Производство земляных работ в зимних условиях
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 м3 и более.
Без предварительной подготовки и рыхления грунт можно разрабатывать экскаватором с прямой и обратной лопатой с вместимостью ковша 0,5-0,65 м3 при толщине мерзлого слоя до 0,25 м и 1-1,25 м3 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 м3.
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/м3. Радиус оттаивания трубчатыми электронагревателями 0,6-0,8 м, продолжительность 12-14 ч, глубина 2,5 м, энергоемкость 14-16 кВт-ч/м3.
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/м3. 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/м3. 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 м3 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.
| << ПРЕДЫДУЩАЯ ГЛАВА Разработка грунта землеройно-транспортными машинами | СЛЕДУЮЩАЯ ГЛАВА >> Техника безопасности при земляных работах | |
| << Содержание >> | ||