Для рыхления мерзлого грунта механическим способом при разработке котлованов используют
Добавил пользователь Дмитрий К. Обновлено: 15.09.2024
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 разработка глубоких траншей и котлованов.
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 электропрогреве грунта нужно строго выполнять все требования по технике электробезопасности в условиях строительной площадки.
В стесненных условиях реконструкции предприятий применяют следующие способы разработки крепких и мерзлых грунтов: экскаваторами с использованием прямых и обратных лопат, с ковшами активного действия; с предварительным рыхлением динамическими и статическими рыхлителями, в том числе специальным сменным рабочим оборудованием к экскаваторам; с предварительным рыхлением взрывным способом с укрытиями и локализаторами взрыва; с оттаиванием мерзлых грунтов. Для успешной разработки грунта в зимнее время применяется также предохранение грунтов от промерзания.
Ковши активного действия создал ЦНИИС Минтранс-строя СССР для экскаватора ЭО-4121. Они обеспечивают разработку мерзлых и скальных грунтов IV—VI групп, а также других материалов повышенной прочности (например, асфальтобетонных покрытий) без предварительного рыхления. Ковши содержат вмонтированные в днище три пневмомолота ПМ-100 конструкции Института горного дела СО АН СССР с частотой 570 уд/мин. В процессе работы зубья пневмомолотов можно устанавливать под любым углом к разрушаемой поверхности за счет поворота ковша.
Для разработки мерзлых грунтов в Главленинградстрое применено сменное упорно-захватное оборудование для экскаваторов ЭО-3322Б и ЭО-4121А. Оборудование представляет собой упорное устройство рукояти с системой рычагов и ковшов. При разработке мерзлого грунта оборудование упором рукояти опирается на поверхность грунта рядом с кромкой забоя. При повороте ковша происходит отрыв мерзлого грунта и наполнение ковша. Усилие на зубьях ковша при этом достигает 35 (ЭО-3322Б) и 60 кН (ЭО-4121А), глубина рыхления 1,1 (ЭО-3322Б) и 1,8 м (ЭО-4121А), производительность 35—40 м3/ч.
Для разработки мерзлых грунтов на глубину до 1,3 м применяются захватно-клещевые устройства на экскаваторе ЭО-4121А. Устройство состоит из рамы, один конец которой шарнирно крепится к рукояти стрелы экскаватора; другой конец содержит один или три зуба, один центральный и два подрезных, направленных навстречу к зубьям ковша. Рама с зубьями приводится в действие дополнительным гидроцилиндром. Усилие, возникающее на зубьях, достигает 38 кН. Производительность рыхления мерзлого грунта захватно-клещевыми устройствами на базе экскаватора ЭО-4121 А —до 40 м3/ч
Однозубый захватно-клещевой рабочий орган к экскаватору ЭО-5122 по кинематической схеме подобен однозубому рабочему органу к экскаватору ЭО-4121А (табл. 4.6).
Захватно-клещевым рабочим органом можно разбирать временные дороги из дорожных плит, взламывать монолитные дорожные покрытия, разбирать старые здания, а также производить погрузку и разгрузку длинномерных и крупногабаритных предметов (свай, бревен, труб, крупных кусков породы и др.). При выполнении указанных работ не требуется смена рабочего оборудования, а погрузочно-раз-грузочные работы можно производить без участия стропальщиков. Рыхлитель, переведенный в нерабочее положение, не мешает обычной работе экскаватора. Усилия на зубьях рыхлителя направлены навстречу усилиям на зубьях ковша (кроме случаев работы однозубым рыхлителем), что позволяет практически разгрузить базовую машину от значительных усилий, возникающих на зубьях рыхлителя. Совмещение ряда технологических операций (рыхление и заполнение ковша, отрыв и погрузка блоков разборной скалы, плит и др.) позволяет заменить две машины одной со значительным экономических эффектом. Статическое рыхление мерзлых грунтов можно выполнять также зубом-рыхлителем, являющимся сменным рабочим оборудованием гидравлического экскаватора.
