Основные свойства и строительная классификация грунтов

Из многих факторов, влияющих на технологию производства и стоимость земляных работ, основными являются физические и механические свойства грунтов. Грунтами в строительстве называют горные породы и почвы, представляющие собой сложное тело, состоящее из минеральных частиц и органических примесей. Грунтовый скелет состоит из песчаных, пылеватых и глинистых частиц, содержание которых, выраженное в процентах, характеризует состав и свойства грунта. Скальные грунты состоят из каменных горных пород различной крепости и пористости.

К основным физическим свойствам грунтов относятся: удельная и объемная масса, плотность (степень заполнения объема грунта твердым веществом), влажность, влагоемкость (водопоглощаемость), пористость, угол естественного откоса, водопроницаемость н угол внутреннего трения.

Основными механическими свойствами грунтов являются: прочность, твердость (сопротивление прониканию твердого тела), пластичность (способность грунта под действием внешних сил изменять свои размеры и форму без образования трещин), размываемость (способность оказывать сопротивление разрушающему действию воды) и разрыхляемость.

Наибольшее влияние на выбор методов производства работ, устойчивость земляных сооружений оказывает прочность и разрыхляемость грунтов, а также угол их естественного откоса. Прочность грунта характеризуется степенью сил сцепления между его частицами. Величина сцепления частиц в нескальных грунтах меняется в зависимости от степени влажности грунта. По ЕНиР все грунты делятся на группы в зависимости от трудоемкости их разработки, способов производства и применяемых машин и механизмов. Так, по трудоемкости разработки вручную и буровзрывным способом все грунты делят на 2 группы, разрабатываемые одноковшовыми экскаваторами — на 6 групп, бульдозерами — на 3 группы и т. д.

В процессе разработки естественная структура грунта нарушается, и он из плотного состояния переходит в разрыхленное (при этом вместе с объемом увеличивается пористость грунта). Величина характеризующая изменение объема грунта при его. разработке, называется коэффициентом первоначального разрыхления — Кр, который определяется отношением объема грунта в насыпи к объему этого же грунта в плотном теле (в естественном состоянии). Уложенный в насыпь грунт под действием собственной массы, климатических факторов либо механического воздействия (укатки, трамбования) уплотняется, но плотности в естественном состоянии все равно не достигает. Последнее характеризуется коэффициентом остаточного разрыхления — /С0.р, который определяется отношением объема уплотненного и слежавшегося грунта к объему этого же грунта в плотном теле

Указанный в табл. коэффициент /(р учитывают при определении емкости транспортных средств во время перевозки грунта, а /^ор—При назначении величины запаса на осадку насыпей, возводимых без уплотнения грунта.

Нормы уплотнения грунтов для различных сооружений характеризуются коэффициентом стандартного уплотнения грунтов. Устойчивость грунтовых откосов характеризуется углом естественного откоса грунта (табл. 1.3) и зависит от сцепления его частиц между собой. Угол естественного откоса грунта в значительной степени зависит от его влажности.

Устойчивость грунта, часто определяет безопасность работы землеройных машин в, отношении оползней.

Сопротивление грунта резанью и копанию измеряется усилием (Па), приходящимся на 1 см2 стружки грунта, снимаемой ножом ковша землеройной машины. При копании это усилие представляет собой сумму всех сопротивлений, возникающих при наполнении ковша экскаватора, а при резании — только сопротивление от срезании стружки грунта.

В зависимости от трудности и трудоемкости разработки грунтов механизированным способом их делят на четыре группы:

песок, супесь, рыхлый лесс, торф без корней, мелкий гравий, галька и другие несвязанные грунты;

.слежавшаяся глина, торф с корнями, крупный гравий, предварительно разрыхленный песчаный и супесчаный грунт;

жирная и ломовая глина, отвердевшие солончаки и другие грунты с большой связью;

предварительно разрыхленные скальные грунты, мягкий гипс, опоки, слабый трепел, предварительно разрыхленные глинистые и суглинистые мерзлые грунты.

