В ході будівельних і гірничих робіт розробка грунту традиційно здійснюється одним з трьох способів: різання, гідромеханічний розрив, вибуховим методом.
Інженер робить вибір на користь конкретного методу виходячи з майбутніх обсягів робіт, характеру ґрунтових ґрунтів, наявних у розпорядженні технічних засобів розробки і т. д.
Якщо з риттям котловану під будівництво заміського будинку запросто може впоратися маленьких екскаватор, то при видобутку корисних копалин необхідно задіяти цілий комплекс машин і механізмів. Причому більшість з цих засобів виробництва не будуть безпосередньо задіяні в розробці грунту. Їх призначення – обслуговування процесу добування і забезпечення безперебійності робіт.
Характеристика грунтів
Грунт – це верхній шар земної кори, утворений выветриваемыми гірськими породами. В залежності від щільності і за походженням, грунти можна класифікувати на:
- Скельні (такий грунт стійкий до впливу вологи, межа міцності понад 5 МПа). До даної категорії відносять граніт, вапняк, піщаник.
- Полускальные (межа міцності до 5 МПа). Наприклад: глина, гіпс, мергель.
- Крупноуламкові – несцементированные уламки напівскельних і скельних порід.
- Піщані (являють собою дисперсні (до 2 міліметрів в діаметрі) частинки гірських порід).
- Глинисті (дрібнодисперсні (0,005 міліметрів в діаметрі) частинки породи).
Розробка грунту вручну в траншеях – досить трудомісткий процес. Він в принципі не може здійснюватися при розробці скельних порід.
До складу ґрунтів включені тверді частини, вода, а також різні гази (накопичуються в порах). Вологість ґрунту – величина, яка характеризує відношення маси рідини до маси твердих тіл в одиниці обсязі. Вона може змінюватись в широкому діапазоні і може приймати значення від одного (пісок) до двохсот відсотків (мул на дні водойм).
Грунт в процесі розробки збільшується в обсязі. Це відбувається за рахунок утворення пор і порожнин. Величина зміни обсягу характеризується коефіцієнтом розпушення (відношення об’єму, займаного ґрунтом до проведення робіт, до обсягу, який грунт займає після розробки). З плином часу щільність розпушеного грунту зменшується (природне ущільнення). Можливо також здійснення примусового ущільнення ґрунту з використанням важкої будівельної техніки. Щільність такого ґрунту наближається до первісної, хоча і дещо менше. Даною різницею можна знехтувати, тим більше, що з плином часу і вона зникне, а сам грунт повністю відновить свої властивості (постаріє).
Механічні властивості ґрунтів (насамперед, це міцність і здатність деформуватися) залежать від складу і характеру зв’язку між частинками. У процесі розробки зв’язки руйнуються, в ході ущільнення – відновлюються.
Розробка різанням
Для розробки ґрунту даними способом використовуються землерийно-транспортні і землерийні машини.
У процесі роботи ріжучий інструмент відчуває дуже значні фрикційні і механічні навантаження. В таких умовах звичайна конструкційна таль довго не вистоїть. Тому ріжуча кромка робочого органу посилюється елементами з металокераміки або спеціальними сталей. Композиційні металокерамічні пластинки найбільш ефективні в роботі. Але і вартість їх досить висока. Тому найчастіше ковші посилюються напайними електродами з зносостійких сплавів. Крім усього іншого, такий ківш володіє ефектом самозатачивания в ході роботи за рахунок більш прискореного зносу частини ковша зі звичайної сталі.
Такі машини зрізають певний шар грунту. Зрізана маса за спеціальним транспортеру поступає на відвал або ж відразу висипається в кузов самоскида для вивезення в кар’єр або на інші будови. Під цю категорію підпадає розробка грунту екскаватором.
Типи екскаваторів
В залежності від конструкції і параметрів ковша, екскаватори поділяються на такі типи:
- одноковшові;
- роторні і ланцюгові (багатоковшові);
- фрезерні.
Найпоширенішим є одноковшовый тип екскаватора. Даний тип машини є широкоуниверсальным, володіє дуже хорошою маневреністю. Оптимальний об’єм ковша – від 0,15 до 2 метрів кубічних. Розробка грунту екскаватором (одноковшовим) з більш масивним і містким ковшем економічно недоцільна, так як гідравліка і механічна частина обладнання часто виходять з ладу із-за великого навантаження.
