Основные способы разработки грунта, машины и механизмы для земляных работ
05.09.2018
Разработка грунта осуществляется тремя основными способами: механическим, гидромеханическим и взрывным. Применяются также комбинированные способы: сочетание механического с гидромеханическим или взрывным. В стадии эксперимента и производственной проверки находятся физический и химический способы разработки грунта.
Рис. 4.7. Одноковшовый экскаватор с гидравлической системой управления, оборудованный обратной лопатой:
1 — поворотная платформа; 2— двигатель; 3— кабина; 4 —основная стрела; 8— гидроцилиндр управления рабочим органом экскаватора; 6 — рукоять; 7 — ковш; 8 — гусеничное ходовое устройство
Механический способ — это разработка грунта резанием, когда земляной массив разрушается послойно рабочим органом машины. Им производится не менее 80 % всего объема земляных работ. Грунты разрабатываются землеройными и землеройно-транспортными машинами.
К землеройным машинам относятся одноковшовые и многоковшовые экскаваторы, которые, разрабатывая грунт, перемещают его в отвал или разгружают в транспортные средства.
Одноковшовый экскаватор — это самоходная строительная машина цикличного действия, предназначенная для выполнения различных земляных и некоторых видов строительно-монтажных работ (рис. 4.7). Универсальность экскаватора обеспечивается сменным рабочим оборудованием.
В комплект сменного оборудования могут входить: прямая и обратная лопаты, драглайн, грейфер, планировщик, струг, корчеватель, засыпатель, трамбующая плита, подвесной шармолот, клин-молот и др. Кроме того, экскаватор может быть переоборудован в стреловой или башенно-стреловой кран для монтажных и погрузоч-
но-разгрузочных работ, а также в самоходный копер для свайных работ (рис. 4.8).
В строительстве используются экскаваторы параметрического ряда с вместимостью ковша 0,15—4 м3, имеющие унифицированные узлы и агрегаты. Это обеспечивает высокие экономические показатели н надежность в эксплуатации.
Наибольшее распространение в промышленном и гражданском строительстве получили экскаваторы с вместимостью ковша 0,25— 1,6 м5. Они могут иметь гусеничное, пневмоколесное и шагающее ходовое оборудование; дизельный, электрический и комбинированный привод; канатно-блочную или гидравлическую систему управления рабочим оборудованием. Рабочие параметры экскаваторов — глубина копания (резания), радиусы и высоты резания и выгрузки — зависят от главного параметра экскаватора (вместимостиковша), вида рабочего оборудования, схемы работы и др. Рабочими параметрами определяются формы и размеры выемки, разрабатываемой с одной стоянки машины.
Рис. 4.8. Сменное рабочее оборудование одноковшовых экскаваторов с канатноблочной системой:
в —прямая лопата; б — обратная лопата; в — драглайн; г — кран; д — грейфер; е — струг; ж — копер; з — башенный кран; и — боковой (косой) драглайн; к — рыхлитель грунта (дизель-молот с клином); л — планировщик откосов; м — корчеватель
Процесс работы экскаватора (цикл экскавации) включает следующие операции: разработку грунта ковшом в забое, подъем наполненного ковша и поворот на разгрузку, разгрузку ковша и возвращение его в забой.
Одноковшовые экскаваторы широко применяются для разработки постоянных выемок (полотно дорог, каналы), котлованов и траншей различного назначения, при планировочных и других работах.
Рис. 4.9. Схема работы многоковшовых экскаваторов:
а — экскаватор с ковшевой цепью; б — роторный экскаватор; в, г, д — профили траншей, разрабатываемых многоковшовыми экскаваторами; 1 — базовая машина; 2 — система управления положением рабочего органа; 3 — ковшовая цепь; 4 — ковшовый ротор; 5 — отвальный транспортер
Они могут разрабатывать грунты всех категорий, а с предварительным рыхлением — скальные и мерзлые.
