Способы исскуственного закрепления грунтов, служащих основанием сооружения

СПОСОБЫ ИСКУССТВЕННОГО ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТОВ

Искусственное закрепление слабых грунтов, служащих основанием сооружения, выполняют для увеличения их несущей способности.

Для упрочения слабых грунтов применяют следующие основные способы: искусственное замораживание, цементацию, битумизацию, силикатизацию, термическое их закрепление и др.

Способ искусственного замораживания грунтов применяют для временного замораживания водонасыщенного грунта в основном плывунов. При этом создается слой замороженного грунта, воспринимающий давление окружающего грунта и напор подземных вод.

Замораживание выполняют с помощью холодильной установки, подающей хлористый кальций или другой охлаждающий раствор в замораживающие колонки, погруженные в грунт по периметру разрабатываемого котлована через 1--3 м. Во время циркуляции охлаждающего раствора грунт, охлаждаясь, постепенно замерзает, образуя толщу замороженного слоя. Процесс замораживания грунта продолжается несколько недель. После окончания работ грунт медленно оттаивает.

Способ цементации состоит в нагнетании под давлением 2,5--10 МП а цементного раствора через инъекторы в крупно- и средне-зернистые пески, в трещины скальных пород для уплотнения и улучшения строительных свойств основания сооружения.

Способ битумизации применяют для закрепления песчаных и сильно трещиноватых скальных грунтов горячим битумом, который под давлением 500--800 МПа нагнетают в грунт через инъекторы, установленные в пробуренных скважинах. Проникая в тре-шнны и пустоты породы, битум застывает, образует в ней твердые вкрапления.

Способ силикатизации используют для закрепления песчаных сухих и водонасыщенных грунтов. Через забитые в грунт трубы нагнетают раствор жидкого стекла (силикат натрия) и хлористого кальция, грунт затвердевает, приобретает дополнительную прочность и свойства водонепроницаемости.

Способ термического закрепления применяют для лессовых грунтов. Он состоит в обжиге грунтов горячими газами, образующимися от сжигания жидкого или газообразного топлива в скважинах, пробуренных в толще закрепляемого грунта.

Экскаваторы поперечного черпания разрабатывают грунт I--IV группы без валунов, превышающих размер ковша. Экскаваторы в зависимости от их мощности имеют ковш вместимостью 15--4500 л. Они могут разрабатывать траншеи, выемки, карьеры и выполнять вскрышные работы. Производительность таких экскаваторов зависит от вместимости ковша, например, с ковшом вместимостью 20 л при глубине копания 7 м -- 35 м3/ч, а с ковшом 30 л при глубине копания 9,5 -- 54 м3/ч.

Экскаваторы продольного черпания предназначаются для рытья траншей под укладку водопроводных, канализационных и другого назначения труб, линий связи и силовых кабелей, а также для рытья траншей под ленточные фундаменты и др. Экскаваторы изготовляются с глубиной копания 1--3,5 м и шириной 0,5--1,8 м. Вместимость ковша колеблется в пределах 12--50 л.

У роторных экскаваторов рабочим органом является вращающееся колесо с ковшами, установленное на конце рамы.

Скорость резания грунта колеблется от 0,3 до 3 м/с в зависимости от мощности экскаватора и свойств разрабатываемого грунта. Ковши режут грунт и наполняются, двигаясь снизу вверх. При верхнем положении ковша происходит опорожнение ковша, и грунт по наклонному желобу поступает на ленточный конвейер. Роторные экскаваторы могут разрабатывать связные и более твердые глинистые и другие грунты, они имеют большую производительность. Например, роторный экскаватор ЭС-10 роет траншею шириной 1,26 м, глубиной 2,5 м и имеет производительность 600 м3/ч грунта. Этот экскаватор может разрабатывать мерзлые и скальные грунты.

Разработка грунтов скреперами. Скреперы бывают самоходные или прицепные к трактору. Скрепер может выполнять весь комплекс земляных работ -- резание грунта, транспортирование его к месту укладки, разравнивание и уплотнение. Рабочим органом екрннчлнилистой кошм, ни кромке днища которого во всю его ширину имеется нож, с помощью которого срезают слой грунта. Ковш, снабженный механизмом опускания, подъема и разгрузки, приводимый в движение лебедкой или гидроприводом.

