Тема 4. Виконання земляних робіт

1. Різновиди земляних споруд

Результатом розроблення ґрунту є земляне спорудження. Це інженерна споруда з ґрунту в ґрунтовому масиві або на поверхні ґрунту. Земляні споруди класифікують так:

 – за розміщенням щодо поверхні ґрунту – виїмки, насипи, підземні виробітки, зворотні засипання;

 – за терміном використання – постійні й тимчасові;

Постійні – це споруди, що експлуатуються протягом тривалого періоду часу. Це сплановані майданчики, земляне полотно доріг, греблі, дамби, канали, штучні водойми, відстійники тощо.

Тимчасові земляні споруди влаштовують до початку наступних будівельно-монтажних робіт. До них належать котловани, траншеї, перемички, тимчасові нагірні та водоперехоплювальні канави тощо.

 – за функційним призначенням – котловани, траншеї, ями, свердловини, відвали, греблі, дамби, дорожні полотна, тунелі, планувальні майданчики;

Котловани – це тимчасові виїмки для зведення фундаментів, окремих частин будівель чи споруд, розташованих нижче поверхні землі. Котловани бувають із вертикальними або похилими стінами (укосами), з установленим кріпленням чи без нього.

Траншеї – тимчасові виїмки для укладання труб та інших інженерних мереж, а також зведення стрічкових фундаментів. Улаштовують траншеї з вертикальними закріпленими або незакріпленими стінками, з укосами та змішаного профілю. У житлово-громадському та промисловому будівництві найбільшого поширення набули роботи, пов’язані з плануванням майданчиків, улаштуванням котлованів та всіх видів траншей.

– за геометричними параметрами й просторовою формою – глибокі, дрібні, протяжні, зосереджені, прості, складні.

Типи земляних споруд подано на рисунку 3.1. До постійних зараховують споруди, призначені для довгострокової експлуатації – земляні греблі, канали, полотна рейкових і безрейкових доріг, виїмки й насипи, що зводять під час планування. До тимчасових земляних споруд зараховують виїмки, отримані під час зведення фундаментів житлових і промислових будівель, мостів, гребель, траншеї для прокладення водопровідних, каналізаційних, газових та інших мереж, насипи для тимчасових доріг.

Рис. 4.1 – Поперечні профілі земляних споруд: а, б – траншеї з вертикальними стінами й відкосинами; в – гребля; г – котлован під фундамент; д – те саме під споруду; е – підземне вироблення під штольню; ж – те саме під каналізаційний колектор; и – те саме під тунель; к – свердловина бурова; л – траншея підводна; м – майданчик; 1 – дно; 2 – бокова стіна траншеї; 3 – бокова відкосина; 4 – брівка; 5 – берма; 6 – підошва; k – закладання відкосини; h – глибина вироблення

Виїмки більше ніж 3 м завширшки називають котлованами, більш вузькі, для стрічкових фундаментів або мереж комунікацій – траншеями; під окремо розташовані фундаменти або стовпи – ямами. Ці споруди мають дно і бічні поверхні, похилі відкосини або вертикальні стіни. Виїмки, розроблювані для видобутку необхідного для будівництва ґрунту, називають резервами; насипи, у які висипають зайвий ґрунт, – кар’єрами або відвалами.

Місця для висипання будівельного та іншого сміття називають звалищами, а місця, де розробляють пісок, щебінь та інші будівельні матеріали, – кар’єрами.

 Виїмки, закриті з боку поверхні землі та влаштовувані для прокладання транспортних і комунікаційних тунелів, називають підземними виробітками. Після влаштування підземних споруд (або підземної частини споруд) здійснюють зворотне засипання пазух – заповнення ґрунтом простору між спорудою та укосинами котловану.

Земляні роботи на об’єкті передбачають перероблення ґрунту, який у повному обсязі або частково розробляється, переміщується, укладається, розплановується, ущільнюється, щодо нього здійснюються інші дії – вибухи, розмивання водою, трамбування, буріння, термообробка. Процеси, що відбуваються під час перероблення ґрунту, можуть бути розподілені на три групи: основні, підготувальні й допоміжні.

 Основними процесами перероблення ґрунту, унаслідок яких зводяться земляні споруди заданих параметрів, є такі: розроблення ґрунту у виїмках, укладання ґрунту в насип, навантаження і переміщення його в межах будівельного майданчика; транспортування ґрунту за його межі; пошарове розрівнювання та ущільнення ґрунту; розпушування мерзлих і важко розроблюваних ґрунтів; зворотне засипання пазух землянї споруди.

Основні процеси супроводжуються підготувальними та допоміжними, до того ж підготувальні процеси здійснюють до початку розроблення ґрунту, а допоміжні – до або під час зведення земляних споруд. Такими є зниження рівня ґрунтових вод, улаштування протифільтраційних завіс і екранів, укріплення ґрунтів, розмічення земляних споруд на місцевості, тимчасове укріплення стінок котлованів і траншей, зрізання недобору ґрунту, прокладення й утримання під’їзних доріг, контроль якості робіт тощо.

 У разі значних обсягів земляних робіт використовують різноманітну будівельну техніку – екскаватори, бульдозери, скрепери, засоби гідромеханізації, вибухову техніку. Механічна озброєність земляних робіт становить 98 %, в окремих випадках без використання механізмів доводиться зачищати дно котлованів, укосин, виривати ями, траншеї тощо.

2. Підготовчі та допоміжні процеси під час виконання земляних робіт

Перед початком виконання основних робіт, що складаються з розпушування, розроблення та транспортування ґрунту, його відсипання та ущільнення, підчищання дна та опорядження укосів виїмки та насипів, треба виконати низку підготовчих робіт: очищення території, зняття рослинного шару, відведення поверхневих вод, геодезичне розбивання, улаштування шляхів, освітлення тощо. У процесі виконання земляних робіт проводять допоміжні роботи з водовідливу, водозниження, штучного закріплення ґрунтів, захищення виїмок від ґрунтових вод, улаштування кріплень виїмок тощо.

Зняття рослинного шару. Під час підготовки територій до будівельних робіт потрібно зняти рослинний шар ґрунту, потім його можна використати для благоустрою територій. Витрати на виконання цих робіт входять у вартість об’єктів будівництва.

Рослинний шар ґрунту знімають за допомогою бульдозерів, грейдерів та скреперів.

