Земляные работы зимой. Возведение земляного полотна в зимний период

Известно, что 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, дефор-мативности, электро- и теплопроводности и др.).

Глубина промерзания (hnp) грунта в основном зависит от его теплофизических свойств, интенсивности и продолжительности воздействия отрицательных температур. По формуле профессора А. Н. Будникова
где λ - коэффициент теплопроводности грунта; Т - среднесуточная температура воздуха в зимний период; Z - количество суток с отрицательной температурой на момент определения hпр; Сп - коэффициент, учитывающий влияние снежного покрова на снижение глубины промерзания; при толщине снежного покрова 10, 20, 40 см значение С„ соответственно равно 0,5; 0,4; 0,3.

Для ориентировочного определения пир можно пользоваться графиком, приведенным на рис. 4.13, а. Для глинистых грунтов величины, указанные на графике, следует брать с поправочным коэффициентом 0,8, а для песчаных и супесей- 1,2.

Учитывая, что при замерзании механическая прочность грунта, а следовательно и трудоемкость разработки, резко возрастают, экономически целесообразно (если позволяют обстоятельства) 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 . 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 боронуется на глубину 15...20 см. При глубоком рыхлении (на глубину 1,3...1,5 м) используют с ковшом вместимостью 0,4...0,65 м 3 , при этом грунт разрабатывается навымет и укладывается на место смежной (предыдущей) проходки.

В качестве утепляющих материалов используются местные материалы: сухие листья, торф, опилки, солома, камыш, шлак и т. д. Могут применяться и полимерные материалы: пленки, пенопласт и др.

Химическую обработку поверхностного слоя грунта проводят хлористым кальцием и натрием, нитрит-нитратом натрия, которые снижают температуру замерзания воды в грунте (до -30°С).

Тепловое и электрохимическое оттаивание мерзлых грунтов выполняют путем сжигания топлива, электро- и пароразогревом и химической обработкой. Тепловое оттаивание малоэффективно и неэкономично, поэтому применяется только в тех случаях, когда невозможны другие методы. Оно целесообразно при разработке мерзлого грунта в стесненных условиях и при малых объемах работ.

Поверхностное оттаивание грунта (на глубину 0,5...0,6 м) производят путем сжигания твердого (дрова, кокс, уголь) или жидкого (керосин, мазут, нефть) топлива в газоходах из стальных полутруб - кожухах диаметром до 1 м, уложенных над грунтом и присыпанных слоем шлака или грунта. Для этой цели могут быть использованы паровые и водяные регистры или полосовые электроды, укладываемые на поверхность грунта и укрываемые сверху термоизоляционным слоем. Отогревать грунт можно и с помощью тепляков, используя различные источники тепла.

Глубинное оттаивание (на глубину до 1,5 м) осуществляют с помощью паровых игл или электроигл (рис. 4.13, б), устанавливаемых в предварительно пробуренных скважинах, а также электродов (рис. 4.13, в), забиваемых в грунт. Размеры и расположение игл и электродов определяются строго по расчету. При электрохимическом способе оттаивания грунтов раствор электролита, например 4%-ный раствор хлористого кальция, подают через трубчатые электроды в грунт. Через 1,5...2 ч, когда зоны действия электролита смыкаются, на электроды подают ток напряжением 380 В.

Производство земляных работ в зимних условиях

Производство земляных работ в зимних условиях допускается, если это обеспечивает эффективность всего строительного процесса и своевременное выполнение строительно-монтажных работ. В этот период разрабатывают выемки и резервы в сухих песках, гравиино-галечных и скальных породах, возводят насыпи из сосредоточенных резервов, разрабатывают сухие выемки глубиной более 3 м из глинистых грунтов, устраивают насыпи из песчаных грунтов на болотах, дренажные прорези, производят вымораживание и т. д.

Особенностями проведения земляных работ в зимнее время являются отрицательная температура воздуха, наличие снега и льда. Промерзание грунтов осложняет их разработку, транспортирование, укладку и уплотнение. Удорожание строительства, вызываемое зимними работами, должно компенсироваться.

Выполнение земляных работ в зимний период позволяет продлить строительный сезон и вместе с тем повысить темпы строительства и обеспечить равномерное использование рабочих средств механизации. При этом производство работ в этих условиях не должно приводить к снижению качества, устойчивости и долговечности дороги.

В летнее время должны быть подготовлены основания под насыпи - расчищены полосы от леса с корчевкой пней, убраны валуны, спланировано и уплотнено естественное основание. Кроме того, подготавливаются грунтовые карьеры и выемки, которые будут разрабатываться зимой (корчевка деревьев, срезка кустарника, строительство подъездных путей, устройство теплоизолирующих слоев на поверхности карьеров и выемок).

