Тема 5. Розробка ґрунту механічним способом

1. Розроблення ґрунту бульдозерами.

За допомогою бульдозерів виконують весь комплекс процесів земляних робіт: планування майданчиків, розроблення виїмок із переміщенням ґрунту у насип, вирівнювання ґрунту відсипаного самоскидами, планування дна котлованів, зворотне засипання пазух траншей, повалення дерев, корчування та видалення корчів, очищення від снігу і бруду доріг тощо.

Бульдозери доцільно застосовувати для розроблення ґрунту та його переміщення на відстань до 70 м, а в окремих випадках у разі потужності трактора 200 кВт і вище – до 100–150 м. Якщо відстань більша, застосування бульдозера є неефективним через значні втрати ґрунту під час переміщення. Важкі та напівскельні ґрунти розпушують навісними тракторними розпушувачами, а також відкидними зубами, встановленими на тильному боці відвала бульдозера. Щільні ґрунти, важкі суглинки, м’які глини, а також промерзлі на глибину до 15 см ґрунти можна розробляти бульдозерами з гідравлічним керуванням без попереднього розпушування. Змінну експлуатаційну продуктивність бульдозера визначають за формулою:

    де П_е – змінна експлуатаційна продуктивність бульдозера, м³ /зміну;

    С – тривалість зміни, год;

    V – об’єм призми ґрунту в щільному стані, зрізаного відвалом, м³ .

Розраховується за формулою:

   де а – довжина відвалу, м;

    Н – висота відвалу, м;

    – кут природного укосу ґрунту, град;

     k – коефіцієнт розпушування ґрунту;

    k₃ – коефіцієнт збереження ґрунту під час його транспортування.

Розраховується:

    де ℓ – відстань, на яку переміщують ґрунт, м;

    к – коефіцієнт впливу уклону розроблення ґрунту на продуктивність бульдозера;

    к_ч – часовий коефіцієнт використання машини. Він ураховує затрати часу на догляд, обслуговування, переміщення машини з однієї ділянки на іншу тощо;

    і_и – тривалість циклу, с. Він складається з тривалості різання, переміщення ґрунту з розвантажуванням та зворотного руху.

Значної продуктивності бульдозера можна досягти за рахунок вибору раціональної схеми роботи машини. У разі різання та переміщення ґрунту під уклон 10–20 % (к_укл = 1,0–2,0) стружкою постійного перерізу якомога більшої товщини, продуктивність підвищується у 1,5–2,5 рази завдяки збільшенню швидкості руху бульдозера та об’єму переміщуваного перед відвалом ґрунту. Це забезпечується збільшенням тягової сили бульдозера та зниженням опору переміщуваного ґрунту. Тому якщо немає природного уклону, потрібно створити його штучно першими трьома – чотирма проходками бульдозера.

На горизонтальних ділянках зрізування рослинного шару та розроблення легких ґрунтів здійснюють тонкою стружкою однакової товщини або клиноподібною, а під час розроблення щільних ґрунтів – гребінчастим профілем (рис. 4.6, а). У цьому випадку ніж бульдозера спочатку заглиблюють на найбільшу можливу глибину (20–25 см), після чого ніж трохи піднімають та знову заглиблюють. Так повторюють декілька разів, кожен раз зменшуючи заглиблення порівняно з попереднім до повного накопичення ґрунту перед відвалом. Бульдозери з автоматичною системою керування відвалом забезпечують оптимальний режим різання та навантаження двигуна.

 Для зменшення втрат ґрунту в процесі переміщення застосовують траншейний спосіб виконання робіт. Бульдозер, багаторазово проходячи однією колією, розробляє траншею, стінки якої перешкоджають розсипанню ґрунту (рис. 4.6, б) та збільшують його об’єм перед відвалом. Траншейним способом переважно розробляють виїмки з переміщенням ґрунту за човниковою схемою. Ґрунт переміщують уздовж осі котловану, починаючи з середини в обидва кінці (рис. 4.6, в). Спочатку розробляють першу захватку на глибину 0,8– 1 м, потім другу на ту саму глибину, третю і т. д. Між траншеями залишають перемички з ґрунту 0,5–1,2 м завширшки, який зрізують після розроблення кількох траншей. Глибокі виїмки розробляють траншейним способом поярусно.

