4. Розробка ґрунту багатоківшевими екскаваторами

Багатоківшеві екскаватори відносять до класу землерийних машин безперервної дії. Вони відрізняються від машин циклічного дії тим, що розробляють ґрунт групою ковшів, установлених на круглому роторі або на ланцюговій передачі, що знаходяться в безупинному обертанні. Розрізняють багатоківшеві екскаватори поздовжнього (ланцюгові й роторні) (рис. 4.15) і поперечного черпання (рис. 4.16).

Рисунок 4.15 – Розробка траншей багатоківшовими екскаваторами поздовжнього черпання:

а – ланцюговим екскаватором; б – роторним екскаватором;

Рисунок 4.16 – Схема розробки виїмки багатоківшевим екскаватором поперечного копання: А, Б – ділянки віялового і паралельного різання

Перші застосовують для розробки траншей з відсипанням ґрунту у відвал чи кавальєр, другі – для розробки котлованів, каналів і вирівнювання укосів з навантаженням ґрунту в транспортні засоби. Завдяки застосуванню в робочих органах екскаваторів поздовжнього копання спеціальних укісників можлива розробка траншей різних поперечних профілів: прямокутного, трапецеїдального, східчастого та ін.

Для автоматизації процесу розробки траншей і каналів застосовують лазерні або променеві пристрої, які дозволяють в автоматичному режимі дотримуватися заданої проектної відмітки або ухилу.

5. Розрахунок продуктивності землерийно-транспортних і землерийних машин та шляхи її підвищення

Експлуатаційну продуктивність землерийно-транспортних і землерийних машин визначають за формулами:

- бульдозера

де t_зм - тривалість зміни; v_k - об’єм призми перед ножем; k_c – коефіцієнт збереження ґрунту: k_c =1 − 0,005l; l - відстань переміщення ґрунту; k_b - коефіцієнт використання змінного часу; t_ц - тривалість циклу розроблення ґрунту.

- скрепера

де v_k - місткість ковша; k_е - коефіцієнт використання місткості ковша;

- одноківшового екскаватора П_е = 60⋅t_зм⋅v_k⋅n_ц⋅k_e⋅k_b,

де n_ц - кількість циклів екскавації за хвилину;

- багатоківшевого екскаватора П_е = 60⋅t_зм⋅v_k⋅n_к⋅k_e⋅k_b,

де n_к - число ковшів, що вивантажуються за хвилину,

n_{к =} 60 V/l

V - швидкість руху ковша; l - відстань між ковшами.

У виробничих умовах експлуатаційну продуктивність землерийно-транспортних і землерийних машин визначають за нормою машинного часу, яка повинна витрачатися на одиницю обсягу роботи, користуючись ресурсними елементними кошторисними нормами (ДБН Д.2.2-1-98).

Шляхи підвищення продуктивності землерийно-транспортних і землерийних машин поділяються на три групи:

• конструктивні – націлені на збільшення об’єму ґрунту, який розробляється за один цикл за рахунок удосконалення робочих органів машин;

• технологічні – передбачають збільшення кількості циклів роботи машини за одиницю часу (раціональні способи різання ґрунту, раціональні схеми шляхів переміщення машин);

• організаційні – націлені на повніше використання робочого часу землерийно-транспортних і землерийних машин.

6. Укладання та ущільнення ґрунтів

Ґрунт укладають і ущільнюють з дотриманням технічних вимог, що дозволяють одержати необхідну щільність, найменшу фільтраційну здатність і виключити можливість наступних усадок. Крім цього, треба приділити уваги вибору виду і стану ґрунту, який використовують для відсипки при зведенні споруд. Зі збільшенням щільності ґрунту зростає його міцність, водонепроникність, опір розмиванню, збільшується статична стійкість споруди.

Зведення насипів слід вести горизонтальними шарами від укосів до середини. На перезволожених і слабких основах висотою до 3 м починають від осі насипу до її краю, а потім насип відсипають від укосів до середини (рис. 4.17). У зоні нульової лінії замість пошарового способу зведення насипу застосовують віяловий, а при засипанні глибоких ярів – пошаровий спосіб відсипання насипу з естакади.

а

б

в

г

д

Рисунок 4.17 – Способи відсипки насипів, напрямку відсипки й ущільнення ґрунту:

а – відсипка насипу горизонтальними шарами; б – те ж при перезволожених і слабких основах і на болотах; в – віяловий спосіб; г – естакадний спосіб; д – спосіб відсипки "з голови"

На ущільнення ґрунту впливають багато факторів:

• механічний склад;

• зв’язність частинок ґрунту;

• початкова щільність і його вологість;

• товщина ущільнюючих шарів;

• число проходів механізмів по одному сліду;

• спосіб ущільнення та параметри ущільнюючих машин.

Звичайно інтенсивніше і легко ущільнюються незв’язні ґрунти, між частинками котрих немає цементаційних зв’язків. Процес ущільнення значною мірою залежить від вологості ґрунту. Наявність води в ґрунті супроводжується створенням водяної плівки навколо частинок, що знижує тертя між ними. Але зі збільшенням вологості щільність ґрунту буде зростати до певної межі, вище якої щільність буде зменшуватися, що пояснюється нестисканням води в порах розпушеного ґрунту.

