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

→ Земляные работы

Производство земляных работ в зимнее время

Разработка мерзлых грунтов является наиболее трудоемким процессом зимних строительных работ. Она требует учета особенностей мерзлых грунтов, осуществления подготовительных мероприятий и применения наиболее совершенных механизмов и приспособлений, а также способов работ, обеспечивающих техническую и экономическую целесообразность производства земляных работ в зимних условиях.

Грунт становится устойчиво мерзлым через 5-20 дн. по наступлению зимнего периода и сохраняет это состояние в течение 30-15 дн. после его окончания. Эти ориентировочные сроки относятся соответственно к северным и южным районам Советского Союза. При производстве земляных работ глубина промерзания устанавливается замером ее в натуре.

Мерзлый грунт обладает значительной вязкостью, благодоря чему осложняется его разработка ударными инструментами. Вязкость мерзлого грунта увеличивается при повышении процента содержания в нем незамерзшей воды.

В целях снижения трудоемкости разработки грунта в зимних условиях осуществляются различные мероприятия: предохранение грунтов от промерзания, рыхление и оттаивание мерзлых грунтов.

От промерзания грунты могут быть предохранены устройством водоотводов, пропашкой плугами в теплое время года на глубину до 35 см, с последующим рыхлением механическими рыхлителями на глубину до 20 см, задерживанием снега на площадях, предназначенных для разработки при малосвязных грунтах, - покрытием поверхности грунта торфом, опилками, шлаком и другими дешевыми теплоизоляционными материалами. Большую эффективность показало утепление пеной на основе дешевых смол - отходов химического производства. Толщина этого слоя зависит от теплоизоляционных свойств утеплителя, характеристики утепляемого грунта, а также периода зимы, в котором намечено производить земляные работы.

Разработка грунта экскаватором с ковшом вместимостью 0,5 м3 при толщине мерзлого грунта 0,35 и экскаватором с ковшом вместимостью 1-2 м3 при толщине мерзлого грунта до 0,4 м может производиться рыхлением.

При большей глубине промерзания производится предварительное рыхление грунта ударными приспособлениями или взрывным способом.

Механическое рыхление мерзлого грунта при глубине промерзания до 0,25 м ведется тяжелыми рыхлителями, а до 0,6-0,7 м и небольших объемах работ - с помощью ударных приспособлений - тяжелого шара или клин-молота, подвешиваемых на стреле экскаватора. Для рыхления грунта при большей глубине промерзания (до 1,3 м) необходимо использовать дизель-молот с клином, выпускаемый промышленностью в качестве сменного оборудования к экскаваторам и тракторам.

Оттаивание грунта осуществляется при помощи горячей воды, пара, электрического тока или огневым способом. Отогрев грунта паром или горячей водой производится паровыми или водяными циркуляционными иглами.

Прогрев грунта электрическим током осуществляется при помощи электродов, электроигл и электропечей. Поверхностный прогрев электродами малоэффективен и поэтому применяется в крайних случаях.

Оттаивание и рыхление мерзлого грунта производится отдельными участками, площадь которых определяется с учетом производительности землеройных машин, применяемых на данном участке строительства.

В каждом случае выбирается такой способ разработки мерзлого грунта, который был бы наиболее эффективным и экономически целесообразным.

Мерзлые грунты по твердости приравниваются к скальным . Если есть возможность, то следует заранее подготовить в предзимнее время места, намечаемые к разрытию в зимний период.

Для этого грунты вспахива­ют или перелопачивают и утепляют. Однако в городах и населенных пунктах такая подготовка грунтов к раз­рытию крайне ограничена, поэтому мерзлые грунты при­ходится перед их разработкой предварительно разрых­лять или отогревать (оттаивать).

При промерзании грунтов на глубину 0,25-0,4 м их можно разрабатывать экскаватором без предваритель­ного рыхления или отогрева . Если грунт промерз на большую глубину, его следует рыхлить одним из следу­ющих способов:

механизированным - клином дизель-молота, навеши­ваемым на экскаватор, трактор или тракторный погруз­чик, тракторами, оборудованными барами с резцами, землеройно-фрезерными машинами, а также отбойными молотками, работающими от компрессора, или электромолотками;

вручную - ломами, кувалдами с использованием клиньев;

взрывным , если есть возможность.

