→ 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, за исключением скальных, сильно осложняют производство земляных работ и значительно увеличивают их стоимость, поэтому следует заранее наметить те участки земляных работ, разработка которых в зимний период вызовет наименьшее удорожание. Зимние условия не вызывают удорожания работ при разработке скальных грунтов, закрытых проходках, например щитовых, и пр. Сравнительно ненамного удорожается зимой .
Грунт, подлежащий разработке в зимних условиях, должен быть предварительно подготовлен. Подготовка заключается в предохранении его от промерзания, в рыхлении или в оттаивании уже замерзшего грунта.
Предохранение грунта от промерзания. Для уменьшения глубины промерзания до наступления морозов выполняют ряд подготовительных работ: отвод с участка поверхностных вод, глубокую вспашку поверхностного слоя (до 30-35 см) с обязательным боронованием, покрытие поверхности земли дешевыми местными теплоизоляционными материалами (опилками, мхом, торфом, листьями и пр.).
Наиболее эффективным является рыхление грунта тракторным многостоечным рыхлителем на глубину не менее 0,35 м, что с учетом снегового покрова обеспечивает в средней полосе на период зимнего времени талое состояние грунта под разрыхленным слоем.
Предохранение грунта от промерзания имеет большое значение в районах Сибири, где ведется большое строительство и где грунт промерзает на 3-4 м. Для уменьшения глубины промерзания участки покрывают полимерными пенами, получаемыми из карбамидной смолы на растворных узлах пеногеперации. Рыхление и утепление грунта должно производиться в пределах рабочих контуров выемок с уширением на двойную глубину промерзания.
Механическое рыхление мерзлого грунта. Применяемые способы рыхления замерзшего грунта зависят от глубины его промерзания. Слой мерзлого грунта толщиной до 0,25 м разрушается экскаватором с ковшом вместимостью 0,5 м 3 , а при слое до 0,4 м — экскаватором с ковшом вместимостью 1-1,25 м 3 . Поэтому для разработки котлованов и траншей в зимних условиях при указанной глубине промерзания и применении соответствующих экскаваторов предварительно рыхлить мерзлый грунт не требуется.
При глубине промерзания более 0,8 м целесообразно рыхлить грунт взрывным способом. Если невозможно применить взрывной способ, производят механическое рыхление грунта с помощью дизель-молотов с клиньями, трехклиновых тракторных рыхлителей и путем нарезки грунта на блоки с помощью режущих машин (врубовых или дисковых). Дизель-молотами могут быть оборудованы одноковшовые экскаваторы или тракторы; врубовыми и дисковыми машинами оборудуют тракторы или траншейные экскаваторы.
Рыхление мерзлого грунта пневматическими и электрическими отбойными молотками малопроизводительно, дорого и поэтому не может быть рекомендовано. Отбойные молотки применяют обычно при аварийных работах и малых объемах работ.
Оттаивание мерзлых грунтов. При небольших объемах земляных работ для облегчения разработки грунта применяют различные способы его оттаивания: огневой, паром, горячей водой или электрическим током. Способ оттаивания определяют исходя из технических возможностей, экономических соображений и местных условий.
Огневой способ оттаивания грунта открытыми кострами как малоэффективный и неэкономичный применять не рекомендуется. Для разработки траншей в городских условиях при наличии подземной газовой сети оттаивание грунта производят путем подвода газа к горелке, устанавливаемой в одном из концов металлического короба, который собран из полукруглых сегментов (полутруб), уложенных внахлестку по оси траншеи. На другом конце короба устанавливают дымовую трубу. Для уменьшения потерь тепла, уходящего в атмосферу, короб обсыпают грунтом слоем 10-15 см.
При отсутствии газовой сети можно использовать жидкое топливо (соляровое масло). Жидкое топливо направляют к форсунке, куда из баллона или небольшим компрессором подается сжатый воздух. Под действием струи сжатого воздуха жидкое топливо распыляется, образуя большой факел.
Если глубина промерзания грунта превышает 1 м, оттаивание его производят паром с помощью паровых игл. Паровые иглы устанавливают в заранее пробуренные скважины. Во избежание утечки пара через скважины их закрывают колпаками, в которых аккумулируется тепло. Паровые иглы применяют при разработке траншей и небольших котлованов.
