3.7. Разработка грунта в зимних условиях.

Значительная часть территории России расположена в зонах с продолжительной и суровой зимой. Однако строительство здесь ведется круглый год, в связи с чем примерно 20% общего объема земляных работ приходится выполнять при мерзлом состоянии грунта.

Для мерзлых грунтов характерным является значительное уве­личение трудоемкости их разработки вследствие повышенной ме­ханической прочности. Кроме того, мерзлое состояние грунта усложняет технологию, ограничивает применение некоторых типов землеройных (экскаваторов) и землеройно-транспортных (бульдо­зеров, скреперов, грейдеров) машин, уменьшает производитель­ность транспортных средств, способствует быстрому износу деталей машин, особенно их рабочих органов. В то же время временные выемки в мерзлом грунте можно разрабатывать без откосов.

В зависимости от конкретных местных условий разработку грунта в зимних условиях осуществляют 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.

Предохранение грунта от промерзания осуществляют рыхле­нием поверхностных слоев, укрытием поверхности различными утеплителями, пропиткой грунта солевыми растворами.

Рыхление грунта вспахиванием и боронованием производят на участке, предназначенном для разработки в зимних условиях. В результате верхний слой грунта приобретает рыхлую структуру с замкнутыми пустотами, заполненными воздухом, которая обладает достаточными термоизоляционными свойствами. Вспашку ведут тракторными плугами или рыхлителями на глубину 20...35 см с последующим боронованием на глубину 15...20см в одном направ­лении (или в перекрестных направлениях), что повышает термоизо­ляционный эффект на 18...30%.

Укрытие поверхности грунта выполняют термоизоляционными материалами, желательно из дешевых местных материалов: древес­ных листьев, сухого мха, торфяной мелочи, соломенных матов, шлака, стружек и опилок, укладываемых слоем 20...40 см непос­редственно по грунту. Поверхностное утепление грунта применяют в основном для небольших по площади выемок.

Рыхление мерзлого грунта с последующей разработкой земле­ройными или землеройно-транспортными машинами осуществля­ют механическим или взрывным методом.

Рис.3.22 Рыхление мерзлого грунта статическим воздействием:

а - бульдозерно-рыхлительным агрегатом; б - экскаватором-рыхлителем;

1 - направление хода рыхлителя

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 (рис.3.22, а). Машины этого типа производят послойную проходку мерзлого грунта, обеспечивая за каждую проходку глубину рыхления порядка 0,3...0,4м. Рыхлят грунт параллельными (примерно через 0,5м) проходками с после­дующими поперечными проходками под углом 60...90° к предыду­щим. Производительность рыхлителя 15...20 м³/ч. В качестве статических рыхлителей применяют гидравлические экскаваторы с рабочим органом - зубом-рыхлителем (рис.3.22, б).

Возможность послойной разработки мерзлого грунта 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 раскатывани­ем) либо молотами направленного действия (рыхление сколом). Молот свободного падения может иметь форму шара или клина (рис.3.23, а) массой до 5 т, подвешиваемого на канате к стреле экскаватора и сбрасываемого с высоты 5... 8м. Шары рекомендуется применять при рыхлении песчаных и супесчаных грунтов, а клинья — глинистых (при глубине промерзания 0,5...0,7 м).

Рис.3.23. Рыхление мерзлого грунта динамическим воздействием (размеры в м):

а - схема рыхления молотом свободного падения; б - то же, дизель-молотом; в - то же, гидромолотом;

г - глубина промерзания <1,5м; д - глубина промерзания > 1,5м;

1 – молот; 2 – экскаватор; 3 - мерзлый слой грунта; 4 - направляющая штанга;

5 - дизель-молот; 6 – гидромолот

В качестве молота направленного действия широко применяют дизель-молоты, используемые в качестве навесного оборудования к экскаватору (рис.3.23, 6) или трактору. Дизель-молоты позволяют разрушать грунт на глубину до 1,3м.

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 (рис.3.24). Разрезку на блоки выполняют по взаимно перпендикулярным направлениям. При малой глубине промерзания (до 0,6м) доста­точно сделать только продольные прорезы. Глубина прорезаемых в мерзлом слое щелей должна составлять примерно 0,8м от глубины промерзания, так как ослабленный слой на границе мерзлой и талой зон не является препятствием для отрыва блоков от массива. Расстояние между нарезанными щелями зависит от размеров кром­ки ковша экскаватора (размеры блоков должны быть на 10...15% меньше ширины зева ковша экскаватора). Для отгрузки блоков применяют экскаваторы с ковшами вместимостью 0,5м³ и выше, оборудованные преимущественно обратной лопатой, так как вы­грузка блоков из ковша прямой лопатой сильно затруднена.

