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.

1. Определение объёмов работ и распределение земляных масс

1.1 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 = (УX₁ + 2УX₂ + 3УX₃ + 4УX₄)/4n

где УX₁ - сумма чёрных отметок вершин квадратов, к которым примыкает один угол квадрата; 2УX₂, 3УX₃, 4УX₄- 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

1.2 Подсчёт красных и рабочих отметок планировки

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

Y_ij = 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 Z_ij представляют собой разность между красными и чёрными отметками

Z_ij = Y_ij - X_ij

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

1.3 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.

1.4 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 Z_ср.

где F - площадь сечения призмы, м²; Z_ср. - 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 V_н по формуле

V_н = V_н.г. / (1 + ч /100)

где V_н.г. - геометрический объём насыпи, м³, ч - процент остаточного разрыхления.

1.5 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

	Номера квадратов и объемы насыпей	Итого выемок	Отвал
	1	2	3	4	5	8	9	10	13	14	15	17	18	19	20
	2784	720	575	1139	4121	59	7124	20561	478	12343	24564	198	4335	14304	17105
Номера квадратов и объемы выемок	1	1744	1744															1744
	2	3072		720			1312			1040								3072
	3	620			575	45												620
	4	103				103												103
	5	154					154											154
	6	13924	1040						7124	5760								13924
	7	14840								6637		8203						14840
	8	3894				991		59				2844						3894
	11	24445					2655						7124		362	11269		21410	3035
	12	21390								7124			8463				5803	21390
	13	5232									478	1296					3458	5232
	16	14942											8977		2930	3035		14942
	17	8042												198			7844	8042
	18	1043													1043			1043
итого насыпей	2784	720	575	1139	4121	59	7124	20561	478	12343	24564	198	4335	14304	17105	110410

1.6 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 = УV _i L _i / УV _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

1.7 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

V_к = 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:

V_в = (H²/6)•(3a_в+2•m•H•((n-m)/n) • (n-m)) = 488,7 м³

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

V_в / V_к = 488,7/16608,42=0,029 < 0,1 =>

можно применять экскаватор с прямой лопатой.

2 Проектирование работ по планировке площадки

2.1 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 t_д = 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 Z_в^max = -3,166

Величина V₀ определяется на основе полученного в подразделе 1.4 баланса земляных масс. Объём выемки превышает объём насыпи в плотном теле (V_в>V_н), то V₀=V_н, 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

Наименование	Ед.	Д3-30	Д3-20В
показателя	измер.
Вместимость ковша	м3	3	7
Управление	-	Гидравлическое	Гидравлическое
Буксирующий трактор	-	Т-74	Т-130
Ширина резания	м	1,9	2,58
Глубина резания	м	0,1	0,2
Толщина слоя отсыпки	м	0,3	0,5
Габаритные
размеры:
длина	м	5,5	8,78
ширина		2,39	3,14
высота		2,41	2,56
Мощность двигателя	кВт	59	118
Масса без трактора	т	2,75	7,1

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

П_н = 8 И / Нвр.м,

1. Для скрепера ДЗ-30 П_н = 8•100/5,789 = 138,19 м³/смену

2. Для скрепера ДЗ-20В П_н = 8•100/3,693 = 216,63 м³/смену

3. Для катка ДУ-31А П_н = 8•100/0,43 = 1860,47 м³/смену

4. Для рыхлителя ДП-14 П_н = 8•100/0,13 = 6153,85 м³/смену

5. Для катка ДУ-16В П_н = 8•100/0,27 = 2962,96 м³/смену

6. Для рыхлителя ДП-18 П_н = 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 (L_ср - 100) /10,

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

2. 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

П_р = (П_н + П_э) /2,

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

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

где П_р - расчётно-плановая производительность, м³/смену; П_н - нормативная производительность, м³/смену; П_э - эксплуатационная производительность, которая для скрепера рассчитывается по формуле

П_э = 60 t_см q k_н k_в /t_ц k_р,

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

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

где t_см - продолжительность смены, ч; q - геометрическая вместимость ковша, м³; К_н - коэффициент наполнения ковша; К_в = 0,8-0,9 - коэффициент использования скрепера по времени; t_ц - продолжительность рабочего цикла скрепера, мин; К_р - 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,

1. 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

2. 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; t_д - время на выполнение дополнительных операций (обычно до 1 мин).

