Способы механизированной разработки грунта. Транспортирование грунта

Механический метод разработки грунта основан на применении для разработки, перемещения, укладки, разравнивания и уплотнения грунта машин и механизмов.

Производство земляных работ в общем случае состоит из трех процессов: разработка выемки, транспортирование грунта, отсыпка насыпи – при этом ведущим является процесс разработки грунта. Разработка выемок производится тремя основными способами: резанием, размывом струей и взрывным способом.

При механическом способе разработки на грунт действует усилие резания (скалывания) рабочего органа различных машин. В результате определенные порции грунта отделяются от массива и могут быть перемещены и уложены в насыпь.

При разработке способом резания применяют землеройные, землеройно-транспортные и землеройно-планировочные машины.

Землеройные машины: экскаваторы, канавокопатели – предназначены только для разработки грунта.

Землеройно-транспортные машины: скреперы и бульдозеры – предназначены для разработки грунта в выемке, транспортирования его и отсыпки в насыпи. Эти машины обеспечивают полную механизацию всего комплексного процесса производства земляных работ.

Землеройно-планировочные машины: прицепные и самоходные грейдеры и бульдозеры – предназначены для разработки, перемещения и планирования грунта.

Для разработки грунта размывом струей воды и перемещения разжиженного грунта по трубам применяются гидромониторы, землесосные установки.

Эффективной формой механизированного способа производства земляных работ является комплексная механизация. Основной принцип комплексной механизации заключается в том, что все машины, занятые на выполнении процессов и операций, должны соответствовать друг другу своими технико-экономическими и технологическими параметрами.

В этом случае вводится понятие комплекса (системы) машин, а весь производственный процесс называют комплексно-механизированным технологическим процессом производства земляных работ.

В зависимости от выполняемых технологических процессов, машины для земляных работ можно разделить на следующие группы: экскаваторы; землеройно-транспортные машины; погрузчики; машины для уплотнения грунта; машины и оборудование для разработки мерзлых грунтов; машины и оборудование для подготовительных работ; машины и оборудование для бурения скважин; машины для гидромеханической разработки грунта; машины для транспортировки грунта.

Основную долю земляных работ (около 45 %) выполняют одноковшовые экскаваторы (ЭО). Главный параметр ЭО – вместимость ковша, м3. Для разработки грунта ЭО в промышленном и гражданском строительстве используют экскаваторы с ковшом вместимостью 0,15 – 2 м3, реже до 4 м3. В различных отраслях промышленности (угольная, горнодобывающая) применяют одноковшовые экскаваторы с вместимостью ковша до 100 м3.

Классификация одноковшовых экскаваторов дана в ГОСТ 30067-93 Экскаваторы одноковшовые универсальные полноповоротные. Общие технические условия.

Экскаваторы одноковшовые различают:

• по ходовому устройству: гусеничные, гусеничные с увеличенной опорной поверхностью гусениц и колесные;
• по приводу: механический, гидравлический шарнирно-рычажный; гидравлический телескопический.

Преимущества гидравлических:

• большая производительность машин в среднем на 30…35 %;
• более широкая номенклатура сменных рабочих органов;
• большее количество основных и вспомогательных движений рабочего оборудования;
• более простая кинематика трансмиссии и рабочего оборудования;
• меньшие габариты машины;
• плавность движения и точная ориентация рабочего органа;
• большее (в 1,5…2 раза) усилие копания;
• лучшие условия труда машиниста.

Сменные рабочие органы гидравлических экскаваторов показаны на рис. 1

Рис. 1 — Сменные рабочие органы гидравлических экскаваторов: 1-3 -ковши обратных лопат; 4 – ковш прямой лопаты; 5 –ковш для дренажных работ; 6- ковш для узких траншей; 7,8 – ковши для планировочных и зачистных работ; 9 — грейфер для рытья котлованов и траншей; 10 — грейфер для погрузки крупнокусковых материалов и камней; 11…13 – ковши погрузочные; 14– бульдозерный отвал; 15 — захват для труб и бревен; 16- крановый подвес; 17,18- рыхлители; 19,20- гидравлические и гидропневматические молоты; 21- гидравлические ножницы

Строительные экскаваторы выпускают на гусеничном и пневмоколесном ходу. Наиболее распространенными видами рабочего оборудования являются прямая, обратная лопаты, драглайн и грейфер (рис. 2).