Многоковшовый экскаватор - самоходная землеройная машина непрерывного действия (рис. 4.9). Посредством перемещающихся ковшей прикрепленных к цепи или колесу, грунт отделяется от массива и передается на устройство для выгрузки в отвал или транспортные средства. Одновременно с движением ковшей машина передвигается вдоль разрабатываемой выемки. В промышленном и гражданском строительстве применяются многоковшовые экскаваторы продольного копания (траншейные), по конструкции рабочего органа подразделяемые на цепные и роторные. Используются они в основном для разработки траншей при прокладке инженерных коммуникаций. Главный параметр многоковшовых экскаваторов — производительность, рабочие параметры — габариты разрабатываемых траншей. Многоковшовые экскаваторы могут разрабатывать легкие и средней плотности грунты, не имеющие твердых включений (камней, корней и др.).
Землеройно-транспортные машины послойно разрабатывают грунт, перемещают на значительные расстояния, отсыпают (укладывают) в насыпи или отвалы и при этом частично уплотняют его. К этой группе машин относятся бульдозеры, скреперы, грейдеры, грейдер-элеваторы.
Бульдозеры и скреперы применяются при планировке территории застройки и промышленных площадок, устройстве постоянных выемок и насыпей для дорог, трибун спортивных сооружений, искусственных водоемов, каналов и др. Они являются машинами цикличного действия. Цикл работы включает следующие операции: разработку, транспортирование и укладку грунта, которые совершаются при поступательном движении машины. Толщина слоя грунта, срезаемого при разработке или укладываемого при разгрузке, определяется положением ножа рабочего органа. При движении машины по ранее отсыпанным слоям грунт частично уплотняется.
Бульдозер — машина (трактор) с навесным рабочим оборудованием, состоящим из рамы с закрепленным на ней отвалом, имеющим нижнюю кромку в виде ножа (рис. 4.10). Управление отвалом заключается в подъеме, опускании или фиксировании его положения. Грунт разрабатывается при движении бульдозера, скапливается перед отвалом и перемещается к месту укладки, где разравнивается слоями. Расстояние перемещения грунта составляет до 100 м.
Кроме того, бульдозер может использоваться для разработки неглубоких котлованов, снятия растительного слоя, обратной засыпки пазух котлованов, траншей, очистки территории от снега, подготовительных и других работ.
Скрепер — пневмоколесная прицепная или самоходная машина с рабочим органом в виде ковша с ножом в нижней части и заслонкой (рис. 4.11). Системой управления ковш опускается для заглубления в грунт, заполненный ковш поднимается в транспортное положение, и машина перемещается к месту укладки, где ковш приводится в положение разгрузки и грунт отсыпается слоем необходимой толщины (рис. 4.12). В зависимости от типа машины вместимость ковша скрепера составляет от 2,5 до 40 м3.
Рис. 4.10. Бульдозер с гидравлической системой управления: а —схема бульдозера; 1 — рама; 2 — отвал; 3 — гидроцилиндр управления отвала; б —схема работы бульдозера с поворотным отвалом; 1 — установка отвала при разработке грунта: 2 — установка отвала при засыпке траншеи
Рис. 4.11. Самоходный полуприцепной скрепер:
1 - ведущие колеса тягача; 2- опорно-сцепное устройство; 3 — опорная рама скрепера; 4 — заслонка; 5 - ковш; 6 - гидроцилиндр управления заслонкой; 7 - ведомые колеса; 8 - нож
Рис. 4.12. Рабочий процесс скрепера:
а — операция разработки грунта; б — транспортировка грунта; в — выгрузка
Скреперами разрабатываются грунты средней плотности без крупных камней и остатков корней деревьев. Плотные грунты необходимо предварительно рыхлить. Рациональная дальность транспортирования грунта прицепными скреперами — до 800 м, самоходными — до 5 км.
Грейдер — это прицепная или самоходная машина, на раме которой расположен отвал с ножом. Отвал может быть установлен под различным углом в плане и в вертикальной плоскости в зависимости от условий работы. При движении машины вдоль выемки, срезаемой ножом, грунт перемещается по отвалу в сторону насыпи.
