Сооружение земляного полотна в зимнее время. Земляные работы в зимних условиях и вечномерзлых грунтах

Земляные работы в зимний период осложняются необходимостью предварительной подготовки почвы. Применение отбойных молотков или иной вариант механического воздействия не всегда оправдан, а порой попросту невозможен. Существует вероятность повредить подземные коммуникации или нанести ущерб стоящим рядом зданиям. Поэтому широкое распространение получили термические способы воздействия.

Традиционные виды прогрева мерзлого грунта

Разработано множество технологий, основанных на различных принципах термического воздействия. Каждая из них имеет сои преимущества и недостатки.

Рефлекторная печь

Быстрый, удобный и мобильный метод хорошо подходит для работы в городской черте. В качестве генератора тепла служит нихромовая проволока толщиной 3,5 мм. Направление теплового излучения корректируется рефлектором из хромированного листа толщиной около 1 мм.

Сам отражатель защищен металлическим кожухом. Между стенками двух металлов существует воздушная подушка, которая исполняет роль термозащиты. Печь работает от сети 127/220/380В и способна отогреть 1,5 м2 грунта. Для отогрева кубического метра грунта необходимо порядка 50 кВт/час электрической энергии и 10 часов времени. Существенные изъяны метода:

1. высокая вероятность поражения электрическим током посторонних лиц. Требуется ограждения и охрана на время работы установки;
2. малая площадь охвата;
3. нужна система энергообеспечения мощностью порядка 20 кВт/час для работы комплекса из трех установок.

Электроды

Они изготавливаются из круглой или полосованной стали, загоняются в землю и подключаются к источнику энергоснабжения. Поверхность грунта устилается опилками и пропитывается соляным раствором. Этот слой служит и проводником и в качестве утеплителя.



Расход электричества на оттаивание кубического метра грунта составляет 40-60 кВт, а процесс занимает 24-30 часов. Среди недостатков метода нужно отметить:

1. высокая вероятность поражения электрическим током посторонних лиц;
2. нужна постоянная подача электричества;
3. размораживание грунта осуществляется очень долго;

Открытое пламя

Способ основывается на сжигании жидкого или твердого топлива в специальном устройстве, состоящем из открытых резервуаров. Конструкция предусматривает, что в первый короб служит камерой сгорания, а последний снабжен вытяжной трубой. Пользователи отмечают недостатки технологии:

1. существенные потери тепловой энергии;
2. предварительно нужно выполнить комплекс подготовительных работ;
3. вредные выбросы и необходимость постоянного контроля.

Химический способ

Для размораживания грунта при помощи химических реагентов в почве просверливаются шпуры. Затем в отверстия заливается хлористый натрий, который растворяет лед. Весь процесс длится от шести до восьми дней. Недостатки химического метода:

1. размораживание занимает много времени;
2. необходимость в обустройстве шурфов;
3. много вопросов вызывает экологичность процесса;
4. материалы не могут использоваться повторно.

Паровые иглы

Собственно, трубу длиной два метра и диаметром до 50 мм сложно назвать иглой. По ней в грунт подается водяной пар. Для установки игл предварительно нужно пробурить отверстия на глубину не менее 70% от высоты слоя оттаивания. Сами скважины после подключения к системе парообеспечения закрывают колпаками и засыпают слоем термоизолирующего материала.



Основными недостатками метода являются:

1. потребность в подготовке;
2. необходимость в генераторе пара;
3. образование и дальнейшее замерзание конденсата;
4. нужен щепетильный контроль над процессом.

Горячий теплоноситель

Почва отогревается от горячего минерала (100-200 градусов Цельсия), которым покрывается поверхность земли. Нередко применяются отходы дорожного производства – бракованный асфальт или бетонную крошку. Время размораживания составляет не менее 20-30 часов. Из недостатков данного способа необходимо отметить:

1. зависимость от субподрядчика;
2. потери тепла во время доставки теплоносителя;
3. необходимость уборки теплоносителя после отмораживания грунта;
4. длительный период оттаивания.

Трубчатые электрические нагреватели

Технология предусматривает передачу тепловой энергии контактным способом. В качестве рабочих элементов выступают электрические иглы. Они представляют собой метровые трубы диаметром 50-60 мм. Внутри установлены электрические нагревательные элементы.
ТЭНы располагаются в грунте горизонтально и подключаются к цепи последовательно. Недостатками данного метода являются:

1. необходимость постоянного контроля;
2. возможность поражения электрическим током;
3. небольшая площадь оттаивания;
4. потребность в подготовительных работах.

Прогрев грунта термоэлектроматами

Прекрасной альтернативой существующим методам прогрев грунта является его обогрев с использованием термоматов. Они обеспечивают равномерный прогрев грунта по всей глубине и поддерживают заданную температуру в автоматическом режиме.
Оборудование производится на основе теплоизлучающих пленок. Оно производятся различной площади и конфигурации. Толщина панели составляет около 10 мм. Она работает от однофазной сети и может генерировать температуру до 70 0С. Направленное действие инфракрасного излучения определяет высокую эффективность работы устройства.



Преимущества использования термоэлектроматов «ФлексиХит»:

1. оборудование не загрязняет окружающую среду;
2. его использование абсолютно безопасно как для сотрудников компании, так и для посторонних людей;
3. высокий КПД обеспечивает сравнительно малый расход электричества даже в очень сильные морозы;
4. оборудование не требует предварительной подготовки и полностью готово к работе.

Генерирующие температуру панели легко монтируются. Они соединяются между собой при помощи люверсов и плотно покрывают поверхность любой формы, образуя цельное полотно. По требованию заказчика термоматы производятся под заказ с индивидуальными параметрами мощности и нужных размеров.

Прогрев грунта термоэлектроматами ФлексиХИТ

КУПИТЬ

С точки зрения большинства строителей, самый холодный сезон года является не самым лучшим временем для начала строительных работ. Однако часть из них все же приходится выполнять даже в зимний период. Ведь процессом постройки здания двигает воля заказчика проекта, а не предпочтения исполнителей. И именно поэтому в категорию зимних строительных работ может попасть даже такая сложная и трудоемкая категория, как земляные работы.

Причем, сложность осуществления подобных операций заключается не только в необходимости преодоления довольно суровых климатических условий, но и в том, что земляные работы в зимнее время необходимо выполнить на полностью изменившем свои физические характеристики грунте.

Собственно, сами зимние работы на грунте начинаются еще до первых осенних заморозков. В это время необходимо выполнить комплекс подготовительных мероприятий, целью которых будет предохранение грунта от промерзания. В этот комплекс мероприятий входит две процедуры: рыхление и тепловая изоляция поверхности почвы.

Первый этап предохранительных мероприятий (рыхление грунта) выполняется механическим методом – отведенный под земляные работы участок распахивают плугами на глубину не менее 30-40 сантиметров. Основная цель подобного действия заключается в насыщении плотного слоя почвы воздухом, что повышает тепловую инерцию грунта.

Второй этап предохранительных мероприятий состоит в обустройстве внешнего слоя теплозащиты. В качестве такового используют любой доступный материал с теплоизолирующими свойствами: опилки, сухие листья, шлак, бывшую в употреблении минеральную вату и прочее. Неплохим дополнением к искусственной преграде будет и слой естественного теплоизолятора – снега.

После завершения предварительного этапа строительный участок остается в таком законсервированном состоянии до момента начала земляных работ.

Следует сразу же отметить, что ни рыхление, ни утепление почвы не дает 100-процентой защиты от промерзания грунта, поэтому земляные работы в зимнее время начинаются с удаления слоя утеплителя, оттаивания и повторного рыхления почвы. И только после этого можно приступить к извлечению грунта. Причем, подобные манипуляции следует проделывать только на том участке, который предполагается обработать именно в сегодняшнюю рабочую смену.

Поэтапное оттаивание грунта выполняется с помощью любого источника тепла. Однако, в большинстве случаев, для этих целей используют либо огонь, либо перегретый пар. Кроме того, не худшие результаты демонстрируют и горячая вода, и электрические нагреватели. Правда, последние варианты имеют и свои недостатки – использование воды повышает влажность почвы и приводит к образованию льда в грунте, а эксплуатация электрических обогревателей обходится очень дорого.

Рыхление оттаявшего грунта производится тяжелой строительной техникой. И ключевую роль в этой операции играют экскаваторы с объемом ковша до 0,5 кубометра. Необходимо заметить, что мощности экскаваторов хватает даже для рыхления еще не оттаявшего грунта. Правда, подобное пренебрежение этапом тепловой обработки почвы допускается лишь в том случае, если глубина промерзания грунта не превышает 40 сантиметров.

Немного сложнее происходит рыхление глубоко промерзшего грунта. Для рыхления глубин в 1 метр используются специальные фрезы и дизель молоты, необходимые для забивания клиньев. Этот процесс может сопровождаться инсталляцией в промерзшие слои почвы особых «игл», подсоединяемых к парогенератору. И подобный комплексный подход позволяет увеличить энергоэффективность процесса оттаивания почвы.

На последующих этапах земляные работы в зимнее время практически не отличаются от аналогичных операций, проводимых в иное время года – котлованы и траншеи обустраивают по той же технологии, что и в летний период. Причем, на этом этапе зимние морозы могут стать не только противниками, но и союзниками – прихваченный заморозком край котлована или траншеи менее подвержен угрозам осыпания грунта.

Некоторые различие в организации летних и зимних земляных работ вновь наблюдаются на завершающем этапе, когда происходит засыпание траншей и котлованов. Грунт для этих целей берется из места хранения, организованного по летним правилам, с учетом той специфики, которая характерна для зимних работ (утепление поверхности бурта с изъятым грунтом).

И если земляные работы займут достаточно продолжительный период времени, то грунт в бурте будет нуждаться и в рыхлении и в оттаивании. Ведь по строительным нормативам в засыпке траншей можно использовать только оттаявший грунт с содержанием смерзшихся комков земли около 10-15 процентов от общего объема. Эту специфику финального этапа земляных работ необходимо учитывать при определении графика использования (и аренды) тепловой техники на участке.

Трудоемкость извлечения мерзлого грунта крайне велика по причине его значительной механической прочности. К тому же замерзшее состояние грунта осложняет задачу по его выемке из-за невозможности задействования некоторых типов землеройных и землеройно-транспортных машин, снижению производительности и ускоренному износу рабочих частей оборудования. И все же одним достоинством мерзлый грунт обладает - рыть котлованы в нем можно без устройства откосов.

Существует четыре основных способа проведения выемки грунта в холодное время года:

• защита земельного участка работ от промерзания с дальнейшим использованием обычных землеройных машин;
• предварительное рыхление и выемка замерзшего грунта;
• прямая разработка грунта в замерзшем состоянии, т.е. без какой-либо подготовки;
• доведение до талого состояния и последующая выемка.

Подробно рассмотрим каждый из приведенных способов.

Предохранение грунтов от промерзания

Защиту от низких температур грунту обеспечивают путем взрыхления верхнего слоя, застилкой утеплительными материалами и заливкой водных растворов соли.

Распахивание и боронование земельного участка проводится в секторе дальнейших работ по извлечению грунта. Результатом такого рыхления становится ввод большого количества воздуха в грунтовые слои, образование замкнутых воздушных пустот, препятствующих теплоотдаче и сохраняющих положительную температуру в грунте. Распашка проводится рыхлителями или факторными плугами, ее глубина - 200-350 мм. Следом выполняется боронование в одном или двух направлениях (перекрестных) на глубину 150-200 мм, что в итоге повышает термоизоляционные свойства грунта как минимум на 18-20%.
Роль утеплителя при укрывании участка будущих работ выполняют дешевые местные материалы - сухой мох, опилки и стружки, опавшие листья деревьев, шлак и маты из соломы, можно воспользоваться пвх пленкой. Насыпные материалы размещаются на поверхности 200-400 мм слоем. Утепление поверхности грунта производится чаще всего на небольших земельных участках.

Мерзлый грунт - рыхление и выемка

Чтобы снизить механическую прочность зимнего грунта применяются методы его механической и взрывной обработки. Извлечение взрыхленной таким образом земли после проводится обычным способом - при помощи землеройных машин.

Механическое рыхление. В процессе его осуществления грунт режется, скалывается и раскалывается вследствие нагрузок статического или динамического характера.

Статические нагрузки на мерзлый грунт производится металлическим инструментом режущего типа - зубом. Специальная конструкция с гидравлическим приводом, оборудованная одним зубом и более, проводится по участку работ будучи размещенной на гусеничному экскаваторе. Такой метод позволяет снимать грунт послойно на глубину до 400 мм за каждый проход. В процессе рыхления оборудованная зубом установка прежде протягивается параллельно предыдущим проходам с отступом 500 мм от них, затем ее проводят поперечно им под углом от 60 до 90 о. Объемы выемки мерзлого грунта при этом достигают 20 кубометров в час. Послойная статическая разработка мерзлой земли обеспечивает применение установок рыхления на любой глубине промерзания грунта.

Ударные нагрузки на грунтовые участки позволяют снизить механическую прочность замерзшей земли благодаря динамическому воздействию. Применяются молоты свободного падения, обеспечивающие раскалывание и рыхление, или молоты с направленным действием для рыхления расколом. В первом случае используется молот в виде шара или конуса наибольшей массы в 5 т - его канатом закрепляют на стреле экскаватора и после подъема до пяти-восьмиметровой высоты сбрасывают на участок работ. Шарообразные молоты лучше всего подходят для песчаников и супесей, на глинистых почвах эффективны конические молоты - при условии, что глубина промерзания не превышает 700 мм.

Направленное действие на мерзлый грунт осуществляют дизель-молоты, установленные на трактор или экскаватор. Они применяются на любых грунтах при условии глубины промерзания не более 1300 мм.

Снижение прочности мерзлой земли путем взрыва наиболее эффективно - этот метод позволяет выполнять зимнюю выемку грунта на глубине от 500 мм и при потребности извлечения значительных объемов. На незастроенных участках выполняется открытый подрыв, а на частично застроенных необходимо предварительно выставить укрытия и ограничители взрыва - массивные плиты из металла или железобетона. Взрывчатое вещество закладывается в щель или шпур (при глубине рыхления до 1500 мм), а при потребности выемки грунта на большей глубине - в щели и скважины. Для нарезания щелей применяются буровые или фрезерные машины, щели выполняются на 900-1200 мм дистанции друг от друга.

Взрывчатка укладывается в среднюю (центральную) щель, а расположенные по соседству щели обеспечат компенсацию взрывного сдвига мерзлого грунта и погасят ударную волну, тем самым препятствуя разрушениям вне зоны работ. В щель закладывается удлиненный заряд или несколько коротких зарядов сразу, затем ее заполняют песком с утрамбовкой. После взрыва мерзлый грунт в секторе производства работ будет полностью раздроблен, при этом стенки траншеи или котлована, создание которых и было целью выемки земли, останутся неповрежденными.

Разработка мерзлого грунта без его подготовки

Существует два способа прямой разработки грунта в условиях низких температур - механический и блочный.

Технология механической разработки мерзлых грунтов базируется на силовом воздействии, в некоторых случаях включающим в себя удар и вибрацию. В ходе его осуществления используются как обычные машины для землеройных работ, так и оснащенные специальным инструментом.

На небольших глубинах промерзания работы по извлечению грунта применяются обычные землеройные машины: экскаваторы с прямым или обратным ковшом; драглайны; скреперы; бульдозеры. Одноковшовые экскаваторы могут оснащаться специальным навесным оборудованием - ковшами с захватными клещами и виброударными зубьями. Такое оборудование позволяет воздействовать на мерзлый грунт посредством избыточного режущего усилия и вести его послойную разработку, соединив в одной рабочей операции рыхление и экскавацию.

Послойное извлечение грунта выполняется специальной землеройно-фрезерной установкой, срезающей с участка работ слои шириной 2600 мм и глубиной до 300 мм. В конструкции это машины предусмотрено бульдозерное оборудование, обеспечивающие перемещение срезанного грунта.

Суть блочной разработки грунтов заключается в резке мерзлого грунта на блоки с последующим их извлечением при помощи трактора, экскаватора или строительного крана. Блоки нарезаются путем пропиливания грунта резами, перпендикулярными между собой. Если земля промерзла неглубоко - до 600 мм - то для извлечения блоков достаточно выполнить прорезы вдоль участка. Щели прорезаются на 80% глубины, на которую промерз грунт. Этого вполне достаточно, поскольку слой со слабой механической прочностью, расположенный между промерзшей зоной грунта и зоной, сохраняющей положительную температуру, не помешает отделению грунтовых блоков. Дистанция между щелями-прорезями должна примерно на 12% быть меньше, чем кромочная ширина ковша экскаватора. Извлечение грунтовых блоков производится при помощи экскаваторов с обратной лопатой, т.к. выгружать их из ковша прямой лопаты довольно трудно.

Способы оттаивания мерзлого грунта

Они классифицируются по направлению подачи тепла в грунт и виду используемого теплоносителя. В зависимости от направления подачи тепловой энергии существует три способа разморозить грунт - верхний, нижний и радиальный.

Верхняя подача тепла в землю наименее эффективна - источник тепловой энергии находится в воздушном пространстве и активно охлаждается воздухом, т.е. значительная часть энергии расходуется попусту. Однако этот способ оттаивания организоваться проще всего и в этом его преимущество.

Процедура оттаивания, проводимая из-под земли, сопровождается минимальными затратами энергии, поскольку тепло распространяется под прочным слоем льда на поверхности грунта. Главный минус данного способа - потребность выполнения сложных подготовительных мер, поэтому он применяется редко.

Радиальное распространение тепловой энергии в толще грунта осуществляется при помощи вертикально утопленных в землю тепловых элементов. Эффективность радиального оттаивания находится между результатами верхнего и нижнего прогревания грунта. Для осуществления этого способа требуются несколько меньшие, но все же достаточно высокие объемы работ по подготовке прогрева.

Разморозка грунта зимой проводится с использованием огня, электрических термоэлементов и горячего пара.
Огневая методика применима для рытья относительно узких и неглубоких траншей. На поверхности участка работ выставляется группа коробов из металла, каждый из которых представляет собой разрезанный пополам усеченный конус. Они ставятся разрезанной стороной на землю вплотную друг к другу и образуют галерею. В первый короб закладывается топливо, которое затем поджигается. Галерея из коробов становится горизонтальной вытяжной трубой - вытяжка идет из последнего короба, а продукты сгорания движутся по галерее и обогревают грунт. Чтобы понизить потери тепла от контакта корпуса коробов с воздухом, они засыпаются шлаком или талым грунтом с участка, работы на котором проводились ранее. Образовавшуюся по окончании прогрева полосу размороженного грунта необходимо засыпать опилками или застелить пвх пленкой, чтобы аккумулированное тепло способствовало дальнейшему оттаиванию.

Электрический прогрев мерзлого грунта базируется на способности нагрева материалов при пропуске через них электротока. С этой целью применяются вертикально и горизонтально ориентированные электроды.

Горизонтальное оттаивание производится электродами из круглой или полосовой стали, уложенной на грунт - чтобы подключить к ним электропровода, противоположные концы стальных элементов загибают на 150-200 мм. Прогреваемый участок с размещенными на нем электродами засыпается опилками (толщина слоя - 150-200 мм), предварительно смоченными солевым раствором (концентрация соли - 0,2-0,5%) в количестве, равном исходной массе опилок. Задача опилок, пропитанных солевым раствором - проводить ток, поскольку мерзлый грунт в начальной стадии работ ток проводить не будет. Сверху слой опилок закрывается пленкой пвх. По мере прогрева верхний грунтовый слой становится проводником тока между электродами и интенсивность оттаивания значительно возрастает - прежде размораживается средний слой грунта, а затем и расположенные ниже. По мере включения слоев грунта в проведение электротока слой опилок начинается выполнять вторичную задачу - сохранение тепловой энергии в участке работ, для чего необходимо укрыть опилки деревянными щитами или толем. Оттаивание мерзлого грунта горизонтальными электродами производится на глубину промерзания до 700 мм, затраты электроэнергии при обогреве кубометра земли составляют 150-300 МДж, опилочный слой прогревается до 90 о С, не более.

Вертикальное электродное оттаивание производится при помощи стержней, изготовленных из арматурной стали и имеющих один острый конец. Если глубина промерзания грунта равна 700 мм, стержни вбиваются прежде на глубину 200-250 мм шахматным порядком, а после оттаивания верхнего слоя их утапливают на большую глубину. В процессе работ по вертикальному размораживанию грунта требуется устранять снег, накопившийся на поверхности участка, засыпать его опилками, смоченными солевым раствором. Процесс прогрева идет также, как и при горизонтальном оттаивании с применением полосовых электродов - по мере оттаивания верхних слоев важно периодически погружать электроды дальше в грунт до глубины 1300-1500 мм. По окончании вертикального оттаивания мерзлого грунта электроды извлекаются, но вся площадка остается под слоем опилок - еще 24-48 часов грунтовые слои будут размораживаться самостоятельно благодаря накопленной тепловой энергии. Затраты электроэнергии на работы по вертикальному оттаиванию немного ниже, чем при выполнении горизонтального размораживания.

Для электродного обогрева грунта по направлению снизу вверх необходима предварительная подготовка скважин - их бурят на 150-200 мм глубже, чем глубина промерзания. Скважины располагаются в шахматном порядке. Данный способ характеризуется меньшими затратами электроэнергии - около 50-150 МДж на кубометр грунта.

Стержни электродов вводятся в подготовленные скважины, достигая не промерзшего слоя земли, поверхность участка засыпается отпилками, смоченными солевым раствором, поверх укладывается пластиковая пленка. В результате процесс оттаивания идет в двух направлениях - сверху вниз и снизу вверх. Данный метод оттаивания мерзлого грунта осуществляется редко и исключительно при необходимости срочно разморозить участок для выемки земли.

Оттаивание паром проводится при помощи специальных приспособлений - паровых игл, выполненных из металлических труб диаметром 250-500 мм, по которым в грунт вводится горячий пар. Нижняя часть паровой иглы оборудуется металлическим наконечником, содержащим множество 2-3 мм отверстий. К верхней (полой) части трубы-иглы подключается резиновый шланг, снабженный краном. Для установки паровых игл в грунте пробуриваются скважины (шахматный порядок, дистанция 1000-1500 мм) протяженностью 70% от требуемой глубины оттаивания. На отверстия скважины одеваются металлические колпаки, оснащенные сальниками, через которые будет пропущена паровая игла.

После установки игл по шлангу в них под давлением 0,06-0,07 МПа подается пар. Поверхности оттаиваемого участка земли закрывается слоем опилок. Потребление пара на прогрев кубометра грунта - 50-100 кг, по расходу тепловой энергии этот способ в 1,5-2 раза более затратный по сравнению с прогревов заглубленными электродами.

Способ оттаивания мерзлого грунта при помощи контактных электронагревателей внешне схож с паровым размораживанием. В металлические полые иглы, длиной порядка 1000 мм и диаметром не более 60 мм, устанавливаются нагревательные элементы с изоляцией от металлического корпуса иглы. При подключении электропитания нагревательный элемент сообщает тепловую энергию корпусу иглы-трубы, а она - слоям грунта. Тепловая энергия в процессе прогрева распространяется радиально.

В условиях современного круглогодичного строительства примерно 20 % объема земляных работ разрабатывают в зимнее время.

В связи повышенной прочностью мерзлых грунтов зимой в несколько раз увеличивается трудоемкость и стоимость их разработки.

Без предварительной подготовки может разрабатываться грунт, промерзший на глубину до: 0,1м - скреперами и бульдозерами; 0,15 м - экскаваторами-драглайнами; 0,25 м - экскаваторами, оборудованными прямой лопатой, с ковшами вместимостью 0,5...0,65 м; 0,4 м - то же, но более мощными экскаваторами. В остальных случаях грунт до разработки должен быть предварительно подготовлен одним из следующих способов: предохранением от промерзания; оттаиванием; рыхлением.

Предохранение от промерзания заключается в предварительной обработке или утеплении грунта до замерзания теплоизоляционными материалами. Для этого грунт после отвода поверхностных вод можно разрыхлять или вспахивать с боронованием на глубину до 0,35 м, закрывать местными теплоизоляционными материалами (листва, хвоя, опилки и т.п.), а также устраивать снегозадержание.

Оттаивание грунта может осуществляться сверху вниз, снизу вверх и по горизонтальному направлению - радиально от нагревателя.

Наиболее простым (но дорогостоящим) является огневой способ (рис.29), при котором грунт оттаивает сверху вниз благодаря сжиганию на поверхности замерзшего грунта под колпаком твердого или жидкого топлива. Для оттаивания 1 ммерзлого грунта расходуется примерно 130 кг торфа, 50 кг угля, 0,15 мдров, 5 кг дизельного топлива.

Рис.29. Схемы оттаивания грунта

а - огневым способом;

б - паровыми иглами;

в, г - горизонтальными и вертикальными электродами;

1 - камера сгорания;

2 - вытяжная труба;

3 - слой грунта (опилок);

4 - паропровод;

5 - колпак;

6 - скважина;

7 - паровая игла;

8 - электрод;

9 - трехфазная электросеть.

Также по направлению сверху вниз грунт можно отогревать горизонтальными электродами. Для создания токопроводящих условий поверхность грунта покрывают опилками, смоченными в солевом растворе. Затем отогретый грунт становится проводником тока, а опилки способствуют сохранению тепла.

