Земляные работы по устройству котлована

Введение

В промышленном и гражданском строительстве возведение объектов любого назначения начинается с земляных работ, под которыми понимается совокупность процессов по разработке, перемещению и укладке грунта для получения земляного сооружения или вертикальной планировки площадки. Земляные работы относятся к наиболее тяжёлым и трудоёмким видам работ, поэтому они должны проектироваться и осуществляться с использованием принципов комплексной механизации и применением рациональной технологии и организации строительного производства.

Способы выполнения земляных работ и типы привлекаемых средств механизации определяются прежде всего грунтовыми, климатическими и сезонными факторами. При возведении зданий и сооружений на железнодорожном транспорте к этим факторам добавляются первопроходческий и рассредоточенный характер строительства, необходимость ведения работ в стеснённых условиях, отсутствие постоянных источников энергоснабжения, удалённость ремонтной базы, сложности, возникающие из–за перебазирования строительной техники и пр.

Разнообразие условий производства земляных работ, с одной стороны, и многочисленность возможных способов и средств для их выполнения с другой, требуют от проектировщика – технолога знаний и навыков по отысканию оптимальных решений в конкретных производственных условиях. Подготовка специалистов такого уровня базируется на изучении дисциплин организационно – технологического цикла и выполнении курсовых и дипломных проектов, нацеленных на качественную инженерную подготовку строительного производства.

Определение объёмов работ и распределение земляных масс

Подготовка исходных данных для расчётов на ЭВМ

Из известных методов подсчёта объёмов земляных масс при вертикальной планировке площадок в курсовом проекте принимается метод квадратных призм. Этот метод получил широкое распространение, так как требует меньшего количества вычислительных операций и при спокойном рельефе местности обеспечивает достаточную для практических целей точность расчётов.

Для планировки площадок используется метод планировки с нулевым балансом. Она является наиболее экономичной, так как весь грунт, срезаемый в возвышенной части площадки, используется для подсыпки низменной её части.

При методе квадратных призм средняя красная отметка планировки Y0, обеспечивающая равенство объёмов выемки и насыпи, рассчитывается с точностью до 0,01 м на основании чёрных отметок по формуле

Y0 = (ΣX1 + 2ΣX2 + 3ΣX3 + 4ΣX4)/4n

где ΣX1 – сумма чёрных отметок вершин квадратов, к которым примыкает один угол квадрата; 2ΣX2, 3ΣX3, 4ΣX4- суммы чёрных отметок вершин квадратов, к которым примыкает соответственно 2, 3 и 4 угла; n – число квадратов, на которые разбита площадка.

Y0=(51,48+53,00+53,12+54,60+2(52,34+52,59+52,85+53,19+52,00+50,10+52,00+52,60+52,71+54,00+54,62+56,65+55,03+53,70)+4(54,50+53,96+53,32+52,57+50,97+53,46+55,16+56,37+57,28+55,40+53,51+52,53))=53,7135

Подсчёт красных и рабочих отметок планировки

Красные (проектные) отметки планировки Yij вершин квадратов при одностороннем уклоне определяются по формуле

Yij = Y0 ± i l

где Y0 – средняя красная отметка, i – величина уклона площадки, l – расстояние от оси поворота плоскости планировки до вершины, отметка которой рассчитывается.

Рабочие отметки Zij представляют собой разность между красными и чёрными отметками

Zij = Yij – Xij

Полученные рабочие отметки со знаком «плюс» соответствуют насыпи, а со знаком «минус» - выемке.

Нанесение нулевой линии.

Нулевая линия – это линия, разграничивающая выемку и насыпь на площадке. Она пройдёт через точки поверхности земли, рабочие отметки которых равны нулю. Так как нулевая линия представляет собой след от пересечения рельефа площадки наклонной плоскостью планировки, то она может пересекаться с горизонталями, но должна иметь общее с ними направление.

Определение объёмов работ по планировке площадки

Общие объемы земляных масс при вертикальной планировке площадки подсчитываются раздельно по выемке и насыпи путем суммирования частных объемов в пределах квадратов. При спокойном рельефе строительной площадки частные объемы V выемки и насыпи определяются по формуле многогранной призмы

V = F Zср.

