Строительство зданий и сооружений начинается с возведения подземной части объектов и сопряжено с выполнением значительных объемов земляных работ.
Земляные работы относят к наиболее тяжелым и трудоемким видам строительных работ, выполняемым в сложных условиях и в значительной степени зависимым от природно-климатических факторов. Поэтому перед проектировщиками, технологами ставятся задачи разработки и реализации технологий, способствующих сокращению объемов земляных работ на строительной площадке.
Земляные работы выполняют различными методами, которые объединены в четыре группы:
- механические,
- гидравлические,
- взрывные,
- ручные.
Механическим методом перерабатывается грунта около 95 %, гидравлическим – около 2 %, взрывным – до 1 % всего объема земляных работ. Производство работ вручную даже в небольших объемах влияет на общие затраты труда, так как производительность ручного труда в 20…30 раз ниже механизированного.
Результатом выполнения земляных работ являются различного вида земляные сооружения, представляющие собой выемки, насыпи, подземные выработки, обратные засыпки. Выемку шириной до 3 м и имеющую длину, значительно превышающую ширину, называют траншеей. Выемку, длина которой не превышает десятикратной ее ширины, называют котлованом. Выемки под отдельно стоящие небольшие фундаменты или столбы называют ямами. Котлованы и траншеи имеют дно и боковые поверхности, наклонные откосы или вертикальные стенки.
Выемки, разрабатываемые для добычи недостающего для строительства грунта, называют резервами; а насыпи, в которые осуществляют отсыпку излишнего грунта, – кавальерами или отвалами. Места, где осуществляют разработку песка или других строительных материалов называют карьерами. Выемки, закрытые с поверхности земли и устраиваемые для прокладки туннелей называют подземными выработками.
Земляные сооружения разделяют:
- по отношению к поверхности грунта – выемки, насыпи, подземные выработки, обратные засыпки;
- по сроку службы – постоянные и временные;
- по геометрическим параметрам – глубокие, мелкие, протяженные и т.п.;
- по функциональному назначению – котлованы, траншеи, ямы, скважины, отвалы, плотины, дорожные полотна, туннели, планировочные площадки и т.п.
К временным земляным сооружениям относят выемки, разрабатываемые при возведении фундаментов зданий, для прокладки водопроводных, газовых и других сетей, насыпи для временных дорог и т.п. К постоянным относят сооружения, предназначенные для долгосрочной эксплуатации – земляные плотины, каналы, полотно дороги и т.п.
Земляные сооружения являются результатом процессов переработки грунта, основными из которых являются разработка грунта, его перемещение и укладка. В ряде случаев им предшествуют или сопутствуют подготовительные и вспомогательные процессы. Подготовительные процессы осуществляют до начала разработки грунта, а вспомогательные – до или в процессе возведения земляных сооружений. Весь этот комплекс процессов называют земляными работами.
Технологические свойства грунтов. В строительном производстве грунтами называют породы, залегающие в верхних слоях земной коры. Свойства грунтов влияют на устойчивость земляных сооружений, трудоемкость разработки и стоимость работ. В зависимости от характеристик грунты влияют на оценку пригодности их в качестве оснований зданий и сооружений, размера допускаемой на них нагрузки, возможности их использования в качестве материала для устройства постоянных насыпей и выемок, а также выбора метода разработки грунтов.
Различают песчаные грунты – сыпучие в сухом состоянии, не обладают свойством пластичности. Они водопроницаемы. С изменением влажности меняется и объем песка. Наибольший объем имеет песок во влажном состоянии (все пространство между частицами заполнено водой). Наименьший объем имеет песок, насыщенный водой (песок осел на дно, вода выдавила из пор воздух и сама поднялась в верхние слои) Промежуточное положение занимает песок в сухом состоянии (свободное пространство между частицами заполнено воздухом). Пески подразделяют на: мелкий – более 50 % объема составляют частицы размером 0,1…0,25 мм; средний – более 50 % объема составляют частицы 0,25…0,5 мм; крупный – более 50 % объема составляют частицы 0,5…3 мм.
Важным компонентом большинства грунтов является наличие в них глинистых частиц. В песках глинистых частиц содержится менее 3 %; в супесях – 3…10 %, в суглинках – 10…30 %; в песчаных глинах – 30…60 %; в тяжелых глинах – более 60 %.
Глинистые грунты – связные и обладающие свойством пластичности. Глины впитывают воду в большом количестве и при этом сильно разбухают. При замерзании вода увеличивается в объеме до 9 %, и глинистые грунты сильно пучатся. При высыхании глины, наоборот, с трудом отдают влагу и трескаются.
Суглинок имеет свойства глины, супесь – песка, но в значительно меньшей степени.
Для выбора наиболее эффективного способа производства работ необходимо учитывать следующие основные характеристики грунтов – плотность, влажность, сцепление, удельное сопротивление резанию, разрыхляемость и угол естественного откоса.
Плотностью называется масса 1 м3 грунта в естественном состоянии (в плотном теле). Плотность песчаных и глинистых грунтов 1,6…2,1 т/м3, а скальных неразрыхленных грунтов до 3,3 т/м3.