Грунты от промерзания предохраняют следующим образом:
до наступления морозов грунты, подлежащие разработке зимой, защищают от промерзания укладкой слоя материала с низкой теплопроводностью, рыхлением (вспашкой) или обработкой солями, понижающими температуру замерзания воды;
в процессе производства работ уплотняющий слой снимают только на участке, достаточном по своим размерам для работы СКМ в течение смены, с таким расчетом, чтобы отрытый грунт до его разработки не успел промерзнуть;
разрабатывать грунт следует на максимально сжатом фронте работ.

Способ защиты грунтов от промерзания и технологию его разработки выбирают путем технико-экономического сравнения различных вариантов, возможных в данных условиях.

Эффективность действия утепляющих слоев зависит от их толщины и теплопроводности применяемых материалов, температуры воздуха, скорости ветра, времени, в течение которого необходимо защищать грунт от промерзания, и т. д.

Эффективность утепления повышается при укладке изолирующих слоев заблаговременно до наступления отрицательных температур. Чем выше температура грунта в момент утепления, тем длительнее будет процесс его остывания и, следовательно, он дольше сохранится в этом состоянии.

Утепляющие слои из рыхлых материалов (опилок, соломы, мха, тор-» Фа) необходимо предохранять от уплотнения, вызываемого движением транспортных или строительных машин, так как с повышением плотности этих материалов снижаются их теплоизоляционные свойства.

Простейший и наиболее экономичный способ предупреждения глубокого промерзания грунтов - их предварительное рыхление до наступления морозов, осуществляемое перекрестной вспашкой тракторными плугами или прицепными рыхлителями на глубину 25-35 см. После вспашки производят боронование на глубину 10-15 см. Поры разрыхленного грунта, заполненные воздухом, уменьшают его теплопроводность.

Промерзание разрыхленного грунта происходит медленнее, чем окружающего плотного грунта. Мерзлый слой разрыхленного грунта обладает малой прочностью и относительно легко поддается разработке экскаваторами или бульдозерами. Утепляющее действие разрыхленного грунта усиливается при накоплении на нем снега. Утепление грунтов рыхлением обычно применяют на участках, намеченных к разработке в течение первой трети зимы.

Один из способов предохранения грунта от замерзания - обработка его химическими добавками, понижающими температуру замерзания воды. Чаще всего для этой цели применяют соли СаС12 и NaCl. Обработка грунта заключается в розливе на его поверхности растворов этих солей. Проникая в грунт, соляные растворы снижают температуру замерзания влаги, находящейся в грунте, и этим защищают его от промерзания. Слой грунта, пропитанный соляными растворами, в свою очередь, защищает от промерзания нижележащие слои.

Этот способ обработки фунтов применяют при необходимости Задержать промерзание на короткий срок в начале зимы или в комплексе с другими способами: рыхлением грунта, усиленным снегозадержанием или устройством утепляющих слоев из дешевых местных материалов.

Для успешной разработки грунтов в зимнее время и подготовки мерзлого слоя к экскавации применяют следующие способы:
экскаваторную обработку, в том числе специальным сменным оборудованием;
механические (динамическими и статическими рыхлителями, блочный способ);
оттаивание (поверхностное, радиальное и глубинное);
предохранение грунтов от промерзания.

Каждый из указанных способов может быть применен при устройстве котлованов, траншей и вертикальной планировке, за исключением оттаивания, которое вследствие высокой стоимости может быть использовано только при небольших объемах земляных работ.

Область эффективного использования экскаваторов и другого оборудования (статических и динамических рыхлителей и т. п.) на мерзлых грунтах зависит от конструктивного исполнения оборудования, физико-механических свойств мерзлого грунта и глубины его промерзания.

Наиболее экономичным способом рыхления мерзлого грунта в большинстве случаев является взрывной. Сущность его заключается в дроблении мерзлого слоя на мелкие глыбы и комья путем взрыва размещенных в заранее пробуренном в этом слое скважинах взрывчатых веществ (ВВ).

Рыхление мерзлых грунтов этим способом следует применять при глубине промерзания грунта h более 0,4 м (преимущественно на незастроенных участках, а на застроенных - с применением укрытий и локализато-ров взрыва).

При рыхлении мерзлого грунта на глубину до 1,5 м, а также при доработке откосов и оснований котлованов и траншей следует применять шпуровой и щелевой методы, а при h > 1,5 м - скважинный или щелевой методы.

