книги из ГПНТБ / Тарновский, Ю. К. Механизированная разработка грунта в зимнее время

описанных выше процессов промерзания грун­ та оказывает значительное влияние наличие на его поверхности термоизоляционного слоя. Та­ кими слоями являются: растительный грунт, обладающий пористой структурой и удержива-

Рис. 5. Схема влияния термоизоляционного покрова на режим промерзания и оттаивания грунта

ющий значительное количество воздуха, и сне­ говой покров, который в свежевыпавшем состо­ янии содержит до 85% пор, заполненных воз­ духом. В некоторых случаях искусственно создают термоизоляционные укрытия грунта.

Наличие термоизоляционного покрова (рис. 5) в начале холодного периода отдаляет время начала промерзания грунта и уменьша­ ет глубину промерзания h\. В период оттаива­ ния наличие термоизоляционного покрова от­ даляет время начала оттаивания грунта сверху вниз. Поэтому большая часть оттаивания про­ исходит снизу вверх и период оттаивания поч­ ти не сокращается. Из этого следует сделать вывод, что при желании уменьшить количество грунта, разрабатываемого в мерзлом состоя­ нии, следуй создавать на его поверхности тер­ моизоляционное укрытие до наступления хо­

20

лодов, а при наступлении теплого времени го­ да следует расчищать поверхность грунта.

При замерзании грунтов их основные физи­ ческие свойства претерпевают значительные изменения. Учет этих изменений необходим для сознательного подхода к выбору методов и оборудования для разработки грунтов в зим­ нее время.

Т а б л и ц а 3

Механическая прочность мерзлого грунта

Временное сопротивление мерзлого грун та при тем пературе —10°С в кг/см2

Механическая прочность грунтов (табл. 3) при замерзании значительно возрастает. Наи­ большей величины достигает при этом проч­ ность на сжатие, но вместе с тем возникает и сопротивление на растяжение, которое при та­ лом состоянии грунта близко к нулю.

Из приведенных цифр видно, что сопротив­ ление на растяжение составляет 7 з сопротив­ ления на сжатие. Поэтому наиболее эффектив­ ным способом разрушения твердомерзлых грунтов является разрушение их скалыванием, а не раздавливанием (резанием). В то же вре­ мя эффективность этого способа резко снижа­ ется при повышении температуры разрабаты­ ваемого грунта, когда он приобретает пластич­ номерзлые свойства, а механическая прочность резко падает.

21

При разработке мерзлых связных грунтов в зимнее время при низких отрицательных температурах разрешается рыть траншеи котлованы глубиной до 4 ж без креплении с вертикальными стенками с замораживанием грунта в стенках, если оно обеспечивает их прочность и устойчивость. Не допускается ка­ кая-либо загрузка бровок выемки (в том числе и вынутым из нее грунтом) на расстоянии менее 1 м. При этом нужно рассчитывать на то, что до момента засыпки выемки не произой­ дет значительного потепления, так как при по­ вышении температуры грунта в связи с паде­ нием механической прочности проявляются пластические деформации, выражающиеся в текучести грунта. Явление это объясняется тем, что вода, входящая в состав мерзлого грунта, частично оттаивает при отрицательных темпе­ ратурах в процессе их повышения, поэтому не­ обходимо своевременно принимать меры к обеспечению устойчивости вертикальных и кру­ тых откосов, особенно в тех случаях, когда они могут находиться под действием не только собственного веса, но и какой-либо дополни­ тельной нагрузки (например, крана).

Разрыхленный при отрицательной темпера­ туре, но неубранный мерзлый грунт при после­ дующих колебаниях температуры обладает способностью повторного смерзания. Это явле­ ние объясняется переходом отдельных частей воды, содержащихся в мерзлом грунте, из твердого состояния в жидкое и обратно. Явле­ ние повторного смерзания чаще всего бывает при температурах, близких к нулю, и наоборот, при ontnb низких температурах (—30 ч- -•-----40° С) оно практически не наблюдается.