Длина участка заполнения ковша, м,

L₁ = q К_н K_n / b h К_р К_нр,

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

2. 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; K_n = 1,2- 1,5 - коэффициент, отражающий потери грунта; К_нр = 0,7 - коэффициент, учитывающий неравномерность толщины срезаемой стружки.

Длина участка разгрузки ковша, м,

L₃ = q К_н / h₁ b ,

1. Для ДЗ-30 L₃ = 3•0,9/0,3•1,9 = 4,74 м

2. 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,

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

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

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

Длина пути порожнего скрепера, м,

L₄ = L_ср.

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.

1. Находится требуемая среднесменная интенсивность разработки грунта, м³/ смену

J = V₀ /t_д б_в

J = 110410/28•2 = 1971,61 м³ / смену

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

2. Рассчитывается количество ведущих машин в комплекте

N_в = J/П_р

1. ДЗ-30 N_в = 1971,61/ 134,86 = 14,6 ? 15 шт.

2. ДЗ-20В N_в = 1971,61/280,86 = 7,02 ? 8 шт.

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

N_вс = П_р N_в б_в / П_вс б_вс

1. Для катка ДУ-16В N_вс = 134,86 •8•2/2962,96•2 = 0,36 ? 1 шт.

2. Для рыхлителя ДП-14 N_вс = 134,86 •8•2/6153,85•1 = 0,70 ? 1 шт.

3. Для катка ДУ-31А N_вс = 280,86 •8•2/1860,47•2 = 1,2 ? 1 шт.

4. Для рыхлителя ДП-18 N_вс = 280,86 •8•2/10000•1 = 0,225 ? 1 шт.

где П_вс - сменная производительность вспомогательной машины, м³/смену; б_вс - число смен работы вспомогательных машин в сутки.

4. Устанавливается количество вспомогательных средств механизации, не работающих совместно с ведущими машинами комплекта (машины для срезки растительного слоя и окончательной планировки площадки).

Их число и сменность работы в течение суток назначаются исходя из объемов работ, производительности машин и планируемых сроков выполнения процессов.

Далее приводятся технические характеристики и размерные параметры всех машин комплекта и даётся его состав.

Таблица 3. Первый состав комплекта машин для планировки площадки

Наименование процесса	Тип машины	Марка машины	Мощность двигателя, кВт	Кол-во машин, шт.	Число смен работы в сутки
Срезка растительного слоя	Бульдозер	ДЗ-28	118	1	2
Рыхление выемки	Рыхлитель	ДП-14	79	1	1
Разработка и транс портирование грунта	Скрепер Трактор толкач	ДЗ-30 Т-74	59 59	15 4	2
Уплотнение насыпи	Каток	ДУ-16В	177	1	2
Окончательная планировка площадки	Бульдозер	ДЗ-28	118
				1	1

Таблица 4. Второй состав комплекта машин для планировки площадки

Наименование процесса	Тип машины	Марка машины	Мощность двигателя, кВт	Кол-во машин, шт.	Число смен работы в сутки
Срезка растительного слоя	Бульдозер	ДЗ-18	79	1	2
Рыхление выемки	Рыхлитель	ДП-18	132	1	1
Разработка и транс портирование грунта	Скрепер Трактор-толкач	ДЗ-20В Т-130	118 118	6 2	2
Уплотнение насыпи	Каток	ДУ-31А	66	1	2
Окончательная планировка площадки	Бульдозер	ДЗ-18	79
				1	1

2.4. Оценка и сравнение вариантов планировочных работ

В основу методики отыскания оптимального варианта механизации положено сравнение технико-экономических показателей, отражающих эффективность работы сформированных комплектов машин.

Эффективность выбранных комплектов машин оценивается следующими показателями:

В основу методики отыскания оптимального варианта механизации положено сравнение технико-экономических показателей, отражающих эффективность работы сформированных комплектов машин.

Оценку и сравнение вариантов планировочных работ в курсовом проекте допускается выполнять по упрощенной методике.