Грунты обладают низкой теплопроводностью, они могут принять и передать в зону оттаивания лишь определенное количество тепла, поэтому подавать пар в иглы целесообразно с перерывами. Наиболее приемлемой для отогрева грунта считается температура 40-50°С. При этом условии более экономичным является способ оттаивания грунта горячей водой с помощью водяных циркуляционных игл, устанавливаемых на расстоянии 0,75-1,5 м друг от друга в заранее пробуренные скважины. Горячая вода из котла проходит сначала по внешней трубе водяной иглы, а затем по внутренней; пройдя последовательно батарею установленных игл, она поступает в центробежный насос и под давлением возвращается в котел.
При наличии на строительной площадке свободной электроэнергии оттаивание грунта можно производить переменным током 220 и 380 В. При глубине промерзания до 0,7 м применяют горизонтальные электроды, укладываемые на поверхность грунта с засыпкой их 15-20-см слоем опилок, смоченных раствором поваренной соли. Прогрев в этом случае будет идти по направлению сверху вниз.
При глубине промерзания грунта более 0,7 м для его оттаивания целесообразно применять вертикальные глубинные электроды, представляющие собой стержни из стали диаметром 12-19 мм с заостренным концом. Электроды забивают ниже глубины промерзания на 8-10 см. В этом случае ток идет через талый грунт. Выделяющимся теплом прогревается лежащий выше слой мерзлого грунта, и процесс оттаивания происходит по направлению снизу вверх. При этом способе не требуется очищать территорию отогрева от снега и покрывать ее опилками; не будет потерь тепла в воздух, а расход электроэнергии будет меньше, так как ток выключают до того, как весь грунт оттает.
При электропрогреве грунта нужно строго выполнять все требования по технике электробезопасности в условиях строительной площадки.
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.
При замерзании фунта его механическая прочность значитель-но возрастает и как следствие — затраты времени на его разработ-ку резко возрастают. В то же время временные выемки в мерзлом фунте можно возводить без откосов, что снижает затраты на его разработку. Разработка мерзлого грунта одноковшовыми экскава-торами (прямая и обратная лопата) без предварительного рыхления допускается при толщине мерзлого слоя до 0,25 м ковшом ем-костью 0,5—0,65 м; 0,4 м — ковшом емкостью 1 — 1,25 м 3 .
Подлежащий разработке фунт при промерзании его на боль-шую глубину должен быть предварительно подготовлен одним из следующих способов: предохранение грунта от промерзания; от-таивание мерзлого грунта; рыхление мерзлого грунта.
Способ подготовки должен выбираться и обосновываться в проекте в зависимости от объемов и условий работ, сроков их вы-полнения и наличия оборудования. Предохранение фунта от про-мерзания следует осуществлять:
- предварительным рыхлением до промерзания грунта (вспахи-ванием, боронованием, перелопачиванием экскаватором);
- покрытием поверхности фунта теплоизоляционными материа-лами с удержанием снежного покрова.
Предохранять грунт от промерзания необходимо до наступле-ния устойчивых отрицательных температур. При планировании разработки грунта в первой трети зимнего периода следует преду-сматривать вспахивание фунта с последующим боронованием и удержание снежного покрова, а в остальное зимнее время — глу-бокое рыхление (перелопачивание) или утепление грунта тепло-изолирующими материалами.
Утепление грунта осуществляют соломой, опилками, сухим торфом или шлаком, а также синтетическими покрытиями на пло-щади в контуре траншей котлована или выемки с уширен и ем с каждой стороны на глубину промерзания. Толщина слоя утепли-теля определяется расчетом.
Способы оттаивания мерзлых грунтов основаны на том, что за счет теплоты, передаваемой в слой мерзлого грунта, лед в его по-рах растапливается и грунт делается талым.
Способы оттаивания мерзлого грунта классифицируют по на-правлению распространения теплоты и применяемому виду теп-лоносителя. По первому признаку выделяют три способа оттаи-вания фунта: сверху вниз (поверхностный); снизу вверх (глубин-ный); по радиальному направлению. По виду теплоносителя различают следующие основные способы оттаивания мерзлых фунтов: огневой, в тепляках горизонтальными и вертикальными электродами с подключением к источникам электроэнергии (элек- тропрофев); с помощью пара или водяных регистров, водяными циркуляционными иглами; солевыми растворами; предваритель-но нагретым песком или шлаком.
Подготовку к разработке мерзлых фунтов с помощью оттаива-ния следует применять в стесненных условиях, фуднедоступных местах и при незначительных объемах работ (до 50 м 3), а также при невозможности использования других, более экономичных способов. При глубине промерзания фунта более 0,4 м его оттаи-вание лучше производить радиальным (глубинным) методом, ус-танавливая нафеватели в толщине мерзлого фунта. Профев фун-та производят с помощью нагревательных приборов в виде игл, устанавливаемых в пробуренных в мерзлом слое скважинах. Иглы могут быть электрические, водяные циркуляционные и паровые. Электрические иглы делают из фуб длиной 1,5 м, внутри которых размещают электрические нафевательные элементы сопротивле-ния из нихромовой проволоки. Устанавливают иглы в пробурен-ные скважины.
Водяные иглы требуют устройства специальной котельной, а теплопроводы — постоянного надзора, так как в сильные моро-зы возможно их замерзание. Водяные и паровые иглы неэкономичны и используются очень редко. При меньшей глубине про-мерзания допускается применять способ поверхностного оттаива-ния.
Иглы для оттаивания грунта
а — водяная циркуляция; б — электрическая; 1 — фланец; 2 — внутренняя трубка;
3 — труба; 4 — наконечник; 5 — нихромовая спираль: 6 — асбестовый порошок
Работа землеройных машин с подготовленным к разработке грунтом должна производиться непрерывно и круглосуточно уз-ким фронтом во избежание промерзания грунта во время пере-рывов.
Для предотвращения промерзания грунта в отрытых траншеях и вторичного смерзания разрыхленного грунта необходимо: не раскрывать площади грунта, покрытые теплоизоляционными ма-териалами или снегом, до начала производства работ; защищать от промерзания грунт открытых частей котлованов, траншей, под-лежащих разработке при последующих проходках.
Обратную засыпку котлованов и траншей следует производить, выполняя следующие требования: количество мерзлых комьев в грунте, которым засыпаются пазухи между стенками котлованов или траншей, не должно превышать 15% общего объема засыпки. Траншеи, разработанные в зимнее время, следует засыпать немед-ленно после укладки и испытания труб, не допуская повреждения их изоляции.
По мере замерзания механическая прочность грунта резко возрастает, что приводит к увеличению затрат машинного времени и труда на его разработку, а следовательно и к удорожанию стоимости работ. В связи с этим при необходимости проведения земляных работ в зимнее время принимают меры по предохранению грунта от промерзания, а разрабатывают его только после оттаивания или рыхления.
Предохранение грунта от промерзания. Обеспечивают, создавая на его поверхности термоизоляционный слой; разрыхляя верхний грунтовый слой; укрывая грунт различными теплоизоляционными материалами.
Рыхлят грунт до его замерзания вспахиванием и боронованием, предварительно обеспечив отвод поверхностных вод. Обработанный таким образом верхний слой грунта приобретает рыхлую структуру с замкнутыми пустотами, заполненными воздухом, и обладает достаточными термоизоляционными свойствами. Вспашку ведут тракторными плугами на глубину 200...350 мм с последующим боронованием на глубину 150...200 мм. Искусственное увеличение снежного покрова сгребанием снега бульдозерами, автогрейдерами или путем снегозадержания с помощью щитов позволяет повысить термоизоляционный эффект. Механическое рыхление грунта чаще всего используют для утепления значительных по площади участков.
Защита поверхности грунта термоизоляционными материалами эффективна на небольших по площади участках и при наличии местных дешевых материалов, древесной листвы, опилок и стружки, моха, торфа, соломы, шлака. Термоизоляционные материалы укладывают слоем 200... 400 мм непосредственно по грунту
Оттаивание мерзлого грунта. Является наиболее дорогим и трудоемким способом, поэтому его применяют при небольших объемах работ.
Наибольшее распространение в строительной практике нашли следующие способы оттаивания мерзлого грунта: огневой, электропрогрев, паропрогрев и водопрогрев (рис. 16).
Огневой способ основан на сжигании различного топлива на поверхности грунта под прикрытием металлического короба с вытяжной трубой {рис. 6.16.а). Для уменьшения теплопотерь короб укрывают шлаком или талым грунтом. Полосу оттаявшего грунта засыпают опилками, и нижележащий слой оттаивает за счет аккумулированного верхним слоем тепла.
котлован грунт экскаватор бульдозер
Рис. 16. Схема оттаивания мерзлого грунта: а--огневым способом; б--электропрогревом с использованием горизонтальных электродов; в--то же, с использованиев вертикальных электродов; г--паронагревом; 1--секция короба; 2--утеплитель; 3--вытяжная труба; 4--оттаявший грунт; 5--трехфазная электрическая сеть; 6--горизонтальные полосовые электроды; 7--слой опилок; 8--слой толя или рубероида; 9--стержневой электрод; 10--порапровод; 11--паровая игла; 12--пробуренная скважина; 13--колпак.
Электропрогрев грунта ведут с помощью электродов, располагаемых на поверхности или погружаемых вертикально в мерзлый грунт.
При использовании горизонтальных электродов поверхность грунта засыпают слоем опилок толщиной 150...200 мм (рис. 6.16.6). Опилки смачивают водным солевым раствором концентрации 0,2...0,5% для увеличения электропроводимости в начальный период оттаивания, так как мерзлый грунт не является проводником. После того, как грунт верхнего слоя, оттает, он сам становится проводником, а слой опилок выполняет рать термозащитного слоя. Поверхностный электропрогрев применяют при глубине промерзания грунта до 0,7 м.
При большей глубине промерзания используют вертикальные электроды. Оттаивание ведут сверху вниз или снизу вверх (рис. 16,в).
При оттаивании сверху вниз электроды в виде штырей забивают в грунт в шахматном порядке на глубину 200...250 мм и засыпают опилками, пропитанными концентрированным солевым раствором. По мере оттаивания верхних слоев электроды периодически погружают все глубже. Расход энергии при этом способе несколько ниже, чем при горизонтальном расположении электродов.
Прогрев снизу вверх требует погружения электродов на 150.-.200 мм ниже глубины промерзания грунта, для чего в грунте предварительно бурят скважины. Поверхность оттаиваемого грунта опилками не укрывают. Расход энергии при отогреве грунта снизу вверх значительно снижается, по сравнению с отогревом сверху вниз.
Паропрогрев грунта осуществляют с использованием паровых игл, устанавливаемых в предварительно пробуренные скважины на глубину 0,7 глубины оттаивания (рис. 16,г).
Паровая игла представляет собой трубу длиной 1,5...2 м, диаметром 25.,.50 мм. На нижней части трубы насажен наконечник с отверстиями 2...3 мм для выхода пара. Иглы по верху соединены паропроводом. Для наиболее эффективного использования пара и сокращения его потерь скважины сверху накрывают защитными колпаками, имеющими отверстия для пропуска паровой иглы.
После установки аккумулирующих колпаков прогреваемую поверхность покрывают слоем опилок или другим термоизоляционным материалом. Располагают иглы в шахматном порядке на расстоянии 1...1.5 м друг от друга.
Водопрогрев грунта ведут с применением водяных циркуляционных игл, установка которых аналогична паровым иглам. Теплоносителем здесь является вода, нагретая до 50...60 °С, которая циркулирует по замкнутому контуру «котел -- разводящие трубы -- водяные иглы -- обратные трубы -- котел». Такая схема обеспечивает наиболее полное использование тепловой энергии.
Водяная игла состоит из внутренней и наружной труб. Наружная труба имеет заостренный глухой нижний конец, а внутренняя -- открытый. Во внутреннюю трубу подают горячую воду, которая через нижнее отверстие поступает в наружную трубу, поднимается вверх к выходному патрубку и по соединительной трубе поступает к следующей игле или в обратный трубопровод. Иглы располагают в шахматном порядке на расстоянии 0,75...1,25 м друг от друга
Предварительное рыхление мерзлых грунтов. Осуществляют механическим и взрывным способами.
Механическое рыхление применяют при небольших объемах работ и сравнительно малых глубинах промерзания (до 1,3 м). Для рыхления используют клин-молоты, дизель-молоты и тракторные рыхлители, многоковшовые экскаваторы, оборудованные цепями-борами (рис. 17).
Клин-молот подвешивают к стреле крана, а дизель-молот является навесным оборудованием к крану, тракторопогрузчику и трактору.
Тракторные рыхлители монтируют на базе гусеничных тракторов с мощностью двигателя более 110 кВт или используют для них навесное оборудование Рабочий орган рыхлителя представляет собой гребенку с зубьями, число которых составляет 1...5.
Мерзлые грунты можно разрабатывать с предварительной нарезкой на блоки. При этом методе в массиве мерзлого грунта с помощью баровых, дискофрезерных и других машин устраивают взаимно перпендикулярные прорези на глубину 0,8 глубины промерзания Полученные блоки вынимают ковшом экскаватора или отодвигают бульдозером.
Рис. 17. Схема рыхления грунтов: а--клин-молотом; б--дизель-молотом; в--многоковшовым экскаватором, оборудованным режущими цепями-барами; 1--клин-молот; 2--экскаватор; 3--направляющая штанга; 4--дизель-молот; 5--режущие цепи (бары); 6--многоковшовый экскаватор; 7--щели в мерзлом грунте
Рыхление мерзлого грунта взрывом применяют при больших объемах работ и значительной глубине промерзания. Этот метод отличает экономичность, особенно тогда, когда кроме рыхления требуется перемещение грунта в отвал. Методика выполнения взрывных работ описана ранее.