Необходимо также учитывать, что в зимнее

22

время грунт, разрабатываемый в талом состоя­ нии, легко может замерзнуть, при условии до­ статочной влажности, как в процессе его транс­ портирования, так и при перерывах в работе. Время начала замерзания грунта в зависимос­ ти от температуры наружного воздуха приве­ дено ниже:

Разрыхленный мерзлый грунт имеет структуру, состоящую из отдельных глыб или комь­ ев, размер которых зависит от примененного способа разрыхления и вида оборудования. Объем пустот, образующихся между этими глыбами или комьями, очень велик. Величина первичного разрыхления для мерзлого грунта значительно больше, чем для талого, и дости­ гает иногда 35—50%, причем величина эта за­ висит как от рода грунта, так и от использо­ ванного метода разрыхления. В связи с этим

Т а б л и ц а 4

Нормы запаса высоты на усадку неуплотняемых насыпей с примесью мерзлого грунта

23

запас на усадку насыпей, возводимых без уп­ лотнения с примесью мерзлого грунта, увели­ чивается по сравнению с нормой для талого нескального грунта до величин, указанных в табл. 4.

Эту особенность мерзлого грунта следует учитывать также при выборе транспортных средств для отвозки грунта, разрабатываемого в мерзлом состоянии, так как относительно не­ большой объемный вес мерзлого грунта может привести к недоиспользованию транспортных средств по грузоподъемности. Так, например, мерзлый песок объемным весом 1600 кг/м3, бу­ дучи разработан в мерзлом состоянии при ве­ личине первичного разрыхления в 40%, будет

весить только 1600 =1140 кг/м3.

1+0,4

Повышенную величину первичного разрых­ ления мерзлого грунта необходимо принимать во внимание также при определении размеров временных отвалов для мерзлого грунта.

Поскольку мерзлый грунт почти не подда­ ется уплотнению механическими средствами, величина его остаточного разрыхления почти не отличается от первичного разрыхления. Осад­ ка его происходит только после оттаивания, и потому применение его для сооружения насы­ пей ограничено, а величины запаса на усадку для него повышены.

При замерзании грунтов подвергаются из­ менению также их основные теплофизические характеристики. Теплопроводность мерзлого грунта повышается по сравнению с талым со­ стоянием. Поэтому, после того как замерз верхний слой грунта, создаются более благо­ приятные условия для дальнейшего промерза­ ния грунта вглубь. Напротив, в период весен­

24

него оттаивания, после перехода верхнего слоя грунта в талое состояние, его теплопровод­ ность уменьшается и условия для распростра­ нения тепла вглубь ухудшаются, что и находит отражение в форме кривых изменения состоя­

зании понижается. Эт’от фактор оказывает вли­ яние, аналогичное предыдущему, на ускорение промерзания в начале зимы и замедление от­ таивания весной. Поэтому увеличение глубины промерзания происходит значительно более интенсивно, чем увеличение глубины оттаива­ ния сверху вниз.

При замерзании грунта в связи с перехо­ дом в лед, который является диэлектриком (непроводником тока), части воды, содержа­ щейся в грунте и являющейся единственным то­ копроводящим компонентом грунта, снижает­ ся его электропроводность. Поскольку при дальнейшем понижении температуры мерзлого грунта продолжается процесс перехода в лед первоначально незамерзших частей воды, при этом беспрерывно повышается и электросопро­ тивление грунта. Практически можно считать, что твердомерзлый грунт является диэлектри­ ком. Характер изменения основных физиче­ ских свойств грунта при его замерзании и по­ следующее понижение температуры показаны на графике (рис. 6). За 100%-ную величи­ ну каждой характеристики принята вели­ чина, соответствующая талому состоянию грунта.

При замерзании грунта резко падает и его водопроницаемость, которая характеризуется коэффициентом фильтрации, достигая величи-

25

фильтрации

Рис. 6. График изменения физических свойств грунта при замерзании

26

ны, близкой к нулю. Это объясняется закрыти­ ем грунтовых пор льдом.

Как видно из графика, многие свойства мерзлых грунтов меняются в широких преде­ лах в зависимости от его температуры. В то же время, как было указано выше, температура мерзлого грунта в пределах слоя сезонного промерзания различна на разных глубинах. У дневной поверхности она близка к темпера­ туре наружного воздуха (при отсутствии како­ го-либо термоизоляционного покрова, напри­ мер снега), а на нижней границе слоя промер­ зания она близка к 0°С. Поэтому и физиче­ ские свойства грунта по толщине слоя промер­ зания не одинаковы и могут включать и твер­ домерзлую и пластичномерзлую зоны. У днев­ ной поверхности грунт обладает наибольшей механической прочностью и наименьшими пла­ стическими деформациями, а по мере заглуб­ ления все больше приближается к свойствам, характерным для данного грунта в талом со­ стоянии.