При допустимости динамических воздействий на грунт для рыхления мерзлых и скальных грунтов в стесненных условиях эффективно применять навесные пневмо- и гидромолоты (табл. 4.7) в качестве сменного рабочего оборудования на гидравлические экскаваторы. Технологическая производительность рыхления мерзлого грунта пневмомолотами ПН-1300 и ПН-1700 составляет 16. 22 м3/ч, гидромолотами СП-70 и СП-71 — 23. 30 м3/ч, СП-62 —до 70 м3/ч, а МУР-1250Г — до 150 м3/ч.
Рыхление и выемка мерзлых грунтов с применением пневмомолотов выполняется, как правило, слоями глубиной до 0,7 м. Рыхление грунта гидромолотом выполняется за один проход без промежуточной уборки грунта при глубине промерзания до 0,9м (СП-71) и 1,3м (СП-62). При большой глубине промерзания рыхление производится слоями соответственно 0,5 и 0,9 м с промежуточной уборкой разрыхленного грунта экскаватором или бульдозером. Наибольшая производительность рыхления достигается при применении максимальной сетки точек внедрения рабочего органа молота в грунт, допускающей отделение куска грунта от массива за одно внедрение (ориентировочно 0,6x0,5 м для гидромолота СП-71 и 1,2x0,7м для СП-62) при обеспечении наибольшей ширины полосы рыхления (в пределах до 5 м для молотов СП-70 и МУР-1250Г, 6 м для СП-71 и 8 м для СП-62).
Взрывной способ рыхления мерзлых и скальных грунтов в стесненных условиях применяют с использованием различных устройств и укрытий, предотвращающих разлет кусков взрываемого грунта. В качестве таких устройств наиболее эффективны передвижные локализаторы взрыва (санного типа и на колесах), перемещаемые трактором Т-100МилиТ-150К.
Трестом Строймеханизация Главновосибирскстроя для рыхления мерзлых грунтов в стесненных условиях методом взрыва используют комплект машин, состоящий из бульдозера, баровой машины БС-100, бурильной установки М-1 на гусеничном тракторе Т-100М, передвижного локализатора взрыва. Строительную площадку перед началом работ очищают от снега бульдозером. Баровой машиной прорезают локализирующую щель по периметру площадки, на которой выполняют буровзрывные работы. Щель прорезают на глубину не менее глубины заложения рядом расположенных фундаментов и подземных сооружений. Она служит для снижения уровня сейсмического воздействия. Бурильной установкой бурят скважины диаметром 80—100 мм. Заряды в скважинах взрывают высоковольтными электродетонаторами с помощью высоковольтного взрывного прибора ВВМ-4, Производительность подготовки мерзлого грунта при данном способе 250—300 м3 в смену, стоимость работ 0,49 руб/м3. Обеспечивается удовлетворительное дробление грунта (размер кусков до 400 мм в объеме 90—95 %), соблюдаются требования безопасности ведения взрывных работ (разлет кусков не более 1—2 м).
При небольших объемах разработки мерзлых грунтов применяют также оттаивание грунта паровыми, водяными и электрическими иглами, а также сжиганием жидкого и твердого топлива под специальными коробами. Однако почти все способы оттаивания более трудоемкие и дорогие по сравнению со способами механического и взрывного рыхления мерзлого грунта.
Разработка мерзлых грунтов землеройными машинами
Физико-механические свойства мерзлых грунтов и, в частности, их прочность существенно зависят от количества содержания в них незамерз-шей воды, т. е. от температуры.
В песках и супесях вся вода практически замерзает при температуре до —3° С. В суглинках и особенно в глинах, даже при весьма низких отрицательных температурах (—30ч-50° С), может содержаться еще определенное количество незамерзшей воды.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Дополнительные материалы по теме:
Рис. 69. Зависимость предела прочности грунта при одноосном сжатии от отрицательной температуры:
1 — песок; 2 — суглинок
При замерзании грунта происходит резкое увеличение его прочности и особенно при температурах в пределах от О до —7” С, когда замерзает значительная часть содержащейся в грунте воды (рис. 69). В мерзлом состоянии песок при большей прочности обладает более высокой хрупкостью, чем мерзлые суглинки и глины. Последние, особенно при небольших отрицательных температурах, обнаруживают большую вязкость, что значительно затрудняет их разработку машинами ударного действия.
