Производство земляных работ зимой, особенности строительства в зимний период. Способы прогрева мерзлого грунта и их особенности
Выполнение земляных работ в зимний период позволяет продлить строительный сезон и вместе с тем повысить темпы строительства и обеспечить равномерное использование рабочих средств механизации. При этом производство работ в этих условиях не должно приводить к снижению качества, устойчивости и долговечности.
Земляные работы, по общим правилам, ведутся следующим образом. Для облегчения производства земляных работ зимой, разрабатываемый грунт необходимо подготовить осенью до первых заморозков. В это время необходимо выполнить комплекс подготовительных мероприятий, с целью предохранение грунта от промерзания. В этот комплекс мероприятий входит две процедуры: рыхление и тепловая изоляция поверхности почвы.
Первый этап предохранительных мероприятий (рыхление грунта) выполняется механическим методом – отведенный под земляные работы участок распахивают плугами на глубину не менее 30-40 сантиметров. Цель подобного действия заключается в насыщении плотного слоя почвы воздухом, что повышает тепловую инерцию грунта. При этом происходит нарушение грунтовых капилляров, способствующих глубокому промерзанию грунта. Верхний слой земли толщиной семь сантиметров необходимо забороновать для устройства снегозадержания, которое предохраняет грунт от замерзания при температуре не ниже -3º.
Второй этап предохранительных мероприятий состоит в обустройстве внешнего слоя теплозащиты. В качестве такового используют любой доступный материал с теплоизолирующими свойствами: опилки, сухие листья, шлак, бывшую в употреблении минеральную вату и прочее. Неплохим дополнением к искусственной преграде будет и слой естественного теплоизолятора – снега.
После завершения предварительного этапа строительный участок остается в таком законсервированном состоянии до момента начала земляных работ.
Следует отметить, что ни рыхление, ни утепление почвы не дает 100-процентой защиты от промерзания грунта, поэтому земляные работы в зимнее время начинаются с удаления слоя утеплителя, оттаивания и повторного рыхления почвы. И только после этого можно приступить к извлечению грунта. Причем, подобные манипуляции следует проделывать только на том участке, который предполагается обработать именно в сегодняшнюю рабочую смену.
Значительная часть территории России расположена в зонах с продолжительной и суровой зимой. Однако строительство в Москве и Московской области ведется круглый год, в связи с чем примерно 20% общего объема земляных работ приходится выполнять при мерзлом состоянии грунта.
В зависимости от конкретных местных условий разработку грунта в зимних условиях осуществляют также следующими методами:
1) предохранением грунта от промерзания и последующей разработкой обычными методами,
2) разработкой грунта в мерзлом состоянии с
предварительным рыхлением,
3) непосредственной разработкой мерзлого грунта,
4) оттаиванием грунта и его разработкой в талом состоянии.
Рыхление мерзлого грунта с последующей разработкой землеройными или землеройно-транспортными машинами осуществляют
механическим или взрывным методом.
Механическое рыхление базируется на резании, раскалывании или сколе слоя мерзлого грунта статическим или динамическим
воздействием.
Статическое воздействие основано на воздействии непрерывного режущего усилия в мерзлом грунте специальным рабочим органом-
зубом. Для этого применяют специальное оборудование, у которого непрерывное режущее усилие зуба создается за счет тягового усилия
трактора-тягача. Возможность послойной разработки мерзлого фунта делает статические рыхлители применимыми независимо от глубины
промерзания.
Динамическое воздействие основано на создании ударных нагрузок на открытой поверхности мерзлого грунта. Этим способом грунт
разрушают молотами свободного падения (рыхление раскалыванием) либо молотами направленного действия (рыхление сколом). Молот
свободного падения может иметь форму шара или клина массой до 5 т, подвешиваемого на канате к стреле экскаватора и сбрасываемого с
высоты 5…8 м. В качестве молота направленного действия широко применяют дизель-молоты, используемые в качестве навесного
оборудования к экскаватору или трактору. Дизель-молоты позволяют разрушать грунт на глубину до 1,3 м.
Рыхление взрывом допускается применять когда глубина промерзания 0,4…1,5м или же при работе с большим объемом мерзлого грунта.
Данный метод преимущественно используют в незастроенных участках, а если участок все же застроен, то применяют укрытия и
локализаторы взрыва в виде тяжелых пригрузочных плит.
Непосредственная разработка мерзлого грунта (без предварительного рыхления) ведется двумя методами: блочным и механическим.
Блочный метод основан на том, что монолитность мерзлого грунта нарушается с помощью разрезки его на блоки, которые затем удаляют
экскаватором, строительным краном или трактором. Разрезку на блоки выполняют по взаимно перпендикулярным направлениям. При
малой глубине промерзания (до 0,6 м) достаточно сделать только продольные прорезы.
Глубина прорезаемых в мерзлом слое щелей должна составлять примерно 80% от глубины промерзания.
Механический метод основан на воздействии на массив мерзлого грунта. Реализуется применением как обычных землеройных и
землеройно-транспортных машин, так и машин, оборудованных специальными рабочими органами
В последнее время стали большое применение нашли одноковшовые экскаваторы со специальным оборудованием – ковшей с
виброударными активными зубьями и ковшей с захватно-клещевым устройством
Оттаивание мерзлого грунта осуществляют тепловыми способами, характеризующимися значительной трудоемкостью и энергоемкостью.
Поэтому тепловые способы применяют только в тех случаях, когда другие эффективные методы недопустимы или неприемлемы.
Способы оттаивания мерзлого грунта классифицируют как по направлению распространения теплоты в грунте так и по применяемому
виду теплоносителя.
По направлению распространения теплоты: 1) Способ оттаивания сверху вниз. Является самым простым, но самым неэффективным, так
как источник теплоты находится в холодной зоне, вследствие чего происходят большие потери тепла. 2) Способ оттаивания грунта снизу
вверх. Достаточно трудоемкий, но исключает большие потери тепла. 3) При оттаивании грунта по радиальному направлению теплота
распространяется в грунте радиально от вертикально установленных прогревающих элементов, погруженных в грунт.
