11.20. Особенности производства земляных работ в зимнее время

Глубина промерзания (h_np) грунта в основном зависит от его теп-лофизических свойств, интенсивности и продолжительности воздей­ствия отрицательных температур. По формуле профессора А. Н. Буд-никова

где λ— коэффициент теплопроводности грунта; Т - среднесуточная температура воздуха в зимний период; Z - количество суток с отрица-

360

Рис. 11.31. Схемы уплотнения грунта комбинированным методом:

а — обратная засыпка и уплотнение грунтов в траншеи при прокладке трубопро­водов: 1 — экскаватор-планировщик или драглайн; 2 — автосамосвал; 3 — буль­дозер; 4 — электротрамбовка; 5 — пневмокаток; б — технология уплотнения грунта при обратной засыпке столбчатых фундаментов: 1 — экскаватор-плани­ровщик; 2 — бульдозер; 3 — автосамосвал; 4 — электротрамбовка; 5 — само­передвигающаяся вибротрамбовка ВУТ-3

тельной температурой на момент определения h ; С_п - коэффициент, учитывающий влияние снежного покрова на снижение глубины про­мерзания; при толщине снежного покрова 10, 20, 40 см значение С_п соответственно равно 0,5; 0,4; 0,3.

Для ориентировочного определения h можно пользоваться графи­ком, приведенным на рис. 11.32, а. Для глинистых грунтов величины,

361

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. Средства для разработ­ки мерзлых грунтов представлены на рис. 11.32.

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 одноковшовые экскаваторы с ковшом вместимостью 0,4-0,65 м\ 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 др. Мо­гут применяться и полимерные материалы: пленки, пенопласт и т.п. Иногда грунт перед вспахиванием подвергают химической обработ­ке, т.е. прибегает к пропитке поверхностного слоя грунта хлористым кальцием и натрием, нитрит-нитратом натрия, которые понижают температуру замерзания воды в грунте (до -30°С).

Однако когда грунт не удалось своевременно предохранить от за­мерзания и по графику работ грунты необходимо разрабатывать в зимнее время, т.е. в мерзлом состоянии, то в этом случае приходит­ся либо их оттаивать, либо разрабатывать в мерзлом виде с исполь­зованием специальных средств и методов.

Способы оттаивания мерзлых грунтов различны (рис. 11.33) и ос­нованы на том, что за счет теплоты, передаваемой в слой мерзлого грунта, растапливается лед в его порах и грунт делается талым. От­таивание грунтов применяется при малых объемах работ, в стеснен­ных условиях, труднодоступных местах и в случаях, когда нельзя ис­пользовать более экономичные и менее энергоемкие способы. Оттаива­ние грунта осуществляется как с помощью естественных источников тепла - солнечного тепла, тепла воды из естественных водоемов, так и искусственных — за счет сжигания твердого, жидкого или газооб­разного топлива, использования пара или электроэнергии. Выбор

362

способа оттаивания и источника тепла производят путем технико-экономического сравнения с учетом условий района строительства. По направлению распространения тепла в грунте можно выделить следующие три основных способа оттаивания: сверху вниз (поверх­ностный); снизу вверх (глубинный); по радиальному направлению.

Поверхностное оттаивание производят либо с использованием естественных источников тепла, либо искусственных — горячими га­зами (огневой способ), в тепляках, отражательными печами, гори­зонтальными электродами, химическим способом (рис. 11.33, а, б). 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 (рис. 11.33, в—з).

Рыхление и разработку грунтов в мерзлом состоянии осуществляют взрывным или механическим способом.

Взрывной (шпуровой или щелевой) способ является одним из основ­ных способов подготовки мерзлых грунтов к разработке экскаватора­ми. Он особенно эффективен при глубинах промерзания 0,4—1,5 м и более и при значительных объемах разработки мерзлых грунтов. Его применяют преимущественно на незастроенных участках, а на заст­роенных — с использованием укрытий и локализаторов взрыва (тяже­лых пригрузочных платформ). При рыхлении на глубину до 1,5 м применяют шпуровой и щелевой методы, а при больших глубинах -скважинный или щелевой. Щели на расстоянии 0,9—1,2 м одна от другой нарезают щеленарезными машинами фрезерного типа или ба-ровыми машинами. Заряжают щели через одну удлиненными или со­средоточенными зарядами, после чего их сверху забивают песком. Шпуры и скважины располагают в шахматном порядке.

При рыхлении грунта взрывным способом (рис. 11.34, а) участок разбивают на три 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 эскаватора (эк­скаваторов).