Влажность характеризуется степенью насыщения грунта водой, которую определяют отношением массы воды в грунте к массе твердых частиц грунта и выражают в процентах. При влажности более 30 % грунты считаются мокрыми, а при влажности до 5 % – сухими.
Сцепление определяется начальным сопротивлением грунта сдвигу Так, сцепление для песчаных грунтов равно 3…50 кПа, для глинистых – 5…200 кПа.
Удельное сопротивление резанию зависит как от свойств разрабатываемого грунта, так и от конструктивного исполнения рабочего органа землеройного оборудования. С учетом этого в строительном производстве грунты по трудности их разработки классифицируют по группам (приведены в нормативных документах).
Для одноковшовых экскаваторов грунты подразделяют на шесть, для многоковшовых экскаваторов и скреперов – две, для бульдозеров и грейдеров – три группы. При разработке грунтов вручную их делят на семь групп. Как при механизированной, так и при ручной разработке в состав первой группы входят легко разрабатываемые грунты, а в последнюю – трудно разрабатываемые.
Разрыхляемость – способность грунта увеличиваться в объеме в процессе его разработки, при этом плотность его уменьшается. Это называется первоначальным разрыхлением грунта и характеризуется коэффициентом разрыхления. Коэффициент Кр вычисляют как отношение объема разрыхленного грунта к объему грунта в естественном состоянии (для песчаных Кр = 1,08…1,17, для суглинков Кр = 1,14…1,28, для глинистых грунтов Кр = 1,24…1,3).
В насыпи разрыхленный грунт под влиянием массы вышележащих слоев грунта или механического уплотнения, смачивания дождем и других внешних воздействий уплотняется. Однако грунт не занимает того объема, который он занимал до разработки, сохраняя остаточное разрыхление. Показателем которого является коэффициент остаточного разрыхления грунта Кор, значение которого для песчаных грунтов находится в пределах 1,01…1,025, суглинистых – 1,015…1,05, глинистых – 1,04…1,09.
Угол естественного откоса характеризуется физическими свойствами грунта, при котором он находится в состоянии предельного равновесия. Для обеспечения устойчивости земляных сооружений (насыпей, выемок) их возводят с откосами. Крутизна откоса зависит от угла естественного откоса.
Крутизна откоса определяется отношением его высоты к заложению: h/а = 1/m,
где т – коэффициент откоса (приведены в нормативных документах); h – высота откоса; a – заложение откоса.
По условиям техники безопасности рытье котлованов и траншей с вертикальными стенками (без их крепления) допускается только в грунтах естественной влажности на глубину, не превышающую следующих значений: в насыпных, песчаных и гравелистых грунтах – 1 м; в супесях – 1,25 м; в суглинках и глинах – 1,5 м; в особо плотных нескальных грунтах – 2,0 м. При глубине больше указанной котлованы и траншеи разрабатывают с откосами или с креплением стенок.
К подготовительным и вспомогательным процессам, связанным с разработкой выемок и возведением насыпей, относятся разбивка земляных сооружений (рис. 1), водоотвод, водоотлив и понижение уровня грунтовых вод, временное крепление стенок выемок, искусственное закрепление грунтов, разрыхление плотных грунтов.
Рис. 1 — Схема разбивки котлованов и траншей: а) схема разбивки котлована; б) схема обноски; в) элементы обноски разового использования; г) инвентарная металлическая обноска; д) схема разбивки траншеи; I-I и II-II – главные оси здания; III-III – оси стен здания; 1 – границы котлована, 2 – обноска, 3 – проволока (причалка); 4 – отвесы; 5 – доска; 6 – гвоздь; 7 – стойка
Разбивка земляных сооружений. Разбивка состоит в установлении и закреплении положения сооружений на местности. Разбивку осуществляют с помощью геодезических инструментов и различных измерительных приспособлений.
Разбивку котлована начинают с выноса и закрепления на местности (в соответствии с проектом) створными знаками основных рабочих осей, в качестве которых обычно принимают главные оси здания I-I и II-II. Затем вокруг будущего котлована на расстоянии 2…3 м от его бровки параллельно основным разбивочным осям устанавливают обноску.
Обноска разового использования состоит из забитых в грунт металлических стоек или вкопанных деревянных столбов и прикрепленных к ним досок. Доска должна быть толщиной не менее 40 мм, иметь обрезную грань, обращенную кверху, и опираться не менее чем на три столбика. Более совершенной является инвентарная металлическая обноска, состоящая из металлических стоек и труб, укрепленных на стойках хомутами. Для пропуска транспортных средств в обноске должны быть разрывы. При значительном уклоне местности обноски делают с уступами.
На обноску переносят основные разбивочные оси и, начиная от них, размечают все остальные оси здания. Все оси закрепляют на обноске гвоздями или пропилами и нумеруют. На металлической обноске оси закрепляют краской. Размеры котлована поверху, понизу и другие характерные его точки отмечают забитыми в грунт хорошо видимыми колышками или вехами. После возведения подземной части здания основные разбивочные оси переносят на его цоколь.
Для линейно протяженных сооружений (например, для траншей) устраивают только поперечные обноски, которые располагают на прямых участках через 50 м, на закруглениях – через 20 м. Обноску устраивают также на всех пикетах и точках перелома профиля трассы.