Земляные работы при строительстве водопроводно-канализационных сооружений

Характер земляных работ на строительстве водопроводно-канализационных сооружений определяется их конструктивными особенностями. По общности конструк­тивных решений и методов производства земляных работ можно выделить следующие группы сооружений:

- трубопроводы, для которых отрываются открытые траншеи или осуществляется закрытая прокладка;

- на­земные сооружения дренажного типа (поля фильтрации и т. п.), где земляные работы носят характер вертикальной планировки;

- подземные (резервуарного типа) и полуза­глубленные, для которых отрываются открытые котлованы;

- заглубленные сооружения, возводимые методом опускного колодца.

В начале раздела приводятся задачи по вспомогательным работам, выполняемым в процессе разработки грунта:

- пони­жение уровня грунтовых вод иглофильтровыми и эжекторными установка­ми (рисунок 3.28);

- открытый водоотлив;

- крепление стенок траншей.

Рисунок 3.28 – Понижение уровня грунтовых вод иглофильтровыми и эжекторными установками. а – котлован с легкими иглофильтрами в один ярус; б – то же, в два яруса; в, д – эжекторная иглофильтровая установка и фильтровое звено; г – схема электроосушения (электроосмос). 1- рабочий насос; 2 – водоотводной коллектор; 3 – иглофильтр; 4 – уровень грунтовых вод после осушения; 5 – низконапорный насос; 6 – стальной стержень (анод); 7 – фильтровое звено; 8 – труба наружная; 9 – труба внутренняя с эжекторным устройством; 10 – вакуум; 11 – клапан шаровой; УГВ – уровень грунтовых вод.

В соответствии с принятой классификацией приводятся типичные задачи на производство земляных работ:

- от­рывка траншеи для прокладки трубопроводов;

- планировка площадки;

- отрывка котлована для группы очистных сооружений;

- разработка грунта в опускном колодце.

Производство земляных работ при закрытой прокладке трубопроводов рассматривается в конце раздела. Во всех случаях выполне­ние земляных работ предусматривает комплексную меха­низацию с технико-экономическими обоснованиями при­нятых вариантов. В задачах также рассматривается вы­полнение земляных работ в зимних условиях и расчеты, связанные с устройством шпунтового ограж­дения.

3.11 ПРИМЕР: Прокладка железобетонного коллектора на участке дли­ной L = 500 м производится ниже уровня грунтовых вод.

ЗАДАЧА: Необходимо запроектировать понижение уровня грунтовых вод иглофильтровыми установ­ками. Глубина траншеи h_т = 3,2 м, ширина понизу b = 1,7 м; уровень грунтовых вод (УГВ) на глубине 0,5 м от дневной поверхности. Грунт — крупнозернистый песок с коэффициентом фильтра­ции К = 20 м/сутки. Мощ­ность водоносного слоя Н = 8 м (рисунок 3.29).

РЕШЕНИЕ: Принимается иглофильтровая установка ЛИУ-2 с однорядным расположением игл по длине траншеи. Комплект состоит из 24 игл. Производительность установки 720 м³/сутки [136; стр. 632].

Определяем приток на 1 м траншеи для однорядной установки [135; стр. 293]:

, (3.34)

где h₁ – толщина слоя воды при водоотливе; h₂ = h_т + 0,5 (запас с целью предотвращения намокания поверхности верха грунта в траншеи или котловане); h₁ = Н – h₂ = 8,0 – 3,7 = 4,3 м; R — радиус влияния иглофильтра, определяемый по формуле:

, (3.35)

t – расчетная продолжительность откачки (по опыт­ным данным для первых ярусов иглофильтровых установок); t = 2¸5 суток [35; стр. 293]; Принимаем t = 2 суток; – коэффициент водоотдачи (для мелкозернистых песков = 0,15— 0,21; для крупнозернистых и гравелистых песков = 0,22 — 0,25); прини­маем = 0,22 [11; стр. 8]. Тогда R = = 66,0 м; 13,8 м³/сутки.

