IV.8. Виконання земляних робіт у зимових умовах

До основних властивостей сезонно мерзлих ґрунтів належать підви­щена механічна міцність, пластичні деформації, випинання та підвище­ний електричний опір. Проявлення цих властивостей та глибина промер­зання h залежать від терміну промерзання, температури, вологості та виду ґрунту.

Зі зниженням температури механічна міцність ґрунту, а також пи­томий опір різанню та копанню різко зростають (у 5...8 разів). У зв'язку з тим що температура мерзлого ґрунту змінюється по глибині мерзлого шару h змінюються відповідно і характеристики міцності ґрунту: найбільші значення питомого опору копанню перебувають у верхній частині (зовнішній) мерзлого шару, найменші — на межі мерзлого та немерзлого (талого) ґрунту.

Глибина промерзання ґрунтів h залежить від температури повітря та тривалості її впливу, сили вітру, товщини снігового покриву, характеру природного покриву (трава, орна земля, торф, каміння, шляхові покрит­тя тощо), а також теплопровідності, вологості та рівня ґрунтових вод.

Промерзання екскаваторного забою відбувається від покрівлі, укосу та його лобової частини. У зв'язку з цим розроблення мерзлого ґрунту одноківшевими екскаваторами здійснюють за чотирма схемами (напрям­ком руху ковша): / — уздовж мерзлого шару (якщо різна глибина заглиблення ковша від відкритої поверхні); // — упоперек мерзлого шару в його межах; ПІ — упоперек мерзлого шару, починаючи від немерзлого ґрунту, тобто з підбоєм; IV — під кутом до мерзлого шару в укосі забою (рис. IV. 18, а, б).

Для одноківшевих екскаваторів різних моделей глибину мерзлого шару, допустиму для розроблення, можна орієнтовно визначити з емпі­ричного виразу

hl=a_xE/k_cx, (IV. 19)

де а_х — коефіцієнт, який залежить від групи ґрунту в немерзлому стані (для ґрунтів І...III груп значення а_] змінюється для прямих та зворот­них лопат від 0,5 до 0,3); Е — місткість ковша, м³; k_cx — коефіцієнт, який залежить від схеми копання мерзлого шару в забої: у разі перехо­ду від І до IV схеми змінюється від 1,0 до 0,5.

102

Рис. IV. 18. Ступінь промерзання екскаваторного забою:

а — схема промерзання екскаваторного забою; 6 — зміна питомого опору копанню за глибиною мерзлого шару; / — сніговий покрив; 2 — мерзлий грунт; 3 — талий Грунт; І...IV — напрямок копання грунту; К"- , К^Р , K_F — питомий опір копанню відповідно у верхній, середній частині мерзлого шару і талого грунту; /і_п> — глибина промерзання

Розроблення мерзлого шару драглайнами може здійснюватися тільки по II...IV схемах, тобто впоперек чи під кутом до мерзлого шару. Величи­на Лд визначається за формулою (IV.19), де значення коефіцієнта д₁ слід брати у 2 рази меншим порівняно з прямими та зворотними лопа­тами.

Для траншейних роторних та ланцюгових екскаваторів допустиму глибину промерзання ґрунту Іі^ визначають за величиною питомого опору копанню Кр, моделлю екскаватора та конструкцією ро­бочого органа. Роторні екскаватори при значеннях Кр ^ 1,0... 1,4 МПа можна ефективно використовувати при розробленні мерзлих ґрунтів з глибиною промерзання до 1,5...2,0 м. Трохи менші можливості мають ланцюгові багатоківшеві екскаватори.

Можливу глибину розпушування мерзлого ґрунту h навісними ста­тичними розпушувачами визначають насамперед потужністю трактор­ного двигуна, а також конструктивним виконанням розпушувача. У разі використання тракторів з потужністю двигунів 150...200 кВт вели­чина h становить від 0,45 до 1 м. Застосування надпотужних тракторів (більш як 400...600 кВт) дає змогу збільшити глибину розпушування мерзлих ґрунтів до 1,2... 1,5 м.