Механическое рыхление мерзлых грунтов применяют при глубине промерзания 0,4-1,5 м и небольших по площади выемках котлованов и траншей. При этом осуществляют дробление или скол мерзлого слоя динамическим или статическим воздействием специального сменного рабочего оборудования, установленного на базовой машине

363

Рис. 11.32. Средства, применяемые для разработки мерзлых фунтов:

а — зависимость глубины промерзания h_np суглинков от количестве суток с от­рицательной температурой воздуха Z; б — паровая игла; в — глубинный элект­род; г — рыхлитель (бульдозер) на тракторе: 1 — рама рыхлителя нижняя; 2 — то же, верхняя; 3 — поперечная рабочая балка; 4 — поворотные кронштейны; 5 — съемные зубья; 6 — наконечник; 7 — гидроцилиндры; д — землеройно-фре-зерная машина: 1 — бульдозер; 2 — рама неподвижная; 3 — гидроцилиндр для подъема и опускания рабочего органа; 4 — коробка отбора мощности; 5 — кар­данный вал; б — редуктор дифференциальный; 7 — муфта предельного момен­та; 8 — редуктор бортовой левый; 9 — рабочий орган; 10 — рама подвижная; е — схема послойной разработки мерзлого грунта толщиной до 2 м с использованием рыхлителя: I — рыхление продольными проходами рыхлителя; II — то же, ди­агональными проходами; III — перемещение разрыхленного грунта бульдозе­ром в кавальер; IV — погрузка грунта в самосвал; ж — двухклинный рыхлитель

364

Рис. 11.32 (окончание)

1 — металлоконструкция; 2 — лебедка; 3 — механизм управления рабочим обо­рудованием; 4 — рабочее оборудование; 5 — направляющий ролик; 6 — цепь предохранения; 7— гидросистема; з — гидромолот на базе экскаватора; и — двухбаровый щелерез: 1 — гусеничный ход; 2 — двигатель; 3 — редуктор при­вода бара; 4 — гидроцилиндр подъема и опускания бара; 5 — рабочий орган бара; Н_щ — глубина нарезания щелей; Н — высота расположения приводного ре­дуктора; к— дискофрезерная машина: 1 — трактор; 2 — фреза; 3 и 4 — соот­ветственно подвижная и неподвижная рамы; 5 — грунтоподборщик

(тракторе, экскаваторе и т.п.). Динамическое воздействие обеспечи­вают за счет удара, вибрации или совместного их воздействия с при­менением шара- или клина-молота, дизель-молотов, клиновых трак­торных рыхлителей и др.

Для рыхления мерзлого грунта механическим способом при раз­работке котлованов используют навесные (статические) рыхлители и землеройно-фрезерные машины, а также баровые машины (для на­резки мерзлого грунта на блоки), а при разработке траншей — диско­вые экскаваторы, фрезерные и баровые машины; при вертикальной планировке площадки — навесные рыхлители. Эти машины работают обычно вместе с экскаваторами, которые разрабатывают как разрых­ленный мерзлый, так и немерзлый (талый) грунт.

365

Рис. 11.33. Оттаивание мерзлого грунта с помощью горячих газов, пара, воды

и электроэнергии:

а — огневым способом; б — горизонтальными электродами; в — водяной цир­куляционной иглой; г — паровой иглой; д — схема подключения паровой иглы; е — электрической иглой; ж — электродами, при прогреве грунта сверху вниз; з — глубинными электродами, для подогрева грунта снизу вверх; 1 — камера сгорания; 2 — обсыпка грунтом; 3 — электроды; 4 — верхний слой утепления; 5 — слой опилок; б — наконечник; 7,8 — наружная и внутренняя стальные тру­бы; 9 — тройник; 10 — рукоять; 11 — паровой шланг; 12 — колпак, препятству­ющий утечке пара; 13 — труба с отверстиями; 14 — паровая игла; 15 — паропро­вод; 16 — паровой вентиль; 17 — электронагревательная нихромовая спираль; 18— кварцевый песок; 19— стальная труба; 20— магнезия; 21 — мерзлый грунт; 22 — снежный покров; 23 — незамерзший грунт

366

Рис. 11.34. Рыхление мерзлых грунтов при устройстве котлованов:

а — взрывным способом; б — то же, механическим мелкоблочным; в — крупно­блочным с удалением блоков бульдозерами; г — то же, с погрузкой блоков кра­ном на самосвалы; 1 — самосвал; 2 — экскаватор с прямой лопатой для погрузки мерзлого грунта; 3 — бульдозер; 4 — экскаватор для разработки немерзлого грунта; 5 — буровые станки; 6 — мерзлый грунт, нарезанный на блоки; 7 — та­лый грунт; В — трактор (тягач); 9 — баровая машина; 10 — стоянка крана; 11 — клещевой (фрикционный) захват; 72 — кран; ИИ — захватки

При небольшой глубине промерзания грунта его рыхлят трактор­ными рыхлителями продольными проходками под углом 60°. Разрых­ленный грунт перемещают бульдозером в торец котлована и экскава­тором грузят на самосвалы.

