Способы разработки грунта
6.5. Основные способы разработки грунтов
Грунт при строительстве разрабатывают тремя основными способами: способом резания, гидромеханическим и взрывным способом.
Выбор того или иного способа преимущественно зависит от вида земляного сооружения и его размеров, вида грунта и гидрогеологических условий.
При разработке грунта и устройстве земляных сооружений любым из перечисленных выше способов используют соответствующий комплект машин, работающих в определенной технологической взаимосвязи. Комплект машин должен обеспечивать выполнение всех процессов непрерывным и равномерным потоком в течение всего времени производства работ при максимальной загрузке всех участвующих машин.
Машина, выполняющая основной объем работ, является ведущей. В зависимости от ее производительности определяют число и мощность других входящих в комплект машин.
Выбор машин основан на технико-экономическом расчете, позволяющем определить наиболее эффективное сочетание машин по стоимости и трудозатратам.
Разработка грунта резанием. Разработку грунта резанием осуществляют с использованием землеройных и землеройно-транспортных машин.
Землеройные машины режут грунт и перемещают его на небольшие расстояния с выгрузкой в отвал или на транспортные средства. К этим машинам относят экскаваторы различных типов - одноковшовые (прямая и обратная лопата, драглайн, грейфер), многоковшовые (цепные и роторные) и фрезерные.
Наибольшее применение в строительстве вследствие своей универсальности и хорошей маневренности получили одноковшовые экскаваторы с вместимостью ковша 0,15...2 м3.
В зависимости от ходового устройства экскаваторы разделяют на гусеничные, пневмоколесные, автомобильные и шагающие с гидравлической, пневматической или электрической системой управления.
Они имеют комплект сменного оборудования, включающий прямую и обратную лопату, драглайн и грейфер (рис. 6.4). Кроме того, одноковшовые экскаваторы могут быть оснащены грузовым крюком, сваебойным оборудованием, стругом, приспособлением для планировки откосов и другими специальными устройствами.
Рис.6.4. Одноковшовые экскаваторы со сменным навесным оборудованием
а – прямая лопата; б – обратная лопата; в – драглайн; г – грейфер; д – кран; е – сваебойный копер; ж – струг; з – планировщик откосов; и – рыхлитель грунта
Прямая лопата (рис. 6.4, а) представляет собой открытый кверху ковш с режущим передним краем, жестко насаженный на рукоять, которая шарнирно соединена со стрелой. Опорожняют ковш, открывая его днище.
Экскаваторы с прямой лопатой используют при разработке грунта I-III групп, чаще, с погрузкой в транспортные средства, рже при отсыпке в отвал.
Такой экскаватор разрабатывает грунт выше уровня его стоянки и поэтому всегда находится внизу котлована.
Обратная лопата (рис. 6,4, б) – это открытый снизу ковш с режущим передним краем, жестко насаженный на рукоять, которая шарнирно соединена со стрелой. Грунт разгружают, опрокидывая ковш.
Рабочая зона экскаватора с обратной лопатой расположена ниже горизонта стояния, что позволяет разрабатывать переувлажненный грунт. Экскаватор особенно удобен при разработке неглубоких котлованов и траншей.
Ковш драглайна (рис 6.4, в) имеет гибкую канатную подвеску, с помощью которой его крепят к удлиненной стреле кранового типа и забрасывают в выемку на расстояние, несколько превышающее длину стрелы.
К ковшу крепят тяговый канат, позволяющий осуществлять наполнение и опорожнение ковша.
Драглайном можно разрабатывать грунты, находящиеся под слоем воды. Наибольшей производительности его достигают при работе в отвал, так как гибкая подвеска затрудняет наводку ковша при погрузке в транспортные средства.
Грейфер (рис. 6.4, г) представляет собой ковш с двумя или более челюстями, смыкающимися с помощью индивидуального канатного или гидравлического привода. Его, как и ковш драглайна, навешивают, используя систему канатов на удлиненную стрелу крана. С помощью грейфера можно разрабатывать выемки с вертикальными стенками. Применяют грейфер при разработке грунтов малой плотности (I и II групп), выемки песка и гравия из-под воды, а также на погрузочно-разгрузочных работах.