Механический метод основан на силовом (иногда в сочетании с ударным или вибрационным) воздействии на массив мерзлого грунта. Реализуется применением как обычных землеройных и землеройно-транспортных машин, так и машин, оборудованных специальными рабочими органами.

Обычные машины применяют при небольшой глубине промер­зания грунта: экскаваторы прямая и обратная лопаты с ковшом вместимостью до 0,65м³ - 0,25м; то же, с ковшом вместимостью до 1,6м^{3 -} 0,4м; экскаваторы-драглайны - до 0,15м; бульдозеры и скреперы - 0,05...0,1 м.

Рис. 3.24 Схема блочной разработки грунта (размеры в м):

а - нарезка щелей баровой машиной;

б - метод разработки котлована с извлечением блоков из забоя строительным краном;

в - то же, с извлечением блоков трактором; 1 - мерзлый слой грунта; 2 - режущие цепи (бары);

3 - экскаватор; 4 - щели в мерзлом грунте; 5 - нарезанные блоки; 6 - удаляемые блоки; 7- стоянка крана;

8 - транспортное средство; 9 - клещевой захват; 10 - строительный кран; 11 - трактор

Рис.3.25 Механический метод непосредственной разработки грунта (размеры в м):

а - ковш экскаватора с активными зубьями; б - схема разработки выемки экскаватором, оборудованным обратной лопатой и захватно-клещевым устройством; в - землеройно-фрезерная машина;

1 - ковш; 2 - зуб ковша; 3 - ударник; 4 - вибратор; 5 - захватно-клещевое устройство; 6 -бульдозерное устройство;

7 - гидроцилиндр для подъема и опускания рабочего органа; 8 - рабочий орган (фреза)

Для расширения области применения в зимнее время одноковшовых экскаваторов начато применение специального оборудова­ния: ковшей с виброударными активными зубьями (рис.3.25, а) и ковшей с захватно-клещевым устройством (рис.3.25, б). За счет избыточного режущего усилия также одноковшовые экскаваторы могут послойно разрабатывать массив мерзлого грунта, объединяя процессы рыхления и экскавации в единый.

Послойную разработку грунта осуществляют специализирован­ной землеройно-фрезерной машиной, снимающей «стружку» тол­щиной до 0,3м и шириной 2,6м (рис.3.25, в). Перемещение разработанного мерзлого грунта производят бульдозерным обору­дованием, входящим в комплект машины.

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, а именно: вблизи действующих подземных коммуни­каций и кабелей; при необходимости оттаивания промерзшего основания; при аварийных и ремонтных работах; в стесненных условиях (особенно в условиях технического перевооружения и реконструкции предприятий).

Способы оттаивания мерзлого грунта классифицируют как по направлению распространения теплоты в грунте, так и по приме­няемому виду теплоносителя.

По направлению распространения теплоты в грунт можно выде­лить следующие три способа оттаивания грунта.

Способ оттаивания грунта сверху вниз неэффективен, так как источник теплоты размещается в зоне холодного воздуха, что вы­зывает большие потери теплоты. В то же время этот способ доста­точно легко и просто осуществить, так как он требует минимальных подготовительных работ.

Способ оттаивания грунта снизу вверх требует минимального расхода энергии, так как оттаивание происходит под защитой льдоземляной 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 направлению теплота распространяется в грунте радиально от вертикально установленных прогревающих элементов, погруженных в грунт. Этот способ по своим экономическим показателям занимает промежуточное поло­жение между двумя ранее описанными, а для своего осуществления требует также значительных подготовительных работ.

Рис. 3.26 Оттаивание грунта огневым способом (размеры в м):

1 - камера сгорания; 2 - вытяжная труба; 3 - обсып­ка талым грунтом

По виду теплоносите­ля различают следующие основные способы отта­ивания мерзлых грунтов.

Огневой способ при­меняют для отрывки зи­мой небольших тран­шей. Для этого эконо­мично использовать звеньевой агрегат (рис.3.26), состоящий 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 аккумулированной в грунте теплоты (рис. 3.26).

Способ электропрогрева основан на пропуске тока через разогре­ваемый материал, в результате чего он приобретает положительную температуру. Основными техническими средствами являются гори­зонтальные или вертикальные электроды.

При оттаивании грунта горизонтальными электродами по повер­хности грунта укладывают электроды из полосовой или круглой стали, концы которых отгибают на 15... 20см для подключения к проводам (рис.3.27, а). Поверхность отогреваемого участка покры­вают слоем опилок толщиной 15...20см, которые смачивают солевым раствором с концентрацией 0,2...0,5% с таким расчетом, чтобы масса раствора была не менее массы опилок.

