Тема 15. Виробництво земляних робіт в зимових умовах

15.1.Зземляні роботи в зимових умовах
15.2. Попередження промерзання ґрунтів
15.3. Способи відтаювання мерзлих ґрунтів
15.4. Способи розпушування мерзлих ґрунтів
 

15.1.Зземляні роботи в зимових умовах

Мерзлий ґрунт в силу своєї підвищеної механічної міцності, що збільшуються з пониженням температур ускладнює виробництво земляних робіт в зимніх умовах та обмежує можливість застосування землерийних і землерийно-транспортних машин. У зв’язку з цим в зимових умовах збільшуються затрати праці, енергії та палива, що значно здорожує даний вид робіт

Глибина та швидкість промерзання ґрунту залежать від: значення та тривалості впливу від’ємних температур, виду та властивостей ґрунту, сили вітру, товщини снігового покрову, вологості ґрунту.

Зі зниженням t механічна міцність ґрунту, а також питомий опір різанню та копанню різко зростають (у 5...8 разів). У зв'язку з тим, що температура мерзлого ґрунту змінюється по глибині мерзлого шару, змінюються відповідно і характеристики міцності ґрунту: найбільші значення питомого опору копанню перебувають у верхній частині мерзлого шару, найменші – на межі мерзлого та немерзлого ґрунту.

Глибину промерзання ґрунту визначають за усередненими даними спостережень метеорологічних станцій на проміжку 15-20 років в районі будівництва або (при відсутності відповідних даних) методом замірів на об’єкті. Ґрунти, що підлягають розробленню в зимовий час, доцільно оберегти від промер-зання. Якщо це неможливо зробити заздалегідь, то мерзлий грунт розморожують  або розрихлюють.

 

15.2. Попередження промерзання ґрунтів

Запобігання промерзанню ґрунтів, які підлягають розробленню взимку, здійснюється:

– зорюванням (з наступним боронуванням та снігозатриманням);

– глибоким розпушуванням;

– утепленням теплоізоляційними матеріалами.

Ці заходи здійснюють пізно восени, до початку заморозків, а щодо траншей та котлованів – негайно після видалення з них ґрунту.

Зорювання та снігозатримання як запобігання промерзанню ґрунтів застосовують для утеплення ділянок ґрунту, що підлягають розробленню у першій третині зими. Для зорювання верхнього шару землі використовують плуги та статичні розпушувачі. Для снігозатримання – щитові загорожі чи снігові вали в кілька рядів.

Глибоке розпушування (до 1,3... 1,5 м) виконують екскаваторами. Гребінчаста поверхня, що утворю­ється в процесі розпушування, затримує сніг, який, у свою чергу, сприяє збереженню ґрунту від промерзання. Взимку мерзла кірка розпушеного ґрунту легко розбивається екскаватором. Глибоке розпушування рекомендується для малозв'язних (супісків) та гравелистих ґрунтів на ділянках, призначених для розроблення в останню третину зими.

Утепленням теплоізоляційними матеріалами використовують для вберігання невеликих поверхонь ґрунту в місцевості з помірними морозами від промерзання з застосуванням тирси, соломи, сіна, шлаку, листя, піни з полімерних матеріалів тощо), а також хімічною обробкою ґрунту (покривають хлористими солями). Площа утепленого ґрунту, що підлягає розробленню у різні місяці зими, повинна мати різну товщину шару утеплювальних матеріалів, яка визначається розрахунками за відповідними формулами.

Для вибору необхідного методу збереження ґрунту від промерзання потрібно наперед точно місце знати розміщення майбутнього будівельного майданчика.

 

15.3. Способи відтаювання мерзлих ґрунтів

Розморожування мерзлих ґрунтів застосовують при незначних обсягах робіт: копанні невеликих котлованів, ділянок траншей, вводів поблизу підземних споруд, трубопроводів та кабелів, у важкодоступних місцях та стиснених умовах, необхідності розморожування шару ґрунту під час виконання аварійних ремонтних робіт.

Для розморожування мерзлих ґрунтів використовують в основному рідке та тверде паливо, пару, гарячу воду та електроенергію. Одержана від будь-якого джерела теплота може поширюватися:

1) зверху вниз від нагрівача, розміщеного на поверхні ґрунту (поверхневе розморожування);

2) по радіусу від нагрівача, розміщеного в шпурі у мерзлому шарі ґрунту (радіальне розморожування);

3) до поверхні ґрунту від нагрівача, розміщеного нижче шару мерзлого ґрунту (глибинне розмо­рожування).

Розморожування грунту твердим та рідким паливом – найбільш простий, але малоефективний спосіб, який полягає у підігріванні ґрунту спалюванням під металевими коробами торфу, кам'яного вугіл­ля, трісок. Режим процесу розморожування ґрунту складається із впливу теплоти на ґрунт протягом 7...8 год та періоду акумуляції теплоти протягом 16...18 год. На 1 м³ розмороженого ґрунту витрати торфу становлять приблизно 120...140 кг, вугілля – 30...60 кг, дров – 0,15 м³.

Розморожування ґрунту паровими, водними та електричними голками є прогресивніше. Джерело теплоти – стаціонарні чи пересувні установки. У заздалегідь пробурені шпури (свердловини) на глибину, яка не досягає талого ґрунту на 10... 12 см, встановлюють електричні голки: при розробленні невеликих котлованів – у центрі кожного котловану, при розробленні вузьких траншей – по осі на відстані 1 м одна від одної, широких траншей – у шаховому порядку на відстані, що дорівнює глибині промерзання, при розробленні великих котлованів – у шаховому порядку на відстані 1...1,5м. Електричні голки вмикають у мережу змінного струму напругою 220В послідовно групами.

Розморожування мерзлих ґрунтів можна здійснювати за допомогою глибинних електродів, виготовлених з круглої арматурної сталі діаметром 16...20 мм чи труб діаметром 25...50 мм із заго­стреним одним кінцем. Електроди вставляють у пробурені свердловини або забивають відбійними пневматичними чи електричними молотками на глибину 5...10 см нижче мерзлого шару. Електричний струм, пройшовши по талому ґрунту під мерзлим шаром, виділяє теплоту, яка акумулюється і розморожує шари мерзлого ґрунту, що лежать вище.

Трубчасті нагрівачі (ТЕНи) та коаксіальні нагрівачі звичайно використовують під час радіального розморожування. ТЕНи виготовляють зі сталевих безшовних трубок, усередині яких міститься спіраль із ніхромового дроту. Простір між трубкою та спіраллю заповнюють пресованим периклазом, який має високу теплопровідність. ТЕНи відрізняються простотою конструкції та швидкістю розморожування ґрунту, але під час їхнього використання треба закривати поверхню.

Коаксіальні нагрівачі складаються з двох труб, розташованих співвісно одна в одній та заварених з одного кінця. Проміжок між трубами заповнюють кварцевим або річним просушеним піском та заливають рідким склом. Напруга до труб підводиться через контактні пластини. Коаксіальні нагрівачі конструктивно прості, безпечні та прості в експлуатації, але швидкість та радіус розморожування ґрунту менші, ніж у ТЕНів.

Розморожування слід чергувати з термосним витримуванням. Зокрема, термін першого періоду прогрівання становить 6...12 год, час термосного витримування – 3...6 год. Такий цикл (прогрівання та термос) залежно від глибини промерзання та фізико-механічних властивостей ґрунту повторюють 2-3 три рази.

15.4. Способи розпушування мерзлих ґрунтів

Для розпушування мерзлого ґрунту механічним способом використовують:

·           при розробленні котлованів – машини ударної дії (динамічні розпушувачі), навісні (статичні) розпушувачі та землерийно-фрезерні машини (пошарове розроблення), барові машини для нарізання мерзлих ґрунтів на блоки;

·           при розробленні траншей - машини ударної дії, дискові екскаватори та фрезерні машини, барові машини, роторні та ланцюгові екскаватори зі спеціальним робочим обладнанням;

·           при вертикальн плануванні майданчиків – навісні (статичні) розпушувачі, машини ударної дії;

·           при незначних обсягах – змінне робоче обладнання на гідравлічних екскаваторах (пневмомолоти);

Розроблення мерзлих грунтів машинами ударної дії. Ґрунт розпушують дизель-молотом із клином, закріпленим на екскаваторі, з подальшим розробленням ґрунту екскаватором, оснащеним прямою чи зворотною лопатою.

Розроблення мерзлих ґрунтів статичними розпушувачами. В останні роки почали широко застосовувати змінне навісне обладнання (екскаваторні розпушувачі мерзлого ґрунту однобічної та двобічної дії). Ці гідравлічні механізми захоплювально-кліщового типу статичної дії, які вперше в практиці виконання земляних робіт дали змогу сумістити операції розпушування мерзлого ґрунту зі звичайною екскавацією. Відсутність ударно-динамічного впливу на ґрунт дало можливість використати екскаватори з навісним обладнанням у різних умовах, у тому числі стиснених (поблизу діючих підземних комунікацій і т. ін.). Крім того, це навісне обладнання можна застосовувати для руйнування бетонних конструкцій та асфальтових шляхових покриттів, виконання вантажно-розвантажувальних робіт тощо.

Блокові способи розроблення мерзлих ґрунтів полягають у тому, що монолітність мерзлого ґрунту порушується за допомогою нарізання його на блоки (смуги) землерийними машинами чи тракторами, осна­щеними дисковими пилками чи барами. Використовують два види блокового розроблення мерзлих ґрунтів.

Дрібноблоковим способом доцільно розробляти невеликі котловани та траншеї; його використовують у стиснених умовах із завантаженням ґрунту екскаваторами в автотранспорт чи укладанням у відвал.

Великоблоковий спосіб розроблення мерзлих ґрунтів рекомендується для влаштування невеликих котлованів, а також поблизу споруд, коли недопустиме двигтіння ґрунту, що неминуче в процесі ударного та віброударного розпушування мерзлого ґрунту. Блоки масою 4... 10 т бульдозерами відриваються та зсовуються від талої основи. Потім вони завантажуються кранами в автосамоскиди. Від основи блоки можна відривати через кілька змін після нарізання щілин, доки не відбулося змерзання розриву між блоками. Видаляти блоки можна краном за допомогою фрикційного (кліщового) захоплювача. Виїмки поділяють на дві захватки. На першій нарізають щілини баровою машиною, на другій – видаляють краном блоки та підчищають бульдозером основу.

Розпушування мерзлих ґрунтів вибухом здійснюють при глибині промерзанні ґрунту понад 1 м. Спочатку розробляються (за допомогою буріння) щілини або шпури для закладання зарядів. Заряди розміщують в основах щілин (шпурів), які потім з допомогою бульдозера засипають ґрунтом. Проміжні та крайні щілини залишаються незарядженими і служать для компенсації та посилення сили вибуху понижуючи сейсмічний ефект. При вибуху мерзлий ґрунт повністю подрібнюється, не пошкоджуючи при цьому стінок котловану чи траншеї.