Бульдозером зрізують та переміщують ґрунт, укладаючи його в проміжні валки, які підгортають для завантаження у автосамоскиди екскаватором чи тракторним навантажувачем. Грейдером ґрунт зрізують та зсувають убік. Під час наступних проходок збільшений об’єм ґрунту переміщують ще далі, утворюючи поздовжній валик ґрунту, який потім підгортають бульдозером. Скреперами рослинний шар ґрунту після виїмки переміщують у тимчасові відвали чи вивозять та укладають шаром відповідної товщини на площах, які підлягають рекультивації.

Геодезичний контроль при улаштуванні виїмок. Розбивання виїмки (наприклад, котловану) починають з виносу та закріплення в натурі основних осей будівлі відповідно до робочих креслень.

Навколо майбутньої виїмки поза її межами влаштовують огорожу (суцільну чи з розривами) із стовпчиків, до яких із зовнішнього боку прибивають горизонтальні дошки 25–30 см завширшки й 5 см товщиною. Верхню межу дощок установлюють за нівеліром. Кінці стовпчиків зрізують у рівень з верхнім ребром дошки. На огорожу переносять за допомогою теодоліта основні розбивні осі і закріплюють їх цвяхами. Між протилежними дошками огорожі по позначених точках натягують дріт (вісь). Опускаючи з перетину осей висок, визначають потрібну точку на дні котловану. Контролювати точність виїмки ґрунту з котловану можна за допомогою візирок (рис. 4.2). Розміри котловану зверху та знизу позначають добре видимими кілочками.

3. Розробка ґрунту

Розробляючи ґрунт у виїмках простої конфігурації, огорожу можна не влаштовувати. Габарити виїмки в цьому разі фіксують за допомогою геодезичних інструментів і встановленням кілочків по всіх кутах та в певних точках. Лише після закінчення улаштування виїмки приступають до розбивання осей будівлі чи споруди з улаштуванням огорожі.

Рис. 4.2. Схема розбивання виїмки та контроль глибини за допомогою візирок: а – план виїмки (котловану); б – елемент огорожі; в – контроль глибини за умови, що рівень верху дощок огорожі відповідає рівню підлоги першого поверху; г – те саме, за умови, що рівні верху дощок огорожі та підлоги першого поверху різняться висотою, кратною 0,5 м; 1 – виїмка; 2 – споруда; 3 – огорожа; 4 – створні знаки; 5 – основні розбивні осі; 6 – стовп; 7 – цвях; 8 – поздовжня дошка

Розбиття здійснюють за допомогою геодезичних інструментів і різних вимірювальних пристосувань. Розмічування котлованів починають з винесення й закріплення на місцевості базових робочих осей, якими обирають головні осі будівлі. Потім навколо майбутнього котловану на відстані 2…3 м від його бровки паралельно до основних розбивних осей влаштовують огорожу. Огорожа для одноразового використання складається із забитих у ґрунт металевих стояків або вкопаних дерев’яних стовпів і прикріплених до них дощок.

Для пропускання транспортних засобів в огорожах залишають розриви. Якщо місцевість має значний ухил, огорожу роблять східчастою. Розміри котловану зверху, а після його вириття й унизу, а також інші важливі позначки відмічають добре помітними кілочками або віхами.

Після зведення підземної частини будівлі основні розбивні осі переносять на його цоколь. Для лінійно протяжних споруд (траншей) влаштовують тільки поперечні огорожі, які розташовують на прямих ділянках траси через кожні 50 м, на заокруглених – через 20 м.

4. Пониження рівня ґрунтових вод

Водовідлив і пониження рівня ґрунтових вод. Під час влаштування виїмок, розташованих нижче рівня ґрунтових вод, необхідно осушити водонасичений ґрунт і забезпечити його розроблення у звичайних умовах. Крім цього, котловани, траншеї і виробітки у період проведення робіт необхідно убезпечити від потрапляння в них ґрунтових вод. Ефективним технологічним прийомом вирішення таких завдань є відкачування ґрунтової води. У разі невеликого надходження ґрунтових вод котловани й траншеї розробляють із застосуванням відкритого водовідливу, а якщо води надходить багато і товщина водонасиченого шару, що розробляють велика, то до початку виконання робіт рівень ґрунтових вод штучно знижують, використовуючи різноманітні способи закритого водовідливу. Такий процес називається водозниженням. Відкритий водовідлив (рис. 4.3) застосовують під час відкачування плинної води безпосередньо з котлованів або траншей за допомогою насосів.

Рис. 4.3. Схема відкритого водовідливу: а – з котловану; б – з траншеї; 1 – канава дренажна; 2 – приямок (зумпф); 3 – знижений рівень ґрунтових вод; 4 – привантаження дренажне; 5 – насос; 6 – кріплення шпунтове; 7 – розпірка інвентарна; 8 – рукав всмоктуючий з сіткою (фільтром); Н – висота всмоктування

У разі відкритого водовідливу ґрунтові води, просочуючись через укосини й дно котловану, скеровують проритими водозбірними канавами або лотками до спеціально влаштованих у нижній частині котловану приямків – зумпфів, звідки воду викачують діафрагмовими або відцентровими насосами.

 Водозбірні канави повинні мати такі розміри: ширина по дну 0,3…0,6 м, глибина 1…2 м, ухил у бік приямків – 0,01…0,02 м. У стійких ґрунтах приямки укріплюють у вигляді дерев’яного зрубу без дна, а в пливких ґрунтах – шпунтовою стінкою. Відкритий водовідлив є простим і доступним способом боротьби з ґрунтовими водами, але має значні технологічні недоліки: внаслідок розмивання проточною водою знижується природна міцність основи виїмки; наявна на дні виїмки вода ускладнює розроблення ґрунту; потрібно укріплювати стінки виїмок, оскільки рух води до зумпфа спричиняє рух і ґрунтів; підтікання води до водозбірної канави може спричиняти послаблення підвалин будинків і споруд, розташованих поруч зі споруджуваним об’єктом. У тих випадках, коли використання водовідливу є недоцільним, рівень ґрунтових вод штучно понижують (водозниження). Водозниження застосовують, щоб зменшити рівень ґрунтових вод (РГВ) нижче дна майбутньої виїмки. Рівень ґрунтових вод знижують шляхом відкачування з колодязів або бурових свердловин глибинними насосами, знижуючи при цьому рівень, розташованих у безпосередній близькості від майбутнього котловану або траншеї.

