Технология дорожного строительства

2.4 Возведение насыпей и разработка выемок

Процесс возведения насыпей состоит из последовательной укладки грунта определенной толщины, который сравнительно легко уплотнить. Методом послойной отсыпки (рис. 2.4) укладывают слои грунта один на другой, доводя насыпь до проектной отметки. При таком способе основные работы ведут на двух участках одинаковой длины: на одном создают слой грунта, на другом уплотняют его; затем операции меняются местами.

При возведении земляного полотна на участках, где имеется овраг или болото, произвести послойную укладку невозможно. В таких случаях применяется способ отсыпки насыпи «с головы»; уплотнение производится под действием вышележащей массы грунта и передвижения поверху дорожно-строительной техники и автомобилей, в результате чего происходит постепенная осадка насыпи. Недостатком этого способа является невозможность послойного уплотнения. Чтобы устранить этот недостаток, применяют комбинированный способ.

В условиях равнинной местности при невысоких насыпях их сооружение осуществляется из боковых резервов, закладываемых вдоль дороги с одной или с двух сторон. Достоинство этого способа - минимальная стоимость земляных работ, недостаток - увеличение почти в 2 раза площади, занимаемой дорогой.

Для сооружения земляного полотна автомобильных дорог применяют бульдозеры, скреперы, автогрейдеры, грейдер-элеваторы, экскаваторы. Выбор ведущей машины зависит от высоты насыпи, вида грунта и дальности его перевозки.

Рис. 2.4. Схема отсыпки насыпи

Бульдозеры в качестве основной машины используются при сооружении земляного полотна из выемок в насыпь и из боковых резервов в насыпь высотой до 1...1,5 м (рис. 2.5). Такие работы производят при обязательном согласовании с заказчиком. Рабочий цикл бульдозера при возведении земляного полотна состоит из зарезания грунта, его перемещения, укладки и обратного холостого хода в резерв. При зарезании и наборе грунта его стружка может иметь клиновидную, гребенчатую и ленточную форму (рис. 2.6).

При разработке тяжелого грунта сопротивления резанию значительны, поэтому рекомендуется приподнимать отвал с последующим его заглублением. В результате образуется гребенчатая форма стружки. Рекомендуемые ее размеры: = 25...30 см, = 3...3,5 м; = 15... 12 см, = 2...2,5 м; = 12... 10 см, = 1,5...2,0 м.

Рис. 2.5. Технологическая схема возведения насыпи бульдозерами из двусторонних боковых резервов

Рис. 2.6. Форма стружек грунта, срезаемых бульдозером

Легкие грунты разрабатываются при постоянной наибольшей глубине зарезания (рис. 2.6 в). Снятие растительного слоя толщиной 10...15 см (рис. 2.6 г) также производится при ленточном зарезании.

Основными сопротивлениями при работе бульдозера являются:
1) сопротивление срезанию и деформации грунта отвалом:

где - глубина резания, м;
- ширина резания, м;
- удельное сопротивление грунта срезанию и деформации,
зависящее от категории грунта и его состояния, кН/м : для грунтов I категории = 25...30 кН/м;
для II категории = 40...60 кН/м; для III категории = 60... 120 кН/м;

2) сопротивление волочению призмы грунта впереди отвала:

где - вес грунта перед отвалом, кН,

где - высота отвала, м;
- длина отвала, м;
- плотность грунта, кг/м;
- ускорение силы тяжести, = 9,81 м/с;
- угол естественного откоса грунта, принимается 0,5...0,7 рад;
- коэффициент трения грунта по грунту, равный 0,7...1,2;

3) сопротивление трению грунта по отвалу:

где - коэффициент трения грунта о сталь, = 0,4...0,6;
- угол резания ножа отвала;

4) сопротивление движению трактора как транспортного средства:

где - вес трактора, кН;
- коэффициент сопротивления движению трактора (0,08...0,15);
- уклон местности.

Производительность бульдозера при резании и перемещении грунта зависит от категории грунта, расстояния перемещения, уклонов местности, характера и способа производства работ и определяется по формуле:

где - объем грунта, перемещаемого бульдозером,

где - высота отвала, м;
- длина отвала, м;
- коэффициент использования во времени, = 0,85...0,9;
- продолжительность цикла, с;
- коэффициент разрыхления грунта, = 1,1...1,3.

