11.5. Способи підготовки мерзлих ґрунтів до розробки

Описані вище способи захисту ґрунтів від промерзання, як показують практика й досвід багатьох будівельних організацій, не у всіх випадках бувають можливі й доцільні. Це є свого роду причиною для розробки ґрунтів у стані їхнього сезонного промерзання. Однак з огляду на існуючий парк землерийних машин, непридатних для розробки мерзлих ґрунтів, останні необхідно до початку робіт підготувати одним з наступних способів: відтаванням; буровибуховим методом; механічним розпушуванням.

11.5.1. Відтаювання

Цей спосіб підготовки ґрунту до екскавації застосовується, як правило, при виконанні робіт поблизу будинків і споруд, у стиснутих і складних умовах міського господарства при виконанні ремонтних й аварійних робіт, а також при наявності насипного ґрунту з домішками великого каміння, відходів будівництва, металу й т.п. — отже, у тих випадках, коли способи активного (механічне розпушування, вибухи й т.п.) впливу на ґрунт у результаті динамічних навантажень можуть викликати небажані деформації або зашкодити існуючій будівлі чи інженерній комунікації, або коли зазначені способи малоефективні. При цьому способі в товщу мерзлого ґрунту вводять тепло. У результаті цього ґрунт відтає.

Способи відтавання мерзлих ґрунтів можна класифікувати за видом теплоносія (гаряче повітря, пара, гаряча вода, електричний струм або сонячна енергія) і за напрямком поширення тепла або переміщення границі відтавання (зверху вниз, тобто від денної поверхні вглиб ґрунту; знизу нагору — від нижньої границі мерзлого шару до денної поверхні й, нарешті, у горизонтально-радіальному напрямку від джерела тепла). Відповідно класифікуються й установки, призначені для відтавання мерзлих ґрунтів.

При виборі способу відігрівання ґрунту варто керуватися ефективністю обраного методу й наявністю дешевих джерел тепла.

При вогневому методі відтавання ґрунту може застосовуватися тверде (дрова, торф, кокс, кам’яне вугілля), рідке (гас, бензин, дизельне паливо, масло), а також газоподібне паливо (вугільний, нафтовий або інший природний газ). Однак незалежно від виду палива, яке використовується, ділянки ґрунту, на яких розміщають установки й пристрої для відтавання, повинні бути ретельно очищені від снігу й льоду. Це дозволяє скоротити витрату палива й зменшити строки відігрівання ґрунту.

При використанні твердого палива майданчик, що відігрівається накривають металевими коробами-сегментами (рис. 11.2), виготовленими з 3–4-міліметрової сталі. У комплект входять 5–7 коробів довжиною по 1,2–1,6 м кожний. Торцевий короб має заслінку або дверцята, через яку подається паливо; хвостовий короб обладнується витяжною трубою діаметром 150–200 мм. Для запобігання втрат тепла в атмосферу, економії палива й ефективності відігрівання короба його обсипають шаром піску, шлаку або прогрітого ґрунту товщиною 15–25 см.

Рис. 11.2. Відтавання ґрунту за допомогою установки, що працює на твердому паливі: 1 — топка; 2 — торцевий короб; 3 — обсипка теплоізоляційним матеріалом; 4 — димова труба; 5 — хвостовий короб; 6 — ручки для переноски коробів

Перше прогрівання роблять протягом 7–8 год, по закінченні якого тривалий час відбувається акумулювання тепла ґрунтом. При необхідності роблять повторне 7–8-годинне прогрівання, що рекомендується здійснювати із завантаженням палива із протилежної сторони установки, для чого торцевий і хвостовий короби — сегменти міняють місцями. Залежно від виду палива й температури зовнішнього повітря ґрунт на глибину до 1 м відтає за 16–28 год.