Можливості розпушування мерзлих ґрунтів скреперами та буль­дозерами без попереднього розпушування вкрай обмежені, глибина розпушування — звичайно не більш як 0,05...0,15 м.

Можлива глибина розпушування мерзлих ґрунтів динамічними розпушувачами (клин- та шар-молот, дизель-молот тощо) звичайно 0,4...0,6 м, а навісними гідромолотами — до 1,5...2 м. Розроблення виконують пошарово.

103

Для успішного розроблення ґрунтів взимку та підготування мерзлого шару до екскавації можливе застосування таких основних спо­собів: запобігання промерзанню грунтів, розморожування (вогневе, електричне), механічне руйнування (статичними та динамічними розпу­шувачами), блоковий спосіб, вибухові способи розпушування.

Запобігання промерзанню грунтів, які підлягають розробленню взимку, здійснюється: зорюванням (з наступним боронуванням та сніго­затриманням); глибоким розпушуванням; утепленням теплоізоляційними матеріалами.

Ці заходи здійснюють пізно восени, до початку заморозків, а щодо траншей та котлованів — негайно після видалення з них ґрунту.

Зорювання та снігозатримання як запобігання промерзанню ґрунтів застосовують для утеплення ділянок ґрунту, що підлягають розробленню у першій третині зими. Для зорювання верхнього шару землі використовують плуги та статичні розпушувачі.

Попереднє глибоке (до 1,3... 1,5 м) розпушування виконують екскаваторами типу пряма лопата. Гребінчаста поверхня, що утворю­ється в процесі розпушування, затримує сніг, який, у свою чергу, сприяє збереженню ґрунту від промерзання.

Глибоке розпушування рекомендується для малозв'язних (супісків) та гравелистпх ґрунтів на ділянках, призначених для розроблення в остан­ню третину зими.

Попереднє розпушування (пізно восени) здійснюють екскаватором, оснащеним прямою лопатою, через розкидання зачерпнутого ґрунту (рис. IV. 19, а). Спочатку лобовою проходкою під час роботи на відвал створюється траншея 1,3... 1,5 м завглибшки. Надалі цю траншею боковою проходкою засипають ґрунтом із заново створюваної траншеї і т. д. Зверху майбутнього котловану утворюють шар розпушеного ґрунту 0,3...0,4 м завтовшки, який затримує на поверхні сніг, що запобігає промерзанню ґрунту. Взимку мерзла кірка розпушеного ґрунту легко розбивається екскаватором з ковшами місткістю 0,5 м³ і більше.

Уберегти грунт можна підгортанням (рис. IV. 19, б), якщо ширина майбутньої виїмки не більш як 10... 12 м.

Невеликі поверхні ґрунту уберігають від промерзання утеплен­ням теплоізоляційними матеріалами (тирсою, соломою, сіном, комишитом, шлаком, листям, піною з полімерних матеріалів тощо), а також хімічною обробкою ґрунту (покривають хлористими солями). Площа утепленого ґрунту, що підлягає розробленню у різні місяці зими, повинна мати різну товщину шару утеплювальних матеріалів, яка ви­значається розрахунками за відповідними формулами.

Розморожування мерзлих ґрунтів застосовують при незначних обся­гах робіт: копанні невеликих котлованів, ділянок траншей, вводів, поблизу підземних споруд, трубопроводів та кабелів, у важкодоступних місцях та стиснених умовах, необхідності розморожування шару ґрунту під час виконання аварійних ремонтних робіт.