При разработке грунтов все их группы применяют для нормирования работ одноковшовых экскаваторов. Для многоковшовых экскаваторов и скреперов пригодны только первые две группы грунтов, которые они могут разрабатывать. Для бульдозеров применимы три первых группы грунтов. Для нормирования ручных земляных работ также применимы первые три группы грунтов.

При расчетах выработки грунта за единицу времени степень разрыхления грунтов учитывается коэффициентами первичного и остаточного разрыхления грунта, которые приведены в ЕНиР.

Крутизна (или коэффициент) откосов постоянных выемок и насыпей зависит от угла естественного откоса грунтов, а также от величины давления вышележащих слоев насыпи. Уклон характеризуется коэффициентом откоса (tn), который равен отношению высоты откоса к его заложению

Крутизну откосов котлованов и траншей глубиной более 5 м при любых гидрогеологических условиях или глубиной менее 5 м при неблагоприятных гидрогеологических условиях (оползни, просадки, грунтовые воды и т. п.), а также для постоянных земляных сооружений устанавливает проект.

Очень часто при рытье глубоких траншей и котлованов, особенно в стесненных условиях, устраивать откосы невозможно. В этих случаях траншеи и котлованы роют с вертикальными стенками и крепят их стены от обрушения. Установка креплений также обязательна при влажных грунтах и наличии грунтовых вод, так как даже пологие откосы могут сползти из-за разжиженности грунта.

При отсутствии грунтовых вод и в грунтах естественной влажности глубина выемок без крепления не должна превышать: в насыпных, песчаных и гравелистых—1 м; в супесях — 1,25 м; в суглинках и глинах—1,5 м; в особо плотных нескальных — 2 м. Во всех остальных случаях вертикальные стенки траншей и котлованов глубиной до 3 м крепят способом, указанным ниже

Для узких траншей глубиной до 4 м в сухих грунтах применяют горизонтально-рамное крепление (рис. 1.5), состоящее из стоек, горизонтальных досок или дощатых (сплошных и полусплошных) щитов и распорок, прижимающих доски или щиты к стенам траншеи. Распорки устраивают по длине траншеи па расстоянии 1,5— 1,7 м одна от другой и по высоте через 0,6—0,7 м.

3. К подготовительным работам (предшествующим земляным) относятся: освобождение территории строительства от пней, кустарников, деревьев, крупных камней, сносимых строений, а также вынос действующих коммуникаций с площадки строительства; геодезическая разбивка намечаемых сооружений, водоотвод и водопонижение. Состав подготовительных работ должен определяться ППР.

Для работ по очистке территории широко используют строительные машины и средства малой механизации; так, для корчевки пней и удаления кустарников применяют тракторы, бульдозеры (при диаметре пней до 40 см), корчевательные лебедки и машины (при диаметре пней более 40 см), а также корчеватели-собиратели, кусторезы и экскаваторы со специальным оборудованием. При большом объеме работ крупные деревья валят с помощью моторных либо электрических пил.

Для производства планировочных работ после очистки строительной территории при обычных связных грунтах применяют бульдозеры, скреперы, грейдеры и экскаваторы.

Плодородный слой почвы в основании всех насыпей и на площади, занимаемой различными выемками и карьерами, должен сниматься и укладываться в отвалы для использования его в последующем при восстановлении нарушенных и малопродуктивных сельскохозяйственных земель, а также при благоустройстве площадок.

Разработка плотных грунтов (например, сухая глина), а также грунтов щебенистых, мерзлых, скальных н др. требует предварительного рыхления.

Плотные грунты рыхлят с помощью экскаваторов и тракторов со специальным, оборудованием, тяжелых одностойковых рыхлителей на тракторах мощностью 29420—183875 Вт и более, дизель-молотов или буровых машин на тракторах мощностью 73550 Вт и выше, а также взрывным способом. После разрыхления грунт разрабатывают скреперами, бульдозерами или экскаваторами.