где F - площадь сечения призмы, м2; Zср. - средняя рабочая отметка вершин,м

Если квадрат не пересекается нулевой линией, то все четыре рабочих отметки его вершин имеют одинаковый знак и в его пределах будет только выемка или только насыпь. Массив грунта в таком квадрате представляет собой четырехгранную призму, объем которой

V = a2 (Z1 + Z2 + Z3 + Z4)/4

где а – длина стороны квадрата, м; Z1, Z2, Z3, Z4 – рабочие отметки его вершин, м.

Объём грунта в квадрате, пересекаемом нулевой линией, будет состоять из выемки и насыпи. При этом встречается два типа таких переходных(смешанных) квадратов:

а) квадраты, рассекаемые нулевой линией на две трапеции

б) квадраты, рассекаемые нулевой линией на треугольник и пятиугольник

Для первого типа переходного квадрата длины отрезков сторон, пересекаемых нулевой линией,

с = a Z1/ (Z1 + Z4); d = a – c; e = a Z2/(Z2 + Z3); f = a – e

Объём грунта в пределах трапеций:

V1 = a (c + e) (Z1 +Z2)/ 8; V2 = a (d + f) (Z3 + Z4)/ 8

Для второго типа переходного квадрата длины отрезков сторон рассчитываются по формулам:

с = a Z1 / (Z1 + Z2);

d = a Z1 / (Z1 + Z4)

Объёмы грунта в пределах треугольника:

V1 = с d Z1 / 6,

а в пределах пятиугольника

V1 = (a2 – c d / 2) (Z2+ Z3+Z4) / 5

Кроме основных объёмов земляных работ подсчитываются дополнительные объёмы в откосах по контуру площадки. Если обе рабочие отметки квадрата, к которому примыкает откос, одного знака, то дополнительный объём грунта определяется по формуле трёхгранной призмы(рис.3)

V = m a (Z12 + Z22) / 4

где m – показатель крутизны откоса(для выемки m = 1,25, для насыпи m = 1,5); a – длина стороны квадрата, м; Z1, Z2 – рабочие отметки, м.

В случае, если рабочие отметки разного знака, т.е. сторона пересекается нулевой линией, то в откосе будет и выемка и насыпь.

Объём земляных масс, представляющий собой трёхгранную пирамиду(рис.4), определится как:

V = m b Z12 / 6,

где b – длина отрезка стороны квадрата, м, рассчитанная по формулам

После определения основных и дополнительных объёмов грунта составляется итоговая ведомость земляных масс.

Полученные по геометрическим очертаниям фигур частные объёмы называются геометрическими. Они отражают объём грунта по выемке в плотном (естественном) состоянии, а по насыпи – в состоянии остаточного разрыхления. Поэтому для определения баланса земляных масс на площадке объём насыпи приводится к твёрдому телу Vн по формуле

Vн = Vн.г. / (1 + ч /100)

где Vн.г. – геометрический объём насыпи, м3, ч – процент остаточного разрыхления.

Распределение земляных масс

Под распределением земляных масс понимается определение направлений, количества и расстояний перемещения грунта из квадратов выемки в квадраты насыпи. От этих факторов зависят объём грузовой работы и величина технико-экономических показателей производства планировочных работ.

В строительной практике наибольшее распространение получило логическое распределение земляных масс методом шахматного баланса по принципу «перемещение частных объёмов выемки в квадраты насыпи по кратчайшему расстоянию».

Заполнение ведомости начинается с занесения в заглавную колонку таблицы номеров квадратов выемки и соответствующих объёмов грунта в них. В заглавную строку таблицы записываются номера квадратов и объёмы насыпи в плотном теле. Разработку схемы перемещения грунта следует начинать со смешанных квадратов выемки. Установлено, что если в одном квадрате имеется и выемка, и насыпь, та рациональным является перемещение грунта в пределах этого квадрата.

Оставшиеся нераспределёнными объёмы выемки разносятся в свободные квадраты насыпи таким образом, чтобы расстояния перемещения грунта по возможности были минимальными. При этом необходимо следить за тем, чтобы суммарный объём доставляемого в соответствующий квадрат насыпи грунта не превышал его потребности.

Если на площадке итоговый объём выемки больше итогового объёма насыпи в плотном теле, то излишки грунта записываются в колонку «отвал», если наоборот, то недостающий для отсыпки всей насыпи объём грунта – в строку «резерв».