Ущільнення ґрунту до проектної щільності з найменшими енергетичними витратами можна досягнути при відповідній його вологості, котру називають оптимальною. Для ефективного використання ущільнюючих машин сухі ґрунти зволожують, а перезволожені підсушують до оптимальної вологості. Необхідну кількість води для зволоження ґрунту до оптимальної вологості визначають за виразом:

де ω_o ,ω_n, ω_в - відповідно оптимальна вологість, природна вологість ґрунту, втрати вологості при вкладанні і ущільненні ґрунту, %; ρ_п , ρ_в - відповідно проектна щільність ґрунту і щільність води, кг/м³.

Необхідну щільність ґрунту неможливо досягнути одноразовим прикладанням ущільнюючого навантаження. При перших ущільнюючих навантаженнях щільність ґрунту різко зростає, а при наступних зменшується і згодом припиняється. У більшості випадків для досягнення проектної щільності необхідно 6-8 кратне прикладання ущільнюючого навантаження.

Проектна щільність може бути досягнута наступними методами:

• статичним природним самоущільненням ґрунту під дією власної ваги земляної споруди;

• механічним ущільненням (механічними машинами статичної чи динамічної дії).

Способи механічного ущільнення ґрунту:

• укатування (котками, транспортними засобами, землерийно-транспортними машинами);

• трамбування (механічним ущільненням, навісними плитами, ущільнюючими машинами);

• вібрування (віброплитами, глибинними вібраторами);

• комбіновані (укатування з вібруванням, укатування з трамбуванням).

Найбільш поширеним способом механічного ущільнення ґрунту є укатування котками: гладкими, кулачковими, пневмоколісними, решітчастими (рис. 4.18). Котки можуть бути самохідними і причіпними.

а)	б)
в)	г)
Рисунок 4.18 - Котки для ущільнення ґрунту: а – гладкий; б - кулачковий; в – пневмоколісний; г - решітчастий

Схеми руху котків повинні бути ув’язані з розмірами поперечного перетину створюваних насипів. Залежно від ширини насипу ущільнення ґрунту може виконуватись з розворотом на насипу (при ширині насипу a ≥ 2R_пов ) і з розворотом зі з’їздом з насипу (при ширині насипу a ≤ 2R_пов ) (рис. 4.19). В останньому випадку для розвороту котка за межами насипу необхідно влаштовувати з’їзди і виїзди.

Рисунок 4.19 - Схеми руху котків при ущільненні ґрунту в насипах різної ширини:

а – широкий насип; б – насип шириною a ≥ 2R_пов; в – насип шириною a ≤ 2R_пов

Основними показниками, що характеризують роботу ущільнюючих машин, є:

• товщина ущільненого шару ґрунту;

• рівномірність ущільнення по глибині шару ґрунту;

• необхідна кількість проходів по одному сліду для досягнення проектної щільності.

Оптимальна товщина шару ущільненого ґрунту залежить від виду котків, їх параметрів, вологості ґрунту і може бути визначена за формулами:

-для гладких котків

-для пневмоколісних котків

-для кулачкових котків Н_у = 0,65 (L - 0,25b - h₁),

де ω, ω_о- відповідно вологість ґрунту, що ущільнюється, і оптимальна вологість, %; q - лінійний тиск котка, кН/см; R - радіус котка; Q - сила ваги одного колеса пневмоколісного котка, кН; р - тиск в шині, кН; ξ - коефіцієнт жорсткості шини , ξ =f(р); L - довжина котка; b - товщина кулачка; h₁ - товщина розпушеного шару після проходу кулачкового котка; А - експериментальний коефіцієнт: для гладких котків 0,3-0,4; для пневмоколісних котків - 0,2.

При ущільненні ґрунту машинами динамічної дії робочим органом ущільнюючих машин є трамбувальні плити різних розмірів, ваги і форми, що скидаються на поверхню ґрунту з різної висоти. Явище удару трамбувальної плити по поверхні ґрунту протікає за короткий проміжку часу. За цей проміжок часу кінетична енергія падаючої плити передається частинкам ґрунту, викликаючи їх щільну укладку. Сила удару прямо пропорційна масі плити, висоті скидання і обернено пропорційна тривалості удару і глибині занурення плити за один удар.

Машини і механізми вібраційної дії передають ґрунту частий коливний рух. В результаті порушуються зв’язки між частинками, що спонукає їх взаємному руху і більш щільній укладці. Ефективність вібрації залежить від механічного складу ґрунту (краще різнорідний), вологості ґрунту, тривалості вібрації. В виробничих умовах використовують віброплити, віброущільнювачі поверхневі і глибинні, віброкотки.

Продуктивність машин для ущільнення оцінюється в одиницях площі (м²/год) або в одиницях об’єму (м³/год):

- для машин безперервної дії (котки, віброплити)

де V - швидкість переміщення машини, м/год; В - ширина ущільненої смуги, м; с - ширина смуги перекриття, м; n - число проходів по одному сліду; k_в - коефіцієнт використання машини в часі;

- для машин циклічної дії

де F - площа ударної поверхні плити, м²; m - число ударів за хвилину; k_пер - коефіцієнт перекриття, 0,8; n - число ударів, необхідних для ущільнення, щоб досягнути проектної щільності.