Ковш по ходу скрепера опускают на грунт, врезается в него под действием силы тяги трактора или самоходного двигателя и снимает слон грунта. Наполненный ковш поднимается на ходу в транспортное положение, и скрепер перемещается к месту выгрузки, которая производится также на ходу, путем выталкивания грунта подвижней задней стенкой ковша или путем подъема его днища. Грунт вываливается между передней и задней осями скрепера и частично уплотняется его задними колесами. Толшина срезки слоя в зависимости от мощности скрепера равна 15---30 см, разрабатываемых грунтов до IV группы. Толщина слоя при выгрузке регулируется скреперистом.

Дальность транспортирования грунта скрепером колеблется от 50 до 300 м, а скреперы с пневмоколесными тягачами -- до 5000 м.

По способу перемещения скреперы подразделяют на прицепные, полуприцепные и самоходные.

При производстве земляных работ скреперами применяют следующие схемы движения:

схема движения скрепера по эллипсу применяется при планировке, возведении невысоких насыпей и фронте работ 50--100 м с поперечной и продольной разработкой грунта, а также при разработке выемок с укладкой грунта в резервы;

спиральная: (кольцевая) схема движения скрепера применяется для возведения насыпей высотой 2--2,5 м из резервов н для укладки грунта в кавальеры. Эта схема целесообразна для насыпей шириной, равной не менее длины пути разгрузки ковша скрепера, а также при разности отметок насыпи и резервов 2,5--'3 м, и при ширине резерва, недостаточной для наполнения ковша или невозможности применения поперечно-челночной схемы;

поперечно-челночная схема используется для разборок грунта в выемках на глубину до 1,5 м с перемещением его в двусторонние отвалы. Грунт в ковш набирают при движении скрепера перпендикулярно оси выемки. При такой схеме разработки грунта сокращается число поворотов скрепера и длина его пути груженого и порожнего хода;

продольно-челночная схема движения скрепера применяется для возведения насыпей высотой 4--6 м из резервов или русла канала. При этой схеме появляется возможность сократить до минимума путь порожнего хода скрепера и число его поворотов.

Разработка грунтов бульдозерами. Бульдозер представляет собой навесное оборудование на гусеничном или колесном ходу, предназначен для послойного срезания и перемещения грунта. Рабочим, органом бульдозера является отвал с ножом. Отвал может подниматься, на высоту до 1,8 м от уровня земли или опускаться на глубину до 0,9 м ниже поверхности гусениц, врезаясь в грунт.

Бульдозером можно разрабатывать любые грунты, включая подорванные скальные и смерзшиеся грунты. Он имеет канатное или гидравлическое управление.

В сельском строительстве бульдозеры используют в основном для послойного резания и транспортирования грунта на небольшие (до 100 м) расстояния. Срезанный грунт накапливается перед отвалом бульдозера и перемещается к месту отсыпки.

Бульдозер также используется для возведения насыпей высотой 1 --1,5 м из грунтов боковых резервов, разработки котлованов небольшой глубины с перемещением грунта в насыпь или отвал, срезания растительного слоя, засыпки траншей и котлованов, планировки и зачистки недоборов грунта в котлованах, разрабатываемых экскаваторами. Бульдозерами разрабатываются группы I--III группы без предварительного рыхления при толщине срезаемого слоя до 30 см.

Разработку грунтов бульдозерами производят по трем основным схемам: прямая, ступенчатая и боковая .

При схеме прямой разработки , двигаясь прямолинейно, бульдозер производит набор грунта, перемещает его к месту укладки и возвращается задним ходом для набора следующей порции грунта. По этой схеме при длине перемещения на 10---30 м засыпают траншеи из отвалов и~ из небольших выемок.

При схеме ступенчатой разработки бульдозер разрабатывает грунт параллельными отдельными полосами шириной, равной ширине отвала бульдозера. После перемещения грунта на первой полосе бульдозер возвращается задним ходом на следующую полосу и снова производит набор грунта в полосе параллель но первой. Так ведется разработка грунта на всем участке.

Боковую схему применяют при разработках легких грунтов, срезаемых толстыми слоями, при которой бульдозер ведет разработку перпендикулярно оси земляного сооружения. Для повторного набора грунта бульдозер возвращается задним ходом.

