Разработка грунтов одно и многоковшовыми экскаваторами, землеройно-транспортными машинами.Способы повышения несущей способности грунтов

Лекция 4 Разработка грунтов одно и многоковшовыми экскаваторами, землеройно-транспортными машинами. Способы повышения несущей способности грунтов План лекции:          Машины для выполнения земляных работ. Разработка выемок одноковшовым экскаватором, оборудованным прямой лопатой. Виды и параметры проходок. Разработка выемок одноковшовым экскаватором, оборудованным обратной лопатой. Виды и параметры проходок. Разработка выемок одноковшовым экскаваторомдраглайном. Виды и параметры проходок. Разработка грунта многоковшовыми экскаваторами. Производство земляных работ с использованием скреперов. Производство земляных работ с использованием бульдозера. Работы по обратной засыпке, подсыпке, уплотнению грунтов. Способы повышения несущей способности грунтов. В зависимости от технологии и организации работ машины для выполнения земляных работ делятся на основные и вспомогательные. К основным машинам относятся:  землеройные, отделяющие грунт от массива и перемещающие его на расстояние, ограниченное конструктивными параметрами рабочего оборудования; к этой группе относят экскаваторы;  землеройно-транспортные, совмещающие разработку (резание) грунта за счет тягового усилия и его перемещение при передвижении; дальность перемещения грунта в большинстве случаев не зависит от конструктивных параметров рабочих органов, а определяется технико-экономическими соображениями; к этой группе относят бульдозеры, скреперы, грейдеры, грейдерыэлеваторы;  погрузочные машины – погрузчики, способные копать грунт как на месте, так и при передвижении;  машины для гидравлической разработки грунта, отрывающие его от массива и транспортирующие во взвешенном состоянии в виде пульпы; к этой группе относят гидромониторы, землесосы, земснаряды;  грунтоуплотняющие машины – различные катки, трамбующие вибрационные машины. В зависимости от технологии и организации работ машины для выполнения земляных работ делятся на основные и вспомогательные. Вспомогательными являются машины, обеспечивающие работу основных машин:  машины для подготовки площадки к работе основного оборудования – корчеватели, кусторезы, камнеуборочные и др.;  машины для подготовки грунта к разработке – рыхлители, буровые машины, оборудование для водопонижения и водоотлива.  Выбор машин для земляных работ зависит от трудности разработки грунта, рельефа местности и гидрогеологических условий, вида и параметров сооружения, транспортных средств для перемещения грунта, расположения сооружений, выемок, насыпей, расстояний между ними и других факторов.   Эффективность применения средств механизации по дальности транспортирования грунта составляет: для скреперов 500-1500 м; для экскаваторов с перевозкой грунта автотранспортом – 2000-3000 м; для экскаваторов, работающих в отвал – 15-150 м. Одноковшовыми экскаваторами разрабатывают около 45% всех грунтов. Машины имеют различное по виду и объёму ковша рабочее оборудование, механический и гидравлический привод. На механических экскаваторах ковш жестко соединен с рукоятью и его движение осуществляется за счет напорного усилия рукоятью и за счет тягового усилия канатами.     Эффективность применения средств механизации по дальности транспортирования грунта составляет: для скреперов 500-1500 м; для экскаваторов с перевозкой грунта автотранспортом – 2000-3000 м; для экскаваторов, работающих в отвал – 15-150 м. Одноковшовыми экскаваторами разрабатывают около 45% всех грунтов. Машины имеют различное по виду и объёму ковша рабочее оборудование, механический и гидравлический привод. На механических экскаваторах ковш жестко соединен с рукоятью и его движение осуществляется за счет напорного усилия рукоятью и за счет тягового усилия канатами. Рабочее место экскаватора – это зона его работы в пределах геометрических параметров рабочего оборудования, а также размер площадки стоянки транспорта под погрузку грунта и укладки его в отвал. Пространство, в котором размещается экскаватор и производится выемка грунта, называют забоем.    