#G0
УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНОЛОГИИ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
При строительстве в условиях жаркого климата обычно ориентируются на две его особенности - сухой и влажный.
Сухой жаркий климат характеризуется совокупностью для данной местности метеорологических условий: продолжительным (более 100 дней в году) знойным летом, высокими температурами воздуха (абсолютной - более 40 °С и среднесуточной самого жаркого месяца - более 20 °С) и средней относительной влажностью воздуха менее 50%, случайными осадками, пылевыми бурями.
Дня жаркого влажного климата характерны умеренный максимум дневных температур - до 25-З5 °С, высокая относительная влажность воздуха - более 60%, значительная годовая сумма осадков - 500мм и выше.
При климатическом районировании с учетом строительства кроме сухого и влажного жаркого климата различают горный климат, климат приморских пустынь, климат саванн и муссонов, климат океанских островов. Эти климаты по основным показателям занимают промежуточное положение между жарким сухим и влажным.
Для уменьшения отрицательного влияния жаркого сухого и влажного климата на процесс возведения земляного сооружения выполняются следующие мероприятия:
защита грунта от переувлажнения (при тропических ливнях) и пересушивания;
закрепление пылеватых, песчаных и лессовых просадочных грунтов;
организация пропуска (отвод) ливневых вод;
подготовка землеройно-транспортных машин.
Пересушенные и переувлажненные грунты усложняют производство работ, так как при малой влажности связные грунты приобретают большую прочность и требуют предварительного рыхления, что улучшает уплотнение грунта при отсыпке в насыпь, увеличивает пылеобразование. Несвязные грунты снижают производительность землеройно-транспортных машин.
При большой влажности связные грунты теряют несущую способность, дают просадки, увеличиваются в объеме (набухают), снижают производительность машин, так как становятся липкими.
Для предупреждения пересушивания грунтов площадку застройки покрывают влаго- и воздухонепроницаемой пленкой и присыпают слоем грунта.
Для предупреждения переувлажнения грунтов устраивают отводные канавы, производят планировку поверхности для стока воды, устраивают пленочные покрытия для предупреждения инфильтрации ливневых и паводковых вод.
При возведении земляных сооружений с использованием лессовых грунтов, супесей, барханных, пылеватых, мелких и засоленных песков выполняют (при необходимости) глубинное закрепление и поверхностное укрепление для повышения несущей способности, снижения деформативности и фильтрационной способности, защиты от агрессивных грунтовых вод.
При устройстве выемок в районах с жарким сухим климатом применяют бульдозеры, скреперы, автогрейдеры, одноковшовые и роторные экскаваторы. При этом, рабочее движение машин и механизмов назначают против или под углом к направлению господствующих ветров. В барханных песках откосы выемки (насыпи) должны иметь показатель откоса не менее 1,5, на обводненных участках он достигает 3-4.
При разработке грунта в траншее бульдозером, как правило, применяются две схемы: продольно-поперечная и челночно поперечная. (рис.1)
Рис. 1. Разработка грунта в траншее бульдозерами:
а - продольно-поперечная схема; б) челночно поперечная схема, 1,2,3 -бульдозер
Разработка грунта бульдозером производится при глубине траншеи не более 1-1,5 м, при большей глубине применяется комбинированная схема разработки: до глубины 1,0-1,5 м грунт разрабатывается бульдозером, а свыше - экскаватором (рис.2).
Рис.2. Комбинированная схема разработки грунта
Траншеи глубиной более 1,5 м в сыпучих песках разрабатываются экскаватором, оборудованным драглайном с ковшом емкостью менее 1-1,25 м3. Отвалы сыпучего песка располагают с подветренной стороны.
Рекомендуется увлажнять разрабатываемые грунты до определенных значений, что снижает запыленность воздуха и облегчает их разработку. Затраты на увлажнение окупаются снижением себестоимости примерно на 10%.
В связных и влажных песчаных грунтах разработку траншей целесообразно выполнять роторными экскаваторами или бульдозерами лотковым (траншейным) способом.