Место работы экскаватора называют экскаваторным забоем, параметры которого зависят от марки экскаватора, вида транспорта и принятой схемы разработки грунта.
Высота (глубина) забоя должна обеспечивать заполнение ковша за одно черпание.
Параметры забоя и проходок определяют в проекте производства работ в соответствии с техническими характеристиками экскаватора (радиусов резания, разгрузки, длины рабочего перемещения), а также геометрических размеров земляного сооружения, вида транспортных средств и размещения транспортных путей, группы грунта.
7. Основные способы разработки грунта и применяемые при этом механизмы.
Существует три способа разработки грунтов.
Основным является резание (ручная разработка лопатой и все землеройные машины), но применяются также взрывной и гидромеханический способы.
Гидромеханический способ применяется для слабосвязанных грунтов при наличии близко расположенных водоёмов или на их дне.
Взрывной способ применяют в отсутствии окружающей застройки для рыхления и разработки скального или мёрзлого грунта, для образования подземных полостей или для быстрого перемещения больших масс грунта при перекрытии рек. Выбор метода и технология разработки, применяемые механизмы и геометрия земляных сооружений зависят от свойств разрабатываемого грунта.
Рис.1. Угол откоса. H-высота откоса;
А-заложение,
- угол естественного откоса.
К основным свойствам, влияющим на разработку, можно отнести следующие: плотность, влажность, сцепляемость, разрыхляемость и угол естественного откоса.
Плотность измеряется массой в тоннах одного кубического метра грунта в естественном плотном состоянии и находится для различных грунтов в интервале от 0,6 до 3,3 т/ м³.
Влажность измеряется отношением содержащейся в грунте массы воды, к массе полностью сухого грунта в процентах.
Сцепляемость определяется начальным сопротивлением сдвигу в МПа и составляет 0,03 – 0,05 МПа для песчаных грунтов и 0,05 – 0,3 МПа для глинистых.
Разрыхляемость измеряется отношением объёма разрыхлённого грунта к объёму этого грунта в плотном состоянии. Для определения объёмов перевозимого грунта используется коэффициент первоначального разрыхления (1,08 – 1,32), а для объёмов насыпи – коэффициент остаточного разрыхления (1,01 – 1,09). Меньшее значение относится к песку, а большее к глине.
Угол естественного откоса используется для определения величины заложения откосов земляных сооружений и определяет максимальный угол, при котором грунт находится в устойчивом состоянии (не осыпается под действием собственного веса). Угол откоса (рис.1) измеряется отношением его высоты (Н) к заложению (А) и записывается в виде дроби, например 1:0,5. Угол откоса уменьшается (увеличивается заложение) у сооружений большей высоты (глубины) и у постоянных земляных сооружений.
В зависимости от преобладающего количества тех или иных компонентов, грунты делятся на песчаные, супесчаные, глинистые, глины, торф, лёсс, гравийные и скальные. В зависимости от сложности разработки, все талые грунты делятся на шесть категорий. При этом, один и тот же грунт относится к разным категориям при разработке различными машинами.
Машины для разработки и перемещения грунта
Землеройные - машины, разрабатывающие и перемещающие грунт без собственного перемещения
Землеройно-транспортные - разрабатывающие и перемещающие за счёт собственного перемещения.
Так карьерный экскаватор, способный переносить вынутый грунт в отвал на расстояние более 100 м., относится к землеройным машинам, а бульдозер, с передвижением грунта на расстояние 50м., – к землеройно-транспортным. Бульдозер является наиболее простой и универсальной машиной, способной производить послойную выемку (срезку) грунта с перемещением его в насыпь или отвал, осуществлять рыхление грунта, подталкивать скрепер для заполнения его ковша, прокладывать дороги для строительной техники и др. Строительный бульдозер может быть смонтирован на базе гусеничного или колёсного трактора различной мощности. Из - за больших потерь мощности на преодоление сил трения и рассыпания части перемещаемого грунта, применение бульдозеров для перемещения грунтов эффективно только на небольшие расстояния (30 - 100 м. для машин различной мощности).