Прогревание мерзлого грунта электротоком снизу вверх можно осуществить, если имеется возможность погрузить вертикальные электроды ниже уровня промерзания грунта.

Примером отогревания грунта в радиальном направлении может служить оттаивание паровыми иглами или электронагревателями. В первом случае пар, проходя между двумя трубами отдает тепло грунту через наружную трубу; во втором - внутри трубы располагают нагревательный элемент, который нагревает поверхность трубы.

Рыхление грунта может осуществляться взрывным или механическим способом. Взрывание грунта производят только специально подготовленные рабочие-подрывники. Для этого в грунте пробуривают отверстия - шпуры или нарезают щели, в которые закладываются заряды взрывчатого вещества (ВВ).

Механическое рыхление может осуществляться статическим или динамическим воздействием. Пример статического воздействия - рыхление грунта бульдозерно-рыхлительными агрегатами.

В качестве механизмов для динамического воздействия используют дизель-молоты, клин-молоты, машины ударного действия, а также навесное оборудование на экскаваторы (клин и шар-молоты) или гидравлические молоты (рис.30).

Рис.30. Рыхление мерзлого грунта

а - молотом свободного падения;

б, в - то же дизель-молотом и гидромолотом;

г, д- при глубине промерзания до и более 1,5 м;

1 - молот;

2 - экскаватор;

3 - мерзлый слой грунта;

4 - направляющая штанга;

5 - дизель-молот;

6 - гидромолот.

Кроме рыхления иногда мерзлые грунты режут на блоки с последующим их удалением тракторами или разработкой экскаваторами. Такой метод особо эффективен в тех случаях, когда недопустимо сотрясение грунта. Для нарезания блоков рекомендуются баровые машины с цепным рабочим органом, смонтированном на базе трактора.

Строительство ведется круглый год, в связи с чем примерно 20% общего объема земляных работ приходится выполнять при мерзлом состоянии грунта.

Для мерзлых грунтов характерным является значительное увеличение трудоемкости их разработки вследствие повышенной механической прочности. Кроме того, мерзлое состояние грунта усложняет технологию, ограничивает применение некоторых типов землеройных (экскаваторов) и землеройно-транспортных (бульдозеров, скреперов, грейдеров) машин, уменьшает производительность транспортных средств, способствует быстрому износу деталей машин, особенно их рабочих органов. В то же время временные выемки в мерзлом грунте можно разрабатывать без откосов.

В зависимости от конкретных местных условий разработку грунта в зимних условиях осуществляют следующими методами:

1) предохранением грунта от промерзания и последующей разработкой обычными методами;

2) разработкой грунта в мерзлом состоянии с предварительным рыхлением;

3) непосредственной разработкой мерзлого грунта;

4) оттаиванием грунта и его разработкой в талом состоянии.

1. Предохранение грунта от промерзания осуществляют рыхлением поверхностных слоев, укрытием поверхности различными утеплителями, пропиткой фунта солевыми растворами. Рыхление грунта вспахиванием и боронованием производят на участке, предназначенном для разработки в зимних условиях. В результате верхний слой грунта приобретает рыхлую структуру с замкнутыми пустотами, заполненными воздухом, которая обладает Достаточными термоизоляционными свойствами. Вспашку ведут тракторными плугами или рыхлителями на глубину 20...35 см с последующим боронованием на глубину 15... 20 см в одном направлении (или в перекрестных направлениях), что повышает термоизоляционный эффект на 18... 30%.

Укрытие поверхности грунта выполняют термоизоляционными Материалами, желательно из дешевых местных материалов: древесных листьев, сухого мха, торфяной мелочи, соломенных матов, шлака, стружек и опилок, укладываемых слоем 20...40 см непосредственно по грунту. Поверхностное утепление грунта применяют в основном для небольших по площади выемок.

2.Рыхление мерзлого грунта с последующей разработкой землеройными или землеройнотранспортными машинами осуществляет механическим или взрывным методом. Механическое рыхление базируется на резании, раскалывании или сколе слоя мерзлого грунта статическим или динамическим воздействием.

Статическое воздействие основано на воздействии непрерывного режущего усилия в мерзлом грунте специальным рабочим органом - зубом . Для этого применяют специальное оборудование, у которого непрерывное режущее усилие зуба создается за счет тягового усилия трактора-тягача (рис. 5.30, а). Машины этого типа производят послойную проходку мерзлого грунта, обеспечивая за каждую проходку глубину рыхления порядка 0,3...0,4 м. Рыхлят грунт параллельными (примерно через 0,5 м) проходками с последующими поперечными проходками под углом 60... 90° к предыдущим. Производительность рыхлителя 15...20 и3/ч. В качестве статических рыхлителей применяют гидравлические экскаваторы с рабочим органом -зубом-рыхлителем (рис. 5.30, б).

Возможность послойной разработки мерзлого грунта делает статические рыхлители применимыми независимо от глубины промерзания.