 Розроблено декілька ефективних способів штучного водозниження, головними з яких є голкофільтрувальний, вакуумний і електроосмотичний.

Голкофільтрувальний спосіб (рис. 4.4) штучного зниження РГВ базується на використанні голкофільтрувальних установок, що складаються зі сталевих труб із фільтрувальним елементом у нижній частині (голкофільтр), водозбірного колектора – на поверхні землі й самоусмоктувального вихрового насоса з електродвигуном. Сталеві труби занурюють у ґрунт по периметру котловану або уздовж траншеї.

Рис. 4.4. Водозниження за допомогою легких голкофільтрових установок: а – котлован із голкофільтрами, встановленими в один ярус; б – встановлення голкофільтрів у два яруси; в – гідравлічне занурення голкофільтра; г – фільтрувальний елемент і схема роботи клапанів під час гідравлічного занурення голкофільтра; д – фільтрувальний елемент і схема роботи клапанів під час відкачування води; 1 – відцентровий насос; 2 – засувка; 3 – колектор; 4 – голкофільтри; 5 – підвідний трубопровід; 6 – насос; 7 – напірний рукав; 8 – хомут для ручного регулювання; 9 – приямок; 10 – усмоктувальний колектор; 11 – фільтрувальна сітка; 12 – захисна сітка; 13 – сталева спіральна обмотка; 14 – зовнішня труба з отворами; 15 – внутрішня труба; 16 – кільцевий клапан; 17 – кульовий клапан; 18 – стопорний болт; 19 – наконеччя; 20 – депресійна крива під час відкачування води з першого ярусу; 21 – з другого ярусу

Щоб опустити голкофільтр у робоче положення, у разі складних ґрунтів бурять свердловини. У пісках і супіщаних ґрунтах голкофільтри занурюють за допомогою гідравлічного способу. Одноярусне розташування голкофільтрів дає змогу знизити рівень ґрунтових вод на 4…5 м, двоярусного – на 7…9 м. Голкофільтри розташовують на відстані 0,5 м від бровки котловану або траншеї.

Вузькі траншеї – до 4,5 завглибшки м і до 4 м – осушують за допомогою одного ряду голкофільтрів, якщо ширина й глибина більші – двох рядів.

Вакуумний спосіб водозниження базується на використанні ежекторних установок, що знижують рівень води. Ці установки використовують у дрібнозернястих ґрунтах, у яких легкі голкофільтрові установки застосовувати недоцільно. Під час роботи вакуумних установок вакуум виникає в зоні ежекторного голкофільтра.

Рис. 4.3. Схеми голкофільтрових установок з вакуумним водозниженням, електроосушуванням ґрунту та ежекторним водопідйомом: а – водозниження легкими голкофільтровими установками; б – вакуумне водозниження; в – голкофільтрова установка з електроосушуванням; г – водозниження за допомогою ежекторних голкофільтрів; д – схема ежекторного голкофільтра; 1 – ланка фільтра; 2 – дзеркало ґрунтових вод після зниження їх голкофільтрами; 3 – відцентровий насос; 4 – епюра тиску при зниженні легкими голкофільтрами; 5 – те саме, при вакуумному водозниженні; 6 – вакуум-насос; 7 – сталева труба (анод); 8 – голкофільтр (катод); 9 – дзеркало ґрунтових вод після електроосушення; 10 – низьконапірний насос; 11 – водовідвідний колектор; 12 – голкофільтрова труба; 13 – внутрішня труба з ежекторним пристроєм; 14 – дифузор; 15 – насадок; 16 – фільтрувальна оболонка з гофрованої сталевої оцинкованої стрічки, що має знижене ущільнення шва; 17 – вікно для пуску ґрунтової води; 18 – шаровий клапан; 19 – водоупор

Під час роботи установки в кільцевий простір між зовнішньою та внутрішньою колонами труб голкофільтра під тиском 0,6–1,0 МПа подають “робочу” воду, яка спрямовується у насадку. Біля виходу з насадки внаслідок різкого зростання швидкості руху цієї води створюється розрідження, під дією якого через прорізи всмоктується ґрунтова вода, що пройшла до цього через гофрований фільтр. Ґрунтові води біля входу у горловину змішуються з “робочою” водою і далі проходять крізь дифузор, піднімаються до верху, де виливаються через патрубок у бак.

Явище електроосмосу використовують, щоб розширити сферу застосування голкофільтрових установок у ґрунтах з коефіцієнтом фільтрації менше ніж 0,05 м/добу. Голкофільтри під’єднують до негативного (катод), а труби або стрижні – до позитивного полюса джерела постійного струму (анод).

Під дією сили електричного струму вода, що міститься в порах ґрунту, вивільняється і переміщується у напрямку до голкофільтрів. Унаслідок застосування явища електроосмосу коефіцієнт фільтрації ґрунту зростає в 5...25 разів. Під час інтенсивного відкачування ґрунтових вод у районі будівництва порушуються гідрогеологічні умови, зв’язок підземних вод із поверхневими, унаслідок чого може погіршитися робота діючих водозабірних систем, процес осушення джерел. Тривале відкачування ґрунтових вод небезпечне на забудованих міських територіях, оскільки воно може спричинити осідання земної поверхні, деформацію будівель і споруд, зміщення осей інженерних мереж.

Створення штучних протифільтраційних завіс і екранів. Щоб убезпечити котловани, траншеї, підземні виробітки й захистити будівельний майданчик від надходження ґрунтових вод, залежно від їхнього стану й потужності водоносних шарів застосовують такі способи укріплення ґрунту: заморожування, уведення в ґрунт розчинів-затверджувачів, створення тиксотропних протифільтраційних екранів і завіс, улаштування шпунтових огороджень. У дуже водонасичених ґрунтах (пливунах) під час розроблення глибоких виїмок і підземних споруд за допомогою природного або штучного заморожування ґрунтів створюють протифільтраційні завіси

Сукупним різновидом впливів, унаслідок яких підвищується міцність ґрунту (він стає нерозмивним, а в деяких випадках і водонепроникним) є штучне укріплення ґрунтів. Укріплюють ґрунти, щоб створити навколо розроблюваних виїмок водонепроникні завіси й підвищити несучу здатність ґрунтових підвалин. Залежно від фізико-механічних властивостей ґрунту, його стану, необхідного ступеня й призначення укріплення застосовують такі способи штучного закріплення ґрунтів: заморожування, цементація, бітумізація, хімічний, електрохімічний тощо.