Трудоемкость земляных работ в зимнее время повышается ввиду более высокой прочности грунта, что вызывает необходимость его рыхления перед разработкой; существующего ограничения как в содержании, так и в размерах мерзлых комьев; тяжелых погодных условий (отрицательные температуры, снегопады и т. п.).
Подготовка мерзлого грунта к разработке осуществляется оттаиванием грунта (термическое оттаивание, оттаивание паром, электрооттаивание, засоление и т. п.) или его рыхлением.
Рыхление грунта может производиться машинами ударного действия; машинами, разрушающими мерзлый грунт резанием; взрывным способом; гидродинамическим способом (при сверхскоростных истечениях жидкости) или тепловым резанием мерзлого грунта.
Машины ударного действия производят разрушение грунта путем последовательных ударов рабочего органа о грунт. По характеру действия различают машины ударного действия со свободным падением рабочего органа (клин-молот, шар-молот) и машины с принудительным внедрением рабочего органа в мерзлый грунт. Принудительное внедрение клина производится ударами по нему свободнопадающего груза (ударный клин), а также многочастотными ударными органами дизельмолотов (клин с дизель-молотом) или вибраторов (виброклин).
К машинам, рыхлящим мерзлый грунт резанием, относятся: ба-ровые машины, имеющие рабочие органы в виде бесконечной цепи с установленными на ней резцами; дисковые или фрезерные машины с рабочим органом в виде диска с резцами, а также цепные и роторные траншейные экскаваторы, приспособленные для разработки мерзлых грунтов.
Наименее энергоемким из существующих в настоящее время способов разрушения мерзлых грунтов является взрывной способ. Так, энергоемкость разрушения мерзлых грунтов взрывом в 10—13 раз меньше, чем при резании. Однако по условиям работ в большинстве случаев он не
может быть применен.
Одними из наиболее перспективных являются машины, производящие рыхление мерзлых грунтов методом крупного ударного скола. Рабочим органом здесь является клин, забиваемый в грунт специальным механическим копром. Средняя энергоемкость подобных машин при разрушении мерзлого грунта составляет 0,4—0,8 квт-ч1м3. Производительность этих машин обычно составляет 45—120 мя в смену. К этой группе машин относятся также и навесные рыхлители (например, навесной рыхлитель на тракторе ДЭТ-250 типа РМГ-2), являющиеся эффективными машинами для рыхления мерзлого грунта толщиной до 60—100 см. Производительность составляет 40:—200 м3 в смену.
Эффективными машинами являются также роторные траншейные экскаваторы, приспособленные для разработки мерзлых грунтов. Однако энергоемкость последних выше, чем машин ударного действия, и составляет 5—8 квт-ч!л13. Преимущество роторных траншейных экскаваторов заключается в том, что при помощи этих машин грунт одновременно отделяется от массива и транспортируется в отвал или в транспортные средства, в то время как при разработке грунта сколом необходимы машины для уборки грунта в отвал. То же имеет место при разработке мерзлого грунта баровыми и фрезерными машинами. Уборка отдельных блоков мерзлого грунта, нарезанных баровыми машинами, должна осуществляться другими средствами. Блоки мерзлого грунта практически не могут быть использованы при устройстве большинства земляных сооружений и вывозятся в отвалы.
Степень разрушения грунта ударными нагрузками определяется его физико-механическими свойствами, геометрией рабочего органа и накопленной к моменту удара кинетической энергией. Кинетическая энергия в свою очередь зависит от массы рабочего органа и его скорости. Для обеспечения нормальной работы экскаватора с емкостью ковша 0,65—1,0 м3 темп работы по рыхлению верхнего мерзлого слоя должен быть не менее 15 м3/ч. Для достижения такой производительности необходимая работа Ударов должна быть не менее 7500—8000 кГ-м.
Разрушение мерзлого грунта при внедрении клина носит скачкообразный характер. Вначале происходит упругая деформация грунта, а по достижении определенного напряжения развивается пластическая деформация, которая приводит к разрушению грунта на некоторую глубину. Далее процесс повторяется.