Бурение скважин в нескальных грунтах скважинным методом осуществляется буровыми станками винтового типа. При глубине рыхления мерзлого грунта до 2 м применяют сосредоточенные заряды, а при большой глубине - рассредоточенные.

Щели в мерзлом грунте во избежание получения негабаритных кусков обычно нарезают на расстоянии 0,9 м одна от другой при использовании экскаваторов с ковшами вместимостью до 0,65 м3; на расстоянии до 1- 1,2 м - при применении более крупных экскаваторов. Щели нарезают на глубину промерзания грунта щеленарезными машинами фрезерного типа или баровыми машинами.

При производстве взрывных работ необходимо заранее рассчитать величину заряда, т. е. количество взрывчатых веществ, закладываемых в одном месте. Величина заряда ВВ, предназначенного для взрыва определенного объема грунта, зависит от ряда факторов:
расположения заряда по отношению к дневной (открытой поверхности) грунта;
прочности грунта;
вида применяемых взрывчатых веществ и формы заряда;
заданного выброса (задан ли взрыв на выброс или же только на рыхление);
количества или взаимного расположения зарядов и т. д.

Точно учесть влияние всех этих факторов заранее весьма трудно. Поэтому предварительно рассчитывают величину заряда приближенно по эмпирическим формулам, а затем уточняют ее пробными взрывами.

Величину удельного заряда q различных ВВ предварительно назначают по справочникам и затем уточняют опытным путем.

Сопротивление мерзлых грунтов взрыванию существенно изменяется в зависимости от их температуры и влажности при замерзании. Удельный расход В В зависит также от глубины и диаметра шпура. В большинстве случаев с уменьшением толщины мерзлого слоя и, следовательно, с уменьшением величины единичного заряда удельный расход ВВ возрастает.

Располагают шпуры на площади, предназначенной для производства взрывных работ, в шахматном порядке с расстояниями между шпурами, равными.примерно,0W-,2W{vm. 8.45). Меньшие расстояния принимают при наличии тяжелых глинистых грунтов.

Глубина шпуров должна быть 0,8-0,9 толщины мерзлого слоя, диаметр - 40-70 мм. Шпуры больших диаметров используют при большей толщине мерзлого слоя.

Рис. 8.45. Схема расположения шпуров при рыхлении мерзлых фунтов взрывами:
Н - глубина забоя; Л - толщина мерзлого слоя; I, - расстояние между шпурами; 12 - расстояние между рядами шпуров

В ряде случаев дробить мерзлые грунты взрывами нельзя по условиям техники безопасности: на территории населенных пунктов и промышленных предприятий, вблизи линий связи, железных дорог, линий электропередач и т. д. При небольшой толщине мерзлого слоя взрывные работы могут оказаться нерентабельными из-за повышения удельного расхода взрывчатых веществ и относительного роста затрат времени на бурение, заряжание и производство взрывов.

В таких условиях обычно применяют механическое рыхление мерзлых грунтов машинами. Рабочие органы машин разрушают монолитные слои мерзлых грунтов ударами, резанием или сколом.

В зависимости от назначения и конструктивных особенностей все машины можно разделить на две группы.

К первой группе относятся землеройные и землеройно-транс-портные машины, предназначенные в основном для выполнения земляных работ в летнее время, но имеющие прочность рабочего оборудования и мощность двигателей, достаточные для рыхления мерзлых грунтов, залегающих слоями ограниченной толщины (в большинстве случаев менее 20-40 см). К таким машинам относятся экскаваторы (прямая лопата) с геометрической вместимостью ковша более 0,5-1,0 м3 и бульдозеры, преимущественно гусеничные, с мощностью двигателей от 90 кВт и более.

Экскаватором с прямой лопатой вместимостью 0,65 м3 в средних условиях можно разрабатывать грунт, промерзший с поверхности на глубину до 25 см, а с лопатой вместимостью более 1 м3 - 40 см.

Возможности использования экскаваторов для разработки мерзлого грунта значительно повышаются при применении так называемых ковшей активного действия. Особенность их заключается в том, что они имеют подвижные ударные зубья, установленные в полой передней стенке ковша. Эти зубья действуют подобно электромолоткам или пневматическим молоткам. Они включаются в работу при определенном (повышенном) сопротивлении погружению ковша в грунт. Экскаваторами с такими ковшами вместимостью 0,7 м3 можно разрабатывать мерзлые слои толщиной 0,5-0,8 м.

Бульдозеры используют для разрушения способом подламывания снизу мерзлых слоев толщиной до 20-25 см.