Для разработки и перемещения грунтов на большие расстояния используют прицепные и самоходные скреперы (рис. 7) с ковшом, ёмкостью от 5 до 25 м³. Самоходные скреперы имеют собственную силовую установку, а прицепные используют тяговое усилие трактора.
Рис. 7 . Схема самоходного и прицепного скрепера.[15].
1 – рулевой гидроцилиндр; 2 – режущие ножи; 3 – рама ковша; 4 - крепление ковша; 5 - ковш; 6 – гидроцилиндр управления заслонкой; 7 – задние колёса; 8 – задний буфер; 9 – упорная рама; 10 – задняя подвижная стенка; 11- забрало; 12 – гидроцилиндры подъёма-опускания ковша; 13 – коромысло; 14 – опорно-сцепное устройство; 15 – тягач.
Целесообразная дальность транспортировки самоходными скреперами составляет от 0,5 до 8км., а прицепными 100 – 600м.
Загрузку ковша скрепер выполняет срезкой 10 – 15 сантиметрового слоя грунта при движении под уклон с подталкиванием бульдозером в случае разработки тяжёлых грунтов. По мере наполнения ковша, закрывается заслонка (11 на рис..7), ковш поднимается в транспортное положение и скрепер перемещается к зоне разгрузки, где заслонка поднимается, а перемещающаяся вперёд задняя стенка (10) выталкивает содержимое ковша к выгрузке. Т.к. выгрузка происходит во время движения, поднятые на высоту до 0,3м. ножи, ограничивают толщину отвала, а задние колёса частично уплотняют слой отсыпки.
Одноковшовые экскаваторы предназначены для разработки грунта и перемещения его в отвал или погрузки в транспортные средства.
Ковш экскаватора может быть подвешен на тросах к стреле универсального гусеничного крана - экскаватора или шарнирно закреплён на стреле специализированной машины.
Существует четыре основных вида ковшей: прямая и обратная лопата, грейфер и драглайн. Последние два являются сменным оборудованием к крану-экскаватору (рис. 9 – в,г), а первые, дают название самостоятельным видам машин. Исключение составляют машины с телескопической стрелой, на которую могут быть навешены теоретически все типы ковшей.
Наиболее универсальным и широко применяемым является
обратная лопата (рис.8).
Используется для рытья траншей и котлованов с заглублением ковша ниже уровня стоянки с погрузкой в транспортные средства или в отвал.
Экскаватор может комплектоваться гидромолотом для разработки мёрзлого грунта или др. целей.
Прямая лопата.
Используется для погрузки балластных материалов на предприятиях изготовителях и открытых карьерах, разработки больших котлованов или выемки грунта при планировке площадок в зоне с рабочими отметками, превышающими 1,5 - 2 метра (рис.9,а). Этот экскаватор не может комплектоваться другими видами рабочего оборудования.
Струг.
Используется для для производства работ по профилировке откосов постоянных земляных сооружений. Машина создана на базе крана – экскаватора со специальной стрелой, снабжённой рельсовыми направляющими, по которым перемещается грейдерный нож.
Рис.8. Общий вид экскаватора обратная лопата на гусеничном ходу с двухсекционной шарнирной стрелой.[16].
Схемы работы экскаваторов с различными ковшами показаны на рис.9 - 11.
Технические характеристики экскаваторов:
Рис. 9. Схема работы различных экскаваторов а – прямая лопата; б- обратная лопата; в – драглайн; г – грейфер.[ 5. с. 40.]
Рис. 10. Схема работы ковша Грейфер а– ковш под собственным весом вдавливается в грунт; б – начало подъёма и закрытия ковша; в – ковш закрыт и поднят с грузом; г – выгрузка.
Разработку траншей шириной до 0,6 м. можно производить многоковшовыми экскаваторами роторного или цепного типа. Глубина копания роторного составляет до 2,2м., а цепного – до 4,5 м. Эти экскаваторы удобны для разработки траншей под кабели и гибкие трубопроводы, которые можно укладывать одновременно с экскавацией.
