Земляные работы в зимних условиях и вечномерзлых грунтах. Сооружение земляного полотна в зимнее время
Предохранение грунта от промерзания с последующей разработкой обычными методами;
Оттаивание грунта с разработкой его в талом состоянии;
Разработка грунта в мерзлом состоянии с предварительным рыхлением;
Непосредственная разработка мерзлого грунта.
В зимнее время без предварительной подготовки может разрабатываться грунт, промерзший на глубину до: 0,1 м – скреперами и бульдозерами; 0,15 м – экскаваторами-драглайнами; 0,25 м – экскаваторами, оборудованными прямой лопатой, с ковшами вместимостью 0,5...0,65 м 3 ; 0,4 м - то же, но более мощными экскаваторами. В остальных случаях грунт до разработки должен быть предварительно подготовлен.
Предохранение от промерзания заключается в предварительной обработке или утеплении грунта до замерзания теплоизоляционными материалами: листвой, торфом, опилками, шлаком и специальной пеной. Для этого грунт после отвода поверхностных вод можно разрыхлять или вспахивать с боронованием на глубину до 0,35 м, закрывать местными теплоизоляционными материалами, а также устраивать снегозадержание.
Оттаивание грунта может осуществляться сверху вниз, снизу вверх и по горизонтальному направлению - радиально от нагревателя. Данный способ является дорогим и трудоемким, поэтому его применяют при небольших объемах земляных работ.
В практике используют несколько способов оттаивания грунта. Наиболее простым (но дорогостоящим) является огневой способ, при котором грунт оттаивает сверху вниз благодаря сжиганию на поверхности замерзшего грунта под колпаком твердого или жидкого топлива.
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. Взрывной способ наиболее эффективен при глубине промерзания свыше 0,8 м. Для этого в грунте пробуривают отверстия - шпуры или нарезают щели, в которые закладываются заряды взрывчатого вещества. Рыхление обычно ведется с использованием шпуровых и щелевых зарядов и, реже- скважинных (при h ПР > 2 м), котловых и мелкокамерных зарядов.
Разрабатываемую выемку делят на захватки: на первой разрыхленный грунт разрабатывают экскаватором; на второй, где грунт также разрыхлен, работы согласно условиям безопасности не производят; на третьей ведут буровые и взрывные работы.
Способы разработки грунтов в зимнее время, их характеристика и условия применения
Разработка грунтов в зимнее время (без предварительного рыхления) может осуществляться двумя способами – блочным и механическим.
Блочный способ применяется для больших площадей. Он основан на том, что монолитность мерзлого грунта нарушается за счет разрезки его баровой машиной при взаимно-перпендикулярных проходках на блоки шириной 0,6…1,0 м. При малой глубине промерзания (до 0,6 м) достаточно сделать только продольные разрезы.
Баровые машины позволяют прорезать в мерзлом грунте щели глубиной 1,2…2,5 м. Расстояние между барами принимается в зависимости от грунта через 60…100 см. Разработку производят экскаваторами «обратная лопата» с ковшом большой вместимости или глыбы грунта волоком перемещают с разрабатываемой площадки в отвал бульдозерами или тракторами.
При устройстве небольших котлованов и траншей, при работе в стесненных условиях с погрузкой грунта в автотранспорт или укладкой в отвал используют мелкоблочный метод разработки мерзлых грунтов. Для погрузки мерзлых блоков и разработки талого грунта применяют экскаваторы, оборудованные прямой лопатой с ковшом вместимостью 0,65 м 3 и более.
При глубине промерзания до 1,3 м траншеи и котлованы можно разрабатывать обратными лопатами с ковшом вместимостью 0,65 м 3 и выше при условии нарезания полос через 0,4...0,5 м баровой машиной. При ширине траншеи до 2 м достаточно сделать только продольные прорези вдоль траншеи; при большей ширине выполняют и поперечные прорези под углом 30°, нарезая при этом блоки в виде ромбов. При рытье котлованов полная площадь разрабатывается несколькими торцовыми проходками.
Для разработки небольших котлованов в мерзлых грунтах, а также вблизи зданий, когда недопустимо сотрясение грунта, неизбежное при ударном и виброударном рыхлении мерзлого грунта рекомендуется применять к рупноблочный метод. При этом методе блоки массой 4...10 т отрываются и сдвигаются от талого основания бульдозерами, затем погружаются кранами в самосвалы. Подъем блоков можно производить через несколько смен после нарезания щелей, поскольку разрыв между блоками не смерзается.
Выемку разбивают на две захватки: на первой нарезают щели однобаровой машиной, на второй убирают краном блоки и подчищают бульдозером основание.
Механический способ основан на силовом, а чаще в сочетании с ударным или вибрационным воздействии на массив мерзлого грунта. Для разработки грунта используются обычные землеройные и землеройно-транспортные машины и машины со специально разработанными для зимних условий рабочими органами.
Разработка мерзлых грунтов машинами ударного действия. При разработке котлована комплект машин может состоять из рыхлителя МНС-2 (машины непрерывного скола) и гидравлического экскаватора , оборудованного обратной лопатой с ковшом вместимостью 0,5 м 3 . Рабочие органы рыхлителя в виде двух клиньев при ударах по ним падающих грузов, двигающихся по направляющим, заглубляются в мерзлый грунт на глубину до 1,1 м, скалывая его. Ширина разрабатываемой полосы - от 1,5 до 3 м.
Имея задел разрыхленного грунта не менее чем на половину смены, включается в работу экскаватор, двигаясь вслед за машиной МНС-2 с постоянным интервалом, что исключает смерзание разрыхленного грунта.
Грунт можно рыхлить дизель-молотом с клином, закрепленным на экскаваторе, с последующей разработкой грунта экскаватором, оборудованным прямой или обратной лопатой.
При сравнительно небольших по объему котлованах и траншеях грунт рыхлят с помощью навесного оборудования одноковшовым экскаватором в виде молотов свободного падения (шар-молот, клин-молот). Производительность экскаватора, работающего с клин- или шар-молотом, не превышает 60 м 3 мерзлого грунта за смену. Недостатком рыхления грунтов этим способом является чрезмерный расход стальных канатов и повышенные нежелательные динамические нагрузки на узлы экскаватора.
Грунт также рыхлят гидромолотами , навешиваемыми в качестве сменного рабочего оборудования на гидравлические экскаваторы. Ими можно рыхлить не только мерзлые, но и скальные грунты, асфальтобетонные покрытия и т. п. Мерзлый грунт разрабатывается слоями толщиной 40...60 см при производительности от 5...6 до 20...25 м 3 /ч.
Разработка мерзлых грунтов статическими рыхлителями . Применяют сменное навесное оборудование ЭРМГ-1 и ЭРМГ-2 (экскаваторные рыхлители мерзлого грунта одностороннего и двухстороннего действия). Это гидравлические механизмы захватно-клещевого типа статического действия, которые позволяют совместить операции по рыхлению мерзлого грунта с обычной экскавацией.
Отсутствие ударно-динамических воздействий на грунт позволяет использовать гидравлические экскаваторы с навесным оборудованием в самых разнообразных условиях, практически охватывая всю номенклатуру земляных работ, специфичных для строительства в стесненных условиях, вблизи действующих подземных коммуникаций, наземных строений и предметов (деревья, столбы и т. п.).
Достоинства их: высокая эффективность при разработке мерзлых грунтов, на выполнении специальных работ: разрушении монолитных бетонных сооружений и асфальтобетонных дорожных покрытий, снятии и укладке дорожных плит, разборке конструкций старых зданий при сносе, выполнении погрузочно-разгрузочных работ с длинномерными и другими грузами (бревна, трубы и т. д.) без применения дополнительных грузоподъемных средств.
При обратной засыпке котлованов и траншей в зимнее время пазухи между стенками котлована и возведенными в нем фундаментами надо засыпать грунтом, содержащим мерзлых комьев не более 15 % общего объема засыпки; засыпать пазухи внутри зданий мерзлым грунтом запрещается.
При прокладке трубопроводов траншею на 0,5 м выше трубы засыпают талым грунтом. Верхнюю часть траншеи можно засыпать мерзлым грунтом, не содержащим комьев размерами более 5...10 см. Для засыпки траншей в пределах проездов с твердым покрытием применять мерзлый грунт нельзя.
Значительная часть территории России расположена в зонах с продолжительной и суровой зимой. Однако строительство осуществляется круглогодично, в этой связи около 15% общего объема земляных работ приходится выполнять в зимних условиях и при мерзлом состоянии грунта. Особенность разработки грунта в мерзлом состоянии за ключается в том, что при замерзании грунта механическая прочность его возрастает, а разработка затрудняется. Зимой значительно возрастает трудоемкость разработки грунта (ручных работ в 4...7 раз, механизированных в 3...5 раз), ограничивается применение некоторых механизмов - экскаваторов, бульдозеров, скреперов, грейдеров, в то же время выемки зимой можно выполнять без откосов. Вода, с которой много неприятностей в теплое время года, в замерзшем состоянии становится союзником строителей. Иногда отпадает необходимость в шпунтовых ограждениях, практически всегда в водоотливе. В зависимости от конкретных местных условий используют следующие методы разработки грунта:
■ предохранение грунта от промерзания с последующей разработкой обычными методами;
■ оттаивание грунта с разработкой его в талом состоянии;
■ разработка грунта в мерзлом состоянии с предварительным рыхлением;
■ непосредственная разработка мерзлого грунта.
5.11.1. Предохранение грунта от промерзания
Этот метод основан на искусственном создании на поверхности участка, намеченного к разработке в зимнее время, термоизоляционного покрова с разработкой грунта в талом состоянии. Предохранение проводится до наступления устойчивых отрицательных температур, с заблаговременным отводом с утепляемого участка поверхностных вод. Применяют следующие способы устройства термоизоляционного покрытия: предварительное рыхление грунта, вспахивание и боронование грунта, перекрестное рыхление, укрытие поверхности грунта утеплителями и др.
Предварительное рыхление грунта, а также вспахивание и боронование осуществляется накануне наступления зимнего периода на участке, предназначенном для разработки в зимних условиях. При рыхлении поверхности грунта верхний слой приобретает рыхлую структуру с заполненными воздухом замкнутыми пустотами, обладающими достаточными теплоизоляционными свойствами. Вспашку производят тракторными плугами или рыхлителями на глубину 30...35 см с последующим боронованием на глубину 15...20 см. Такая обработка в сочетании с естественно образующимся снеговым покровом отдаляют начало промерзания грунта на 1,5 мес, а на последующий период уменьшают общую глубину промерзания примерно на 73. Снеговой покров может быть увеличен перемещением снега на участок бульдозерами или автогрейдерами или установкой перпендикулярно направлению господствующих ветров нескольких рядов снегозащитных заборов из решетчатых щитов размером 2 X 2 м на расстоянии 20...30 м ряд от ряда.
Глубинное рыхление производят экскаваторами на глубину 1,3. ..1,5 м путем перекидки разрабатываемого грунта на участке, где в последующем будет располагаться земляное сооружение.
Перекрестное рыхление поверхности на глубину 30...40 см, второй слой которого располагается под углом 60...900, а каждая последующая проходка выполняется с нахлесткой на 20 см. Такая обработка, включая снежный покров, отодвигает начало замерзания грунта на 2.5.. .3.5 мес., резко снижается общая глубина промерзания.
Предварительная обработка поверхности грунта механическим рыхлением особенно эффективна при утеплении этих участков земли.
Укрытие поверхности грунта утеплителями. Для этого используют дешевые местные материалы - древесные листья, сухой мох, торфяная мелочь, соломенные маты, стружки, опилки, снег. Наиболее простой способ - укладка этих утеплителей толщиной слоя 20...40 см непосредственно по грунту. Такое поверхностное утепление применяют в основном для небольших по площади выемок.
Укрытие с воздушной прослойкой. Более эффективным является использование местных материалов в сочетании с воздушной прослойкой. Для этого на поверхности грунта раскладывают лежни толщиной 8.. .10 см, на них горбыли или другой подручный материал - ветки, прутья, камыши; по ним сверху насыпают слой опилок или древесных стружек толщиной 15...20 см с предохранением их от сдувания ветром. Такое укрытие чрезвычайно эффективно в условиях срединной России, оно фактически предохраняет грунт от промерзания в течение всей зимы. Целесообразно площадь укрытия (утепления) увеличивать с каждой стороны на 2...3 м, что предохранит грунт от промерзания не только сверху, но и сбоку.
С началом разработки грунта вести его надо быстрыми темпами, сразу на всю необходимую глубину и небольшими участками. Утепляющий слой при этом нужно снимать только на разрабатываемой площади, в противном случае при сильных морозах будет быстро образовываться мерзлая корка грунта, затрудняющая производство работ.
5.11.2. Метод оттаивания грунта с разработкой его в талом состоянии
Оттаивание происходит за счет теплового воздействия и характеризуется значительной трудоемкостью и энергетическими затратами. Применяется в редких случаях, когда другие методы недопустимы или неприемлемы - вблизи действующих коммуникаций и кабелей, в стесненных условиях, при аварийных и ремонтных работах.
Способы оттаивания классифицируются по направлению распространения теплоты в грунте и по применяемому теплоносителю (сжигание топлива, пар, горячая вода, электричество). По направлению оттаивания все способы делятся на три группы.
Оттаивание грунта сверху вниз. Теплота распространяется в вертикальном направлении от дневной поверхности вглубь грунта. Способ наиболее прост, практически не требует подготовительных работ, наиболее часто применим на практике, хотя с точки зрения экономного расхода энергии наиболее несовершенен, так как источник теплоты размещается в зоне холодного воздуха, поэтому неизбежны значительные потери энергии в окружающее пространство.
Оттаивание грунта снизу вверх. Теплота распространяется от нижней границы мерзлого грунта к дневной поверхности. Способ наиболее экономичный, так как опаивание происходит под защитой мерзлой корки грунта и теплопотери в пространство практически исключены. Потребная тепловая энергия может быть частично сэкономлена за счет оставления верхней корки грунта в промерзшем состоянии. Она имеет наиболее низкую температуру, поэтому требует больших затрат энергии на опаивание. Но этот тонкий слой грунта в 10...15 см будет беспрепятственно разработан экскаватором, для этого вполне хватит мощности машины. Главный недостаток этого способа в необходимости выполнения трудоемких подготовительных операций, что ограничивает область его применения.
Радиальное оттаивание грунта занимает промежуточное положение между двумя предыдущими способами по расходу тепловой энергии. Теплота распространяется в грунте радиально от вертикально установленных прогревных элементов, но для того, чтобы их установить и подключить к работе требуются значительные подготовительные работы.
Для выполнения оттаивания грунта по любому из этих трех способов необходимо участок предварительно очистить от снега, чтобы не тратить тепловую энергию на его оттаивание и недопустимо переувлажнять грунт.
В зависимости от применяемого теплоносителя существует несколько методов оттаивания.
Оттаивание непосредственным сжиганием топлива. Если в зимнее время необходимо выкопать 1...2 ямы, самое простое решение - обойтись простым костром. Поддерживание костра в течение смены приведет к оттаиванию грунта под ним на 30...40 см. Погасив костер и хорошо утеплив место прогрева опилками, оттаивание грунта внутрь будет продолжаться за счет аккумулированной энергии и за смену может достигнуть общей глубины до 1 м. При необходимости можно снова расжечь костер или разработать талый грунт и на дне ямы развести костер. Применяют способ крайне редко, так как только незначительная часть тепловой энергии расходуется продуктивно.
Огневой способ применим для отрывки небольших траншей, используется звеньевая конструкция (рис. 5.41) из ряда металлических коробов усеченного типа, из которых легко собирается галерея необходимой длины, в первом из них устраивают камеру сгорания твердого или жидкого топлива (костер из дров, жидкое и газообразное топливо с сжиганием через форсунку). Тепловая энергия перемещается к вытяжной трубе последнего короба, создающей необходимую тягу, благодаря которой горячие газы проходят вдоль всей галереи и грунт под коробами прогревается по всей длине. Сверху короба желательно утеплить, часто утеплителем используют талый грунт. После смены агрегат убирают, полосу оттаявшего грунта засыпают опилками, дальнейшее опаивание продолжается за счет аккумулированного в грунте тепла.
