпи до маси води у ній, %; q – питома витрата води, м³, на гідротранспортування 1 м³пульпи;_об– об’ємна щільність ґрунту у природному стані:_об=_п(1-п), де п - пористість ґрунту.

Найпридатнішими для гідромеханізованої розробки вважаються такі ґрунти: піщано-гравелисті з обмеженим вмістом валунів, піщані, супіщані, суглинисті у вигляді прошарків. Проте ефект гідророзробки ґрунту значною мірою залежить від його розмивності та здатності швидко віддавати воду після укладання. Таким вимогам найбільше відповідають незв’язні ґрунти – піски, особливо середні і крупні.

Основними особливостями будови намитих незв’язних ґрунтів є:

• певна текстура, яка характеризується нерівномірним, як правило, розподілом частинок за крупністю у вертикальній площині;

• виражене орієнтування окремих частинок у вертикальній і горизонтальній площинах;

• специфічний розподіл частинок ґрунту по крупності вздовж осі намитих відкладень.

Основними типами текстури намитих піщаних ґрунтів є мікрошарова, шарово-грядова і зім’ята.

Мікрошаровабудова є основним і найбільш розповсюдженим видом текстури намитих піщаних ґрунтів. Утворення шару різнорідного складу, який формується з частинок різної крупності, відбувається при неперервному русі і укладанні частинок усіх фракцій. Утворення шару дрібних частинок відбувається при періодичному розмазуванні скупчень мутності по поверхні намиваємого ґрунту.

Шарово-грядоватекстура виникає у тому випадку, коли рух і укладання частинок при намиві відбувається у грядовій формі.

Зім’ятатекстура утворюється в умовах антидюнного перевідкладання намитого ґрунту. Характерним для зім’ятої текстури є відсутність правильної шаруватості і наявність у намитому ґрунті великої кількості мікропустот.

Специфічне просторове орієнтування частинок ґрунту складається з двох ефектів:

• частинки намитого ґрунту укладені своєю поздовжньою віссю у площині нашарувань;

• частинки мають у горизонтальній площині виражене орієнтування і укладені своєю поздовжньою віссю під певними кутами до напряму руху потоку при намиві.

Наявність вираженого орієнтування частинок є важливим фактором, який у значній мірі визначає такі фізико-механічні властивості намитих ґрунтів, як їх щільність, опір зсуву і модуль деформації.

Специфічний розподіл частинок ґрунту за крупністю вздовж осі намиваємих споруд, називається фракціонуванням. Характерною властивістю руху частинок при намиванні є імпульсний, штовхоподібний характер їх переміщення, який обумовлюється впливом нерівномірних за своєю силою і змінних у часі турбулентних пульсацій потоку. Ця властивість і обумовлює фракціонування намитого ґрунту.

Текстура намитих ґрунтів справляє значний вплив на їх щільність. Найбільшу щільність, на підставі лабораторних і польових дослідів, мають ґрунти з мікрошаруватою текстурою, найменшу - намиті ґрунти зі зм’ятою текстурою.

Дослідження І.Я.Русінова показали, що текстура намитих ґрунтів суттєво впливає на їх опір деформуванню і характеристики опору зсуву.

Намиті піщані ґрунти з мікрошаруватою текстурою мають найбільші значення відносних модулів деформації, що пояснюється їх компактним укладанням, а також наявністю специфічних структурних в’язей між окремими піщаними частинками, які укладені на поверхнях розділу між шарами.

Розглядувані піщані ґрунти мають різний опір зсуву у площині нашарувань і у площині, яка перпендикулярна до нашарувань. При зсуві, який відбувається у площині нашарувань величина зсувного зусилля на 15-20% менше за опору зсуву у площині, яка перпендикулярна до нашарувань, що пояснюється наявністю площин розділу між шарами та специфікою просторового орієнтування частинок.

Режими намивних робіт, такі як інтенсивність намиву, консистенція пульпи і її питома витрата, суттєво впливають на якість ущільнення ґрунту при намиві.

Проведені дослідження показали, що щільність ґрунту, який намивається, знижується із збільшенням консистенції пульпи; збільшення питомої витрати також призводить до деякого зниження щільності ґрунту, який намивається.

Основний вплив на характер ущільнення справляє інтенсивність намиву. За малої інтенсивності намиву і тривалому гідродинамічному впливу потоку на шар, який знаходиться у зоні активного ущільнення, намиваємий ґрунт досягає високої щільності і не відбувається подальшого ущільнення у часі, за високої інтенсивності намиву - навпаки. Для створення високоякісних насипів, намив повинен вестись на режимах розподілу пульпи, яка відповідає малій локальний інтенсивності. Мала локальна інтенсивність намиву може відповідати загальній високій продуктивності за рахунок впровадження відповідних схем розподілу пульпи по площі намиву.