В зимних условиях производство земляных работ усложняется вследствие промерзания грунтов, которое сопровождается их затвердением в результате превращения воды, находящейся в порах грунта, в лед. Чем выше влажность грунта и чем мельче поры, тем сильнее он затвердевает при замерзании. С понижением температуры твердость мерзлых грунтов увеличивается. Для снижения трудоемкости разработки мерзлых грунтов их предохраняют от промерзания, рыхлят и оттаивают. Грунты можно предохранять от промерзания, устраивая водоотводы, пропахивая почву плугами в теплое время года на глубину до 35 см, с последующим рыхлением боронами на глубину 15—20 см. Воздух, находящийся в замкнутой среде грунта, не циркулирующий и не продуваемый, обладает малой теплопроводностью и является хорошим изолятором. Целесообразно покрывать грунт снегом слоем 1 —1,5 м, т. к. теплопроводность снега меньше, чем грунта, покрывать грунт на небольших участках можно торфом, опилками, шлаком, соломой, листвой и другими местными теплоизоляционными материалами. Толщина слоя их определяется расчетом. Например, для средней полосы СССР толщина опилок или торфа для утепления глинистых грунтов, подлежащих разработке в ноябре,— 15, декабре — 25, январе— 35, феврале — 40 и в марте — 45 см. Если не удается предохранить грунт от промерзания, его подготавливают к разработке в мерзлом состоянии рыхлением или оттаиванием.

Рыхление мерзлых грунтов взрывами. При больших объемах работ и промерзании грунта не менее 0,6 м его рыхлят взрыванием, если эти площади значительно удалены от жилых домов, промышленных зданий и инженерных сооружений. Этот способ является наиболее производительным, но и дорогостоящий: себестоимость разработки 1 м3 грунта составляет 0,51—.1,2 руб.

Раздробленный взрывом грунт необходимо сразу же удалить из забоя, не допуская его смерзания.

Величина глыб взорванного грунта не должна быть более 'вместимости ковша экскаватора.

Механическое рыхление мерзлых грунтов можно разделить на три основных вида: разрушение ударными нагрузками, статическое рыхление и резание грунтов.

При большой глубине промерзания грунта его предварительно рыхлят ударными приспособлениями, подвешенными к стреле на тракторе С-80 или С-100, при глубине промерзания до 0,6—0,7 м — клин-молотом массой 1—3 т, который вырабатывает за смену до 110 м3 грунта, при помощи дизель-молота и клина, устанавливаемых в качестве сменного оборудования на экскаваторах и тракторах.

Послойное рыхление мерзлых грунтов осуществляется с помощью навесных статических рыхлителей, смонтированных на тракторах ДЭТ-250 и Т-180.

Себестоимость разработки 1 м3 грунта этими рыхлителями составляет 0,12—0,3 руб, производительность — 50—80 м3 грунта в 1 ч, трудоемкость работ уменьшается в 3—4 раза.

Для резания мерзлого грунта применяют так называемые баро-вые машины, смонтированные на тракторах С-80, С-100 и Т-180, а также на базе траншейных экскаваторов ЭТН-171, ЭТУ-353, ЭТУ-354, ЭТН-124 и др. С помощью этих баровых машин мерзлый грунт разрезают на отдельные блоки либо в нем устраивают прорези, после чего грунт разрабатывают экскаватором. Себестоимость разработки баровыми машинами 1 м3 мерзлого грунта 0,25— 0,65 руб.

Мерзлые грунты рекомендуется рыхлить при глубине промерзания более 0,4 м. Разработка мерзлых грунтов экскаватором без предварительного рыхления допускается при толщине мерзлого слоя до 0,25 м, с ковшом вместимостью 1 м3 — до 0,4 м3.

При отрывке котлованов и траншей в зимних условиях необходимо предохранить их основания от промерзания путем недобора грунта или укрытия основания опилками, шлаком и др. изолирующими материалами. Основание зачищают перед устройством фундаментов, укладкой трубопроводов.