Так как излишки грунта в области выемки целесообразно разрабатывать вместе с котлованом одноковшовым экскаватором, требующим достаточно большой для заполнения ковша высоты забоя, то объём излишнего грунта следует оставлять в квадрате выемки с максимальными рабочими отметками.

Таблица 1

Ведомость шахматного баланса земляных масс

Определение средней дальности перемещения грунта

Средняя дальность перемещения земляных масс определяет выбор типа землеройно-транспортных машин, область эффективного использования которых устанавливается по рациональному расстоянию транспортирования грунта. Кроме того, этот параметр необходим при нахождении норм времени и расценок по сборникам ЕНиР и ЕРЕР.

Для указанных выше целей не требуется высокой точности подсчёта средней дальности перевозки земляных масс, однако при сравнении нескольких вариантов производства планировочных работ эта дальность рассчитывается с точностью до 1м.

В курсовом проекте при наличии ведомости шахматного баланса земляных масс средняя дальность возки грунта L ср. может быть определена по формуле

L ср = ΣV i L i / ΣV i,

где V i – частный объём выемки, перемещаемый из i – го квадрата, м3, L i - расстояние, на которое перевозится данный объём, м.

Так как план распределения земляных масс по методу шахматного баланса не является оптимальным, то рассчитанная величина L ср будет иметь погрешности.

L ср = 33040002 / 110410 = 299,25 м

Расчёт объёмов работ при устройстве котлована

Размеры котлована в плане указаны на уровне его дна, а глубина – от плоскости планировки. Размеры выемки поверху, увеличенные за счёт уположения откосов, могут быть подсчитаны по формулам:

c = a + 2 m H;

d = b + 2 m H,

где с и d – соответственно ширина и длина котлована поверху, м; a и b то же по дну, м; H – глубина котлована, м; m – показатель крутизны откоса.

c = 50+2∙0,5∙3,9 = 53,9;

d = 80+2∙0,5∙3,9 = 83,9

Объём котлована с прямоугольным основанием и откосами со всех четырёх сторон, м3,

Рис. 5. Котлован с пологими откосами и въездом

Vк = H∙(a∙b+(a+c)∙(b+d)+c∙d)/6 = 3,9∙(50∙80+(50+53,9)∙ (80 +

83,9)+53,9∙83,9)/6 = 16608,42 м3

При устройстве выемки экскаватором, оборудованным прямой лопатой, скрепером или бульдозером количество разрабатываемого грунта увеличивается за счёт отрывки въезда, объём которого:

Vв = (H2/6)∙(3aв+2∙m∙H∙((n-m)/n) ∙ (n-m)) = 488,7 м3

где H – наибольшая глубина въезда, равная глубине котлована, м; aв – ширина въезда принимаемая равной 5 м; n – показатель крутизны продольного уклона дна въезда, равный 10.

Vв / Vк = 488,7/16608,42=0,029 < 0,1 =>

можно применять экскаватор с прямой лопатой.

Проектирование работ по планировке площадки

Общие принципы проектирования земляных работ

Земляные работы в строительстве относятся к наиболее трудоемким, вследствие чего их выполнение должно проектироваться и осуществляться механизированным способом. Наиболее эффективной формой механизации является комплексная механизация, при которой все технологически связанные процессы как основные, так и вспомогательные выполняются комплектом машин, увязанных между собой по основным параметрам (производительность, грузоподъемность и т. п.).

Таким образом, сущность комплексной механизации строительных процессов характеризуется следующими признаками:

а) механизацией основных и вспомогательных операций;

б) увязкой всех используемых машин в комплекты по основным параметрам и расположению в механизированной цепи;

в) непрерывностью и равномерностью выполнения производственных процессов.

В каждом конкретном случае можно получить большое количество вариантов выполнения земляных работ. Многообразие возможных вариантов вызвано тем, что для производства одних и тех же процессов могут быть применены как различные типы машин, так и разные марки машин одного и того же типа. Кроме того, средства механизации могут иметь различную расстановку, схемы передвижения и способы выполнения строительных процессов.

Проектирование варианта механизации сводится к формированию такого комплекта машин, который обеспечит лучшие конечные результаты. Для отыскания рационального решения подбирается несколько вариантов производства земляных работ и путем их сравнительной оценки находится лучший из них.