Эффективность выбранных комплектов машин оценивается следующими показателями:

а) продолжительность работ, смен;

б) трудоемкость работ, чел-смен;

в) удельная энергоемкость работ, кВт/м3.

Продолжительность работ (t) может быть рассчитана как сумма продолжительности основного процесса по разработке грунта (to) и продолжительностей вспомогательных процессов (tвс), выполняемых до и после основного процесса, т.е.

t = to + tвc .

Продолжительность основного процесса, смен

t_о = V_о / П_р N_в,

где V_o - объем грунта, разрабатываемый звеном ведущих машин, м³; П_р расчетно-плановая производительность ведущей машины, м³/ смену; N_b - количество ведущих машин в комплекте.

При вертикальной планировке площадки до начала разработки грунта в выемке производится срезка растительного слоя, а после отсыпки насыпи - окончательное разравнивание грунта по всей площади.

Продолжительность вспомогательных процессов (t_вc) определяется раздельно для каждого процесса, смен

t_вс = F_i / П _нⁱ N_i

где F_i - соответственно площади срезаемого растительного слоя и окончательной планировки, м²; N_i - количество соответствующих вспомогательных машин; П_нⁱ - нормативная производительность, м² / смену, которая равна

П_нⁱ = 8•1000 / Н

где Н - норма машинного времени по соответствующим вспомогательным процессам, маш-ч.

Трудоемкость работ (Т) по планировке площадки, чел-смен

T = m_i t_i N_i,

где m_i - количество рабочих, занятых управлением одной машиной i-го звена комплекта; t_i - продолжительность работы этого звена, смен; N_i - количество машин в i-ом звене.

Удельная энергоемкость работ (Э), кВт /м³

Э = W_i / П_р N_b ,

где W_i - суммарная мощность двигателей i-го звена машин, кВт; П_р -сменная производительность ведущей машины, м³ / смену.

Для первого комплекта машин:

t_о = 110410/(134,86•15) = 54,5?55 смен

Срезка растительного слоя

П_нⁱ =8•1000/0,66=12121 м² / смену

t_вс =200000/12121•1=16,5?17 смен

Окончательная планировка

П_нⁱ =8•1000/0,24=33333 м² / смену

t_вс =200000/33333•1=6 смен

t =103+17+6=126 смены

T =1•17+1•55+15•55+4•55+1•55+1•6= 1178 чел-смен

Э =1548/134,86•15=0,77 кВт /м³

Для второго комплекта машин

t_о = 110410/(280,86•8) = 49,1?50 смен

Срезка растительного слоя

П_нⁱ =8•1000/0,69=11594 м² / смену

t_вс =200000/11594•1=17,25?18смен

Окончательная планировка

П_нⁱ =8•1000/0,24=33333 м² / смену

t_вс =200000/33333•1=6 смен

t =50+18+6=74 смены

T =1•18+1•50+8•50+2•50+1•50+1•6= 624 чел-смен

Э =1404/280,86•8=0,62 кВт /м³

Таблица 5.Варианты планировочных работ и их показатели

Наименование и марка машин	Количество машин в звене	Количество рабочих, чел	Мощность двигателя, кВт	Продолжительность , смен	Показатели
					t, смен	Т, чел смен	Э кВт/ м3
I вариант
Бульдозер ДЗ-28	1	1	118	17+ 6*)	126	1178	0,77
Рыхлитель ДП-18	1	1	132	55
Скрепер ДЗ-30 с трактором Т-74	15	15	59	55
Трактор-толкач Т-74	4	4	59	55
Каток ДУ16-В с трактором МОАЗ-546П	1	1	177	55
II вариант
Бульдозер ДЗ-18	1	1	79	18+6*)	74	624	0,62
Рыхлитель ДП-14	1	1	79	50
Скрепер ДЗ-20В с трактором Т-130	8	8	118	50
Каток ДУ-31А	1	1	66	50	94	544	0,62
Трактор-толкач Т-130	2	2	118	50

Сравнивая полученные показатели можно сделать вывод, что для окончательной доработки следует принять второй вариант, так как все показатели по нему ниже, чем по первому комплекту.