Способи заморожування грунтів

Ґрунти, що дуже насичені водою (пливуни), під час розроблення глибоких виїмок заморожують. Для цього по периметру котлована занурюють заморожувальні ряди труб, з’єднаних між собою трубопроводом, по якому закачують спеціальну рідину – розсіл (розчини солей з низькою температурою замерзання), охолоджений холодильною установкою до –20...25 °С (рис. 4.5)

Рис. 4.5. Схема штучного заморожування ґрунтів: а – за близького залягання водоупору; б – за глибокого залягання водоупору; в – схема холодильної установки; 1 – колонка заморожувальна; 2 – труба відвідна; 3 – труба живильна; 4 – колектор; 5 – розподільник; 6 – насос циркуляційний розсольний; 7 – випарник; 8 – вентиль терморегулювальний; 9 – конденсатор; 10 – збирник олії; 11 – лінія низького тиску аміаку; 12 – компресор; 13 – лінія високого тиску холодоносія; 14 – ґрунт заморожений

Спосіб заморожування має такі недоліки: ефект зберігається тимчасово, процес природного відтавання триває досить довго, підвищується вологість ґрунту внаслідок переміщення води з теплих шарів ґрунту до охолоджених (під дією градієнта температур) тощо. Технологія заморожування й технічні засоби для її виконання, однак, достатньо відпрацьовані, і, незважаючи на зазначені недоліки, цей спосіб застосовують досить широко.

 Цементація і бітумізація передбачає введення відповідного цементного розчину або розігрітих бітумів у поруваті ґрунти з високим коефіцієнтом фільтрації, а також скельні породи з тріщинами.

За допомогою хімічного способу закріплюють піщані й лесові ґрунти накачуючи в них через ін’єктори хімічні розчини. Застосовують один або два розчини. Розчин накачують за допомогою спеціальних труб-ін’єкторів, занурюючи їх окремо або пакетами по 5 шт. Відстані між ін’єкторами встановлюють, ураховуючи в’язкість розчину й тип ґрунту, які визначають експериментально.

Електричний спосіб застосовують для укріплення вологих глинястих ґрунтів. Він полягає у пропусканні через ґрунт постійного електричного струму з напруженістю поля 0,5...1 В/см і щільністю струму 1...5 А/м². Одночасно глину осушують і ущільнюють, вона втрачає здатність до пучення. 

 Електрохімічний спосіб відрізняється від попереднього тим, що одночасно з електричним струмом у ґрунт через трубу, яка є катодом і використовується як ін’єктор, вводять розчини хімічних домішок, що збільшують провідність струму (силікат натрію, хлористий кальцій, хлористе залізо). Унаслідок цього інтенсивність процесу закріплення ґрунту зростає.

5. Методи виконання земляних робіт

Виконання будівельно-монтажних робіт і, насамперед, зведення підземної частини будівель і споруд поєднують із земляними роботами. Земляні роботи вважають найбільш важким і трудомістким різновидом будівельних робіт, що виконуються в складних умовах і залежать від природно-кліматичних чинників.

 Земляні роботи належать до комплексу робіт нульового циклу, який також включає риття котлованів і траншей, влаштування дренажів, укріплення й підготування підвалин під будівлю, зведення фундаментів і стін, перекриттів, тунелів, зворотне засипання ґрунту в пазухи між фундаментами й укосинами котлованів.

Роботи нульового циклу вважають завершеними після влаштування підземної частини будівлі з комунікаціями й елементами підземних споруд. Земляні роботи виконують за допомогою різних методів, які можна розподілити на чотири групи:

механічний, гідравлічний, вибуховий і ручний.

Розроблення ґрунту механічним способом. У разі застосування механічного способу на ґрунт діють різальні зусилля машин, унаслідок чого частину ґрунту відокремлюють від масиву, переміщують й укладають у насип. Машина, що тільки ріже ґрунт, називається землерийна.

Землерийно-транспортна машина розробляє і переміщує ґрунт. Землерийними машинами є екскаватори різних типів: одноківшові (пряма і зворотна лопата, драглайн, грейфер), багатоківшові (ланцюгові, роторні) і фрезерні.

Залежно від ходового пристрою розрізняють гусеничні, пневмоколісні, автомобільні та крокувальні екскаватори, а також обладнані гідравлічною, пневматичною та електричної системами керування.

Розроблення ґрунту одноківшовими екскаваторами. У будівництві застосовують екскаватори, ківш яких має місткість від 0,15 до 2, рідше до 4 м³. Вони обладнані комплектом змінного обладнання – прямою і зворотною лопатами, драглайном і грейфером. Стріла, що входить до комплекту драглайну і грейфера, може бути обладнана вантажним гаком або клином-бабою.

Пряма лопата (див. рис. 4.5, а) становить собою відкритий зверху ківш із різальним переднім краєм, жорстко насадженим на руків’я, яке за допомогою шарнірів з’єднане зі стрілою машини і висувається вперед унаслідок дії напірного механізму. Спорожняється ківш шляхом відкривання його днища. Для розроблення ґрунту, екскаватор розміщують на дні розроблюваного забою. Екскаватор може виривати ґрунт і нижче горизонту його розташування. Щоб установити машину в забої виїмки влаштовують пандус,.

Зворотна лопата (див. рис. 4.5, б) – це відкритий знизу ківш із різальним переднім краєм, жорстко насаджений на руків’я, з’єднане (без напірного механізму) зі стрілою за допомогою шарнірів. Під час перетягування назад ківш заповнюється ґрунтом. Далі за вертикального положення руків’я ківш переміщують до місця вивантаження і розвантажують, піднімаючи й одночасно перекидаючи його. Робоча зона розташовується нижче горизонту розміщення машини.

 Сучасні екскаватори зі зворотною лопатою мають гідравлічний привід, що дає змогу повертати ківш стосовно руків’я.

Ківш драглайна (рис. 4.5, д) навішують на канатах на подовжену стрілу кранового типу. Ківш закидають у виїмку на відстань, що дещо перевищує довжину стріли, і заповнюють його ґрунтом шляхом підтягування по поверхні до стріли. Потім ківш піднімають у горизонтальне положення щодо стріли і повертом машини переміщують на місце розвантаження. Спорожняючи ківш, тяговий канат ослаблюють. За допомогою драглайна можна розробляти, не тільки насичений вологою ґрунт, але й той, що знаходиться під шаром води.