Решающим этапом при проектировании комплекта средств механизации является выбор ведущей машины или звена однотипных машин. Ведущими называются средства механизации, которые выполняют основной процесс, определяющий всю технологию возведения земляного сооружения. В зависимости от типа ведущих машин для разработки грунта используются комплекты скреперные, бульдозерные, экскаваторные и т. п. Остальные машины комплекта называются вспомогательными или комплектующими.

Проектирование конкурентоспособных вариантов механизации земляных работ рекомендуется осуществлять в следующей последовательности:

а) расчленение работ на простые строительные процессы;

б) определение основного из них;

в) назначение на основной процесс ведущих, а на остальные процессы

- вспомогательных средств механизации путем анализа их технических возможностей и области рационального использования;

г) расчет производительности ведущей машины и их количества на основе данных об объемах работ и сроках их выполнения;

д) установление количества вспомогательных машин в каждом звене из условия, что их производительность будет не ниже производительности ведущего звена комплекта.

2.2 Состав процессов и исходные данные для проектирования вертикальной планировки площадки

Под планировочными работами следует понимать приведение площадки строительства к заданному проектом профилю с уклонами, откосами, водоотводными канавами и т.п. Работы по планировке сводятся к срезке возвышенности, перемещению грунта и укладке его в насыпь на пониженных участках.

Весь комплекс планировочных работ в общем случае может быть расчленен на следующие простые строительные процессы: снятие растительного слоя, рыхление грунта в области выемки, его разработку, транспортирование, выгрузку в насыпь, разравнивание, уплотнение и окончательную планировку. В указанном перечне общим является перерабатываемый материал - грунт, а способы и средства его обработки, как правило, различны. При этом разработка грунта относится к основному процессу, а остальное - к вспомогательным.

Исходными данными для проектирования производства планировочных работ являются:

Объём грунта, доставляемый из выемки в насыпь V = 110410 м3

Средняя дальность перемещения грунта на площадке L ср = 299,25 м

Директивный срок выполнения работ tд = 28 дней

Вид грунта и его влажность (жирная мягкая глина с примесью щебня свыше 10% по объёму с W = 17%)

Максимальная рабочая отметка в области выемки Zвmax = -3,166

Величина V0 определяется на основе полученного в подразделе 1.4 баланса земляных масс. Объём выемки превышает объём насыпи в плотном теле (Vв>Vн), то V0=Vн, а излишки грунта вывозятся за пределы строительной площадки.

2.3 Формирование комплектов машин для планировочных работ

2.3.1 Выбор ведущих машин

Вертикальная планировка строительных площадок чаще всего осуществляется землеройно-транспортными машинами: скреперами, бульдозерами и грейдерами. Выбор типа машины зависит от вида грунта и дальности его перемещения.

На основании подсчитанного ранее среднего расстояния перемещения грунта на площадке (L ср = 299,25 м) наиболее оптимальным типом землеройно-транспортной машины является прицепный скрепер с вместимостью ковша 6-7 м3.

Данным требованиям соответствуют типы скреперов, указанные в таблице 2.

Таблица 2

Технические характеристики и размерные показатели прицепных скреперов

2.3.2 Определение сменной производительности ведущих средств механизации

Производительность (выработка) машины, т. е. количество продукции, выпускаемой или перерабатываемой за единицу времени, является важным показателем строительной техники. В технологических расчетах обычно используется три вида производительности: нормативная, эксплуатационная и расчетно-плановая.

Нормативная производительность средств механизации, м3/смену

Пн = 8 И / Нвр.м,

Для скрепера ДЗ-30 Пн = 8∙100/5,789 = 138,19 м3/смену

Для скрепера ДЗ-20В Пн = 8∙100/3,693 = 216,63 м3/смену

Для катка ДУ-31А Пн = 8∙100/0,43 = 1860,47 м3/смену

Для рыхлителя ДП-14 Пн = 8∙100/0,13 = 6153,85 м3/смену

Для катка ДУ-16В Пн = 8∙100/0,27 = 2962,96 м3/смену

Для рыхлителя ДП-18 Пн = 8∙100/0,08 = 10000 м3/смену

где И – измеритель объема, на который определена норма машинного времени, м3; Нвр.м – норма машинного времени в _аш.-ч.