Рис.3.27 Оттаивание грунта способом электропрогрева (размеры в м):

а - горизонтальными электродами; б - вертикальными электродами сверху вниз; в - то же, сверху вниз и снизу вверх;

1- трехфазная электрическая сеть; 2 - горизонтальные полосовые электроды;

3 - слой опилок, смоченный соленой водой; 4 - слой толя или рубероида; 5 - стержневой электрод

Вначале смоченные опилки являются токопроводящим элементом, так как замерзший грунт не является проводником. Под воздействием теплоты, гене­рируемой в слое опилок, оттаивает верхний слой грунта, который превращается в проводник тока от электрода к электроду. После этого под воздействием теплоты начинает оттаивать следующий слой грунта, а затем нижележащие слои. В дальнейшем опилочный слой защищает отогреваемый участок от потерь теплоты в атмос­феру, для чего слой опилок покрывают толем или щитами. Этот способ применяют при глубине промерзания грунта до 0,7м; расход электроэнергии на отогрев 1м³ грунта колеблется от 150 до 300 МДж; температура в опилках не превышает 80...90°С.

Оттаивание грунта вертикальными электродами осуществляют с применением стержней из арматурной стали с заостренными ниж­ними концами. При глубине промерзания 0,7м их забивают в грунт в шахматном порядке на глубину 20...25см, а по мере оттаивания верхних слоев грунта погружают на большую глубину (рис.3.27, б). 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 до 1,3...1,5м. После отключения электроэнергии в течение 1...2 дн глубина оттаивания продолжает увеличиваться за счет аккумулированной в грунте теп­лоты под зашитой опилочного слоя. Расход энергии при этом способе несколько ниже, чем при способе горизонтальных элект­родов.

Применяя прогрев снизу вверх, до начала прогрева необходимо бурить скважины, расположенные в шахматном порядке, на глуби­ну, превышающую на 15...20 см толщину мерзлого грунта. Расход энергии при отогреве грунта снизу вверх существенно снижается, составляя 50...150 МДж на 1м³, а применять слой опилок не требуется.

При заглублении стержневых электродов в подстилающий талый грунт и одновременном устройстве на дневной поверхности опилочной засыпки, пропитанной солевым раствором, оттаивание про­исходит как в направлении сверху вниз, так и снизу вверх (рис.3.27, в). При этом трудоемкость подготовительных работ значительно выше, чем в первых двух вариантах. Применяют этот способ лишь в исключительных случаях, когда необходимо экстренно осущест­вить оттаивание грунта.

Паровое оттаивание основано на впуске пара в грунт, для чего применяют специальные технические средства - паровые иглы (рис.3.28), представляющие собой металлическую трубу длиной до 2м, диаметром 25...50 мм. На нижнюю часть трубы насажен наконечник с отверстиями диаметром 2...3мм. Иглы соединяют с паропроводом гибкими резиновыми шлангами с кранами. Иглы заглубля­ют в скважины, предвари­тельно пробуриваемые на глубину, равную 0,7 глу­бины оттаивания. Сква­жины закрывают защит­ными колпаками, снаб­женными сальниками для пропуска паровой иглы. Пар подают под давлени­ем 0,06...0,07 МПа. После установки аккумулированных колпаков прогреваемую поверхность покрывают слоем термоизолирующего материала (например, опилок). Иглы располагают в шахматном порядке с расстоянием между центрами 1...1,5 м. Рас­ход пара на 1м³ грунта составляет 50...100 кг. Этот метод требует расхода теплоты примерно в 2 раза больше, чем метод глубинных электродов.

Рис.3.28 Оттаивание грунта паром (размеры в м): Рис.3.29 Оттаивание грунта электронагревателями:

а - общая схема; б - паровая игла; а - общая схема; б – схема электроиглы;

1 - паропровод; 2 - паровой вентиль; 1 - электрическая сеть; 2- электроигла;

3 - колпак; 4 - пробуренная скважина; 3 - нагревательный элемент (электроспираль);

5 - паровая игла; 6 – наконечник 4 - стальная труба

Оттаивание электронагревателями основано на передаче теп­лоты мерзлому грунту контактным способом. В качестве основных технических средств применяют электроиглы (рис.3.29), представляющие собой стальные трубы длиной около 1м, диаметром до 50...60 мм. Внутри иглы ус­тановлен нагревательный эле­мент, изолированный от кор­пуса трубы. Нагревательный элемент имеет контактные вы­воды для подключения к элек­трической цепи. Нагреваясь, он передает тепловую энергию стальному корпусу, а тот - мерзлому грунту.

При оттаивании грунтов электронагревателями теплота распространяется в радиальном направлении.