4.3.2. Предохранение грунтов от промерзания

Предохранение грунтов от промерзания является наиболее экономичным видом подготовки грунтов к разработке в первой половине зимы [18, 40, 41, 44].

Мероприятия по предохранению грунтов от промерзания могут быть сведены к следующим трем группам:

1. Предварительная механическая обработка поверхности грунта.

2. Укрытия поверхности грунта разного рода утеплителями.

3. Специальные предохранительные мероприятия.

Уменьшение глубины промерзания грунта в резервах или полное устранение промерзания повышает производительность землеройных машин. Предварительная механическая обработка поверхности грунта(вспахивание, боронование с последующим снегозадержанием) в качестве мер предохранения грунтов от промерзания может быть применена во II дорожно-климатической зоне при разработке грунтов до 01...19 декабря, а в I дорожно-климатической зоне не позднее 20...25 ноября.

Вспашку поверхности карьера производят осенью до промерзания грунта на глубину до 40 см с последующим боронованием верхнего слоя. В результате разрыхления грунта резко увеличивается объем пор, которые уменьшают теплопроводность грунта. Теплоизолирующие свойства вспаханного грунта увеличиваются, если он будет покрыт снегом. Для увеличения снежного покрова производят снегозадержание с помощью валов снега или путем установки снегозадерживающих щитов размером 1,52,0 м с просветами площадью 35...50 % от общей площади щита. Ряды щитов или валов снега располагают поперек направления господствующих ветров на расстоянии 10...15-кратной высоты щитов или снежных валов.

Эффективность предохранения грунта от промерзания вспашкой, боронованием и снегозадержанием в районе г. Хабаровска приведена в табл. 4.3.4.

Таблица 4.3.4

Глубина промерзания грунта при вспашке, бороновании, снегозадержании

Способ уплотнения	Глубина промерзания грунта, см
	на 1,12	на 1,01	на 1,02	на 1,03
Без утепления при снятом растительном слое	70	180	230	240
Вспашка на глубину 40 см	50	120	170	190
Вспашка на глубину 40 см и боронование	35	105	155	180
Вспашка, боронование и снегозадержание (слой снега 50 см)	20	70	110	130

Часть вспаханного и разрыхленного грунта, покрытого слоем снега, все же промерзает. Глубину промерзания в этом случае определяют по формуле

Н = А(4Р - Р²),                                                                                                            (4.3.2)

где А - коэффициент, учитывающий способ утепления (табл. 4.3.5);

                                                                                                                  (4.3.3)

где Т - отрицательная среднемесячная температура;

N - количество дней с отрицательной температурой для рассчитываемого периода зимы.

Таблица 4.3.5

Значение коэффициента А (по данным [41])

Способ уплотнения поверхности грунта	Значение А при Р, равном:
	0,1	0,3	0,5	0,7	0,9	1,0	1,5	2,0
Вспашка на глубину 25 см и боронование	15	17	20	24	28	30	30	30
Засыпка разрыхленного грунта слоем снега не менее 0,5 м	35	34	41	47	55	59	60	60

Пример. Определить глубину промерзания суглинка в районе г. Хабаровска на 1.01 при условии, что дневная поверхность грунта будет вспахана на глубину 25 см и заборонована. Средняя температура в ноябре -7С; в декабре - 18С. Промерзание грунта начинается с 1 ноября.

Вначале определяем величину Р по формуле (4.3.3).

По табл. 4.3.5 находим величину А = 26, соответственно найденному значению Р. По формуле (4.3.2) определяем глубину промерзания грунта при вспаханной и заборонованной поверхности

Н = 28(4·0,8 - 0,8²) = 67 см

Влияние слоя снега на глубину промерзания приближенно определяют по формуле

Н = 60(4Р - Р²)К_у - B·h_сн ,                                                                                          (4.3.4)

где К_у - коэффициент, принимаемый при утеплении глинистого грунта равным 1,5, супесчаного и суглинистого - 2,0 песчаного - 2,5;

В - коэффициент сравнительной теплопроводности снега: для рыхлого снега В = 3,0, для слежавшегося и насыпного В = 2,0, для подтаявшего В = 1,5;

h_сн - средняя высота снежного покрова, см.

Способ предохранения грунтов от промерзания глубоким рыхлением до 1,5 м применяется при обеспеченном водоотводе и низком уровне грунтовых вод. Глубокое рыхление осуществляют экскаватором, оборудованным прямой лопатой, путем перелопачивания грунта поздней осенью. Образующаяся при этом волнистая поверхность задерживает снег, который в свою очередь еще в большей степени способствует предохранению грунта от промерзания. Глубина промерзания разрыхленного слоя на 0,6...1,0 м меньше глубины промерзания грунта в естественном состоянии. Разрыхленный мерзлый верхний слой грунта сравнительно легко разрабатывается экскаватором с ковшом емкостью более 1,0 м³. Данный способ оправдывает себя при предохранении от промерзания глинистых и малосвязных грунтов.