Дослідження П.Д.Лобасова довели, що щільні, важкі, напівтверді, важко розмокаючі глини корінних порід можна використовувати для спорудження намивних земляних споруд при використанні способу кускового намиву глин.

За цього способу щільні глини, які розробляються у кар’єрі, поступають у споруду у вигляді грудок і кусків різної величини.

Тіло споруди, яка намивається, утворюється з грудок щільної, важкорозмокаючої глини. Між крупними грудками лишаються проміжки, які заповнені більш дрібними і частково розмокшими грудками ґрунту. Весь об’єм грудок ґрунту насичений водою, яка заповнює вільні проміжки між щільними грудками і кусками глини. Глина поглинає воду, і на поверхні щільних грудок утворюються пом’якшені, набухші оболонки ґрунту. Основний об’єм ґрунту усередині грудок зберігає природну щільність.

При збільшенні висоти намивної споруди, нижні шари глини, зазнають зростаючого тиску вищерозташованих шарів ґрунту, і внаслідок деформації набухших оболонок міцні куски глини щільніше стикуються між собою, при цьому витісняється надлишкова вільна вода. Поступово намита з грудок товща глини ущільнюється настільки, що початкові пустоти між грудками повністю заповнюються перезволоженим пластичним ґрунтом. На цій стадії ущільнення більша частина ЗП складається з кусків щільної глини, які зберегли природну структуру і вологість, а менша частина - з невеликих гнізд розм’якшеної глини.

На протязі нетривалого часу здійснюється вирівнювання вологості у всьому об’ємі ґрунту, омонолічування грудок глини у щільний масив і подальше його самоущільнення під навантаженням. Омонолічувана глина має дещо більшу вологість і меншу, ніж у природних умовах, щільність, але зменшення опору зсуву і збільшення стискуваності не перевищує 10-15%. Вперше спосіб кускового намиву був застосований у 1951 р. при намиві дослідної дамби біля м. Витегра. Цей спосіб також застосовувався для улаштування під водою водонепроникних перемичок у основі гідротехнічної споруди біля м. Ленінграду.

6.2. Технологія гідронамивання

Загальний технологічний процес спорудження насипів складається з таких операцій:

• підготовчі роботи;

• обвалування карт і улаштування естакад;

• розробка ґрунту у вибої;

• транспортування пульпи;

• укладання ґрунту.

6.2.1.Підготовчі роботи.

До початку гідромеханізованих робіт необхідно виконати підготовчі роботи. До складу підготовчих робіт входить: розчищення ділянки від лісу, чагарнику, валунів, перенос будівель і споруд, зняття рослинного шару і т. ін.

Вимоги до підготовки основи насипів доріг визначається властивостями ґрунтів, їх несучою здатністю, ступенем зволоження поверхневими і ґрунтовими водами та висотою насипу у відповідності з БН 449-72.

Рослинний шар у основі ЗП знімають і укладають у тимчасовий відвал для наступного використання при рекультивації земель і укріпленні посівом трав укосів насипу.

Після розбивки ЗП і карт намиву встановлюють укісники і висотники, які визначають профіль намиву насипу.

Трасу пульпопроводу прокладають по можливо більш короткому шляху без зайвих поворотів у плані і різких переломів у профілі з врахуванням мінімального числа пересічень річок, ярів, боліт, доріг. Траса повинна бути достатньо зручною для завезення труб, їх монтажу з використанням машин та механізмів, а також для обслуговування пульпопроводу під час експлуатації. Ширина смуги тимчасового земляного відводу для будівництва пульпопроводу визначається проектом і складає для труб діаметром 420-720 мм не більше 33 м.

Монтаж магістральних пульпопроводів, як правило, ведуть поточно-секційним методом. Для зменшення об’єму зварювальних робіт на трасі, труби зварюють у секції довжиною 30-36 м на трубозварювальних майданчиках. Готові секції труб доставляють до місця монтажу, де їх зварюють, вкладаючи на підкладки.

6.2.2. Обвалування карт і улаштування естакад

Для утримання пульпи площу насипу огороджують валиками. Первинне обвалування влаштовують у вигляді замкнених по периметру карт намиву дамб трапецієподібного перерізу висотою 1,5-2 м, шириною по верху 1-2 м з місцевих, рідше – з привізних ґрунтів. Для невисоких насипів обвалування можна відразу виконувати на повну висоту. Первинне обвалування з піщаного і піщано-гравійного ґрунту влаштовують у проектному профілі насипу, а обвалування із зв’язних (глинистих) ґрунтів - за межами цього профілю з видаленням по закінченню робіт.