По виду теплоносителя различают: 1) Огневой способ применяют для отрывки зимой небольших траншей. Для этого экономично
использовать звеньевой агрегат, состоящий из ряда металлических коробов в форме разрезанных по продольной оси усеченных конусов,
из которых собирают сплошную галерею. 2) Способ электро-прогрева основан на пропуске тока через разогреваемый материал, в
результате чего он приобретает положительную температуру. Основными техническими средствами являются горизонтальные или
вертикальные электроды. 3) Паровое оттаивание основано на впуске пара в грунт, для чего применяют специальные технические
средства - паровые иглы, представляющие собой металлическую трубу длиной до 2 м, диаметром 25…50 мм. 4) Оттаивание
электронагревателями основано на передаче теплоты мерзлому грунту контактным способом. В качестве основных технических средств
применяют электроиглы, представляющие собой стальные трубы длиной около 1 м, диаметром до 50…60 мм.
Целесообразность выполнения земляных работ в зимних условиях в большинстве случаев оценивается с экономической точки, за
исключением случаев когда строительство ведется в северных районах. И главным критерием сооружения в зимний период является
экономический показатель Эс, выраженный в процентах общей сметной стоимости строительно-монтажных работ.
где =0,4Аm (А - стоимость эксплуатации землеройных машин, % общей сметной стоимости сооружения; m - сокращение срока
строительства в долях единицы от общего нормативного срока); =0,87m- снижение себестоимости строительства за счет экономии
условно-постоянной части накладных расходов, % общей стоимости сооружения; =4,3а - снижение накладных расходов при
уменьшении численности рабочих (а - сокращение численности рабочих в долях единицы); η- зимнее удорожание, % сметной
стоимости строительно-монтажных работ, определяемое расчетом в соответствии с проектом производства работ
Предохранение грунта от промерзания с последующей разработкой обычными методами;
Оттаивание грунта с разработкой его в талом состоянии;
Разработка грунта в мерзлом состоянии с предварительным рыхлением;
Непосредственная разработка мерзлого грунта.
В зимнее время без предварительной подготовки может разрабатываться грунт, промерзший на глубину до: 0,1 м – скреперами и бульдозерами; 0,15 м – экскаваторами-драглайнами; 0,25 м – экскаваторами, оборудованными прямой лопатой, с ковшами вместимостью 0,5...0,65 м 3 ; 0,4 м - то же, но более мощными экскаваторами. В остальных случаях грунт до разработки должен быть предварительно подготовлен.
Предохранение от промерзания заключается в предварительной обработке или утеплении грунта до замерзания теплоизоляционными материалами: листвой, торфом, опилками, шлаком и специальной пеной. Для этого грунт после отвода поверхностных вод можно разрыхлять или вспахивать с боронованием на глубину до 0,35 м, закрывать местными теплоизоляционными материалами, а также устраивать снегозадержание.
Оттаивание грунта может осуществляться сверху вниз, снизу вверх и по горизонтальному направлению - радиально от нагревателя. Данный способ является дорогим и трудоемким, поэтому его применяют при небольших объемах земляных работ.
В практике используют несколько способов оттаивания грунта. Наиболее простым (но дорогостоящим) является огневой способ, при котором грунт оттаивает сверху вниз благодаря сжиганию на поверхности замерзшего грунта под колпаком твердого или жидкого топлива.
Также по направлению сверху вниз грунт можно отогревать горизонтальными электродами. Для создания токопроводящих условий поверхность грунта покрывают опилками, смоченными в солевом растворе. Затем отогретый грунт становится проводником тока, а опилки способствуют сохранению тепла.
Прогревание мерзлого грунта электротоком снизу вверх можно осуществить, если имеется возможность погрузить вертикальные электроды ниже уровня промерзания грунта.
Примером отогревания грунта в радиальном направлении может служить оттаивание паровыми иглами или электронагревателями. В первом случае пар, проходя между двумя трубами отдает тепло грунту через наружную трубу; во втором - внутри трубы располагают нагревательный элемент, который нагревает поверхность трубы.
Рыхление грунта может осуществляться взрывным или механическим способом. Взрывной способ наиболее эффективен при глубине промерзания свыше 0,8 м. Для этого в грунте пробуривают отверстия - шпуры или нарезают щели, в которые закладываются заряды взрывчатого вещества. Рыхление обычно ведется с использованием шпуровых и щелевых зарядов и, реже- скважинных (при h ПР > 2 м), котловых и мелкокамерных зарядов.
Разрабатываемую выемку делят на захватки: на первой разрыхленный грунт разрабатывают экскаватором; на второй, где грунт также разрыхлен, работы согласно условиям безопасности не производят; на третьей ведут буровые и взрывные работы.
Способы разработки грунтов в зимнее время, их характеристика и условия применения
Разработка грунтов в зимнее время (без предварительного рыхления) может осуществляться двумя способами – блочным и механическим.
Блочный способ применяется для больших площадей. Он основан на том, что монолитность мерзлого грунта нарушается за счет разрезки его баровой машиной при взаимно-перпендикулярных проходках на блоки шириной 0,6…1,0 м. При малой глубине промерзания (до 0,6 м) достаточно сделать только продольные разрезы.
Баровые машины позволяют прорезать в мерзлом грунте щели глубиной 1,2…2,5 м. Расстояние между барами принимается в зависимости от грунта через 60…100 см. Разработку производят экскаваторами «обратная лопата» с ковшом большой вместимости или глыбы грунта волоком перемещают с разрабатываемой площадки в отвал бульдозерами или тракторами.
При устройстве небольших котлованов и траншей, при работе в стесненных условиях с погрузкой грунта в автотранспорт или укладкой в отвал используют мелкоблочный метод разработки мерзлых грунтов. Для погрузки мерзлых блоков и разработки талого грунта применяют экскаваторы, оборудованные прямой лопатой с ковшом вместимостью 0,65 м 3 и более.
При глубине промерзания до 1,3 м траншеи и котлованы можно разрабатывать обратными лопатами с ковшом вместимостью 0,65 м 3 и выше при условии нарезания полос через 0,4...0,5 м баровой машиной. При ширине траншеи до 2 м достаточно сделать только продольные прорези вдоль траншеи; при большей ширине выполняют и поперечные прорези под углом 30°, нарезая при этом блоки в виде ромбов. При рытье котлованов полная площадь разрабатывается несколькими торцовыми проходками.
