В ходе строительных и горных работ разработка грунта традиционно осуществляется одним из трех способов: резание, гидромеханический разрыв, взрывным методом.
Инженер делает выбор в пользу конкретного метода исходя из предстоящих объемов работ, характера грунтовых почв, имеющихся в распоряжении технических средств разработки и т. д.
Если с рытьем котлована под строительство загородного дома запросто может справиться маленьких экскаватор, то при добыче полезных ископаемых необходимо задействовать целый комплекс машин и механизмов. Причем большинство из этих средств производства не будут напрямую задействованы в разработке грунта. Их предназначение – обслуживание процесса добычи и обеспечение бесперебойности работ.
Характеристика грунтов
Грунт – это верхний слой земной коры, образованный выветриваемыми горными породами. В зависимости от плотности и по происхождению, грунты можно классифицировать на:
- Скальные (такой грунт устойчив к воздействию влаги, предел прочности более 5 МПа). К данной категории относят гранит, известняк, песчаник.
- Полускальные (предел прочности до 5 МПа). Например: глина, гипс, мергель.
- Крупнообломочные – несцементированные обломки полускальных и скальных пород.
- Песчаные (представляют собой дисперсные (до 2 миллиметров в диаметре) частицы горных пород).
- Глинистые (мелкодисперсные (0,005 миллиметров в диаметре) частицы породы).
Разработка грунта вручную в траншеях – довольно трудоемких процесс. Он в принципе не может осуществляться при разработке скальных пород.
В состав грунтов включены твердые части, вода, а также различные газы (скапливаются в порах). Влажность грунта – величина, которая характеризует отношение массы жидкости к массе твердых тел в единице объеме. Она может варьироваться в широком диапазоне и может принимать значение от одного (песок) до двухсот процентов (ил на дне водоемов).
Грунт в процессе разработки увеличивается в объеме. Это происходит за счет образования пор и полостей. Величина изменения объема характеризуется коэффициентом разрыхления (отношение объема, занимаемого грунтом до проведения работ, к объему, который грунт занимает после разработки). С течением времени плотность разрыхленного грунта уменьшается (природное уплотнение). Возможно также осуществление принудительного уплотнения грунта с использованием тяжелой строительной техники. Плотность такого грунта приближается к первоначальной, хотя и несколько меньше. Данной разницей можно пренебречь, тем более что с течением времени и она исчезнет, а сам грунт полностью восстановит свои свойства (состарится).
Механические свойства грунтов (прежде всего, это прочность и способность деформироваться) зависят от состава и характера связи между частицами. В процессе разработки связи разрушаются, в ходе уплотнения – восстанавливаются.
Разработка резанием
Для разработки грунта данным способом используются землеройно-транспортировочные и землеройные машины.
В процессе работы режущий инструмент испытывает очень значительные фрикционные и механические нагрузки. В таких условиях обычная конструкционная таль долго не выстоит. Поэтому режущая кромка рабочего органа усиливается элементами из металлокерамики или специальными сталями. Композиционные металлокерамические пластинки наиболее эффективны в работе. Но и стоимость их довольно высока. Поэтому чаще всего ковши усиливаются напайными электродами из износостойких сплавов. Помимо всего прочего, такой ковш обладает эффектом самозатачивания в ходе работы за счет более ускоренного износа части ковша из обыкновенной стали.
Такие машины срезают определенный слой грунта. Срезанная масса по специальному транспортеру поступает на отвал либо же сразу высыпается в кузов самосвала для вывоза в карьер или на другие стройки. Под эту категорию подпадает разработка грунта экскаватором.
Типы экскаваторов
В зависимости от конструкции и параметров ковша, экскаваторы делятся на следующие типы:
- одноковшовые;
- роторные и цепные (многоковшовые);
- фрезерные.
Самым распространенным является одноковшовый тип экскаватора. Данный тип машины является широкоуниверсальным, обладает очень хорошей маневренностью. Оптимальный полезный объем ковша – от 0,15 до 2 метров кубических. Разработка грунта экскаватором (одноковшовым) с более массивным и вместительным ковшом экономически нецелесообразна, так как гидравлика и механическая часть оборудования часто выходят из строя из-за большой нагрузки.