В зависимости от ходового устройства различают гусеничные (вместимость ковша 0,416 м3), пневмоколесные (0,4-0,65 м3), на шасси автомобилей и тракторов (0,15-0,4 м3) и шагающий ход применяют экскаваторах с ковшами большой вместимости (до 100 м3). В тех случаях, когда характер работ не требует значительных перемещений машины между рабочими площадками или в пределах площадки, наилучшим выбором является гусеничные экскаваторы. В колесном экскаваторе сочетаются традиционные характеристики экскаваторов, такие как поворот на 360 градусов, большие вылет и глубина копания, большая грузоподъемность, мобильность экскаватора обеспечивает быстрое и независимое перемещение между рабочими площадками и в пределах рабочей площадки, позволяет более гибко планировать выполнение работ.    При выборе колесного экскаватора ключевым параметром является его масса. Вначале выбирают стрелу и рукоять, соответствующие требованиям к вылету, глубине копания и грузоподъемности. Прямая лопата представляет собой открытый сверху ковш с режущим передним краем, жестко насажанный на рукоять, которая шарнирно соединена со стрелой машины и выдвигается вперед с помощью напорного механизма. Опорожняется ковш путем открывания его днища. Разрабатывают грунт, когда экскаватор стоит на дне разрабатываемого забоя. На небольшую глубину он может отрывать грунт и ниже горизонта стояния. Обратная лопата – это открытый снизу ковш с режущим передним краем, жестко насаженный на рукоять, шарнирно соединенную (без напорного механизма) со стрелой. По мере протягивания назад ковш заполняется грунтом. Затем при вертикальном положении рукояти ковш переводят к месту выгрузки и разгружают путем подъема с одновременным опрокидыванием. Рабочая зона расположена ниже горизонта стояния машины. Прямая или обратная лопата?   Ковш драглайна навешивают на канатах на удлиненную стрелу кранового типа. Ковш забрасывают в выемку на расстояние, несколько превышающего длину стрелы, его заполняют грунтом путем подтягивания по поверхности к стреле. Затем ковш поднимают в горизонтальное положение к стреле и поворотом машины переводят на место разгрузки. Опорожняется ковш при ослаблении тягового каната. Драглайном можно разрабатывать грунт не только сильно насыщенной влагой, но и находящийся под водой. Грейфер представляет собой ковш с двумя или более лопастями и канатным приводом, принудительно смыкающими эти лопасти. Грейфер навешивают на такую же стрелу, что и драглайн. С помощью грейфера можно разрабатывать выемки с вертикальными стенками. При повороте стрелы ковш перемещается к месту разгрузки и опорожняется при принудительном раскрытии лопастей. Грейфер погружается в грунт только за счет собственной массы ковша. Грейфер применяют обычно для разработки грунтов малой плотности (I и II группы) и находящихся под водой.     Выемка, образующаяся в результате последовательной разработки грунта при периодическом передвижении экскаватора в зоне, называется проходкой. По характеру разработки грунта проходки могут быть лобовыми (торцевыми) и боковыми. При лобовой проходке экскаватор двигается по оси выемки и разрабатывает грунт впереди себя и по обе стороны от оси, а при боковой – с одной стороны по ходу движения. Характер проходки зависит от глубины и ширины котлована и условий его разработки. Пути увеличения производительности экскаваторов: это сокращение времени на элементы цикла и, следовательно, увеличение числа циклов. Элементами цикла работы экскаватора являются: набор грунта в ковш, поворот экскаватора на разгрузку, разгрузка грунта из ковша, поворот экскаватора к забою. Длительность цикла можно уменьшить, выбрав рациональный вид забоя и определив его оптимальные параметры. Продолжительность загрузки ковша уменьшается в результате сокращения пути резания (увеличения толщины стружки).   