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

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

Основными рабочими параметрами одноковшовых экскаваторов при разработке выемок являются:

• максимально возможная высота копания +Н (для экскаватора прямая лопата). Знак «+» показывает, что экскаватор копает выше своей стоянки;
• глубина копания (резания) –Н (для других типов экскаваторов). Знак «–» показывает, что экскаватор копает ниже своей стоянки;
• наибольший и наименьший радиусы копания на уровне стоянки экскаватора Rmax и Rmin соответственно;
• радиус выгрузки Rb;
• высота выгрузки Нb.

Рис. 2 — Схемы работы гидравлических экскаваторов и профили забоев: а) с прямой лопатой; б) с обратной лопатой; в) с грейферным оборудованием; г) с оборудованием драглайн

Разработку грунта ЭО ведут позиционно. Зону, в которой действует экскаватор на данной позиции, называют забоем. В нее входят площадка, на которой находится экскаватор, часть массива грунта, разрабатываемого с одной стоянки, и площадка, на которой устанавливается транспорт под погрузку или размещается отвал грунта. По окончании разработки грунта 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.

Большинство одноковшовых строительных экскаваторов это универсальные машины, которые могут быть оснащены различными видами сменного рабочего оборудования. В последние годы в связи с широким распространением гидропривода универсальность ЭО еще более возросла, что значительно расширяет его технологические возможности.

Использование сменного рабочего оборудования дает возможность механизировать такие процессы как: зачистка дна выемок; дробление и удаление негабаритов и валунов; отделка поверхности откосов земляного сооружения, дна выемок; послойное уплотнение грунта в стесненных условиях, при устройстве обратных засыпок; рыхление мерзлого и трудноразрабатываемого грунта.

Предполагается, что и в дальнейшем развитие одноковшовых экскаваторов будет связано с совершенствованием их технологических характеристик, разработкой рабочих органов, позволяющих гибко реагировать на изменяющиеся условия производства работ. Это позволит в полной мере использовать потенциальные возможности гидравлических машин, представляющих собой пример современных манипуляторов.

В зависимости от условий строительной площадки выбор экскаватора начинают с определения наиболее целесообразных вместимости ковша и типа экскаватора, а также требуемых параметров – длины стрелы, радиуса резания, выгрузки и др. Выбор сменного оборудования экскаватора зависит от уровня грунтовых вод и характера разрабатываемой выемки (траншея, узкий или широкий котлован). На рис. 3 представлены обобщенные схемы проходок при работе экскаваторов различных видов.

Рис. 3 — Схемы проходок при разработке грунта одноковшовыми экскаваторами: а) лобовая проходка прямой лопаты с односторонним расположением транспорта; б) то же, с двусторонним; в) лобовая расширенная проходка при зигзагообразном движении прямой лопаты; д), ж) торцевые проходки обратной лопаты или драглайна; з) уширенная торцевая проходка при зигзагообразном перемещении обратной лопаты или драглайна; и) боковая проходка обратной лопаты или драглайна; к) поперечно-челночная проходка драглайна; R – радиус резания; Rв – радиус выгрузки; lп – длина передвижки; В – ширина котлована

Проходка — это выемка, образованная одним ходом экскаватора. По характеру разработки грунта проходки могут быть:

• торцевыми (лобовыми);
• боковыми.

При торцевой (лобовой) проходке экскаватор движется по оси выемки и разрабатывает грунт впереди себя и по обе стороны от оси.

При боковой проходке — с одной стороны по ходу движения. Характер проходки зависит от глубины и ширины котлована и условий его разработки.

Основное рабочее оборудование ЭО используют в зависимости от характера выполняемых работ.

Экскаватор с прямой лопатой – для разработки грунтов, расположенных выше стоянки экскаватора, выемки грунтов из котлованов и резервов с их погрузкой в транспорт.

Прямая лопата представляет собой открытый сверху ковш с режущим передним краем. Ковш шарнирно соединен с рукоятью, которая, в свою очередь, шарнирно соединена со стрелой машины и выдвигается вперед при помощи напорного механизма. Конструкция экскаватора позволяет ему копать ниже уровня своей стоянки не более чем на 10…20 см, нормативная производительность может быть достигнута при высоте забоя не менее 1,5 м. Опорожняется ковш путем открытия его днища. Такая конструкция прямой лопаты обеспечивает ей наибольшую производительность за счет наполнения ковша «с шапкой».