Глубину внедрения клина h при свободном падении рабочего органа или в результате ударов свободно падающего груза определяют, исходя из равенства живой силы удара и работы силы, затрачиваемой на разрушение грунта.
Эффективность работы машин ударного разрушения мерзлого грунта определяется правильным выбором основных параметров рабочего оборудования: формы и размеров клина, величины одного удара, отношения массы клина к массе груза. Форма клина определяется высотой клина Н, углом его заострения а и шириной Ь. Высота клина зависит от глубины промерзания. При глубине промерзания до 1,3—1,5 ж клинья существующих машин для ударного разрушения мерзлых грунтов имеют высоту в среднем 0,8—1,2 м.
При этом b не должно превышать 400—500 мм, так как в противном случае сильно возрастает масса клина. Для повышения 1за6 рабочий орган выполняют из двух-трех жестко скрепленных между собой клиньев.
Большое значение для эффективности работы машин с принудительным внедрением рабочего органа ударами свободно падающего груза имеет правильный выбор массы клина и падающего груза. Отношение массы клина к массе ударного груза обычно принимают равным 0,2—0,4, и оно не должно быть более 0,6—0,7.
Общая энергоемкость разрушения зависит как от работы единичного удара, так и от количества ударов. Общая энергоемкость процесса снижается при росте работы единичного удара в большей мере, чем за счет увеличения количества ударов.
Рис. 70. Схема навески
2. Установки с механическим копром. Клинья изготовляются литыми из стали, так как сварные конструкции не выдерживают динамических нагрузок.
3. Установки, в которых ударным механизмом служит дизель-молот. Преимуществом применения дизель-молота является большое количество ударов в единицу времени. Вместе с тем энергия одного удара невелика и, кроме того, дизель-молот трудно запускать’в зимних условиях.
4. Установки с виброклином (рис. 70). Большое количество ударов в единицу времени (730—850 колебаний в минуту) и большая возмущающая сила 12—18 т являются значительным преимуществом машин подобного типа. К недостаткам относится быстрый выход из строя электромотора вибратора и других элементов конструкции, подвергающихся действию вибрации.
Для разрушения мерзлых грунтов резанием применяются фрезы, цепные пилы (бары), шнеки или одиночные резцы, смонтированные на ковшевой цепи траншейных экскаваторов, а также многоковшевые роторы.
Рис. 71. Силы, действующие на резец при резании мерзлого грунта:
а — острый резец; б — профиль изношенной площадки резца совпадает с траекторией резца; в — резец с затупленной режущей кромкой; г — профиль изношенной площадки, который не совпадает с траекторией резца
Для разработки мерзлых грунтов в последнее время стали применять машины с рабочим органом в виде режущих цепей — баров. Бары обычно являются навесным оборудованием к тракторам (рис. 72) или многоковше-вым экскаваторам. Цепи баров приводят в движение через редуктор от вала отбора мощности.
Рис. 72. Схема баровой машины на тракторе;
1— гидроцилиндр подъема и опускания бары; 2 — редуктор; 3 — бара
Для снижения энергоемкости процесса разрушения грунта на цепях устанавливаются не только резцы, но и клинья. Резцы прорезают в грунте канавки, в оставшиеся между канавками объемы грунта скалываются. клиньями. На рис. 73 представлена схема расстановки резцов и клиньев. Скорость движения цепи составляет 0,5—0,8 м/сек.
При увеличении толщины срезаемого слоя грунта снижается энергоемкость процесса резания, но при этом необходимо,, чтобы все элементы рабочих органов обладали высокой прочностью и жесткостью. Этому условию удовлетворяют приспособленные для работы в зимних условиях некоторые типы траншейных роторных экскаваторов. Рабочим органом здесь служит ротор с ковшами, который опирается на сдвоенное пневматическое колесо. Ковши оборудованы резцами (клыками). Внутри ротора Установлен криволинейный роторный транспортер. Производительность такой машины достигает 250 м в смену.
Трудоемкость извлечения мерзлого грунта крайне велика по причине его значительной механической прочности. К тому же замерзшее состояние грунта осложняет задачу по его выемке из-за невозможности задействования некоторых типов землеройных и землеройно-транспортных машин, снижению производительности и ускоренному износу рабочих частей оборудования. И все же одним достоинством мерзлый грунт обладает – рыть котлованы в нем можно без устройства откосов.