Рис. 4.6 – Робоче обладнання одноківшового екскаватора: а – пряма лопата; б – зворотна лопата; в – струг; г – засипник; д – драглайн; е – грейфер; ж – кран; и – канатно-скребковий; к – копер; л – трамбівка; м – викорчовувач

Грейфер (див. рис. 4.6, е) – це ківш із двома або більше лопатями і канатним приводом, що примусово змикає ці лопаті. Грейфер навішують на таку саму стрілу, що й драглайн. За допомогою грейфера можна розробляти виїмки з вертикальними стінками. Під час поверту стріли ківш переміщують до місця розвантаження й спорожняють під час примусового розкриття лопатей. Грейфер занурюється в ґрунт внаслідок тільки власної маси ковша.

Розроблення ґрунту багатоківшовими екскаваторами. Робочою частиною багатоківшового екскаватора є ковші, насаджені через рівні проміжки на ланцюг або колесо (ротор), що рухається безперервно. За особливостями переміщення машини відносно напряму руху робочої частини розрізняють багатоківшові екскаватори повздовжнього черпання – ланцюгові, роторні та поперечного черпання.

Оскільки ґрунт черпається ковшами безперервно, то ці екскаватори є машинами безперервної дії (на відміну від одноківшових екскаваторів, які є машинами циклічної дії). Ковші наповнюють ґрунтом під час їхнього руху угору по похилій або криволінійній поверхні розроблюваної виїмки. Спорожняють ковші в момент досягнення ними найвищої точки їхньої траєкторії, де їх перекидають. Висипаний з них ґрунт потрапляє на стрічковий конвеєр, яким його доставляють для завантаження в транспортні засоби або у відвал (рис. 4.6).

Рис. 4.6 – Розроблення траншей багатоківшовими екскаваторами: а – ланцюговим екскаватором; б – роторним; 1 – тягач; 2 – рама тягача; 3 – механізми; 4 – підвіси і привід; 5 – поперечний конвеєр; 6 – опора ротора; 7 – рама ковшів; 8 – пристрій для зачищення дна траншеї; 9 – ножі-укосини; ← – напрям руху

Екскаватори з поздовжнім черпанням застосовують для проходження траншей невеликого перерізу прямокутного й трапецієподібного профілю. Траншеї починають рити з найбільш низьких місць профілю, що забезпечує стікання ґрунтових і атмосферних вод.

Екскаватори з поперечним черпанням використовують для розроблення котлованів і траншей з великим перерізом, планування укосин і розроблення кар’єрів. Цей процес відбувається так. Спочатку екскаватори розробляють ґрунт, застосовуючи віялове різання. Вони переміщуються уздовж усього фронту робіт і знімають шари ґрунту в радіальному напрямку до досягнення необхідної глибини.

 Розроблення ґрунту землерийно-транспортними машинами. Різновидами землерийно-транспортних машин є скрепери, бульдозери та грейдери, які за один цикл розробляють ґрунт, переміщують його, розвантажують у насип і повертаються в забій порожніми.

Скрепери – високопродуктивні землерийно-транспортні машини, які використовують під час розроблення котлованів і планування поверхонь. Розрізняють скрепери причіпні, місткість ковша яких становить 2,25...10 м³ (у зчепі з трактором-тягачем), і самохідні (див. рис. 3.7), місткість ковша яких становить 8 м³ і більше. Останній тип скрепера досконаліший, оскільки він більш маневрений і швидкісний. Щоб швидше наповнити ковші декількох причіпних скреперів, а також ківш самохідного скрепера, застосовують трактор-штовхач, що обслуговує групу скреперів на ділянці завантаження (набору ґрунту). Кількість тракторів-штовхачів залежить від місткості ковшів скреперів і відстані переміщення ґрунту.

За допомогою скреперів розробляють, транспортують та укладають піщані, супіщані, лесові, суглинясті, глинясті та інші ґрунти, без валунів, домішки ріні й щебеню не повинні перевищувати 10 %. Скрепер знімає ковшем пласт ґрунту завтовшки 0,12...0,32 і завширшки 1,65...2,75 м (для скрепера з місткістю ковша 2,25...9 м³). Товщина шару, що відсипають, – 0,22...0,55 м. Розроблювані скреперами суглинні й глинисті ґрунти необхідно попередньо розрихляти.

Рис. 4.7 – Самохідний скрепер: 1 – тягач; 2 – сідельно-зчіпний пристрій; 3 – циліндр поверту тягача; 4 – рама; 5 – циліндр піднімання і опускання ковша; 6 – заслінка; 7 – циліндр керування передньою заслінкою; 8 – ківш; 9 – задня стінка; 10 – циліндр задньої стінки; 11 – горизонтальні ножі; 12 – бокові ножі

Причіпні скрепери застосовують здебільшого під час перевезення ґрунту на відстань до 1000, а самохідні – до 3000 м. Скрепери доцільно використовувати разом із бульдозерами, за допомогою яких зрізають і розрівнюють ґрунт в обмежених місцях (кути майданчика, окремі западини), планують відкосини.

Бульдозерами розробляють ґрунт у неглибоких і протяжних виїмках та резервах та перевозять його на відстань до 100 м (більш потужними тракторами можна перевозити ґрунти на великі відстані). Бульдозерами також підгортають ґрунти, виконують зворотне засипання траншей і пазух котлованів, зачищають дно котлованів після завершення екскаваторних робіт, розрівнюють і розмічують ґрунт. Виїмки розробляють ярусами, глибина яких співпадає з товщиною ґрунту, що знімається за одне проходження.

Грейдери використовують під час розмічування території, укосин земляних споруд, зачищення дна котлованів і розроблення канав до 0,7 м завбільшки, під час зведення протяжних насипів до 1 м заввишки і нижнього шару більш високих насипів із резервів. Автогрейдерами профілюють дорожнє полотно й дороги.

Перероблення ґрунту гідромеханічним способом. Гідромеханічний процес базується на властивості швидкоплинної води розмивати ґрунт і переносити його частинки в підвішеному стані, допоки швидкість води не зменшиться до величини, за якої частинки ґрунту осідають на дно (0,3...0,03 м/с) . Гідросуміш у відведені для цієї мети місця (карти намиву) транспортують по напірних трубах, або самопливом – по лотках або канавах. У разі застосування гідротехнічного способу розроблення ґрунту всі технологічні операції процесу – відділення ґрунту від масиву, захоплення, транспортування до місця укладання й укладання – виконують за допомогою енергії потоку води.