Такая неоднородность грунта мерзлого слоя весьма затрудняет вопрос выбора целесо­ образного метода и оборудования для его раз­ работки в мерзлом состоянии. Оборудование, работающее по принципу раскалывания (нап­ ример, клинтмолот), весьма эффективно разру­ шает верхнюю корку и заклинивается в ниж­ них, пластичных слоях мерзлого грунта. Обо­ рудование, работающее по принципу резания (например, одноковшовый экскаватор), отно­ сительно легко разрабатывает нижние слои се­ зонно промерзающего грунта, но иногда оказы­ вается не в силах разрушить верхнюю корку.

Изменяется по высоте мерзлого слоя и влажность грунта, так как влага мигрирует по

27

капиллярным каналам от нижних, более теп­ лых слоев грунта, к верхним, более холодным. В связи с этим на границе мерзлой и талой зо­ ны образуется горизонтальная прослойка по­ ниженной механической прочности, по которой грунт легко разрушается в процессе разра­ ботки.

Температура замерзшего грунта не являет­ ся также постоянной величиной для различных географических пунктов и для различных ка­ лендарных сроков в течение зимнего времени. В зависимости от этого, а также от грануло­ метрического состава грунта и степени его водонасыщенности механические свойства мерз­ лых грунтов колеблются в довольно широком диапазоне. В связи с этим при выборе методов производства земляных работ в зимнее время весьма желательно (во всяком случае при зна­ чительном объеме таких работ) уточнить дей­ ствительные характеристики мерзлого грунта. Для этого нужно определить фактическую тем­ пературу грунта на разных глубинах и толщи­ ну мерзлого слоя. Это делается бурением тем­ пературных скважин, глубина которых должна превышать ожидаемую максимальную глубину промерзания по крайней мере на 0,5 м. Сверху такая скважина должна защищаться утеплен­ ным колпаком для предотвращения проникно­ вения внутрь холодного воздуха, нарушающе­ го естественный геометрический режим грунта.

Для замера температур в скважину опуска­ ют несколько термометров, связанных вместе так, чтобы была известна глубина каждого из них по отношению к дневной поверхности. Для этого пользуются специальными «вытяжными» термометрами, особенность которых заключа­ ется в том, что они имеют повышенную тепло­

28

вую инерцию (ввиду того что резервуар ртути в них окружен гильзой с медными опилками). Такая конструкция термометра дает возмож­ ность производить отсчеты по нему в пределах 30—40 сек после его извлечения из темпера­ турной скважины. Определив при помощи термометров температуру грунта на разных уровнях, легко можно определить ту глубину, на которой проходит линия нулевой темпера­ туры и которая является нижней границей про­ мерзания грунта.

Граница эта может быть определена и дру­ гим способом: опусканием в скважину метал­ лической трубки (диаметром 20—25 мм), за­ крытой снизу и имеющей по всей длине деле­ ния через 5 см и небольшие отверстия, соответствующие делениям. Перед опусканием в скважину трубку заполняют увлажненным суглинком. После оставления в скважине на некоторое время трубку извлекают на поверх­ ность и сквозь отверстия в стенке производят прокалывание грунта шилом. В зоне талого грунта это легко осуществимо, а в зоне замерз­ шего грунта — нет. Это и дает возможность оп­ ределить границу замерзания грунта.

Как было упомянуто выше, процессы замер­ зания и оттаивания содержащейся в грунте во­ ды протекают с явлением тепловой инерции, т. е. оттаивание соответствующих долей воды происходит при более высокой (близкой к ну­ лю) температуре, чем их замерзание. С другой стороны, механическая прочность мерзлого грунта зависит от количества содержащейся в нем воды, перешедшей в твердую фазу и сце­ ментировавшей минеральные частицы.

Поэтому в течение зимнего периода при од­ ной и той же отрицательной температуре грун­

29