В отдельных случаях для разработки тонких слоев слабосмерзшихся песчаных грунтов используют также большегрузные скреперы. Воздушно-сухие песчаные грунты смерзаются слабо, не образуя прочных монолитов. В начале зимы при глубине промерзания менее 15-20 см их можно разрабатывать непосредственно скреперами. При большой толщине и прочности мерзлого слоя его необходимо предварительно рыхлить бульдозерами или рыхлителями.

Ко второй группе относят машины, имеющие оборудование, специально.предназначенное для рыхления мерзлых грунтов. Таким оборудованием являются тяжелые металлические отливки шаровой или клинообразной формы, мощные прицепные или навесные рыхлители, баровые машины. С их помощью можно разрыхлять слои мерзлого грунта толщиной 0,8-1,4 м, а иногда и более.

Наиболее простой вид оборудования для рыхления мерзлых грунтов ударной нагрузкой - чугунные или стальные шары-молоты (рис. 8.46, а) массой 1,5-4 т, которые подвешивают на канате к стреле крана или экскаватора и затем сбрасывают на разрыхляемый грунт с высоты 3-5 м и более.

Более совершенным подвесным оборудованием к экскаваторам являются различные клин-молоты (рис. 8.46, б), представляющие собой массивные металлические отливки, имеющие в нижней части острый угол. Их сбрасывают так, чтобы они при падении откалывали куски мерзлого грунта. Наибольшую производительность в мерзлых связных грунтах клин-молоты имеют при угле заострения 25-30°. При разработке несвязных мерзлых грунтов угол может быть увеличен до 35°. При меньших углах заострения клин легче погружается в мерзлый грунт, но не всегда откалывает мерзлые глыбы, так как расклинивающее усилие может оказаться недостаточным. При большом угле заострения возрастает расход энергии на смятие мерзлого грунта и уменьшается глубина погружения клина. Клин-молотом массой 3-4 т, сбрасываемым с высоты 8-10 м, можно дробить слои мерзлого грунта толщиной 0,8-1,4 м.

Недостатками применения свободно падающих отливок любой формы, закрепленных на тросе, являются низкая производительность, износ троса и самого экскаватора.

Рис. 8.46. Ударное оборудование экскаваторов:
а - шар-молот; б - клин-молот; 1 - подъемный канат; 2 - тяговый канат

В гражданском строительстве, особенно при рытье траншей для различных трубопроводов, с успехом используются машины, разрабатывающие мерзлые грунты по способу нарезания в них узких щелей и затем скола ослабленного грунта между щелями. В дорожном строительстве подобные машины применяют редко.

Значительно чаще при разработке резервов и карьеров в зимних условиях применяют различного рода прицепные и навесные рыхлители, производящие послойное рыхление мерзлых грунтов. Одностоечные рыхлители на тягачах мощностью 200 кВт и более за несколько проходов рыхлят слои мерзлого грунта толщиной до 1,0 м. Эффективность применения их повышается при объединении в одной конструкции рыхлящего зуба и пневмомолота и работе зуба в виброударном режиме.

Недостаток работы мощных одностоечных рыхлителей - разделение грунта на крупные глыбы, зачастую требующее дополнительного дробления.

Во всех случаях разработки мерзлых грунтов необходимо учитывать дальнейшее использование его после рыхления. Для разрыхленного мерзлого грунта величина глыб ограничивается только размерами ковша используемого экскаватора. При укладке грунта в насыпь размеры получаемых при отколе кусков не должны превосходить размеров, допускаемых техническими указаниями из условий уплотнения отсыпаемых слоев (15-30 см).

Выбор машин и оборудования для рыхления мерзлых грунтов определяется в основном глубиной промерзания, прочностью мерзлого слоя и стоимостью производства работ. В начале зимнего периода может быть использовано большинство из перечисленных выше машин и оборудования. При малой толщине мерзлых слоев чаще всего используют экскаваторы и бульдозеры. Этими машинами производят как рыхление мерзлых поверхностных слоев, так и разработку расположенных ниже талых грунтов.

К атегория: - Механизация строительства земляного полотна

Особенности производства земляных работ в зимнее время

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. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, 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 объёмы 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.
Размещено на реф.рф
Могут приме­няться и полимерные материалы, пленки, пенопласт и т.п. Иногда грунт пе­ред вспахиванием подвергают химической обработке, ᴛ.ᴇ. 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.