Інтенсивність намивання насипів повинна бути такою, щоб ґрунт у процесі намиву встигав віддавати воду. При намиванні насипів з дрібнозернистих та пилуватих пісків необхідно підготувати не менше двох суміжних карт, а краще трьох: на одній карті ґрунт просушується завдяки фільтрації води (№ 1), на наступній ведеться намивання (№ 2), на подальшій - підготовчі роботи (№ 3) (рис. 6.1).

Довжина карт намиву, м:

ℓ=Q_гр/(bh)(6.6)

де Q_гр- добова продуктивність намивання ґрунту, м³/добу; b - середня ширина карти намиву, м; h - інтенсивність намивання м/добу (табл.6.1).

Таблиця 6.1. Інтенсивність намивання, м/добу, споруд з піщаних ґрунтів

Основа споруди	Піски
	пилуваті і дрібні	середньої крупності	крупні	гравелисті
Водонепроникна	0,2-0,4	0,4-0,6	0,8-1,0	1,0-1,5
Водопроникна	0,4-0,6	0,6-0,8	1,0-1,5	1,5-2,0

Довжину карт намиву визначають в залежності від продуктивності гідромоніторної установки або земснаряду (табл.6.2).

Таблиця 6.2. Довжина карт намиву і кількість водоскидних колодязів

	Продуктивність по пульпі, м3/год
Показник	1000	1500	3000	4000	5000
Довжина карти, м	50-150	100-200	150-250	200-300	200-400
Кількість водоскидних колодязів	1-2	1-2	2-3	2-3	2-4
Відстань між колодязями не більше, м	75	75	75	100	100

Ширина карт намиву по основі визначається шириною насипу поверху і закладенням укосів в залежності від їх крутизни.

При спорудженні високих насипів шириною 6-15 м поверху застосовують робочий профіль з намиванням насипу меншої висоти і відповідно більшої ширини. Надлишки ґрунту на укосах після завершення намивання переміщують екскаватором або бульдозером догори у проектний профіль, формуючи “шапку” насипу.

Транспортування пульпи до місця укладання ґрунту у насип може здійснюватись естакадним і безестакадними способами. Найбільш економічним є безестакадний спосіб, коли пульпопровід укладають по земляним валикам, але інколи бувають випадки, коли використовують і естакадний спосіб.

За естакадним способом пульпопровід монтують на естакаді. Естакади можуть споруджуватись з деревини та інвентарних металевих. Якщо естакада споруджується з деревини (рис. 6.2), то вона потім замивається ґрунтом і при великій висоті насипу практично не демонтується. Це обумовлює надлишкові витрати деревини, що призводить до підвищення вартості гідромеханізованої розробки ґрунту. До магістрального пульпопроводу, який розташований на естакаді, приєднують патрубки з розвідними перфорованими трубами. Для регулювання подачі пульпи на карти намиву вздовж пульпопроводу улаштовується робочий настил. На ділянці насипу ґрунт намивають пошарово. На поздовжній осі карти, яка суміщається з естакадами, влаштовують дренажні (водоскидні) колодязі. Їх кількість залежить від інтенсивності притоку освітленої води та коефіцієнту фільтрації ґрунту (табл. 6.2). Знизу дренажного колодязя влаштовують трубу для видалення освітленої води у водоймище або відстійник повторного користування.

При використанні металевих інвентарних естакад їх обов’язково демонтують за допомогою екскаваторів, автомобільних кранів.

Умова осідання дрібних фракцій ґрунту на карті намиву:

(6.7)

де V_п– середня швидкість течії води у відстійнику, м/с; q_п– витрати води, яка виходить з відстійника, м³/с; F_п– площа перерізу відстійника, м²; W_макс– гідравлічна крупність найбільших за розміром частинок ґрунту, які осідають у відстійнику. Допустима швидкість потоку освітленої води з карт намиву складає 0,80-0,95 м/с.

6.2.3. Розробка ґрунту у вибої.

Розробка ґрунту гідромоніторами заснована на використанні компактного струменю води, яка витікає з насадка під тиском 15 ат. Під впливом ударної дії струменю води ґрунт втрачає свою стійкість, і перемішуючись з водою, перетворюється у пульпу. Розробку ґрунту гідромоніторами ведуть зустрічними, попутними або зустрічно-попутними (попутно-бічними) вибоями (рис. 6.3).

При розробці зустрічним вибоємнапрям потоку пульпи у вибої протилежний напряму струменю гідромонітора, який встановлено на нижній робочий площадці уступу. З одного положення гідромонітора розробляють вибій шириною до 40 м і глибиною 6-10 м.

При розробці попутним вибоємнапрям струменю гідромонітора, який встановлено на верхній площадці уступу, співпадає з напрямом потоку пульпи. Однак, при цьому знижується напір води біля гідромонітора, не використовується енергія руйнування уступу, збільшується недомив ґрунту у вибої, в зв’язку з чим цей спосіб застосовується рідко.