Одноковшовые экскаваторы, оборудованные прямой лопатой, разрабатывают грунт в котловане способами лобового (торцевого) и бокового забоев. Наибольшая глубина забоя должна быть не больше максимальной высоты резания экскаватора, а наименьшая – не менее трехкратной высоты ковша используемого экскаватора. Основными видами проходок для экскаваторов, оборудованных прямой лопатой являются лобовая (продольная) и боковая (поперечная). Лобовые проходки в зависимости от ширины подразделяют на узкие (ширина проходки 0.8...1.5, величины наибольшего радиуса резания R), нормальные (ширина 1.5…1.8R) и широкие (более 2R). Узкие котлованы шириной до 1.5R разрабатывают лобовой проходкой с односторонней погрузкой в транспортные средства. При ширине 1.5-1.9R – с двухсторонней подачей в транспортные средства. Выемки шириной 2.0-2.5 R целесообразно разрабатывать уширенной лобовой проходкой с перемещением экскаватора по зигзагу с двухсторонней или односторонней погрузкой, и при ширине до 3.5R – поперечно-лобовой проходкой с двухсторонней погрузкой грунта в транспортные средства Разработка грунта экскаватором прямая лопата a – лобовая проходка с односторонней погрузкой грунта в автосамосвалы; б – то же, с двусторонней погрузкой; в – то же, с перемещением экскаватора по зигзагу; г – то же, с перемещением экскаватора поперек котлована  Р Разработка выемок способом лобового забоя затрудняет работу транспортных средств. Поэтому способ лобового забоя используется лишь при разработке не широких выемок, планерных траншей (первых проходок). Если размеры котлована значительны (ширина больше 3.5R), рекомендуется применять боковые проходки (рисунок 2). Организация разработки грунта боковыми проходками с погрузкой его в транспортные средства позволяет наиболее полно использовать рабочие параметры экскаваторов и повысить их выработку за счет уменьшения угла поворота стрелы при погрузке. Разработка котлована боковой проходкой экскаватором «прямая лопата»    Для ввода экскаватора в забой, выезда и въезда автомобильного транспорта устраивают въездные траншеи с уклоном 0,1-0,15. Ширину траншеи понизу принимают 3-3,5 м при одностороннем движении и 7-7,5 при двухстороннем. Экскаваторы, оборудованные обратной лопатой, предназначены для разработки грунтов, расположенных ниже уровня стоянки экскаватора. Этот вид экскаваторов преимущественно применяют для разработки грунта в траншеях и при разработке неглубоких котлованов. Разработку грунта осуществляют лобовыми и боковыми проходками. Лобовой вид забоя применяют в основном при разработке траншей осевой проходкой, а боковой при разработке котлованов. Экскаваторы с обратной лопатой могут передвигаться вдоль и поперек котлована, а также зигзагом Схема проходки экскаватора «обратная лопата» при разработке котлована а – вдоль; б – зигзаг; в – поперек котлована    Экскаваторами-драглайнами, имеющими удлиненную стрелу и ковш, свободно подвешенный на тросе, разрабатывают грунт с отсыпкой его в отвал или на транспортные средства при устройстве глубоких котлованов, каналов, траншей. Разработку грунта производят ниже уровня стоянки экскаватора с работой его «на себя», ковш заполняют в процессе проталкивания его по грунту. Драглайном разрабатывают выемки лобовыми и боковыми забоями с применением тех же видов, что и для экскаватора, оборудованного обратной лопатой. Для повышения производительности экскаватора, оборудованного драглайном, при работе с автотранспортом в широких котлованах применяют челночные способы их разработки. Способы разработки забоя экскаватором-драглайном а – поперечно-челночный; б, в – продольно-челночный; 1 – автосамосвал; 2 – разгрузка ковша; 3 – окончание набора и подъем ковша; 4 – опускание ковша и набор грунта Выбор одноковшового экскаватора для устройства выемок.  Выбор экскаватора производят в зависимости от вида земляных работ на объекте. Первоначально тип экскаватора, требуемый для конкретного случая, устанавливают после изучения вида, размера и объема выемки, основных характеристик грунтов и трудоемкости их разработки; наличия и характера грунтовых вод и рекомендуемого способа понижения их уровня; технологических особенностей и условий выполнения земляных работ, а также с учетом области применения (вид и условия работы) сменного оборудования одноковшовых экскаваторов. Если окажется, что для выполнения одной и той же работы равнозначно подходят два, три и более типов сменного оборудования, то предпочтительно делать выбор в следующем порядке: прямая лопата, драглайн, обратная лопата, погрузчик и др. Выбор одноковшового экскаватора для устройства выемок.  