Рисунок 3.29 – Схема водопонижения легкими иглофильтрами

При расстоянии между иглофильтрами 1,5 м длина участ­ка, обслуживаемого комплектом, составит l_к =24×1,5 = 36 м. Общий приток воды к участку определим по формуле:

(3.36)

По расчету получаем = 13,8 × 36 = 497 м³/сутки. Это удовлетворяет условию, так как производительность установки 720 м³/сутки. Количество рабочих участков 500 / 36 = 14.

Задача 3. 11 Решить задачу 3.11 по данным, приведенным в таблице 3.13 и запроектировать понижение уровня грунтовых вод.

Таблица 3.13 – Основные параметры для определения количества установок.

Вариант	Размеры траншеи, м	УГВ от поверхности, м	Н, м	h2, м	К, м/сутки	t, сутки
Глубина	Ширина
	4,0	2,0	1,0		5,0			0,15
	3,5	1,5	0,8		4,0			0,10
	4,2	1,8	0,9		5,0			0,11
	4,5	2,0	1,0		5,0			0,15
	3,0	1,5	0,8		4,0			0,10
	4,1	1,8	0,9		5,0			0,11
	4,3	2,0	1,0		5,0			0,15
	3,3	1,5	0,8		4,0			0,10
	4,4	1,8	0,9		5,0			0,11
	4,6	2,0	1,0		5,0			0,15
	3,7	1,5	0,8		4,3			0,10

3.12 ПРИМЕР: При отработке котлована под железобетонный резервуар необходимо понизить уровень грунтовых вод или выполнить полную откачку воды из котлована.

Рисунок 3.30 – Открытый водоотлив из котлована

1 – пониженный уровень грунтовых вод; 2 – насос; 3 – шпунтовое ограждение; 4 – инвентарные распорки; 5 – всасывающий рукав с сеткой.

ЗАДАЧА: Подобрать тип насоса для откачивания воды при отрыв­ке котлована для возведения подземного железобетонного резервуара. Диаметр котлована понизу d_н = 12,0 м, глу­бина h_к = 5,0 м, уровень грунтовых вод на глубине h_в = 1,0 м от дневной поверхности; уровень грунтовых вод выше во­доупорного горизонта на величину Н=9,0 м. Работы ведут­ся в среднезернистых песках с коэффициентом фильтрации К= 15,0 м/сутки.

РЕШЕНИЕ: При крутизне откоса 1:1 диаметр котлована поверху d_в= 12,0 +(5×1×2) = 22 м. Приток воды к кот­ловану определяется по формуле [137; стр. 203]:

, (3.37)

где S_в – глубина котлована от уровня грунтовых вод; S_в = h_к – h_в = 5,0 – 1,0 = 4,0 м; N – величина, определяемая по графику [137; стр. 2031];

(3.38)

R – радиус влияния насосной уста­новки определяется по формуле:

(3.39)

t – расчетная продолжительность откачки воды, принима­ется t – 5 суток; - коэффициент водоотдачи для среднезернистых песков; = 0,18.

Определяем 106,0 м. При = 106/11,0 . [37; стр. 203] N= 0,45; А = , где F – площадь котлована поверху; для дан­ного котлована радиус приведенного круга, площадь которого равна площади котлована, огражденного иглофильтрами, равна А = 11,0 м. М – величина определяемая по графику и по формуле:

, (3.40)

где m – мощность водоносного слоя после водопонижения; m = H – S_в = 9,0 – 4,0 = 5,0 м. Тогда = 5,0 / (11,0 ) = 0,2. По тому же графику такому значению соответствует M = 0,35.

Определяем приток воды Q = 3,14 15,0 4,0 (0,45 4,0+ 11 0,35) = 1064,46 1064,0 м³/сутки. Принимается два самовсасывающих центробежных насо­са С-247 производительностью 24 м³/ч каждый [37; стр. 199].

Задача 3. 12 Решить задачу 3.12 по данным, приведенным в таблице 3.14 и запроектировать понижение уровня грунтовых вод.

Таблица 3.14 – Основные параметры для определения притока воды.