Для разработки небольших котлованов в мерзлых грунтах, а также вблизи зданий, когда недопустимо сотрясение грунта, неизбежное при ударном и виброударном рыхлении мерзлого грунта рекомендуется применять к рупноблочный метод. При этом методе блоки массой 4...10 т отрываются и сдвигаются от талого основания бульдозерами, затем погружаются кранами в самосвалы. Подъем блоков можно производить через несколько смен после нарезания щелей, поскольку разрыв между блоками не смерзается.
Выемку разбивают на две захватки: на первой нарезают щели однобаровой машиной, на второй убирают краном блоки и подчищают бульдозером основание.
Механический способ основан на силовом, а чаще в сочетании с ударным или вибрационным воздействии на массив мерзлого грунта. Для разработки грунта используются обычные землеройные и землеройно-транспортные машины и машины со специально разработанными для зимних условий рабочими органами.
Разработка мерзлых грунтов машинами ударного действия. При разработке котлована комплект машин может состоять из рыхлителя МНС-2 (машины непрерывного скола) и гидравлического экскаватора , оборудованного обратной лопатой с ковшом вместимостью 0,5 м 3 . Рабочие органы рыхлителя в виде двух клиньев при ударах по ним падающих грузов, двигающихся по направляющим, заглубляются в мерзлый грунт на глубину до 1,1 м, скалывая его. Ширина разрабатываемой полосы - от 1,5 до 3 м.
Имея задел разрыхленного грунта не менее чем на половину смены, включается в работу экскаватор, двигаясь вслед за машиной МНС-2 с постоянным интервалом, что исключает смерзание разрыхленного грунта.
Грунт можно рыхлить дизель-молотом с клином, закрепленным на экскаваторе, с последующей разработкой грунта экскаватором, оборудованным прямой или обратной лопатой.
При сравнительно небольших по объему котлованах и траншеях грунт рыхлят с помощью навесного оборудования одноковшовым экскаватором в виде молотов свободного падения (шар-молот, клин-молот). Производительность экскаватора, работающего с клин- или шар-молотом, не превышает 60 м 3 мерзлого грунта за смену. Недостатком рыхления грунтов этим способом является чрезмерный расход стальных канатов и повышенные нежелательные динамические нагрузки на узлы экскаватора.
Грунт также рыхлят гидромолотами , навешиваемыми в качестве сменного рабочего оборудования на гидравлические экскаваторы. Ими можно рыхлить не только мерзлые, но и скальные грунты, асфальтобетонные покрытия и т. п. Мерзлый грунт разрабатывается слоями толщиной 40...60 см при производительности от 5...6 до 20...25 м 3 /ч.
Разработка мерзлых грунтов статическими рыхлителями . Применяют сменное навесное оборудование ЭРМГ-1 и ЭРМГ-2 (экскаваторные рыхлители мерзлого грунта одностороннего и двухстороннего действия). Это гидравлические механизмы захватно-клещевого типа статического действия, которые позволяют совместить операции по рыхлению мерзлого грунта с обычной экскавацией.
Отсутствие ударно-динамических воздействий на грунт позволяет использовать гидравлические экскаваторы с навесным оборудованием в самых разнообразных условиях, практически охватывая всю номенклатуру земляных работ, специфичных для строительства в стесненных условиях, вблизи действующих подземных коммуникаций, наземных строений и предметов (деревья, столбы и т. п.).
Достоинства их: высокая эффективность при разработке мерзлых грунтов, на выполнении специальных работ: разрушении монолитных бетонных сооружений и асфальтобетонных дорожных покрытий, снятии и укладке дорожных плит, разборке конструкций старых зданий при сносе, выполнении погрузочно-разгрузочных работ с длинномерными и другими грузами (бревна, трубы и т. д.) без применения дополнительных грузоподъемных средств.
При обратной засыпке котлованов и траншей в зимнее время пазухи между стенками котлована и возведенными в нем фундаментами надо засыпать грунтом, содержащим мерзлых комьев не более 15 % общего объема засыпки; засыпать пазухи внутри зданий мерзлым грунтом запрещается.
При прокладке трубопроводов траншею на 0,5 м выше трубы засыпают талым грунтом. Верхнюю часть траншеи можно засыпать мерзлым грунтом, не содержащим комьев размерами более 5...10 см. Для засыпки траншей в пределах проездов с твердым покрытием применять мерзлый грунт нельзя.
Особенности строительства в зимний период, проведение земляных работ в зимних условиях
Необходимость выполнения строительных работ в зимних условиях обосновывается проектом (СНиП Ш-8-76). Мерзлые грунты разрабатывают без предварительного рыхления: при толщине мерзлого слоя до 0,25 м одноковшовыми экскаваторами вместимостью ковша 0,5--0,65 м3 и вместимостью ковша 1-1,25 м3 - при толщине промерзшего слоя 0,4 м. Если толщина промерзшего грунта превышает 0,4 м, его следует предварительно подготовить к разработке путем рыхления или оттаивания.
Иногда целесообразно заранее принять меры, исключающие промерзание грунта. Для этого до наступления морозов его предварительно рыхлят при помощи вспашки и боронования, после чего грунт засоляют. В ряде случаев грунт покрывают теплоизоляционным материалом или осуществляют снегозадержание. Все перечисленные мероприятия производят до наступления устойчивых отрицательных температур. Если строительные работы намечено выполнять в первой на глубину 15 см, производят засоление, снегозадержание и утепление.
При производстве работ в более поздний зимний период рекомендуется глубокое рыхление и перелопачивание грунта экскаваторами на глубину промерзания, но не более 1,5 м.
Для задержания снега устраивают валики из грунта или снега, а также устанавливают щиты. Расстояние между валиками и линиями щитов должно быть равно -10-15-кратной высоте щита или валика.
Утепляют грунт соломкой, опилками, сухим торфом, шлаком, а также синтетическими покрытиями. Толщину утепляющего слоя определяют расчетом.
Супесчаные грунты засоляют за 5-15 сут до наступления морозов; суглинистых - за 20-25 сут.