Глинистый грунт повышенной влажности при разработке налипает на рабочие органы машин, что снижает их производительность. Для борьбы с налипанием грунта используют полимерные и электролитические покрытия, газовую и жидкую смазки, а также вибрацию и подогрев рабочих органов машин до 50-70°С выхлопными газами
Для возведения насыпей следует применять грунты однородные по составу с грунтами основного массива. Лучше всего для этой подходят песчаные зернистые, супесчаные и гравелистые грунты высокой фильтрующей способностью , прочностью во влажном состоянии и постоянством объема при колебаниях температуры и влажности. Набухающие при увлажнении и уменьшающиеся в объеме при высыхании грунта применяют лишь для отсыпки нижних слоев насыпи высотой более 2 м,
При возведении насыпи в условиях жаркого и сухого климата эффективнее использовать скреперы, так как грунт при транспортировании меньше высушивается. Для предохранения отсыпанного грунта и пересыхания необходимо его уплотнять сразу после отсыпки.
Для эффективного уплотнения грунт доводят до оптимальной влажности, искусственно увлажняя или осушая его. Оптимальная влажность для уплотнения у песчаных грунтов должна быть 8-12%, у супесчаных 9-22%, у суглинистых - 12-20%, у глинистых - 16-30%. На увлажнение 1 м3 грунта расходуется до 300 л воды. Применение транспорта (грейдера-элеватора) при отсыпке, грунта в насыпь не эффективно, так как увлажненный грунт прилипает к ленте, а оптимальный по влажности грунт пересыхает и требует увлажнения или рыхления перед уплотнением. Для ускорения высушивания переувлажненные грунты перемешивают бульдозером или экскаватором.
При укладке грунта в насыпь его уплотняют укаткой, вибрированием и трамбованием. Так, несвязные грунты уплотняют катками на пневматических шинах. Максимальная производительность механизмов уплотнения будет в том случае, если предварительно уплотнение производится более легкими катками.
Тяжелые связные грунты уплотняют последовательно тремя способами:
1) легкими уплотняющими механизмами;
2) средними уплотняющими механизмами;
3) тяжелыми уплотняющими механизмами.
При строительстве в условиях отрицательных температур учитывается два основных фактора, влияющих на технологический процесс возведения земляных сооружений: отрицательная температура воздуха и отрицательная температура грунта.
Грунт может иметь отрицательную температуру и при положительной температуре воздуха, что характерно, для многолетнемерзлых грунтов. Толщина мерзлого слоя таких грунтов может достигать нескольких десятков и сотен метров.
С понижением температуры механическая прочность грунта возрастает, а величина пластических деформаций резко уменьшается и грунт становиться хрупким Поэтому разработку мерзлых грунтов при значительно низких температурах эффективно производить путем рыхления при отрицательных температурах, близких к нулю - резанием
Разработка мерзлого грунта имеет особое значение, поскольку резко снижает производительность землеройных машин и повышает стоимость земляных работ.
Современные способы разработки грунтов при отрицательных температурах подразделяются на:
разработку в талом состоянии после предварительного оттаивания и предохранения его от промерзания;
разработку в мерзлом состоянии после предварительного его рыхления;
разработку в естественном мерзлом состоянии.
Способ производства работ выбирается на основании технико-экономического сравнения вариантов, разработанных в зависимости от объема работ, условий и сроков их выполнения, характера и состояния грунта, наличия средств механизации. При выборе варианта следует учитывать, что рыхление мерзлого грунта при промерзании на глубину 0,4-1,0 м дороже, чем своевременное предохранение его от промерзания, но дешевле, чем оттаивание грунта.
С целью снижения трудозатрат и стоимости разработки мерзлого грунта работы по предохранению его от промерзания осуществляют перед наступлением заморозков.
Одной из эффективных мер по уменьшению толщины слоя промерзания грунта является устройство снегозадержания на площадке будущей застройки. Щиты снегозадержания относительно контура здания (сооружения) устанавливаются на определённом расстоянии, которое зависит от размеров сооружения, скорости и направления господствующих ветров (рис.3.). Щиты по мере накопления снега переставляют (рис.4, положения I, II, III).