Существует четыре основных способа проведения выемки грунта в холодное время года:
- защита земельного участка работ от промерзания с дальнейшим использованием обычных землеройных машин;
- предварительное рыхление и выемка замерзшего грунта;
- прямая разработка грунта в замерзшем состоянии, т.е. без какой-либо подготовки;
- доведение до талого состояния и последующая выемка.
Подробно рассмотрим каждый из приведенных способов.
Предохранение грунтов от промерзания
Защиту от низких температур грунту обеспечивают путем взрыхления верхнего слоя, застилкой утеплительными материалами и заливкой водных растворов соли.
Мерзлый грунт – рыхление и выемка
Чтобы снизить механическую прочность зимнего грунта применяются методы его механической и взрывной обработки. Извлечение взрыхленной таким образом земли после проводится обычным способом – при помощи землеройных машин.
Механическое рыхление. В процессе его осуществления грунт режется, скалывается и раскалывается вследствие нагрузок статического или динамического характера.
Статические нагрузки на мерзлый грунт производится металлическим инструментом режущего типа – зубом. Специальная конструкция с гидравлическим приводом, оборудованная одним зубом и более, проводится по участку работ будучи размещенной на гусеничному экскаваторе. Такой метод позволяет снимать грунт послойно на глубину до 400 мм за каждый проход. В процессе рыхления оборудованная зубом установка прежде протягивается параллельно предыдущим проходам с отступом 500 мм от них, затем ее проводят поперечно им под углом от 60 до 90 о . Объемы выемки мерзлого грунта при этом достигают 20 кубометров в час. Послойная статическая разработка мерзлой земли обеспечивает применение установок рыхления на любой глубине промерзания грунта.
Ударные нагрузки на грунтовые участки позволяют снизить механическую прочность замерзшей земли благодаря динамическому воздействию. Применяются молоты свободного падения, обеспечивающие раскалывание и рыхление, или молоты с направленным действием для рыхления расколом. В первом случае используется молот в виде шара или конуса наибольшей массы в 5 т – его канатом закрепляют на стреле экскаватора и после подъема до пяти-восьмиметровой высоты сбрасывают на участок работ. Шарообразные молоты лучше всего подходят для песчаников и супесей, на глинистых почвах эффективны конические молоты – при условии, что глубина промерзания не превышает 700 мм.
Направленное действие на мерзлый грунт осуществляют дизель-молоты, установленные на трактор или экскаватор. Они применяются на любых грунтах при условии глубины промерзания не более 1300 мм.
Снижение прочности мерзлой земли путем взрыва наиболее эффективно – этот метод позволяет выполнять зимнюю выемку грунта на глубине от 500 мм и при потребности извлечения значительных объемов. На незастроенных участках выполняется открытый подрыв, а на частично застроенных необходимо предварительно выставить укрытия и ограничители взрыва – массивные плиты из металла или железобетона. Взрывчатое вещество закладывается в щель или шпур (при глубине рыхления до 1500 мм), а при потребности выемки грунта на большей глубине – в щели и скважины. Для нарезания щелей применяются буровые или фрезерные машины, щели выполняются на 900-1200 мм дистанции друг от друга.
Взрывчатка укладывается в среднюю (центральную) щель, а расположенные по соседству щели обеспечат компенсацию взрывного сдвига мерзлого грунта и погасят ударную волну, тем самым препятствуя разрушениям вне зоны работ. В щель закладывается удлиненный заряд или несколько коротких зарядов сразу, затем ее заполняют песком с утрамбовкой. После взрыва мерзлый грунт в секторе производства работ будет полностью раздроблен, при этом стенки траншеи или котлована, создание которых и было целью выемки земли, останутся неповрежденными.
Разработка мерзлого грунта без его подготовки
Существует два способа прямой разработки грунта в условиях низких температур – механический и блочный.
Технология механической разработки мерзлых грунтов базируется на силовом воздействии, в некоторых случаях включающим в себя удар и вибрацию. В ходе его осуществления используются как обычные машины для землеройных работ, так и оснащенные специальным инструментом.