Попутно-зустрічна(абопопутно-бічна) розробка ефективна за піщаних і піщано-гравійних ґрунтів, коли розробку ведуть з флангів до середини вибою з підштовхуванням породи до зумпфу, що дозволяє зменшувати уклони, які необхідні для гідротранспортування пульпи і знижує об’єм недомиву.

Розробку зв’язних ґрунтів здійснюють за методом В.І.Карцева, для чого у глинистий ґрунт, який підлягає розмиву, нагнітають під тиском воду P₁=2-3 (МПа) по трубах діаметром до 20 мм. Свердловими для труб улаштовують на відстані (1/31/2) h від бровки виїмки і у ряду через 3-4 м одна від одної. Внаслідок надлишкового зволоження зв’язність між частинками ґрунту зменшується і верхня частина вибою обвалюється.

У вибої слід встановлювати не менше двох гідромоніторів (один з них резервний, який використовують під час переміщення працюючого гідромонітору).

Кількість робочих гідромоніторів

(6.8)

де Q_г– річний об’єм земляних робіт, м³; q_н– питома витрата води, м³, на розробку 1 м³ґрунту (табл. 6.3); t_p– календарна кількість робочих годин у рік; K_в– коефіцієнт використання гідромонітора у часі (0,70,95); Q_н– водопродуктивність гідромонітора, м³/год.

Таблиця 6.3. Питомі витрати води, м³ на розробку гідромонітором та гідротранспортування 1 м³ ґрунту за різної висоти вибою

Висота вибою, м	Групи ґрунтів за трудністю розробки
	I	II	III	IV	V	VI
3-5	5	6	7	9	12	14
5-15	4,5	5,4	6,3	8,1	10,8	12,6
> 15	3,5	4	5	7	9	10

Відстань від гідромонітора і іншого вибійного обладнання (бульдозери т.ін.) до вибою повинна складати не менше 0,8 висоти уступу. Для глинистих, щільних і лесовидних ґрунтів, які здатні до обвалення брилами, ця відстань повинна бути не менше 1,2 висоти уступу.

Мінімально допустиме наближення гідромонітора до вибою, м, з умови неприпустимості завалу гідромонітора ґрунтом, який обвалюється.

L_min=aH_у (6.9)

де a - параметр, який враховує характер обвалення ґрунту після його підрізання і дорівнює: для піску та супіску 0,40,8; для суглинку 0,80,9; для глини 0,91,1; для лесоподібного та зцементованого ґрунту 1,2; H_у- висота уступу ґрунту, м.

Максимальна відстань гідромонітора від вибою, з умови ефективності гідророзробки ґрунту, залежить від напору біля насадка гідромонітора.

Напір біля гідромонітора, МПа (для піщаних і суглинистих ґрунтів)	0,25	0,3	5	8	10	12
Відстань від вибою Lmaх, м	10	14	24	34	38	41

Для глинистих ґрунтів відстань L_maxнеобхідно зменшувати на 20-30 %.

Пересування гідромонітора при поступовій розробці вибою виконують через кожні (L_max-L_min) м на довжину, яка дорівнює кратній .довжині нарощуваних труб пульпопроводу.

Розробку уступу ведуть західками (поздовжніми, поперечними, радіальними), ширина яких залежить від властивостей ґрунтів, способу розробки і продуктивності установки. Ширина західки, м, для двох гідромоніторів.

в_з=а₁Н_н(6.10)

де а₁– параметр, який приймають для ґрунтів: піщаних – 1,11,3; супіщаних – 0,70,9; суглинистих – 0,50,8; глинистих – 0,30,5; Н_н– напір струменю при вильоті з насадка, м.

Ширина західки для двох гідромоніторів, як правило, складає 4060 м, для одного – 2030 м.

Насоси для гідромоніторних установок підбирають з урахуванням необхідної подачі, напору та потужності на валу насосу. Необхідний напір насосу:

H=H_в+H_г+h_н+h_в+H_л(6.11)

де H_в– геометрична висота всмоктування від осі насосу до найнижчого горизонту води у джерелі, м; H_г– геодезична висота нагнітання води, рахуючи від осі насосу, м;h_н,h_в– відповідно суми втрат напору у напірному і всмоктуючому трубопроводах, м; H_л– залишковий напір, який необхідний для технічних потреб у розмірі не менше 8-10 м.

Потужність насосної станції N, квт:

N=(6.12)

де Q – потрібна продуктивність гідромоніторів для розробки ґрунту, м³/год;– коефіцієнт корисної дії насосу (0,50,6).

Витрати енергії у квт-год на розробку 1 м³ґрунту з урахування гідротранспорту можуть приблизно визначеними за формулою Шкундіна:

W_потр=3(L+0,04H_г) (6.13)

де L - дальність транспортування пульпи, км; H_г- геометрична висота підйому ґрунту, м.