Вариант	Вид сооружения	Ширина понизу, м	Грунт	Н, м	УГВ, м	Sв, м	К, м/сутки
	Траншея	2,2	Супесь	6,0	0,7	3,2	0,8	0,12
	Котлован	8,2	МЗП	8,0	2,0	2,5	2,0	0,14
	Траншея	2,1	КЗП	6,0	0,7	3,2	16,0	0,20
	Котлован	8,1	СЗП	8,0	2,0	2,5	10,0	0,18
	Траншея	1,2	МЗП	6,0	0,7	3,2	2,0	0,12
	Котлован	7,2	СЗП	8,0	2,0	2,5	10,0	0,14
	Траншея	2,3	Супесь	6,0	0,7	3,2	0,8	0,20
	Котлован	8,3	МЗП	8,0	2,0	2,5	2,0	0,18
	Траншея	2,4	КЗП	6,0	0,7	3,2	16,0	0,12
	Котлован	8,4	СЗП	8,0	2,0	2,5	10,0	0,14
	Траншея	2,1	КЗП	6,0	0,7	3,2	16,0	0,20

Примечание: Параметры N и М принимаются по графику Приложения ????

3.14 ПРИМЕР: При отработке траншеи необходимо устраивать откосы. Однако это решение приводи к увеличению объема грунта разрабатываемого экскаватором. Существуют несколько способов разработки грунта с вертикальными стенками, но для этого необходимо определить их количество.

ЗАДАЧА: Из условий техники безопасности при отрывке траншеи длиной L= 4000 м в песчаном грунте для прокладки тру­бопровода предусматривается крепление стенок. Угол внутреннего трения грунта = 40°; глубина траншеи Н = 2,1 м; ширина понизу b = 1,2 м. Произвести расчет крепления, выполненного из дощатых сплошных щитов размером 3,3 0,7 м и инвентарных распорных рам си­стемы НИИОМТП (рис. 2). Для щитов используются сос­новые доски II сорта толщиной = 50 мм. Работы по прокладке трубопровода продолжаются в тече­ние времени Т = 40 дням. Определить количество захваток и оборачиваемость креплений.

РЕШЕНИЕ: Проверка креплений на проч­ность и жесткость. Активное давление грунта определяется по формуле:

(3.41)

где – объемный вес грунта; = 1,6 т/м³. Тогда = 2,1 1,6 = 0,73 т/м². Принимается расстояние между стойками l = 2,0 м. Дли­на консолей, а = 0,65 м. Проверка на прочность произво­дится по максимальному изгибающему моменту М.

(3.42)

где – нагрузка на нижнюю, наиболее нагруженную доску шириной b_д = 17,5 см. Определяем = b_д = 0,73 0,175 = 0,127 т/м. Тогда напряжение при изгибе определим по формуле:

, , (3.43)

где W – момент сопротивления сечения доски; W = :6; R_и – расчетное сопротивление сосновой доски на изгиб и равно 150,0 кг/см²; – коэффициент условий работы конструкции при воздействии кратковременной нагрузки (монтажные нагрузки) по СНиП II-В = 1,2.

Тогда = 1,25 (2² – 4 0,65²) 6 : (8 0,175 0,05²) = 50,6 кг/см². Определяем величину = 150,0 1,2 = 180,0 кг/см². Таким образом, напряжение при изгибе меньше .

Выполняем проверку на жесткость по наибольшей стреле прогиба .

(3.44)

где – модуль упругости, принимается для всех пород древесины = 100 000 кг/см²; – момент инерции сечения доски. I = : 12.

Отсюда находим = (5,0 0,127 2⁴ 12,0) (384 100000 0,175 0,05³) – (0,127 0,65² 2,0 12) (16 100000 0,175 0,05³) = 0,0145 – 0,0074 = 0,0071 м.

Для данного вида конструкций допустимый прогиб _доп:l 1:150. Фактический прогиб составит 0,007 : 2,0 = 1:286 1:150.

Определяем количество захваток и оборачиваемости креплений. Количество захваток определяем из формулы:

, 3.45)

где – модуль цикличности; принимается К = 2 смены; m – количество захваток; п – число составляющих процессов, п = 5 (1От­рывка траншеи и устройство крепления. 2 Под­чистка дна траншеи и устройство подготовки.

3 Укладка труб. 4 Опробование трубопровода. 5 Засыпка траншеи и разборка креплений). Из формулы (,,,) определяем количество захваток m. m = [Т–К(n–1)] : К = [40–2(5–1)] : 2 = 16 захваток. Длина одной захватки 40000 : 16 = 250 м. Исходя из разме­ров щитов на участке длиной 10 м (см. рисунок 3.31) размещаем 6 рам, 18 щитов. Требуемое количество креплений на 1 за­хватку: рам = (250 6) : 10 = 150 штук; щитов = (250 18) : 10 = 450 штук.