Виокремлюють такі різновиди гідротехнічного способу розроблення ґрунту: гідромоніторний, землесосний та комбінований. Під час застосування гідромоніторного способу (рис. 4.8) у сухих вибоях, ґрунт розмивають струменем води, що подають під високим тиском з насаду приладу – гідромонітора. За допомогою гідромонітора вода подається по трубопроводу від насосної станції, що розташовується біля найближчого водоймища.

Рис. 4.8 – Схеми способів гідромеханічного розроблення ґрунту: а – гідромонітор; б, в – розроблювання ґрунту гідромонітором зустрічним забоєм; г – те саме попутним; д – розміщення гідромоніторів; е – загальна організація гідромоніторного розроблювання ґрунту; ж – розроблювання ґрунту під водою земснарядом; и – розпушувач ковшовий; 1 – насадка; 2 – ствол гідромонітора; 3 – шарнір; 4, 6 – привод переміщення ствола у вертикальному напрямі; 5, 7 – верхнє й нижнє коліно; 8 – водяний струмінь; 9 – труба всмоктувальна; 10 – зумпф; 11 – насос ґрунтовий; 12 – пульпопровід; 13 – дамба обвалування; 14 – насосна; 15 – рубка й пульт керування земснаряда; 16 – лебідка рамоподібна; 17 – розпушувач двороторний; 18 – головний насосній агрегат; 19 – паля напірна; 20 – фреза; 21 – ківш; 22 – обмежувач; 23 – бункер; 24 – вал розпушувача

За комбінованого способу розроблення використовують два методи: ґрунт розробляють механічним способом, а розпушений і розріджений ґрунт транспортують по земляному ґрунтовому насосу. Якщо застосовують естакадний спосіб подачі пульпи, то магістральний трубопровід на ділянці намивання розміщують на естакаді, вищій за насип, що зводиться, і почергово подають з нього пульпу на карти намиву.

 За безестакадного способу магістральний пульпопровід укладають уздовж основи насипу, що зводиться. Через кожні 20...30 м на трубопроводі встановлюють випускні патрубки, через які пульпа надходить на карту намиву.

У разі намивання насипів із дренувальних ґрунтів застосовують комплексний спосіб, за якого пульпу випускають із патрубків, розташованих на невисоких естакадах. Зведення насипів методом намивання забезпечує значну щільність ґрунту, тому ґрунт штучно не ущільнюють, а надають насипу невеликий (до 1,5 %) запас висоти на подальше зсідання.

6. Безтраншейне розроблення ґрунту

 У звичайних умовах для прокладення трубопроводів риють траншею, по дну якої укладають трубу, після чого траншею засипають. Іноді така технологія виявляється неприйнятною, наприклад у разі перетину трубопроводу транспортної магістралі трасою з інтенсивним рухом, який не можна переривати навіть на відносно короткий термін.

Рис. 4.9 – Закриті способи розроблення ґрунту (проколювання): а – гідравлічним домкратом; б – вібраційним розширювачем із тракторним тягненням; в – гідравлічним домкратом з шомполом; г – те саме з подовжувальним патрубком; д – горизонтальне буріння машиною УГБ-2; 1 – пристрій насосний; 2 – котловани робочий та приймальний; 3 – наконеччя; 4 – приямок стикування труб (збирання пульпи під час розмивання); 5 – труба прокладальна; 6 – рама напрямна; 7 – патрубок подовжувальний; 8 – балка упорна; 9 – домкрат гідравлічний; 10 – упертя пальове; 11 – плита упорна; 12 – шомпол внутрішній; 13 – шпинь; 14 – канат тягловий; 15 – уширювач вібраційний; 16 – наголовник; 17 – секція ножова; 18 – трубоукладальник; 19 – машина бурова; 20 – лебідка тягова; 21 – поліспаст; 22 – якір; 23 – коронка бурова із шнеком; 24 – каток

У такому разі вдаються до безтраншейних, так званих закритих методів робіт: проколювання, продавлювання, горизонтального буріння, пневматичного пробивання або щитового проходження.

 Спосіб проколювання базується на утворенні отворів унаслідок радіального ущільнення ґрунту під час втискування в нього труби з конічним наконеччям. Для втискування використовують гідравлічний домкрат (див. рис. 3.9). У котловані укладають ланку труби з наконеччям і після вивірення домкратом втискають її в ґрунт на довжину ходу штока, після повернення штока в початкове положення на їхнє місце укладають натискний патрубок (шомпол), процеси повторюють.

Після закінчення втискування першої ланки труби на повну довжину шомпол прибирають, а в котлован опускають наступну ланку, яку притискають до вже втисненої в ґрунт ланки, і зварюють їх.

За допомогою цього способу в ґрунтах, що добре стискаються, утворюють отвори діаметром до 500 мм. Спосіб продавлювання застосовують під час прокладання труб великого діаметра (до 1400 мм). Він базується на послідовному втисканні в ґрунт ланок труб та їхньому зварюванні, розробленні ґрунту всередині труби й видаленні його через прокладувану трубу за допомогою шнекової установки, гідромеханічного методу шляхом розмивання ґрунту всередині труби струменем води та подальшого відкачуванням пульпи за допомогою насоса (у легкорозмивних ґрунтах) або желонки з нарощуванням руків’я.

Пневматичне пробивання здійснюють за допомогою спеціального прохідницького віброударного снаряда – пневмопробійника, що становить собою саморушійну пневматичну машину, корпус якої є робочою частиною, за допомогою якої утворюють свердловину. Під дією стисненого повітря ударник здійснює зворотно-поступальні рухи і завдає удари по передньому внутрішньому торчаку корпуса, забиваючи його в ґрунт.

 Під час щитового проходження розроблюваного ґрунту та влаштування стінок тунелю застосовують циліндричну оболонку – щит, що становить собою кільцеву, відкриту з обох кінців конструкцію, внутрішній діаметр якої дорівнює зовнішньому діаметру споруджуваного тунелю. Спереду, у верхній частині щита розташований дашок–виступ, що використовують для захисту робітників від можливого обвалу ґрунту.  Просування щита супроводжується врізанням його різального краю в ґрунт під дією гідравлічних домкратів, розміщених по всьому периметру щита.