Рис.11. Система подвески ковша Драглайна. 1– блок погрузо-разгрузочного каната; 2 - цепи подвески ковша; 3 – ковш; 4 – тяговые цепи; 5 – тяговый трос; 6 – трос управления погрузки – выгрузки; 7 –несущий канат; 8 – стрела крана-экскаватора.
Разработка почвы | Umweltbundesamt
Длительный процесс
Почва формируется и развивается в течение очень длительного времени и является результатом взаимодействия бесчисленного множества факторов. Наиболее важными природными факторами являются горные породы, климат, растения, животные, форма и уклон местности, наличие воды. Большое значение в этом процессе имеют период освоения и масштабы антропогенного землепользования, вызвавшего в последние века большие изменения в почве.
Почва развивается в результате процесса, включающего выветривание, растрескивание и измельчение породы на минеральные частицы почвы. Эти процессы развиваются с разной скоростью в зависимости от интенсивности действующих факторов. Но почва — это гораздо больше, чем просто смесь исключительно минеральных частиц разного размера; ибо это прежде всего смесь разложившихся органических веществ, гумуса и минеральных элементов, подвергающихся воздействию воды и воздуха, а также множества организмов флоры и фауны. Этой смеси требуется очень много времени, чтобы достичь привычного качества и необходимой глубины сущности, которую мы называем «почвой». Для образования одного сантиметра толстого гумусового слоя почвы может потребоваться от 100 до 300 лет; и все это может смыть один сильный ливень.
Разрушение и измельчение горных пород
Почва образуется из поверхностных горных пород, которые растрескиваются и измельчаются в результате множества процессов выветривания. Например, когда вода проникает в трещины и расщелины горных пород, заставляя породу расширяться примерно на девять процентов за счет силы, действующей при замерзании воды, возникающее в результате давление заставляет породу разрываться, ломаться и дробиться. В частности, для темной породы чередование нагрева и охлаждения также оказывает механическое напряжение на породу, вызывая ее разрушение.
Химические реакции изменяют состав породы, при этом, особенно для породы, содержащей большое количество кремнезема, гидролиз (химическое разложение) дестабилизирует структуру породы из-за потери ионов из кристаллической решетки породы. В практически идентичном процессе, известном как гидратация, молекулы воды поглощаются кристаллической решеткой минерала, и последующее набухание приводит к тому, что порода теряет свою жесткость.
Давление, оказываемое растущими корнями, также может привести к растрескиванию и дроблению горных пород — взрывная сила, которую можно наблюдать в корнях, выходящих на поверхность на лесных пешеходных дорожках.
Гумификация, побурение и суглинок
Растрескивание горных пород и измельчение минеральных частиц сопровождаются множеством других процессов почвообразования, таких как гумификация, побурение и суглинивание.
Гумификация включает образование высокостабильных веществ, известных как гуминовые вещества, в результате разложения растительных остатков, которое в основном относится к почвенным организмам. Этот процесс распада может быть замедлен или фактически остановлен из-за недостатка воды и/или кислорода, низких температур или других условий, которые не оптимальны для организмов.
Побурение — это процесс, при котором почвенные минералы, такие как оливин или биотит, реагируют с кислородом. Образовавшиеся оксиды и гидроксиды придают почве характерный красновато-коричневый цвет.
Суглинок, который почти всегда происходит в сочетании с побурением, приводит к образованию глинистых минералов, образующихся при измельчении силикатных минералов полевого шпата и слюды. Поскольку размер частиц глинистых минералов такой же, как у глины, первоначально песчаная почва становится более суглинистой и плодородной за счет измельчения.
Лессиваж, оподзоливание и оглеение
Все ионы, выбрасываемые в почву в процессе измельчения, а также образующиеся глинистые минералы и гуминовые вещества в конечном итоге переносятся вниз с просачивающейся почвенной водой. Результат этого процесса определяется интенсивностью переноса, водопроницаемостью почвы и продолжительностью процесса. В зависимости от климата этот процесс может также сопровождаться растворением легкорастворимых солей (которые затем перефиксируются) и малорастворимых карбонатов в результате окисляющих осадков. Лессиваж включает в себя перемещение частиц глины, процесс, который запускается, когда рН почвы падает ниже 6,5. Частицы глины закрепляются в нижнем слое, что приводит к отложению там глины.