Рисунок 3.31 – Инвентарное крепление системы НИИОМТП: 1 – металлические рамы; 2 – инвентарные щиты толщиной 50 мм; 3 – рас­порки.

Оборачиваемость комплекта креплений одной захватки [6; стр. 343] определяем по формуле:

, (3.46)

где А – число смен работы в 1 сутках; принимаем А=1. Тогда z = 16 : (5-1+1/2) = 3,5 раза. Потребное количество комплектов креплений а = m : z = 16 : 3.5 = 4,5 комплекта.

Задача 3. 13 Решить задачу 3.13 по данным, приведенным в таблице 3.15 и определить количество захваток и оборачиваемость креплений.

Таблица 3.15 – Основные параметры для определения количества захваток и оборачиваемость креплений.

Вариант	Длина, L, км	Глубина, Н, м	Ширина понизу, b, м	Угол внутреннего трения грунта, град.	Толщина доски, , мм	Общее время, Т, дни	Расчетное сопротивление, Rи, кг/см2
	4,2	2,0	1,20				150,0
	3,8	2,1	1,30				145,0
	4,0	2,2	1,25				155,0
	4,4	2,3	1,35				140,0
	3,9	1,9	1,15				155,0
	4,1	2,2	1,20				140,0
	4,3	2,1	1,25				150,0
	3,7	1,7	1,35				155,0
	4,1	2,2	1,20				140,0
	4,2	2,1	1,25				150,0
	3,8	2,2	1,30				145,0

Примечание: 1.Расчет крепления произвести из дощатых сплошных щитов размером 3,3 0,7 м и инвентарных распорных рам си­стемы НИИОМТП. Для щитов используются сос­новые доски II сорта. 2.Принимается расстояние между стойками l = 2,0 м. Дли­на консолей, а = 0,65 м.

РАЗДЕЛ 4 ЗАДАЧИ ПО КАМЕННОЙ КЛАДКЕ

Общие положения о каменной кладке

Примерно 60 % всех зданий строится с каменными стенами, ³/₄ объема которых занимает мелкоблочная кладка из местных стро­ительных материалов.

В большинстве регионов применение этих материалов является более экономичным, чем применение индустриальных конструк­ций. Распространению каменных материалов способствуют такие их ценные свойства, как привлекательный внешний вид, проч­ность, огнестойкость и т. п. Поэтому, несмотря на некоторые не­достатки каменных конструкций (слабая сопротивляемость растя­гивающим и изгибающим нагрузкам, большая масса, сравнительно высокая теплопроводность и трудоемкость выполнения из-за слож­ности механизации работ), объем каменного строительства неуклонно возрастает.

В настоящее время при возведении каменных построек в ос­новном применяют камни, удобные для укладки, т.е. массой 4... 5 кг, а в качестве вяжущего материала используют цемент. Кам­ням придают такую форму, которая обеспечивает более плотное их прилегание друг к другу — форму параллелепипеда.

Правильную разрезку кладки затем стали называть правилами разрезки. Были установлены три основных правила разрезки кладки.

Первое правило разрезки (рисунок 4.1) устанавливает, что кладку необходимо вести рядами, которые ограниченны плоскостями перпендикулярными к направлению действующих сил, или перпендикуляр к которым составил бы с направлением действующих сил угол α = (15 – 17) ⁰. Если сила (Р) будет приложена под меньшим углом к постели, то возникнет горизонтальной усилие стремящееся сдвинуть камень.Сдвигу препятствует сила f Р₁ = f Р Cosα, где f – коэффициент трения.

Положение камня устойчивое, когда Р₂ = Р Sinα ≤ f Р Cosα. После преобразования получим: tgα ≤ f. Однако, f = tgφ, где φ – угол трения камня по камню и равен (30 – 35)⁰. Тогда получим tgα ≤ tgφ . При малых углах тангенсы углов так же равны, отсюда имеем α ≤ f. Значить α должен быть меньше (30-35)⁰. С учетом коэффициента запаса α меньше (15- 17)⁰.