Расход соли определяют с учетом нижеприведенных данных:
Средняя влажность грунта в пределах
глубины промерзания, %.................................. 8 10 12 14 16
Расход поваренной соли, кг/м2 ............................ 10 12 14 15 !6
Запрещено засолять участки грунта, расположенные ближе 10 м от металлических и железобетонных сооружений. Запрещено использовать засоленные грунты для обратных засыпок. При разработке траншей мерзлый грунт рыхлят машинами ударного действия, дисковыми экскаваторами, фрезерными, баровыми и другими машинами. При разработке котлованов применяют те же машины, при этом фрезерными и баровыми машинами мерзлые грунты разрезают на блоки.
Взрывной способ рыхления мерзлых грунтов применяют иа незастроенных площадках при глубине промерзания более 1,4 м. Взрывные работы должна выполнять специализированная организация, строго соблюдая при этом правила техники безопасности. Размеры кусков разрыхленного грунта не должны превышать: для одноковшовых экскаваторов - 2/3 ширины ковша; для экскаваторов типа драглайн- 1/2 ширины ковша; для скреперов - 2/3 наибольшей глубины копания; для бульдозеров и грейдеров - 1/2 высоты отвала; для автосамосвалов - 1/2 ширины кузова и 1/2 паспортной грузоподъемности.
Оттаивают грунты в труднодоступных местах, в стесненных условиях и при объемах работ до 50 м3. При глубине промерзания свыше 0,4 м грунты оттаивают путем установки нагревателей в толщу грунта.
Для предохранения от вторичного смерзания грунта следует удалять утеплители на небольшой площади - не больше, чем на дневную выработку. При вынужденных перерывах в работе раскрытый забой следует утеплить. Основание под фундаменты или под трубы зачищают непосредственно перед укладкой труб. Перед наступлением оттепелей промерзшие вертикальные стены котлованов и траншей подлежат укреплению.
При засыпке траншей и пазух следует учитывать, что количество мерзлого грунта в засыпке не должно превышать 15%. Засыпка мерзлым грунтом пазух внутри здания запрещена. Поверх уложенных труб засыпают слой талого грунта на высоту не менее 0,2 м. Траншеи, пересекающие дороги и проезды, засыпают немедленно после укладки коммуникаций талым песчаным грунтом или щебнем и тщательно утрамбовывают. В земляных сооружениях не должно быть снега или льда.
Общее количество мерзлого грунта в насыпях не должно превышать: 20% - в дорожных насыпях; 30% - в железнодорожных насыпях; 60% - в насыпях при планировке площадей. Несвязные грунты в зимнее время укладывают в настилы обычным способом, без ограничений. Связные грунты зимой отсыпают только в талом состоянии?
Специальные насыпи (гидротехнические, дорожные и пр.) выполняют в зимнее время по специальным разделам норм и правил (СНиП).
Разработка грунта в зимних условиях.
В строительстве из общего объема земляных работ от 20 до 25% выполняется в зимних условиях, при этом доля грунта, разрабатываемого в мерзлом состоянии, остается постоянной - 10-15% с возрастанием из года в год абсолютного значения этого объема.
В практике строительства возникает необходимость разрабатывать грунты, находящиеся в мерзлом состоянии только в зимний период года, т.е. грунты сезонного промерзания, или в течение всего года, т.е. вечномерзлые грунты.
Разработка вечномерзлых грунтов может производиться теми же способами, что и мерзлых грунтов сезонного промерзания. Однако при возведении земляных сооружений в условиях вечной мерзлоты необходимо учитывать специфические особенности геотермического режима вечномерзлых грунтов и изменение свойств грунтов при его нарушении.
При отрицательных температурах замерзание воды, содержащейся в порах грунта, существенно изменяет строительно-технологические свойства нескальных грунтов. В мерзлых грунтах значительно увеличивается механическая прочность, в связи с чем, разработка их землеройными машинами затрудняется или вообще невозможна без подготовки.
Глубина промерзания зависит от температуры воздуха, длительности воздействия отрицательных температур, рода грунта и др.
Земляные работы зимой осуществляют следующими тремя методами. При первом методе предусматривают предварительную подготовку грунтов с последующей их разработкой обычными методами; при втором - мерзлые грунты нарезают предварительно на блоки; при третьем методе грунты разрабатывают без их предварительной подготовки. Предварительная подготовка грунта для разработки зимой заключается в предохранении его от промерзания, оттаивании мерзлого грунта, предварительном рыхлении мерзлого грунта.
Предохранение грунта от промерзания . Известно, что наличие на дневной по-
верхности термоизоляционного слоя уменьшает как период, так и глубину промерзания. После отвода поверхностных вод можно устроить термоизоляционный слой одним из следующих способов.
Рыхление грунта . При вспахивании и бороновании грунта на участке, предназначенном для разработки зимой, его верхний слои приобретает рыхлую структуру с замкнутыми пустотами, заполненными воздухом, обладающую достаточными термоизоляционными свойствами. Вспашку ведут тракторными плугами или рыхлителями на глубину 20...35 см с последующим боронованием на глубину 15...20 см в одном направлении (или в перекрестных направлениях), что повышает термоизоляционный эффект на 18...30%.. Снеговой покров на утепляемой площади можно искусственно увеличить, сгребая снег бульдозерами, автогрейдерами или путем снегозадержания с помощью щитов. Чаще всего механическое рыхление применяют для утепления значительных по площади участков, Защита поверхности грунта термоизоляционными материалами. Утепляющий слой может быть также выполнен из дешевых местных материалов: древесных листьев, сухого мха, торфа, соломенных матов, шлака, стружек и опилок. Поверхностное утепление грунта применяют в основном для небольших по площади выемок.
Пропитку грунта солевыми растворами ведут следующим образом. На поверхно-
сти песчаного и супесчаного грунта рассыпают заданное количество соли (хлористого кальция 0,5 кг/м2 , хлористого натрия 1 кг/м2 ), после чего грунт вспахивают. В грунтах с низкой фильтрующей способностью (глины, тяжелые суглинки) пробуривают скважины, в которые под давлением нагнетают раствор соли. Из-за высокой трудоемкости и стоимости таких работ они являются, как правило, недостаточно эффективными.
Способы оттаивания мерзлого грунта можно классифицировать как по направлению распространения тепла в грунте, так и по применяемому виду теплоносителя. По первому признаку можно выделить следующие три способа оттаивания грунта.