После нахождения лучшего варианта механизации вычерчивается схема взаимодействия машин в комплекте, которая является основой для проектирования организации планировочных работ.



ыв

Рис. 6. Схема взаимодействия машин в комплекте: 1 - бульдозер ДЗ - 18; 2 - рыхлитель ДП - 14; 3 - скреперы ДЗ -20В; 4 - трактора-толкачи Т - 130; 5 - каток ДУ - 31А; 6 - бульдозер ДЗ - 18

2.5 Разработка технологии и организации работ по планировке площадки

Под технологией производства работ понимается совокупность методов выполнения строительных процессов по вертикальной планировке площадки. Эти методы характеризуются применяемыми средствами механизации, а также схемами их передвижения, переработки грунта и расположения проходок.

Если вертикальная планировка площадки производится скреперами, то в зависимости от взаимного расположения выемок и насыпей применяются разные траектории движения машин (рис. 3.2).

Эллиптическая схема наиболее проста и применима при отсыпке насыпи из одно- или двухсторонних выемок. Для равномерного износа ходовой части скрепера требуется периодическое изменение направления движения на обратное в течение рабочего дня.

Рис. 6. Схемы движения скрепера: а - эллиптическая; б - по восьмерке; 1 - выемка; 2 - насыпь; 3 - нулевая линия; 4 - срезка грунта; 5 - отсыпка грунта

Схема по восьмерке позволяет чередовать правые и левые повороты, что обеспечивает равномерный износ ходового оборудования. Она дает возможность в цикле производить дважды срезку грунта и его разгрузку при одновременном сокращении пути холостого пробега. Именно этот вариант и принимаем за основной.

Заполнение .ковша и перемещение груженого скрепера желательны при прямолинейном движении и под уклон 5-12°. В зависимости от вида грунта его резание может производиться по различным схемам (рис. 2.2).

Рис. 7. Схемы резания грунта скрепером: а - стружкой постоянной толщины; б -гребенчатым профилем; в - клиновидной стружкой; г - клевковым способом

Срезка грунта тонкой стружкой постоянной толщины осуществляется при любых связных грунтах малой и средней плотности; клиновидной стружкой - при связных грунтах повышенной плотности, разрабатываемых на горизонтальных или слегка наклонных участках; гребенчатым профилем - при наборе сухих суглинистых и глинистых грунтов; клевковым способом - при разработке сухих песчаных и супесчаных грунтов на горизонтальных и наклонных участках. За окончательный вариант примем срезку грунта гребенчатым профилем.

Для сокращения перемещений тракторов-толкачей расположение проходок должно быть таким, чтобы очередной скрепер начинал заполнять ковш там, где закончил загрузку предыдущий (рис. 8).

Рис. 8. Схемы расположения проходок скрепера: а - последовательная

При вертикальной планировке больших площадей, где возможны повороты катка, рекомендуется применять схему движения машины по замкнутому кругу (рис. 9).



Рис.9. Схема уплотнения насыпи катком: а - план; б - разрез; в - траектория движения катка; 1 - перекрытие полос; 2 - направление укатки; 3 - рыхлый слой грунта

Каждая последующая полоса уплотнения должна перекрывать соседнюю на 0,15-0,25 м. Закончив укатку всей площади захватки за один раз, приступают к уплотнению грунта на второй раз. Минимальный фронт работ при уплотнении катками должен быть не менее 100 м.

Основу организации земляных работ составляет разбивка выемки и насыпи на захватки, в пределах которых работает отдельное звено комплекта машин. Эти машины последовательно переходят с одной захватки на другую, выполняя весь комплекс процессов по устройству выемки и насыпи на площадке. Минимальное число захваток, используемых для производства земляных работ, определяется количеством одновременно работающих звеньев комплекта с добавлением резервных захваток, а минимальные размеры захватки - производительностью ведущего звена средств механизации в течение суток и необходимым фронтом работ, обеспечивающим эффективное использование машин.

3. Проектирование работ по устройству котлована

3.1. Состав процессов и исходные данные по разработке котлована

Земляные работы по устройству котлована включают следующие простые строительные процессы: разработку грунта с его подачей в транспортные средства или в отвал за бровку котлована, транспортирование грунта, его выгрузку из транспортных средств и зачистку дна котлована.