На небольших глубинах промерзания работы по извлечению грунта применяются обычные землеройные машины: экскаваторы с прямым или обратным ковшом; драглайны; скреперы; бульдозеры. Одноковшовые экскаваторы могут оснащаться специальным навесным оборудованием – ковшами с захватными клещами и виброударными зубьями. Такое оборудование позволяет воздействовать на мерзлый грунт посредством избыточного режущего усилия и вести его послойную разработку, соединив в одной рабочей операции рыхление и экскавацию.
Послойное извлечение грунта выполняется специальной землеройно-фрезерной установкой, срезающей с участка работ слои шириной 2600 мм и глубиной до 300 мм. В конструкции это машины предусмотрено бульдозерное оборудование, обеспечивающие перемещение срезанного грунта.
Суть блочной разработки грунтов заключается в резке мерзлого грунта на блоки с последующим их извлечением при помощи трактора, экскаватора или строительного крана. Блоки нарезаются путем пропиливания грунта резами, перпендикулярными между собой. Если земля промерзла неглубоко – до 600 мм – то для извлечения блоков достаточно выполнить прорезы вдоль участка. Щели прорезаются на 80% глубины, на которую промерз грунт. Этого вполне достаточно, поскольку слой со слабой механической прочностью, расположенный между промерзшей зоной грунта и зоной, сохраняющей положительную температуру, не помешает отделению грунтовых блоков. Дистанция между щелями-прорезями должна примерно на 12% быть меньше, чем кромочная ширина ковша экскаватора. Извлечение грунтовых блоков производится при помощи экскаваторов с обратной лопатой, т.к. выгружать их из ковша прямой лопаты довольно трудно.
Способы оттаивания мерзлого грунта
Они классифицируются по направлению подачи тепла в грунт и виду используемого теплоносителя. В зависимости от направления подачи тепловой энергии существует три способа разморозить грунт – верхний, нижний и радиальный.
Верхняя подача тепла в землю наименее эффективна – источник тепловой энергии находится в воздушном пространстве и активно охлаждается воздухом, т.е. значительная часть энергии расходуется попусту. Однако этот способ оттаивания организоваться проще всего и в этом его преимущество.
Процедура оттаивания, проводимая из-под земли, сопровождается минимальными затратами энергии, поскольку тепло распространяется под прочным слоем льда на поверхности грунта. Главный минус данного способа – потребность выполнения сложных подготовительных мер, поэтому он применяется редко.
Радиальное распространение тепловой энергии в толще грунта осуществляется при помощи вертикально утопленных в землю тепловых элементов. Эффективность радиального оттаивания находится между результатами верхнего и нижнего прогревания грунта. Для осуществления этого способа требуются несколько меньшие, но все же достаточно высокие объемы работ по подготовке прогрева.
Разморозка грунта зимой проводится с использованием огня, электрических термоэлементов и горячего пара.
Огневая методика применима для рытья относительно узких и неглубоких траншей. На поверхности участка работ выставляется группа коробов из металла, каждый из которых представляет собой разрезанный пополам усеченный конус. Они ставятся разрезанной стороной на землю вплотную друг к другу и образуют галерею. В первый короб закладывается топливо, которое затем поджигается. Галерея из коробов становится горизонтальной вытяжной трубой – вытяжка идет из последнего короба, а продукты сгорания движутся по галерее и обогревают грунт. Чтобы понизить потери тепла от контакта корпуса коробов с воздухом, они засыпаются шлаком или талым грунтом с участка, работы на котором проводились ранее. Образовавшуюся по окончании прогрева полосу размороженного грунта необходимо засыпать опилками или застелить пвх пленкой, чтобы аккумулированное тепло способствовало дальнейшему оттаиванию.
Электрический прогрев мерзлого грунта базируется на способности нагрева материалов при пропуске через них электротока. С этой целью применяются вертикально и горизонтально ориентированные электроды.