Нецелесообразно использование экскаватора, если уровень грунтовых вод выше подошвы выемки, так как движение экскаватора и транспортных средств по мокрому грунту затруднено.

Процесс выемки грунта осуществляется лобовыми и боковым забоями (рис. 4).

Рис. 4 — Схемы проходок экскаватора с рабочим оборудованием «прямая лопата»: а) лобовая (торцевая) проходка; б) то же с двусторонним расположением транспорта; в) уширенная лобовая проходка с движением экскаватора «зигзаг»; г) боковая проходка; д) разработка котлована по ярусам; I, II, III, IV – ярусы разработки; 1 – экскаватор; 2 – автосамосвал; 3 – направление движения транспорта

Лобовой забой применяют при разработке экскаватором грунта впереди себя и отгрузке его на транспортные средства, которые подаются к экскаватору по дну забоя или сбоку по естественной поверхности земли. В первом случае автомобили подходят задним ходом попеременно то с одной, то с другой стороны забоя, размер которого понизу не должен быть менее 7 м. При таких условиях работы угол поворота экскаватора достигает 140… 180°, что значительно снижает его производительность. По этим причинам лобовой забой используют крайне редко, в основном при устройстве въездного пандуса в котлован или при разработке первой (пионерской) проходки.

В технических характеристиках приведены обычно максимальные значения показателей, например, радиуса резания и др. Но работа на максимальных значениях показателей приведет к быстрому износу экскаватора, поэтому необходимо назначать оптимальные рабочие параметры – обычно 0,9 Пmax (например, оптимальный радиус резания Rо = 0,9 Rmax).

В зависимости от ширины проходки лобовые забои подразделяют на узкие (ширина проходки менее 1,5 размера оптимального радиуса резания Rо), нормальные (ширина – (1,5…1,9) Rо) и уширенные (ширина – (2…2,5) Rо).

При узких забоях самосвалы подают под загрузку с одной стороны сзади экскаватора, а при нормальных – с обеих сторон экскаватора попеременно, что исключает простои экскаватора при смене транспортных средств. При данных забоях экскаватор перемещается прямолинейно по оси забоя.

В некоторых случаях разработку грунта ведут уширенным забоем с перемещением экскаватора по зигзагу. В уширенных забоях сокращаются холостые проходки экскаватора и облегчаются условия маневрирования и установки под погрузку самосвалов.

Ширина лобовых проходок:

1. Грунт разрабатывается в транспортное средство в забое:

Ширина зигзагообразной проходки:

,

где Rо – оптимальный радиус резания экскаватора; Lп – длина рабочей передвижки экскаватора (разность между максимальным и минимальным радиусом резания); Rc – радиус резания на ровне стоянки.

2. Грунт разрабатывается в транспортное средство на бровке забоя.

Ширина торцевой проходки поверху определяется по формуле

Рис. 8 — Торцевая проходка с выгрузкой грунта в транспортное средство на бровке забоя

где R_в^m— макс. радиус выгрузки при требуемой высоте глубина проходки НК ¿ НВ – hТР – 0,8; НВ – высота выгрузки; hТР – высота тр. средства; 0,8 – запас на загрузку выше борта.

Более эффективным является разработка грунта боковым забоем, когда заполнение ковша грунтом осуществляется преимущественно с одной стороны движения экскаватора и частично впереди себя. По этой схеме транспорт подается под загрузку сбоку выработки, чем достигается значительное уменьшение угла поворота стрелы экскаватора (в пределах 70…90°) при погрузке грунта в транспортные средства. В боковых забоях транспортные пути проходят параллельно оси перемещения экскаватора и, как правило, на уровне его стоянки.

Ширина боковой проходки проходки определяется по формуле

где В2 – ширина торцевой проходки, м;

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

Экскаватор с обратной лопатой – для разработки грунтов, находящихся ниже уровня стоянки экскаватора, преимущественно при рытье траншей, небольших котлованов и резервов с погрузкой грунта в транспорт и укладкой в отвал. Затраты времени на один цикл экскаватора с обратной лопатой на 10…15 % больше, чем у прямой лопаты. Поярусная разработка выемок при этом виде оборудования не практикуется.