Электропрогрев. Сущность данного метода состоит в пропускании электрического тока через грунт, в результате чего он приобретает положительную температуру. Используют горизонтальные и вертикальные электроды в виде стержней или полосовой стали. Для первоначального движения электрического тока между стержнями необходимо создать токопроводящую среду. Такой средой может быть талый грунт, если электроды забить в грунт до талого грунта, или на поверхности грунта, очищенного от снега, насыпать слой опилок толщиной 15...20 см, смоченных солевым раствором с концентрацией 0,2-0,5%. Вначале смоченные опилки являются токопроводящим элементом. Под воздействием теплоты, генерируемой в слое опилок, верхний слой грунта нагревается, опаивает и сам становится проводником тока от одного электрода к другому. Под воздействием теплоты происходит оттаивание нижележащих слоев грунта. В последующем распространение тепловой энергии осуществляется в основном в толще грунта, опилочный слой только защищает обогреваемый участок от потерь теплоты в атмосферу, для чего слой опилок целесообразно накрыть рулонными материалами или щитами. Этот способ достаточно эффективен при глубине промерзания или оттаивания грунта до 0,7 м. Расход электроэнергии на отогрев 1 м3 грунта колеблется в пределах 150...300 кВт.ч, температура нагретых опилок не превышает 80...90 °С.
Рис. 5.41. Установка для оттаивания грунта жидким топливом:
а - общий вид; б - схема утепления короба; 1 - форсунка; 2 - утеплитель (обсыпка талым грунтом); 3 - короба; 4 - вытяжная труба; 5 - полость оттаявшего грунта
Оттаивание грунта полосовыми электродами, укладываемыми на поверхность грунта, очищенной от снега и мусора, по возможности выровненной. Концы полосового железа отгибают кверху на 15...20 см для подключения к электропроводам. Поверхность отогреваемого участка покрывают слоем опилок толщиной 15...20 см, смоченных раствором хлористого натрия или кальция консистенции 0,2...0,5%. Так как грунт в промороженном состоянии не является проводником, то на первой стадии ток движется по смоченным раствором опилкам. Далее отогревается верхний слой грунта и оттаявшая вода начинает проводить электрический ток, процесс со временем идет вглубь грунта, опилки начинают выполнять роль теплозащиты отогреваемого участка от теплопотерь в атмосферу. Опилки сверху обычно покрывают толем, пергамином, щитами, другими защитными материалами. Способ применим при глубине отогрева до 0,6...0,7 м, так как при больших глубинах напряжение падает, грунты менее интенсивно включаются в работу, значительно медленнее нагреваются. К тому же они достаточно пропитаны с осени водой, которая требует больше энергии для перехода в талое состояние. Расход энергии колеблется в пределах 50-85 кВт.ч на 1 м3 грунта.
Оттаивание грунта стержневыми электродами (рис. 5.42). Данный метод осуществляют сверху вниз, снизу вверх и комбинированным способами. При оттаивании грунта вертикальными электродами стержни из арматурного железа с заостренным нижним концом забиваются в грунт в шахматном порядке, обычно используя рамку 4x4 м с крестообразно натянутыми проволоками; расстояние между электродами оказывается в пределах 0,5-0,8 м.
Рис. 5.42. Оттаивание грунта глубинными электродами:
а - снизу вверх; б - сверху вниз; 1 - талый грунт; 2 - мерзлый грунт; 3 - электрический провод; 4 - электрод, 5 - слой гидроизоляционного материала; 6 - слой опилок; I-IV - слои оттаивания
При прогреве сверху вниз предварительно очищают от снега и наледи поверхность, стержни забивают в грунт на 20...25 см, укладывают слой опилок, пропитанных раствором солей. По мере прогрева грунта электроды забивают глубже в грунт. Оптимальной будет глубина прогрева в пределах 0,7... 1,5 м. Продолжительность оттаивания грунта воздействием электрического тока примерно 1,5...2,0 сут, после этого увеличение глубины оттаивания будет происходить за счет аккумулированной теплоты еще в течение 1...2 сут. Расстояние между электродами 40...80 см, расход энергии по сравнению с полосовыми электродами сокращается на 15...20% и составляет 40...75 кВт-ч на 1 м3 грунта.
При прогреве снизу вверх пробуривают скважины и вставляют электроды на глубину, превышающую глубину промерзшего грунта на 15...20 см. Ток между электродами идет по талому грунту ниже уровня промерзания, при нагреве грунт отогревает вышележащие слои, которые также включаются в работу. При этом методе применять слой опилок не требуется. Расход энергии составляет 15...40 кВт/ч на 1 м3 грунта.
Третий, комбинированный способ, будет иметь место при заглублении электродов в подстилающий талый грунт и устройстве на дневной поверхности опилочной засыпки, пропитанной солевым раствором. Электрическая цепь замкнется наверху и внизу, оттаивание грунта будет происходить сверху вниз и снизу вверх одновременно. Так как трудоемкость подготовительных работ при этом способе самая высокая, то его применение может быть оправдано лишь в исключительных случаях, когда требуется ускоренное оттаивание грунта.
Оттаивание токами высокой частоты. Этот метод позволяет резко сократить подготовительные работы, так как промерзший грунт сохраняет проводимость к токам высокой частоты, поэтому отпадает надобность в большом заглублении электродов в грунт и в устройстве опилочной засыпки. Расстояние между электродами может быть увеличено до 1,2 м, т. е. сокращено их количество почти в два раза. Процесс оттаивания грунта протекает относительно быстро. Ограниченное использование способа связано с недостаточным выпуском генераторов токов высокой частоты.
Одним из методов, которые в настоящее время утратили свою эффективность и вытеснены более современными, является оттаивание грунта паровыми или водяными иглами. Дня этого необходимо наличие источников горячей воды и пара, при малой, до 0,8 м глубине промерзания грунта. Паровые иглы представляют собой металлическую трубу длиной до 2 м и диаметром 25...50 мм. На нижнюю часть трубы насажен наконечник с отверстиями диаметром 2...3 мм. Иглы соединяют с паропроводом гибкими резиновыми шлангами при наличии на них кранов. Иглы заглубляют в скважины, предварительно пробуриваемые на глубину, приблизительно 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 термоизоляционного материала, чаще всего опилок. Иглы располагают в шахматном порядке с расстоянием между центрами 1 1,5 м.
Расход пара на 1 м3 грунта составляет 50... 100 кг. За счет выделения паром в грунте скрытой теплоты парообразования прогрев грунта проходит особенно интенсивно. Этот метод требует расхода тепловой энергии примерно в 2 раза больше, чем метод вертикальных электродов.
Оттаивание грунта теплоэлектронагревателями. Данный метод основан на передаче теплоты мерзлому грунту контактным способом. В качестве основных технических средств применяются электро-маты, изготавливаемые из специального теплопроводящего материала, через который пропускают электрический ток. Прямоугольные маты, размеры которых могут закрывать поверхность от 4...8 м2, укладываются на оттаиваемый участок и подсоединяются к источнику электричества напряжением 220 В. При этом образующееся тепло эффективно распространяется сверху вниз в толщу мерзлого грунта, что приводит к его оттаиванию. Время, необходимое для оттаивания, зависит от температуры окружающего воздуха и от глубины промерзания грунта и в среднем составляет 15-20 ч.
5.11.3. Разработка грунта в мерзлом состоянии с предварительным рыхлением
Рыхление мерзлого грунта с последующей разработкой землеройными и землеройно-транспортными машинами осуществляют механическим или взрывным методом.
Механическое рыхление мерзлого грунта с использованием современных строительных машин повышенной мощности приобретает все большее распространение. В соответствии с требованиями экологии, перед зимней разработкой грунта необходимо в осенний период снять бульдозером слой растительного грунта с намеченного для разработки участка. Механическое рыхление базируется на резании, раскалывании или сколе мерзлого грунта статическим (рис. 5.43) или динамическим воздействием.
Рис. 5.43. Рыхление мерзлого грунта статическим воздействием:
а - бульдозером с активными зубьями, б - экскаватором-рыхлителем, 1 - направление хода рыхления
При динамическом воздействии на грунт осуществляется его раскалывание или сколы молотами свободного падения и направленного действия (рис. 5.44). Этим способом разрыхление грунта производят молотами свободного падения (шар- и клин-молотами), подвешенными на канатах на стрелы экскаваторов, либо молотами направленного действия, когда рыхление осуществляется сколом грунта. Рыхление механическим способом позволяет осуществлять его разработку землеройными и землеройно-транспортными машинами. Молоты массой до 5 т сбрасывают с высоты 5...8 м: молот в форме шара рекомендуется применять при рыхлении песчаных и супесчаных грунтов, клин-молоты - для глинистых (при глубине промерзания 0,5...0,7 м). В качестве молота направленного действия широко применяют дизель-молоты на экскаваторах или тракторах; они позволяют разрушать промороженный грунт на глубину До 1,3 м (рис. 5.45).
