Лекция 5 тема: гидромеханизация земляных работ. Планировочные и укрепительные работы план леции:

5.1. Гидромеханизация земляных работ;

5.2. Планировочные работы;

5.3. Укрепление земляного полотна.

5.1. Гидромеханизация земляных работ

Гидромеханизация земляных работ, основана на свойстве потока воды, при большой скорости оказывать разрушающее воздействие на грунт силой удара, давлением и размывом и перемещать взвешенные в потоке частицы грунта к месту укладки. На эффективность гидромеханизации большое влияние оказывают физико-механические свойства грунтов. По трудности разработки этим способом грунты делят на 6-ть групп.

Технологический процесс гидромеханизации земляных работ и его особенности. В комплексно-механизированный процесс гидромеханизации входят:

1. Разработка грунта разрушением его, которое производится двумя принципиально разными способами: размывом и ударом компактной водяной струи истекающей из насадки специального аппарата гидромонитора, или всасыванием в грунтозаборное устройство всасывающей трубы землесоса при обеспечении высоких скоростей потока у входа в нее, обычно после предварительного разрыхления грунта.

2. Транспортирование грунта с водой (гидромасса или пульпа) по канавам, лоткам или трубам к зумпфу или к месту укладки.

Зумпфом называется искусственно сделанная яма (котлован), куда стекает пульпа после ее разработки в забое. По канавам и лоткам гидромасса транспортируется обычно на незначительные расстояния. Например, от забоя до зумпфа. Если речь идет о транспортировке на большие расстояния, то тогда пульпа перемещается по трубам (пульповодам) под давлением, создаваемым специальным насосом. Требуемый уклон канав ί=0,02…0,07. Предельная скорость транспортирования устанавливается из условия недопущения размыва стенок канав и составляет примерно от 0,25 м/с при перемещении мелкозернистых песках до 0,9 м/с для плотной глины. Если необходимы более высокие скорости, то переходят к транспортированию по лоткам. При транспортировке необходимо, чтобы не происходило заиливание пульповодов, поэтому скорость не должна быть меньше критической.

U_кр=6,5 К_кп^0,36 (Д_т∙q) ^0,5 /С_ф^0,25 ,

где К_кп - коэффициент консистенции пульпы;

Д_т - диаметр пульповода, м;

q=9,8 м/с²;

С_ф - удельное сопротивление грунта при перемещении, м;

U_кр колеблется от 1 м/с - при перемещении глинистых и илистых грунтов до 10 м/с - при перемещении крупной гальки.

3. Укладка грунта, т.е. отделение грунта от воды, распределение его по телу возводимого сооружения в соответствии с заданной конфигурацией и отвод воды за пределы этого сооружения. При укладке грунта сооружение разбивается на участки (карты намыва). Применительно к земляному полотну длина такой карты примерно 200…500 метров.

Во избежание растекания пульпы по контуру карты устраивается обвалование представляющее собой валики высотой 1…1,5м. Оно может быть внутренним и внешним. Внешнее срезается в процессе планировки. В тех случаях, когда это не противоречит условиям охраны окружающей среды, допускают свободное растекание пульпы. В этом случае получаются насыпи с пляжными откосами крутизной 1:50 или частично обжатыми откосами крутизной 1:20. При таком способе откосы не требуют дополнительного укрепления, т.к. являются достаточно устойчивыми к внешним воздействиям.

Рис. 5.1. Низко опорный способ намыва:

1 – обвалование; 2 – опора; 3 – пульпопроводы; 4 – водосбросный колодец; 5 – ярусы намыва; 6 – водосбросная труба; 7 – водоотводная канава; 8 – поток пульпы; 9 – отстойный прудок; 10 – кран-трубоукладчик; 11 – трубы; 12 – бульдозер (разрез А-А увеличен)

Рис. 5.2. Схемы водоснабжения с оборотом воды:

а – участок гидромониторных работ; б – участок землесосных работ; 1 – водоем – отстойник; 2 – насосная станция; 3 – водовод; 4 – забой; 5 – гидромонитор; 6 – канава; 7 – зумпф; 8 – забойная землесосная установка; 9 – пульпопровод; 10 – карта намыва; 11 – водосбросный колодец; 12 – отстойный прудок; 13 – поток пульпы; 14 – открытый выпуск; 15 – штольня; 16 – водовод для возврата воды; 17 – закрытый выпуск; 18 – подводный карьер; 19 – плавучий землесосный снаряд; 20 – плавучий пульпопровод