Оттаивание грунта сверху вниз . Этот способ - наименее эффективный, так как источник тепла в этом случае размещается в зоне холодного воздуха, что вызывает большие потери тепла. В то же время этот способ достаточно легко и просто осуществить, он требует минимальных подготовительных работ, в связи с чем, часто применяется на практике.
Оттаивание грунта снизу вверх требует минимального расхода энергии, так как оно происходит под защитой земляной корки и теплопотери при этом практически исключаются. Главный недостаток этого способа - необходимость выполнения трудоемких подготовительных операций, что ограничивает область его применения.
При оттаивании грунта по радиальному направлениютепло распространяется в грунте радиально от вертикально установленных прогревающих элементов, погруженных в грунт. Этот способ по экономическим показателям занимает промежуточное положение между двумя ранее описанными, а для своего осуществления требует также значительных подготовительных работ.
По виду теплоносителя различают следующие способы оттаивания мерзлых грун-
Огневой способ . Для отрывки зимой небольших траншей применяют установку (рис. 1а), состоящую из ряда металлических коробов в форме разрезанных по продольной оси усеченных конусов, из которых собирают сплошную галерею. Первый из коробов представляет собой камеру сгорания, в которой сжигают твердое или жидкое топливо. Вытяжная труба последнего короба обеспечивает тягу, благодаря которой продукты сгорания проходят вдоль галереи и прогревают расположенный под ней грунт. Для уменьшения теплопотерь галерею обсыпают слоем талого грунта или шлака. Полосу оттаявшего грунта засыпают опилками, а дальнейшее оттаивание вглубь продолжается за счет аккумулированного в грунте тепла.
Рисунок 1. Схемы оттаивания грунта огневым способом и паровыми иглами: а
Огневым способом; б - паровыми иглами; 1 - камера сгорания; 2 - вытяжная труба; 3 - обсыпка талым грунтом: 4 - паропровод; 5 - паровой вентиль; 6 - паровая игла; 7 - пробуренная скважина; 8 - колпак.
Оттаивание в тепляках и отражательными печами. Тепляки - это открытые снизу короба с утепленными стенками и крышей, внутри которых размещают спирали накаливания, водяные или паровые батареи, подвешенные к крышке короба. Отражательные печи имеют сверху криволинейную поверхность, в фокусе которой располагается спираль накаливания или излучатель инфракрасных лучей, при этом энергия расходуется более экономично, а оттаивание грунта происходит более интенсивно. Тепляки и отражательные печи питаются от электросети 220 или 380 В. Расход энергии на 1 м 3 оттаянного грунта (в зависимости от его вида, влажности и температуры) колеблется в пределах 100...300 МДж, при этом внутри тепляка поддерживается температура 50...60°С.
При оттаивании грунта горизонтальными электродамипо поверхности грун-
та укладывают электроды из полосовой или круглой стали, концы которых отгибают на 15...20 см для подключения к проводам (рис. 2а). Поверхность отогреваемого участка покрывают слоем опилок толщиной 15...20 см, который смачивают солевым раствором с концентрацией 0,2...0,5% с таким расчетом, чтобы масса раствора была не менее массы
опилок. Вначале смоченные опилки представляют собой токопроводящие элементы, так как замерзающий грунт не является проводником. Под воздействием тепла, генерируемого в слое опилок, оттаивает верхний слой грунта, который превращается в проводник тока от электрода к электроду. После этого под воздействием тепла начинает оттаивать верхний слой грунта, а затем - нижние слои. В дальнейшем опилочный слой защищает отогреваемый участок от потерь тепла в атмосферу, для чего слой опилок покрывают полиэтиленовой пленкой или щитами.
Рисунок 2. Схема оттаивания грунта электропрогревом: а - горизонтальными электродами; б - вертикальными электродами; 1 - трехфазная электрическая сеть; 2 - горизонтальные полосовые электроды; 3
Слой опилок, смоченных соленой водой; 4 - слой толя или рубероида; 5 - стержневой электрод.
Этот способ используют при глубине промерзания грунта до 0,7 м, расход электроэнергии на отогрев 1 м3 грунта колеблется от 150 до 300 МДж, температура в опилках не превышает 80... 90 °С.
Оттаивание грунта вертикальными электродами. Электроды представляют собой стержни из арматурной стали с заостренными нижними концами. При глубине промерзания более 0,7 м их забивают в грунт в шахматном порядке на глубину 20 ...25 см, а по мере оттаивания верхних слоев грунта погружают на большую глубину. При оттаивании сверху вниз необходимо систематически убирать снег и устраивать опилочную засыпку, увлажненную солевым раствором. Режим прогрева при стержневых электродах такой же, как и при полосовых, причем во время отключения электроэнергии электроды следует дополнительно заглублять на 1,3... 1,5 м. После отключения электроэнергии в течение 1 ... 2 сут глубина оттаивания продолжает увеличиваться за счет аккумулированного в грунте тепла под защитой опилочного слоя. Расход энергии при этом способе несколько ниже, чем при способе горизонтальных электродов.
Применяя прогрев снизу вверх, до начала прогрева необходимо бурить скважины в шахматном порядке на глубину, превышающую на 15...20 см толщину мерзлого грунта. Расход энергии при отогреве грунта снизу вверх существенно снижается (50... 150 МДж на 1 м3 ), применять слой опилок не требуется. При заглублении стержневых электродов в подстилающий талый грунтуй одновременном устройстве на дневной поверхности опилочной засыпки, пропитанной солевым раствором, оттаивание происходит сверху вниз и снизу вверх. При этом трудоемкость подготовительных работ значительно выше, чем в первых двух вариантах. Применяют этот способ, только когда необходимо экстренно оттаять грунт.
Оттаивание грунта сверху вниз с помощью паровых или водяных регистров. Реги-
стры укладывают непосредственно на расчищенную от снега поверхность отогреваемого участка и закрывают теплоизоляционным слоем из опилок, песка или талого грунта для уменьшения теплопотерь в пространстве. Регистрами оттаивают грунт при толщине мерзлой корки до 0,8 м. Этот способ целесообразен при наличии источников пара или горячей воды, так как монтаж для этой цели специальной котельной установки обычно оказывается слишком дорогим.