Статическое воздействие основано на непрерывном режущем Усилии в мерзлом грунте специального рабочего органа - зуба-рыхлителя, который может быть рабочим оборудованием гидравлического экскаватора «обратная лопата» или быть навесным оборудованием на Мощных тракторах.
Рыхление статическими рыхлителями на базе трактора подразумевает в качестве навесного оборудования специального ножа (зуба), режущее усилие которого создается за счет тягового усилия трактора.
Машины этого типа рассчитаны на послойное рыхление грунта на глубину 0,3...0,4 м. Число зубьев зависит от мощности трактора, при минимальной мощности трактора 250 л.с. используется один зуб. Разрыхление грунта осуществляют параллельными послойными проходками через 0,5 м с последующими поперечными проходками под углом 60...900 к предыдущим. Перемещение разрыхленного грунта в отвал осуществляют бульдозерами. Целесообразно навесное оборудование крепить непосредственно на бульдозер и использовать его для самостоятельного перемещения разрыхленного грунта (см. рис. 5.21). Производительность рыхлителя 15...20 м3/ч.
Способность статических рыхлителей послойно разрабатывать мерзлый грунт дает возможность использовать их независимо от глубины промерзания грунта. Современные рыхлители на базе тракторов с бульдозерным оборудованием благодаря своим широким технологическим возможностям находят широкое применение в строительстве. Это обусловлено их высокой экономичностью. Так, стоимость разработки грунта с применением рыхлителей по сравнению с взрывным способом рыхления в 2...3 раза ниже. Глубина рыхления этими машинами составляет 700...1400 мм.
Рис.5.45. Схема совместной работы дизель-молота и экскаватора «прямая лопата»
Рыхление мерзлых грунтов взрывом эффективно при значительных объемах разработки мерзлого грунта. Метод применяют преимущественно на незастроенных участках, и ограниченно застроенных - с использованием укрытий и локализаторов взрыва (тяжелых пригрузочных плит).
В зависимости от глубины промерзания грунта взрывные работы выполняют (рис. 5.46):
■ методом шпуровых и щелевых зарядов при глубине промерзания грунта до 2 м;
■ методом скважинных и щелевых зарядов при глубине промерзания свыше 2 м.
Шпуры просверливают диаметром 22...50 мм, скважины - 900...1100 мм, расстояние между рядами принимается от 1 до 1,5 м. Щели на расстоянии 0,9... 1,2 м одна от другой нарезают щеленарез-Выми мяптнями фрезерного типа или баровыми машинами. Из трех Соседних щелей взрывчатое вещество помещается только в среднюю, крайние и промежуточные щели служат для компенсации сдвига мерзлого грунта во время взрыва и для снижения сейсмического эффекта. Заряжают щели удлиненными или сосредоточенными зарядами, после чего их сверху засыпают талым песком. При качественном выполнении подготовительных работ в процессе взрывания мерзлый грунт полностью дробится, не повреждая стенок котлована или траншеи.
Рис. 5.46. Методы рыхления мерзлого грунта взрывом:
а - шпуровыми зарядами; б - то же, скважинными; в - то же, котловыми; г - то же, малокамерными; д, е - то же, камерными; ж - то же, щелевыми; 1 - заряд ВВ; 2 - забойка; 3 - грудь забоя; 4 - рукав; 5 - шурф; б - штольня; 7 - рабочая щель; 8 - компенсационная щель
Разрыхленный взрывами грунт разрабатывается экскаваторами или землеройно-транспортными машинами.
5.11.4. Непосредственная разработка мерзлого грунта
Разработка (без предварительного рыхления) может осуществляется двумя методами - блочным и механическим.
Блочный метод разработки применим для больших площадей и основан на том, что монолитность мерзлого грунта нарушается за счет разрезки его на блоки. С помощью навесного оборудования на тракторе - баровой машины грунт разрезают при взаимно-перпендикулярных проходках на блоки шириной 0,6...1,0 м (рис. 5.47). При малой глубине промерзания (до 0,6 м) достаточно сделать только продольные разрезы.
Баровые машины, осуществляющие нарезку щелей, имеют одну, две или три врубовые цепи, навешенные на тракторы или траншейные экскаваторы. Баровые машины позволяют прорезать в мерзлом грунте щели глубиной 1,2...2,5 м. Используют стальные зубья с режущей кромкой из прочного сплава, что продлевает срок их службы, а при износе или истирании позволяет быстро их заменить. Расстояние между барами принимается в зависимости от грунта через 60... 100 см. Разработку производят экскаваторами «обратная лопата» с ковшом большой вместимости или глыбы грунта волоком перемещают с разрабатываемой площадки в отвал бульдозерами или гранторами.
Рис.5.47. Схема блочной разработки грунта:
а - нарезка щелей баровой машиной; б - то же, с извлечением блоков трактором; в - разработка котлована с извлечением блоков мерзлого грунта при помощи крана; I - слой мерзлого грунта; 2 - режущие цепи (бары); 3 - экскаватор; 4 - щели в мерзлом грунте; 5 - нарезанные блоки грунта; 6 - перемещаемые с площадки блоки; 7 - столики крана; 8 - транспортное средство; 9 - клещевой захват; 10 - строительный кран; 11 - трактор
Механический метод основан на силовом, а чаще в сочетании с ударным или вибрационном воздействии на массив мерзлого грунта. Реализуется метод применением обычных землеройных и землеройно-транспортных машин и машин со специально разработанными для зимних условий рабочими органами (рис. 5.48).
Обычные серийные машины применяют в начальный период зимы, Когда глубина промерзания грунта незначительна. Прямая и обратная лопата могут разрабатывать грунт при глубине промерзания 0,25...0,3 м; с ковшом вместимостью более 0,65 м3-0,4 м; экскаватор драглайн - до 0,15 м; бульдозеры и скреперы в состоянии разрабатывать промерзший грунт на глубину до 15 см.
Рис. 5.48. Механический способ непосредственной разработки грунта:
а - ковш экскаватора с активными зубьями; б - разработка грунта экскаватором «обратная лопа-та» и захватно-клещевым устройством; в - землеройно-фрезерная машина; 1 - ковш; 2 - зуб ков-ша; 3 - ударник; 4 - вибратор; 5 - захватно-клещевое устройство; б - отвал бульдозера; 7 - гидроцилиндр для подъема и опускания рабочего органа; 8 - рабочий орган (фреза)
Для зимних условий разработано специальное оборудование для одноковшовых экскаваторов - ковши с виброударными активными зубьями и ковши с захватно-клещевым устройством. Затраты энергии на резание грунта примерно в 10 раз больше, чем на скалывание. Вмонтирование в режущий край ковша экскаватора виброударных механизмов, аналогичных по работе отбойному молотку, приносят хорошие результаты. За счет избыточного режущего усилия такие одноковшовые экскаваторы могут послойно разрабатывать массив мерзлого грунта. Процесс рыхления и экскавации грунта оказывается единым.
Разработку грунта осуществляют и многоковшовыми экскаваторами, специально разработанными для проходки траншей в мерзлом грунте. Для этой цели служит специальный режущий инструмент в виде клыков, зубьев или коронок со вставками из твердого металла, укрепляемых на ковшах. На рис. 5.48, а показан рабочий орган многоковшового экскаватора с активными зубьями для разработки скальных и мерзлых грунтов.
Послойную разработку грунта можно осуществлять специализированной землеройно-фрезерной машиной, снимающей стружку глубиной до 0,3 м и шириной 2,6 м. Перемещение разработанного мерзлого грунта производят бульдозерным оборудованием, входящим в комплект машины.
Разработка грунта в зимних условиях.
В строительстве из общего объема земляных работ от 20 до 25% выполняется в зимних условиях, при этом доля грунта, разрабатываемого в мерзлом состоянии, остается постоянной - 10-15% с возрастанием из года в год абсолютного значения этого объема.
В практике строительства возникает необходимость разрабатывать грунты, находящиеся в мерзлом состоянии только в зимний период года, т.е. грунты сезонного промерзания, или в течение всего года, т.е. вечномерзлые грунты.
Разработка вечномерзлых грунтов может производиться теми же способами, что и мерзлых грунтов сезонного промерзания. Однако при возведении земляных сооружений в условиях вечной мерзлоты необходимо учитывать специфические особенности геотермического режима вечномерзлых грунтов и изменение свойств грунтов при его нарушении.
При отрицательных температурах замерзание воды, содержащейся в порах грунта, существенно изменяет строительно-технологические свойства нескальных грунтов. В мерзлых грунтах значительно увеличивается механическая прочность, в связи с чем, разработка их землеройными машинами затрудняется или вообще невозможна без подготовки.
Глубина промерзания зависит от температуры воздуха, длительности воздействия отрицательных температур, рода грунта и др.
Земляные работы зимой осуществляют следующими тремя методами. При первом методе предусматривают предварительную подготовку грунтов с последующей их разработкой обычными методами; при втором - мерзлые грунты нарезают предварительно на блоки; при третьем методе грунты разрабатывают без их предварительной подготовки. Предварительная подготовка грунта для разработки зимой заключается в предохранении его от промерзания, оттаивании мерзлого грунта, предварительном рыхлении мерзлого грунта.
Предохранение грунта от промерзания . Известно, что наличие на дневной по-
верхности термоизоляционного слоя уменьшает как период, так и глубину промерзания. После отвода поверхностных вод можно устроить термоизоляционный слой одним из следующих способов.
Рыхление грунта . При вспахивании и бороновании грунта на участке, предназначенном для разработки зимой, его верхний слои приобретает рыхлую структуру с замкнутыми пустотами, заполненными воздухом, обладающую 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%.. Снеговой покров на утепляемой площади можно искусственно увеличить, сгребая снег бульдозерами, автогрейдерами или путем снегозадержания с помощью щитов. Чаще всего механическое рыхление применяют для утепления значительных по площади участков, Защита поверхности грунта термоизоляционными материалами. Утепляющий слой может быть также выполнен из дешевых местных материалов: древесных листьев, сухого мха, торфа, соломенных матов, шлака, стружек и опилок. Поверхностное утепление грунта применяют в основном для небольших по площади выемок.
Пропитку грунта солевыми растворами ведут следующим образом. На поверхно-
сти песчаного и супесчаного грунта рассыпают заданное количество соли (хлористого кальция 0,5 кг/м2 , хлористого натрия 1 кг/м2 ), после чего грунт вспахивают. В грунтах с низкой фильтрующей способностью (глины, тяжелые суглинки) пробуривают скважины, в которые под давлением нагнетают раствор соли. Из-за высокой трудоемкости и стоимости таких работ они являются, как правило, недостаточно эффективными.
Способы оттаивания мерзлого грунта можно классифицировать как по направлению распространения тепла в грунте, так и по применяемому виду теплоносителя. По первому признаку можно выделить следующие три способа оттаивания грунта.
Оттаивание грунта сверху вниз . Этот способ - наименее эффективный, так как источник тепла в этом случае размещается в зоне холодного воздуха, что вызывает большие потери тепла. В то же время этот способ достаточно легко и просто осуществить, он требует минимальных подготовительных работ, в связи с чем, часто применяется на практике.
Оттаивание грунта снизу вверх требует минимального расхода энергии, так как оно происходит под защитой земляной корки и теплопотери при этом практически исключаются. Главный недостаток этого способа - необходимость выполнения трудоемких подготовительных операций, что ограничивает область его применения.
При оттаивании грунта по радиальному направлениютепло распространяется в грунте радиально от вертикально установленных прогревающих элементов, погруженных в грунт. Этот способ по экономическим показателям занимает промежуточное положение между двумя ранее описанными, а для своего осуществления требует также значительных подготовительных работ.
По виду теплоносителя различают следующие способы оттаивания мерзлых грун-
Огневой способ . Для отрывки зимой небольших траншей применяют установку (рис. 1а), состоящую 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 аккумулированного в грунте тепла.
Рисунок 1. Схемы оттаивания грунта огневым способом и паровыми иглами: а
Огневым способом; б - паровыми иглами; 1 - камера сгорания; 2 - вытяжная труба; 3 - обсыпка талым грунтом: 4 - паропровод; 5 - паровой вентиль; 6 - паровая игла; 7 - пробуренная скважина; 8 - колпак.
Оттаивание в тепляках и отражательными печами. Тепляки - это открытые снизу короба с утепленными стенками и крышей, внутри которых размещают спирали накаливания, водяные или паровые батареи, подвешенные к крышке короба. Отражательные печи имеют сверху криволинейную поверхность, в фокусе которой располагается спираль накаливания или излучатель инфракрасных лучей, при этом энергия расходуется более экономично, а оттаивание грунта происходит более интенсивно. Тепляки и отражательные печи питаются от электросети 220 или 380 В. Расход энергии на 1 м 3 оттаянного грунта (в зависимости от его вида, влажности и температуры) колеблется в пределах 100...300 МДж, при этом внутри тепляка поддерживается температура 50...60°С.
При оттаивании грунта горизонтальными электродамипо поверхности грун-
та укладывают электроды из полосовой или круглой стали, концы которых отгибают на 15...20 см для подключения к проводам (рис. 2а). Поверхность отогреваемого участка покрывают слоем опилок толщиной 15...20 см, который смачивают солевым раствором с концентрацией 0,2...0,5% с таким расчетом, чтобы масса раствора была не менее массы
опилок. Вначале смоченные опилки представляют собой токопроводящие элементы, так как замерзающий грунт не является проводником. Под воздействием тепла, генерируемого в слое опилок, оттаивает верхний слой грунта, который превращается в проводник тока от электрода к электроду. После этого под воздействием тепла начинает оттаивать верхний слой грунта, а затем - нижние слои. В дальнейшем опилочный слой защищает отогреваемый участок от потерь тепла в атмосферу, для чего слой опилок покрывают полиэтиленовой пленкой или щитами.
Рисунок 2. Схема оттаивания грунта электропрогревом: а - горизонтальными электродами; б - вертикальными электродами; 1 - трехфазная электрическая сеть; 2 - горизонтальные полосовые электроды; 3
Слой опилок, смоченных соленой водой; 4 - слой толя или рубероида; 5 - стержневой электрод.
Этот способ используют 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. Электроды представляют собой стержни из арматурной стали с заостренными нижними концами. При глубине промерзания более 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. 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 дополнительно заглублять на 1,3... 1,5 м. После отключения электроэнергии в течение 1 ... 2 сут глубина оттаивания продолжает увеличиваться за счет аккумулированного в грунте тепла 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 в шахматном порядке на глубину, превышающую на 15...20 см толщину мерзлого грунта. Расход энергии при отогреве грунта снизу вверх существенно снижается (50... 150 МДж на 1 м3 ), применять слой опилок не требуется. При заглублении стержневых электродов в подстилающий талый грунтуй одновременном устройстве на дневной поверхности опилочной засыпки, пропитанной солевым раствором, оттаивание происходит сверху вниз и снизу вверх. При этом трудоемкость подготовительных работ значительно выше, чем в первых двух вариантах. Применяют этот способ, только когда необходимо экстренно оттаять грунт.
Оттаивание грунта сверху вниз с помощью паровых или водяных регистров. Реги-
стры укладывают непосредственно на расчищенную от снега поверхность отогреваемого участка и закрывают теплоизоляционным слоем из опилок, песка или талого грунта для уменьшения теплопотерь в пространстве. Регистрами оттаивают грунт при толщине мерзлой корки до 0,8 м. Этот способ целесообразен при наличии источников пара или горячей воды, так как монтаж для этой цели специальной котельной установки обычно оказывается слишком дорогим.
Оттаивание грунта паровыми иглами является одним из эффективных средств, но вызывает излишнее увлажнение грунта и повышенный расход тепла. Паровая игла - это металлическая труба длиной 1,5... 2 м, диаметром 25...50мм. На нижнюю часть трубы насажен наконечник с отверстиями диаметром 2...3 мм. Иглы соединяют с паропроводом
гибкими резиновыми рукавами с кранами (рис. 1б). Иглы заглубляют в скважины, предварительно пробуренные на глубину 0,7 глубины оттаивания. Скважины закрывают защитными колпаками из дерева, обшитого кровельной сталью с отверстием, снабженным сальником для пропуска паровой иглы. Пар подают под давлением 0,06... 0,07 МПа. После установки аккумулирующих колпаков прогреваемую поверхность покрывают слоем термоизолирующего материала (например, опилок). Для экономии пара режим прогрева иглами должен быть прерывистым (например, 1 ч - подача пара, 1 ч - перерыв) с поочередной подачей пара в параллельные группы игл. Иглы располагают в шахматном порядке с расстоянием между их центрами 1 ... 1,5 м. Расход пара на 1 м3 грунта 50... 100 кг. Этот способ требует большего расхода тепла, чем способ глубинных электродов, примерно в 2 раза.
При оттаивании грунта водяными циркуляционными игламив качестве теплоно-
сителя используют воду, нагретую до 50...60°С и циркулирующую по замкнутой системе «котел - разводящие трубы - водяные иглы - обратные трубы - котел». Такая схема обеспечивает наиболее полное использование тепловой энергии. Иглы устанавливают в пробуренные для них скважины. Водяная игла состоит из двух коаксиальных труб, из которых внутренняя имеет внизу открытый, а наружная - заостренный концы. Горячая вода входит в иглу по внутренней трубе, а через нижнее ее отверстие поступает в наружную трубу, по которой поднимается к выходному патрубку, откуда по соединительной трубе идет к следующей игле. Иглы соединяют последовательно по нескольку штук в группы, которые включают параллельно между разводящими и обратными трубопроводами. Оттаивание грунта иглами, в которых циркулирует горячая вода, происходит значительно медленнее, чем вокруг паровых игл. После беспрерывной работы водяных игл в течение 1,5... 2,5 сут их извлекают из грунта, поверхность его утепляют, после чего в течение 1 ...
1,5 сут происходит расширение талых зон за счет аккумулированного тепла. Иглы располагают в шахматном порядке на расстоянии 0,75... 1,25 м между собой и применяют при глубинах промерзания от 1 метра и более.
Оттаивание грунта ТЭНами (электроиглами). ТЭНы представляют собой сталь-
ные трубы длиной около 1 м диаметром до 50 ... 60 мм, которые вставляют в предварительно пробуренные в шахматном порядке скважины.
Внутри игл монтируют нагревательный элемент, изолированный от корпуса трубы. Пространство между нагревательным элементом и стенками иглы заполняют жидкими или твердыми материалами, которые являются диэлектриками, но в то же время хорошо передают и сохраняют тепло. Интенсивность оттаивания грунта зависит от температуры поверхности электроигл, в связи с чем наиболее экономичной является температура 60...80°С, но расход тепла при этом по сравнению с глубинными электродами выше в 1,6...
1,8 раза.
При оттаивании грунта солевыми растворамина поверхности предварительно пробуривают скважины на глубину, подлежащую оттаиванию. Скважины диаметром 0,3...0,4 м располагают в шахматном порядке с шагом около 1 м. В них наливают подогретый до 80...100°С солевой раствор, которым скважины пополняют в течение 3...5 дней. В песчаных грунтах достаточна скважина глубиной 15...20 см, так как раствор проникает вглубь за счет дисперсности грунта. Оттаявшие таким образом грунты после их разработки вторично не смерзаются.
Способ послойного оттаивания вечномерзлых грунтовнаиболее целесообразен в весенний период, когда для этих целей можно использовать теплый воздух окружающей атмосферы, теплые дождевые воды, солнечную радиацию. Верхний оттаивающий слой грунта можно удалять любыми землеройно-транспортными или планировочными машинами, обнажая лежащий под ним мерзлый слой, который в свою очередь оттаивает под действием перечисленных выше факторов. Грунт срезают на границе между мерзлым и талым слоями, где грунт имеет ослабленную структуру, что создает благоприятные условия для работы машин. В районах вечной мерзлоты этот способ - один из самых эконо-
мичных и распространенных для разработки грунта при планировке выемок, траншей и т. п.
Способ послойного вымораживания водоносных грунтовпредусматривает разра-
ботку до наступления морозов верхнего слоя грунта, лежащего выше горизонта грунтовых вод. Когда под действием холодного атмосферного воздуха расчетная глубина промерзания достигает 40...50 см, приступают к разработке грунта в выемке в мерзлом состоянии. Разработку ведут отдельными участками, между которыми оставляют перемычки из мерзлого грунта толщиной около 0,5 м на глубину около 50 % толщины промерзшего грунта. Перемычки предназначены для изоляции отдельных участков от соседних в случае прорыва грунтовой воды. Фронт разработки перемещается от одной секции к другой, в то время как на уже разработанных секциях глубина промерзания возрастает, после чего разработку их повторяют. Попеременные вымораживание и разработку участков повторяют до достижения проектного уровня, после чего защитные перемычки снимают. Такой способ позволяет разрабатывать при мерзлом состоянии грунта (без крепления и водоотлива) выемки, значительно превосходящие по своей глубине толщину сезонного промерзания грунта.
Предварительное рыхление мерзлого грунта средствами малой механизации при-
меняют при незначительных объемах работ. При больших объемах работ целесообразно использовать механические и мерзлоторезные машины.
Взрывной способ рыхления грунта наиболее экономичен при больших объемах работ, значительной глубине промерзания, в особенности если энергию взрыва используют не только для рыхления, но и для выброса земляных масс в отвал. Но этот способ можно применять только на участках, расположенных вдали от жилых домов и промышленных зданий. При использовании локализаторов взрывной способ рыхления грунтов можно применять и вблизи зданий.
Рисунок 3. Схемы рыхления и резания мерзлого грунта: а - рыхление клином-молотом; б - рыхление дизель-молотом; в - резка в мерзлом грунте щелей многоковшовым экскаватором, оборудованным режущими цепями - барами; 1 - клин-молот; 2 - экскаватор; 3 - мерзлый слой грунта; 4- направляющая штанга; 5 - дизель-молот; 6 - режущие цепи (бары); 7 - многоковшовый экскаватор; 8 - щели в мерзлом грунте.
Механическое рыхление мерзлых грунтов применяют при отрывке небольших по объему котлованов и траншей. В этих случаях мерзлый грунт на глубину 0,5...0,7 м рыхлят клином-молотом (рис. 3a), подвешенным к стреле экскаватора (драглайна), - так называемое рыхление раскалыванием. При работе с таким молотом стрелу устанавливают под углом не менее 60°, что обеспечивает достаточную высоту падения молота. При использовании молотов свободного падения из-за динамической перегрузки быстро изнашиваются стальной канат, тележка и отдельные узлы машины; кроме того, от удара по грунту колебания его могут вредно действовать на близко расположенные сооружения. Механическими рыхлителями рыхлят грунт при глубине промерзания более 0,4 м. В этом случае грунты рыхлят путем скола или нарезки блоков, причем трудоемкость разрушения грунта сколом в несколько раз меньше, чем при рыхлении грунтов резанием. Число уда-
ров по одному следу зависит от глубины промерзания, группы грунта, массы молота (2250…3000 кг), высоты подъема, определяют его ударником конструкции ДорНИИ.
Дизель-молоты (рис. 3б) могут рыхлить грунт при глубине промерзания до 1,3 м и наравне с клиньями являются навесным оборудованием к экскаватору, тракторупогрузчику и трактору. Рыхлить мерзлый грунт дизель-молотом можно по двум технологическим схемам. По первой схеме дизель-молот рыхлит мерзлый слой, двигаясь зигзагом по точкам, расположенным в шахматном порядке с шагом 0,8 м. При этом сферы дробления от каждой рабочей стоянки сливаются между собой, образуя сплошной разрыхленный слой, подготовленный для последующей разработки. Вторая схема требует предварительной подготовки открытой стенки забоя, разрабатываемого экскаватором, после чего ди- зель-молот устанавливают на расстоянии примерно 1 м от бровки забоя и наносят им удары по одному месту до тех пор, пока не произойдет скол глыбы мерзлого грунта. Затем дизель-молот перемещают вдоль бровки, повторяя эту операцию.
Ударные мерзлоторыхлители (рис. 4б) хорошо работают при низких температурах грунта, когда для него характерны не пластичные, а хрупкие деформации, способствующие его раскалыванию под действием удара.
Рыхление грунта тракторными рыхлителями. К этой группе относится оборудование, у которого непрерывное режущее усилие ножа создается за счет тягового, усилия трактора-тягача. Машины этого типа послойно проходят мерзлый грунт, обеспечивая за каждую проходку глубину рыхления 0,3...0,4 м: Поэтому разрабатывают мерзлый слой, предварительно разрыхленный такими машинами, как бульдозеры. В противоположность ударным рыхлителям статические рыхлители хорошо работают при высоких температурах грунта, когда он имеет значительные пластические деформации, а механическая прочность его понижена. Статические рыхлители могут быть прицепными и навесными (на заднем мосту трактора). Очень часто их используют совместно с бульдозером, который может в этом случае попеременно рыхлить или разрабатывать грунт. Прицепной рыхлитель при этом отцепляют, а навесной поднимают. В зависимости от мощности двигателя и механических свойств мерзлого грунта число зубьев рыхлителя колеблется от 1 до 5, причем чаще всего пользуются одним зубом. Для эффективной работы тракторного рыхлителя на мерзлом грунте необходимо, чтобы двигатель имел достаточную мощность (100...180 кВт). Рыхлят грунт параллельными (примерно через 0,5 м) проходками с последующими поперечными проходками под углом 60...90° к предыдущим.