Рис.3. Снегозадержание для защиты грунта от глубокого промерзания: I - щиты снегозадержания; I, II, III - положение щитов по мере накопления снега
Слабодренирующие грунты от глубокого промерзания могут быть защищены ледозащитной оболочкой (рис. 4). Для этого на определенном расстоянии от осей создают земляной вал высотой около 0,5 м. Затем по всей площади забивают колышки с шагом 1,5 м, высота над землей которых 15-20 см. Образовавшийся бассейн заполняют водой, на которой образуется ледовая корочка толщиной 10-15 мм, после чего воду спускают. Образовавшаяся воздушная прослойка между грунтом и льдом, удерживаемым забитыми колышками, защищает грунт от глубокого промерзания.
Рис.4. Схема ледозащиты грунта от глубокого промерзания:
1 - отверстия для спуска вода; 2 - земляной вал; 3 - ледовая оболочка; 4 - колышки; 5 - воздушная прослойка
Предохранять грунт от промерзания на небольших площадях можно, используя для укрытия шлак, торф, опилки, шлаковату и т.п.
При определении необходимой минимальной толщины слоя утепляющих материалов глубину промерзания грунта в данной местности за вычетом допустимой глубины промерзания для заданного экскаватора.
Одним из эффективных способов предохранения грунта от промерзания является предварительное рыхление.
Так, для малосвязных (супесчаных, гравелистых) грунтов применяют поверхностное неглубокое рыхление методом вспахивания (рис.5).
Предварительное глубокое рыхление грунта (до 1.3-1,5м) с целью защиты от промерзания производится с помощью экскаватора, оборудованного прямой лопатой. Этот способ применяют в малосвязных грунтах на участках, разработка грунта на которых будет производиться в последнюю треть зимы.
Одним из традиционных способов снижения или даже предотвращения смерзания грунтов является их засоление. Суть этого способа заключается в смешивании предварительно разрыхленного верхнего слоя грунта с минеральными солями соляной (азотной) кислоты, благодаря чему температура его замерзания снижается. На пропитку слоя грунта толщиной 1 м на площади I м2 расходуется 4-9 кг, а при глубине до 1.8 м и влажности грунта 30% -до 40 кг соли. Пропитка поверхности осуществляется за 2-3 месяца до установления отрицательных температур.
Рис.5. Защита грунта от промерзания вспахиванием: 1 - естественный слой снега; 2 - заборонованный слой грунта; 3 - вспаханный грунта.
Оттаивание мерзлого грунта применяется. как правило, при небольших объемах земляных работ и сравнительно небольшой глубине их промерзания. В зависимости от направления теплового потока оттаивание грунта ведется сверху вниз, снизу вверх и в радиальном направлении.
Наиболее распространенным способом оттаивания грунта сверху вниз является огневой способ. В качестве топлива используются дрова, уголь, торф, применяется также жидкое топливо (мазут, соляровое масло). Достоинство способа - простота и малая трудоемкость, главный недостаток - непроизводительная потеря тепла в окружающую среду (рис.6).
Режим процесса оттаивания состоит из воздействия тепла на грунт в течение 7-8 ч и периода аккумуляции его в течение 16-18 ч. Расход топлива на 1 м3 оттаявшего грунта составляет приблизительно: торфа - 120-140 кг, угля -30-60 кг., дров -0.16 м3.
Оттаивание мерзлых грунтов осуществляется с помощью электродов из круглой арматурной стали диаметром 16-20 мм или труб диаметром 20-50 мм. При разогреве мерзлого грунта сверху вниз электроды укладываются горизонтально в теплоизолирующий токопроводящий материал (рис. 7). Трехфазный переменный ток, проходя по слою опилок, пропитанных слабым раствором соли, выделяет тепло, за счет которого разогревается теплоизолирующая прослойка и лежащий под ней слой мерзлого грунта с огневым, однако нуждается в продолжительной работе автономного источника электрического тока или трансформаторной подстанции и линии электропередачи. Расход электроэнергии на 1 м3 составляет 60-100 кВт ч при глубине промерзания 60-70 см.
Рис.6. Оттаивание грунта огневым способом; 1-металлический короб(листовая сталь 2-4 мм); 2-теплоизоляция; 3-топливо.
Рис.7. Электроподогрев вертикальными электродами; I - электроды.
Удельное электрическое сопротивление талого грунта значительно ниже, чем у мерзлого, поэтому при погружении электродов в мерзлый грунт до границы с талым грунтом обеспечивается быстрый его разогрев и создается мощный тепловой поток, направленный в верхние слои, выполняющие роль утеплителя. При таких условиях снижаются затраты электроэнергии (на 1м3- 30-50 кВт. ч). Этот способ более электробезопасен и хорошо поддается автоматическому регулированию параметров.