Оттаивание грунта паровыми иглами является одним из эффективных средств, но вызывает излишнее увлажнение грунта и повышенный расход тепла. Паровая игла - это металлическая труба длиной 1,5... 2 м, диаметром 25...50мм. На нижнюю часть трубы насажен наконечник с отверстиями диаметром 2...3 мм. Иглы соединяют с паропроводом
гибкими резиновыми рукавами с кранами (рис. 1б). Иглы заглубляют в скважины, предварительно пробуренные на глубину 0,7 глубины оттаивания. Скважины закрывают защитными колпаками из дерева, обшитого кровельной сталью с отверстием, снабженным сальником для пропуска паровой иглы. Пар подают под давлением 0,06... 0,07 МПа. После установки аккумулирующих колпаков прогреваемую поверхность покрывают слоем термоизолирующего материала (например, опилок). Для экономии пара режим прогрева иглами должен быть прерывистым (например, 1 ч - подача пара, 1 ч - перерыв) с поочередной подачей пара в параллельные группы игл. Иглы располагают в шахматном порядке с расстоянием между их центрами 1 ... 1,5 м. Расход пара на 1 м3 грунта 50... 100 кг. Этот способ требует большего расхода тепла, чем способ глубинных электродов, примерно в 2 раза.
При оттаивании грунта водяными циркуляционными игламив качестве теплоно-
сителя используют воду, нагретую до 50...60°С и циркулирующую по замкнутой системе «котел - разводящие трубы - водяные иглы - обратные трубы - котел». Такая схема обеспечивает наиболее полное использование тепловой энергии. Иглы устанавливают в пробуренные для них скважины. Водяная игла состоит из двух коаксиальных труб, из которых внутренняя имеет внизу открытый, а наружная - заостренный концы. Горячая вода входит в иглу по внутренней трубе, а через нижнее ее отверстие поступает в наружную трубу, по которой поднимается к выходному патрубку, откуда по соединительной трубе идет к следующей игле. Иглы соединяют последовательно по нескольку штук в группы, которые включают параллельно между разводящими и обратными трубопроводами. Оттаивание грунта иглами, в которых циркулирует горячая вода, происходит значительно медленнее, чем вокруг паровых игл. После беспрерывной работы водяных игл в течение 1,5... 2,5 сут их извлекают из грунта, поверхность его утепляют, после чего в течение 1 ...
1,5 сут происходит расширение талых зон за счет аккумулированного тепла. Иглы располагают в шахматном порядке на расстоянии 0,75... 1,25 м между собой и применяют при глубинах промерзания от 1 метра и более.
Оттаивание грунта ТЭНами (электроиглами). ТЭНы представляют собой сталь-
ные трубы длиной около 1 м диаметром до 50 ... 60 мм, которые вставляют в предварительно пробуренные в шахматном порядке скважины.
Внутри игл монтируют нагревательный элемент, изолированный от корпуса трубы. Пространство между нагревательным элементом и стенками иглы заполняют жидкими или твердыми материалами, которые являются диэлектриками, но в то же время хорошо передают и сохраняют тепло. Интенсивность оттаивания грунта зависит от температуры поверхности электроигл, в связи с чем наиболее экономичной является температура 60...80°С, но расход тепла при этом по сравнению с глубинными электродами выше в 1,6...
1,8 раза.
При оттаивании грунта солевыми растворамина поверхности предварительно пробуривают скважины на глубину, подлежащую оттаиванию. Скважины диаметром 0,3...0,4 м располагают в шахматном порядке с шагом около 1 м. В них наливают подогретый до 80...100°С солевой раствор, которым скважины пополняют в течение 3...5 дней. В песчаных грунтах достаточна скважина глубиной 15...20 см, так как раствор проникает вглубь за счет дисперсности грунта. Оттаявшие таким образом грунты после их разработки вторично не смерзаются.
Способ послойного оттаивания вечномерзлых грунтовнаиболее целесообразен в весенний период, когда для этих целей можно использовать теплый воздух окружающей атмосферы, теплые дождевые воды, солнечную радиацию. Верхний оттаивающий слой грунта можно удалять любыми землеройно-транспортными или планировочными машинами, обнажая лежащий под ним мерзлый слой, который в свою очередь оттаивает под действием перечисленных выше факторов. Грунт срезают на границе между мерзлым и талым слоями, где грунт имеет ослабленную структуру, что создает благоприятные условия для работы машин. В районах вечной мерзлоты этот способ - один из самых эконо-
мичных и распространенных для разработки грунта при планировке выемок, траншей и т. п.
Способ послойного вымораживания водоносных грунтовпредусматривает разра-
ботку до наступления морозов верхнего слоя грунта, лежащего выше горизонта грунтовых вод. Когда под действием холодного атмосферного воздуха расчетная глубина промерзания достигает 40...50 см, приступают к разработке грунта в выемке в мерзлом состоянии. Разработку ведут отдельными участками, между которыми оставляют перемычки из мерзлого грунта толщиной около 0,5 м на глубину около 50 % толщины промерзшего грунта. Перемычки предназначены для изоляции отдельных участков от соседних в случае прорыва грунтовой воды. Фронт разработки перемещается от одной секции к другой, в то время как на уже разработанных секциях глубина промерзания возрастает, после чего разработку их повторяют. Попеременные вымораживание и разработку участков повторяют до достижения проектного уровня, после чего защитные перемычки снимают. Такой способ позволяет разрабатывать при мерзлом состоянии грунта (без крепления и водоотлива) выемки, значительно превосходящие по своей глубине толщину сезонного промерзания грунта.
Предварительное рыхление мерзлого грунта средствами малой механизации при-
меняют при незначительных объемах работ. При больших объемах работ целесообразно использовать механические и мерзлоторезные машины.
Взрывной способ рыхления грунта наиболее экономичен при больших объемах работ, значительной глубине промерзания, в особенности если энергию взрыва используют не только для рыхления, но и для выброса земляных масс в отвал. Но этот способ можно применять только на участках, расположенных вдали от жилых домов и промышленных зданий. При использовании локализаторов взрывной способ рыхления грунтов можно применять и вблизи зданий.