При этом, когда грунт не удалось своевременно предохранить от за­мерзания и по графику работ грунты крайне важно разрабатывать в зимнее время, ᴛ.ᴇ. в мерзлом состоянии, то в данном 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 счёт теплоты, передаваемой в слой мерзлого грунта͵ растапливается лед в его порах и грунт делается талым. Оттаивание грунтов применяют при малых объёмах 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 счёт сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива, использования пара или электроэнер­гии. По направлению распространения тепла в грунте можно выделить следующие три базовых 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 щелœевой) способ является од­ним из базовых способов подготовки мерзлых грунтов к разработке экска­ваторами. Он особенно эффективен при глубинах промерзания 0,4 ... 1,5 м и более и при значительных объёмах 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 щелœевой. Щели на расстоянии 0,9 ... 1,2 м одна от другой нарезают щелœенарезными маши­нами фрезерного типа или баровыми машинами. Заряжают щели через од­ну удлинœенными 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 глубинœе 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 машинœе (тракторе, экс­каваторе и т.п.). Динамическое воздействие обеспечивают за счёт удара, ви­брации или совместного их воздействия с применением шара- или клин-молота͵ дизель-молотов, клиновых тракторных рыхлителœей и др.
Размещено на реф.рф
Статичес­кое воздействие при разрушении мерзлого грунта обеспечивают за счёт 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 глубинœе 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 рых­лителœем сначала поперечными проходками, затем продольными и диаго­нальными. Зуб рыхлителя, исходя из свойств грунта и мощности бульдозера, заглубляют на 0,5 ... 0,8 м.

При большой глубинœе 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 глубинœе 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, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ 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 (ᴛ.ᴇ. заблаговременно) на полный профиль производят в осœенний 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 рыхлителœей. Разрыхленный грунт планируют бульдозером, а разработку траншеи осуществляют одноковшовым экскаватором. Протя­женность участка разрыхляемого грунта крайне важно принимать равной сменной производительности экскаватора во избежание повторного смерза­ния грунта.

Темпы ведения земляных работ при рытье траншей в зимнее время крайне важно 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 всœегда легко), либо присыпки труб перед обратной засыпкой.

При разработке траншей в мерзлых грунтах чаще всœего используют несколько типов машин, каждая из которых подготавливают фронт работ для машин, выполняющих последующие операции. К примеру, 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 глубинœе 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 ширинœе траншей до 2 м достаточно сделать продольные проре­зи вдоль траншей, а при ширинœе 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 глубинœе промерзания обычно применяют баровые машины, экскавато­ры с клинмолотом и экскаваторы с обратной лопатой.

Засыпка траншей с трубопроводами в зимних условиях. В случае 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, к примеру 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 желœе­зобетонные ра­боты

Особенности производства земляных работ в зимнее время - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Особенности производства земляных работ в зимнее время" 2017, 2018.

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 отрицательной температуре воздуха большая часть воды в порах грунта превращается в лед, который связывает минеральные частицы грунта в твердое тело. В результате повышаются прочность грунта и сопротивление его резанию, грунт намерзает на ковши землеройных машин и кузова транспортных средств. Это снижает производительность землеройных машин, а часто делает невозможной разработку грунта без выполнения дополнительных мероприятий.

Устойчиво мерзлое состояние грунт приобретает через 5-20 сут после наступления периода с отрицательными среднесуточными температурами и сохраняет его в течение 15-30 сут после наступления периода с положительными среднесуточными температурами. Глубина сезонного промерзания грунтов и характер ее колебания зависят от температуры воздуха и продолжительности периода с отрицательными температурами, от влажности грунта, уровня грунтовых вод и скорости их движения, от характера естественного покрова и плотности грунта, от времени выпадения первого снега, интенсивности роста снегового покрова и его толщины, силы и направления ветра.

Водонасыщенные, а также мелкопористые плотные грунты промерзают интенсивней и глубже, чем сухие и рыхлые. Наибольшая глубина промерзания наблюдается при 30-40%-ной влагонасыщенности пор грунта. При дальнейшем влагонасыщении глубина промерзания уменьшается в связи с увеличением скрытой теплоты замерзания.

При наличии наблюдений продолжительностью менее 10 лет, но не менее года глубину промерзания можно определить по формуле В. С. Лукьянова. При отсутствии наблюдений А. Н. Будников рекомендует определять максимальную глубину промерзания грунта.

Если теплопроводность грунта неизвестна, то глубину промерзания не защищенного снегом грунта определяют. Ориентировочно глубину промерзания грунтов влажностью 25-30% при отсутствии снежного покрова можно определить по графику. Если грунт покрыт снегом, то следует вводить коэффициенты 0,85; 0,7 и 0,65 при толщине покрова соответственно 0,25; 0,5 и 0,75 м.