Неблагоприятные гидрогеологические, климатические и особые условия могут вызвать необходимость выполнения дополнительных процессов, в состав которых входят водоотлив или искусственное понижение уровня грунтовых вод, крепление стенок котлована, рыхление или оттаивание мерзлого грунта и др.

Основным процессом, по которому производится выбор ведущей машины комплекта и увязка выполнения остальных процессов, является разработка грунта.

Исходными данными для проектирования работ по устройству котлована являются:

1. Объем грунта, подлежащего разработке ведущей машиной (V_раз=19732,12).

2. Вид и влажность грунта.(жирная глина(II))

3. Расстояние вывоза излишнего грунта (L_тp=6,4км).

4. Размеры котлована.(50х80м)

Объем грунта V_paз складывается из объема котлована (V_к) за вычетом величины недобора грунта (V_зач), объема въезда (V_в) и излишков грунта (Д), оставшихся неразработанными в выемке при вертикальной планировке площадки (если они имеются),т.е.

Vpaз = Vk + Vв + Д - Vзач.

Принимаем емкость ковша 0.65м3

Принимаем экскаватор ЭО-3323 c гидравлическим приводом и прямой лопатой.

Объем грунта, срезаемого при зачистке дна котлована, м³

V_зач = a b h_н ,

где а и b - размеры котлована по дну, м; h_н - величина недобора грунта в основании, м,

а=50 м

b=80 м

h_н =0.1 м

V_зач =50•80•0.1=400 м³

Vpaз=16608,42+488,7+3035-400=19732,12 (м3)

3.2.Выбор ведущей машины

Отыскание эффективных способов выполнения процессов и неразрывно связанного с ними рационального комплекта машин производится исходя из объемов работ, глубины отрываемого котлована, расстояния вывоза грунта и гидрогеологических условий на площадке.

В жилищном строительстве наибольшее распространение для разработки котлованов получили одноковшовые экскаваторы с вместимостью ковша от 0,15 до 1,0 м³. В зависимости от размеров котлована, уровня грунтовых вод и влажности грунта одноковшовые экскаваторы оборудуются различным сменным оборудованием: прямой лопатой, обратной лопатой или ковшом драглайна.

При выборе рабочего оборудования следует учитывать, что производительность экскаватора с прямой лопатой больше, чем с ковшом драглайна или с обратной лопатой аналогичной вместимости. Прямая лопата срезает грунт выше уровня стоянки и чаще всего применяется для разработки грунта естественной влажности с погрузкой его в транспортные средства. При уровне грунтовых вод выше отметки дна котлована прямая лопата может работать при водоотливе или искусственном понижении уровня воды.

Зная вместимость ковша экскаватора, можно установить марку ведущей машины для устройства котлована. При выборе марки предпочтение следует отдавать машинам, выпускаемым в настоящее время промышленностью и имеющим лучшие технические характеристики.

Изложенные выше рекомендации не исключают возможности применения в качестве ведущей машины других средств механизации, которые в конкретных условиях могут оказаться более эффективными. Для отрывки неглубоких котлованов значительной протяженности успешно применяются бульдозеры и скреперы, если расстояние перемещения грунта не превышает рациональной дальности возки для этих машин. При разработке котлованов в грунтах I - III групп с погрузкой в транспортные средства или в отвал можно использовать одноковшовые погрузчики грузоподъемностью от 2 до 10 т. После отыскания марки ведущей машины приводятся ее технические характеристики и рабочие параметры .

Таблица 6 - Технические характеристики и параметры экскаватора ЭО 3323

Наименование показателя	Единицы измерения	ЭО-3323 гидравлическим приводом
Вместимость ковша	м3	0,63
Наибольший радиус резания	м	6,8
Радиус выгрузки	м	5,4
Наибольшая высота резания	м	7,66
Наибольшая высота выгрузки	м	4,2
Длина стрелы	м	-
Длина рукояти	м	-
Мощность двигателя	кВт	55
Масса	т	13,6

3.3 Подбор вспомогательных машин

При использовании в качестве ведущей машины одноковшового экскаватора остаются немеханизированными транспортирование грунта и зачистка дна котлована.