Механизированный способ рыхления грунтов - наи­более эффективный и экономичный . Однако возможность использования этого способа в городах и населенных пунктах ограничена, так как куски мерзлого грунта, асфальта и бетона разлетаются на значительные расстоя­ния (до 50 м). Установив оградительные сетки, этот способ можно применять и в местах с относительно ин­тенсивным движением транспорта и людей.

Способ, связанный с использованием машин ударно­го действия (дизель-молот), применяют, если допуска­ется сотрясение грунта вблизи домов и над подземными сооружениями и коммуникациями.

Ручная разработка грунта безопасна, но малопроиз­водительна, поэтому ее используют лишь в исключитель­ных случаях (при незначительных объемах рыхления грунтов).

Отогрев (оттаивание) грунта не относится к числу экономичных способов и применяется при незначитель­ных объемах работ или при производстве работ в стес­ненных условиях, когда другие способы подготовки мерз­лого грунта к разработке невозможны.

Оттаивание может быть поверхностное или глубин­ное .

При поверхностном оттаивании на открытой поверх­ности грунта сжигают под специальными приспособле­ниями (металлическими коробами) жидкое, твердое или газообразное топливо. В других случаях на отогреваемый грунт укладывают горячий песок температурой не менее 180°С, покрытый теплоизолирующим материалом. Тепло распространяется с поверхности земли на глубину оттаи­вания.

При глубинном оттаивании в толщу мерзлого грунта погружают нагреватели (электроды, прогреваемые элек­тротоком, паровые, водяные или электрические иглы). В этом случае тепло распространяется в грунте одно­временно по всей глубине оттаивания.

При большой глубине промерзания грунта оттаива­ние с применением коробов, прогреваемых дымовыми га­зами, производят в несколько приемов. Короба устанав­ливают в один или несколько рядов в зависимости от требуемой ширины отогрева, присыпают грунтом и сжи­гают под ними топливо. После оттаивания верхней зоны промерзания короба снимают и отогретый грунт выби­рают. Затем вторично устанавливают короба для отогре­ва оставшегося промерзшего слоя.

Непосредственная разработка мерзлого грунта

Метод оттаивания грунта с разработкой его в талом состоянии

Производство земляных работ в зимних условиях

Лекция 3.

Список использованных источников

1.СНиП 3.02.01-87 Земляные сооружения, основания и фундаменты

2.СНиП 3.01.01-85 (с изм. 1 1987, 2 1995) Организация строительного производства

Производство работ в зимних условиях.

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 за­ключается 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.

2. 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 естетвенно образующимся снеговым покровом отдаля­ют начало промерзания грунта на 1,5 мес, а на последующий период уменьшают общую глубину промерзания примерно на 113. 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 2х2 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...90°, 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.

3. 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 направлениюраспро­странения 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 оттаивание 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 оттаивание. 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. 3.1) 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 оттаивание 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

рода 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 м 3 грунта колеблется в пределах 150...300 кВт.ч, температура нагретых опилок не превышает 80...90°С.

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 м 3 грунта.

Оттаивание грунта стержневыми электродами (рис. 3.2). 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.

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 м 3 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 м 3 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. Для 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 м 3 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 электро­маты, изготавливаемые из специального теплопроводящего материала, через который пропускают электрический ток. Прямоугольные маты, размеры которых могут закрывать поверхность от 4...8 м 2 , 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.

4. 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.3.3.) или динамическим воздействием.

При динамическом воздействии на грунт осуществляется его раскалывание или сколы молотами свободного падения и направ­ленного действия (рис.3.4.). 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. 3.5.).

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.

Рис. 3.3. Рыхление мерзлого грунта статическим воздействием: а - бульдозером с активными зубьями; б - экскаватором-рыхлителем; 1 - направление хода рыхления

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...90° к предыдущим. Перемещение разрыхленного грунта в отвал осуществляют бульдозерами. Целе­сообразно навесное оборудование крепить непосредственно на бульдозер и использовать его для самостоятельного перемещения разрыхленного грунта. Производительность рыхли­теля 15...20 м 3 /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.

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 щеленарезными машинами 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.

Разрыхленный взрывами грунт разрабатывается экскаваторами или землеройно-транспортными машинами.

5. 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.3.6.). 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 тракторами.

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.3.7.).

Рис. 3.6. 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; 1 - слой мерзлого грунта; 2 - режущие цепи (бары); 3 - экскаватор; 4 - щели в мерзлом грунте; 5 - нарезанные блоки грун­та; б - перемещаемые с площадки блоки; 7 - стоянки крана; 8 - транспортное средство; 9 - кле­щевой захват; 10 - строительный кран; 11 - трактор

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 м 3 -0,4 м; экскаватор драглайн - до 0,15 м; бульдозеры и скреперы в состоянии разрабатывать промерзший грунт на глубину до 15 см.