Также, в зависимости от механизма привода, землеройные машины подразделяются на гусеничные и автомобильные. Существуют и так называемые шагающие экскаваторы, а также пневмоколесные экскаваторы. Однако на практике такие машины встречаются крайне редко, если вообще попадаются на глаза. Даже опытные строители, и то не все могут похвастаться, что работали когда-либо на одном объекте с данным типом машин.
Работа одноковшового экскаватора
Данный тип экскаватора может вести разработку грунта как боковой, так и прямой проходной. В первом случае экскаватор осуществляет работы вдоль оси перемещения. Грунт при этом сваливается в кузов грузовика, который подъезжает с другой стороны.
Во втором случае работы ведутся впереди экскаватора, а транспортные средства для загрузки подаются сзади.
Если необходимо получить значительную выемку грунта на большую глубину, то альтернативы механизированной разработке грунта нет. Все работы осуществляются путем разработки в несколько этапов (ярусов). Ярус не превышает технологические возможности конкретной модели экскаватора по глубине выемки.
Работа многоковшового экскаватора
Данный тип машин является ярким примером механизма непрерывного действия. Поэтому, разумеется, производительность такого экскаватора на порядок выше производительности обычных одноковшовых машин. Но следует сказать, что подобное оборудование применяется лишь при строительстве масштабных объектов. Для разработки грунта в траншее малых размеров данный тип техники абсолютно непригоден: очень дорогое обслуживание, очень большой расход топлива.
Рабочие ковши могут фиксироваться на цепи или на роторе. Отсюда и происходит название экскаваторов: цепные и роторные.
Данный тип экскаватора может применяться при разработке грунта 2 группы. Хотя на практике известны случаи, когда такие машины с легкостью справлялись с грунтами 1…3 групп. Почва должна быть сравнительно чистой, без больших камней и мощных пней.
Разработка землеройно-транспортными машинами
Одна машина за один рабочий цикл осуществляет извлечение породы, ее перемещение на небольшие расстояния. К таким машинам относятся скреперы, грейдеры, а также бульдозеры.
Для осуществления масштабных работ используются скреперы. Данные машины очень производительны, могут применяться в условиях грунтов 1…4 типа. Однако, несмотря на невероятную мощность, скреперу не под силу плотные грунты. Поэтому такие почвы предварительно необходимо взрыхлить. За один проход данная машина может снять слой грунта толщиной до 320 миллиметров. Конкретная величина зависит от мощности, формы ковша и модели скрепера.
Нижняя часть ковша скрепера оснащена ножом. Это не тот нож, которым большинство людей режет продукты на кухне. В данном случае приварена полоса из стойкой к истиранию и самоупрочняющейся стали Гадфильда.
Бульдозеры используются для проведения работ на небольших глубинах и на большой протяженности. Также данный тип машин используется для зачистки и разравнивания дна котлованов, разработка грунта которых велась крупногабаритными экскаваторами.
На глубину бульдозер перемещается по ярусам. Глубина яруса равна величине слоя, который может снять машина за один проход. Очень важно, чтобы рабочее перемещение бульдозера осуществлялось под уклоном. Это позволит несколько разгрузить силовые агрегаты и минимизировать вероятность выхода из строя техники.
Грейдеры имеют малую мощность и потенциальные возможности. Используются в большей степени для проведения декоративных работ: устройство насыпей и откосов, осуществления планировочных работ.
Описание и область применения гидромеханической разработки
В данном случае о разработке грунтов вручную не может быть и речи. Впрочем, как и с использованием землеройных машин. Область применения весьма обширна: от создания искусственных водохранилищ до строительства дорог. Технология позволяет также намывать территории под жилую и промышленную застройку в заболоченных и прибрежных районах, подверженных паводкам. Все процессы механизированы. Данный способ разработки грунта требует создания особой инфраструктуры, что делает целесообразным его использование лишь при очень больших предстоящих объемах работ.
Гидромеханическая разработка с применением гидромониторов
Суть данного способа разработки заключается в следующем: грунт вымывается струей воды под большим давлением (порядка 15 МПа). Получаемая грязевая масса (на сленге профессионалов – пульпа), изначально скапливается в промежуточных резервуарах, а уж оттуда помпами подается по трубопроводу в нужное место.