Второе правило разрезки (рисунок 4.2) предусматривает, что деле­ние кладки в пределах каждого ряда необходимо производить си­стемой плоскостей (вертикальных швов), перпендикулярных по­стелям камней. Поперечные швы должны быть перпендикулярны наружной поверхности кладки, а продольные швы — парал­лельны ей. В кладке не должно быть клиновидных камней (вклю­чений), которые под действием нагрузки могут раздвинуть со­седние камни и нарушить целостность конструкции.

Рисунок 4.1 – Схема расчета каменной кладки на сдвигающие и сжимающие усилия

Рисунок 4.2 – Схема расчета каменной кладки на сдвигающие нормальные усилия при наличии камней клиновидной формы

Третье правило разрезки (рисунок 4.3)устанавливает, что вертикаль­ные швы должны быть перекрыты (перевязаны) камнями через каждый ряд кладки, поскольку при совпадении вертикальных швов массив кладки представляет собой ряд столбов, находящихся под нагрузкой отдельно, что может привести к их расслоению и раз­рушению.

Рисунок 4.3 – Схема расчета каменной кладки на сдвигающие нормальные усилия при отсутствии перевязки вертикальных швов

Каменные конструкции выполняют из природных или искус­ственных камней. Природные каменные материалы могут исполь­зоваться после предварительной обработки: колотыми и тесан­ными из твердых пород камня (гранит, мрамор и др.), пиленны­ми из мягких пород (туф, ракушечник), а также в необработан­ном виде: из рваного и постелистого бутового камня (известня­ка, песчаника), окатанного булыжного камня и других горных пород.

Из искусственных каменных материалов наиболее широкое применение получили: кирпич глиняный полнотелый, пористый, пустотелый и пористо-пустотелый; кирпич глиняный лицевой и силикатный; пустотелые и поризованные керамические камни; мелкие бетонные и керамические блоки, масса которых допуска­ет их укладку вручную.

В зависимости от вида применяемых каменных материалов клад­ка носит названия: кирпичная (сплошная и облегченная), мелко­блочная (из керамических и бетонных камней), тесовая, бутовая и бутобетонная. Разновидностями сплошной кирпичной кладки являются армированная, декоративная и кладка с облицовкой.

Для повышения прочности кладки и придания ей монолитно­сти камни скрепляют между собой раствором. Прослойка раство­ра способствует равномерному распределению усилий между кам­нями и предохраняет кладку от продувания и проникания влаги. Зазоры между смежными камнями, заполненные раствором, на­зывают швами, а грани камней – постелью, ложком и тычком. Установлена средняя толщина горизонтальных швов 12 мм, вертикальных – 10 мм.

Ряд кладки, выложенный наружу ложками, является ложковым, а тычками – тычковым. Наружный и внутренний ряды на­зываются соответственно наружной и внутренней верстами, а за­полнение между ними забуткой. При перерывах в кладке оставля­ется прямая или убежистая штрабы.

Если проектом предусмотрено оштукатуривание стены, то для лучшего сцепления штукатурки и кладки швы снаружи не запол­няют раствором на глубину 10... 15 мм. Такая кладка носит назва­ние кладки впустошовку. Если штукатурка или облицовка кладки не предусмотрены, то кладку ведут под расшивку,т.е. с полным заполнением швов и последующей их обработкой (расшивкой).

Для кладки используют целые кирпичи, трехчетвертки, поло­винки и четвертки («собачки»). В связи с желательной укладкой в стену плашмя как можно большего количества целых кирпичей без расколки на части толщина кирпичной стены принимается кратной половине длины кирпича: '/₂ кирпича (120 мм), 1 кир­пич (250 мм), 1,5 кирпича (380 мм), 2 кирпича (510 мм), 2,5 кир­пича (640 мм), 3 кирпича (770 мм).

