Механический метод основан на применении для разработки, перемещения и укладки фунта машин и механизмов. Ведущим процессом в данном комплексе является разработка фунта. При механическом способе разработки на фунт действует усилие резания (скалывания) рабочего органа различных машин. В результате определенные порции фунта отделяются от массива и могут быть перемещены и уложены в насыпь. Если машина только разрабатывает фунт, то она носит название землеройной. Если машина разрабатывает и перемещает фунт, то она называется землеройно-транспортной.

Разработка грунта землеройными машинами

К землеройным машинам относят одноковшовые экскаваторы цикличного и непрерывного действия. Наибольшее применение имеют одноковшовые экскаваторы, которыми выполняется около 45% всего объема земляных работ.

Для разработки фунта одноковшовыми экскаваторами в промышленном и фажданском строительстве используют экскаваторы с ковшом вместимостью 0,15...2м3, реже до 4 м3.

Процесс разработки фунта экскаватором с любым видом рабочего оборудования складывается из чередующихся в определенной последовательности операций в одном цикле: резание фунта и заполнение ковша, подъем ковша с фунтом, поворот экскаватора вокруг оси к месту выфузки, выфузка фунта из ковша, обратный поворот экскаватора, опускание ковша и подача его в исходное положение.

Предельные размеры выемок, которые могут быть выполнены одноковшовым экскаватором с одной стоянки, зависят от его рабочих параметров.

Основными рабочими параметрами одноковшовых экскаваторов при разработке выемок являются максимально возможная высота копания +Н, глубина копания (резания) - Н, наибольший и наименьший радиусы копания на уровне стоянки экскаватора Rmax и Rmin, радиус выгрузки Rв, высота выфузки Нв.

Разработку грунта одноковшовыми экскаваторами ведут позиционно. Зону, в которой действует экскаватор на данной позиции, называют забоем. В нее входят площадка, на которой находится экскаватор, часть массива фунта, разрабатываемого с одной стоянки, и площадка, на которой устанавливается транспорт под пофузкуили размещается отвал грунта. По окончании разработки фунта в данном забое экскаватор перемещается на новую позицию.

Экскаватор и транспортные средства должны быть расположены в забое таким образом, чтобы средняя величина угла поворота экскаватора от места заполнения ковша до места его выгрузки была минимальной, так как на время поворота стрелы может расходоваться до 70% рабочего времени цикла экскаватора.

Экскаватор с прямой лопатой используют для разработки фунтов, расположенных выше уровня стоянки экскаватора, преимущественно с погрузкой на транспорт. Процесс выемки фунта осуществляется лобовыми и боковым забоями.

В лобовом забое экскаватор разрабатывает фунт впереди себя и отфужает его на транспортные средства, которые подают к экскаватору по дну забоя. В зависимости от ширины проходки лобовые забои подразделяют на узкие (ширина проходки менее 1,5 размера оптимального радиуса резания Ro, Во = 0,9Лпах), нормальные [ширина (1,5... 1,9) Ro] и уширенные [ширина (2... 2,5) Rо].

При узких забоях самосвалы подают с одной сторбны сзади экскаватора, а при нормальных - с обеих сторон экскаватора попеременно, что исключает простои экскаватора при смене транспортных единиц. Экскаватор перемещается прямолинейно по оси забоя.

В некоторых случаях разработку грунта ведут уширенным забоем с перемещением экскаватора по зигзагу. В уширенных забоях сокращаются холостые проходы экскаватора и облегчаются условия маневрирования автосамосвалов.

Ширина лобовых проходок,

для лобовой прямолинейной

B = 2 ( (R0) ^ 2 – (lп) ^ 2 ) ^ (1/2)

для зигзагообразной

B = 2 ( (R0) ^ 2 – (lп) ^ 2 ) ^ (?) + 2 Rc

где R0 - оптимальный радиус резания экскаватора, lп - длина рабочей передвижки экскаватора (разность между максимальным и минимальным радиусами резания), Rс —радиус резания на уровне стоянки.

Разработка выемок способом лобового забоя затрудняет работу транспорта. Кроме того, средний угол поворота платформы экскаватора для погрузки грунта в транспортные средства, особенно при работе в узких забоях, может достичь 180°, что увеличивает времярабочего цикла и снижает производительность экскаватора. Поэтому способ лобового забоя используют офаниченно.