Разработка грунтов грейдерами. Грейдеры представляют собой самоходные или прицепные к тракторам (тягачам) землеройные машины для послойной разработки и планировки грунта. Грейдеры используют для профилирования полотна дорог, устройства кюветов, откосов, возведения невысоких насыпей из резервов, планировки территории с перемещением грунта на расстояние до 25 м.

Рабочим органом грейдера является отвал с ножом для резанья и перемещения грунта. Кроме отвала грейдеры могут иметь сменное оборудование: откосник и удлинитель к отвалу и рыхлитель-кирковщик. Отличительной особенностью грейдера является большая подвижность отвала, который может быть установлен под различными углами к направлению его движения.

Технологический процесс возведения насыпи состоит из трех основных операций: нарезания грунта ножом отвала; перемещение грунта к месту укладки и планировки его; срезка откосов.

Возведение невысоких дорожных насыпей из боковых резервов начинают после ее топографической разбивки на местности, с про-. бивки ножом первой борозды по линии подошвы насыпи, затем срезают грунт с резервов от внешней бровки резерва или от внут-, ренней и укладывают его в полотно дороги.

Самоходным грейдером разрабатывают канавы глубиной до 1,1 м и шириной по дну 0,4--1 м; а также планируют откосы насыпей .

Ручной способ разработки грунта. Несмотря на широкое применение землеройных и транспортных машин, земляные работы небольшого объема в сельской местности выполняют вручную с применением средств малой механизации. Так, например, для рыхления грунта твердых пород можно применять отбойные молотки, использующие для работы энергию сжатого воздуха, вырабатываемого компрессорами. При зачистке дна выемок и откосов можно использовать ленточные конвейеры для транспортирования грунта на бровку и др.

Укладка и уплотнение грунтов в насыпи. Основные мероприятия, обеспечивающие неизменяемость земляных сооружений, заключаются в правильном выборе грунтов и способе укладки их в насыпи н уплотнения. Основания под насыпи, возводимые из глинистых грунтов на косогорах крутизной от 1 :5 до 1:3 независимо от их высоты, должны нарезаться уступами с шириной полок 1--4 м и высотой до 2 м с целью предупреждения оползней насыпного грунта.

При возведении насыпи на сырых и мокрых основаниях необходимо до начала отсыпки насыпи обеспечить отвод поверхностных вод и осушение основания.

Перед отсыпкой насыпи необходимо произвести опытное уплотнение грунта в условиях производства работ с применением выбранных уплотняющих машин для уточнения: толщины уплотняемого слоя; числа проходов уплотняющих средств по одному следу; оптимальной влажности грунта. Оптимальная влажность для песчаных грунтов составляет 8--12%, супесчаных 9--15%, суглинистых 12--18%, глинистых 18--25%. Опытное уплотнение следует производить для каждого вида грунта, используемого в сооружении, и для каждого вида применяемых уплотняющих машин.

Насыпь следует, как правило, возводить из однородных грунтов. Отсыпаемый грунт необходимо разравнивать горизонтальными или слабонаклонными слоями, толщина которых назначается в зависимости от используемых уплотняющих средств и норм плотности отсыпаемого грунта. Виды грунтов для отсыпки насыпей должны устанавливаться в проекте сооружения.

При необходимости отсыпки насыпи из неоднородных грунтов следует соблюдать условия:

поверхность слоев из менее дренирующих грунтов, располагаемых под слоями из более дренирующих, должна иметь уклон в пределах 0,04--0,1 от оси насыпи к краям;

поверхность слоев из более дренирующих грунтов, располагаемых под слоями менее дренирующих, должна, быть горизонтальной;

запрещается покрывать откосы насыпей грунтом с худшими дренирующими свойствами, чем у грунта, уложенного в тело насыпи;

возведение насыпей из неоднородных грунтов, состоящих из песка, суглинка и гравия, допускается лишь в виде естественной карьерной смеси.

Поверхность основания или предыдущего слоя, уплотненного кулачковыми или пневмоколесными катками, перед отсыпкой последующего слоя можно не разрыхлять.

Поверхность насыпи необходимо разделить на равновеликие по площади карты, на каждой из которых последовательно производить следующие операции: выгрузку, разравнивание, увлажнение или подсушивание и уплотнение грунта. Размер карт и потребность в оборудовании назначают из условия непрерывного выполнения всех перечисленных выше операций.