Перевозка грунта может осуществляться тракторным, автомобильным или рельсовым транспортом. Решающее влияние на выбор способа транспортирования оказывает дальность возки грунта. Рекомендуемая длина пробега составляет:

а) для тракторов с прицепами - 0,25 - 1,0 км ;

б) для автосамосвалов - 0,5 - 5,0 км ;

в) для рельсового транспорта - 2,0 - 10,0 км.

Количество транспортных средств, потребных для отвозки разрабатываемого грунта, рассчитывается из условия бесперебойной работы землеройной машины и транспорта по формуле

N = t_mр / t_n,

где t_mp - продолжительность цикла работы транспортной единицы, мин; t_n - продолжительность погрузки транспорта экскаватором, мин.

Продолжительность рабочего цикла транспорта

t_mp = t_p + t_n + 2 L_тр / v_p,

где t_p - продолжительность разгрузки транспортной единицы, мин; L_тр -расстояние транспортирования грунта, м; v_p - расчетная скорость движения транспорта, м / мин.

При использовании автосамосвалов t_p = 1,5 мин. Величина v_p может приниматься: при работе в черте города - 20 км / ч, а при работе вне города - 25 - 30 км / ч.

Продолжительность погрузки транспортного средства

t_n = n_К / n к_n,

где n - число экскаваторных циклов в одну мин (прил. 4); к_n = 0,92-0,97 коэффициент, учитывающий потери времени на передвижку экскаватора по забою; n_к - количество ковшей грунта, погружаемых экскаватором в транспортную единицу (целое число).

Величина n_к может быть определена по формуле

n_к = Q / g V_эк,

где Q - грузоподъемность самосвала, т; g - плотность разрабатываемого грунта, т / м³ (прил. 1); V_эк - объем грунта в ковше экскаватора

Загрузка транспортных средств проверяется путем расчета процента использования их по грузоподъемности, К_г, %:

К_г = 100 Р_тр / Q,

где Р_тр - масса загружаемого грунта в кузов транспорта, т,

Р_тр = V_эк n_к g .

Перегруз транспортных средств не должен превышать 5 %, а недогруз - 10 %. При нарушении этого условия изменяется количество загружаемых в кузов самосвала ковшей грунта или принимается другая марка транспортного средства.

Для грубой зачистки дна котлована механизированным способом может использоваться бульдозер, который перемещает грунт к экскаватору или удаляет его сам (при небольшой глубине котлована, наличии въезда и малых расстояниях перемещения). В небольших котлованах без въезда планировка дна производится вручную.

После подбора вспомогательных машин выписываются их технические характеристики и приводится состав комплекта средств механизации для отрывки котлована с указанием номенклатуры машин, их марок и количества.

N = 30,12/3,02=9,97=10 (шт.)

t_mp = 1,5+3,02+2*6400*60/(30*1000)=30,12=31 (мин)

t_n = 7/2,44*0,95=3,02 (мин.)

n_к = 7/(1,75*0,55)=7,27=7 (ковшей)

Р_тр = 1,75*0,55*7=6,74 (т)

К_г = 96,25%

Таблица 7 - Технические характеристики и параметры автомобиля-самосвала КамАЗ-55102

Наименование показателя	Единицы измерения	КамАЗ-55102
Грузоподъёмность	т	7,0
Объём кузова	м3	7,9
Масса автомобиля	м	5,4
Габаритные размеры: Длина Ширина Высота	м	7,57 2,5 2,9
Направление разгрузки	-	На боковые стороны
Максимальная скорость	Км/ч	80
Мощность двигателя	кВт	154
Расход топлива при скорости 60 км/ч	л/100 км	35

Таблица 2.1 - Технические характеристики и размерные параметры катков

Наименование показателя	Единицы измерения	ДУ-16В	ДУ-31А
Тип катка	-	Полуприцепной на пневмошинах секционные	Самоходный на пневмошине
Буксирующий трактор	-	МОАЗ-546П	-
Ширина уплотняемой полосы	м	2,6	1,9
Толщина уплотняемого слоя	м	0,35	0,35
Число проходов по одному месту	шт	6-8	2-6
Габаритные размеры: Длина Ширина Высота	м	9,67 3,23 3,05	5,3 1,93 3,15
Мощность двигателя	кВт	177	66
Масса катка	т	35,9	16