Более эффективным является разработка фунта способом бокового забоя, когда экскаватор черпает фунт преимущественно с одной стороны перемещения и частично впереди себя. По этой схеме транспорт подается под пофузку сбоку выработки, чем достигается значительное уменьшение угла поворота стрелы экскаватора при пофузке фунта в транспортные средства. В боковых забоях транспортные пути проходят параллельно оси перемещения экскаватора и, как правило, на уровне его стоянки.

Ширина боковой проходки

B = 2 ( (R0) ^ 2 – (lп) ^ 2 ) ^ (?) + 0,7 R0

Выемки, глубина которых превышает максимальную высоту забоя для данного типа экскаватора, разрабатывают в несколько ярусов.

Число автомобилей или автопоездов, необходимых для обеспечения бесперебойной работы экскаватора,

N = (Тус.н. + Тн + Тпр + Тус.р. + Тр + Тм) / (Тус.н. + Тн)=

= 1 + (Тпр + Тус.р. + Тр + Тм) / (Тус.н. + Тн),

где Тус.н, Тн, Тпр - продолжительности соответственно установки машины под пофузку, пофузки фунта в машины экскаватором, пробега машины в оба конца при заданном расстоянии, мин,Тус.р, Тр, Тм - продолжительности соответственно установки машины под разфузку, разфузку машины, технологических перерывов, возникающих во время рейса, мин.

При расстоянии L (км) и средней скорости v (км/ч) время самосвала в пути (мин) определяют по формуле

Тпр = 2 х 60 х L/v.

Продолжительность загрузки автосамосвала колеблется в широких пределах в зависимости от числа ковшей с грунтом, погружаемым в кузов, рода фунта, среднего угла поворота машины при загрузке и типа экскаватора

Тн = nк Тц,

где nк - число ковшей грунта, погружаемого в кузов, Тц - продолжительность одного цикла экскавации, мин, Тц = 1 / n, n - число циклов экскаватора за 1 мин при работе с погрузкой в транспортные средства.

Экскаватор с обратной лопатой используют при разработке фунтов, которые находятся ниже уровня стоянки экскаватора, и преимущественно при рытье небольших котлованов и траншей.

Поярусная разработка выемки при этом виде оборудования, как правило, не практикуется. Разработку фунта ведут ниже уровня стоянки экскаватора лобовым или боковым забоем с погрузкой грунта в транспортные средства или укладкой в отвал.

Наименьшую глубину забоя определяют из условия наполнения ковша с «шапкой» (для несвязных грунтов —1... 1,7 м, а для связных - 1,5...2,3м). Ширина проходки зависит от наибольшего радиуса: ее принимают в размере В = (1,2... 1,5)Rо при погрузке в транспорт и В= (0,5...0,8)Rо при укладке в отвал.

Отрывку котлована шириной 12... 14 м обычно осуществляют лобовой проходкой при перемещении экскаватора по зигзагу, а при большей ширине - поперечно-торцовой.

Экскаватор-драглайн применяют для разработки фунтов, расположенных ниже уровня стоянки экскаватора: для рытья глубоких котлованов, широких траншей, возведения насыпей, разработки фунта из-под воды и т. п. Их применяют также для отделочных земляных работ при планировке площадей и зачистке откосов. Преимуществами драглайна являются большие радиусы действия (до 10 м) и глубина копания (до 12 м). Особенно эффективно разрабатывать драглайном мягкие и плотные фунты, в том числе обводненные.

Разработку фунта драглайном осуществляют лобовыми и боковыми проходками аналогично экскаватору «обратная лопата». Драглайн обычно передвигается между очередными стоянками на 1/5 длины стрелы. В зависимости от ширины выемки, способа разфузки фунта (в отвал или в фанспортные средства) и особенностей земляного сооружения в практике используют разнообразные схемы лобового и бокового способов разработки фунта.

Так как ковш драглайна гибко подвешен, весьма эффективными являются челночные способы работы - поперечно-челночный и продольно-челночный. При поперечно-челночном способе автосамосвал по дну выемки подходит к месту загрузки и загружается попеременным черпанием ковша по обе стороны от кузова. При продольно-челночном способе грунт набирают перед задней стенкой кузова автосамосвала и, подняв ковш, разгружают его над кузовом. Угол поворота экскаватора при погрузке по продольно-челночной схеме приближается к 0°, а при поперечно-челночной - к 15... 20°.