Рис. 4.6. Схеми різання грунту (а), способи виконання планувальних робіт бульдозерами (б) та розроблення виїмок (в): 1 – різання тонкою стружкою однакової товщини; 2 – те саме, клиноподібним профілем; 3 – те саме, гребінчастим профілем; І–VII – шлях руху бульдозера

Застосовують також спарену або групову (рис. 4.7, а) роботу бульдозерів – два або три бульдозери одночасно з однаковою швидкістю переміщають ґрунт, зберігаючи відстань між торцями відвалів 30–50 см у зв’язних грунтах або 15–30 см – у сипучих. Втрати ґрунту при цьому мають місце лише біля зовнішніх стінок відвалів.

 Різати і переміщати ґрунт на відстань до 50 м доцільно за човниковою схемою. У цьому разі повернення бульдозера у вихідне положення відбувається заднім ходом. Переміщати ґрунт на відстань більш як 50 м доцільно за еліптичною схемою руху з двома поворотами або з улаштуванням через кожні 20–25 м проміжних валів. У міру накопичення ґрунту кожний вал переміщують безпосередньо у насип або у наступний проміжний вал.

Розрівнювання (остаточне планування) ґрунту, укладеного бульдозером, виконують трохи піднятим відвалом під час руху вперед або опущеним відвалом (його п’ятою та тильним боком) під час зворотного руху. Для планування уклонів із закладанням від 1:1,5 до 1:3 та до 6,5 м довжиною до відвала бульдозера можна кріпити додаткове навісне обладнання (відкосники).

Бульдозери широко використовують у комплекті з екскаваторами, скреперами та іншими землерийними машинами. Наприклад, під час планування основ великих котлованів, в яких не допускається перебирання ґрунту, бульдозером зачищають дно до проектної позначки та переміщають зрізаний грунт під ківш екскаватора для завантаження його у автосамоскиди.

Траншеї 5–7 м завширшки та 1–5 м у глибину можна розробляти бульдозерами (якщо відстань переміщення ґрунту не перевищує 100 м) з наступним видаленням ґрунту екскаватором. Бульдозери застосовують також для зведення насипів до 2–3 м висотою з резервів грунту (рис. 4.7, б).

 Траншеї та пазухи фундаментів засипають поздовжніми проходками бульдозера з поворотним відвалом або поперечно-човниковими проходками з неповоротним відвалом. При значних об’ємах засипання різати ґрунт боковою кромкою відвала на значній поверхні утруднено, оскільки навкісне надходження ґрунту розвертає трактор. Тому в таких випадках траншеї засипають під кутом 45–90° (рис. 4.7, в).

Рис. 4.7. Схеми виконання робіт бульдозерами: а – групова робота бульдозерів при розробленні виїмок; б – зведення насипів; в – засипання траншей; 1 – грунт, шо переміщується одним бульдозером; 2 – додатковий об’єм, що переміщується двома бульдозерами, які рухаються поряд; І–Х – шлях руху бульдозера

2. Розробка ґрунту одноковшовими екскаваторами

Близько 45% земляних робіт виконують одноковшові екскаватори, які мають комплект змінного робочого обладнання: пряму, зворотну лопату, драглайн, грейдер. Крім цього стрілу також можна обладнати вантажним гаком або клин-бабою. За допомогою одноковшевих екскаваторів риють котловани, траншеї, влаштовують насипи, виїмки. Прямою лопатою розробляють грунт, коли екскаватор розташований нижче рівня вибою, який розробляють. Зворотну лопату використовують для розроблення ґрунту, розміщеного нижче за рівень стояння екскаватора, із завантаженням ґрунту в транспортні засоби або у відвал. Грейдер, як і драглайн, застосовують для розробки ґрунтів малої щільності, а також таких, що знаходяться під водою.

Місце, в якому екскаватор розробляє грунт, називають забоєм. Форма і розміри забою залежать від параметрів екскаватора, його обладнання (виду ковша), властивостей ґрунту, розмірів виїмки. Екскаватор, обладнаний прямою лопатою, розробляє грунт способами лобового й бокового забоїв. У лобовій проходці екскаватор розробляє грунт перед собою і розвантажує його в транспорт, при бічній він здійснює виїмку по одну сторону щодо осі переміщення, а вивантаження виконує у транспорт, розташований по інший бік осі проходки. Лобові проходки бувають вузькими (ширина проходки 0,8-1,5 розміру найбільшого радіуса різання R_max), нормальними (завширшки1,5-1,8 R_max), розширеними (завширшки більше ніж 2 R_max) (рис. 2.3).