Рисунок 3. Схемы рыхления и резания мерзлого грунта: а - рыхление клином-молотом; б - рыхление дизель-молотом; в - резка в мерзлом грунте щелей многоковшовым экскаватором, оборудованным режущими цепями - барами; 1 - клин-молот; 2 - экскаватор; 3 - мерзлый слой грунта; 4- направляющая штанга; 5 - дизель-молот; 6 - режущие цепи (бары); 7 - многоковшовый экскаватор; 8 - щели в мерзлом грунте.
Механическое рыхление мерзлых грунтов применяют при отрывке небольших по объему котлованов и траншей. В этих случаях мерзлый грунт на глубину 0,5...0,7 м рыхлят клином-молотом (рис. 3a), подвешенным к стреле экскаватора (драглайна), - так называемое рыхление раскалыванием. При работе с таким молотом стрелу устанавливают под углом не менее 60°, что обеспечивает достаточную высоту падения молота. При использовании молотов свободного падения из-за динамической перегрузки быстро изнашиваются стальной канат, тележка и отдельные узлы машины; кроме того, от удара по грунту колебания его могут вредно действовать на близко расположенные сооружения. Механическими рыхлителями рыхлят грунт при глубине промерзания более 0,4 м. В этом случае грунты рыхлят путем скола или нарезки блоков, причем трудоемкость разрушения грунта сколом в несколько раз меньше, чем при рыхлении грунтов резанием. Число уда-
ров по одному следу зависит от глубины промерзания, группы грунта, массы молота (2250…3000 кг), высоты подъема, определяют его ударником конструкции ДорНИИ.
Дизель-молоты (рис. 3б) могут рыхлить грунт при глубине промерзания до 1,3 м и наравне с клиньями являются навесным оборудованием к экскаватору, тракторупогрузчику и трактору. Рыхлить мерзлый грунт дизель-молотом можно по двум технологическим схемам. По первой схеме дизель-молот рыхлит мерзлый слой, двигаясь зигзагом по точкам, расположенным в шахматном порядке с шагом 0,8 м. При этом сферы дробления от каждой рабочей стоянки сливаются между собой, образуя сплошной разрыхленный слой, подготовленный для последующей разработки. Вторая схема требует предварительной подготовки открытой стенки забоя, разрабатываемого экскаватором, после чего ди- зель-молот устанавливают на расстоянии примерно 1 м от бровки забоя и наносят им удары по одному месту до тех пор, пока не произойдет скол глыбы мерзлого грунта. Затем дизель-молот перемещают вдоль бровки, повторяя эту операцию.
Ударные мерзлоторыхлители (рис. 4б) хорошо работают при низких температурах грунта, когда для него характерны не пластичные, а хрупкие деформации, способствующие его раскалыванию под действием удара.
Рыхление грунта тракторными рыхлителями. К этой группе относится оборудование, у которого непрерывное режущее усилие ножа создается за счет тягового, усилия трактора-тягача. Машины этого типа послойно проходят мерзлый грунт, обеспечивая за каждую проходку глубину рыхления 0,3...0,4 м: Поэтому разрабатывают мерзлый слой, предварительно разрыхленный такими машинами, как бульдозеры. В противоположность ударным рыхлителям статические рыхлители хорошо работают при высоких температурах грунта, когда он имеет значительные пластические деформации, а механическая прочность его понижена. Статические рыхлители могут быть прицепными и навесными (на заднем мосту трактора). Очень часто их используют совместно с бульдозером, который может в этом случае попеременно рыхлить или разрабатывать грунт. Прицепной рыхлитель при этом отцепляют, а навесной поднимают. В зависимости от мощности двигателя и механических свойств мерзлого грунта число зубьев рыхлителя колеблется от 1 до 5, причем чаще всего пользуются одним зубом. Для эффективной работы тракторного рыхлителя на мерзлом грунте необходимо, чтобы двигатель имел достаточную мощность (100...180 кВт). Рыхлят грунт параллельными (примерно через 0,5 м) проходками с последующими поперечными проходками под углом 60...90° к предыдущим.
Рисунок 4. Схемы разработки мерзлых грунтов с предварительным рыхлением: а - рыхление клин-молотом; б - тракторным виброклиновым рыхлителем; 1 - автосамосвал; 2 - экскаватор; 3 - клин-молот; 4 – виброклин.
Мерзлый грунт, разрыхленный перекрестными проходками одностоечного рыхлителя, можно успешно разрабатывать тракторным скрепером, причем этот способ считается весьма экономичным и с успехом конкурирует с буровзрывным способом.
При разработке мерзлых грунтов с предварительной нарезкой блоками в мерзлом слое нарезают щели (рис. 5), разделяющие грунт на отдельные блоки, которые затем удаляют экскаватором или строительными кранами. Глубина прорезаемых в мерзлом слое щелей должна составлять примерно 0,8 глубины промерзания, так как ослабленный слой на границе мерзлой и талой зон не является препятствием для разработки экскаватором. В районах с вечно-мерзлыми грунтами, где подстилающий слой отсутствует, метод блочной разработки не применяют.
Рисунок 5. Схемы разработки мерзлых грунтов блочным способом: а, б - мелкоблочным способом; в, г - крупноблочным; 1 - удаление снежного покрова; 2, 3 - нарезка блоков мерзлого грунта баровой машиной; 4 - разработка мелких блоков экскаватором или бульдозером; 5 - разработка талого грунта; 6 - разработка крупных блоков мерзлого грунта трактором; 7 - то же, краном.
Расстояния между нарезанными щелями зависят от размеров ковша экскаватора (размеры блоков должны быть на 10... 15% меньше ширины зева ковша экскаватора). Блоки отгружают экскаваторами с ковшами вместимостью от 0,5 м и выше, оборудованными преимущественно обратной лопатой, так как выгрузка блоков из ковша прямой лопатой очень затруднена. Для нарезки щелей в грунте применяют различное оборудование, устанавливаемое на экскаваторах и тракторах.
Нарезать щели в мерзлом грунте можно с помощью роторных экскаваторов, у которых ковшовый ротор заменен фрезерующими дисками, снабженными зубьями. Для этой же цели применяют дискофрезерные машины (рис. 6), являющиеся навесным оборудованием к трактору.