104

Рис. IV. 19. Захист грунту від промерзання та .розморожування мерзлого грунту: а — методом перелопачування; б — методом підгортання (/, // — проходки); в — установка для розморожування грунту рідким паливом; г — схема розміщення парових голок; д — водяна голка; є — електрична голка; є — горизонтальні електроди; ж — вертикальні електроди для прогрівання грунту способом знизу вверх; / — початкова проходка; 2 — осі проходки: 3 — додаткова проходка; 4 — паливний бак; 5 — секції короба; в — шланг для подавання палива; 7 — форсунка; 8 — головна секція короба; 9 — утеплювач; 10, 11 — зовнішня та внутрішня сталеві труби; 12 — електронагрівальна ніхромова спіраль; 13 — електроди; 14 — верхній шар утеплювача; 15 — шар тирси; 16 — мерзлий грунт; 17 — сніговий покрив; 18 — немерзлий грунт; В , б_в — ширина котловану та виїмки

Для розморожування мерзлих грунтів використовують в основному рідке та тверде паливо, пару, гарячу воду та електроенергію. Одержана від будь-якого джерела теплота може поширюватися: 1) зверху вниз від нагрівача, розміщеного на поверхні грунту (поверхневе розморожу­вання); 2) по радіусу від нагрівача, розміщеного в шпурі у мерзлому шарі грунту (радіальне розморожування); 3) до поверхні грунту від нагрівача, розміщеного нижче шару мерзлого грунту (глибинне розмо­рожування).

Розморожування ґрунту твердим та рідким паливом найбільш простий, але малоефективний спосіб, який полягає у підігріванні грунту спалюванням під металевими коробами торфу, кам'яного вугіл­ля, трісок і т. ін.

Режим процесу розморожування грунту складається із впливу тепло­ти на грунт протягом 7...8 год та періоду акумуляції теплоти протягом 16... 18 год. На 1 м³ розмороженого ґрунту витрати торфу становлять приблизно 120...140 кг, вугілля — ЗО...60 кг, дров — 0,15 м³.

Найбільш економічним під час улаштування траншей є розморо­жування ґрунту рідким паливом за допомогою відповідних установок (рис. IV. 19, в). Паливо (солярове мастило) надходить по шлангу само­пливом із бака до форсунки, встановленої спереду головного короба. Біля сопла форсунки паливо розпилюється та спалюється факелом. Якщо до установки приладнати вентилятор, то утворюється факел 7...8 м завдовжки. Тоді продуктивність такої установки досягає 40 м розморо­женого ґрунту за зміну при витратах палива 17 кг/год.

Розморожування ґрунту паровими, водними та електрич­ними голками (рис. IV. 19, г, д, є) прогресивніше. Джерело тепло­ти — стаціонарні чи пересувні установки. У заздалегідь пробурені шпури (свердловини) на глибину, яка не досягає талого ґрунту на 10... 12 см, встановлюють електричні голки: при розробленні невеликих котлованів — у центрі кожного котловану, при розробленні вузьких траншей — по осі на відстані 1 м одна від одної, широких траншей — у шаховому порядку на відстані, що дорівнює глибині промерзання, при розробленні великих котлованів — у шаховому порядку на відстані 1,0... 1,5 м. Електричні голки вмикають у мережу змінного струму на­пругою 220 В послідовно групами.

Розморожування мерзлих ґрунтів можна здійснювати за допомогою глибинних електродів (рис. IV. 19, ж), виготовлених з круглої арма­турної сталі діаметром 16...20 мм чи труб діаметром 25...50 мм із заго­стреним одним кінцем. Електроди вставляють у пробурені свердловини або забивають відбійними пневматичними чи електричними молотками на глибину 5... 10 см нижче мерзлого шару. Електричний струм, прой­шовши по талому ґрунту під мерзлим шаром, виділяє теплоту, яка аку­мулюється і розморожує шари мерзлого ґрунту, що лежать вище.

Трубчасті нагрівачі (ТЕНи) та коаксіальні нагрівачі звичайно використовують під час радіального розморожування. ТЕНи виготов-

106

ляють зі сталевих безшовних трубок, усередині яких міститься спіраль із ніхромового дроту діаметром 0,6 мм та довжиною 20 м. Простір між трубкою та спіраллю заповнюють пресованим периклазом, який має високу теплопровідність. ТЕНи відрізняються простотою конструкції та швидкістю розморожування грунту, але під час їхнього використання треба закривати поверхню.