Земляные работы ведут в зимнее время, если это необходимо для своевременного выполнения последующих работ или вызывается необходимостью использования имеющегося на строительной площадке мощного землеройного оборудования с вместимостью ковша 1 м 3 и более.

Без предварительной подготовки и рыхления грунт можно разрабатывать экскаватором с прямой и обратной лопатой с вместимостью ковша 0,5-0,65 м 3 при толщине мерзлого слоя до 0,25 м и 1-1,25 м 3 при толщине мерзлого слоя до 0,4 м.

При большей глубине промерзания грунт для экскавации заблаговременно подготавливают одним из следующих способов: предохранением его от промерзания на участках зимней разработки; рыхлением мерзлого грунта; оттаиванием мерзлого грунта.

Предохранение грунта от промерзания

Предохранение грунта от промерзания допускает его промерзание на глубину, при которой землеройные машины могут разрабатывать грунт без предварительного рыхления или оттаивания. Его выполняют осенью после окончания дождливого периода, но до выпадения первого снега и наступления устойчивых заморозков. Предохранение осуществляют: без нарушения поверхности грунта; с нарушением поверхности грунта; комбинированным способом.

В первом случае поверхность грунта покрывают теплоизоляционным материалом и грунт сохраняет пластичное состояние благодаря аккумулированному летом теплу. В качестве теплоизоляционного материала используют опилки, торф, солому, шлак, камышит, листву, пенопласт. Рекомендуется предварительно обезвоживать предохраняемый массив грунта. Защитный слой убирают по мере разработки площадки.

Для защиты грунта от промерзания искусственно создают снежный покров путем снегозадержания. Для этого предварительно снежные валы высотой 0,4-0,5 м располагают перпендикулярно направлению господствующих ветров или устанавливают цепочками щиты размером 1,5x2 м.

Для предохранения грунтов со степенью влагонасыщения 0,8-0,9 от смерзания применяют химическую обработку их хлористым натрием или кальцием. Обработанные ими грунты не смерзаются, не примерзают к рабочим органам землеройных машин и кузовам транспорта, сохраняют пластичное состояние. Для засоления рекомендуется использовать сухой реагент или его водный раствор при отсутствии дождей, при обработке плотных, глинистых грунтов, а также при образовании на поверхности к моменту засоления мерзлой корки.

Обработку песчаных грунтов и супесей производят за 5-10 сут до наступления устойчивых отрицательных температур, а глин и суглинков - за 20-25 сут, чтобы соль к моменту разработки участка растворилась и проникла в грунт. Перед засолением удаляют слой растительного грунта, производят грубую планировку и рыхлят поверхность.

Участок со значительным уклоном вспахивают и рыхлят на глубину 20-30 см, чтобы предотвратить смывание раствора.

Расход хлористого натрия для средней полосы СССР можно приближенно определить по графику. При небольших объемах работ применяют сплошное покрытие участка солью, при больших объемах работ и при работе мощных экскаваторов - покрытие участка полосами.

Предохранение грунта от промерзания с нарушением его поверхности производят вспашкой на глубину не менее 35 см, боронованием на глубину 15-20 см или окучиванием. Слой взрыхленного и заборонованного грунта является хорошим теплоизолятором для нижележащего, грунта, а взрыхленный грунт имеет малую прочность и его можно разрабатывать любым экскаватором.

Для разработки грунта в первой трети зимы достаточна вспашка на глубину 25 см. При этом глубина промерзания уменьшается в 4-5 раз. Рыхление должно быть перекрестным, с перекрытием полос до 0,2 м.

При вспашке и одновременном наталкивании на всю утепляемую площадь рыхлого грунта слоем до 80 см можно разрабатывать грунт во второй трети зимы. Участок для разработки в последней трети зимы утепляют перелопачиванием грунта экскаватором после первых морозов с рыхлением на глубину до 1,5 м.

Во время продолжительных устойчивых морозов верхний слой в забое промерзает при сухих грунтах до 40-50 см, а при влажных - до 70 см. Однако прочность смерзшегося разрыхленного грунта ниже прочности неразрыхленного грунта при той же глубине промерзания и разрабатывать его можно экскаватором с ковшом вместимостью меньше 0,5 м 3 .

Для большего эффекта способа предохранения грунта от промерзания рыхлением следует обеспечить быстрый сток осадков с поверхности утепляемого участка. Предварительное рыхление целесообразно производить глубокой осенью, когда прекратятся дожди, а сильные морозы еще не наступят.