Для стікання пульпи підошва вибою повинна мати уклон 25-40‰ при розробці піску і 15-20‰ – супісків і суглинків.

6.2.4. Транспортування пульпи.

Гідротранспортер має ряд переваг – неперервність, велику продуктивність, низьку вартість. Пульпу до місця улаштування насипу транспортують самопливом по канавам, лоткам або жолобам або за допомогою ґрунтонасосу по напірному трубопроводу. Перший спосіб застосовують у тих випадках, коли земляна споруда, яка улаштовується, розташована нижче ділянки розмиву ґрунту, а другий - вище гідромоніторної установки або неможливо забезпечити необхідний уклон канавам, лоткам, жолобам.

Гідротранспорт пульпи самопливом можливий за певної швидкості пульпи, коли розріджений ґрунт знаходиться у зваженому або втягнутому стані. Швидкість руху пульпи залежить від крупності частинок ґрунту – чим вони крупніше, тим більша швидкість повинна бути. Однак, при значному збільшенні швидкості потоку зростають опори його руху, що обумовлює прискорення зносу лотків, жолобів або розмив ґрунтових канав. Якщо ж зменшити швидкість пульпи, то крупні частинки ґрунту почнуть осідати, що може призвести до замулювання лотків, канав та труб. З метою запобігання вказаних недоліків пульпа повинна мати критичну швидкість, тобто таку за якої частинки ґрунту не будуть осідати:

V_кр=(6.14)

де - коефіцієнт, який залежить від крупності частинок ґрунту і концентрації пульпи, і дорівнює 0,51,1; D - діаметр трубопроводу, м;₁,₂- відповідно щільність ґрунту і води, кг/м³.

Значення допустимих уклонів лотків і швидкостей течії пульпи наведені у табл. 6.4.

Таблиця 6.4.

Ґрунт	Допустимий уклон лотків, %	Допустима мінімальна швидкість, м/с
Глина, мул	1,0 - 1,5	0,08
Дрібний пісок	2,5 - 3,0	0,15
Середній	3,0 - 3,5	0,20
Крупний	3,0 - 5,0	0,22
Гравій діаметром 25-50 мм	4,0 - 7,0	1,00

Швидкість течії пульпи V, м/с, самопливом в залежності від уклону лотка I можна визначити за формулою Шезі:

V=C(6.15)

де R - гідравлічний радіус лотка, м; C - швидкісний множник, який для пульпи визначається за формулою:

(6.16)

де К_м- консистенція пульпи, %,- коефіцієнт шорсткості: для дерев’яних лотків 0,16, для земляних каналів - 0,13.

Розробку ґрунту за допомогою гідромоніторної установки з транспортуванням пульпи самопливом ведуть за такою схемою. Вода з ріки насосною станцією подається по водоводу до гідромонітора, який у вибої змиває ґрунт. По канаві пульпа поступає у пульпозбірник, звідки по лоткам транспортується на карту намиву. Для відведення освітленої води улаштовуються дренажні колодязі з донним водоскидом.

При розробці ґрунту гідромонітором з напірним гідротранспортом гідромонітор розмиває ґрунт у вибої, отримуючи воду по трубопроводу від насосної станції. Для скорочення кількості води насосна станція розташовується на карті намиву і подає до гідромонітора освітлену воду для повторного використання. При цьому утворюється замкнена або зворотна система водопостачання. По канаві пульпа поступає до зумпфу звідки за допомогою землесосної установки по напірному пульпопроводу транспортується на карту намиву. Враховуючи фільтрацію та випаровування води, необхідно робити поповнення води на карті намиву, з артезіанської свердловини по водоводу.

Відцентровий насос, який знаходиться у землесосній установці, дозволяє транспортувати пульпу по напірному трубопроводу на відстань до 1,5-2 км. Діаметр пульпопроводу визначають розрахунком в залежності від швидкості течії пульпи, крупності частинок ґрунту, консистенції пульпи і його практично приймають 250-600 мм. З метою запобіганню замуленню трубопроводу швидкість течії пульпи доводять до 2-4 м/с.

Для підвищення продуктивності напірного гідротранспорту підвищують концентрацію пульпи за допомогою спеціальних згущувачів, які відділяють воду від пульпи, що підвищує її питому вагу.

6.2.5. Укладання ґрунту в насип.

Технологія укладання ґрунту застосовується на тому, що при зменшенні швидкості течії спочатку осідають крупні частинки, а при подальшому зниженні швидкості починають осідати і більш дрібні.