Коаксіальні нагрівані складаються з двох труб, розташованих співвісно одна в одній та заварених з одного кінця. Проміжок між трубами заповнюють кварцевим або річним просушеним піском та заливають рідким склом. Напруга до труб підводиться через контактні пластини. Коаксіальні нагрівачі конструктивно прості, безпечні та прості в експлуатації, але швидкість та радіус розморожування ґрунту менші, ніж у ТЕНів.

Розморожування слід чергувати з термосним витримуванням. Зокрема, термін першого періоду прогрівання становить 6... 12 год, час термосно­го витримування — 3...6 год. Такий цикл (прогрівання та термос) за­лежно від глибини промерзання та фізико-механічних властивостей грунту повторюють два-три рази.

Для розпушування мерзлого ґрунту механічним способом вико­ристовують: при розробленні котлованів — машини ударної дії (ди­намічні розпушувачі), навісні (статичні) розпушувачі та землерийно-фрезерні машини (пошарове розроблення), барові машини для нарізання мерзлих ґрунтів на блоки; при розробленні траншей — машини удар­ної дії, дискові екскаватори та фрезерні машини, барові машини, ро­торні та ланцюгові екскаватори зі спеціальним робочим обладнанням, а при незначних обсягах — змінне робоче обладнання на гідравлічних екскаваторах (пневмомолоти); при вертикальному плануванні майданчиків — навісні (статичні) розпушувачі, машини ударної дії, а при незначних обсягах робіт — змінне робоче обладнання на гідравліч­них екскаваторах (пневмо- та гідромолоти).

Розроблення мерзлих ґрунтів машинами ударної дії. Ґрунт роз­пушують дизель-молотом із клином, закріпленим на екскаваторі, з подальшим розробленням ґрунту екскаватором, оснащеним прямою чи зворотною лопатою (рис. IV.20, а).

Ґрунт для порівняно невеликих котлованів та траншей розпушують за допомогою навісного обладнання одноківшевого екскаватора — молотів вільного падіння. Молот може мати форму шара, діючого за принципом дроблення, чи клина, діючого за принципом сколу ґрунту.

Продуктивність екскаватора, який працює з клин-молотом, не пере­вищує 50...60 м³ мерзлого ґрунту за зміну. Недоліком розпушування ґрунтів цим способом є надмірні витрати сталевих канатів та небажані підвищені динамічні навантаження на вузли екскаватора.

Нині динамічні розпушувачі витісняються гідравлічними, що навішу­ються як змінне робоче обладнання на гідравлічні екскаватори. Гід-ромолотами можна розпушувати не тільки мерзлі, а й скельні ґрунти,

107

Б-5

асфальтобетонні покриття тощо. Розроблення мерзлого ґрунту здійс­нюють шарами 40...60 см завтовшки, якщо продуктивність від 5...6 до 20...25 м³/год (залежно від типу гідромолота).

Розроблення мерзлих ґрунтів статичними розпушувачами. В останні роки почали широко застосовувати змінне навісне обладнання (екскаваторні розпушувачі мерзлого ґрунту однобічної та двобічної дії). Ці гідравлічні механізми захоплювально-кліщового типу статичної дії, які вперше в практиці виконання земляних робіт дали змогу сумістити операції розпушування мерзлого ґрунту зі звичайною екскавацією.

Відсутність ударно-динамічного впливу на ґрунт дало можливість використати екскаватори з навісним обладнанням у різних умовах, у тому числі стиснених (поблизу діючих підземних комунікацій і т. ін.). Крім того, це навісне обладнання можна застосовувати для руйнування бетонних конструкцій та асфальтових шляхових покриттів, виконання вантажно-розвантажувальних робіт тощо.

На будівництві об'єктів використовують потужні навісні тракторні розпушувачі на базі трактора ДЗТ-250М та Т-500, а також фірм «Катер-піллер» (США), «Камацу» (Японія) тощо (рис. IV.20, в, г).