У порівнянні із твердим рідке паливо значно економніше й ефективніше. Принцип дії застосовуваних при цьому способі установок оснований на подачі горючої суміші до форсунки, розташованої під головним коробом, і розпиленні палива в струмені гарячого повітря, що сприяє подовженню факела полум’я. При створенні штучного дуття за допомогою вентиляторів довжина коробів по фронту ґрунту, що розігріває, може бути збільшена до 22–25 м. Витрата палива в середньому становить 4–5 кг на 1 м³ ґрунту. Прогрітий ґрунт за добу розмерзається на глибину 0,8–0,9 м при роботі установки протягом 14–16 год. Короби вкривають теплоізоляційним матеріалом, що не горить.

Для відтавання ґрунту ефективний і агрегат, зображений на рис. 11.3, що працює на рідкому паливі з паровим дуттям. Установка являє собою комплект коробів, що укладають по трасі майбутньої траншеї й обладнаних паливним баком, бачком-пароутворювачем і форсункою з піддоном. Для видалення продуктів горіння й створення тяги на хвостовому коробі влаштовується витяжна труба діаметром 220 мм. Форсунка з піддоном установлюється під торцевий короб, обладнаний бачком — пароутворювачем ємністю 3–4 л.

Рис. 11.3. Установка для відтавання ґрунту рідким паливом: 1 — головний короб; 2 — заслінка; 3 — форсунка; 4 — шланг подачі палива; 5 — бак з паливом; 6 — шланг подачі пари; 7 — патрубок для заливки води; 8 — бачок-пароутворювач; 9 — короб; 10 — витяжна труба; 11 — хвостовий короб

З допомогою шлангів вона з’єднується з паливним баком і бачком-пароутворювачем, що перед початком роботи наповнюється водою на 3/4 свого об’єму (залишається вільним простір, необхідний для нагромадження пари). Вода підливається в бачок через кожні 30–40 хв роботи установки.

Рис. 11.4. Схема установки, що працює на балонному газі для відтаювання ґрунту: 1 — балон з газом; 2 — редуктор; 3 — манометр на ресивері; 4 — ресивер; 5 — газовий регулятор; 6 — подаючий шланг; 7 — пальник; 8 — шар утеплювача

Перед пуском установки в роботу на піддон поблизу вихідного отвору форсунки кладуть просочене дизельним паливом ганчір’я й підпалюють його, попередньо відкривши кран подачі палива. Так як бачок-пароутворювач розміщений безпосередньо над піддоном, то в міру згоряння ганчір’я вода в ньому нагрівається, утворює пару. Остання надходить у форсунку й, змішуючись із паливом, розпилює його. Регулювати подачу палива й пари, змінювати тим самим тепловий режим у зоні підігрівання ґрунту, можна за допомогою запірної арматури, встановленої на відповідних вихідних патрубках живильних шлангів.

За допомогою описаної установки ґрунт відігрівається протягом 6–8 год., на 20–30 см, після чого агрегат знімають, а поверхню ґрунту утеплюють 20–30-сантиметровим шаром місцевих теплоізоляційних матеріалів. Через 10–14 год ґрунт додатково відтає на глибину 1 м.

При використанні газоподібного палива як пальники застосовують сталеві труби діаметром 20 мм, вихідний кінець яких має сплющений отвір. При цьому довжина полум’я факела залежить від робочого тиску газу й становить 1,5–8 м (відповідно при низькому й середньому тисках). Установка, що працює на балонному газі, зображена на рис. 11.4. Балон, що вміщує 6 м³ пального газу під тиском до 150 кгс/см², укомплектований однокамерним редуктором, призначеним для зниження тиску газу до заданого значення (звичайно 1–1,5 кгс/см²). Тиск у балоні, у камері редуктора й на виході з нього реєструється спеціальними манометрами. Через однокамерний редуктор газ надходить у ресивер, що виконує роль проміжного накопичувача. Останній обладнується контрольним манометром і газовим регулятором типу РКД-00 для регулювання й підтримування постійного газового полум’я. Послідовність виконання робіт і режим прогрівання ґрунту газом такі ж, як і при роботі на твердому або рідкому паливі.

Рис. 11.5. Парова голка

Прогрівати ґрунт парою рекомендується в тому випадку, коли одержання пари не викликає додаткових затрат по обладнанню й обслуговуванню котелень, тобто коли можна одержувати пару від уже існуючих теплових агрегатів (ТЕЦ, місцеві котельні промислових підприємств і т.п.). Для відігрівання ґрунту застосовують парові батареї (регістри) і голки. Батареї вагою не більше 50 кг кожна — виготовляють зі сталевих труб діаметром 50–100 мм з привареними із двох сторін патрубками діаметром 20 мм. Їх укладають по поверхні розталого ґрунту й з’єднують між собою відрізками гнучкого шланга, які надягають на вихідні патрубки. Після цього батареї покривають матами або засипають тирсою шаром 30–40 см, а зверху — брезентом. Пара проходить всю систему, віддаючи своє тепло ґрунту, і виходить у вигляді конденсату, що за допомогою спеціальних лотків або по трубах видаляється в каналізацію або скидається у водовідвідні канави. Цей спосіб рекомендується застосовувати при глибині промерзання ґрунту не більше 1 м.

При значно більшій глибині промерзання й обсягах робіт ґрунт розігрівають паровими голками (рис. 11.5). Парова голка — це сталева труба діаметром 30–40 мм і завдовжки 1–1,5 м з патрубком у верхній частині для з’єднання зі шлангом, що подає пару. Закінчується труба гострим наконечником з отвором для виходу пари. При цьому розташування отвору стосовно руху пари може бути радіальним або супроводжуючим. У першому випадку голки вставляються в заздалегідь пробурені отвори глибиною трохи менші, ніж глибина примерзання ґрунту; у другому — голки поступово вдавлюються в товщу ґрунту в міру його відтавання. Час витримування голок у отворах залежить від виду ґрунту й температури зовнішнього повітря й у середньому становить 3–5 год. На 1 м³ мерзлого ґрунту витрачається близько 40 кг пари.

Після припинення подачі пари й видалення голок, майданчик ґрунту що відігрівається, утеплюють шаром тирси, торфу, соломи й т.п. Радіус дії однієї голки становить 0,5–0,7 м. Голки встановлюють у шаховому порядку через 1–1,4 м. При цьому допускається трохи збільшувати відстань між отворами, беручи до уваги, що між гніздами розігрітого ґрунту можуть залишатися перемички мерзлого ґрунту товщиною 10–20 см, які не є перешкодою для екскаватора при розробці ґрунту.

У неоднорідних ґрунтах зі значною кількістю твердих включень (каміння, обрізки металу, бетонний бій і т.п.), а також у ґрунтах, додаткове зволоження яких порушує їхню структуру й знижує несучу здатність (лесові ґрунти), застосування парових голок недоцільно й неприпустимо.

Ґрунт відтаюють водою, нагрітою до температури 60–80°С, за допомогою циркуляційних голок, які встановлюють залежно від виду ґрунту через 1,2–1,5 м у попередньо пробурені отвори глибиною, меншою на 20–25 см, ніж шар промерзання. Голка являє собою дві труби, вставлені одна в одну й закінчується гострим наконечником без отвору. Гаряча вода подається центробіжною помпою у внутрішню трубу, там нагріває стінки (під час циркуляції) зовнішньої труби і, віддавши тепло ґрунту, по зворотному трубопроводу повертається в котельню для повторного підігріву. Мережа постачаючих і розвідних трубопроводів укладається по ґрунту на тимчасових опорах й утеплюється. Тривалість подачі води для відтавання ґрунту на глибину до 1 м при радіусі дії голки 0,6–0,8 м становить 24–36 год.

При достатній кількості електроенергії мерзлий ґрунт можна розігрівати за допомогою горизонтальних або вертикальних електродів, а також спеціальних нагрівачів, що працюють на електричному струмі.

Горизонтальні електроди зі смугової або круглої сталі завдовжки до 3 м укладають безпосередньо на мерзлий ґрунт, попередньо очищений від снігу. Тому що останній не є провідником, електроди покривають шаром тирси (до 20 см), змоченим 1–2% розчином хлористого натрію або хлористого кальцію.

Спочатку електричний струм нагріває шар тирси до температури 80–90°С, тепло якої передається мерзлому ґрунту. У міру розморожування верхнього шару ґрунт поступово включається в електричний ланцюг, збільшуючи товщу талого ґрунту. Найбільш оптимальним застосуванням горизонтальних електродів є ґрунти із глибиною промерзання не більше 0,8 м, а також які мають малу електропровідність або які мають значну кількість сторонніх включень, що не дозволяють забити вертикальні електроди. Тривалість відтавання 1 м³ ґрунту (залежно від його виду) на зазначену глибину становить 20–25 год., при витраті електроенергії 40–55 кВт∙год, і відстані між рядами електродів 40–80 см.

Метод відтавання ґрунту за допомогою вертикальних електродів (рис. 11.6) більш ефективний і може застосовуватися при глибині промерзання понад 0,8 м. При цьому поширення тепла й напрямок відтавання ґрунту можуть бути зверху вниз або знизу нагору, як це показано на рисунку стрілками пунктирними лініями, що визначає характер електровідігріву, порядок установки електродів й їхні розміри. У першому випадку електроди з арматурної сталі діаметром не більше 14 мм забивають у ґрунт із відстанню 40–70 см, не доводячи їхні кінці до границі мерзлого ґрунту на 10–15 см. Довжина електродів при цьому повинна бути гранично необхідною, без зайвих запасів, що створює економію матеріалу й полегшує роботу з їхнього занурення. Нижній кінець електрода загострюють, а до верхнього, котрий повинен виступати над поверхнею не більше ніж на 20–25 см, приварюють провід для підключення електрода до електромережі. Щоб спочатку замкнути електричний ланцюг і почати процес відтавання, поверхню ґрунту між електродами покривають шаром тирси, змоченої сольовим розчином. Надалі, коли верхні шари відталого ґрунту поступово включаються в роботу, тирса виконує роль утеплювача, зменшуючи тепловтрати ґрунту в навколишнє середовище.

Рис. 11.6. Відтаювання мерзлого ґрунту з допомогою вертикальних електродів: а) при відтаванні зони зверху вниз; б) те ж саме, знизу вверх; 1 — шар тирси; 2 — електроди; 3 — електропроводи; 4 — мерзлий ґрунт; 5 — талий ґрунт; 6 — сніг

При напрямку відтавання знизу нагору електроди діаметром 20–22 мм забивають у шаховому порядку на відстані 0,5–0,7 м один від одного через усю товщину мерзлого ґрунту в поталий ґрунт не менш ніж на 10–12 см. У цьому випадку ланцюг електричного струму в початковий момент розморожування замикається через поталий ґрунт, що нагрівається, й своїм теплом розігріває розміщені вище шари. Останні аналогічним чином діють на шари мерзлого ґрунту, які лежать вище, збільшуючи зону відтавання. Цей спосіб має явні переваги перед першим, тому що повністю виключає витрати на розміщення шару тирси і видалення снігу з ділянки відтавання й знижує втрати тепла в атмосферу практично до нуля. Крім того, відігрів ґрунту можна припинити, не доводячи зону відтавання ґрунту на 15–20 см до поверхні, тому що, по-перше, цей ґрунт може відтанути за рахунок тепла, накопиченого в нижніх шарах, по-друге, що існують екскаватори, що здатні розробляти мерзлу кірку товщиною до 40 см (при ємності ковша екскаватора 0,5 м³ і більше). Все це зменшує витрату електроенергії в 2–2,5 рази в порівнянні з іншими способами.

Електроди в мерзлий ґрунт можна забивати за допомогою відбійного молотка із трохи видозміненим робочим органом. Для цього до палі з попередньо обрізаною загостреною частиною приварюється круглий ударник діаметром 75 мм із товстої листової сталі або паля обрізується по саму підставу, а електрод заводиться в патрон відбійного молотка до зіткнення з палею в зоні утримуючої букси.

Для електровідігріву ґрунту можуть застосовуватися також різного роду електронагрівники й нагрівальні прилади (електроголки, електротермогенератори, ТЕНи, електрощити, дзеркальні печі, електротепляки й т.п.). У цей час все більшого поширення набувають коаксіальні нагрівачі й електротермогенератори.

Рис. 11.7. Схема коаксіального електронагріву: 1 — труба діаметром 25 мм; 2 — азбест; 3 — контакти; 4 — сухий пісок з рідким склом; 5 — труба діаметром 13 мм; 6 — зварені кінці труб

Коаксіальний електронагрівач (рис.11.7.) складається з двох сталевих труб діаметром 13 і 25 мм, поміщених одна в одну послідовно. З одного боку кінці труб наглухо заварюють за допомогою ущільнювального кільця, з іншого — обладнують клемами для приєднання до джерела живлення трансформатора типу УПБ-60 або ТМО-50, що застосовуються у більшості випадків для електронагріву бетонної суміші. Зазор між трубами заповнюють кварцовим або річковим добре прожареним піском і заливають рідким склом. Щоб уникнути витоку піску зверху, зазор щільно герметизують за допомогою шнурового азбесту, змоченого рідким склом. Нагрівачі встановлюють у спеціально пробурені в шаховому порядку отвори із кроком 1 м при відстані між рядами 1,5 м. Труби рівномірно нагріваються по всій довжині до температури 80–90°С, у результаті чого процес відтавання ґрунту відбувається в радіально-горизонтальному напрямку. Витрата електроенергії на 1 м³ мерзлого ґрунту становить 5–8 кВт • год.

*21 Кизима В. Технологія виконання та проектування земляних робіт в будівництві

Термоелектрогенератор за своєю конструкцією й принципом дії мало чим відрізняється від коаксіального електронагрівника. Він складається з двох труб діаметром 25 мм і завдовжки 977 мм кожна, які послідовно надягають на трубу меншого діаметра (13 мм) завдовжки 2 м. Кінці труб зварюють між собою за допомогою ущільнювальних кілець. Клеми, що служать для приєднання проводів від джерела живлення, приварюють у середній частині термогенератора до кінців зовнішньої труби. Внутрішній зазор між трубами заповнюється прожареним піском і заливається рідким склом. Герметизуючий ущільнювач улаштовується в незварних кінцях зовнішніх труб й стримує пісок від висипання під час перенесення й установки термогенераторів. Останні розкладають по поверхні розігрітого ґрунту на відстані 1–1,2 м один від одного й засипають шаром тирси товщиною 15–20 см з укриттям всієї площі ділянки брезентом або толлю. Протягом 5 год ґрунт відтає на глибину до 0,8 м. Кількість термогенераторів залежить від величини ділянки для одноразового відігрівання, а також температури зовнішнього повітря й теплоізоляційних властивостей утеплювача.

Електрощити, відбиваючі печі, тепляки й інші електронагрівальні прилади обладнаються електроспіралями, які вставляються в утеплений короб, призначений для втримання тепла в просторі між своїми стінками. Спіралі виготовляють із фехралевого, ніхромового, нікелевого або сталевого дроту. Прилади на ділянці відігрівання розташовують впритул один до одного і якнайщільніше до поверхні ґрунту. Для зменшення втрат тепла в навколишнє середовище й зниження витрати електроенергії вкладені прилади рекомендується засипати шаром сухих шлаків завтовшки 15–20 см.

Більші площі мерзлого ґрунту можна розігрівати також за допомогою сонячної енергії, використовуючи для цього поліхлорвінілову плівку, що здатна затримувати в ґрунті майже все сонячне тепло й у той же час у кілька разів зменшувати випар, полімерна плівка зварюється за допомогою паяльної лампи у вітрильні полотнища безпосередньо в польових умовах і розстеляється по поверхні ґрунту. Для додання твердості плівку рекомендується армувати склопластиком.