Продолжительность цикла работы бульдозера определяется из выражения:

где - путь резания грунта, = 6...10 м;
- скорость движения трактора при наборе грунта, = 0,4...0,5 м/с;
- путь перемещения грунта, м;
- скорость движения трактора при перемещении грунта, = 0,9...1,2 м/с;
- скорость холостого хода, = 1,1... 1,3 м/с;
- время, необходимое для разворота трактора, с;
- время, затрачиваемое на переключение передач, с;
- время, затрачиваемое на опускание и подъем отвала, с.

При высоте насыпей более 1,5 м и при расстоянии продольного перемещения грунта более 100 м эффективнее применять для землеройно-транспортных работ скреперы. При разработке грунта из боковых резервов с перемещением его в насыпь применяют схемы движения скреперов: по зигзагу, по восьмерке, по эллипсу, по спирали (рис. 2.7). Главным критерием при выборе схемы является обеспечение минимального угла поворота скрепера в груженом состоянии.

Рис. 2.7. Схемы движения скреперов при разработке грунта из притрассового резерва

Самой рациональной является зигзагообразная схема, работы по которой ведут при длине участка 200...300 м и более. При разработке грунта из односторонних резервов и небольшой длине участка (около 100 м) рекомендуется эллиптическая, из двусторонних резервов - спиральная схема движения скрепера. Работы следует выполнять одновременно на двух захватках: на одной - отсыпка насыпи, на другой - разравнивание и уплотнение грунта.

Основными видами сопротивления работе скрепера являются:

1) сопротивление перемещению скрепера с ковшом, наполненным грунтом:

где - вес скрепера, Н;
- вес грунта в ковше,

где - геометрическая емкость ковша, м;
- плотность грунта, Н/м;
g - ускорение силы тяжести, g = 9,81 м/с;
- коэффициент заполнения ковша грунтом, = 0,8...1,1;

2) сопротивление грунта резанию:

где - ширина резания, м;
s - глубина резания, s = 0,1.. .0,3 м;
- сопротивление грунта резанию;

3) сопротивление подъему фунта и перемещению его внутри ковша:

где - коэффициент, учитывающий трение грунта внутри ковша, для глины = 0,24...0,31;
для суглинка = 0,44...0,75; для песка = 0,46...0,50;
Н - высота подъема грунта в ковше: при емкости ковша 1,5 м Н= 0,9...1,1 м; при 6 м Н = 1,3...2,5 м;
при 10 м Н= 1,8...2,0 м; при 15 м Н= 2,0...3 м;

4) сопротивление перемещению призмы грунта впереди ковша:

где Y - примерное соотношение высот призмы волочения к высоте загрузки в ковше, Y = 0,3...0,6;

- коэффициент трения грунта о грунт, = 0,6.

Общее сопротивление движению скрепера равно сумме сопротивлений, вычисленных по вышеприведенным формулам:

Производительность скреперов аналогична производительности бульдозеров - прямо пропорциональна количеству перевозимого за один раз грунта и обратно пропорциональна времени, затраченному на один цикл работы:

где - коэффициент использования машины по времени, = 0,8...0,85;

- коэффициент разрыхления грунта, = 1,1... 1,3;
- продолжительность цикла, с,

где - соответственно путь набора грунта, путь с грузом, путь при разгрузке и длина холостого пути;
- скорости движения скрепера при соответствующих режимах;

- время, необходимое для переключения передачи, = 4.. .6 с;
- количество переключений за время цикла;
- время на разворот скрепера, = 30.. .60 с.

Автогрейдеры предназначены, главным образом, для работы по разравниванию и профилированию грунта. Для отсыпки насыпей их применяют при строительстве автомобильных дорог низких категорий и при небольших объемах работ (высоте насыпи до 0,8 м), а также для строительства временных дорог и дорог высоких категорий. Технологический процесс выполнения работ автогрейдером состоит из ряда последовательных операций: зарезания грунта, поперечного перемещения его, послойного разравнивания. Количество проходов автогрейдера для перемещения грунта составляет около 75% от общего количества проходов, требуемого для возведения насыпи. Общее количество проходов автогрейдера (с отвалом 3,5...3,6 м и мощностью двигателя 70... 100 л.с.) составляет 360...400 на 1 км при насыпях высотой 0,75...0,8 м.