В настоящее время широко применяется электрохимический способ оттаивания грунта. Сущность его заключается в том, что сначала нарезаются неглубокие борозды во взаимно перпендикулярных направлениях, которые заполняют раствором соли. В местах пересечения борозд в грунт погружают электроды. В этом случае разогрев грунта происходит двумя встречными потоками: снизу вверх за счет разогрева талого грунта и сверху вниз за счет выделения тепла при прохождении электрического тока через раствор соли (рис. 8).
Основной недостаток разогрева мерзлого грунта вертикальными электродами - трудоемкость по бурению скважин для установки электродов. Оттаивание мерзлого грунта в радиальном направлении достигается, если теплоноситель пропускается через специальные устройства, помещенные вертикально в толщу грунта. В качестве таких устройств (рис. 9) могут использоваться паровые или водяные иглы (закрытые трубчатые конструкции диаметром 60-100 мм внутри которых пропускается пар или горячая вода), ТЕНы (трубчатые элементы, внутри которых встроены электронагревательные спирали, помещенные в трансформаторное масло). Данные конструкции, передавая через трубчатые стенки внутреннее тепло окружающему грунту в горизонтальной плоскости, оттаивают его в виде цилиндров. При удалении игл друг от друга на расстояние, не превышающее радиуса действия игл, достигается сплошное оттаивание грунтового массива.
Рис.8. Электрохимическое оттаивание грунта: 1 - талый грунт-2 - мерзлый грунт; 3 - оттаявший грунт; 4 - борозды, заполненные электролитом; 5 - электроды; 6 - электрокабель
Рис.9. Оттаивание грунта паровыми (водяными) иглами;
1- паровая (водяная) магистраль; 2 - паровая игла; 3-гибкий шланг; 4 -вентиль.
Оценка различных способов подготовки 1 м3 грунта путем оттаивания показывает, что все они являются трудоемкими и дорогими. Особенно дорогим является оттаивание при сжигании твердого топлива. Все это свидетельствует о том, что оттаивание мерзлых грунтов, следует применять, когда невозможно или нецелесообразно использовать более экономичные способы механического разрушения.
Наибольшее распространение в практике зимнего строительства получил способ механического разрушения мерзлых грунтов.
Рис.10. Разрушение мерзлого грунта шар-молотом.
В связи со случайным положением точек падения шар-молота этот способ наименее эффективен. Более широкое применение получили клин-молоты, внедряемые в мерзлый грунт копровыми установками, оснащенными паровыми, дизельными или электроразрядными молотами (рис.11).
Этот способ обеспечивает рыхление слоя грунта толщиной до 1,3 м.
С появлением новых мощных тракторов стало широко применяться рыхление мерзлого грунта рыхлителями с криволинейными рычагами которые внедряются в грунт на глубину до 1 м. Число рычагов может быть от 1 до 5. Наилучший результат достигается при разработке пластично-мерзлых грунтов. При большой толщине мерзлого грунта его рыхление осуществляется слоями 50-70 см (рис.12).
При малой глубине промерзания (до 0,4-0,5 м) разработка мерзлого грунта осуществляется обычными одноковшовыми экскаваторами с емкостью ковша 0,6-0,85 м3. Кроме того могут применяться экскаваторы, оборудованные обратной лопатой, ковш которой снабжен "активными" зубьями.
Рис.11. Комбинированный способ разработки мерзлого грунта: 1 - экскаватор; 2 - клин; 3 - молот; 4 - копровая установка; 5 - автосамосвал; 6 - места стоянки экскаватора; 7 - места стоянки копровой установки; 7 - отвал грунта
Рис.12. Разрушение мерзлого грунта рыхлителем: 1 - трактор; 2 - гидроподъемник; 3 - рыхлитель.
"Активный" зуб представляет собой клин, продольно перемещающийся под воздействием пневматического устройства. При глубине промерзания до 1 м могут быть применены баровые машины, которые прорезают в мерзлом грунте щели шириной 50 -150 мм во взаимно перпендикулярных направлениях. Разрезанный на куски мерзлый грунт отделяется от массива трактором или грузится экскаватором в транспортные средства.
Рыхление мерзлого грунта может осуществляться также взрывным способом. Этот способ применяется при глубине промерзания грунта более 0,8 м (преимущественно на незастроенных участках), на застроенных участках - с применением укрытий и локализаторов взрыва.
При рыхлении мерзлого грунта на глубину промерзания до 1,5м применяется шпуровой и щелевой методы. При глубине рыхления до 2 м применяют сосредоточенные заряды, а при большей глубине - рассредоточенные. Щели в мерзлом грунте нарезают баровыми и щеленарезными машинами на расстоянии 0,9 м одна от другой для экскаваторов с ковшом емкостью до 0,65 м3, а для более мощных экскаваторов - на расстоянии 1-1,2 м (рис.13).
Рис.13. Расположение щелевых зарядов при рыхлении грунта взрывным способом: 1 - зарядная щель; 2 - компенсирующая щель; 3 - забоечный грунт; 4 - заряд ВВ.
Рыхление грунтов взрывным способом вблизи зданий и сооружений опасно разлетом кусков и сейсмическими колебаниями почвы.
В связи с этим в городских условиях следует производить короткозамедленное взрывание.
Выбор наиболее экономичного и рационального способа рыхления мерзлых грунтов производят путем технико-экономического сравнения вариантов. Следует более широко применять мощные (110-220 кВт) и сверхмощные (свыше 220 кВт) бульдозеры, оборудованные рыхлителями.
После подготовки грунтов к разработке в условиях отрицательных температур приступают к их разработке и транспортированию. При этом технологический процесс устройства земляных сооружений существенно не отличается от технологического процесса при положительной температуре, однако есть особенности, которые необходимо учитывать.
Значительная прочность глыб и комьев мерзлой земли после рыхления механическим способом не позволяет производить уплотнение его в зимнее время. Поэтому запас на усадку следует несколько увеличить (на 5-7%) против норм для талого грунта.
Как правило, работы на строительной площадке, если ее размер позволяет, ведутся по захваткам с применением комплексной механизации. Выемки в зимних условиях можно разрабатывать с вертикальными стенками. Грунтовое основание под фундаменты необходимо утеплить, чтобы исключить возможность вспучивания грунта.
Существуют блочные методы разработки, сущность которых заключается в том, что мерзлый грунт нарезается на блоки землеройными машинами, оборудованными дисковыми пилами или барами. Ориентировочные размеры блоков в зависимости от глубины промерзания и мощности экскаватора принимаются от 0,6м х 0,8м до 1,0м х 1,1 м.
При ширине траншей до 2 м достаточно сделать продольные прорези вдоль траншеи, а при ширине более 2 м делают и поперечные прорези под углом 30°, нарезая при этом блоки в виде ромбов.
При разработке небольших котлованов, а также вблизи зданий, когда недопустимо сотрясение грунтового массива, рекомендуется применять крупноблочный метод, при этом масса блоков не должна быть более 4-10 т. Блоки удаляются из забоя строительными кранами, тракторами или лебедками.
Мерзлый грунт нарезается на блоки, которые перемещаются в отвал и грузятся краном в автосамосвал для транспортировки за пределы строительной площадки. Талый грунт дорабатывается до проектной отметки экскаватором с прямой лопатой и грузится в автосамосвал (рис.14).
Рис.14. Схема разработки мерзлого грунта в котловане с применением комплексной механизации: 1 - баровая машина; 2 - нарезанные блоки мерзлого грунта; 3 - трактор-тягач; 4 - отвал для блоков мерзлого грунта; 5-въеэд и выезд в котлован; 6 - экскаватор с прямой лопатой; 7 - автосамосвал для вывоза талого грунта; 8 -автосамосвал для вывоза блоков мерзлого грунта; 9 - кран для погрузки блоков
Разработка мерзлых грунтов - трудоемкий процесс, и многие способы подготовки и разработки грунтов в условиях отрицательных температур отличаются не только значительной трудоемкостью, но и стоимостью. Поэтому необходимо стремиться применять механизмы, способные разрабатывать грунты в мерзлом состоянии без предварительной подготовки. Кроме того необходимо стремиться к тому, чтобы выполнять земляные работы в теплое время года.