Одним из способов, снижающих стоимость производства земляных работ в зимних условиях, является утепление поверхности грунта теплоизоляционными материалами (опилки, солома, листва, шлак, торф и др.).

В качестве утеплителей принимают материалы с малой теплопроводностью. Толщина слоя утепления зависит от его теплоизоляционных свойств, климатических условий, влажности грунта, температуры грунта в момент утепления и времени разработки резерва.

Существуют различные формулы расчета толщины утепляющих слоев. Все они являются в значительной степени приближенными, так как заранее учесть изменение климатических факторов на строительной площадке в течение зимы весьма трудно. В частности, можно использовать следующую приближенную формулу [16]

                                                                                               (4.3.5)

где h_yт - толщина утепляющего слоя, м;

h_ - расчетная глубина промерзания грунта, определяемая на день окончания разработки грунтового карьера зимой, м;

h_с - толщина снежного покрова, м;

К_с - коэффициент теплоизоляционных свойств снега;

h_g - допустимая глубина промерзания грунта, зависящая от способа разработки;

К_ут -коэффициент теплоизоляционных свойств утепляющего материала (табл. 4.3.6);

 - коэффициент, учитывающий повышение теплопроводности и снижение теплоизоляционных качеств при уплотнении материалов утепляющего слоя под действием транспортных средств и сил тяжести (  1,3).

Таблица 4.3.6

Приближенные значения коэффициента теплоизоляционных свойств утепляющего материала К_ут

Утепляющий материал	Грунт
	песчаный	супесчаный	суглинистый	глинистый
Листва	3,3	3,1	2,7	2,2
Стружка древесная	3,2	3,1	2,8	2,1
Опилки древесные, мох болотный, торф мелкий	2,8	2,7	2,3	1,9
Котельный шлак:
- сухой - влажный	2,0 1,6	1,9 1,6	1,6 1,3	1,3 1,1
Снег	2,5	2,0	2,0	1,5
Солома обычная	2,5	2,4	2,0	1,6

Для определения глубины промерзания грунта используют климатические справочники или формулу проф. А.Н. Будникова [31]. Во втором случае в формуле (4.3.5) второй член в числителе не учитывают

                                                                                             (4.3.6)

где _м - коэффициент теплопроводности мерзлого грунта (табл. 4.3.7);

t_cp- средняя из среднемесячных температура воздуха зимой за период Т;

Т - число дней с отрицательной температурой воздуха с начала зимы до момента окончания разработки карьера;

С - коэффициент уменьшения глубины промерзания в зависимости от толщины снега (табл. 4.3.8).

Таблица 4.3.7

Теплофизические показатели грунтов

Грунт	Влажность, % по массе	Плотность, кг/м3	Коэффициент теплопроводности грунта, Вт/(м·к)
			мерзлого м	талого т
Глинистый	18	1300	1,08	0,85
	27	1250	1,48	1,05
	27	1350	1,68	1,20
	40	1200	1,83	1,29
	40	1300	2,03	1,43
	40	1350	2,25	1,58
	40	1450	2,44	1,72
Дренирующий	15	1200	1,23	0,89
	15	1300	1,45	1,03
	20	1250	1,55	1,08
	20	1350	1,77	1,23
	20	1400	2,05	1,28
	25	1300	1,90	1,40
	25	1350	2,20	1,46

Таблица 4.3.8

Значение коэффициента уменьшения глубины промерзания С, от толщины слоя снега

Средняя толщина слоя снега, см	Коэффициент С
10	0,5
20	0,4
25	0,35
40	0,3

Толщина снежного покрова, среднемесячные температуры и число дней с отрицательными температурами для крупных населенных пунктов дальневосточного региона приведены в табл. 4.3.9.