Екскаватори зі зворотною лопатою розробляють грунт під час улаштування траншей і котлованів. При використанні зворотної лопати також застосовують лобовий і бічний забій. Лобові проходки використовують переважно для розроблення невеликих котлованів і траншей. Розміщення екскаватора під забоєм дає змогу розробляти грунт у виїмках з високим рівнем ґрунтових вод без допоміжних заходів до його зниження. Основні технологічні параметри екскаватора такі: найменший радіус копання на рівні стоянки R₁, найбільший радіус копання R₂ на максимальній глибині H_max, радіус розвантаження R₀. (рис.2.4).

Рис. 2.3 – Схеми роботи екскаватора з прямою лопатою забоями: а – г – лобовими (а – при вузькому забої; б – при забої паралельної ширини; в – при розширеному забої до 2,5R; г – при розширеному забої до 3,5R); д – бічним; 1 – автосамоскид; 2 – вісь забою; 3 – центр ваги забою; 4 – екскаватор; 5 – вісь переміщення екскаватора; 6 – вісь руху автосамоскида; 7 – місця стоянок екскаватора; R_p – радіус різання; R_max – максимальний радіус різання; R_ст – радіус на рівні стоянки екскаватора

Рис. 2.4 – Екскаватор зі зворотною лопатою: а – загальний вигляд; б – основні технологічні параметри: d – крок переміщення екскаватора; R₀ – радіус габаритного встановлення екскаватора; R₁ – найменший радіус копання на рівні стоянки; R₂ – найбільший радіус копання на рівні стоянки; R_н – радіус копання на заданій глибині; Н_max – найбільша глибина копання; Z₀ – відстань від п’яти стріли до осі обертання екскаватора

Екскаватори, обладнані драглайном, мають стрілу великих розмірів і ківш на гнучкій підвісці. Застосовують для розроблення кар’єрів, виїмок значних 20 розмірів вивантаженням ґрунту у відвал або транспортні засоби. Глибина копання може досягати 20 м, найбільший радіус копання на рівні стоянки – 20м. Екскаватори, обладнані грейдерами, застосовують для розроблення котлованів під окремо розміщені споруди, колодязі, окремих фундаментів, опор ліній електропередач (рис. 2.5, 2.6).

Рис. 2.5 – Схема роботи екскаватора-драглайна

Рис. 2.6 – Схема роботи грейдера: 1 – ківш; 2 – гідроциліндр ковша; 3 – рукоять; 4 – гідроциліндр рукояті; 5 – стріла; 6 – гідроциліндр стріли

3. Розробка ґрунтів багатоковшевими екскаваторами

Багатоковшеві екскаватори – це землерийні машини безперервної дії. Розрізняють роторні й ланцюгові багатоковшеві екскаватори. За характером переміщення машини і за напрямком руху ковшів їх поділяють на екскаватори поздовжнього (траншейні) й поперечного копання.

Ланцюгові екскаватори (рис. 2.7) застосовують для риття траншей завглибшки до 1.7 м і завширшки 0,43м. Екскаватор оснащений ківшевою похилою рамою. Грунт відсипається у відвал тільки з правого боку траншеї з допомогою стрічкового конвеєра.

Роторні екскаватори (рис. 2.7) застосовують для улаштування траншеї завглибшки 1,4-3,0 м і завширшки 0,6-1,2 м. Робочий орган – роторне колесо, облаштоване десятьма парами ковшів із зубами. Відсипання ґрунту у відвал здійснюється стрічковим конвеєром.

Рис. 2.7 – Бульдозери: а – на базі гусеничного трактора; б – на базі колісного трактора

4. Розробка грунту землерийно-транспортними машинами

Розробка ґрунту бульдозерами. Бульдозер – це землерийно-транспортна машина на базі колісного чи гусеничного трактора, оснащеного спеціальним відвалом (рис. 2.7).

Бульдозером виконують такі види робіт: розроблення ґрунту в котлованах і траншеях; зведення насипів заввишки до 2 м з однобічних і двобічних резервів; зрізування ґрунту на косогорах; зрізування родючого шару ґрунту; засипання котлованів, траншей, тощо.