Для землеройно-транспортных машин Нвр.м рассчитывается на основании сборника ЕниР [5] в зависимости от дальности возки грунта. В частности, для скрепера норма машинного времени

Нвр.м = Н'вр.м + Нвр.м (Lср – 100) /10,

Для скрепера ДЗ-30 Нвр.м = 2,8+0,15∙(299,25-100)/10 = 5,789 маш.-ч

Для скрепера ДЗ-20В Нвр.м = 1,7+0,1∙(299,25-100)/10 = 3,693 маш.-ч

где Н вр.м и Н вр.м – соответственно норма машинного времени на первые 100 м и каждые последующие 10 м возки грунта, маш.-ч; Lср- средняя дальность перемещения грунта на площадке, м.

Нормативная производительность отражает усредненные условия эксплуатации машин и содержит резервы для перевыполнения норм выработки при рациональной организации механизированных процессов. Проектирование земляных работ должно вестись с использованием прогрессивной технологии, эффективных машин и передовых приемов труда рабочих. Поэтому в расчетах следует пользоваться не нормативной, а расчетно-плановой производительностью Пр, отражающей конкретные условия производства. Она может быть определена по формуле

Пр = (Пн + Пэ) /2,

ДЗ-30 Пр = (138,19+131,53)/2 = 134,86 м3/смену

ДЗ- 20В Пр = (216,63+345,09)/2 = 280,86 м3/смену

где Пр – расчётно-плановая производительность, м3/смену; Пн – нормативная производительность, м3/смену; Пэ – эксплуатационная производительность, которая для скрепера рассчитывается по формуле

Пэ = 60 tсм q kн kв /tц kр,

ДЗ-30 Пэ = 60∙8∙3∙0,9∙0,85/6,7∙1,25 = 131,53 м3/смену

2. ДЗ- 20В Пэ = 60∙8∙7∙1∙0,9/6,9∙1,27 = 345,09 м3/смену

где tсм - продолжительность смены, ч; q - геометрическая вместимость ковша, м3; Кн - коэффициент наполнения ковша; Кв = 0,8-0,9 - коэффициент использования скрепера по времени; tц - продолжительность рабочего цикла скрепера, мин; Кр - коэффициент разрыхления грунта.

Продолжительность рабочего цикла скрепера складывается из затрат времени на заполнение ковша, перемещение груженого скрепера, разгрузку грунта в насыпи, возвращение в забой и дополнительные операции (повороты, переключения передач и т. п.). Следовательно,

Т ц= L 1 / v 1 + L 2 / v 2 + L 3 / v 3 + L4 /v4 + t д,

Для ДЗ-30 Т ц = 0,02111/3 + 0,27340/6 + 0,00474/5 + 0,29925/6 + 1/120=0,112 ч = 6,7 мин

Для ДЗ-20В Т ц = 0,02136/3 + 0,27246/6 + 0,00543/5 + 0,29925/6 + 1/90 =0,115 ч = 6,9 мин

где L1, L 2, L 3, L4 - длины участков соответственно заполнения ковша, транспортирования грунта, его разгрузки и порожнего хода скрепера, м; V1, V2, V3, V4 - скорости движения скрепера на соответствующих участках, м/мин; tд - время на выполнение дополнительных операций (обычно до 1 мин).

Длина участка заполнения ковша, м,

L1 = q Кн Kn / b h Кр Кнр,

Для ДЗ-30 L1 = 3∙1,3∙0,9/1,9∙0,1∙1,25∙0,7 = 21,11 м

Для ДЗ-20В L1 = 7∙1,4∙1/2,58∙0,2∙1,27∙0,7 = 21,36 м

где b - ширина захвата ковша скрепера, м; h - глубина резания, м; Kn = 1,2- 1,5 - коэффициент, отражающий потери грунта; Кнр = 0,7 - коэффициент, учитывающий неравномерность толщины срезаемой стружки.

Длина участка разгрузки ковша, м,

L3 = q Кн / h1 b ,

Для ДЗ-30 L3 = 3∙0,9/0,3∙1,9 = 4,74 м

Для ДЗ-20В L3 = 7∙1/0,5∙2,58 = 5,43 м

где h1 - толщина отсыпаемого слоя, м, определяемая по техническим характеристикам скрепера.