7. Допоміжні процеси під час виконання земляних робіт

Тимчасове зміцнення стінок виїмок. Особливу увагу під час зведення підземної частини будівель і споруд приділяють укосинам і стінкам виїмок. Необхідність їхнього укріплення, а також конструкції кріплення визначають до гідрогеологічних умов і конструкції підземної частини споруди, що зводиться. Якщо глибина виїмок у піщаних і великоуламкових ґрунтах не більше ніж 1 м, у супесях – 1,25 м, у суглинках і глинах – 1,5 м, а в особливо щільних ґрунтах – 2 м, то вертикальні стінки в ґрунтах природної вологості (за умови відсутності ґрунтових вод) не укріплюють. Тимчасово укріпити стінки земляної споруди можна у вигляді дерев’яного або металевого шпунта за скісного кріпленні стінок – дерев’яних щитів з опорними стояками. Шпунтове огородження застосовують під час розроблення виїмок у водонасичених ґрунтах поблизу будівель і споруд. Шпунт (металевий або дерев’яний) забивають у ґрунт на глибину, що перевищує глибину майбутнього котловану на 2...3 м. Як металеві стояки використовують прокатні профілі (швелер, двотавр, труби) або спеціальний прокат. Розпірне кріплення застосовують у вузьких траншеях 2...4 м завглибшки сухих і маловологих ґрунтів. Воно складається з вертикальних стояків, горизонтальних дощок, дощаних щитів і розпірок, стійок і щитів, що притискають до стінок траншеї. Стояки, як і розпірки, встановлюють уздовж траншеї через 1,5...1,7 м одна від одної, по висоті – через 0,6...0,7 м (рис. 4.10).

Рис. 4.10 – Способи укріплення стінок виїмок: а – схеми конструктивних рішень; б – укріплення інвентарне розпірне; в – консольний тип; г – консольно-анкерний тип; д – консольно-розпірний тип; е – огородження шпунтове з внутрішнім анкерним кріпленням; А – розпірне; В – консольне; С – консольно-розпірне; D – консольно-анкерне; Е – підкосне; 1 – щит; 2 – стояк (паля); 3 – анкер; 4 – розпірка; 5 – підкіс; 6 – упертя; 7 – стояк металевий; 8 – куточок; 9 – загострення; 10 – болт; 11 – закидка; 12 – паля-анкер; 13 – засипання; 14 – тяж; 15 – балка (двотаврв); 16 – куточки стальні підтримуючі; 17 – стінка шпунтова; 18 – балка (швелер); 19 – тяга

Скісне кріплення влаштовують під час риття широких котлованів, розташувуючи його усередині котловану. Кріплення складається з щитів або дощок, притиснутих до ґрунту стояками, розкріплення підкосинами із упорів. Вертикальні стояки укріплюють похилими підкосинами й горизонтальними розпірками. Дощані щити встановлюють між стінками котловану й стояками, проміжок між ними засипають землею, щоб утворити єдину стійку конструкцію.

8. Виконання земляних робіт у зимових умовах

 Приблизно 15 % загального обсягу земляних робіт доводиться виконувати в зимовий період. У таких умовах трудомісткість розроблення ґрунту значно зростає (ручних робіт у 4...7 разів, механізованих – у 3...5 разів), деякі механізовані засоби застосовуються обмежено – екскаватори, бульдозери, скрепери, грейдери, хоча виїмки взимку можна влаштовувати без укосин. Вода, яка ускладнює проведення робіт у теплу пору року, замерзаючи сприяє їхньому перебігу. Відпадає необхідність у шпунтових огородженнях й у водовідливі.

 Залежно від конкретних місцевих умов використовують такі методи розроблення ґрунту: убезпечення ґрунту від промерзання з подальшим розробленням за допомогою звичайних методів; відтавання ґрунту та його розроблення в талому стані; розроблення ґрунту в мерзлому стані з попередніми його розпушенням; безпосереднє розроблення мерзлого ґрунту.

Убезпечення ґрунту від промерзання. Цей метод заснований на штучному створенні на поверхні ділянки, визначеної для розроблення в зимовий період, термоізоляційного покриття та розробленні ґрунту в талому стані. Убезпечення здійснюється до встановлення стійких від’ємних температур, із утеплюваной ділянки попередньо відводять поверхневі води. Застосовують такі способи влаштування термоізоляційного покриття: попереднє розпушування ґрунту, зорювання й боронування ґрунту, перехресне розпушування, укриття поверхні ґрунту утеплювачами.

Попереднє розпушування ґрунту, а також зорювання і боронування проводять до настання зимового періоду на ділянці, призначеній для розроблення в зимових умовах. Глибинне розпушування здійсняють за допомогою екскаваторів на глибину 1,3...1,5 м шляхом перекидання розроблюваного ґрунту на ділянці, де буде розташовуватися земляна споруда.

 Перехресне розпушування поверхні здійснюють на глибину 30...40 см. Кожен наступний шар розташовують під кутом 60...90°, а кожне наступне проходження виконують навхлист на 20 см. Таке заходи, зокрема й захист снігового покриву, відтерміновують початок замерзання ґрунту на 2,5...3,5 міс, значно зменшується глибина промерзання.

Укривання поверхні ґрунту утеплювачами. Для цього використовують дешеві місцеві матеріали – листя дерев, сухий мох, торф’яний дріб’язок, солом’яні мати, стружку, тирсу, сніг.

Укривання з повітряним прошарком. Ефективнішим є поєднання місцевих матеріалів та повітряного прошарку. Для цього на поверхні ґрунту розкладають лежні завтовшки 8...10 см, на них – обапіл або інший матеріал – гілки, прути, очерет; зверху насипають шар тирси або деревних стружок завтовшки 15...20 см, запобігаючи їхньому здуванню вітром.

Метод розморожування ґрунту та розроблення його в талому стані. Розмерзання відбувається внаслідок впливу тепла. Цей процес трудомісткий і вимагає значних енергетичних затрат. Способи розморожування класифікують за напрямом розповсюдження тепла в ґрунті і за використовуваним теплоносієм – згорання палива, пар, гаряча вода, електрика.

За напрямом розморожування поділяють на три групи.