Далее, исходя из требований максимальной выработки механизмов, определяют необходимый объем ковша экскаватора. Выработка механизма в основном определяется продолжительностью рабочего цикла и количеством грунта, разрабатываемого за один цикл. Следовательно, при выборе экскаватора объем ковша должен быть максимальным, а время его наполнения – минимальным. Выполнение этих требований в конкретных условиях обеспечивается, когда ковш определенного объема в процессе выработки грунта в откосе будет за одно движение наполняться с верхом в момент выхода его из забоя на поверхность. Такое наполнение ковша будет в основном зависеть от его объема, трудности разработки грунта и глубины копания (при послойном резании грунта вдоль откоса). Тема 2. Разработка грунтов землеройнотранспортными машинами. Способы повышения несущей способности грунтов Производство земляных работ с использованием скреперов.  Производство земляных работ с использованием бульдозера.  Работы по обратной засыпке, подсыпке, уплотнению грунтов.  Способы повышения несущей способности грунтов.   Скреперы и бульдозеры относятся к землеройно-транспортным машинам, предназначенным для послойного резания грунта, его перемещения, а также отсыпки с разравниванием и частичным уплотнением. Их используют при планировке площадок, разработке неглубоких выемок, обратной засыпке траншей с трубопроводами (после их гидравлического испытания) и на подобных других работах. Разработка грунта скреперами.   Рабочим органом скрепера является ковш с ножевым устройством, который при движении осуществляет послойное резание (копание) грунта с одновременным набором его в ковш. Переход в транспортное положение осуществляется выглублением ковша с одновременным его закрытием. Разгружается грунт в процессе движения послойно при помощи наклона ковша или перемещения задней стенки ковша. Полный рабочий цикл включает: наполнение ковша, перемещение грунта к месту разгрузки и укладки ровным слоем заданной толщины. Толщина стружки срезанной при наборе, зависит от мощности двигателя тягача, типа скрепера и от вида грунта и может достигать 20…35 см для прицепных и 30…36 см для самоходных скреперов. Скреперами можно разрабатывать грунты 1 – 3 групп с каменистыми включениями до 300…600 мм. Различают следующие способы срезания стружки при работе скрепера: стружкой постоянной толщины, стружкой переменного сечения, гребенчатой, клевками.    В зависимости от типа взаимосвязи рабочего оборудования с тягачами применяемые в настоящее время скреперы подразделяются на прицепные, полуприцепные и самоходные. Прицепные скреперы наиболее эффективно использовать при перевозке грунта: в зависимости от вместимости ковша на расстоянии до 1500 м, а самоходные – на расстояние до 5000 м. При планировке площадок скреперами применяют следующие схемы разработок грунта: последовательная, через полосу и ребристо-шахматная проходка. Наиболее эффектными являются разработки проходками через полосу и ребристо-шахматной (рисунок 1). Разработка последовательной проходкой не рациональна из-за потерь грунта в виде баковых валиков. При ребристо-шахматной последовательности проходок толщина стружки грунта остается постоянной, а для облегчения работы двигателя в конце набора ширина срезаемой стружки уменьшается вдвое, что снижает coпротивление резания и позволяет вести набор ковша бeз его выглубления.  Основная часть продолжительности рабочего цикла скрепера составляет его движение к месту разгрузки и обратно. Поэтому при проектировании разработки грунта этим механизмом особое внимание уделяется выбору наиболее рациональной схемы его движения, при которой достигаются наименьшие значения средней длины возки и количество поворотов. а – а – разработка грунта по схеме «полоса рядом с полосой»; б – то же, через полосу; в – то же, ребристошахматными проходками; 1-28 - проходки Рисунок 1 – Планировка площадок скреперами        При планировке площадок скреперами применяют поперечную и продольную возку и различают следующие схемы движения : по эллипсу — применяется, как правило, при планировке площадок и отсыпке насыпей из резервов при ограниченной длине захваток. При этом, чтобы избежать износа ходовых частей скрепера и транспорта, необходимо периодически изменять направление движения; по восьмерке — применяют при выполнении тех же процессов, что и по эллипсу, но при большей длине фронта работ. Односторонний износ ходового оборудования при этом исключается; по спиpaли – целесообразна при возведении низких насыпей, когда не требуется большие объемы работ по устройству съездов; по зигзагу — применяют при возведении насыпи из односторонних резервов большей протяженности с применением колонны скреперов, двигающихся один за другим; челночная – возможна при концентрированном перемещении трудовых масс и большем удалении их друг от друга. Производительность скрепера при движении по восьмерке и спиральной схеме выше, чем по эллиптической. а – по эллипсу; б – по «восьмерке»; в – сдвоенными проходками по эллипсу при двух насыпях; г – то же при двух выемках; д – работа толкача со звеном скреперов; 1-4 – последовательность проходок Рисунок 2 – Схема движения скрепера при планировке площадок а – по эллипсу; б – по «восьмерке»; в – сдвоенными проходками по эллипсу при двух насыпях; г – то же при двух выемках; д – работа толкача со звеном скреперов; 1-4 – последовательность проходок Рисунок 2 – Схема движения скрепера при планировке площадок Разработка грунта бульдозерами.    Процесс разработки грунта бульдозером состоит из трех основных операций: набор, транспортирование и укладка грунта. Наибольшая глубина резания бульдозерами колеблется от 20 до 60 см. Бульдозеры применяют для: разработки неглубоких выемок (до 2 м), перемещения гранта в отвал или непосредственно в насыпи высотой до 1,5 м, грубой планировки площадок, откосов выемок и насыпей, обратной засыпки траншей и пазух котлованов; окучивания разработанного грунта в зоне работы погрузчиков. Бульдозер также широко используют на вспомогательных работах в комплексе с другими и при производстве подготовительных работ (расчистке участка от кустов, деревьев, пней, растительного слоя, камней). Разработка грунта бульдозерами.   Планировку площадок бульдозерами выполняют преимущественно двумя способами траншейным и послойным Траншейный способ разработки применяют для уменьшения потерь при перемещении грунта на расстоянии до 50 м. Параллельные полосы — траншеи глубиной от 0,4 до 0,6 получают путем нескольких проходов бульдозера по одному и тому же месту. Ширину траншеи принимают равной длине отвала бульдозера, а перемычки, оставляемые между траншеями, шириной 0,4 м в связанных грунтах и 0,6 м — в малосвязанных. Перемычки разрабатывают после прохода каждой траншеи. При дальности перевозки свыше 50 м через 25 м устраивают промежуточные валы, которые затем перемещают двумя или тремя спаренными бульдозерами. а — траншейным нарезанием: б — послойным; 1,2,3... — последовательность резания Рисунок 3 – Схема разработки грунта бульдозером   При послойной схеме разработку грунтa производят параллельными полосами, причем каждая предыдущая перекрывается последующей на величину от 0.3 до 0,5 м. Как землеройно-транспортная машина в зависимости от мощности бульдозер эффективен на расстояние до 150 м. Отсыпку грунта производят двумя способами: послойно с одновременным уплотнением и грудами без послойного его уплотнения Работы по обратной засыпке, подсыпке, уплотнению грунтов.    