Також, в залежності від механізму привода, землерийні машини поділяються на гусеничні та автомобільні. Існують і так звані крокуючі екскаватори, а також пневмоколісні екскаватори. Однак на практиці такі машини зустрічаються вкрай рідко, якщо взагалі трапляються на очі. Навіть досвідчені будівельники, і то не всі можуть похвалитись, що працювали коли-небудь на одному об’єкті з даним типом машин.
Робота екскаватора одноковшового
Даний тип екскаватора може вести розробку ґрунту як бічній, так і прямий прохідний. У першому випадку екскаватор здійснює роботи вздовж осі переміщення. Грунт при цьому звалюється в кузов вантажівки, який під’їжджає з іншого боку.
У другому випадку роботи ведуться попереду екскаватора, а транспортні засоби для завантаження подаються ззаду.
Якщо необхідно отримати значну виїмку грунту на велику глибину, то альтернативи механізованої розробки грунту немає. Всі роботи здійснюються шляхом розробки у кілька етапів (ярусів). Ярус не перевищує технологічні можливості конкретної моделі екскаватора по глибині виїмки.
Робота многоковшового екскаватора
Даний тип машин є яскравим прикладом механізму безперервної дії. Тому, зрозуміло, що продуктивність такого екскаватора на порядок вище продуктивності звичайних одноківшевих машин. Але слід сказати, що подібне обладнання застосовується лише при будівництві масштабних об’єктів. Для розробки ґрунту в траншеї малих розмірів даний тип техніки абсолютно непридатний: дуже дороге обслуговування, дуже велика витрата палива.
Робочі ковші можуть фіксуватися на ланцюзі або на роторі. Звідси і походить назва екскаваторів: ланцюгові і роторні.
Даний тип екскаватора може застосовуватися при розробці грунту 2 групи. Хоча на практиці відомі випадки, коли такі машини з легкістю впоралися з грунтами 1…3 груп. Грунт повинна бути порівняно чистою, без великих каменів і потужних пнів.
Розробка землерийно-транспортними машинами
Одна машина за один робочий цикл здійснює витяг породи, її переміщення на невеликі відстані. До таких машин належать скрепери, грейдери, а також бульдозери.
Для здійснення масштабних робіт використовують скрепери. Дані машини дуже продуктивні, можуть застосовуватися в умовах грунтів 1…4 типу. Однак, незважаючи на неймовірну потужність, скреперу не під силу щільні грунти. Тому такі ґрунти попередньо необхідно розпушити. За один прохід дана машина може зняти шар ґрунту товщиною до 320 міліметрів. Конкретна величина залежить від потужності, форми ковша і моделі соскоба.
Нижня частина ковша соскоба оснащена ножем. Це не той ніж, яким більшість людей ріже продукти на кухні. В даному випадку приварена смуга з стійкою до стирання і самоупрочняющейся сталі Гадфільда.
Бульдозери використовуються для проведення робіт на невеликих глибинах і на великий протяжності. Також даний тип машин використовується для зачистки і розрівнювання дна котлованів, розробка грунту яких велася великогабаритними екскаваторами.
На глибину бульдозер переміщається по ярусах. Глибина ярусу дорівнює величині шару, який може зняти машина за один прохід. Дуже важливо, щоб робоче переміщення бульдозера здійснювалося під ухилом. Це дозволить дещо розвантажити силові агрегати і мінімізувати ймовірність виходу з ладу техніки.
Грейдери мають малу потужність і потенційні можливості. Використовуються більшою мірою для проведення декоративних робіт: влаштування насипів і укосів, здійснення планувальних робіт.
Опис і область застосування гідромеханічної розробки
В даному випадку про розробку ґрунтів вручну не може бути й мови. Втім, як і з застосуванням землерийних машин. Область застосування дуже широка: від створення штучних водосховищ до будівництва доріг. Технологія дозволяє також намивати території під житлову і промислову забудову в заболочених і прибережних районах, схильних до повеней. Всі процеси механізовані. Даний спосіб розробки грунту вимагає створення особливої інфраструктури, що робить доцільним його використання лише при дуже великих майбутніх обсягах робіт.
Гідромеханічна розробка з використанням гідромоніторів
Суть даного способу розробки полягає в наступному: грунт вимивається струменем води під великим тиском (близько 15 МПа). Одержувана грязьова маса (на сленгу професіоналів – пульпа), спочатку накопичується в проміжних резервуарах, а вже звідти помпами подається по трубопроводу в потрібне місце.