При большой глубине промерзания часто практикуют блочные методы разработки мерзлых грунтов. Обычно используют мелко- и крупноблочные методы разработки грунтов. Мелкоблочный метод (рис. 11.34, б) применяют при рытье небольших котлованов и траншей пи глубине промерзания 0,6-1,4 м. Продольными и поперечными прорезями дискофрезерной машины или барами разрезают мерзлый слой на блоки размером от 0,6^х 0,8 до 1 * 1,1 м, а затем экскаватором с прямой лопатой (вместимость ковша 0,65-1 м³) грузят мерзлые бло­ки и разрабатывают талый грунт. Крупноблочный метод используют

367

при разработке котлованов вблизи зданий или сооружений, когда не допускают сотрясения грунта неизбежные при ударном и виброудар­ном рыхлении. Мерзлые грунты нарезают на блоки массой 4-10 т с последующим удалением их из забоя бульдозерами (рис. 11.34, в), кра­нами (рис. 11.34, г) или электролебедками. При использовании кранов блоки отрывают и отодвигают от талого основания бульдозерами, а затем с помощью клещевого захвата грузят на самосвалы со снятым задним бортом (рис. 11.34, г). Выемки при этом разбивают на две зах­ватки: на первой нарезают блоки, а на второй их краном удаляют и подчищают основание.

Способы разработки траншей в зимнее время следующие: разработка траншеи в задел; с предохранением грунта от промерзания; без пред­варительной подготовки; с предварительным рыхлением. Разработ­ку траншей в задел (т.е. заблаговременно) на полный профиль про­изводят в осенний период до наступления морозов. Траншеи без предварительной подготовки разрабатывают в тех случаях, когда име­ются необходимые технические условия. В стране создано несколь­ко типов экскаваторов, приспособленных для разработки траншей в мерзлых грунтах. Они оснащены специальным режущим инструмен­том в виде клыков, зубьев или коронок со вставками из твердого сплава, укрепляемых на ковшах экскаваторного ротора. При глуби­не промерзания до 0,3 м траншеи можно разрабатывать одноковшо­выми экскаваторами, а в грунтах с глубиной промерзания до 1,5 м их на полный профиль можно отрывать роторными экскаваторами.

Способ разработки траншеи с предварительным рыхлением грунта взрывным или механическим способом применяют при промерзании грунта на глубину более 0,4 м. Рыхление производят шпуровыми за­рядами или с помощью рыхлителей.

Темпы ведения земляных работ при рытье траншей в зимнее вре­мя необходимо строго согласовывать с темпами изоляционно-укладоч­ных работ на трубопроводе, так как при опережении земляных работ даже на 2—3 дня возникает опасность смерзания отвала грунта.

При разработке траншей в мерзлых грунтах чаще всего использу­ется несколько типов машин, каждая из которых подготовляет фронт работ для машин, выполняющих последующие операции. При глубине промерзания до 1,3 м траншеи, неширокие котлованы (до 8 м), мож­но разработать обратными лопатами с ковшом вместимостью 0,65 м³ и выше при предварительном нарезании прорезей через 0,4—0,5 м ба-ровой машиной. Причем при ширине траншей до 2 м достаточно сде­лать продольные прорези вдоль траншей (рис. 11.35, а), а при шири­не более 2 м делают и поперечные прорези под углом 30°, нарезая при

368

этом блоки в виде ромбов (рис. 11.35, б). Широкие траншеи или кот­лованы (шириной до 8 м) разрабатывают двумя торцовыми проходка­ми экскаватора (рис. 11.35, в). При разработке широких траншей для прокладки коллекторов в мерзлых грунтах при значительной глуби­не промерзания обычно применяют баровые машины, экскаваторы с клинмолотом и экскаваторы с обратной лопатой, как это показано на примере отрывки траншеи шириной поверху 6 и понизу 4 м и глу­биной 4 м при глубине промерзания грунта 1,7 м (рис. 11.35, г). При­мер разработки траншеи прямоугольного сечения шириной 3 и глу­биной 2,7 м в грунт с промерзанием 2,1 м приведен на рис. 11.35, д. Засыпка траншей с трубопроводами в зимних условиях. Если стро­ительство трубопроводов осуществляется поточно-совмещенным методом (трубопровод укладывается в траншею непосредственно после ее разработки), обратную засыпку его талым грунтом осуществ­ляют бульдозером, как и в обычных условиях. В случае смерзания грунта в отвале, например при нарушении поточности, трубопровод в траншее во избежание повреждения изоляции присыпают на высоту не менее 0,2 м выше трубы талым грунтом. Дальнейшую засыпку тру­бопровода мерзлым грунтом, не содержащим комьев более 5-10 см, выполняют бульдозерами.