Оподзоливание также происходит при резком падении значений рН верхнего слоя почвы. Это подкисление связано с кислотными и экологически неблагоприятными слоями подстилки, состоящей из таких элементов, как сосновые иглы, в сочетании с антропогенными атмосферными кислотными отложениями. Светло-желтоватый налет наблюдается в случаях насыщения буферной способности верхних слоев почвы, быстрое явление, возникающее преимущественно в маломинеральных песчаных почвах. Эта светлая окраска возникает в результате (а) вымывания из почвы гумусовых веществ темного цвета; и (b) красноватый оксид железа повторно фиксируется в более низком слое.
Оледенение включает в себя постоянное отсутствие кислорода в зоне, которая постоянно насыщена водой и которая в основном наблюдается в нижних слоях почвы. Химическое восстановление марганца и железа цвета ржавчины приводит к образованию зеленовато-голубого слоя со светлыми штрихами и прерывистым обесцвечиванием.
Все эти процессы влияют на состав и свойства почвы и придают ей характерный внешний вид, состоящий из вертикальной структуры со своими слоями и слоями.
Медленное развитие почвы обусловлено многими факторами.Источник: S. Marahrens / Umweltbundesamt
Хороший состав
Описанные выше процессы почвообразования определяют гранулометрический состав минеральных частиц почвы. Это свойство называется типом почвы. Этот параметр указывает размерный состав частиц, который может варьироваться от чрезвычайно мелких частиц, невидимых невооруженным глазом, до песчинок диаметром два миллиметра. Следовательно, тип почвы определяется относительными пропорциями глины, ила и песка в почве. Например, суглинистый песок представляет собой смесь всех трех элементов, из которых песок является основным.
Гранулометрический состав, который является одним из основных свойств почвы, влияет на ее ключевые функции и процессы. Тип почвы является определяющим фактором, в частности, для отложения воды, плодородия почвы и восприимчивости к наводнениям. Степень склонности почвы к эрозии или уплотнению в результате использования тяжелой техники во многом определяется гранулометрическим составом.
Глинистые минералы являются мельчайшими из минеральных частиц почвы, что делает глину таким ценным веществом, так как ее силикатная структура позволяет ей связывать ионы в кристаллической решетке, что делает питательные вещества глины фитодоступными.
Еще более ценными являются гуминовые вещества или гумус в почве. Помимо способности улавливать углерод, гумус благодаря своей обширной площади поверхности может также хранить и выделять питательные вещества и поглощать огромное количество воды. Глинистые минералы, наряду с гумусом, являются ключевыми фильтрами загрязняющих веществ. Гумус также является ключевым источником энергии для всех почвенных организмов, что может способствовать улучшению качества почвы только при наличии оптимальных условий. Следовательно, крайне важно использовать методы управления почвой, которые не снижают содержание гумуса.
- Почва представляет собой смесь частиц разного размера.
Источник: S. Marahrens / Umweltbundesamt - Структура почвы представляет собой сеть полостей и частиц.
Источник: FG II 2.7 / Umweltbundesamt
<>
Как формируются почвы | Окружающая среда, земля и вода
Распечатать
Почва представляет собой тонкий слой материала, покрывающий поверхность земли и образованный в результате выветривания горных пород. Он состоит в основном из минеральных частиц, органических материалов, воздуха, воды и живых организмов, которые взаимодействуют медленно, но постоянно.
Большинство растений получают питательные вещества из почвы и являются основным источником пищи для людей, животных и птиц. Следовательно, существование большинства живых существ на суше зависит от почвы.
Почва является ценным ресурсом, требующим осторожного обращения, поскольку она легко повреждается, смывается или сдувается ветром. Если мы поймем почву и правильно ею воспользуемся, мы избежим разрушения одного из основных строительных блоков нашей окружающей среды и нашей продовольственной безопасности.
Почвенный профиль, показывающий различные слои или горизонты.Почвенный профиль
По мере развития почв слои (или горизонты) формируют почвенный профиль.
Большинство почвенных профилей покрывают землю в виде двух основных слоев — верхнего слоя почвы и недр.