Грейдер-элеватор —машина, имеющая рабочий орган в виде дискового плуга. При движении машины диск разрабатывает грунт и перемещает его на поперечный транспортер для отсыпки в насыпь или транспортные средства. Грейдеры и грейдер-элеваторы используются в гидротехническом и дорожном строительстве, при возведении и профилировании полотна дорог, планировке откосов насыпей и выемок.
Гидромеханический способ разработки грунта заключается в разрушении земляного массива потоками воды, поступающей из гидромониторной установки при работе на суше или всасываемой земленосным снарядом при подводной разработке. Образующаяся смесь воды и грунта — пульпа — самотеком или напорным транспортом по трубопроводу направляется к месту укладки грунта в насыпь или отвал. Пульпа изливается в карты намыва, т. е. участки намыва, ограниченные земляными валками (обвалованием), где скорость потока резко уменьшается и влекомый водой грунт осаждается, образуя со временем плотную структуру. Осветленная вода сбрасывается через водоприемные колодцы за пределы зоны намыва.
Расход воды на 1 м3 разрабатываемого грунта (удельный расход) и напор, необходимые для размыва и гидротранспорта грунта, определяются в зависимости от вида грунта и схемы разработки.
При гидромеханизации земляных работ используются гидромониторные установки, землесосы (грунтонасосы), землесосные снаряды и др. (рис. 4.13).
Рис. 4.13. Гидромониторная установка: а — гидромонитор с гидравлическим приводом; б — размыв грунта встречным забоем; в — размыв грунта попутным забоем; 1 — пульт управления; 2 — шланги; 3 — гидроцилиндры управления; 4 — ствол; 5 — насадка
Гидромониторная установка включает насосную станцию с высоконапорными центробежными насосами, магистральные и подводящие водоводы, гидромониторы со сменными рабочими наконечниками-насадками. Вода с большим напором подается к гидромониторам, где формируется компактная, обладающая высокой кинети-
ческой энергией струя, под воздействием которой размывается грунт в забое. Образующаяся пульпа землесосом перекачивается в зону намыва. Землесос представляет собой центробежный насос, имеющий ряд конструктивных особенностей, позволяющих перекачивать жидкую массу с твердыми включениями в виде гравия и камней. Гидромониторные установки используются при вертикальной планировке площадок, разработке котлованов, траншей, карьеров и других выемок, расположенных на суше.
Землесосный снаряд — плавучая установка, оборудованная мощным землесосом, рабочим органом в виде всасывающей трубы с рыхлителем на нижнем конце и механизмами управления. Всасывающая труба подвешена на стреле и может изменять глубину погружения в зависимости от условий работы. Пульпа, образующаяся в результате всасывания грунта из подводного забоя, направляется к месту намыва по пульпопроводу, смонтированному в пределах водоема на понтонах. На берегу укладка пульпопроводов и намыв осуществляются так же, как и при гидромониторной разработке. Всасывание и напор в трубопроводах, необходимый для движения пульпы, обеспечиваются землесосом (рис. 4.14).
При гидромеханическом способе разработки грунта используют также бульдозеры и грейдеры для устройства обвалования карт намыва и самоходные стреловые краны для монтажа и демонтажа оборудования, водоводов и пульпопроводов. Наибольшая эффективность достигается, когда разрабатываемый земснарядами грунт используется для намыва площадок под застройку городских территорий, которые в естественном состоянии неудобны для строительства; поймы рек, овраги, низины, заполняемые паводками и т. д. Земленосные снаряды применяются при разработке котлованов больших объемов, углублении дна рек и водоемов, устройстве набережных, плотин, дамб, искусственных водоемов и др.
Достоинством гидромеханического способа является возможность полной механизации и автоматизации основных процессов размываемое сооружение работки, транспортирования и укладки грунта, высокий уровень производительности труда при сравнительно низкой себестоимости. Однако этот способ целесообразно применять при легкоразмывае-мых грунтах, обильных источниках водоснабжения и дешевой электроэнергии.