Обратная лопата – это открытый снизу ковш с режущим передним краем, шарнирно соединенный с рукоятью, которая, в свою очередь, шарнирно соединена со стрелой. По мере протягивания назад ковш заполняется грунтом. Затем при вертикальном положении рукояти ковш переводят к месту выгрузки и разгружают путем подъема с одновременным опрокидыванием.

Разработку грунта экскаватором «обратная лопата» производят боковым и лобовыми забоями с погрузкой грунта в транспорт или в отвал (рис. 5). При боковом забое экскаватор разрабатывает выемки сбоку, ширина выемки ограничена радиусом резания (оптимально 0,8 Rрез), разработка грунта осуществляется поперек гусеничной ленты, то есть при наименее устойчивом положении экскаватора. При лобовом забое черпание грунта производят при постепенном движении экскаватора задним ходом, разгрузку выполняют в транспортные средства, которые подаются к экскаватору по дну забоя или сбоку по естественной поверхности земли. Ширина забоя ограничивается только требованием нормальной производительности механизма и составляет 1,5…1,6 Rрез. При лобовом забое экскаватор опускает стрелу с рукоятью в самое нижнее положение между гусеницами, поэтому глубина разработки узких траншей больше, чем широких.

Наименьшую глубину забоя определяют из условия наполнения ковша с «шапкой» (для несвязных грунтов – 1…1,7 м, а для связных – 1,5…2,3 м). 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.

В соответствии с действующими нормативными документами основным рабочим оборудованием для экскаваторов в настоящее время является обратная лопата. Экскаватор может комплектоваться оборудованием: прямая лопата, жесткий грейфер, гидромолот, зубрыхлитель, а также сменными ковшами различной вместимости и назначения.

Рис. 5 — Схемы проходок экскаватора с рабочим оборудованием «обратная лопата»: а) лобовая проходка при погрузке грунта в транспорт, подаваемый по дну забоя; б) то же, подаваемый на уровне стоянки экскаватора и во временный отвал; в) боковая проходка; 1 – экскаватор; 2 – автосамосвал; 3 – направление движения транспорта; 4 – отвал

В отдельных случаях ЭО (особенно экскаваторами старых марок, в том числе с канатным управлением) 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 допустить переборов грунта. Для повышения эффективности работы экскаваторов в таких случаях можно применять скребковый нож, насаживаемый на ковш экскаватора. Это приспособление позволяет механизировать операцию по зачистке дна котлованов и траншей и вести их с точностью ±2 см, что исключает необходимость ручных доработок.

Рассмотрим как рассчитываются торцевые (лобовые) проходки:

1. Грунт разрабатывается только в отвал. Ширина торцевой проходки поверху определяется по формуле:

2. Грунт разрабатывается в транспортные средства — ширина торцевой проходки поверху определяется по формуле:

3. Грунт разрабатывается с выгрузкой в обе стороны (в отвал и транспортное средство), ширина торцевой проходки поверху определяется по формуле:

Боковые проходки. Ширина боковой проходки определяется по формуле:

Для торцевых и боковых проходок радиус выгрузки грунта Rв определяется по формуле:

где b0 – ширина отвала, м;

Rр – наибольший радиус копания, м;

bт – ширина колеи транспортного средства, м;

Lп — длина рабочей передвижки экскаватора, м (для экскаваторов с емкостью ковша 0,4–0,65 м3 может быть принята 1,5 м, или 0,75lp);

lp – длина рукояти, м;

Нв – наибольшая высота выгрузки, м; m – коэффициент откоса;

Н – глубина котлована, м.

Rр.д. – радиус копания на уровне дна котлована, величину которого можно принять равной

Экскаватор-драглайн – для разработки грунтов, расположенных ниже уровня стоянки экскаватора, для рытья глубоких котлованов, широких траншей, возведения насыпей, разработки грунта 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 грунты, в том числе обводненные. На строительстве массового жилья драглайн, как правило, не используется.

Ковш экскаватора навешивается на канатах на удлиненную стрелу кранового типа. Забрасывая ковш в выемку на расстояние, несколько превышающее длину стрелы, ковш заполняют грунтом путем подтягивания по поверхности земли к стреле. Затем ковш поднимают в горизонтальное положение и поворотом машины перемещают к месту разгрузки. Опорожняется ковш при ослаблении натяжения тягового каната.