Глубину промерзания утепленного вспашкой и рыхлением грунта можно определить.

Рыхление мерзлых грунтов применяют в случаях, когда их мощность превышает 40 см. Рыхление производят взрывами или механическим дроблением и резанием. Рыхление взрывами целесообразно при глубине промерзания свыше 0,8-1 м. Для взрывного рыхления применяют шпуровой метод при глубине промерзания 1,3-1,5 м, метод скважинных зарядов при глубине промерзания 1,5-2 м, а также взрывы с помощью горизонтальных рукавов. Шпуры и скважины проходят на глубину 0,8-0,95 толщины мерзлого слоя и размещают в них заряд, массу которого определяют.

Шпуры и скважины располагают в шахматном порядке или по квадратной сетке с расстоянием между ними от 0,8 до 1,4 W. Горизонтальные рукава сечением 0,2x0,25 м и длиной 1,0-1,1 толщины мерзлого слоя проходят в талом грунте на контакте с мерзлым.

Объем разрыхленного одним взрывом грунта принимают из условия его уборки за 8-10 ч при температуре воздуха до -25°С и за 4-5 ч при более низкой.

Механическое дробление и резание мерзлых грунтов применяют при небольших объемах работ и глубине промерзания не более 1,3 м. При большей глубине промерзания целесообразно производить двухслойное рыхление. Малые объемы грунта рыхлят пневматическим или электрифицированным инструментом, большие - специальными клиновыми мерзлоторыхлителями с применением ударных или статических нагрузок.

Оттаивание мерзлых грунтов применяют в стесненных условиях, когда механическое дробление невозможно, а рыхление взрывом недопустимо.

Различают оттаивание поверхностное, когда тепло от размещенного на поверхности теплоносителя идет вниз; радиальное, когда нагреватель размещен в скважине и тепло от него распространяется по радиусу; глубинное, при котором теплоноситель размещен ниже мерзлого грунта и тепло от него распространяется вверх к поверхности, и комбинированное, когда тепло распространяется как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. В зависимости от теплоносителя различают оттаивание огнем, горячей водой, паром, электрическим током.

Огневой способ применяют при малых объемах работ, при наличии дешевого топлива и в аварийных случаях. При этом с поверхности удаляют снег, лед и укладывают на нее утепленный газоход. Пламя воздействует на грунт 6-8 ч. Дальнейшее оттаивание идет вследствие перераспределения аккумулированного тепла. Продолжительность прогрева на глубину до 1,5-1,7 м составляет 48-60 ч.

При оттаивании горячей водой используют циркуляционные иглы. Их погружают в грунт на расстоянии 0,7-1,2 м в один ряд при разработке узких выемок или в шахматном порядке при разработке широких выемок. Продолжительность оттаивания на глубину 1,3 м - 36-48 ч.

Оттаивание паром применяют поверхностное - батареями на глубину до 1 м и глубинное - паровыми иглами на глубину до 1,5 м. Иглы размещают в скважинах в ряд или в шахматном порядке на расстоянии 1-2 м. Пар подают циклично с перерывами в 1-2 ч. . Продолжительность цикла составляет 2-3 ч для песчаного, 3-4 ч для суглинистого и 4-5 ч для глинистого грунта. Пар подают под давлением 0,05-0,07 МПа при глубине промерзания до 1,5 м и 0,15-0,2 МПа при большей глубине. По прекращении прогрева участок утепляют и после перераспределения тепла разрабатывают. Радиус влияния иглы за 3-10 ч прогрева составляет 0,5-1,5 м.

Одним из наиболее распространенных методов радиального оттаивания является оттаивание электрическими иглами или трубчатыми электронагревателями. Радиус оттаивания иглами 0,3-0,4 м, продолжительность 10-12 ч, глубина 1,5 м, энергоемкость 30-35 кВт-ч/м 3 . Радиус оттаивания трубчатыми электронагревателями 0,6-0,8 м, продолжительность 12-14 ч, глубина 2,5 м, энергоемкость 14-16 кВт-ч/м 3 .

Оттаивание мерзлых грунтов электропрогревом производится горизонтальными или вертикальными поверхностными электродами и вертикальными глубинными электродами. При горизонтальных электродах тепло передается мерзлому грунту первоначально от нагретого ими слоя опилок, которые смочены 1-2%-ным раствором поваренной соли.