Динамическое воздействие основано на создании ударных нагрузок на открытой поверхности мерзлого грунта. Этим способом грунт разрушают молотами свободного падения (рыхление раскалыванием) либо молотами направленного действия (рыхление сколом). Молот свободного падения может иметь форму шара или клина (рис. 5.31, а) массой до 5 т, подвешиваемого на канате к стреле экскаватора и сбрасываемого с высоты 5... 8 м. Шары рекомендуют применять при рыхлении песчаных и супесчаных грунтов, а клинья - глинистых (при глубине промерзания 0,5...0,7 м).

В качестве молота направленного действия широко применяют дизель-молоты, используемые в качестве навесного оборудования к экскаватору (рис. 5.31, б) или трактору. Дизель-молоты позволяют разрушать грунт на глубину до 1,3 м.

Рыхление взрывом эффективно при глубинах промерзания 0,4- 1,5 м и более и при значительных объемах разработки мерзлого грунта. Его применяют преимущественно на незастроенных участках, а на застроенных ограниченно - с использованием укрытий и локализаторов взрыва (тяжелых пригрузочных плит). При рыхлении на глубину до 1,5 м применяют шпуровой и щелевой методы, а при больших глубинах - скважинный или щелевой. Щели на расстоянии 0,9... 1,2 м (рис. 5.32, а) одна от другой. При взрывании мерзлый грунт полностью дробится, не повреждая стенок котлована или траншеи (рис. 5.41, б).

3. Непосредственная разработка мерзлого грунта (без предварительного рыхления) ведется двумя способами блочным и механическим.

Блочный метод основан на том, что монолитность мерзлого грунта нарушается с помощью разрезки его на блоки , которые затем удаляют экскаватором, строительным краном или трактором (рис. 5.33). Разрезку на блоки выполняют по взаимно перпендикулярным направлениям. При малой глубине промерзания (до 0,6 м) достаточно сделать только продольные прорезы. Глубина прорезаемых в мерзлом слое щелей должна составлять примерно 80% от глубины промерзания, так как ослабленный слой на границе мерзлой и талой зон не является препятствием для отрыва блоков от массива. Расстояние между нарезанными щелями зависит от размеров кромки ковша экскаватора (размеры блоков должны быть на 10... 15% меньше ширины зева ковша экскаватора). Для отгрузки блоков применяют экскаваторы с ковшами вместимостью 0,5 м3 и выше, оборудованные преимущественно обратной лопатой, так как выгрузка блоков из ковша прямой лопатой сильно затруднена.

Механический метод основан на силовом (иногда в сочетании с ударным или вибрационным) воздействии на массив мерзлого грунта. Реализуется применением как обычных землеройных и землеройно-транспортных машин, так и машин, оборудованных специальными рабочими органами.

Обычные машины применяют при небольшой глубине промерзания грунта: экскаваторы прямая и обратная лопаты с ковшом вместимостью до 0,65 м3 -0,25 м; то же, с ковшом вместимость до 1,6 м3-0,4 м; экскаваторы-драглайны -до 0,15 м; бульдозер и скреперы -0,05... 0,1 м.

Для расширения области применения в зимнее время одноковшовых экскаваторов начато применение специального оборудования: ковшей с виброударными активными зубьями (рис. 5.34, а) и ковшей с захватно-клещевым устройством (рис. 5.34, б). За счет избыточного режущего усилия такие одноковшовые экскаваторы могут послойно разрабатывать массив мерзлого грунта, объединяя процессы рыхления и экскавации в единый.

Послойную разработку грунта осуществляют специализированной землеройно-фрезерной машиной, снимающей «стружку» толщиной до 0,3 м и шириной 2,6 м (рис. 5.34, в). Перемещение разработанного мерзлого грунта производят бульдозерным оборудованием, входящим в комплект машины.

4. Оттаивание мерзлого грунта осуществляют тепловыми способами характеризующимися значительной трудоемкостью и энергоемкостью. Поэтому тепловые способы применяют только в тех случаях, когда другие эффективные методы недопустимы или неприемлемы, а именно: вблизи действующих подземных коммуникаций и кабелей; ПРИ необходимости оттаивания промерзшего снования; при аварийных и ремонтных работах; в стесненных условиях (особенно в условиях технического перевооружения и реконструкции предприятий).

Способы оттаивания мерзлого грунта классифицируют как по направлению распространения теплоты в грунте , так и по применяемому виду теплоносителя.

По направлению распространения теплоты в грунт можно выделить следующие три способа оттаивания грунта.

Способ оттаивания грунта сверху вниз неэффективен, так как источник теплоты размещается в зоне холодного воздуха, что вызывает большие потери теплоты. В то же время этот способ достаточно легко и просто осуществить, так как он требует минимальных подготовительных работ.

Способ оттаивания грунта снизу вверх требует минимального расхода энергии, так как оттаивание происходит под зашитой льдоземляной корки и теплопотери при этом практически исключаются. Главный недостаток этого способа - необходимость выполнения трудоемких подготовительных операции, что ограничивает область его применения.

При оттаивании грунта по радиальному направлению тепло распространяется в грунте радиально от вертикально установленные прогревающих элементов, погруженных в грунт. Этот способ | своим экономическим показателям занимает промежуточное положение между двумя ранее описанными, а для своего осуществления требует также значительных подготовительных работ.

По виду теплоносителя -

различают следующие основные способы оттаивания мерзлых грунтов.