Почвенные горизонты — это слои почвы по мере продвижения вниз по профилю почвы. Почвенный профиль может иметь почвенные горизонты, которые легко или трудно различить.
В большинстве почв выделяют 3 основных горизонта:
- Горизонт А — верхний слой почвы, богатый гумусом, в котором питательные вещества, органические вещества и биологическая активность наиболее высоки (т.
е. активны корни большинства растений, дождевые черви, насекомые и микроорганизмы). Горизонт А обычно темнее других горизонтов из-за органических материалов.
- Гор. Б — грунт богатый глиной. Этот горизонт часто менее плодороден, чем верхний слой почвы, но содержит больше влаги. Обычно он имеет более светлый цвет и меньшую биологическую активность, чем горизонт А. Текстура может быть тяжелее, чем у горизонта А.
- гор. С - подстилающие выветрелые породы (из которых формируются горизонты А и В).
Некоторые почвы также имеют горизонт О , состоящий в основном из растительных остатков, скопившихся на поверхности почвы.
Свойства горизонтов используются для различения почв и определения потенциала землепользования.
Факторы, влияющие на почвообразование
Почва формируется непрерывно, но медленно, в результате постепенного разрушения горных пород в результате выветривания. Выветривание может быть физическим, химическим или биологическим процессом:
- физическое выветривание — разрушение горных пород в результате механического воздействия.
Изменения температуры, истирание (когда камни сталкиваются друг с другом) или мороз могут привести к разрушению камней.
- химическое выветривание — разрушение горных пород в результате изменения их химического состава. Это может произойти, когда минералы в горных породах реагируют с водой, воздухом или другими химическими веществами.
- биологическое выветривание — разрушение горных пород живыми существами. Роющие животные помогают воде и воздуху проникать в скалу, а корни растений могут прорастать в трещины в скале, вызывая ее раскол.
Накопление материала под действием воды, ветра и гравитации также способствует формированию почвы. Эти процессы могут протекать очень медленно, занимая многие десятки тысяч лет. На образование почвы влияют пять основных взаимодействующих факторов:
- исходный материал — минералы, составляющие основу почвы
- живые организмы — влияющие на формирование почвы
- климат — влияющие на скорость выветривания и органического разложения дренаж, эрозия и отложения
- время — влияние на свойства почвы.
Взаимодействия между этими факторами создают бесконечное разнообразие почв на земной поверхности.
Исходные материалы
Почвенные минералы составляют основу почвы. Они образуются из горных пород (материнского материала) в результате процессов выветривания и естественной эрозии. Вода, ветер, изменение температуры, гравитация, химическое взаимодействие, живые организмы и перепады давления — все это способствует разрушению исходного материала.
Типы исходных материалов и условия, при которых они разрушаются, будут влиять на свойства образовавшейся почвы. Например, почвы, образованные из гранита, часто песчаные и неплодородные, тогда как базальт во влажных условиях разрушается, образуя плодородные глинистые почвы.
Организмы
На формирование почвы влияют организмы (такие как растения), микроорганизмы (такие как бактерии или грибы), роющие насекомые, животные и люди.
По мере формирования почвы в ней начинают расти растения. Растения созревают, умирают, а их место занимают новые. Их листья и корни добавляют в почву. Животные едят растения и их отходы, и в конечном итоге их тела добавляются в почву.
Это начинает менять почву. Бактерии, грибы, черви и другие обитатели нор расщепляют растительный и животный мусор и останки, превращаясь в конечном итоге в органические вещества. Это может быть торф, перегной или древесный уголь.
Климат
Температура влияет на скорость выветривания и органического разложения. При более холодном и сухом климате эти процессы могут быть медленными, но при жаре и влаге они протекают относительно быстро.
Дождь растворяет некоторые материалы почвы и удерживает другие во взвешенном состоянии. Вода уносит или вымывает эти материалы вниз через почву. Со временем этот процесс может изменить почву, сделав ее менее плодородной.
Топография
Форма, длина и уклон склона влияют на дренаж. Внешний вид склона определяет тип растительности и количество выпавших осадков.