После оттаивания верхнего слоя грунт сразу же включается в электрическую цепь и в нем выделяется тепло. Расстояние между электродами составляет 40-50 см при напряжении 220 В и 70-80 см при напряжении 380 В. Глубина оттаивания этими электродами составляет 0,5-0,7 м. Вертикальные поверхностные электроды первоначально забивают в грунт на глубину 0,4-0,5 м присыпают 15-20-сантиметровым слоем опилок, смоченных раствором поваренной соли. По мере оттаивания грунт включается в электрическую цепь. Через 5-6 ч прекращают подавать ток, электроды забивают на толщу оттаявшего за это время грунта и так до полной глубины оттаивания, равной обычно 1,5 м. Расстояние между электродами 0,4-0,7 м, расход электроэнергии 30-95 кВт-ч/м 3 . Вертикальные глубинные электроды забивают на всю толщу мерзлого грунта и на 5-10 см в талый электропроводный грунт. Оттаивание идет снизу вверх. Продолжительность прогрева 18- 24 ч, глубина оттаивания 1,5 м, расстояние между электродами 0,5-0,7 м, расход электроэнергии 22-29 кВт ч/м 3 . Разработку грунта при электродном прогреве начинают через 24-48 ч после отключения тока, чтобы использовать аккумуляцию тепла для увеличения размеров талой зоны.

Химический способ оттаивания основан на способности раствора хлористых солей плавить в порах грунта лед и переводить грунт в пластичное состояние. Его применяют для размораживания грунтов при водонасыщении их до 0,7-0,8. При размораживании песчаных и супесчаных грунтов раствор разливают при температуре не ниже +20°С равными дозами 2 раза, а суглинистых- 3 раза с перерывом 1-2 сут. Песчаные и супесчаные грунты разрабатывают на пятые-восьмые сутки после первого полива, а суглинистые - на седьмые-двенадцатые. Перед розливом раствора устраивают прорези вдоль фронта работ на расстоянии 0,8-1,0 м друг от друга глубиной не более 0,5 глубины промерзания, бурят скважины диаметром не менее 10-15 см и глубиной не более% глубины промерзания через 0,6-0,8 м или устраивают обвалование по квадратам 2x2 м.

Намерзание грунта на стенки ковша экскаватора

В зимних условиях разработку грунта землеройными механизмами, его транспорт и возведение сооружений осуществляют с интенсивностью, которая исключает смерзание грунта, без перерывов, в три смены и при необходимости с утеплением насыпей грунта и забоя.

При этом выбирают землеройные механизмы, которые могут разрабатывать смерзшийся грунт без предварительной его подготовки или при незначительных затратах на это. Так, экскаваторы-драглайны и экскаваторы с прямой лопатой с вместимостью ковша 1 м 3 могут разрабатывать слой смерзшегося грунта толщиной соответственно до 15 и 40 см.

Намерзание грунта на стенки ковша экскаватора и кузова транспорта уменьшает их полезную вместимость, увеличивает рабочий цикл и уменьшает производительность по сравнению с летней на 15-20%.

Для предотвращения намерзания грунта применяют электропрогрев ковша и кузовов, портативные вибраторы, поливают их растворами хлоридов (СаС12, NaCl). Например, при температуре воздуха -20 °С эффективна обмазка кузова горячим раствором СаС12 (1-1,3 частей воды по массе на 10 частей СаС12). Слой обмазки толщиной 1-2 мм устойчив в течение 20-30 рейсов. Более устойчива (до 180 рейсов) обмазка кузова смесью битума марки III (80%) с отработанным маслом (20%), защищенная сверху 4-5-мил-лимстровым слоем раствора хлористого кальция. Эффективен обогрев кузова отработанным газом.

Забой в зимних условиях разрабатывают с учетом направления господствующих ветров и положения сторон света. Лучше, когда забой перемещается на север и навстречу направлению господствующих ветров. Разработку грунта ведут без перерывов на высоких скоростях. Если перерывы неизбежны и длительны, забой утепляют или перед перерывом производят рыхление грунта в забое с перелопачиванием. Зимний забой делают уже и ниже, чем летний. Его разделяют на две захватки. В одной ведут экскавацию разрыхленного грунта, а другую готовят к рыхлению взрывом. При механическом дроблении грунта разработка его может вестись по схеме. Участок очищают от снега непосредственно перед разработкой.

При разработке котлованов или подготовке основания под плотины оставляют защитный слой грунта, предохраняющий его от промерзания на проектных отметках. Удаляют этот слой непосредственно перед укладкой бетонной смеси или грунта и даже в некоторых случаях под тепляком.

Применение скреперов зимой возможно лишь при организации работ, исключающей промерзание очередного слоя срезаемого грунта.