Огневой способ применяют для отрывки зимой небольших траншей. Для этого экономично использовать звеньевой агрегат (рис. 5 35), состоящий из ряда металлических коробов в форме разрезанных по продольной оси усеченных конусов, из которых собирают сплошную галерею. Первый из коробов представляет собой камеру сгорания, в которой сжигают твердое или жидкое топливо. Вытяжная труба последнего короба обеспечивает тягу, благодаря которой продукты сгорания проходят вдоль галереи и прогревают расположенный под ней грунт. Для уменьшения теплопотерь галерею обсыпают слоем талого грунта или шлака. Полосу оттаявшего грунта засыпают опилками, а дальнейшее оттаивание вглубь продолжается за счет аккумулированной в грунте теплоты.

Способ электропрогрева основан на пропуске тока через разогреваемый материал, в результате чего он приобретает положительную температуру. Основными техническими средствами являются горизонтальные или вертикальные электроды.

При оттаивании грунта горизонтальными электродами по поверхности грунта укладывают электроды из полосовой или круглой стали, концы которых отгибают на 15... 20 см для подключения к проводам (рис. 5.36, а). Поверхность отогреваемого участка покрывают слоем опилок толщиной 15... 20 см, которые смачивают солевым раствором с концентрацией 0,2... 0,5% с таким расчетом, чтобы масса раствора была не менее массы опилок. Вначале смоченные опилки являются токопроводящим элементом, так как замерзший грунт не является проводником. Под воздействием теплоты, генерируемой в слое опилок, оттаивает верхний слой грунта, который превращается в проводник тока от электрода к электроду. После этого под воздействием теплоты начинает оттаивать следующий слой грунта, а затем нижележащие слои. В дальнейшем опилочный слой защищает отогреваемый участок от потерь теплоты в атмосферу, для чего слой опилок покрывают толем или щитами. Этот способ применяют при глубине промерзания грунта до 0,7 м; расход электроэнергии на отогрев 1 м3 грунта колеблется от 150 до 300 МДж; температура в опилках не превышает 80...90°С.

Оттаивание грунта вертикальными электродами осуществляют с применением стержней из арматурной стали с заостренными нижними концами. При глубине промерзания 0,7 м их забивают в грунт в шахматном порядке на глубину 20... 25 см, а по мере оттаивания верхних слоев грунта погружают на большую глубину (рис. 5.36, б). При оттаивании сверху вниз необходимо систематически убирать снег и устраивать опилочную засыпку, увлажненную солевым раствором. Режим прогрева при стержневых электродах такой же, как и при полосовых, причем во время отключения электроэнергии электроды следует последовательно заглублять по мере прогрева грунта до 1,3... 1,5 м. После отключения электроэнергии в течение 1... 2 дн глубина оттаивания продолжает увеличиваться за счет аккумулированной в грунте теплоты под защитой опилочного слоя. Расход энергии при этом способе несколько ниже, чем при способе горизонтальных электродов.

Применяя прогрев снизу вверх, до начала прогрева необходимо бурить скважины, расположенные в шахматном порядке, на глубину, превышающую на 15... 20 см толщину мерзлого грунта. Расход энергии при отогреве грунта снизу вверх существенно снижается, составляя 50... 150 МДж на 1 м3, а применять слой опилок не требуется.

При заглублении стержневых электродов в подстилающий талый грунт и одновременном устройстве на дневной поверхности опилочной засыпки, пропитанной солевым раствором, оттаивание происходит как в направлении сверху вниз, так и снизу вверх. При этом трудоемкость подготовительных работ значительно выше, чем в первых двух вариантах. Применяют этот способ лишь в исключительных случаях, когда необходимо экстренно осуществить оттаивание грунта.

Паровое оттаивание основано на впуске пара в грунт, для чего применяют специальные технические средства-паровые иглы, представляющие собой металлическую трубу длиной до 2м, диаметром25...50мм. На нижнюю часть трубы насажен наконечник с отверстиями диаметром 2- Змм Иглы соединяют с паропроводом гибкими резиновыми шлангами с кранами. Иглы заглубляют в скважины, предварительно пробуриваемые на глубину, равную 70% глубины оттаивания. Скважины закрывают защитными колпаками, снабженные сальниками для пропуска паровой иглы.

Пар подают под давлением 0,06...0,07 МПа. После установки аккумулированных колпаков прогреваемую поверхность покрывают слоем термоизолирующего материала (например, опилок). Иглы располагают в шахматном порядке с расстоянием между центрами 1... 1,5 м. Расход пара на 1 м3 грунта составляет 50... 100 кг. Этот метод требует расхода теплоты примерно в 2 раза больше, чем метод глубинных электродов.

Оттаивание грунта электронагревателями : Оттаивание электронагревателями основано на передаче теплоты мерзлому грунту контактным способом. В качестве основных технических средств применяют электроиглы, представляющие собой стальные трубы длиной около 1 м, диаметром до 50... 60 мм. Внутри иглы установлен нагревательный элемент, изолированный от корпуса трубы. Нагревательный элемент имеет контактные выводы для подключения к электрической цепи. Нагреваясь, он передает тепловую энергию стальному корпусу, а тот - мерзлому грунту.

При оттаивании грунтов электронагревателями теплота распространяется в радиальном направлении.