В транспортном строительстве гидромеханизацию принимают при сооружении земляного полотна, планировке площадок, разработке котлованов, при добыче песка и гравия, смыве оползневых масс, при вскрышных работах и т. д. При увеличении трудности разработки грунта эффективность гидромеханизации резко падает. Так, например, при увеличении в песчаных грунтах гравелистых частиц с 5 до 45 % снижает эффективность гидромеханизации в 2 раза. В полускальных грунтах она не применима. Большое значение на эффективность этого метода оказывает наличие в районе производства работ дешевых источников энергии, а также разветвленность гидрографической сети.

Землесосные снаряды (3С) эффективны при наличии больших сосредоточенных объемов земляных работ (например, намыв высоких насыпей на подходе к мосту). При линейно-рассредоточенных объемов работ наиболее эффективны гидромониторно-насосно-землесосные установки. Неоспоримы преимущества гидромеханизации по сравнению с сухоройными способами при сооружении земляного полотна на болотах. Сооружения, возводимые данным способом, отличаются высокой плотностью и не требуют дополнительного уплотнения.

При возведении насыпей могут использоваться пылеватые мелкозернистые грунты, т. к. части мелких фракций уходит вместе со сбрасываемой водой. К недостаткам следует отнести значительную продолжительность подготовительных работ.

Разработка грунта гидромониторами.

Рис. 5.3. Конструкция гидромонитора:

1 – фланец; 2 – нижнее колено; 3 – обойма с шариковым подшипником; 4 – верхнее колено; 5 – шаровой шарнир; 6 – конический ствол; 7 – водило, закрепленное в кронштейнах верхнего колена и ствола (ручное управление); 8 – сменная насадка; 9 – направляющие ребра; 10 – салазки.

При использовании гидромониторов применяют 2 способа разработки: "снизу вверх" - когда гидромонитор устанавливается у подошвы забоя и "сверху вниз" - когда гидромонитор устанавливается на верхней отметке забоя. Для разработки наиболее плотных грунтов используют встречный прямой забой, когда струя воды направляется перпендикулярно к груди забоя, эффект воздействия при этом максимальный. При разработке менее плотных грунтов используют «косой» забой. При этом струя воды направляется от краев забоя к его середине. Тем самым увеличивается площадь разработки, охватываемая с одной стоянки. Возможно применение комбинированного способа. При встречном забое производительность выше, чем при попутном, однако, существует два недостатка:

1-ый связан с необходимостью устранения недоборов грунта, которые оставляют для обеспечения стекания пульпы к зумпфу;

2-ой недостаток связан с тем, что периодически приходится разворачивать гидромонитор с целью подгонки пульпы к зумпфу струей воды.

При попутном забое лучшие условия труда рабочих. Потребные для разработки грунта напор и расход воды зависят от высоты забоя и вида грунта. Эти величины установлены и приводятся в ЕНиР сб.2 вып.2.

Рис. 5.4. Разработка грунта гидромонитором снизу вверх встречным (а) и “косым” (б) забоем:

1 – водовод; 2 – насадка гидромонитора; 3 – вруб; 4 – лежни; 5 – канава для отвода гидромассы; 6 – задвижка

Рис. 5.5. Разработка грунта гидромонитором с попутным забоем:

а – «сверху вниз»; б – «снизу вверх»; 1 – водовод; 2 – гидромонитор; 3 – струя; 4 – первоначальный забой; 5 – основной забой; 6 – канава; 7 – трехходовой кран; 8 – траншея для водовода

L - передвижки гидромонитора; Ι, ΙΙ - стоянки гидромонитора;

1, 2, 3 - последовательность разработки массива грунта.

Минимальное расстояние от насадки гидромонитора до подошвы забоя определяется по формуле

ℓ _min=α·h₃ ,

где α - коэффициент, зависящий от физико-механических свойств грунта;

Максимальное расстояние до подошвы забоя определяется по формуле

ℓ _max = к∙Н_oг,

где Н_oг – потребный напор у насадки гидромонитора;

Расход воды для одного гидромонитора или его водопроизводительность определяется в м³/с, по формуле

Q_г=U_o·S_oг ,

где U_o -скорость, с которой вырывается вода из насадки гидромонитора, м/с;

S_ог - площадь выходного отверстия насадки гидромонитора , м².

U_о= ,

где µ= 0,90÷0,93- коэффициент, зависящий от конусности насадки и ее шероховатости;

Н_ог - потребный напор у насадки гидромонитора.

Потребное количество гидромониторов для разработки какого-либо массива грунта, определяется по формуле

m=,

где V - объем разрабатываемого массива, м³;

(а+в) - объем воды, необходимый для разработки и транспортирования 1м³ грунта, м³;

Q_г - водопроизводительность гидромонитора, м³/ч;

К_в - коэффициент использования гидромонитора по времени;

Т - заданный срок производства работ, дн;

n - число часов работы гидромонитора в сутки.

Для выбора насоса, осуществляющего подачу воды от насосной станции, к гидромонитору, необходимо знать требуемый потребный напор Нn. Он равен

Н_n=Н_в+Н_вс+Н_г+Н_гм+Н_ог ,

где Н_в - потери напора на всасывании, м;

Н_вс- потери напора в водоводной сети, м

Н=∙ _,

где - гидравлический уклон или потеря напора на 1метр водовода;

- длина водовода;

Н_г - потребный напор на преодоление геодезической разности высот;

Н_гм - потери напора в гидромониторе

,

где К_г=82…100 - коэффициент, зависящий от типа гидромонитора и положения его ствола.

Разработка грунта землесосными снарядами.

Рис. 5.6. Cхема землесосного снаряда и папильонажного устройства:

1 – вал разрыхлителя; 2 – стрела подъема рамы разрыхлителя; 3 – напорный пульпопровод; 4 – папильонажная свая; 5 – плавучий пульпопровод; 6 – грунтовый насос; 7 – рама разрыхлителя; 8 – корпус земснаряда; 9 – понтон плавучего пульпопровода; 10 – электродвигатель грунтового насоса; 11 – всасывающий пульпопровод; 12 – фреза разрыхлителя; 13 – электродвигатель с редуктором вала разрыхлителя; 14 – сваеподъемная лебедка.

Разработка грунта земснарядами может производиться со дна водоема (закрытый способ) и с обводненной поверхности (открытый способ).

Если карьер или деловая выемка находятся на значительном расстоянии от водоема, то для ввода земснаряда в работу устраивают пионерную траншею или пионерный котлован.

Схемы намыва.

Рис. 5.7. Безэстакадно – торцовой способ намыва: 1 и 2 – первичное и текущее обвалование; 3 – положения намывного пульпопровода; 4 – водосбросный колодец; 5 – водосбросная траншея; 6 – кран-трубоукладчик; 7 – бульдозер

Рис. 5.8. Безэстакадно-встречно-торцовый способ намыва: 1 и 2 – первичное и текущее обвалование; 3 – положения намывного пульпопровода; 4 – кран-трубоукладчик; 5 – водосбросный колодец; 6 – прудок; 7 – бульдозер

При бесколодцевой схеме намыва укладка пульповода 2 осуществляется на основной площадке земляного полотна. Вдоль подошвы насыпи устраивается продольное обвалование на протяжении всего участка намыва (h≈2м). Участок намыва делится на карты длиной порядка 200 м. На границах карт устраивается поперечное обвалование высотой примерно 2 м. В поперечном и продольном обваловании укладываются трубы, которые нужны для стока осветленной воды из одной карты в другую и за пределы карты. После того, когда намываемый грунт достигает низа трубы, намыв прекращается, труба переставляется на новый уровень и работы продолжаются дальше.

Рис. 5.9. Бесколодцевый намыв с поперечным обвалованием: 1 – земляное полотно; 2 – пульповод; 3 – поперечное обвалование; 4 и 5 – трубы; 6 – водоотводный канава; 7 – насыпь

Рис. 5.10. Послойно-грунтоопорный способ намыва: 1 - насыпь; 2 - намывной пульпопровод; 2’ - участки наращивания пульпопровода; 3 - валы грунта.

Особенности производства гидромеханизированных земляных работ в зимнее время.

1. При температуре наружного воздуха ниже - 20°С (или равной), работы по намыву следует прекращать.

2. Напор воды, истекающей из насадки гидромонитора, должен быть увеличен на 20…30 %.

3. Дальность транспортирования пульпы ограничивается. Пульповод, при необходимости утепляется.

4. Работы необходимо вести на возможно меньшем фронте во избежание промерзания забоя.

5. При землесосной разработке вокруг земснаряда необходимо поддерживать незамерзающую полынью.