Горизонтальное оттаивание производится электродами из круглой или полосовой стали, уложенной на грунт – чтобы подключить к ним электропровода, противоположные концы стальных элементов загибают на 150-200 мм. Прогреваемый участок с размещенными на нем электродами засыпается опилками (толщина слоя – 150-200 мм), предварительно смоченными солевым раствором (концентрация соли – 0,2-0,5%) в количестве, равном исходной массе опилок. Задача опилок, пропитанных солевым раствором – проводить ток, поскольку мерзлый грунт в начальной стадии работ ток проводить не будет. Сверху слой опилок закрывается пленкой пвх. По мере прогрева верхний грунтовый слой становится проводником тока между электродами и интенсивность оттаивания значительно возрастает – прежде размораживается средний слой грунта, а затем и расположенные ниже. По мере включения слоев грунта в проведение электротока слой опилок начинается выполнять вторичную задачу – сохранение тепловой энергии в участке работ, для чего необходимо укрыть опилки деревянными щитами или толем. Оттаивание мерзлого грунта горизонтальными электродами производится на глубину промерзания до 700 мм, затраты электроэнергии при обогреве кубометра земли составляют 150-300 МДж, опилочный слой прогревается до 90 о С, не более.
Вертикальное электродное оттаивание производится при помощи стержней, изготовленных из арматурной стали и имеющих один острый конец. Если глубина промерзания грунта равна 700 мм, стержни вбиваются прежде на глубину 200-250 мм шахматным порядком, а после оттаивания верхнего слоя их утапливают на большую глубину. В процессе работ по вертикальному размораживанию грунта требуется устранять снег, накопившийся на поверхности участка, засыпать его опилками, смоченными солевым раствором. Процесс прогрева идет также, как и при горизонтальном оттаивании с применением полосовых электродов – по мере оттаивания верхних слоев важно периодически погружать электроды дальше в грунт до глубины 1300-1500 мм. По окончании вертикального оттаивания мерзлого грунта электроды извлекаются, но вся площадка остается под слоем опилок – еще 24-48 часов грунтовые слои будут размораживаться самостоятельно благодаря накопленной тепловой энергии. Затраты электроэнергии на работы по вертикальному оттаиванию немного ниже, чем при выполнении горизонтального размораживания.
Для электродного обогрева грунта по направлению снизу вверх необходима предварительная подготовка скважин – их бурят на 150-200 мм глубже, чем глубина промерзания. Скважины располагаются в шахматном порядке. Данный способ характеризуется меньшими затратами электроэнергии – около 50-150 МДж на кубометр грунта.
Стержни электродов вводятся в подготовленные скважины, достигая не промерзшего слоя земли, поверхность участка засыпается отпилками, смоченными солевым раствором, поверх укладывается пластиковая пленка. В результате процесс оттаивания идет в двух направлениях – сверху вниз и снизу вверх. Данный метод оттаивания мерзлого грунта осуществляется редко и исключительно при необходимости срочно разморозить участок для выемки земли.
Оттаивание паром проводится при помощи специальных приспособлений – паровых игл, выполненных из металлических труб диаметром 250-500 мм, по которым в грунт вводится горячий пар. Нижняя часть паровой иглы оборудуется металлическим наконечником, содержащим множество 2-3 мм отверстий. К верхней (полой) части трубы-иглы подключается резиновый шланг, снабженный краном. Для установки паровых игл в грунте пробуриваются скважины (шахматный порядок, дистанция 1000-1500 мм) протяженностью 70% от требуемой глубины оттаивания. На отверстия скважины одеваются металлические колпаки, оснащенные сальниками, через которые будет пропущена паровая игла.
После установки игл по шлангу в них под давлением 0,06-0,07 МПа подается пар. Поверхности оттаиваемого участка земли закрывается слоем опилок. Потребление пара на прогрев кубометра грунта – 50-100 кг, по расходу тепловой энергии этот способ в 1,5-2 раза более затратный по сравнению с прогревов заглубленными электродами.
Способ оттаивания мерзлого грунта при помощи контактных электронагревателей внешне схож с паровым размораживанием. В металлические полые иглы, длиной порядка 1000 мм и диаметром не более 60 мм, устанавливаются нагревательные элементы с изоляцией от металлического корпуса иглы. При подключении электропитания нагревательный элемент сообщает тепловую энергию корпусу иглы-трубы, а она – слоям грунта. Тепловая энергия в процессе прогрева распространяется радиально.
Читайте также: