7Производство земляных работ в зимних условиях

Вопросы производства строительных и особенно земляных работ в зимнее время имеют очень большое значение в условиях нашей страны. Если в большинстве стран Западной Европы считается допустимым приостанавливать строительство на период наступления холодов (для них это 2…3 недели), то в России это совершенно исключено, ибо на большей ее части холодный период года составляет 5…6 месяцев.

Примерно одну четверть общего объема земляных работ в РФ приходится выполнять в зимних условиях, что в абсолютных величинах превышает 1 млрд. м³ грунта в год. Естественно, что в РФ вопросы эффективности разработки грунта зимой привлекают внимание многих специалистов научных учреждений, над ними работают изобретатели и рационализаторы в производственных и проектных организациях, им посвящаются многочисленные публикации, диссертационные работы, нормативные документы и региональные рекомендации. Практически все организации РФ, ведущие общестроительные работы, вынуждены оснащаться оборудованием и механизмами для производства земляных работ в зимних условиях.

Существующие методы разработки грунта в зимний период можно разделить на следующие группы:

• непосредственная разработка (без рыхления или прогрева);

• предохранение грунта от промерзания;

• рыхление или распиливание мерзлого грунта;

• прогрев мерзлого грунта.

Непосредственная разработка мерзлого грунта основана на использовании таких же землеройных машин, какие применяются в теплое время года (экскаваторы, бульдозеры и т.д.) без дополнительных мероприятий по рыхлению, распиливанию или прогреву грунта. Такая разработка возможна только при небольшой толщине мерзлого слоя (0,1…0,2 м). При этом, как правило, используются машины и механизмы, обладающие повышенной мощностью.

Предохранение грунта от промерзания осуществляется путем покрытия его поверхности различными утеплителями – опилками, стружками, сухими листьями, соломой, минеральной ватой, керамзитом и т.д. Толщина утепляющего слоя зависит от вида утеплителя, температуры воздуха, требуемой продолжительности утепления и обычно составляет 20…40 см. Находясь под открытым небом, такой слой постепенно покрывается снегом, что существенно улучшает теплозащиту грунта. При отрицательных температурах снег является очень хорошим теплоизолятором. Рыхлый снег по своим теплотехническим качествам превосходит большинство традиционных теплоизолирующих материалов, таких как шлак, керамзит, опилки, а слежавшийся снег примерно им соответствует. Слой опилок 30…40см, покрытый снегом, способен, например, в условиях Башкирского Предуралья (глубина промерзания грунта 1,8м) обеспечивать возможность непосредственной разработки грунта одноковшовыми экскаваторами примерно до февраля.

Существенно уменьшает глубину промерзания осенняя вспашка грунта на 0,3…0,4м и его боронование, что в условиях сельской местности реализуется довольно просто. По теплотехническим качествам рыхлый глинистый грунт, почва примерно соответствуют увлажненному шлаку или керамзиту.

В случаях, когда грунт необходимо защитить от промораживания лишь на несколько дней, толщина утепляющего слоя может приниматься меньше упомянутой выше (например, это может быть слой опилок 0,1…0,15м).

Особое значение имеет защита от промерзания грунта при откопке в зимних условиях котлованов или траншей под фундаменты. Обычно в этих случаях каждый час задержки утепления откопанного грунта увеличивает угрозу промораживания основания, поэтому прорабу приходится иногда использовать любые подручные средства, способные замедлить промерзание такого грунта. В крайнем случае, это может быть просто засыпка дна котлована или траншеи слоем снега. При небольших площадях утепления могут быть очень удобными имеющиеся на стройке штучные или рулонные теплоизоляционные изделия (соломенные или минеральные маты, минеральный войлок и проч.), которые можно легко уложить и удалить без ущерба для последующего использования по прямому назначению.

Многолетняя практика строительства в средней полосе России показывает, что недостаточное внимание к утеплению основания является основной причиной аварийных ситуаций, проявляющихся в ходе строительства.

Эффективным способом предотвращения промораживания грунта может быть нанесение на его поверхность полимерной пены. В качестве пенообразующих веществ используются мочевиноформальдегидная смола, поверхностно-активное вещество, отвердитель (раствор ортофосфорной кислоты) и специальный пенообразователь (Е-30). После твердения образуется покрытие, по своей прочности близкое к рыхлому грунту (до 60 кПа). При толщине слоя 0,35 м глубина промерзания грунта уменьшается в 5…6 раз, при этом существенно повышается температура мерзлого грунта и снижается его прочность. Это позволяет легко разрабатывать грунт под затвердевшей пеной, даже если он находится в замерзшем состоянии.

Традиционным способом защиты грунта от промерзания является также засоление, т.е. пропитка верхнего слоя грунта минеральными солями соляной или азотной кислот. Это достигается путем поливки поверхности грунта растворами этих солей или смешиванием с такими солями предварительно разрыхленного верхнего слоя грунта. Для пропитки грунта на глубину 1м необходимо 4…9кг соли на 1 м² поверхности, на глубину 1,8м – до 40кг. Пропитку рекомендуется делать за 2…3 месяца до наступления холодов.

Рыхление мерзлого грунта производится механическим, реже взрывным способами. Механическое рыхление осуществляется шар-бабами, клин-бабами, клин-молотами, тракторными рыхлителями (рисунок 33).

Рыхление шар-бабой или клин-бабой основано на сбрасывании с высоты нескольких метров металлического груза шаровой или клинообразной формы.

Рисунок 33 Рыхление мерзлого грунта механическими способами:

а – шар-бабой, б – клин-бабой, в – клин-молотом, г –рыхлителем; 1 – слой мерзлого грунта, 2 – талый грунт, 3 – зона удаления разрушенного грунта, 4 – зона разрушения, 5 – шар-баба, 6 – экскаватор, 7 – клин-баба, 8 – клин, 9 – дизель-молот, 10 – копровое устройство, 11 – базовая машина (трактор), 12 – гидроподъемник, сцепное устройство, 14 – рыхлитель

При рыхлении клин-молотом энергия удара клина создается за счет дизель-молота (такого же как при забивке свай) или гидромолота. Достигается рыхление мерзлого слоя толщиной до 1,3м. Этот способ рыхления является наиболее эффективным.

Рыхление взрывами наиболее эффективно при глубине промерзания более 1м и больших объемах разработки грунта. Такой метод применяется в основном как подготовка к разработке одноковшовыми экскаваторами. При большой глубине промерзания (1,5…2м) заряды ВВ закладываются в скважины, реже в щели, при малой глубине – в шпуры или щели. Технология взрывных работ рассмотрена в разделе 2.4.

Кроме рыхления, разработка мерзлого грунта может производиться путем его расчленения на блоки правильной формы, которые затем могут удаляться экскаватором с клещевым захватом, краном, или растаскиваться тракторами или бульдозерами (рисунок 34). Такой метод называется блочным. Расчленение осуществляется обычно щелерезами с дисковым или баровым оборудованием. Могут использоваться также одноковшовые экскаваторы с обратной лопатой, в которых ковш заменен специальным ножом, или многоковшовые экскаваторы,

Рисунок 34 Разработка мерзлого грунта путем расчленения его на блоки:

а, б – нарезка щелей ( расчленение мерзлого грунта на блоки) щелерезами с дисковым и баровым оборудованием, в – удаление блоков мерзлого грунта экскаватором с клещевым захватом, г – то же с помощью трактора

снабженные фрезерующими дисками с зубьями вместо ковшового ротора. Ширина прорезов (щелей) обычно составляет 0,05…0,15м, глубина принимается равной 0,8 фактической глубины промерзания, так как ослабленный слой на границе мерзлой и талой зон не является препятствием для отрыва блока от массива. Расстояние между смежными прорезями и соответственно размеры блоков, принимается в основном исходя из мощности оборудования, которым намечено удалять блоки. Обычно оно составляет 0,6…2м, что определяет размер сторон получающихся блоков (квадратной или прямоугольной формы в плане). При малой глубине промерзания (до 0,6м) допустимо делать только продольные прорези, так как для отламывания блоков от получающихся полос достаточно усилий, развиваемых экскаватором.

Нарезанные блоки грузятся экскаватором или краном на транспорт или перемещаются за пределы площадки тракторами или бульдозерами.

Работы могут организовываться поточным методом в два потока: первый нарезка щелей, второй – удаление образовавшихся блоков.

После снятия слоя мерзлого грунта дальнейшая разработка выемки ведется так же, как и в теплое время, необходимо лишь принятие мер, препятствующих замерзанию вскрытых слоев талого грунта.

Прогрев мерзлого грунта, т.е. превращение его в талый, поддающийся разработке «обычными» землеройными машинами, может осуществляться различными способами:

• огневым способом,

• паром (горячей водой),

• электрическим или электрохимическим способами.

При этом разделяют поверхностный и глубинный прогрев. Поверхностный прогрев осуществляется с поверхности грунта, глубинный же предполагает подачу тепла снизу вверх, т.е. через пробуренные для этого скважины или с помощью какого-либо другого способа внедрения нагревательных устройств в толщу грунта. Глубинный прогрев обычно более экономичен, но он технологически сложнее поверхностного.

Прогрев грунта – относительно дорогой процесс, применяемый при малых объемах земляных работ. Он очень удобен при откопке котлованов и траншей под фундаменты, где он находит очень широкое применение.

Огневой способ предполагает использование огня для оттаивания грунта. В простейшем случае это может быть разведение костров. В настоящее время создан ряд устройств, реализующих огневой способ нагрева. На рисунке 35 схематически показан один из наиболее распространенных методов такого прогрева. Он основан на использовании системы металлических коробов, в которых сгорает жидкое или твердое топливо и возникает тяга как в дымоходе. Короба имеют форму разрезанных по продольной оси усеченных конусов, входящих друг в друга и образующих галерею.

Рисунок 35 Оттаивание грунта огневым способом (с использованием

агрегата из соединенных металлических коробов):

1 –камера сгорания, 2 – вытяжная труба, 3 – обсыпка талым грунтом

Прогрев паром производится с помощью специальных паровых игл, погружаемых в грунт. Такие иглы вставляются в предварительно пробуренные скважины глубиной 0,75 толщины мерзлого слоя. Скважины обычно бурят в шахматном порядке на расстоянии друг от друга 1…3м. Основная часть иглы представляет перфорированную трубу диаметром 22…50мм с заостренным наконечником. В качестве примера на рисунке 35 показана конструкция одного из типичных видов паровых игл. Кроме конструкции, показанной на рисунке 36, применяются также циркуляционные иглы, в которых пар выходит только через нижний конец иглы и, прогревая стенки скважины, отводится через специальную (отводную) трубу, расположенную в верхней части иглы. Циркуляционные иглы работают не только на паре, но и на горячей воде.

Иглы соединяют при помощи шлангов в секции, так что прогрев грунта идет сразу несколькими иглами.

Рисунок 36 Конструкция паровой иглы  12мм с коробом:

1 – игла, 2 – короб, препятствующий утечке пара, 3 – сварка, 4 – патрубок, 5 – головка, 6 – шланг, 7 – теплоизоляция (асбестовый картон, обернутый мешковиной)

Число одновременно включенных игл n зависит от мощности используемого парового котла и может определяться по приближенной эмпирической формуле

, (16)

где А_k – поверхность нагрева котла в м².

Продолжительность выдерживания грунта под паром приближенно составляет:

• для песков – 2…3 часа,

• для суглинков – 3…4 часа,

• для глин – 4…6 часов,

Для питания паровых игл применяют пар давлением до 0,2МПа, расход пара на 1 м³ грунта от 50 до 100кг.

Для обеспечения бесперебойной работы экскаватора с ковшом вместимостью 0,5м³ целесообразно иметь два электробура (или перфоратора) и примерно 90 паровых игл диаметром 22…38мм, при вместимости ковша 1 м³ желательно использовать примерно 120 игл.

На практике применяются также обогреватели в виде горизонтальных паровых или водяных регистров. Они имеют плоскую форму и укладываются на поверхность согреваемого грунта.

Электропрогрев основан на пропуске тока через прогреваемый грунт, в результате чего последний приобретает положительную температуру. Оттаивание грунта производится горизонтальными или вертикальными электродами, изготовляемыми из полосовой или круглой стали (рисунок 37).

Горизонтальные электроды укладываются на мерзлый грунт, отогнутые их концы подключаются к проводам (рисунок 37а). Поверхность грунта с электродами покрывается слоем опилок толщиной 0,16…0,20м, которые смачиваются соляным раствором, так чтобы масса раствора была не менее массы опилок. Вначале ток идет через смоченные опилки, так как мерзлый грунт не является проводником. Затем верхний слой грунта прогревается и становится

Рисунок 37 Схемы оттаивания грунта электропрогревом:

а –горизонтальными электродами, б – вертикальными электродами при забивке их ниже глубины промерзания (отогрев снизу вверх), в –вертикальными электродами путем поэтапного их заглубления (отогрев сверху вниз); 1 – трехфазная электрическая сеть 220 (380) в, 2 – горизонтальные полосовые электроды, 3 – слой опилок, смоченный соленой водой, 4 – слой рубероида, 5 – вертикальный стержневой электрод

проводником, что позволяет прогревать нижележащий слой и т.д., т.е. идет прогрев сверху вниз. Такой метод применяется при глубине промерзания до 0,7м. Расход энергии на отогрев 1 м³ грунта составляет 150…300 МДж.

При оттаивании вертикальными электродами производится забивка в мерзлый грунт электродов в виде заостренных стержней из арматурной стали, к которым затем подключаются провода электросети (рисунок 37 б, в). На практике для этого используется чаще всего напряжение 220 (380) в, но опыт многих организаций (особенно в Башкортостане) показывает, что более удобно по соображениям обеспечения безопасности для прогрева использовать сварочные трансформаторы на 60в.

Забивка может производиться на глубину, превышающую глубину промерзания грунта (обычно на 5…10 см), что позволяет вести отогрев снизу вверх и снижать этим расход электроэнергии до 50…150 МДж /м³ (рисунок 37б). Недостатком такого метода является трудность забивки электродов на значительную глубину, поэтому при большой глубине промерзания электроды погружают в заранее пробуренные скважины.

Возможен также другой подход, когда электроды погружаются поэтапно, по мере оттаивания грунта. Первоначально их погружают на 20…25см, покрывая поверхность грунта опилками, смоченными раствором соли. После оттаивания верхнего слоя грунта электроды добивают еще на 20…25см, после чего продолжают прогрев и т.д.

Электропрогрев грунта может проводиться с помощью электронагревателей в виде электроигл. Элекроигла представляет трубу диаметром 50…60мм длиной около 1м, внутри которой установлен нагревательный элемент, изолированный от корпуса. Электроиглы погружаются в грунт в заранее пробуренные скважины, имеющие примерно такой же диаметр, как и сама игла. Теплота распространяется в радиальном направлении.

В условиях реконструкции зданий и инженерных сооружений иногда применяются тепляки – большие утепленные короба без дна, в которых располагаются нагреватели: чаще всего это электрические спирали с отражателями. Работы ведутся внутри тепляка при положительных температурах. Такой метод приемлем при малых объемах земляных работ, выполняемых в основном вручную.

Возведение профильных насыпей в зимнее время по возможности желательно избегать. Если это все же необходимо, то принимаются специальные меры по предотвращению промерзания грунта. Доля мерзлых комьев при отсыпке напорных сооружений (дамб, земляных плотин т.д.) не должна превышать 10% от общего объема насыпи, а размер таких комьев должен составлять не более 0,3…0,5 толщины отсыпаемого слоя. Уплотнение каждого слоя следует выполнять сразу же после его укладки и выравнивания, не допуская промораживания. Доувлажнение при отрицательных температурах, как правило, не производится.

Гидромеханизированные земляные работы в зимний период следует выполнять по специальному ППР. В зимних условиях надлежит применять намыв сооружений преимущественно «под воду», устраивая для этого прудки-отстойники. Прудки-отстойники – это временные водоемы (емкости) глубиной 0,3…1,2м, создаваемые на поверхности карт намыва при «двухстороннем намыве» (т.е. когда пульпа подается одновременно через пульпопроводы, располагающиеся с разных сторон карты). Прудки-отстойники, в общем случае, служат местом для осаждения частиц грунта, сбора и сброса осветленной воды через водоотводящие устройства (сбросные колодцы и коллекторы). В зимних условиях такие прудки могут выполнять дополнительную функцию: обеспечивать возможность намыва пульпы «под воду». В этих случаях глубина прудков-отстойников должна выбираться таким образом, чтобы выпускные участки пульпопроводов оставались ниже поверхности воды в течение всего зимнего периода.

Допустимое возвышение конусов грунта над уровнем воды определяется проектом организации строительства. При намыве под лед должна обеспечиваться достаточная для укладки грунта глубина прудка-отстойника. Прослойки и линзы льда в грунте намытых сооружений не допускаются. Образовавшиеся наледи подлежат удалению, причем куски льда, превышающие 1/4 диаметра водосбросной трубы, не должны попадать в колодцы.

Вокруг земснаряда и плавучего пульпопровода должна постоянно поддерживаться незамерзающая зона воды (майна), для чего рекомендуется применять ледокольные средства или специальные устройства – циркуляционные установки, потокообразователи. В необходимых случаях трубопроводы утепляются. Отсос грунта следует вести, как правило, без перерывов, используя в необходимых случаях резервное оборудование.

При выборе способов выполнения земляных работ в зимнее время всегда необходимо учитывать множество факторов, характеризующих конкретные условия строительства. Тем не менее, в любых условиях до проведения подробных расчетов полезно представлять примерную стоимость и продолжительность каждого способа разработки. В таблице 8 приведены приближенные технико-экономические показатели наиболее типичных способов разработки мерзлых грунтов (в базовых ценах 1981г.).

Таблица 8 Технико-экономические показатели наиболее типичных