Укладку и уплотнение грунтов выполняют при планировочных работах, возведении различных насыпей, обратных засыпок траншей и пазух фундаментов. Необходимо учитывать, что обратные засыпки траншей, приямков и пазух котлованов в большинстве случая служит основанием дорог, отмосток, а внутри зданий – основанием под полы, все они должны выполняться с обязательным уплотнением для обеспечения их несущей способности (прочность, устойчивость) и беспросадочность. Необходимая степень уплотнения грунта и высокое качество обратных засыпок на практике обеспечиваются послойным уплотнением грунта при условии отсыпки его слоями одинаковой толщины.  Для отсыпки насыпи не следует применять пылеватые пески, легкие супеси, жирные глины, торф, меловые и трепельные грунты и грунты с примесью органических материалов и легкорастворимых солей. Отсыпку следует вести от краев насыпи к середине для лучшего уплотнения грунта, ограниченного отсыпными краевыми участками насыпи а – отсыпка насыпи горизонтальными слоями; б – то же, при переувлажненных и слабых основаниях и на болотах; в – веерный способ; г – эстакадный способ, д – способ отсыпки «с головы»   При возведении насыпей на переувлажненных, слабых основаниях отсыпку ведут в обратном порядке до высоты 3 м, чтобы выжимать воду из основания, а выше 3 м – от краев к середине. Отсыпку насыпи следует начинать с наиболее высоких точек рельефа и организовать движение землевозных машин так, чтобы они уплотняли предыдущий слой грунта. На промежуточных поверхностях по высоте насыпи, а также на ее верхней поверхности не должно быть замкнутых пониженных участков, в которых может скапливаться влага. Вблизи от нулевой линии вместо послойного способа возведения насыпи применяют веерный, а при засыпке глубоких оврагов – послойный способ возведения насыпи с эстакады. Насыпь следует отсыпать с запасом по высоте на естественную осадку, которую принимают при отсутствии уплотнения до 6 % для скальных грунтов и до 9 % для нескальных. Искусственные сооружения следует засыпать горизонтальными слоями по всей длине одновременно с обеих сторон. Работы по уплотнению грунта ведут при их влажности, близкой к оптимальной, при которой достигается наибольший эффект.      Механические методы уплотнения в зависимости от характера воздействия рабочих органов на грунт и конструктивного решения средств механизации делятся в основном на следующие виды: укатка, вибрирование, трамбование и комбинированный метод. Пневмокатками в зависимости от их типа и характеристики грунта могут уплотняться связные грунты с толщиной слоя (в рыхлом состоянии) 15 – 75см и несвязные – при толщине слоя 25 – 90см, число проходов катка по одному следу при опытном уплотнении соответственно равно 5 – 12 и 4 – 10 раз. Кулачковыми катками уплотняют только связные грунты при толщине слоя 20 – 85 см и числе проходов 6 – 14 раз. Катки с гладкими вальцами используют для уплотнения связных и несвязных грунтов при толщине слоя 10 – 15 см. При уплотнении грунта укладкой различают две схемы движения катков: челночная и по кругу.   При уплотнении грунта вибрированием применяются вибрационные катки (виброкатки), виброплиты, вибротрамбовки и глубинные виброуплотнители. Этот метод рационален в основном для несвязных и малосвязных грунтов. Виброкатки с гладкими вальцами применяют для уплотнения связных грунтов толщиной 15-50 см и несвязных – толщиной 15-70 см. Особый интерес представляют одновальцевые малогабаритные самоходные виброкатки с массой до 0,7 т, обеспечивающие ширину уплотняемой полосы 66 см. Ими производят уплотнения в стесненных условиях, в том числе в узких траншеях, вблизи трубопроводов, фундаментов и стен, где применение других машин затруднительно.   Уплотнение грунта методом трамбования осуществляется с помощью трамбовочных машин, навесных плит и механических трамбовок. Этот метод дает хороший эффект при уплотнении связных и несвязных, в том числе крупнообломочных грунтов, а также сухих комоватых глин. Для уплотнения грунтов в стесненных условиях целесообразно использовать такие навесные средства, как гидравлические и пневматические молоты с уплотняющими плитами. Толщина уплотняемого слоя в зависимости от типа молота будет для связных грунтов 0,25 – 0,7 м и 0,25 – 0,4 м, для несвязных – 0,3 – 0,8 м и 0,3 – 0,5 м.