Швидкість течії пульпи, м/с 1,2 0,62 0,1 0,035 0,002

Розміри часток, які осідають

у потоці, мм 1,0 0,5 0,1 0,05 0,01

Дуже дрібні пилуваті частинки не встигають відкластись у насип і виносяться водою, що покращує фізико-механічні властивості ґрунту, сприяє підвищенню стійкості полотна.

Основні способи намивання насипів автомобільних доріг, залізниць і інших споруд наведені у СНиП ІІІ-8-76 (додаток 1).

За безестакадногоспособу намивання здійснюється зосереджений випуск пульпи з розтрубних труб, які укладаються безпосередньо на намитий ґрунт краном-укладальником підвищеної прохідності без перерви процесу намивання, який ведуть шарами висотою 1-1,5 м і більше при нарощуванні труб і при укороченні трубопроводу - до 0,7-1,0 м. Цей спосіб застосовують при намиванні споруд з гравелистих, крупно- і середньозернистих, дрібних і рідше пилуватих пісків, які мають достатньо несучу здатність. Безестакадний спосіб є найбільш ефективний, так як забезпечує повну механізацію робіт і неперервність процесу намивання, збільшує коефіцієнт використання установок у часі, забезпечує тонкошаровий намив, не потребує витрат лісоматеріалів.

За безестакадно-тонкошаровогоспособу намивання ведуть шарами 0,15-0,6 м. Для нарощування намивного пульпопроводу з розтрубними з’єднаннями у процесі намивання застосовують кран-трубоукладальник з питомим тиском на ґрунт не більше 0,02-0,025 МПа.

За безестакадно-торцевогоспособу пульпопровід укладають на намитий ґрунт, намивання ведуть шарами висотою 1,5 м і більше до проектної відмітки споруди.

За безестакадно-зустрічно-торцевогоспособу намивання кожного наступного шару ведуть у напрямі, протилежному намиванню попереднього шару, за роботи одного з двох, позмінно працюючих водоскидних колодязів, що дозволяє розосередити скупчення дрібних фракцій ґрунту у водоскидних колодязях і значно полегшити виконання обвалування. Цей метод можна застосовувати за підвищених вимог до щільності і рівномірності розподілу ґрунту по фракціям, при намиванні лінійних споруд і штабелів з піску. Метод застосовують також при намиванні шарами до 1,5 м, яке виконується з обох кінців карти по напряму до одного колодязя усередині.

За безестакадно-поздовжньо-торцевого безколодязногоспособу зосереджений випуск пульпи здійснюється з торців труб, які укладені на проектній відмітці верху споруди, а освітлена вода скидається через тимчасові трубчасті водоскиди у дамбі первинного обвалування. Цей спосіб намивання забезпечує необмежене просування фронту намивання по довжині споруди без поділу його на карти намиву, що досягається спряженням первинного обвалування з гребенем споруди шляхом улаштування похилих дамб вторинного обвалування і поступовим переміщенням тимчасового трубчастого водоскиду по намитому тілу споруди. Спосіб отримав розвиток при намиванні насипів залізниць і автомобільних доріг у Західному Сибіру, де має широке застосування.

За пошарово-ґрунтоопорногоспособу зосереджений випуск пульпи здійснюється з торців труб, які укладаються на улаштовані бульдозерами земляні валики висотою до 1,5 м з намитого ґрунту, які замінюють дерев’яні опори. Цей спосіб застосовують з метою економії матеріалів, а також у випадках, коли не рекомендується лишати у тілі насипу стояки опор. Недоліком цього способу є необхідність додаткового переміщення ґрунту бульдозером для улаштування земляних валиків.

За низькоопорногоспособу зосереджений випуск пульпи здійснюється з торців труб, які укладені на опорах висотою до 1,5 м і шарами відповідно до 1,5 м. Область застосування цього простого і зручного способу практично не обмежена. Недоліком способу є значні витрати матеріалів, так як опори часто замиваються у тілі споруди, а інвентарні опори застосовуються не завжди.

За естакадногоспособу здійснюють розосереджений випуск пульпи з отворів у трубах, які укладаються на естакадах висотою від 2 до 6 м з подачею пульпи до основи обвалування за допомогою підвісних лотків; регулювання намивання по довжині карт здійснюють за допомогою спеціальних шиберних засувок. У транспортному будівництві цей спосіб намивання не застосовується.

За методом “набивки гребеню”верхня частина насипу “шапка” висотою 1,5-2 м утворюється намитим ґрунтом, що “набивається” за допомогою бульдозера у напрямі протилежному намиванню. Цей метод застосовують при намиванні вузькопрофільних насипів шириною по верху 6-10 м. Після набивки верхньої частини насипу нарощують 2-3 труби пульпопроводу, і намивання продовжується. При роботі за цих умов ходова частина бульдозерів швидко зношується.

У транспортному будівництві найбільш розповсюджені безестакадно-торцевий, безестакадно-зустрічно-торцевий і пошарово-ґрунтоопорний способи намивання.

