4.3.4. Оттаивание мерзлых грунтов

Подготовку мерзлых грунтов к разработке можно производить оттаиванием [8, 14, 19, 20].

Различают четыре основных метода оттаивания:

1. Поверхностное оттаивание. При этом методе тепловой поток распространяется сверху вниз. Такое оттаивание осуществляется дымовыми газами и электронагревателями, расположенными на поверхности.

2. Радиальное оттаивание - тепловой поток распространяется в горизонтальном направлении, по радиусу нагревателя, заглубленного на 3/4 толщины мерзлого слоя.

233

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

3. Глубинное оттаивание - тепловой поток распространяется от нагревателя, расположенного ниже мерзлого слоя, к поверхности.

4. Комбинированное оттаивание - тепловой поток распространяется сверху вниз и в горизонтальном направлении.

Из вышеперечисленных способов оттаивания грунта самым эффективным способом является электрооттаивание мерзлого грунта глубинными электродами при наличии дешевой электроэнергии.

При наличии дешевой электроэнергии для оттаивания грунтов могут быть применены горизонтальные электроды или вертикальные глубинные электроды. Горизонтальные электроды изготовляют из полосовой стали 50´5 мм длиной 2...3 м. В качестве вертикальных электродов применяют круглую арматурную сталь диаметром 12...20 мм и длиной 1,5...2,0 м. Горизонтальные электроды укладывают на очищенную от снега поверхность и засыпают слоем утрамбованных опилок, смоченных 1...2 % раствором поваренной соли. Вертикальные поверхностные электроды забивают в слой опилок толщиной 20...25 см, обработанных солью. Вертикальные глубинные электроды забивают на расстоянии 0,4...0,7 м друг от друга на всю толщину мерзлого грунта так, чтобы на 8...10 см электроды вошли в незамерзший грунт. Сущность электрооттаивания грунта заключается в том, что при замыкании электрической цепи ток проходит по слою опилок или талому грунту (мерзлый грунт не пропускает электрический ток), выделяемое тепло будет оттаивать мерзлый грунт, который по мере оттаивания становится проводником электричества и сам начинает выделять тепло. Расход электроэнергии на оттаивание 1,0 м³ грунта в северо­восточных районах страны составляет от 35 кВт/ч при использовании вертикальных глубинных электродов до 85 кВт/ч при применении поверхностных электродов. Продолжительность электрооттаивания грунта при глубине промерзания 2,0 м составляет от 17 до 28 ч.

Способ оттаивания очень энергоемок. В практике дорожного строительства подготовку резервов оттаиванием осуществляют лишь в исключительных случаях при малых объемах грунта, при производстве работ в населенных пунктах, в непосредственной близости к трубопроводам, кабелям и другим подземным коммуникациям, когда нельзя рыхлить грунты механическим и

234

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

взрывным способами. Применение данного способа возможно только при технико-экономическом обосновании.

4.3.5. Технико-экономическое обоснование способа подготовки грунта к разработке в зимнее время

Рассмотренные выше способы подготовки к разработке грунтов в зимнее время весьма разнообразны.

При выборе способа подготовки грунтов к разработке в зимний период необходимо руководствоваться соображениями экономии, оперативности и надежности. Технология должна быть проста и базироваться на использовании широко распространяемых материалов или машин, имеющихся в распоряжении строительной организации.

Все перечисленные выше способы предохранения грунта от промерзания, имея те или иные положительные или отрицательные стороны, обладают одним неоспоримым преимуществом - позволяют работать только с талым грунтом.

При химическом способе предохранения грунта от промерзания достигается двойной эффект - предохраняется грунт от промерзания и улучшаются условия более качественного уплотнения земляного полотна автомобильной дороги.

Все методы разработки мерзлых грунтов в зимнее время имеют два существенных недостатка - нарушается баланс земляных масс и может снизиться качество работ из-за наличия комьев мерзлого грунта. Большинство машин, предназначенных для рыхления мерзлых грунтов, можно использовать только в зимний период, что приводит к низким показателям по фондоотдаче. Машины рыхлят мерзлый грунт крупными кусками, делая невозможным его использование при возведении насыпи.

Оттаивание грунта, как уже указывалось, требует значительных энергетических и трудовых затрат.

При проведении технико-экономического обоснования способа подготовки грунта к разработке и зимнее время нужно придерживаться следующей последовательности:

1. Для намеченных объемов земляных работ назначают конкурентоспособные варианты.

235

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

2 На конец каждого месяца зимнего периода (про необходимости чаще) определяют глубину промерзания незащищенного грунта.

3. По каждому варианту определяют объем работ, связанный с подготовкой грунта к разработке зимой, при различных глубинах промерзания грунта.

4. Определяют стоимость выполнения этих paбoт.

5. Определяют величину затрат, связанных с подготовкой грунта к разработке в зимнее время, приходящихся на единицу талого грунта в карьере или выемке, по формуле

S_ij = (М_ij + З_ij + Э_ij)/Q_ij, (4.3.9)

где S_ij - стоимость дополнительных затрат по i...j варианту для j-й глубины промерзания грунта, руб/м³;

М_ij - затраты па материалы по i...j варианту для j-й глубины промерзания грунта, руб. (определяются на основании составления калькуляции стоимости материалов);

З_ij - величина заработной платы рабочих по i...j варианту для j-й глубины промерзания грунта;

Э_ij - затраты на эксплуатацию машин по i...j варианту для j-й глубины промерзания грунта, руб .;

Q_ij - объем талого грунта по i...j варианту для j-й глубины промерзания грунта.

