4.12. Разработка мерзлых грунтов
Значительная часть территории России расположена в зонах с продолжительной и суровой зимой. Вследствие этого около 15 % общего объема земляных работ приходится выполнять в зимних условиях и при мерзлом состоянии грунта. Механическая прочность мерзлых грунтов существенно возрастает (до 100 раз), что затрудняет разработку, увеличивает трудоемкость в 3-7 раз, ограничивает применение некоторых механизмов (экскаваторов, бульдозеров, грейдеров). В то же время выемки зимой можно выполнять без откосов, иногда отпадает необходимость в ограждениях стенок выемок и практически всегда в водоотливе.
В зависимости от местных условий используют следующие методы разработки мерзлых грунтов:
предохранение грунтов от промерзания с последующей разработкой обычными методами;
оттаивание грунтов с разработкой их в талом состоянии;
разработка мерзлых грунтов с предварительным рыхлением;
непосредственная разработка мерзлых грунтов.
Предохранение грунтов от промерзания
Предохранение грунтов от промерзания проводится до наступления устойчивых отрицательных температур с заблаговременным отводом со строительного участка поверхностных вод.
Для этого применяются следующие методы:
а) поверхностное рыхление – тракторными рыхлителями или плугами на глубину 30-35 см с последующим боронованием на глубину 15-20 см;
б) глубинное рыхление – экскаваторами путем последовательной перекидки грунта (рис. 4.39);
Рис. 4.39. Схема глубинного рыхления:
I – IV – последовательность экскаваторных проходок; 1 – направления перекидки грунта
в) перекрестное рыхление, производится рыхлителями или плугами на глубину 30-40 см, двумя проходками под углом 90-60°;
г) укрытие поверхности утеплителями:
природными (мох, листья, торф, стружки, опилки и т.п.);
искусственными (пенополистирол, минераловатные плиты и т.п.);
снегом (снегозадержание с помощью щитов 1,5х2 м, рядами через 20 м или сгребание выпавшего снега в валы через 15-20 м, расположенными перпендикулярно направлению господствующих ветров);
д) утепление воздушной прослойкой (рис. 4.40).
Рис. 4.40. Схема утепления грунта воздушной прослойкой:
1
– лежень
8-10
см; 2 – доски; 3 – утеплитель
=15-20
см; 4 – водонепроницаемая пленка
Оттаивание грунтов
Оттаивание происходит за счет теплового воздействия на мерзлый грунт и характеризуется значительными трудоемкостью и энергозатратами. Применяется достаточно редко, когда другие методы неприемлемы – вблизи действующих коммуникаций и кабелей, в стесненных условиях, при аварийных и ремонтных работах.
Поверхностное оттаивание (рис. 4.41)
Применяется при отрывке траншей в мерзлом грунте. В этом случае поток тепла распространяется сверху вниз. Осуществляется теплым воздухом, дымовыми газами, паровыми или водяными батареями.
Рис. 4.41. Схема поверхностного оттаивания:
1 – камера сгорания; 2 – вытяжная труба; 3 – утеплитель; 4 – зона талого грунта;
5 – теплогенератор (как вариант – вместо камеры сгорания); 6 – мерзлый грунт
Для поверхностного оттаивания могут также применяться горизонтальные электроды из полосовой или круглой стали, подключенные к электрической сети и укрытые утеплителем =15-20 см, смоченным солевым раствором, обеспечивающим токопроводимость и нагрев.
Глубинное оттаивание (рис. 4.42)
Производится вертикально погружаемыми электродами (через 0,5-0,7 м) или паровыми иглами (через 1-2 м).
Рис. 4.42. Схема глубинного оттаивания грунта паровыми иглами:
1 – паропровод; 2 – вентиль; 3 – паровая игла; 4 – пробуренная скважина;
5 – защитный колпак; 6 – зона талого грунта
В качестве теплонагревателей применяют также электроиглы или ТЭНы (теплоэлектронагреватели). ТЭНы представляют собой стальные трубы длиной около 1 м, 50-60 мм, с размещенным внутри электронагревательным элементом, изолированным от стенок трубы. Пространство между нагревательным элементом и трубой заполняют диэлектрическим материалом, хорошо передающим и сохраняющим тепло (песок, соль и др.). ТЭНы вставляют в скважины, пробуренные в шахматном порядке с шагом около 1м.
Разработка мерзлых грунтов с рыхлением
Применяют 2 метода:
механическое рыхление:
– статическое (бульдозером с риппером, экскаватором-рыхлителем);
– динамическое (молотами механическими, дизельмолотами и вибромолотами);
рыхление взрывом.
Механическое рыхление применяется для связных и несвязных грунтов. Пример механического динамического рыхления приведен на рис. 4.43.
Рис. 4.43. Схема рыхления мерзлых грунтов (динамическое):
а) – рыхление клиновым молотом (клин-бабой); б) – рыхление дизель-молотом;
1 – клин-баба; 2 – экскаватор; 3 – мерзлый слой грунта; 4 – направляющая штанга;
5 – дизель-молот; 6 – клин
Рыхление взрывом применяется в основном на незастроенных участках. Наиболее широко применяемые методы рыхления грунтов с помощью взрыва приведены на рис. 4.44.
Рис. 4.44. Методы рыхления мерзлых грунтов взрывом:
а) – шпуровыми зарядами; б) – скважинными зарядами; в) – котловыми зарядами;
г) – малокамерными зарядами; д) – камерными зарядами; е) – щелевыми зарядами;
1 – заряд взрывчатого вещества; 2 –шпур; 3 – штольня; 4 – скважина;
5 – рабочая щель; 6 – компенсационная щель
Шпуры сверлятся диаметром 20-50 мм, скважины – до 1100 мм, расстояние между рядами шпуров и скважин – 1-1,5 м. Щели нарезаются дискофрезерными или баровыми машинами на расстоянии 0,9-1,2 м друг от друга. Компенсационные щели служат для локальной концентрации взрывных сил и для снижения сейсмического эффекта.
Разрыхленный грунт разрабатывается экскаваторами или землеройно-транспортными машинами.
Непосредственная разработка мерзлых грунтов
Разработка мерзлых грунтов без предварительного рыхления может осуществляться двумя методами:
блочным;
механическим.
Блочный метод
С помощью навесного оборудования – баровой (по типу цепного многоковшового экскаватора) или дискофрезерной (по типу роторного экскаватора) установки грунт нарезают при взаимно перпендикулярных проходках на блоки со стороной 0,6-1,0 м. Разработку нарезанных блоков производят экскаваторами ОЛ с ковшом большой вместимости (или с грейферным захватом) или волоком в отвал бульдозерами или тракторами (рис. 4.45).
Рис. 4.45. Последовательность производства работ блочным методом:
а) – удаление снежного покрова; б) и в) – нарезка щелей в грунте баровой машиной;
г) – удаление блоков экскаватором с ковшом; д) – удаление блоков экскаватором с грейферным захватом; е) – оттаскивание блоков трактором
Механический метод
Используются обычные землеройные и землеройно-транспортные машины со специально разработанными рабочими органами. Применяются ковши экскаваторов с вмонтированными зубьями с виброударниками и захватно-клещевые устройства для скалывания грунта. Совмещаются процессы разрыхления и разработки грунта. Разработку грунта осуществляют и многоковшовыми экскаваторами, специально разработанными для проходки траншей в мерзлых грунтах. Для этой цели служит специальный режущий инструмент в виде клыков, зубьев или коронок со вставками из твердого металла, укрепляемых на ковшах. Применяют также специализированные землеройно-фрезерные машины, снимающие стружку глубиной до 0,3 м и шириной 2,6 м.