Экскаватор-грейфер применяют для рытья колодцев, узких глубоких котлованов, траншей и других сооружений, особенно в условиях разработки грунтов ниже уровня грунтовых вод.

Одноковшовыми экскаваторами отрывают котлованы и траншеи на глубину, несколько меньшую проектной, оставляя так называемый «недобор» слоем 5... 10 см для того, чтобы избежать повреждения основания и не допускать переборов фунта. Для повышения эффективности работы экскаваторов применяют скребковый нож, насаженный на ковш экскаватора. Это приспособление позволяет механизировать операцию по зачистке дна котлованов и траншей и вести их с точностью до 2 см, что исключает необходимость ручных доработок.

В промышленном и фажданском строительстве для разработки траншей наибольшее распространение получили многоковшовые экскаваторы непрерывного действия.

Рабочим органом в многоковшовых траншейных экскаваторах является ковшовая цепь или ковшовый ротор. Экскаваторы с ковшовой цепью обеспечивают разработку траншей глубиной до 3,0 м в основном с вертикальными стенками, а роторные - глубиной до2,5 м, преимущественно с откосами. В последнем случае на ковши ротора устанавливают откосники. Ковши наполняют фунтом при движении их вверх по наклонной или криволинейной поверхности разрабатываемой выемки. Опорожняются ковши в момент достижения ими наивысшей точки их траектории, где они опрокидываются. Высыпающийся из них фунт попадает на ленточный конвейер, доставляющий его на пофузку в транспортные средства или в отвал.

Разработка грунта землеройно-транспортными машинами

Основными видами землеройно-транспортных машин являются скреперы и бульдозеры, которые за один цикл разрабатывают фунт, перемещают его, разфужают в насыпь и возвращаются в забой порожняком.

Скреперы — наиболее высокопроизводительные землеройно-транспортные машины. Эксплуатационные возможности позволяют использовать их при отрывке котлованов и планировке поверхностей. В настоящее время применяют прицепные (с объемом ковша 3, 7 и 8 м3), полуприцепные (с объемом ковша 4,5 м3) и самоходные (с объемом ковша 8, 15 и 25 м3) скреперы. Прицепные и полуприцепные скреперы наиболее эффективно применять при транспортировании фунта на расстояние до 1000 м, а самоходные - до 3000 м.

Скреперами ведут разработку, транспортирование и укладку фунтов I и II фупп по трудности разработки (песчаные, супесчаные, лёссовые, суглинистые, глинистые и др., не имеющие валунов, с примесью гальки и щебня в объеме не более 10%). Более плотные фунты необходимо предварительно рыхлить (см. ниже).

Полный цикл работы скрепера состоит из набора фунта, движения нафуженного скрепера, разфузки ковша и движения порожнего скрепера. Скрепер снимает ковшом стружку фунта толщиной 0,12. ..0,35 и шириной 1,65...2,75 м (для скреперов с объемом ковша 3...8 м3). Наибольшая толщина отсыпаемого слоя 0,35...0,5 м. Дляобеспечения равномерной толщины отсыпаемого грунта ковш раз гружают только при движении скрепера.

Набор грунта производят при прямолинейном движении скрепера. Для увеличения толщины стружки, сокращения времени и пути наполнения ковша применяют тракторы-толкачи, количество которых зависит от типа скреперов, вместимости ковша и дальности транспортирования (один толкач на 2...6 скреперов).

Скреперы набирают грунт (в зависимости от его вида) различными способами. Способ набора фунта постоянной толщины тонкой прямой стружкой применяют на любых связных фунтах, клиновой, т. е. с переменной толщиной стружки - при разработке легких связных фунтов на горизонтальных участках, гребенчатой с переменным заглублением и выглублением ковша - при разработке сухих суглинистых и глинистых фунтов на горизонтальных участках, клевковой с переменным заглублением ковша скрепера.

В зависимости от характера возводимого сооружения, взаимного расположения мест разработки и укладки фунта и от местных условий применяют следующие траектории движения скреперов: эллиптическую, спиральную, «восьмеркой», зигзагообразную, чел-ночно-поперечную и челночно-продольную.