За розташуванням пульпопроводу та формуванню поперечного профілю споруди розрізняють схеми з однобічним, двобічним і центральним намиванням.

При двобічному намиванні, як правило, широкопрофільних насипів пульпа подається з двох пульпопроводів, які розташовані паралельно по краям карти намиву.

При однобічному намиванніпульпа подається з одного пульпопроводу на краю карти намиву, вона утворює з одного боку пологий (вільний) укіс, з іншого – укіс з обтисненням. Однобічне намивання застосовують при намиванні насипів в умовах підтоплення у заплаві рік, дамб, гребель і т.ін.

У процесі фільтрації води частинки ґрунту щільно упаковуються і завдяки цьому формується стійка структура. Швидкість фільтрації залежить від висоти насипу, виду ґрунту, його щільності й температури. Осідання високих насипів з піщаних ґрунтів стабілізується досить швидко - протягом 4-5 тижнів. Насипу з піску добре ущільнюється і, як правило, не потребують додаткових заходів щодо ущільнення.

Осідання насипів із зв’язних ґрунтів стабілізується повільніше (5-10 тижнів) і їх потрібно додатково ущільнювати.

При намиванні висоту насипу збільшують на 1,5 % (на осідання) при використанні змішаних ґрунтів і на 0,75 % при використанні однорідних піщаних ґрунтів.

6.3. Використання землесосних снарядів для спорудження ЗП

Земснаряди у транспортному будівництві мають досить широке застосування в зв’язку з розробкою переважно руслових і заплавних притрасових обводнених родовищ будівельних ґрунтів, нерудних будівельних матеріалів.

В залежності від способу розробки родовища і його розташування відповідно водотоку застосовують на ступені схеми уведення земснарядів у вибій:

• безпосередньо з ріки, водоймища у руслове або заплавне родовище;

• по траншеї зовнішнього закладення, яка розробляється земснарядом або екскаватором у заплавне родовище;

• під час повені при затопленні кар’єрного поля;

• шлюзування земснаряда шляхом улаштування тимчасових перемичок на мілководних ріках.

При водозабезпеченні земснарядів у кар’єрі із зовнішнього водотоку площа живого перерізу траншеї повинна складати не менше 3,5 м²на 1 м³/с водопродуктивності земснаряда; уклони дна при довжині траншеї до 1 км – 0,005, за більшої довжини – 0,0050,01. При зворотному водопостачанні витрати води на підпитку складає 15-30 % водопродуктивності земснаряда в залежності від кліматичного району, властивостей ґрунтів і притоку ґрунтових вод.

Розробку ґрунту здійснюють у підводному вибої за допомогою спеціального ґрунтозабірного пристрою. Змішаний ґрунт з водою (пульпа) під впливом вакууму всмоктується у трубопровід і далі транспортується до місця укладання. Основні операції – розробку, гідротранспортування і намивання виконує одна машина земснаряд. За призначеннямземснаряди поділяються на чотири групи:будівельні,меліоративні,днозаглиблювальнітаспеціальні. Їх продуктивність може змінюватись від 150 м³/год (малої продуктивності) до 500 м³/год і вище (великої продуктивності).

Процес безперервної розробки ґрунту здійснюється шляхом узгодження поперечних і поступальних переміщень (папільонування) земснаряда за допомогою папільонажних пристроїв і пальового апарату, який забезпечує сталий контакт ґрунтозабійного пристрою з вибоєм. Застосовують дві основні системи робочих переміщень земснарядів у вибої: канатну та пальово-канатну.

Характер робочих переміщень (папільонування) земснаряда визначає спосіб розробки вибою. Найбільш розповсюджена канатна система робочих переміщень земснаряда – канатний папільонаж.

За цієї системи земснаряд переміщується і утримується у вибої за допомогою папільонажних лебідок (носових, кормових), стальні канати яких обладнані річними якорями або прикріплені до берегових анкерних пристроїв. При поступовій розробці вибою і просуванні земснаряду уперед здійснюють перекладання якорів плавучими кранами або улаштування берегових анкерів.

Канатну систему застосовують в основному при розробці незв’язних слабоущільнених ґрунтів (пісків, піщано-гравійних, мулів), виїмка ґрунтів з великих глибин, які виключають можливість застосування паль. Ця система відрізняється маневреністю і потребує високої кваліфікації машиністів земснарядів по узгодженому управлінню папільонажними лебідками та ґрунтозабірним пристроєм для забезпечення безперервної розробки, повноти виїмки ґрунту та високої продуктивності земснаряду. При розробці ґрунту на ріках ведуть земснарядом проти течії.