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

Так как ковш драглайна гибко подвешен, весьма эффективными являются челночные способы работы – поперечно-челночный и продольно-челночный (рис. 6).

Рис. 6 — Схемы проходок экскаватора с рабочим оборудованием «драглайн»: а) боковая проходка с разработкой грунта поперечно-челночным способом; б) лобовая проходка с разработкой грунта продольночелночным способом; 1 – окончание набора и подъем ковша; 2 – опускание ковша и набор грунта; 3 – разгрузка ковша; 4 – автосамосвал

Поперечно-челночная схема дает возможность набирать грунт поочередно с каждой боковой стороны самосвала, подаваемого под погрузку по дну выемки, не прекращая поворота стрелы в момент выгрузки грунта. При продольно-челночной схеме грунт набирают перед задней стенкой кузова и, подняв ковш, разгружают его над кузовом. В цикле работы экскаватора повороты занимают основное время, в этом плане челночные схемы с минимальным углом поворота для погрузки и выгрузки являются оптимальными. Благодаря уменьшению высоты подъема ковша и сокращению угла поворота экскаватора (при продольно-челночной схеме около 0°, а при поперечно-челночной 9…20°) производительность экскаватора увеличивается в 1,5…2 раза. Строительные экскаваторыдраглайн применяют с ковшом вместимостью 0,25…2,5 м3.

Грейфер – для рытья колодцев, узких глубоких котлованов, траншей и тому подобных работ, особенно в условиях разработки грунтов ниже уровня грунтовых вод, добычи песка и гравия из-под воды (рис. 7).

Рис. 7 — Строительный грейферный экскаватор

Он представляет собой ковш с двумя или более лопастями и канатным или в последнее время стоечным приводом, принудительно смыкающим лопасти. Грейфер навешивается на стрелу и разрабатывает выемки с вертикальными стенками. При повороте стрелы ковш перемещается к месту разгрузки и опорожняется при принудительном раскрытии лопастей. Погружение в грунт осуществляется только за счет собственной массы и принудительного опускания стойки, поэтому можно разрабатывать грунты малой и высокой плотности, в том числе и находящиеся под водой. Строительные грейферные экскаваторы применяют с ковшом вместимостью 0,35…2,5 м3.

Транспортирование грунта при отрывке выемок экскаваторами. Для транспортирования грунта на расстояние свыше 0,5 км в комплекте с экскаватором могут быть использованы автосамосвалы, тракторы с прицепами и полуприцепами, и др. Наибольшее распространение получили автосамосвалы как более маневренный и достаточно подвижный вид транспорта (рис. 8).

Рис. 8 – Погрузка грунта в автосамосвал

Выбор способа транспортирования грунта и определения комплекта транспортных средств требуемой грузоподъемности определяется техникоэкономическим сравнением вариантов. В качестве экономического критерия могут быть приняты приведенные затраты на транспортировку грунта или суммарные затраты на экскавацию и транспортировку, отнесенные к единице выработки.

В зависимости от объема ковша экскаватора, расстояния перевозки до места отвала и объема экскавации грунта выбирается грузоподъемность автотранспорта.

Требуемое количество автосамосвалов или других транспортных единиц находят исходя из условия обеспечения бесперебойной работы экскаватора:

где tп – время погрузки одной транспортной единицы, включая продолжительность маневров, мин.; L – расстояние транспортирования грунта, км; Vср – средняя скорость движения, км/мин; tp – время разгрузки, включая продолжительность маневров, мин. Время погрузки одной транспортной единицы

где n – количество ковшей, необходимое для погрузки одного самосвала; Vэ – емкость ковша экскаватора, м3; Кн – коэффициент наполнения ковша разрыхленным грунтом (Кн = 0,87 для легких грунтов, Кн = 0,83 для средних грунтов и Кн = 0,80 для тяжелых грунтов);

Пэ – производительность экскаватора, м3/час (определяется по нормам времени на разработку грунта); Количество ковшей на погрузку одного самосвала:

где Q – грузоподъемность автосамосвала, т; γ – объемная масса грунта в плотном теле, т/м3;