Таблица  4.3.9

Метеорологические данные  по  ряду географических  пунктов

Географический пункт	Показатель	Месяц
		I	II	III	IV	V	IX	X	XI	XII
Владивосток	средняя толщина снега, см	11	7	4	0	0	0	0	4	8
	среднемесячная температура воздуха. °С	-14,4	-10,9	-3,60	4,1	9,0	15,9	8,8	-1,3	-10,3
	число дней с отрицательной температурой воздуха	31	28	24	2	0	0	0	17	30
Хабаровск	средняя толщина снега, см	10	10	4	0	0	0	0	5	10
	среднемесячная температура воздуха. °С	-22,3	-17,2	-8,5	3,1	11,1	13,9	4,7	-8,1	-18,5
	число дней с отрицательной температурой воздуха	31	28	29	7	0	0	5	28	31
Благовещенск	средняя толщина снега, см	14	13	6	0	0	0	7	13	14
	среднемесячная температура воздуха. °С	-24,3	-18,6	-9,4	2,6	10,9	12,2	2,1	-11,5	-21,8
	число дней с отрицательной температурой воздуха	31	28	31	24	3	1	21	30	31
Тында	средняя толщина снега, см	31	33	30	20	0	0	10	24	29
	среднемесячная температура воздуха. °С	-31,7	-25,9	-16,2	-3,8	6,0	6,3	-5,7	-21,5	-30,2
	число дней с отрицательной температурой воздуха	31	28	30	20	1	1	20	30	31
Магадан	средняя толщина снега, см	33	33	33	28	0	0	11	26	30
	среднемесячная температура воздуха. °С	-21,0	-19,8	-15,2	-6,2	2,8	6,5	-4,3	-13,4	-18,3
	число дней с отрицательной температурой воздуха	31	28	31	20	2	0	12	29	31
Анадырь	средняя толщина снега, см	18	18	19	15	4	0	11	14	15
	среднемесячная температура воздуха. °С	-20,8	-21,9	-20,6	-13,7	-2,9	4,1	-5,2	-13,5	-19,5
	число дней с отрицательной температурой воздуха	31	28	31	27	12	0	20	28	31
Южно-Сахалинск	средняя толщина снега, см	37	38	37	23	0	0	0	10	24
	среднемесячная температура воздуха. °С	-13,8	-12,3	-7,0	1,2	6,2	13,0	6,0	-2,2	-9,1
	число дней с отрицательной температурой воздуха	31	28	31	13	1	0	1	20	31
Оха	средняя толщина снега, см	35	36	43	31	6	0	3	18	28
	среднемесячная температура воздуха. °С	-19,9	-18,0	-12,8	-4,2	0	10,3	2,6	-6,4	-14,9
	число дней с отрицательной температурой воздуха	31	28	31	18	2	-	2	22	31
Петропавловск-Камчатский	средняя толщина снега, см	72	82	71	27	0	0	0	27	60
	среднемесячная температура воздуха. °С	-8,4	-8,5	-5,4	-0,6	3,8	10,2	4,8	-1,7	-6,0
	число дней с отрицательной температурой воздуха	31	28	31	24	4	0	2	22	30
Мильково	средняя толщина снега, см	82	91	94	66	12	0	7	28	55
	среднемесячная температура воздуха. °С	-21,4	-18,3	-12,5	-2,8	5,0	7,6	0,2	-10,8	-18,6
	число дней с отрицательной температурой воздуха	31	28	31	22	1	0	15	29	31

При отсутствии утеплителя из естественных материалов в последние годы стали использовать в качестве утеплителя сборный пенопласт, стекловату, быстротвердеющую пену БТП и др. Для устранения процесса диффузии и обеспечения поверхностного стока эти материалы необходимо прикрывать полиэтиленовой пленкой.

Технология утепления полимерными смолами (полиуретановыми, карбамидными) заключается в том, что до наступления морозов по грунту разливают быстротвердеющую смесь, состоящую из 35 % мочевино-формальдегидной смолы (крепитель М), 4 % пенообразователя (ПО-1), 16 % технической соляной кислоты (5 % концентрации) и 45 % воды. Расход компонентов из расчета на 1000 м² поверхности при толщине слоя пены 10 см составляет:

1,92 т - мочевино-формальдегидной смолы (крепитель М);

0,22 т - пенообразователь (ПО - 1);

0,11 т - соляная кислота (35 % концентрации);

2,47 м³ - вода.

Крепитель М представляет собой однородную жидкость (раствор мочевино-формальдегидной смолы, стабилизированный аммиаком), которую получают конденсацией мочевины с формальдегидом в присутствии уротропина. Пенообразователь ПО-1 - обезмасленная осветленная сульфокислота, нейтрализованная едким натрием. Соляная кислота, как правило, поступает на объект 33 % концентрации. Пену БТП готовят в установке. Модификацией быстротвердеющей пены является пенолед. Необходимая толщина теплоизоляции к концу зимы при глубине промерзания грунта до 3,0 м составляет из БТП -30 см, пенольда - 50 см.

Эффективность утепления грунтов повышается при укладке утепляющих слоев до наступления отрицательных температур. Чем выше температура грунта в момент утепления, тем длительнее будет процесс его остывания. Обращает на себя внимания химический способ предохранения грунта от промерзания [44, 46, 48]. Сущность его в том, что поверхность грунта обрабатывается сухой солью или раствором. Рекомендуют применять сухой реагент, а в случае обработки слабодренирующих грунтов - водный раствор (табл. 4.3.10).

Таблица 4.3.10

Расход соли (технический хлористый натрий) на 1 м² площади

Влажность, %	Расход соли при глубине промерзания, м
	0,8	1,0	1,2	1,4	1,6	1,8	2,0	2,4
Сухая соль, кг
15	5	9	12	15	19	22	26	28
20	7	3	17	20	36	32	33	38
25	10	16	22	27	32	36	41	45
23%-й раствор соли, л
15	21	30	40	47	58	70	-	-
20	34	42	50	70	85	100	-	-
25	35	45	65	80	100	-	-	-

Наиболее дешевым реагентом является технический хлористый натрий, 23-процентный раствор соли замерзает только при - 23...-25С и грунт, обработанный солью, сохраняется в талом состоянии в течение всей зимы, не примерзает к рабочим органам землеройных машин и кузовам транспортных средств, хорошо поддается уплотнению. Этот способ пригоден при любой глубине промерзания.