Эллиптическая схема наиболее проста и применяется в большинстве случаев при планировочных работах в промышленном и фажданском строительстве. Наибольший эффект имеет при возведении насыпей или разработке выемок на линейно-протяженном строительстве с высотой насыпи или глубиной выемок не более 2 м, когда не требуется устройства выездов или съездов.

Спиральная схема - разновидность эллиптической, находит применение при возведении широких насыпей из двухсторонних резервов или широких выемок высотой или глубиной до 2,6 м. Так же как и эллиптическая, она не требует устройства съездов ивыездов. Поскольку отсыпка грунта производится перпендикулярно оси возводимого сооружения, сокращается дальность транспортировки и увеличивается производительность.

Движение скрепера по восьмерке применяют при тех же условиях, что и эллиптическую схему. Отличием является то, что скрепер при своем движении по «восьмерке» чередует правые и левые повороты, что улучшает технико-эксплуатационные показатели и почти вдвое сокращает время на повороты, повышая тем самым на 3... 5% производительность скрепера.

Схему движения скрепера по зигзагу используют при возведении насыпей высотой до 6 м из резервов по длине захвата 200 м и более. При этом уменьшаются число поворотов и дальность возки грунта и повышается производительность скрепера по сравнению с эллиптической схемой до 15%.

Челночно-поперечную схему применяют при возведении насыпей высотой менее 1,5 м при работе из двусторонних резервов. Движение скреперов по челночно-поперечной схеме аналогично движению по эллиптической. По сравнению с эллиптической схемой производительность скрепера выше на 20...25%.

Челночно-продольную схему движения скреперов применяют при возведении насыпей до 5...6 м, с заложением откосов не круче ? с транспортировкой грунта из двусторонних резервов. При этой схеме холостой пробег сокращается до минимума.

При вертикальной планировке площадей рекомендуются эллиптическая, спиральная и челночно-поперечная схемы движения скреперов.

Тяжелые фунты, а также грунты с примесями, разработка которых затруднена, предварительно рыхлят на толщину срезаемой стружки. Для рыхления применяют рыхлители, являющиеся навесным или прицепным оборудованием к гусеничному трактору. Рыхлитель оборудован пятью стойками-ножами, а при рыхлении особо плотных фунтов - тремя (2-ю и 4-ю снимают).

Бульдозерами разрабатьшают фунт в неглубоких и протяженных выемках и резервах для перемещения его в насыпи на расстояние до 100 м (при использовании более мощных тракторов можно перемещать фунты и на большие расстояния). Бульдозеры применяют также для окучивания фунтов, обратной засыпки траншей и пазух котлованов, зачистки дна котлованов после экскаваторных работ, для разравнивания и планировки фунта. Разработку выемок бульдозером ведут ярусами, соответствующими толщине стружки, снимаемой за одну проходку. Разработку ведут от начала выемки к середине, при этом должна быть обеспечена эффективная работа бульдозера под укщн.

В цикл работы бульдозера входят следующие операции: резание и набор фунта путем снятия стружки под уклон, перемещение Фунта с надвижкой его отвалом бульдозера, разфузка фунта и возвратный холостой ход.

Для уменьшения потерь отвалы бульдозера оборудуются по бокам открылками ящичного типа.

Планировка площадок бульдозерами выполняется преимущественно двумя способами: траншейным и послойным.

При траншейном способе выемку разбивают на ярусы глубиной 0,4...0,5 м. Разработку каждого яруса ведут траншеями на ширину отвала, оставляя между ними полосы нетронутого грунта шириной 0,4...0,6 м. Эти валы срезают бульдозерами в последнюю очередь. Траншейный способ исключает значительные потери грунта при его транспортировании и поэтому более производительный.

При послойном способе выемку разрабатывают слоями на толщину снимаемой стружки за один проход бульдозера последовательно по всей ширине выемки или отдельным его частям. Этот способ используют при сложном очертании площадок и при небольшой глубине срезки.