Рисунок 6. Дискофрезерная землеройная машина: 1 - трактор; 2 - система передачи и управления рабочим органом; 3 - рабочий орган машины (фреза).
Наиболее эффективно нарезать щели в мерзлом грунте баровыми машинами (рис. 5), рабочий орган которых состоит из врубовой цепи, смонтированной на базе трактора или траншейного экскаватора. Баровые машины прорезают щели глубиной 1,3 ... 1,7 м. Достоинством цепных машин по сравнению с дисковыми является относительная легкость замены наиболее быстро изнашивающихся частей рабочего органа - сменных, вставляемых во врубовую цепь зубьев.
Применяют два способа: укрытие поверхности грунта термоизоляционными материалами; рыхление грунта.
а) укрытие поверхности грунта термоизоляционными материалами: древесные листья, стружки, опилки, шлак и другие укладывают слоями 20 40 см на грунт. Применяется при выполнении работ на небольших площадях;
б) вспахиванием грунта и боронованием. Сначала производится вспашка тракторными плугами или рыхлителями на глубину до 30 см, а затем боронование на глубину 20 см. После такой обработки верхний слой грунта становится рыхлым с замкнутыми пустотами, приобретая тем самым термоизоляционные свойства.
Предварительное рыхление мерзлого грунта с последующей разработкой
Механический способ рыхления. Применяют два вида воздействия: статический и динамический:
а) сущность статического воздействия заключается в том, что непрерывное режущее усилие в мерзлом грунте создается специальным рабочим органом – зубом трактора-тягача. Мерзлый грунт рыхлят послойно толщиной 0,3 0,4 м продольными и поперечными проходками с шагом 0,5 м. Производительность рыхлителя 15 20
Для статического рыхления используют гидравлический экскаватор, снабженный зубом-рыхлителем.
б) динамическое воздействие. Мерзлый грунт разламывают молотами свободного падения (раскалывание), молотами направленного действия (скол). Молоты свободного падения – шар-молот. Высота сбрасывания шара весом до 5 т – 6 8 м. Молоты направленного действия – дизель-молоты. Глубина разрушения грунта – до 1,3 м.
в) рыхление взрывом – рекомендуется при глубине промерзания до 1,5 м и более. Используют шпуровой или щелевой метод; при больших глубинах – скважинный или щелевой метод. Щели с шагом 0,9 1,2 м нарезают баровыми машинами, машинами фрезерного типа. Из каждых трех соседних щелей зарядами ВВ заряжается средняя, а крайние служат для компенсации сдвига мерзлого грунта и снижения сейсмического воздействия. В щели укладывают заряды удлиненные или сосредоточенные и заполняют песком.
Разработка мерзлого грунта. Используют два способа: блочный и механический.
а) блочный. Сущность состоит в том, что мерзлый грунт разрезают на блоки как правило по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Глубина прорезаемых щелей – 0,8 глубины промерзания; расстояние между щелями должно быть на 10 15 % меньше ширины зева ковша экскаватора. Используют экскаваторы с обратной лопатой емкостью ковша? 0,5 м3.
б) механический. Механическое или комбинированное (сочетание с ударным, вибрационным) воздействие. Из за избыточного режущего усилия экскаваторы большой мощности емкостью ковша более 1 м3 разрабатывают мерзлый грунт.
Оттаивание мерзлого грунта. Применяемые способы подразделяют по направлению распространения и по виду теплоносителя.
По виду теплоносителя:
– огневой способ;
– электропрогрев;
– паропрогрев;
– оттаивание электронагревателями.
а) огневой способ, применяется для рытья небольших траншей. Используют звеньевой агрегат, который состоит из ряда металлических коробов, разрезанных по продольной оси усеченных конусов (рис. 5.3). В первом коробе находится камера сгорания твердого или жидкого топлива, а в последнем – вытяжная труба: последняя обеспечивает тягу и продукты сгорания, проходя вдоль цепочки коробов (галереи), прогревают находящийся под ней грунт. После прогрева, грунт засыпают опилками. Дальнейшее оттаивание происходит за счет аккумулированной в грунте теплоты.
Рис. 1. Звеньевой агрегат: 1 – камера сгорания; 2 – вытяжная труба; 3 – обсыпка талым грунтомб) электропрогрев – пропуск электрического тока через мерзлый грунт электродами. Схема прогрева: горизонтальная и вертикальная.
Горизонтальная схема. Электроды стержневые и полосовые укладывают на поверхность грунта; концы отгибают на 15 20 см для подключения к проводам. Поверхность грунта накрывают опилками толщиной 15 20 см, смачивают солевым раствором. Слой опилок, первоначально являясь токопроводящим элементом, нагревается, и происходит отогрев верхнего слоя грунта. Этот способ применяется при глубине промерзания до 0,7 м. Расход электроэнергии на 1 м3 отогреваемого грунта – 150–300 МДж.
Вертикальная схема. Используются стержневые электроды. Используется при глубине промерзания до 2 м. Используют два направления прогрева: сверху вниз и снизу вверх.
При оттаивании сверху вниз электроды забивают на 20 30 см в мерзлый грунт; по мере оттаивания верхних слоев электроды погружают на большую глубину. При прогреве снизу вверх в начале бурят скважины в шахматном порядке (в плане) на глубину ниже глубины промерзания грунта на 10 20 см, а затем погружают электроды. Прогрев снизу вверх более эффективен, чем сверху вниз; при этом расход электроэнергии на 1 м3 грунта снижается в 2 3 раза.
в) паропрогрев, осуществляют с помощью паровых игл: металлическая труба диаметром 25 50 мм и длиной 2 м. Иглы соединены с паропроводом гибкими резиновыми шлангами с кранами. Иглы опускают в скважины на глубину 0,7 глубины оттаивания. Этот метод более дорогой, т. к. требует тепла на 1 м3 грунта в два раза больше, чем метод глубинных электродов.
г) оттаивание электронагревателями. Электронагреватели – это электроиглы: стальные трубы диаметром 50 мм и длиной 1 м, погружаемые в мерзлый грунт. Внутри иглы находится нагревательный элемент, изолированный от корпуса трубы. Нагреваясь, элемент передает тепло через стальной корпус мерзлому грунту.