Отсыпку слоев начинают вести .от краев насыпи к середине. На переувлажненных и слабых основаниях отсыпка слоев грунта ведется от середины насыпи к краям до высоты 3 м, а далее от краев к середине.

Движение транспортных средств, доставляющих грунт в 'насыпь, следует регулировать по всей ширине слоя отсыпки. Отсыпка последующего слоя грунта возможна только после разравнивания и уплотнения нижележащего слоя грунта до требуемой плотности.

Связные грунты следует уплотнять катками на пневматическом ходу, кулачковыми и решетчатыми, трамбующими и вибротрам-бующими машинами. Уплотнение несвязных грунтов следует ве-оти вибрационными и вибротрамбуюшими машинами и катками на пневматическом ходу.

Уплотнение грунтов насыпей и обратных засыпок необходимо нести послойно. Толщину уплотняемых слоев назначают в зависимости от условий производства работ, вида грунта, уплотняющих машин и результатов опытного уплотнения.

В табл. 1.7 приведены сведения о толщине слоя грунта и числа проходов (ударов) в зависимости от уплотняющих машин и качества грунтов.

Уплотнение грунта начинают от бровки насыпи к ее середине. Каждый последующий проход (удар) уплотняющей машины должен перекрывать предыдущую уплотняющую полосу на 0,1--0,2 м. В особо стесненных местах следует вести уплотнение грунта электротрамбовками. В местах обратных засыпок, где невозможно обеспечить качественное уплотнение грунта, обратную засыпку следует выполнять малосжимаемыми грунтами -- крупнообломочными, крупными и средней крупности песками.

Разработка грунта гидромеханическим способом. Под гидромеханизацией понимают способ производства земляных работ, при котором обеспечивается поточность работ, т. е. все основные операции технологического процесса -- разработка, перемещение, укладка и уплотнение грунта выполняются при помощи энергии потока воды и следуют одна за другой.

Грунты средствами гидромеханизации можно разрабатывать как в полезной выемке, при которой ее глубина ограничивается проектными размерами сооружения, так и в карьере --резерве.

Гидромеханизированным способом разрабатывают несвязные и связные грунты в карьерах, на дне искусственных водоемов, в руслах рек, в заполненных водой котлованах.

Для применения гидромеханизации необходимо наличие воды, электроэнергии и подходящих грунтов.

Трамбовочная плита массой 2 т при высоте падения 2 м Дизель-трамбовочная машина

Навесной тракторный трамбовщик

Примечание. Над чертой даны значения, необходимые для уплотнения грунта до плотности не менее 0,95; под чертой-- до плотности не менее 0,98 от максимальной.

Разработка грунта гидромеханическим способом наиболее экономична, так как отпадает необходимость строить автомобильные дороги, не нужны транспортные и уплотняющие средства. Однако в сельском строительстве гидромеханизация применяется мало.

Грунт средствами гидромеханизации разрабатывают тремя способами: гидромониторным, землесосным и комбинированным.

При гидромониторном способе, применяемом в сухих забоях, грунт размывается компактной струей воды, выбрасываемой из насадки гидромонитора под высоким давлением и с большой скоростью. Расход воды на 1 м3 разработки и транспортирования грунта составляет: для полужирных глин 10--14 м3, для мелкозернистых песков и легких супесей 4--6 м3, для крупнозернистых и суглинков 7--9 м3. Потребность гидромонитора в воде достигает 5 тыс. м3/ч при напоре ПО м и диаметре насадки 200 мм. Гидромонитор может размывать грунт снизу вверх с обрушением грунта подмывом или сверху вниз . Более эффективен первый способ.

Воду к гидромонитору подают по трубам от насосной станции, располагаемой у водоема или на плавучем понтоне. Струя воды из гидромонитора проникает в грунт и разрушает его, нарушая взаимодействие сил трения и сцепления между частицами.

При ударе струи о грунт элементарные струйки воды проникают между частицами грунта и отрывают их от общей массы. Чем больше степень проникновения воды в грунт, тем интенсивнее его разрушение. Вода, смешиваясь с размытым грунтом, образует гидросмесь (пульпу), которая при благоприятном рельфе местности отводится самотеком к месту укладки по лоткам и канавам с большим уклоном или стекает в специальный приямок, откуда перекачивается специальным насосом -- землесосом.