Грейдеры-элеваторы применяют при возведении насыпи высотой до 0,8 м из односторонних резервов или до 1,2...1,5 м из двухсторонних в равнинной и слабохолмистой местности с небольшими продольными уклонами (до 50...70‰). Эти машины также эффективно применять для разработки сосредоточенных резервов с погрузкой грунта в транспортные средства. При этом транспортные средства движутся параллельно грейдер-элеватору, причем смену транспортных единиц необходимо производить непрерывно с интервалами в 1,5...3 мин (в зависимости от их грузоподъемности). Для повышения производительности грейдер-элеватора устраивают с помощью автогрейдера или бульдозера забой с вертикальными стенками высотой до 0,4 м, а грунт режут стружкой шириной 25...30 см. Оптимальной длиной захватки считают 500...800 м.

Одноковшовые экскаваторы применяются при производстве сосредоточенных земляных работ и отсыпке насыпей из отдаленных резервов. Экскаваторы на гусеничном ходу применяются при сосредоточенных работах, когда не требуются частые перебазировки, при слабых основаниях. Экскаваторы на пневмоколесном ходу целесообразно применять при грунтах с достаточной несущей способностью, на рассредоточенных работах.

Основные объемы работ выполняют экскаваторами с оборудованием прямая лопата. Драглайн применяют при необходимости разработки грунтов, расположенных ниже уровня стоянки экскаватора, когда работа с подошвы забоя затруднена из-за наличия грунтовых вод. Обратную лопату применяют при разработке траншей и котлованов под фундаменты.

Разработку выемки или карьера экскаватором прямая лопата производят:

1) боковым забоем, когда транспортные средства размещаются сбоку экскаватора в одном или разных уровнях (рис. 2.8);
2) лобовым забоем, когда экскаватор разрабатывает траншею, а грунт выгружается в транспортные средства, размещенные сзади экскаватора на дне этой траншеи в одном с ним уровне (рис. 2.9).

Рис. 2.8. Схема бокового забоя

Разработка боковым забоем предпочтительна, так как обеспечивает лучшие условия для подъезда и погрузки транспортных средств. Размеры забоев определяются рабочими размерами применяемых моделей экскаваторов. Наибольшее расстояние В от оси экскаватора до бокового откоса забоя следует принимать на 0,5 м меньше наибольшего радиуса резания R, чтобы не оставалось недоработанного грунта. Наибольшее расстояние от оси экскаватора до подошвы забоя принимается на 0,2 м меньше радиуса резания В на уровне стоянки экскаватора. Рекомендуемые размеры забоев при работе экскаватора с прямой лопатой с погрузкой грунта в транспортные средства приведены в табл. 2.7.

Рис. 2.9. Схемы разработки выемки экскаватором

Таблица 2.7

Рекомендуемые размеры забоев

Примечания.

1. Ширина подошвы забоя приведена для случая, когда погрузочный путь расположен на уровне или выше ее уровня.
2. В сыпучих грунтах высота забоя может быть увеличена сверх наибольшей высоты резания на 1,5...2 м. Наибольшую допустимую высоту забоя в связных и плотных грунтах принимают равной наибольшей высоте резания экскаватора данного типа.

Движение транспортных средств, занятых перемещением грунта, следует регулировать по всей ширине отсыпаемого слоя насыпи, чтобы не образовывать колей и обеспечивать более равномерное уплотнение слоя. Предварительная планировка слоя обязательна.

Производительность одноковшового экскаватора определяется из выражения:

где q - геометрическая емкость ковша, м;

- коэффициент наполнения ковша, равный при нормальных условиях 1, при благоприятных - 1,05...1,10, при неблагоприятных - 0,9;
- коэффициент использования ковша по времени, = 0,75...0,95;

- время цикла, с;
- коэффициент разрыхления грунта, для легких грунтов - 1,15; для средних - 1,25; для тяжелых - 1,33; для скальных - 1,72.

Продолжительность цикла определяется из выражения:

где - время наполнения ковша грунтом в забое, с;
- время подъема ковша на высоту выгрузки, с;
- время поворота платформы экскаватора вместе со стрелой и ковшом к месту отвала, с;
- время опорожнения ковша, с;
- время обратного поворота платформы к забою, с;
- время опускания ковша в исходное положение, с;
- время пауз в течение цикла, с;
- коэффициент, учитывающий совмещение различных операций во времени ( = 1,15... 1,30).