Відстань між рядами (проходами) статичного розпушування бажа­но визначати так, щоб отримати мерзлі грудки розміром не більш як /

Блокові способи розроблення мерзлих ґрунтів полягають у тому, що монолітність мерзлого ґрунту порушується за допомогою нарізання його на блоки (смуги) землерийними машинами чи тракторами, осна­щеними дисковими пилками чи барами (рис. IV.20, д...з).

Звичайно використовують два види блокового розроблення мерзлих ґрунтів: дрібно- та великоблоковий.

Дрібноблоковим способом доцільно розробляти невеликі котло­вани та траншеї; його використовують у стиснених умовах із завантажен­ням ґрунту в автотранспорт чи укладанням у відвал. Завантажують

Рис. IV.20. Схеми розпушування та розроблення мерзлого ґрунту: а — розроблення екскаватором із попереднім розпушуванням мерзлого шару ґрунту дизель-молотом; б — те саме, із розрізанням грунту на смугу багатоківшевим екскаватором, оснащеним різальними барами; в — підготовка мерзлого грунту до розроблення навіс­ним тракторним розпушувачем; г — схема механічного розпушування Грунтів навісним розпушувачем; д — дрібноблоковий спосіб розроблення прямою лопатою; є — те саме, зворотною лопатою для траншей; є — те саме, для котловану; ж — великоблоковий спосіб розроблення з використанням кранів; з — те саме, за допомогою тракторів; / — екскаватор; 2 — дизель-молот; З — мерзлий грунт; 4 — недібраний грунт; 5 — кроки пересування; 6 — місця стоянок екскаватора; 7 — багатоківшевий екскаватор; 8 — талий грунт; 9 — ділянка, підготовлена до екскавації; 10 — підготовлювана ділянка (нарізу­вання щілин); // — ненарізані щілини в мерзлому грунті; 12 — початок розпушування грунту; 13 — навісний тракторний розпушувач; 14 — діагональні проходки; 15 — поздовжні проходки; 16 - незруйнований грунт після першої проходки розпушувача (Л — ефективна, h — максимальна глибина розпушування); 17 — будівельний кран; 18 — кліщовий (фрикційний) захоплювач; 19 — бульдозер; 20 — барова машина; 21 — стоянка крана; 22 — автосамоскид; 23 — трактор

109

мерзлі блоки та розробляють талий грунт екскаваторами з прямими лопатами із ковшем місткістю 0,65 м³ і більше (рис. IV.20, д).

Якщо глибина промерзання до 1,3 м, траншеї та котловани можна розробляти зворотними лопатами з ковшем місткістю 0,65 м^а і більше, нарізаючи прорізи через 0,4...0,5 м баровою машиною. Якщо ширина траншеї до 2 м, досить зробити поздовжні прорізи в траншеї; якщо ширина більша, роблять ще й поперечні прорізи під кутом 30°, нарізуючи блоки у вигляді ромбів. Під час риття котлованів повну площу розроб­ляють кількома торцевими проходками (рис. IV.20, є, є).

Великоблоковий спосіб розроблення мерзлих грунтів рекомен­дується для влаштування невеликих котлованів, а також поблизу споруд, коли недопустиме двигтіння ґрунту, що неминуче в процесі ударного та віброударного розпушування мерзлого ґрунту (рис. IV.20, ж).

Блоки масою 4... 10 т бульдозерами відриваються та зсовуються від талої основи. Потім вони завантажуються кранами в автосамоскиди із знятим заднім бортом (рис. IV.20, з). Стропування здійснюють кліщови­ми захоплювачами позацентрово, що полегшує відривання блоків від талого ґрунту. Від основи блоки можна відривати через кілька змін після нарізання щілин, доки не відбулося змерзання розриву між блоками. Видаляти блоки можна краном за допомогою фрикційного (кліщового) захоплювача. Виїмки поділяють на дві захватки. На першій нарізають щілини однобаровою машиною, на другій — видаляють краном блоки та підчищають бульдозером основу.

Розпушування мерзлих Грунтів вибухом здійснюють методами шпурових і щілинних зарядів (див. розд. V).