Таблица 2.2 - Технические характеристики и размерные параметры рыхлителей

Наименование показателя	Ед. измер.	ДП-18	ДП-14
Базовый трактор		Т-180	Т-100
Число рыхлительных зубьев	шт.	5	3
Ширина полосы разрыхления	м	1,9	1,48
Глубина рыхления	м	0,4	0,4
Габаритные размеры: длина ширина высота	м	- - -	6,36 3,97 3,04
Мощность двигателя	кВт	132	79
Скорость движения	м/с	1-3,4	1-3,4
Общая масса	т	-	16,1

Таблица 2.3.- Технические характеристики и размерные параметры бульдозера

Наименование показателя	Ед. изм.	ДЗ-28	ДЗ-18
Отвал		поворотный	поворотный
Базовый трактор		Т-130	Т-100
Длина отвала	м	3,94	3,94
Высота отвала	м	0,82	0,82
Мощность двигателя	кВт	118	79
Масса бульдозерного оборудования	т	1,9	1,9
Масса с трактором	т	14,9	13,9

3.4. Проектирование экскаваторных работ

Разработка грунта одноковшовыми экскаваторами производится проходками, состоящими из последовательных забоев.

Рис.11. - Рабочие параметры и профили забоя экскаваторов с прямой лопатой и канатным управлением: R_p = 6,8м - радиус резания; R_в =5,4м - радиус выгрузки; Н=7,66м - высота резания; Н_к - глубина резания; Н_в =4,2м - высота выгрузки

Экскаваторным забоем называется пространство, ограниченное радиусом действия рабочего оборудования машины, а проходкой -траншея, образуемая при последовательной срезке грунта и периодическом перемещении экскаватора вдоль выемки. Экскаваторный забой включает место расположения землеройной машины, часть разрабатываемого с данной стоянки массива грунта и площадку для размещения транспортного средства (при погрузке грунта в транспорт) или отвала (при разработке грунта навымет). Профиль забоя зависит от основных рабочих параметров экскаватора (рис.11).

Рис.12. - Проходка экскаватора, оборудованного прямой лопатой: боковая

При большой ширине выемки рекомендуется использовать по возможности боковые проходки, которые позволяют значительно уменьшить угол поворота экскаватора и облегчить работу транспортных средств (рис.12)

Требуется запроектировать разработку котлована экскаватором ЭО -3323, оборудованным прямой лопатой.

Размеры котлована: ширина поверху с = 53,9 м, по дну а = 50 м, глубина Н_к = 3,9 м.

По справочной литературе определяем основные размерные параметры экскаватора ЭО - 3323

1. Наибольший радиус резания R = 6,8 м.

2. Радиус резания на уровне стоянки R_ct = 4,5 м.

3. Наибольшая высота копания Н = 7,66 м.

Затем проверяем условие, выраженное формулой

с / R = 53,9 / 0,9 Ч 6,8 = 8,81 > 3,5.

Следовательно котлован необходимо разрабатывать несколькими проходками: первая проходка - лобовая, последующие - боковые.

Рассчитываем ширину лобовой и боковой проходок на уровне стоянки экскаватора по формулам

В _ст.л = 2 Ч R_ct

B_ст.б = 1,7 Ч R_cт.

В_ст.л = 2 Ч 0,9 Ч 4,5 = 8,1 м

В_ст.б = 1,7 Ч 0,9 Ч 4,5 = 6,89 м.

Часть ширины котлована понизу, приходящаяся на долю боковых проходок, составляет

а - В_ст._л = 50 - 8,1 = 41,9 м .

Находится количество боковых проходок

N_б = (а - В_ст.л) / В_ст.б = 41,9 : 6,89 = 6,08

Принимаем 6 полных боковых проходки и неполная лобовая, ширина которой понизу

В_ст.л = а - N_б Ч В_ст.б = 50 - 7 Ч 6,89 = 8,66 м