Со временем влага полностью испаряется, и образуется плотный слой грунта. Если его уплотнить катком, то такая почва становится вполне пригодной для строительства путей сообщения (автомобильных и железных дорог).
Большим технологическим преимуществом такого способа является возможность вести разработку грунтов практически любой категории сложности.
Гидромеханическая разработка с применением землесосных снарядов
При осуществлении работ на дне водоемов разработка грунта вручную, как и с использованием традиционных землеройных машин, исключается. Необходимы специальные суда.
Землесосным снарядом называется плавательное средство, оснащенное специальным оборудованием. Мощная помпа качает размытый грунт со дна водоема и транспортирует его по трубопроводу либо в трюм судна, либо на вспомогательное транспортное судно, либо мощной струей выбрасывает далеко от места выемки грунта.
Подобные землесосные снаряды нашли применение при углублении и расчистке фарватеров судов в условиях мелководья, углубления рек с целью обеспечения бесперебойного судоходства, а также при добыче алмазов с шельфа мирового океана.
Грунтовая масса всасывается через трубу. Для всасывания ила и мягкого грунта труба не оснащается дополнительным рыхлителем. Наличие последнего необходимо при разработке плотных грунтов. По трудности разработки данный метод лидирует. Эксплуатация и обслуживания специального транспорта, его стоянка в портовых водах обходится очень дорого. Предъявляются высокие требования к квалификации обслуживающего персонала.
Разработка мерзлых грунтов
Для разработки в условиях вечной мерзлоты, а также для выработки скалистых пород, применяются мощные направленные взрывы. В качестве взрывчатки может использоваться тротил, аммонит и толл.
Взрывчатые снаряды могут размещаться как на поверхности, так и закладываться вглубь в заранее пробуренные отверстия или в природные полости.
Так называемые скважинные заряды применяют при разработке большого по площади бассейна, а также для сбрасывания грунтов. Разрывные снаряды устанавливаются в заранее пробуренные скважины. Минимальный диаметр скважины равен 200 миллиметров. Для увеличения разрушительной силы зарядов, отверстия снаружи засыпаются песком или мелкодисперсной горной породой (образуется при бурении скважин).
Шпуровые заряды применяются в том случае, когда необходимо провести выемку небольшого объема грунта. Возможно осуществлять как при открытой разработке, так и при разработке под землей. Шпуры представляют собой своего рода гильзы. Имеют диаметр от 25 до 75 миллиметров. Они заполняются взрывчаткой максимум на две трети. Оставшееся пространство заполняется горной породой (чтобы получит направленную взрывную волну и достигнуть наибольшего полезного эффекта).
Камерные заряды. Данный тип заряда применяется при необходимости производить выемку значительных объемов грунта путем осуществления направленного выброса. Суть метода заключается в следующем. В зоне выработки обустраиваются вертикальные колодцы или горизонтальные тоннели, в стенах которых бурятся глухие отверстия для закладывания зарядов. После закладки взрывчатки штольни и колодцы засыпаются грунтом (это позволяет увеличить мощность взрыва). Направление выброса обеспечивается неравномерной закладкой взрывчатого вещества. Так, с одной из сторон может быт в несколько раз больше буровых отверстий под заряды. Также с этой целью может применяться рассогласование взрывов.
Так называемый щелевой заряд применяется, в основном, при разработке грунта в условиях вечной мерзлоты. Осуществить направленный выброс такой породы едва ли получится. А вот разрыхлить ее, чтобы в дальнейшем ее можно было убрать бульдозером или экскаватором, вполне реально. Для этого используется инструмент, по принципу действия и по внешнему виду напоминающий дисковую фрезу по металлу. Только, разумеется, такой инструмент имеет куда большие размеры. Такая фреза вырезает своеобразные пазы в грунте на расстоянии до 2,5 метров друг от друга. Взрывчатое вещество закладывается не в каждый паз, а через один – полое незаполненное пространство выступает в роли компенсатора. Взрывная волна дробит грунт, и он смещается в сторону полости. Такие работы требуют тщательной подготовки и детальной проработки проекта.