При перемещениях грунта на расстояние свыше 40 м применяют способ разработки с промежуточным валом, а также спаренную работу двух бульдозеров. Отсыпку грунта ведут послойно, начиная с более удаленной точки от места забора, путем постепенного подъема отвала. Возвращается бульдозер в забой для повторения цикла при дальности перемещения до 70 м задним ходом без разворота машины. При разработке бульдозером особо плотных грунтов их предварительно следует разрыхлять.

Укладка и уплотнение грунта

Укладку и уплотнение грунтов выполняют при планировочных работах, возведении различных насыпей, обратных засыпках траншей и пазух фундаментов.

Для отсыпки насыпи не следует применять 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 лучшегоуплотнения грунта, ограниченного отсыпными краевыми участками насыпи.

Наибольшее распространение получило уплотнение грунта катками статического действия: гладкими, кулачковыми, пневмошинными. Это обусловлено простотой и надежностью оборудования, высокой производительностью и сравнительно низкой стоимостью.

На уплотняемость фунта влияют многие факторы: механический состав, связность, начальная плотность и его влажность, толщина уплотняемых слоев, способы уплотнения, параметры применяемых машин, число проходов механизмов по одному месту.

Необходимую плотность грунта нельзя получить однократным приложением уплотняющей нагрузки. Обычно необходимое число проходов катков по одному месту составляет 6...8.

Процессу уплотнения фунта в планировочной насыпи предшествует его разравнивание, которое осуществляют бульдозерами и реже фейдерами. Разравнивание производится горизонтальными слоями при продольном ходе бульдозера. Толщина слоев 0,2... 0,4 м в рыхлом состоянии. Последовательность и число проходов бульдозера устанавливают в зависимости от ширины насыпи. Разравнивание производят от краев насыпи к ее середине с перекрытием предыдущего прохода на 0,3 м.

Для уплотнения фунта в насыпях чаще всего используют прицепные катки на пневмоходу. Уплотнение фунта ведут в той же последовательности, что и его отсыпку. Грунт уплотняют путем последовательных круговых проходок катка по всей площади насыпи, причем каждая проходка должна перекрывать предыдущую на 0,2...0,3 м. Закончив укатку всей площади за один раз, приступают ко второй проходке.

Вытрамбовывание грунта

В последние годы в практику сфо-ительства входит новый метод устройства выемок под фундаменты - вытрамбовывание фунта.

Вьпрамбовывание осуществляют посредством приложения на фунт ударной нафузки путем сбрасывания с высоты 3...8 м тяжелойтрамбовки в одно и то же место до образования котлована необходимой глубины. В результате , вытрамбовывания под котлованом и вокруг него образуется уплотненная зона, в пределах которой ликвидируются просадочные свойства фунта, повышаются его плотность и прочностные характеристики, вследствие чего становится возможной передача на уплотненный грунт значительных вертикальных и горизонтальных нагрузок от фундаментов. Для повышения несущей способности фунта в дно полученной выемки может вфамбовываться отдельными порциями жесткий фунтовой материал (щебень, песчано-фавийная смесь, крупный песок и др.).

В зависимости от формы фамбовки (штампа) получают выемки различной конфигурации.В плане фамбовки могут иметь форму квадрата, прямоугольника, шестиугольникаили круга шириной понизу 0,4...1,4 м, а поверху 0,7...2,0 м. Высота трамбовки составляет 1...3,5 м с конусностью боковых стенок от 1:20 до 1:5. Масса трамбовки находится в пределах 2...10 т.

На эффективность вытрамбовывания влияет ряд факторов, к которым относят параметры трамбования (массу трамбовки т, высоту сбрасывания Н, энергию удара Э = тН) и фунтовые условия (вид, плотность и влажность грунта). При повышении массы трамбовки и неизменных ее геометрических параметрах эффективность вытрамбовывания возрастает.

Для вытрамбовывания используют краны-экскаваторы, автокраны, тракторы с навесным оборудованием, включающим направляющую штангу, сборную каретку и трамбовку, а при устройстве котлованов с уширением - дополнительно бункер для подачи жесткого материала.

При определенных условиях метод вытрамбовывания по сравнению с традиционными позволяет в 3...5 раз сократить объем работ, снизить затраты в 1,5...3 раза и трудоемкость в 1,8...2,5 раза. Применение этого метода наиболее эффективно в просадочных грунтах. В последние годы область применения метода расширяется на глинистые и песчаные грунты, в том числе водонасыщенные.