Розморожування ґрунту зверху вниз. Тепло поширюється у вертикальному напрямі від поверхні вглиб ґрунту. Цей спосіб найпростіший, не потребує підготувальних робіт. Його використовують найчастіше, хоча з погляду економічної доцільності витрат енергії він найбільш недосконалий, оскільки джерело тепла розташовується в зоні холодного повітря й частина енергії витрачається в навколишній простір (рис. 4.11).

Рис. 4.11 – Рефлекторна піч для відігрівання мерзлого ґрунту: 1 – нагрівальний елемент, 2 – рефлектор, 3 – кожух; 4 – контактні затискачі

Розморожування ґрунту знизу вверх. Тепло поширюється від нижньої межі мерзлого ґрунту до поверхні. Спосіб найбільш економний, оскільки ґрунт розмерзається під мерзлою кіркоюі тепловтрати практично виключені. Недоліком цього способу є необхідність виконання трудомістких підготувальних операцій, що обмежує сферу його застосування.

 Радіальне розморожування ґрунту посідає проміжне місце щодо двох попередніх способів за ступенем витрат теплової енергії. Тепло поширюється в ґрунті радіально від вертикально встановлених прогрівальних елементів. Відповідно до застосовуваного теплоносія використовують декілька методів розморожування.

Розморожування шляхом згоряння палива. Якщо в зимовий період виникає потреба отримати 1...2 ями, найпростішим рішенням є звичайне багаття. Підтримування вогню протягом восьми годин спричинить розморожування ґрунту під ним на 30...40 см. Застосовують цей спосіб украй рідко, оскільки в цьому разі тільки незначна частина теплової енергії витрачається продуктивно.

Електричне прогрівання. Сутність цього методу полягає в пропусканні електричного струму через ґрунт, унаслідок чого він нагрівається. Використовують горизонтальні й вертикальні електроди у вигляді стрижнів або смугової сталі. Щоб електричний струм рухався між стрижнями, необхідно створити струмопровідне середовище. Під впливом тепла нижні шари ґрунту розмерзаються. Цей спосіб достатньо ефективний, якщо глибина промерзання ґрунту – до 0,7 м. Витрати електроенергії на відігрівання 1 м³ ґрунту коливаються в межах 150..300 кВт/год., температура нагрітої тирси не повинна перевищувати 80...90 °С.

Ґрунт розморожують за допомогою смугових електродів, що укладають на поверхню ґрунту, очистивши його від снігу та сміття та якщо це можливо розрівнявши. Кінці смугового заліза загинають догори на 15...20 см для підімкнення до електропроводів.

Цей спосіб застосовують, якщо глибина відігрівання – до 0,6...0,7 м, оскільки на великій глибині напруга падає, ґрунти менш інтенсивно залучаються до роботи та повільніше нагріваються. Розроблення мерзлого ґрунту з попереднім його розпушуванням.

Мерзлий ґрунт розпушують, а потім розробляють за допомогою землерийних і землерийно-транспортних машин, застосовуючи механічний або вибуховий метод. Відповідно до норм екологічної безпеки до зимового розроблення ґрунту восени необхідно зняти бульдозером шар ґрунту з ділянки обраної для розроблення. Під час механічного розпушування мерзлий ґрунт ріжуть, розколюють або сколюють за допомогою статичних (рис. 4.12) або динамічних засобів.

Рис. 4.12 – Розпушування мерзлого ґрунту шляхом статичного впливу на нього: а – бульдозера з активними зубцями; б – екскаватора-розпушувача; 1 – напрям розпушування

Динамічні засоби використовують для розколювання або відколювання ґрунту молотами вільного падіння та спрямованої дії. Молоти вільного падіння (кульові й клин-молоти) підвішують на канатах до стріли екскаваторів, за допомогою молотів спрямованої дії коли відколюють ґрунт.

 Механічний спосіб розпушування передбачає використання землерийних і землерийно-транспортних машин. Застосовують молоти з масою до 5 т, які опускають з висоти 5...8 м: кульові молоти – під час розпушування піщаних і супіщаних ґрунтів, клин-молоти – глинястих (якщо глибина промерзання – 1 0,5...0,7 м). Як молоти спрямованої дії широко застосовують дизель-молоти на екскаваторах або тракторах: вони дають змогу руйнувати промерзлий ґрунт на глибину до 1,3 м.

Вплив статичних засобів базується на використанні в мерзлому ґрунті безперервного різального зусилля спеціальної робочої частини – зубця-розпушувача, яким обладнують гідравлічний екскаватор ( так звана «зворотна лопата») або потужні трактори.

 Мерзлі ґрунти розпушують за допомогою вибуху, якщо обсяги розроблення мерзлого ґрунту значні. Цей метод застосовують переважно на незабудованих або частково забудованих ділянках використовуючи укриття й локалізатори вибуху – важкі привантажувальні плити.

Безпосереднє розроблення мерзлого ґрунту. Ґрунт розробляють (без попереднього розпушування) за допомогою двох методів – блокового й механічного.

Блоковий метод розроблення ґрунту застосовують на великих площах. Він базується на усвідомленні того, що монолітність мерзлого ґрунту внаслідок розрізання його на блоки порушується. За допомогою навісного обладнання на тракторі – баровій машині ґрунт під час взаємно-перпендикулярних проходжень розрізають на блоки завширшки 0,6...1,0 м. Якщо глибина промерзання мала (до 0,6 м), достатньо зробити тільки повздовжні розрізи.

 Механічний метод базується на використанні сили та поєднується з ударним або вібраційним впливом на масив мерзлого ґрунту. Метод передбачає використання землерийних і землерийно-транспортних машин, а також машин зі спеціально розробленими для зимових умов робочими частинами.

Звичайні серійні машини застосовують під час початкового періоду зими, коли глибина промерзання ґрунту незначна. Пряма і зворотна лопати можуть розробляти ґрунт, якщо глибина промерзання становить 0,25...0,3 м; ківш місткістю понад 0,65 м³ – 0,4 м; екскаватор драглайн – до 0,15 м; бульдозери та скрепери здатні розробляти промерзлий ґрунт на глибину до 0,15 м.

Ґрунт розробляють і за допомогою багатоківшових екскаваторів, спеціально розроблених для прокладання траншей у мерзлому ґрунті. З цією метою використовують спеціальний різальний інструмент у вигляді іклів, зубців або коронок зі вставками з твердого металу, що прикріплюються до ковшів.