Водоотвод и водоотлив. Воды со строительной площадки отводят путем предварительного устройства временных водоперехва-тывающих и водоотводных канав, лотков и дренажей. Для защиты строительной площадки на время производства земляных работ от ливневых и талых вод устраивают с нагорной стороны выемок нагорные канавы, отвалы грунта или кавельеры для отвода в сторону ливневых и талых поверхностных вод.

При рытье котлованов и траншей в условиях грунтовых вод производят открытый водоотлив или искусственное водопонижение.

Открытый водоотлив состоит в непосредственном откачивании воды из котлована или траншеи при помощи насосов: поршневых, диафрагмовых, центробежных и специальных глубинных насосов; для этого в пониженной точке котлована (траншеи) устраивают колодец (приямок для воды), куда опускают приемный рукав насоса.

Грунтовые воды при разработке котлованов и траншей можно отводить через дренажи, которые устраивают открытыми или закрытыми. Открытые дренажи представляют собой канаву или лоток, дно которых должно быть ниже уровня водопонюкеиия, находиться в плотном, не пропускающем воду грунте и иметь уклон в пониженное место.

Закрытый дренаж устраивают в виде глубоких траншей, заложенных ниже промерзания грунта с заполнением дренирующими материалами: песок, галька, щебень (рис. 1.10,а). При большом притоке воды по дну траншеи укладывают бетонные или керамические трубы с отверстиями в стенках (рис. 1.10,6).

Искусственное водопонижение грунтовых вод осуществляется с помощью легких иглофильтровых установок, представляющих ряд фильтров из металлических труб, погруженных в грунт по периметру верхней бровки котлована (рис. 1.11) и соединенных с водосборным коллектором, который в свою очередь присоединен к насосному агрегату. Грунтовая вода непрерывно откачивается через иглофильтры насосом и отводится за пределы строительной площадки в пониженные места.

6. Укладка в насыпь и уплотнение грунта выполняются при планировочных работах, возведении различных насыпей, обратной засыпке траншей, пазух фундаментов и др. Уплотнение производится с целью увеличения несущей способности грунта, уменьшения его сжимаемости и снижения водопроницаемости. Уплотнение может быть поверхностным и глубинным. В обоих случаях оно осуществляется механизмами

Укладка в насыпь и уплотнение грунта выполняются при планировочных работах, возведении различных насыпей, обратной засыпке траншей, пазух фундаментов и др. Уплотнение производится с целью увеличения несущей способности грунта, уменьшения его сжимаемости и снижения водопроницаемости. Уплотнение может быть поверхностным и глубинным. В обоих случаях оно осуществляется механизмами.

Существует уплотнение грунтов укаткой, трамбованием и вибрированием. Наиболее предпочтителен комбинированный метод уплотнения, заключающийся в одновременной передаче на грунт различных воздействий (например, вибрирование и укатка), или объединение уплотнения с другим рабочим процессом (например, укатка и движение транспортных средств и др.).

Для обеспечения равномерного уплотнения отсыпанный грунт разравнивают бульдозерами или другими машинами. Наибольшее уплотнение грунта с наименьшей затратой труда достигается при определенной оптимальной для данного грунта влажности. Поэтому сухие грунты должны увлажняться, а переувлажненные - осушаться.

Грунт уплотняют участками (захватками), размеры которых должны обеспечивать достаточный фронт работ. Увеличение фронта работ может привести к высыханию подготовленного к уплотнению грунта в жаркую погоду или, наоборот, к переувлажнению в дождливую.

Наиболее трудным является уплотнение грунта при обратной засыпке пазух фундаментов или траншей, так как работы ведутся в стесненных условиях. Во избежание повреждения фундаментов или трубопроводов прилегающий к ним грунт на ширину 0,8 м уплотняется с помощью виброплит, пневматических и электрических трамбовок слоями толщиной 0,15...0,25 м (рис.21, а - в). Более производительные способы, например самопередвигающиеся виброплиты и другие (рис.28, г - ё), применяются при уплотнении засыпки под полы.