Длина пути транспортирования грунта, м,

L2 = L cр- L1 – L3,

Для ДЗ-30 L2 = 299,25-21,11-4,74 = 273,4 м

Для ДЗ-20В L2 = 299,25-21,36-5,43 = 272,46 м

где Lср - средняя дальность перемещения грунта на площадке, м.

Длина пути порожнего скрепера, м,

L4 = Lср.

L4 = 299,25 для любого типа скрепера

Перемещение скрепера при наборе грунта осуществляется на скорости 2,5-3,5 км / ч, а при его разгрузке - 4-8 км / ч. Скорости движения груженого и порожнего скрепера определяются уклоном площадки, видом и состоянием грунта и для прицепных скреперов составляют 6-8 км / ч.

2.3.3 Взаимоувязка машин в составе комплекта

Основной задачей при проектировании комплекта является обеспечение полной загрузки и оптимальных режимов работы каждого звена комплекта, которые зависят от номенклатуры, марок и количества машин каждой марки.

Для нормального взаимодействия средств механизации в составе комплекта в основу его формирования заложены следующие принципы:

а) комплект машин подбирается из условия выполнения работ в заданные сроки;

б) общее количество средств механизации и количество разных по типу машин должно быть минимальным;

в) в комплекте назначаются ведущая машина или машины, определяющие организацию работ и выработку комплекта, и вспомогательные средства механизации;

г) производительность каждого звена вспомогательных машин должна быть равной или чуть больше производительности ведущих машин.

Номенклатура средств механизации в комплекте зависит от состава строительных процессов, выполняемых при планировке площадки, и технологических возможностей каждой машины в отношении количества охватываемых процессов, т. е. их универсальности. После установления марок ведущих машин на основании сведений об областях использования средств механизации подбираются марки вспомогательных машин для производства тех процессов, которые не могут быть выполнены ведущими машинами.

При использовании в качестве ведущих машин скреперов, которые могут производить разработку, транспортирование, укладку и разравнивание грунта в местах отсыпки, подбираются средства механизации для срезки растительного слоя, рыхления грунта (если оно необходимо), его уплотнения в насыпи, а также окончательной планировки площадки.

Выбор вспомогательных машин следует производить с учетом следующих рекомендаций. Растительный слой до начала основных земляных работ должен быть снят и уложен во временные отвалы для последующего его использования при укреплении откосов площадки и ее благоустройстве. В зависимости от дальности перемещения грунта работы выполняются бульдозерами, реже - скреперами и грейдерами.

Плотные грунты (глины, тяжелые суглинки и т. п.) перед разработкой землеройно-транспортными машинами предварительно разрыхляются. Рыхление грунтов производится на толщину срезаемой стружки тракторными плугами или рыхлителями.

Доставляемый в насыпь грунт требует послойного разравнивания и искусственного уплотнения, так как плотность, достигаемая за счет движения средств механизации по насыпи и смачивания ее дождем, оказывается недостаточной для исключения деформации земляного сооружения.

Для окончательной планировки площадки целесообразно использовать землеройно-транспортную машину, принятую для срезки растительного слоя.

Количество средств механизации для планировки площадки рассчитывается из условия неразрывности работы машин комплекта в следующей последовательности.

Находится требуемая среднесменная интенсивность разработки грунта, м3/ смену

J = V0 /tд αв

J = 110410/28∙2 = 1971,61 м3 / смену

где V0 – объём грунта, доставляемый из выемки в насыпь, м3; tд - директивный срок работ, дней; αв – число смен работы ведущих машин в сутки

Рассчитывается количество ведущих машин в комплекте

Nв = J/Пр

ДЗ-30 Nв = 1971,61/ 134,86 = 14,6 ≈ 15 шт.

ДЗ-20В Nв = 1971,61/280,86 = 7,02 ≈ 8 шт.

Определяется количество вспомогательных машин каждого типа, работающих совместно и одновременно с ведущими средствами механизации (рыхлители и катки)

Nвс = Пр Nв αв / Пвс αвс

Для катка ДУ-16В Nвс = 134,86 ∙8∙2/2962,96∙2 = 0,36 ≈ 1 шт.

Для