По полученным данным строят график зависимости величины дополнительных затрат от глубины промерзания грунта (рис. 4.3.1).

236

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Рис. 4.3.1. Зависимость величины дополнительных затрат на подготовку грунтов к разработке от глубины промерзания

Такой график позволяет определить наиболее эффективный способ подготовки грунта к разработке в зимний период для различных моментов времени, характеризующихся различной глубиной промерзания грунтов.

Экономический эффект Э от удлинения строительного сезона рассчитывают по формуле

(4.3.10)

где Е_н - нормативный коэффициент эффективности, установленный для отрасли, к которой относится строящееся предприятие или объект;

ф - сметная стоимость вводимых в действие основных фондов, руб.;

DТ- период продления строительного сезона.

Расчеты показывают, что за счет улучшения использования основных средств в течение года, снижения затрат по накладным расходам себестоимость строительства дорог может быть снижена

237

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

на 5...8 %. Сокращение сроков строительства при удлинении строительного сезона дает существенный народнохозяйственный эффект за счет уменьшения времени, на которое отвлекаются средства в незавершенном строительстве.

Анализ показал, что в подавляющем большинстве при расчетах экономической эффективности сооружения земляного полотна в зимний период не учитывают резкого увеличения поломок машин и снижение их производительности при низких температурах и сильных ветрах. Расчеты ведут для средней полосы европейской части России, где температура воздуха редко опускается ниже -15°С. Скорость ветра не учитывают, хотя число дней со скоростью ветра более 10...15 м/с за устойчивый зимний период достигает, например, в Амурской области до 54. При отрицательной температуре и скорости ветра более 10 м/с производительность землеройных машин резко падает. Например, при температуре воздуха -15°С и скорости ветра 18 м/с простои машин составили столько же, сколько в безветренную погоду при температуре -20...-25°С. Хронометраж работы землеройно-транспортных машин, проведенный нами, показал, что наименьшие затраты времени на осмотр машин, отдых и личные надобности были при температуре воздуха от 8 до 20'С. При понижении температуры воздуха до -10°С время на осмотр машин и личной надобности возрастает в среднем на 10...16 % от нормативного. При температуре воздуха ниже -20...-25°С эти потери резко возрастали и достигали 20 % от рабочего времени. Значительно увеличивается время пуска и заправки машин. Время пуска при температуре -20...-25°С увеличивается по сравнению с оптимальной летней температурой в 8...10 раз.

Для того, чтобы сделать окончательные выводы о влиянии температуры воздуха и скорости ветра на производительность землеройной техники, требуются многолетние данные. При этом следует учитывать техническое состояние парка машин, квалификацию механизаторов, грунтовые условия, оснащенность ремонтной базы, условия хранения техники и т.д. [28]. Наши исследования были ограничены во времени, но несмотря на это данные хронометража работы землеройно-транспортных машин представляют бесспорный интерес. Нами установлена зависимость производительности экскаваторов, скреперов и бульдозеров от температуры воздуха и скорости ветра до 15 м/с (рис. 4.3.12).

238

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Рис. 4.3.2. Изменение производительности бульдозеров, скреперов, экскаваторов в зависимости от температуры воздуха: 1 - экскаваторы с ковшом емкостью 0,65 м³; 2 - бульдозеры на

тракторе

емкостью

6...8

м

Т-100; 3-скреперы с ковшом

При расчете производительности учитывались целодневные простои машин, находящихся на ремонте из-за поломок. Потери времени, связанные с болезнью механизаторов или отсутствием горючего, в расчет не принимались.

В зимний период технико-эксплуатационные показатели работы машин резко снижаются, увеличивается число простоев из-за поломок узлов и деталей. Разрушению подвергаются базисные и вспомогательные узлы, детали машин. Существует

функциональная зависимость числа поломок деталей машин (бульдозеров, экскаваторов, скреперов) от периода эксплуатации, причем количество поломок в зимний период в 3...7 раз больше, чем в летний. Объясняется это тем, что с понижением температуры воздуха начинает проявляться хладноломкость или склонность сталей к хрупкому разрушению. Переход в хрупкое состояние для каждой марки стали происходит при определенной температуре, при которой ударная вязкость металла достигает минимально допустимого предела (0,2...0,4 МПа). Низкие температуры воздуха в сочетании с динамическими нагрузками при разработке мерзлых грунтов способствуют увеличению числа поломок и простоев. В связи с этим основным климатическим фактором, влияющим на работу машин, считается температура воздуха, при определенных значениях которой углеродистые стали металлоконструкций переходят в хрупкое состояние и разрушаются. Эти стали имеют порог хладноломкости в узком интервале температур от -18 до -20°С.

239

База нормативной документации: www.complexdoc.ru

Установлено, что начиная с температуры -20°С, происходят поломки большинства небазисных деталей, а при температуре -35°С начинают выходить из строя базисные узлы. В связи с этим температура воздуха -20°С считается критической, снижающей надежность работы машин. Кроме абсолютного значения критической температуры нужно учитывать вероятность ее повторения. Хронометраж работы дорожных машин, проведенный нами в Хабаровском крае при сооружении земляного полотна в зимний период, показал, что при температуре - 20...-25°С и скорости ветра более 10...15 м/с резко увеличилось число поломок деталей и узлов. Простои машин только из-за поломок составили до 35...45 % от всего времени наблюдения. Учитывая увеличение затрат времени на заправку, пуск, подготовку к работе и т.д., общие потери рабочего времени были еще значительнее. Производительность землеройно-строительных машин при этом снизилась на 40...60 % (рис. 4.3.2).