Рис. 4.14. Разработка грунта землесосным снарядом: а — схема землесосного снаряда; б — схема работы; 1 — грунтозаборное устройство; 2 — напорный пульпопровод; 3 — папильонажные сваи; 4 — плавучий пульпопровод; 5 — грунтовый насос; 6 — корпус; 7 — всасывающий трубопровод; 8 — береговой пульпопровод; 9 —
Взрывной способ разработки грунта заключается в разрушении земляного массива и перемещении разрушенной породы за счет энергии взрыва. Он применяется при устройстве котлованов, траншей, каналов, плотин, рыхлении скальных и мерзлых грунтов, уплотнении грунтов, устройстве набивных свай и др. При подготовке площадки для строительства или реконструкции объекта взрывной способ используется для разрушения зданий и сооружений или отдельных конструкций, намеченных к сносу, крупных камней, при корчевке пней и т. д.
Взрывом называется мгновенное разложение химических веществ с образованием большого количества тепла и газов. Из взрывчатых веществ (ВВ) в строительстве наибольшее распространение получили тротил, амониты, оксиликвиты, тол, динамит. В зависимости от
вида В В, величины заряда и его расположения действие взрыва проявляется в уплотнении грунта вокруг заряда (камуфлет), дроблении (рыхлении) породы и выбросе грунта с образованием воронки (горна) трапецеидальной формы (рис. 4.15). Величина заряда В В определяется расчетом.
Для взрыва ВВ применяют следующие средства взрывания: огнепроводный и детонирующие шнуры, капсюли-детонаторы и др. В зависимости от используемых средств различают огневой, электрический и способ взрывания с помощью детонации. Выбор способа определяется количеством одновременно взрываемых зарядов, их величиной и принятым методом взрывных работ. В зависимости от цели взрыва применяются методы накладных зарядов, располагаемых на поверхности взрываемого объекта, или внутренних (глубинных) зарядов, которые могут быть размещены в шпурах, скважинах, рукавах и камерах и др. Шпуры и скважины разрабатывают, используя буровое оборудование (см. гл. 5), а рукава и минные камеры — способами подземных выработок.
Рис 4.15. Характер действия взрыва:
а — камуфлет; б — рыхление; в — выброс; 1 — заряд BB; 2 — зона разрушения; 3 — зона уплотнения
Накладные заряды применяются при подготовке территории, для разрушения строительных конструкций, крупных камней (валунов), корчевки пней и т.п. Расход ВВ при этом методе в 8—10 раз больше, чем при внутренних зарядах.
Метод шпуровых зарядов используется для разрушения предназначенных к сносу зданий и сооружений, рыхления и разработки скальных и мерзлых грунтов в наземных выемках (котлованы, траншеи) и подземных выработках (тоннели, штольни) при небольших объемах одновременно взрываемой: породы (рис. 4.16).
Рис. 4.16. Схема расположения шпуровых зарядов:
а — разрез; 6 — план; 1 — забивка; 2 — заряды
Скважинные заряды применяются при необходимости произвести взрыв на сброс или рыхление большого массива породы.
Метод камерных зарядов применяется при массовом взрыве на выброс большого объема грунта. В зависимости от ширины поперечного профиля выемки заряды ВВ располагают в один или несколько рядов, взрываемых в определенном порядке, что обеспечивает направленный выброс грунта (рис. 4.17).
Рис. 4.17. Схемы направленных взрывов:
а — при устройстве выемки; б — при устройстве насыпи; 1 — заряды ВВ; 2 — направления перемещения взорванного грунта; 3— проектная линия верха насыпи; I, II, III — очередность взрывания зарядов
Для рыхления мерзлых грунтов применяются щелевые заряды.
Взрывной способ ведения земляных работ сопряжен с повышенной опасностью, поэтому необходимо строго соблюдать «Единые правила безопасности при взрывных работах».