4.11 Разработка мерзлых грунтов.
Значительная часть территории России расположена в зонах с продолжительной и суровой зимой. Вследствие этого около 15% общего объема земельных работ приходится выполнять в зимних условиях и при мерзлом состоянии грунта. Механическая прочность мерзлых грунтов существенно возрастает (до 100 раз), что затрудняет разработку, увеличивает трудоемкость в 3-7 раз, ограничивает применение некоторых механизмов (экскаваторов, бульдозеров, грейдеров). В то же время выемки зимой можно выполнять без откосов, иногда отпадает необходимость в ограждениях стенок выемок и практически всегда в водоотливе.
В зависимости от местных условий используют следующие методы разработки мерзлых грунтов:
предохранение грунтов от промерзания с последующей разработкой обычными методами;
оттаивание грунтов с разработкой их в талом состоянии;
разработка мерзлых грунтов с предварительным рыхлением;
непосредственная разработка мерзлых грунтов.
Предохранение грунтов от промерзания.
Предохранение грунтов от промерзания проводится до наступления устойчивых отрицательных температур с заблаговременным отводом со строительного участка поверхностных вод.
Для этого применяются следующие методы:
а) поверхностное рыхление – тракторными рыхлителями или плугами на глубину 30-35 см с последующим боронованием на глубину 15-20 см;
б) глубинное рыхление – экскаваторами путем последовательной перекидки грунта (рис.4.35.);
в) перекрестное рыхление, производится рыхлителями или плугами на глубину 30-40 см, двумя проходками под углом 90-60°;
г) укрытие поверхности утеплителями:
природными (мох, листья, торф, стружки, опилки и т.п.);
искусственными (пенополистирол, минераловатные плиты и т.п.);
снегом (снегозадержание с помощью щитов 1.5х2 м, рядами через 20 м или сгребание выпавшего снега в валы через 15-20 м, расположенными перпендикулярно направлению господствующих ветров).
д) утепление воздушной прослойкой (рис.4.36.).
Рис. 4.35. Схема глубинного рыхления:
I – IV – последовательность экскаваторных проходок; 1 – направления перекидки грунта.
Рис. 4.36. Схема утепления грунта воздушной прослойкой:
1
– лежень
8-10
см; 2 – доски; 3 – утеплитель
=15-20
см; 4 – водонепроницаемая пленка.
Оттаивание грунтов.
Оттаивание происходит за счет теплового воздействия на мерзлый грунт и характеризуется значительными трудоемкостью и энергозатратами. Применяется достаточно редко, когда другие методы неприемлемы – вблизи действующих коммуникаций и кабелей, в стесненных условиях, при аварийных и ремонтных работах.
Поверхностное оттаивание.
Применяется при отрывке траншей в мерзлом грунте. В этом случае поток тепла распространяется сверху вниз. Осуществляется теплым воздухом, дымовыми газами, паровыми или водяными батареями.
Рис. 4.37. Схема поверхностного оттаивания:
1 – камера сгорания; 2 – вытяжная труба; 3 – утеплитель; 4 – зона талого грунта; 5 – теплогенератор (вместо камеры сгорания); 6 – мерзлый грунт.
Для поверхностного оттаивания могут применятся горизонтальные электроды из полосовой или круглой стали, подключенные к электрической сети и укрытые утеплителем =15-20 см, смоченным солевым раствором, обеспечивающим токопроводимость и нагрев.
Радиальное оттаивание
Производится вертикально погружаемыми электродами (через 0,5-0,7 м) или паровыми иглами (через 1-2 м).
Рис. 4.38. Схема радиального оттаивания грунта паровыми иглами:
1 – паропровод; 2 – вентиль; 3 – паровая игла; 4 – пробуренная скважина; 5 – защитный колпак; 6 – зона талого грунта.
Глубинное оттаивание.
В
качестве теплонагревателей применяют
электроиглы или ТЭНы (теплоэлектронагреватели).
ТЭНы представляют собой стальные трубы
длинной около 1 м,
50-60
мм, с размещенным внутри электронагревательным
элементом, изолированным от стенок
трубы. Пространство между нагревательным
элементом и трубой заполняют диэлектрическим
материалом, хорошо передающим и
сохраняющим тепло (песок, соль и др.),
ТЭНы вставляют в скважины, пробуренные
в шахматном порядке с шагом около 1м.
Разработка мерзлых грунтов с рыхлением.
Применяют 2 метода:
механическое рыхление:
статическое (бульдозер с риппером, экскаватор-рыхлитель);
динамическое (молоты механические, дизельмолоты и вибромолоты);
рыхление взрывом.
Механическое рыхление.
Рис. 4.39. Схема рыхления мерзлых грунтов (динамическое):
а) – рыхление клиновым молотом (клин-бабой); б) – рыхление дизель-молотом; 1 – клин-баба; 2 – экскаватор; 3 – мерзлый слой грунта; 4 – направляющая штанга; 5 – дизель-молот; 6 – клин.
Рыхление взрывом.
Рыхление взрывом применяется в основном на незастроенных участках.
Рис. 4.40. Методы рыхления мерзлых грунтов взрывом:
а) – шпуровыми зарядами; б) – скважинными зарядами; в) – котловыми зарядами; г) – малокамерными зарядами; д) – камерными зарядами; е) – щелевыми зарядами; 1 – заряд взрывчатого вещества; 2 – забойка; 3 – штольня; 4 – шурф; 5 – рабочая щель; 6 – компенсационная щель.
Шпуры сверлятся диаметром 20-50 мм, скважины – до 1100 мм, расстояние между рядами шпуров и скважин – 1 -1,5 м. Щели нарезаются дискофрезерными или баровыми машинами на расстоянии 0,9-1,2 м друг от друга. Компенсационные щели служат для локальной концентрации взрывных сил и для снижения сейсмического эффекта.
Разрыхленный грунт разрабатывается экскаваторами или землеройно-транспортными машинами.
Непосредственная разработка мерзлых грунтов.
Разработка мерзлых грунтов без предварительного рыхления может осуществляться двумя методами:
блочным;
механическим.
Блочный метод.
С помощью навесного оборудования – баровой (по типу цепного многоковшового экскаватора) или дискофрезерной (по типу роторного экскаватора) установки грунт нарезают при взаимно перпендикулярных проходках на блоки со стороной 0,6-1,0 м. Разработку нарезанных блоков производят экскаваторами ОЛ с ковшом большой вместимости или волоком в отвал бульдозерами или тракторами.
Рис. 4.41. Последовательность производства работ блочным методом:
а) – удаление снежного покрова; б) и в) – нарезка щелей в грунте баровой машиной; г) – удаление блоков экскаватором с ковшом; д) – удаление блоков экскаватором с грейферным захватом; е) – оттаскивание блоков трактором.
Механический метод.
Используются обычные землеройные и землеройно-транспортные машины со специально разработанными рабочими органами. Применяются ковши экскаваторов с вмонтированными зубьями с виброударниками и захватно-клещевые устройства для скалывания грунта. Совмещаются процессы разрыхления и разработки грунта. Разработку грунта осуществляют и многоковшовыми экскаваторами, специально разработанными для проходки траншей в мерзлых грунтах. Для этой цели служит специальный режущий инструмент в виде клыков, зубьев или коронок со вставками из твердого металла, укрепляемых на ковшах. Применяют также специализированные землеройно-фрезерные машины, снимающие стружку глубиной до 0,3 м и шириной 2,6 м.