При землесосном способе грунт разрабатывают в забоях под водой. При этом грунт всасывается землесосами, смонтированными на плавучих или передвижных землесосных снарядах. Для ускорения процесса разработки грунта обычно применяют механические фрезерные рыхлители.

Под воздействием центробежного насоса в сосуне возникает вакуум, и вода с грунтом поступает во всасывающую трубу, и землесос подает гидросмесь (пульпу) к берегу по трубопроводу, смонтированному на плавающих понтонах. На берегу к нему подключают магистральный трубопровод, по которому гидросмесь подают к месту ее укладки. Различают два способа намыва грунта: эстакадный, при котором магистральный трубопровод монтируют иа эстакадах и укладывают по периметру намывного участка или по оси его; намыв без эстакад, при котором трубопровод укладывают непосредственно на поверхность участка намыва и выпускает гидромассу из своего торца.

Беззстакадный способ намыва является более эффективным. Одним из важных показателей экономической эффективности гидромеханизации является консистенция гидросмеси (пульпы), характеризуемая степенью насыщения ее твердыми составляющими. Она выражается отношением во взятой пробе объемов или массой грунта к воде или к гидромассе, в соответствии с чем введены понятия о массовой и объемной консистенции. При укладке грунта в сооружение скорость движения гидросмеси снижается до весьма малой величины. При этом из гидросмеси выпадают частицы грунта и сами сортируются по фракциям. Эта особенность используется при возведении намывных сооружений и при обогащении песка и гравия для бетона. Производительность землесоса 0,4--12 тыс. м3/ч гидромассы при напоре 23--80 м.

При комбинированном способе грунт разрабатывают гидромонитором, а транспортируют и укладывают его с помощью гидравлики. Гидромеханизацию применяют при устройстве котлованов, траншей, каналов, плотин, дамб, дорожных насыпей и выемок, а также при планировке строительных площадок, вскрышных работах и др.

КОМПЛЕКСНАЯ МЕХАНИЗАЦИЯ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ

Комплексная механизация земляных работ предусматривает осуществление всех процессов производства земляных работ: выемку, транспортирование, разгрузку, укладку в насыпь (отвал), планировку и уплотнение грунта комплектом машин, соответствующих производительности ведущей машины.

При комплексной механизации разработки выемок в основном применяют две схемы:

Копание в выемке и погрузку грунта в транспорт выполняют экскаваторы, транспортирование и выгрузку грунта в насыпи-- автосамосвалы, планирование грунта -- бульдозеры, уплотнение грунта в начале работы -- кулачковые катки, а затем (при необходимости) гладкие катки;

рыхление грунта, затем набор, транспортирование, выгрузка и планирование грунта выполняют скреперы, уплотнение -- гладкие катки. В комплект машин комплексной механизации также входят машины для выполнения подсобных работ, например, машина для зачистки дна котлована.

Выбор варианта и комплекта машин фиксируют в проекте организации строительства на основании технико-экономических расчетов.

Комплексное производство земляных работ должно осуществляться на основании технологической карты, в состав которой входят; технологическая схема; описание рабочих процессов в порядке технологической последовательности с указанием объема работ по каждому процессу; расчет потребности в машинах с указанием марок, машин и числа машино-смен; трудоемкость в чел.-днях и состав звеньев рабочих; ведомость необходимых материально-технических ресурсов (материалов, инструментов, оборудования)' и календарный график.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ

Производство земляных работ можно начинать после того, как будет установлено, что на участках строительства нет подземных коммуникаций, а если они имеются, необходимо получить от соответствующих организаций разрешение на производство земляных работ. Особенно опасны работы вблизи электрокабелей и высоконапорных трубопроводов.

При разработке выемок экскаваторами последние необходимо устанавливать для работы на спланированном месте, ходовые части закреплять прокладкой башмаков под колеса или подклинкой гусениц.

Все машины оборудуются сигнализацией, известной всем рабочим, находящимся в забое. В темное время суток пути, забой и землевозные дороги должны быть освещены. Запрещается нахождение людей под стрелой экскаваторов и в рабочих зонах других землеройных машин.

При разработке грунта буровзрывным способом и средствами гидромеханизации необходимо соблюдать специальные требования по охране труда и технике безопасности.