Рисунок 4. Схемы разработки мерзлых грунтов с предварительным рыхлением: а - рыхление клин-молотом; б - тракторным виброклиновым рыхлителем; 1 - автосамосвал; 2 - экскаватор; 3 - клин-молот; 4 – виброклин.
Мерзлый грунт, разрыхленный перекрестными проходками одностоечного рыхлителя, можно успешно разрабатывать тракторным скрепером, причем этот способ считается весьма экономичным и с успехом конкурирует с буровзрывным способом.
При разработке мерзлых грунтов с предварительной нарезкой блоками в мерзлом слое нарезают щели (рис. 5), разделяющие грунт на отдельные блоки, которые затем удаляют экскаватором или строительными кранами. Глубина прорезаемых в мерзлом слое щелей должна составлять примерно 0,8 глубины промерзания, так как ослабленный слой на границе мерзлой и талой зон не является препятствием для разработки экскаватором. В районах с вечно-мерзлыми грунтами, где подстилающий слой отсутствует, метод блочной разработки не применяют.
Рисунок 5. Схемы разработки мерзлых грунтов блочным способом: а, б - мелкоблочным способом; в, г - крупноблочным; 1 - удаление снежного покрова; 2, 3 - нарезка блоков мерзлого грунта баровой машиной; 4 - разработка мелких блоков экскаватором или бульдозером; 5 - разработка талого грунта; 6 - разработка крупных блоков мерзлого грунта трактором; 7 - то же, краном.
Расстояния между нарезанными щелями зависят от размеров ковша экскаватора (размеры блоков должны быть на 10... 15% меньше ширины зева ковша экскаватора). Блоки отгружают экскаваторами с ковшами вместимостью от 0,5 м и выше, оборудованными преимущественно обратной лопатой, так как выгрузка блоков из ковша прямой лопатой очень затруднена. Для нарезки щелей в грунте применяют различное оборудование, устанавливаемое на экскаваторах и тракторах.
Нарезать щели в мерзлом грунте можно с помощью роторных экскаваторов, у которых ковшовый ротор заменен фрезерующими дисками, снабженными зубьями. Для этой же цели применяют дискофрезерные машины (рис. 6), являющиеся навесным оборудованием к трактору.
Рисунок 6. Дискофрезерная землеройная машина: 1 - трактор; 2 - система передачи и управления рабочим органом; 3 - рабочий орган машины (фреза).
Наиболее эффективно нарезать щели в мерзлом грунте баровыми машинами (рис. 5), рабочий орган которых состоит из врубовой цепи, смонтированной на базе трактора или траншейного экскаватора. Баровые машины прорезают щели глубиной 1,3 ... 1,7 м. Достоинством цепных машин по сравнению с дисковыми является относительная легкость замены наиболее быстро изнашивающихся частей рабочего органа - сменных, вставляемых во врубовую цепь зубьев.
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.
Зимой, при установлении отрицательных температур, происходит замерзание грунта вследствие потери тепла и перехода содержащейся в его порах воды в лед, сопровождающееся изменением его физико-механических свойств (прочности, деформативности, теплопроводности и др.).
Учитывая, что при замерзании механическая прочность грунта, а следовательно и трудоемкость разработки, резко возрастают, стараются проводить мероприятия по предварительной защите грунта от промерзания, обеспечивающие его разработку в талом виде. Таким образом, основными методами подготовки и разработки грунтов в зимний период являются предохранение их от промерзания, тепловое и химическое оттаивание, рыхление и механическая разработка мерзлых грунтов. Факторами, определяющими выбор методов и способов зимней разработки грунта, являются объемы работ, свойства грунта, вид земляного сооружения и конкретные условия строительства.
Предохранение грунта от промерзания выполняют задолго до наступления холодов путем его вспахивания с боронованием, глубокого рыхления, укрытия утепляющими материалами и химической обработки.
Для вспахивания грунта применяют различные плуги с глубиной рыхления не менее 35 см и рыхлители с глубиной рыхления 50 ... 70 см. Затем грунт боронуют на глубину 15 ... 20 см. При глубоком рыхлении (на глубину 1,3 ... 1,5 м) используют одноковшовые экскаваторы с ковшом вместимостью 0,4 ... 0,65 м 3 , при этом грунт разрабатывают навымет и укладывают на место смежной (предыдущей) проходки.
В качестве утепляющих материалов используют местные материалы: сухие листья, торф, опилки, солома, камыш, шлак и др. Могут применяться и полимерные материалы, пленки, пенопласт и т.п. Иногда грунт перед вспахиванием подвергают химической обработке, т.е. пропитке поверхностного слоя грунта хлористым кальцием и натрием, нитрит-нитратом натрия, которые понижают температуру замерзания воды в грунте (до - 30°С). Защищенный от промерзания грунт разрабатывают обычным механизированным способом.
Однако, когда грунт не удалось своевременно предохранить от замерзания и по графику работ грунты необходимо разрабатывать в зимнее время, т.е. в мерзлом состоянии, то в этом случае приходится либо их оттаивать, либо разрабатывать в мерзлом виде с использованием специальных средств и методов.
Способы оттаивания мерзлых грунтов основаны на том, что за счет теплоты, передаваемой в слой мерзлого грунта, растапливается лед в его порах и грунт делается талым. Оттаивание грунтов применяют при малых объемах работ, в стесненных условиях, труднодоступных местах и в случаях, когда нельзя использовать более экономичные и менее энергоемкие способы. Оттаивание грунта осуществляют как с помощью естественных источников тепла - солнечного тепла, тепла воды из естественных водоемов, так и искусственных - за счет сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива, использования пара или электроэнергии. По направлению распространения тепла в грунте можно выделить следующие три основных способа оттаивания: сверху вниз (поверхностный); снизу вверх (глубинный); по радиальному направлению.
Поверхностное оттаивание производят либо с использованием естественных источников тепла, либо искусственных - горячими газами (огневой способ), в тепляках, отражательными печами, горизонтальными электродами, химическим способом. Оттаивание химическим способом предусматривает введение в грунт раствора хлористого натрия, под действием которого в порах мерзлого грунта растворяются кристаллы льда.
Глубинное и радиальное оттаивание осуществляют гидравлическим, циркуляционными водяными, паровыми и электрическими иглами, а также электродами.
Рыхление и разработку грунтов в мерзлом состоянии осуществляют взрывным или механическим способом.
Взрывной (шпуровой или щелевой) способ является одним из основных способов подготовки мерзлых грунтов к разработке экскаваторами. Он особенно эффективен при глубинах промерзания 0,4 ... 1,5 м и более и при значительных объемах разработки мерзлых грунтов. Его применяют преимущественно на незастроенных участках, а на застроенных - с использованием укрытий и локализаторов взрыва (тяжелых пригрузочных платформ). 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 одна от другой нарезают щеленарезными машинами фрезерного типа или баровыми машинами. Заряжают щели через одну удлиненными или сосредоточенными зарядами, после чего их сверху забивают песком. Шпуры и скважины располагают в шахматном порядке.
При рыхлении грунта взрывным способом (рис. 4.22, а) участок разбивают на захватки, где на первой из них бурят шпуры, заряжают и взрывают их; на второй работы по условиям безопасности не производят; на третьей ведут разработку грунта. Размеры захваток определяют исходя из сменной производительности экскаватора (экскаваторов).
Механическое рыхление мерзлых грунтов применяют при глубине промерзания 0,4 ... 1,5 м и небольших по площади выемках котлованов и траншей. При этом осуществляют дробление или скол мерзлого слоя динамическим или статическим воздействием специального сменного рабочего оборудования, установленного на базовой машине (тракторе, экскаваторе и т.п.). Динамическое воздействие обеспечивают за счет удара, вибрации или совместного их воздействия с применением шара- или клин-молота, дизель-молотов, клиновых тракторных рыхлителей и др. Статическое воздействие при разрушении мерзлого грунта обеспечивают за счет внедрения в него рабочего органа, состоящего из одного или нескольких (до 5) зубьев при одновременном движении трактора (тягача).