Для бульдозера прийнятий циклічний спосіб робіт. Зрізування і транспортування ґрунту на відстань до 50м доцільно виконувати за човниковою схемою, за якої бульдозер після відсипання ґрунту повертається у вихідне положення заднім ходом. Для переміщення ґрунту на відстань 51-100м рекомендується використовувати еліптичну схему розроблення, я якою тривалість циклу становить

де  t_р – час на розворот,

  t_з ,  t _т, t_в , t _з.х. – час, с, відповідно на зрізування ґрунту, на його транспортування, на відсипання і зворотній шлях. (рис. 2.8).

До початку будівельних робіт, поверхню відведеного під будівництво майданчика потрібно вирівняти. Природний рельєф поверхні майданчика вирівнюють зрізуванням ґрунту, розміщеного вище від проектних позначок, і переміщенням та подсипанням в місця, розташовані нижче за проектні позначки (рис. 2.9). Застосовують траншейний спосіб виконання робіт. При цьому грунт розробляють окремими траншеями завглибки 40-50 см з гребнями між ними шириною 50-120 см, які після розроблення основної маси ґрунту зрізують. Крім того застосовують також спарену роботу бульдозерів, які переміщують грунт з однаковою швидкістю (рис. 2.10).

Рис. 2.9 – Розроблення грунту: а – вимірювання будівельного майданчика; б – траншейний спосіб розроблення грунту; 1 – природний схил; 2 – проектна поверхня; 3 – насип; 4 – виїмка грунту

Рис. 2.10 – Схема виконання робіт бульдозерами: а – групова робота бульдозерів під час розроблення виїмок; б – зведення насипів; в – засипання траншеї; 1 – грунт, який переміщується поодинокими бульдозерами; 2 – додатковий об'єм, що переміщується двома бульдозерами, які рухаються поряд; І - Х – послідовність переміщення бульдозера

5. Розробка ґрунту скреперами.

Скрепер – землерийно-транспортна машина, робочим органом якої є ківш із ножем у передній частині (рис.2.11). Розрізняють такі види скреперів:

1) причіпні з дальністю переміщення ґрунту до 300 м (місткість ковшу – до 5 м 3 ), до 750 м (місткість ковшу до 10 м 3 ), до 1000 м (місткість ковшу до 15 м 3 );

 2) напівпричепні й самохідні з дальністю переміщення ґрунту до 5000 м. Скрепери можуть рухатись за еліпсом «вісімкою», зигзагом, за спіраллю (рис. 2.11).

Еліптичну схему руху застосовують у разі вертикального планування майданчиків, розроблювання виїмок з укладанням ґрунту в бокові резерви.

 Схему «вісімкою» застосовують під час виконання тих самих робіт, що і за еліпсом, але при більшій довжині фронту робіт.

Схему руху за спіраллю використовують у випадку улаштування широких невисоких насипів з пологими з’їздами двобічними резервами.

Рис. 2.11 – Розроблення грунту скрепером: а – загальний вигляд; б – г – схеми роботи (б – еліптична; в – «вісімкою»; г – за спіраллю); 1 – завантаження грунту; 2 – розвантаження

Схему руху зигзагом застосовують для зведення насипів з однобічних і двобічних резервів великої довжини з використанням колон скреперів.

6. Розроблення ґрунту в зимових умовах

Розроблення ґрунту можна розділити на два етапи: на першому здійснюють підготовчі роботи, на другому – механічне розроблення ґрунтів. У підготовчий період можуть бути рекомендовані такі заходи: запобігання промерзанню ґрунтів, розморожування, попереднє механічне розпушування, розроблення ґрунту.

 1. Попереднє механічне оброблення поверхні поперечним розпушуванням на глибину 60-120 см.

2. Утеплення поверхні теплоізоляційними матеріалами.

3. Для розморожування ґрунтів використовують паливо, гарячу пару й воду, електроенергію. При цьому застосовують три способи: поверхневий (розморожування ведуть від поверхні в глибину), глибинний (нагрівальні пристрої занурюють нижче за глибину промерзання, грунт розтає знизу вгору).

 4. Методи механічного розпушування широко застосовують у будівництві. Вони дають можливість комплексно механізувати працю. Для розпушування застосовують навісні розпушувачі, бурові й землерийно-фрезерні машини, молоти вільного падіння. Розробка ґрунту в мерзлому стані полягає у нарізанні в мерзлому шарі блоків взаємно перпендикулярними борознами і видалення блоків за межі механізованими способами.