Стены могут быть сплошными (без проемов) и с проемами. Сплошные стены без конструктивных элементов и архитектурных деталей называются гладкими. Основные элемен­ты кладки показаны на рисунке 4.4

Рисунок 4.4 – Основные конструктивные элементы кладки:

1 – пилястры; 2 – конфорсы; 3 – пилоны; 4 – обрез кладки; 5 – поясок;

6 – сандрик; 7– карниз; 8 – борозды; 9 – ниши; 10 – простенки;

11 – притолоки; 12– бобышки

Кладку начинают и заканчивают тычковыми рядами, ведут с обязательной перевязкой вертикальных швов. С наружной сторо­ны стены ряды кладки могут чередоваться: тычковые с тычковы­ми; ложковые с ложковыми; ложковые с тычковыми; тычковые со смешанными и одни смешанные.

В зависимости от количества ложковых рядов, не перекрытых тычковыми, кладку называют одно-, двух-, трех- и пятирядной. Чем больше смежных ложковых рядов, тем кладка менее прочна и менее трудоемка, поскольку возрастает число продольных вер­тикальных рядов и уменьшается количество кирпичей, которые подвергаются колке на части.

Распространены следующие системы перевязки. Однорядная система подразумевает чередование тычко­вых рядов с ложковыми. Разновидности однорядной системы пе­ревязки следующие:

- цепная, при которой через ряд по высоте кладки располо­жение всех швов повторяется и образуется рисунок в виде це­почки;

- крестовая (русская) отличается от цепной тем, что швы лож­ковых рядов сдвигаются по вертикали; кладка отличается высо­кой прочностью. Название кладки связано с наличием рисунка на фасаде в виде креста; раньше была широко распространена в России;

- голландская (фламандская), при которой в ложковый ряд че­рез кирпич вставляется тычок. Кладка не отличается высокой проч­ностью, но имеет привлекательный внешний вид;

- готическая выполняется как голландская, но без тычковых ря­дов. Кладка с такой перевязкой относится к декоративным: свое название получила в связи с распространением при возведении католических храмов в период распространения в Европе готи­ческого стиля в архитектуре.

На разрезе стены при однорядной перевязке видно, что все вертикальные швы перевязаны (рисунок 4.5,к).

Двухрядная система перевязки имеет следующие разно­видности:

английская, отличающаяся высокой сопротивляемостью гори­зонтальным сдвигающим усилиям, применяется при возведении конструкций в местах возможных горизонтальных нагрузок, при кладке печей и труб;

с вставными тычками, характеризующаяся большой сопротив­ляемостью сдвигу; используется при кладке подпорных стенок и других сооружений, где кладка подвергается сдвигу.

Трехрядная система перевязки применяется при кладке стен из пустотелого кирпича, а также при возведении из полноте­лого кирпича узких простенков и столбов.

Пятирядная (американская) система перевязки наи­более широко распространена, поскольку при этой системе укла­дывается большее количество целых (неколотых) кирпичей. По этой причине повышается производительность труда, но проч­ность кладки оказывается ниже из-за наличия сквозных продоль­ных вертикальных швов на пять рядов кладки.

Рисунок 4.5 – Распространенные системы перевязки кладки:

а, б, в, г – однорядная: соответственно цепная, крестовая, голландская, готи­ческая; д – двухрядная английская; е – то же, с вставными тычками;

ж – трехрядная; з – пятирядная; и – разрез стены при пятирядной перевязке; к – разрез стены при однорядной перевязке; л, м – раскладка кирпичей в углах при однорядной и пятирядной системах перевязки;

1… 6 – номера рядов

Сейчас кирпич, боковые грани которого офактурены под ке­рамическую плитку, вновь стал применяться в качестве каменно­го материала для наружной (фасадной) версты. Для основного массива кладки рекомендуется применять пустотелый глиняный поризованный кирпич пустотностью до 42 % и крупноформатные поризованные керамические камни пустотностью до 51 %.

Выпускаются кирпич и камни марок М50, М75, М100, М125, М150, М175, М200, М250, М300. Кирпичи с горизонтальным рас­положением пустот могут быть марок М25, М35, М50. Допускае­мые отклонения в размерах кирпича по длине ±(5...7) мм, по ширине ±(4...5) мм, по высоте +(3...4) мм.

Прочность каменных конструкций существенно зависит от проч­ности кладки:

(4.1)

где А — коэффициент, зависящий от прочности камня; R_p — проч­ность раствора; R_K — прочность камня.

Даже если прочность раствора равна нулю, кладка имеет проч­ность 33 % максимальной прочности.