14. Разборно-переставная опалубка является доминирующей и наиболее широко распространенной в строительстве. Для установки сложной опалубки разрабатывается проект производства опалубочных работ, содержащий маркировочные чертежи элементов и их спецификацию, чертежи поддерживающих крепежных устройств, технологические карты.

Опалубку собирают из готовых щитов, стоек, кружал, крепеж­ных элементов. Мелкощитовая опалубка может собираться вручную, крупнощитовая (площадью более 3 м2) обычно устанавливается с помощью крана. Название разборно-переставной эта опалубка получила в связи с технологическим циклом ее использования. Первоначально она устанавливается и закрепляется в рабочем положении, а после бетонирования и набора бетоном прочности, допускающей распалубливание, крепежные, поддерживающие устройства и щиты снимаются и переставляются на новые позиции.

Основной конструктивной особенностью современных разборно-переставных опалубок является их универсальность. Инвентарные унифицированные щиты различных размеров с инвентарными поддерживающими устройствами и креплениями позволяют опалубливать практически любые поверхности путем соединения щитов по их граням. Крупные щиты могут быть доукомплектованы мелкими. Для этого размеры щитов назначаются в соответствии с принятым в строительстве модулем, равным 100 мм.

При устройстве фундаментов на грунте предварительно очищают места установки опалубки и устраняют неровности, закрепляют разбивочные оси, отмечают положение вертикальных отметок.

Ленточные фундаменты высотой до 0,2 м, а также нижние уступы фундаментов можно бетонировать в опалубке из ординарных досок, толщиной 40...50 мм, укрепленных забитыми в землю через 0,75... 1,25 м кольями и распертыми распорками (рисунок 3, а).

Опалубка ленточных фундаментов высотой 0,2...0,75 м может выполняться из дощатых щитов, скрепленных поверху соединительными планками, по центру — проволочными скрутками, а по низу — забитыми в грунт кольями или планками с подкосами. В местах расположения скруток устанавливаются распорки, препятствующие перемещению щитов для укладки бетонной смеси (рисунок 3, б). По мере бетонирования распорки удаляются.

При бетонировании ленточных фундаментов высотой более 0,75 м в качестве опалубки рекомендуется использовать мелкие стеновые щиты с несущими конструкциями решетчатого типа и палубой (частью опалубки, непосредственно соприкасающейся с бетоном) из водостойкой фанеры толщиной 15 мм, соединяемые друг с другом с помощью стяжных стержней, распорных планок и штифтовых или других замков (рисунок 3, в).

Опалубку небольших ступенчатых фундаментов столбчатого типа можно устраивать из прямоугольных коробов, собираемых поярусно из пар щитов разных размеров — закладных и накрывных.

Опалубку крупных столбчатых ступенчатых фундаментов также можно собирать на месте из щитовой инвентарной опалубки. Опалубку, представленную на рисунке 3, г, выполняют из уголков, швеллеров и листовой стали толщиной 2 мм. Палуба может быть изготовлена не только из стали, но и из пластика, древесины, водостойкой фанеры.

Сборка опалубки из щитов на месте представляет собой довольно трудоемкий процесс, связанный с использованием крана и геодезическим сопровождением, поэтому при большом объеме работ практикуют использование в качестве опалубки цельнометаллических блок-форм жесткой конструкции, состоящих из опалубочных блоков ступенчатого фундамента и подколонника, монтируемых и снимаемых с помощью крана. Применение таких форм, по сравнению с щитовой опалубкой, при бетонировании более 50 однотипных фундаментов позволяет на 10... 15% снизить удельную металлоемкость и стоимость работ, повысить оборачиваемость инвентарной опалубки с 100...200 до 200... 300-кратной.