Для рыхления мерзлого грунта (рис. 4.28) механическим способом при разработке котлованов и траншей используют невесные рыхлители и землеройно-фрезерные машины, а также баровые машины (для нарезки мерзлого грунта на блоки), а при вертикальной планировке площадки - навесные рыхлители. Эти машины работают впаре с экскаваторами, которые разрабатывают как разрыхленный мерзлый, так и немерзлый грунт.
Рис. 4.28 – Рыхление мерзлых грунтов при устройстве котлованов
При небольшой глубине промерзания грунта его рыхлят тракторными рыхлителями продольными проходками под углом 60°. Разрыхленный грунт перемещают бульдозером в торец котлована и экскаватором грузят на самосвалы. Последующие слои мерзлого грунта можно разрабатывать рыхлителем сначала поперечными проходками, затем продольными и диагональными. Зуб рыхлителя, в зависимости от свойств грунта и мощности бульдозера, заглубляют на 0,5 ... 0,8 м.
При большой глубине промерзания часто практикуют блочные методы разработки мерзлых грунтов, когда монолитность их предварительно нарушают нарезкой на блоки (полосы) с помощью специальных машин, оборудованных дисковыми пилами или барами. Обычно используют мелко- и крупноблочные методы разработки грунтов. Мелкоблочный метод (рис. 4.28, б) применяют при рытье небольших котлованов и траншей при глубине промерзания 0,6 ... 1,4 м. Продольными и поперечными прорезями дискофрезерной машины или барами разрезают мерзлый слой на блоки размером от 0,6 x 0,8 до 1 x 1,1 м, а затем экскаватором с прямой лопатой (вместимость ковша 0,65 ... 1 м 3) грузят мерзлые блоки и разрабатывают талый грунт. Крупноблочный метод используют при разработке котлованов вблизи зданий или сооружений, когда не допускаются сотрясения грунта, неизбежные при ударном и виброударном рыхлении. Мерзлые грунты нарезают на блоки массой 4 ... 10 т последующим удалением их из забоя бульдозерами (рис. 4.28, в), кранами (рис. 4.28, г) или электролебедками. При использования кранов блоки отрывают и отодвигают от талого основания бульдозерами, а затем с помощью клещевого захвата грузят на самосвалы со снятым задним бортом (рис. 4.28, г). Выемки при этом разбивают на две захватки на первой нарезают блоки, а на второй их краном удаляют и подчищают основание.
Разработку грунтов в мерзлом состоянии можно вести только с помощью мощного землеройного оборудования, которое позволяет разрабатывать мерзлый грунт без его предварительной подготовки (рыхления). В качестве такого оборудования применяют гидравлические экскаваторы. Особенно эффективно они работают при использовании прямых и обратных лопат с ковшами активного действия, в днище которых вмонтированы пневмо-молоты с зубьями, обеспечивающие разрушение мерзлого грунта.
Способы разработки траншей в зимнее время следующие: разработка траншеи в задел, с предохранением грунта от промерзания, без предварительной подготовки, с предварительным рыхлением. Разработку траншей в задел (т.е. заблаговременно) на полный профиль производят в осенний период до наступления морозов. Недостатком этого способа является то, что откосы траншеи с течением времени частично обрушаются, а отвал грунта к моменту засыпки трубопроводов смерзается, что требует его предварительного рыхления перед засыпкой. Способы разработки траншей с предохранением грунта от промерзания принципиально аналогичны способам, рассмотренным выше. Траншеи без предварительной подготовки разрабатывают в тех случаях, когда имеются необходимые технические условия. При глубине промерзания до 0,3 м траншеи можно разрабатывать одноковшовыми экскаваторами, а в грунтах с глубиной промерзания до 1,5 м их на полный профиль можно отрывать роторными экскаваторами.
Способ разработки траншеи с предварительным рыхлением грунта взрывным или механическим способом применяют при промерзании грунта на глубину более 0,4 м. Рыхление производят шпуровыми зарядами или с помощью рыхлителей. Разрыхленный грунт планируют бульдозером, а разработку траншеи осуществляют одноковшовым экскаватором. Протяженность участка разрыхляемого грунта необходимо принимать равной сменной производительности экскаватора во избежание повторного смерзания грунта.
Темпы ведения земляных работ при рытье траншей в зимнее время необходимо строго согласовывать с темпами изоляционно-укладочных работ на трубопроводе, так как при опережении земляных работ даже на 2...3 дня возникает опасность смерзания отвала грунта. Это потребует либо предварительного разрыхления грунта в отвале перед засыпкой трубопровода (что сделать не всегда легко), либо присыпки труб перед обратной засыпкой.
При разработке траншей в мерзлых грунтах чаще всего используют несколько типов машин, каждая из которых подготавливают фронт работ для машин, выполняющих последующие операции. Например, расчистка бульдозером поверхности грунта от снега позволяет приступить к рыхлению или прорезанию мерзлого грунта рыхлителями (баровыми машинами), которые, в свою очередь, подготавливают фронт работ экскаватору и т.д. При глубине промерзания до 1,3 м траншеи, неширокие котлованы можно разработать обратными лопатами с ковшом вместимостью 0,65 м 3 и выше при предварительном нарезании прорезей через 0,4 ... 0,5 м баровой машиной. Причем при ширине траншей до 2 м достаточно сделать продольные прорези вдоль траншей, а при ширине более 2 м делают и поперечные прорези под углом 30°, нарезая при этом блоки в виде ромбов. Широкие траншеи или котлованы (шириной до 8 м) разрабатывают двумя торцовыми проходками экскаватора. При разработке широких траншей для прокладки коллекторов в мерзлых грунтах при значительной глубине промерзания обычно применяют баровые машины, экскаваторы с клинмолотом и экскаваторы с обратной лопатой.
Засыпка траншей с трубопроводами в зимних условиях. Если строительство трубопроводов осуществляют поточно-совмещенным методом (трубопровод укладывают в траншею непосредственно после ее разработки), обратную засыпку его талым грунтом осуществляют бульдозером, как и в обычных условиях. В случае смерзания грунта в отвале, например при нарушении поточности, трубопровод в траншее во избежание повреждения изоляции присыпают на высоту не менее 0,2 м выше трубы талым грунтом. Дальнейшую засыпку трубопровода мерзлым грунтом, не содержащим комьев более 5 ... 10 см, выполняют бульдозерами.
1. СНБ 5.01.01-99 Основания и фундаменты зданий и сооружений. – Мн.: Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь, Мн., 1999. – 36 с.
2. СНиП 3.02.01-87. Земляные сооружения, основания и фундаменты / Госстрой СССР – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988. – 128 с.
3. Пособие П11-01 к СНБ 5.01.01-99. Геотехнические реконструкции оснований зданий и фундампентов сооружений. – Мн.: Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь, Минск, 2001. – 120 с.
4. Пособие П17-02 к СНБ 5.01.01-99. Проектирование и устройство подпорных стен и креплений котлованов. – Мн.: Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь, Мн., 2003. – 95 с.
5. Земляные работы (Справочник строителя) / Под ред. Л.В. Гриншпуна. – М.: Стройиздат, 1992. – 352 с.
Тема 5. Бетонные и железобетонные работы
Калькуляторы Окна и двери Пол Фундамент Крыша и кровля Стены и потолок Строительство дома Ремонт квартиры Интерьерные решения
Кто такой Терри Ричардсон? Этот знаменитый фотограф является любимчиком многих западных знаменитостей. Он стал знаковой фигурой во многом благодаря слишком откровенному стилю работы - его излишне сексуализированные фотографии эпатируют публику. Более того
Владимир Мухин – знаменитый российский шеф-повар и ресторатор, победитель и призер международных кулинарных конкурсов. Усилиями шеф-повара московский ресторан «White Rabbit» входит в список пятидесяти лучших ресторанов мира.Мухина называют в числе немноги
БАКЛАЖАННЫЙ САЛАТ " ОВОЩНОЕ БЕЗУМИЕ ". Ингредиенты: 3 кг помидор для томатного пюре 6 крупных морковок 1,5 кг салатного перца 3 кг баклажанов 2 головки чеснока 250 гр подсолнечного масла 250 гр уксуса 0,5 л сахара 1-2 ст ложки соли без верха Способ пригот