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. 5.40 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.

6. Контроль качества земляных работ

Процессы возведения земляных сооружений систематически кон­тролируют, проверяя:

■ положение выемок и насыпей в пространстве (в плане и высот­ное);

■ геометрические размеры земляных сооружений;

■ свойства грунтов, залегающих в основании сооружений;

■ свойства грунтов, используемых для устройства насыпных со­оружений;

■ качество укладки грунта в насыпи и обратные засыпки (характеристики уложенных и уплотненных грунтов).

Постоянный контроль за качеством производства работ осуществ­ляют инженерно-технические работники, операционный контроль про­изводят с привлечением представителей геодезической службы и строительной лаборатории.

При контроле положения в пространстве и размеров сооруже­ний проверяют: расположение на плане земляных сооружений и их размеры; отметки бровок и дна выемок; отметки верха насыпей с учетом запаса на осадку; отметки спланированных поверхностей, уклоны откосов выемок и насыпей. Данный контроль осуществля­ют с помощью геодезических приборов, а также простейших инструкций.

Для возведения насыпей и засыпки траншей в зимний период нужно применять талый грунт, завершая уплотнение до смерзания грунтовых агрегатов, но при круглогодичном строительстве приходится иногда разрабатывать и мерзлые грунты. При возведении насыпей или обратных засыпок траншей допустимое Содержание мерзлых комьев не должно превышать количество, указанное в п. 14.1.

При выборе длины захватки помимо температуры воздуха, свойств грунта и содержания мерзлых комьев, а также наличия землеройной техники необходимо учитывать и скорость ветра: чем выше скорость, тем быстрее смерзаются грунтовые агрегаты, поэтому продолжительность уплотнения грунта назначают с учетом норм (табл. 14.4).

Наибольшую длину захватки l, м, уплотнения грунта определяют по формуле
l =П(Т-Ттр-Тр)60bh,
где П - производительность комплекта уплотняющих машин, м 3 /ч; Т - время, в течение которого грунт после разработки еще пригоден к уплотнению (см. табл. 14.5), мин; Ттр - время перевозки грунта одним автомобилем-самосвалом, мин; Тр -продолжительность его разгрузки, мин; b и h - соответственно ширина и толщина уплотняемого слоя.

Дальность возки грунта устанавливают из условия неизбежных теплопотерь, но когда его еще можно уплотнять на захватке минимальной длины.

Насыпи из связных грунтов возводят с учетом их уплотнения и осадки после оттаивания из расчета 5 % их высоты в суровых природных условиях и 3 % высоты в годы с мягкими зимами.

При механических способах разработки мерзлого грунта длину захватки определяют с учетом часовой производительности рыхлителей, температуры воздуха и скорости ветра. Зимой для перевозки грунта применяют автомобили-самосвалы с металлическими кузовами. Чем ниже температура воздуха, тем тяжелее разгружать их кузова вследствие смерзания грунтов с металлом. В районах со среднемесячной температурой января не ниже -10 °С при перевозке грунтов, содержащих глинистых частиц до 10 %, следует обогревать кузова отработанными газами. Под более низкой температуре воздуха и особенно при сыпучих материалах с влажностью выше оптимального значения, находящихся в контакте с металлической поверхностью до 5 ч, внутреннюю поверхность кузова надо смазывать растворами хлористых солей, обсыпать шлаком, формовочными песками или другими сыпучими материалами при каждом рейсе.

Если температура приближается к -50 °С, то кузов нуждается в смазывании маслянистыми профилактическими жидкостями (отработанными автолом, нигролом и другими противоморозными реагентами) через 3-7 рейсов. При температуре до - 20 °С можно применять азотнокислый натрий, натриевую или кальциевую селитру, мочевину и многие другие реагенты с концентрацией от 30 до 50 %. При засыпке траншей или возведении верхней части насыпей зимой применяют, как уже говорилось, преимущественно песчаные грунты, легче разрабатываемые зимой, чем связные, вследствие меньшей их влажности. Пески при отрицательной температуре, но не ниже -0,5°С уплотняются хорошо. Таким образом, упрощается технология работ при использовании песчаных грунтов. Если насыпь возведена из песков, не надо устраивать подстилающий слой, благодаря чему уменьшается общая толщина дорожной одежды.