З часом волога повністю випаровується, і утворюється щільний шар грунту. Якщо його ущільнити ковзанкою, то така грунт стає цілком придатною для будівництва шляхів сполучення (автомобільних і залізних доріг).
Великим технологічним перевагою такого способу є можливість вести розробку грунтів практично будь-якої категорії складності.
Гідромеханічна розробка із застосуванням землесосних снарядів
При здійсненні робіт на дні водойм розробка грунту вручну, як і з використанням традиційних землерийних машин, виключається. Необхідні спеціальні судна.
Землесосным снарядом називається плавальний засіб, оснащений спеціальним обладнанням. Потужна помпа хитає розмитий грунт з дна водойми і транспортує його по трубопроводу або в трюм судна, або на допоміжний транспортне судно, або потужним струменем викидає далеко від місця виїмки грунту.
Подібні землесосні снаряди знайшли застосування при поглибленні і розчищення фарватерів судів в умовах мілководдя, поглиблення річок з метою забезпечення безперебійного судноплавства, а також при видобутку алмазів з шельфу світового океану.
Ґрунтова маса всмоктується через трубу. Для всмоктування мулу і м’якого грунту труба не оснащується додатковим розпушувачем. Наявність останнього необхідно при розробці щільних грунтів. За труднощі розробки даний метод лідирує. Експлуатація та обслуговування спеціального транспорту, його стоянка в портових водах обходиться дуже дорого. Пред’являються високі вимоги до кваліфікації обслуговуючого персоналу.
Розроблення мерзлих ґрунтів
Для розробки в умовах вічної мерзлоти, а також для вироблення скелястих порід, застосовуються потужні спрямовані вибухи. У якості вибухівки може використовуватися тротил, амоніт і толл.
Вибухові снаряди можуть розміщуватися як на поверхні, так і закладатися вглиб у заздалегідь пробурені отвори або в природні порожнини.
Так звані свердловинні заряди застосовують при розробці великого за площею басейну, а також для скидання грунтів. Розривні снаряди встановлюються заздалегідь пробурені свердловини. Мінімальний діаметр свердловини дорівнює 200 міліметрів. Для збільшення руйнівної сили зарядів, отвори зовні засипаються піском або дрібнодисперсного гірською породою (утворюється при бурінні свердловин).
Шпурові заряди застосовуються в тому випадку, коли необхідно провести виїмку невеликого об’єму ґрунту. Можливо здійснювати як при відкритій розробці, так і при розробці під землею. Шпури являють собою свого роду гільзи. Мають діаметр від 25 до 75 міліметрів. Вони заповнюються вибухівкою максимум на дві третини. Вільний простір заповнюється гірською породою (щоб отримає спрямовану вибухову хвилю і досягти найбільшого корисного ефекту).
Камерні заряди. Даний тип заряду застосовується при необхідності проводити вилучення значних об’ємів грунту шляхом здійснення спрямованого викиду. Суть методу полягає в наступному. В зоні виробки облаштовуються вертикальні колодязі або горизонтальні тунелі, в стінах яких буряться глухі отвори для закладання зарядів. Після закладки вибухівки штольні і колодязі засипаються грунтом (це дозволяє збільшити потужність вибуху). Напрямок викиду забезпечується нерівномірною закладкою вибухової речовини. Так, з однієї із сторін може бути в кілька разів більше бурових отворів під заряди. Також з цією метою може застосовуватися неузгодженість вибухів.
Так званий щілинної заряд застосовується, в основному, при розробці ґрунту в умовах вічної мерзлоти. Здійснити спрямований викид такої породи навряд чи вийде. А ось розпушити її, щоб надалі її можна було прибрати бульдозером або екскаватором, цілком реально. Для цього використовується інструмент, за принципом дії і за зовнішнім виглядом нагадує дискову фрезу по металу. Тільки, зрозуміло, такий інструмент має значно більші розміри. Така фреза вирізає своєрідні пази в грунті на відстані до 2,5 метрів один від одного. Вибухова речовина закладається не кожен паз, а через один – порожнисте незаповнений простір виступає в ролі компенсатора. Вибухова хвиля дробить ґрунт, і вона зміщується у бік порожнини. Такі роботи вимагають ретельної підготовки та детального опрацювання проекту.