У окремих випадках можуть використовуватись і інші системи, такі як: траншейний спосіб, паралельний, багермейстерський і т.ін. Використання того чи іншого способу папільонування обґрунтовується певними технологічними особливостями проведення робіт.

Пальово-канатна системаробочих переміщень землеснаряду застосовується при розробці виїмок з щільних та зв’язних ґрунтів (глин, суглинків) за допомогою механічних розпушувачів.

Інтенсивність розробки ґрунтів залежить від їх фізико-механічних властивостей та характеру залягання у вибої.

Процес ґрунтозабору є визначним для забезпечення ефективної роботи земснаряда. За характером впливу на ґрунт і конструктивними ознаками ґрунтозабірні пристрої поділяють на дві основні групи: вільне (безпосереднє) всмоктування з ерозійним розмивом ґрунту струменями води, яка подається до всмоктуючого наконечника та всмоктування за допомогою різних розпушуючих пристроїв для інтенсифікації ґрунтозабору.

Вибір виду і конструкції ґрунтозабірного пристрою земснаряда залежить вид фізико-механічних властивостей ґрунту, інженерно-геологічних умов і характеру залягання.

Для підводної розробки незв’язних піщаних і піщано-гравійних ґрунтів з малим вмістом гравію, легких супісків за невеликих розмивних швидкостей застосовується ерозійна розробка ґрунту з вільним всмоктуваннямз найпростішим ґрунтозабірним пристроєм – всмоктуюча труба з наконечником.

Підводна розробка ґрунту із застосуванням гідравлічних розпушувачівзастосовується при слабоущільнених злежаних гравелистих пісках і піщано-гравійних ґрунтах при наявності прошарків суглинків і її ведуть вільним всмоктуванням за допомогою гідравлічних розпушувачів, які діють за принципом гідромонітора. Вони суміщені з всмоктуючим наконечником і здійснюють розробку ґрунту за схемою розмиву і обвалення.

Для інтенсифікації ґрунтозабору і збільшення глиби розробки до 25-30 м при розробці незв’язних ґрунтів з прошарками або глин застосовують гідравлічні ежекторні пристрої. Їх встановлюють на всмоктуючі трубі у вигляді насадок, що створює додатковий напір і збільшує розрідження на 3-6 м, і підвищує всмоктуючу здатність ґрунтового насосу і продуктивність земснаряду, виключає кавітацію і зрив вакууму.

Вібраційні розпушувачі– за типом джерела вібраційного впливу ґрунтозабірні пристрої підрозділяються на гідро- та електровібраційні – застосовуються при підводній розробці незцементованих і зцементованих піщано-гравійних та гравійно-галькових ґрунтів.

Для розробки зв’язних, щільнозлежаних і зцементованих піщано-гравелистих ґрунтів земснаряди оснащують механічними фрезерними розпушувачами. Найбільш розповсюджені і досить ефективними є обертаючі однофрезерні розпушувачі, які є простими у конструктивному і експлуатаційному відношенні.

Підводну розробку ґрунту земснарядами виконують в основному двома способами: пошаровим і “впідруб”. За способу “впідруб” розпушувач занурюють відразу на повну глибину, його переміщення машиніст земснаряду здійснює довільно, в залежності від досвіду і кваліфікації. Це знижує продуктивність земснаряда, призводить до завалювання фрези ґрунтом при обвалюванні вибою.

Розповсюджені способи водозабезпечення землеснарядів у кар’єрі: пряме (одноразове використання води), обернене (використання води з кругообігом) та використання ґрунтових вод.

Пряме водозабезпечення застосовують у великих водоймищах (ріка, озеро) з практично необмеженим дебітом і сталим горизонтом води; за обмеженого дебіту використовують додаткову подачу води з іншого джерела.

Витрати води, м³/год, за прямого водозабезпечення:

Q=Q_г·q+q_в(6.17)

де Q_г- продуктивність гідроустановок по ґрунту, м³/год; q - питома витрата води на розробку і транспортування 1 м³ґрунту (таблиця 6.3);q_в- сума витрат води (у середньому складає 5-10% від витрати води Q_г·q).

При прямому водозабезпеченні освітлена вода з карт намиву у повному об’ємі до скидання у ріку підлягає очищенню у системі відстійників у відповідності з вимогами санітарних норм.

За оберненого водозабезпечення освітлена вода повертається у кар’єр самопливом по траншеям. Для відкачування освітленої води, у разі необхідності, застосовують тільки ґрунтові насоси із-за наявності у ній твердих частинок ґрунту. Загальні втрати води у ґрунті насипу орієнтовно складають 15-30 % від потрібної кількості води для земснарядів.

Ґрунтові води фільтруються через укоси і дно кар’єра. Водопостачання земснарядів за рахунок ґрунтових вод з пониженням їх рівня слід передбачати у проекті з урахуванням впливу на оточуюче середовище.