Возведение земляных сооружений при отрицательных температурах

В естественном состоянии любые грунты I–IV групп имеют определенную влажность. При замерзании воды прочность грунта существенно возрастает (больше у глинистых грунтов, меньше у песчаных). Грунты переходят в категорию мёрзлых; для их успешной разработки требуются дополнительные затраты и специальные технологии. В настоящее время в зависимости от вида земляного сооружения, его объема, рода грунтов и заданных ограничений (по сроку или по стоимости) применяют следующие технологии (мероприятия).

а) Организационные меры. Планирование разработки глинистых грунтов в теплое время года, песчаных – в холодное время года.

б) Предотвращение замерзания. Эти мероприятия позволяют исключить из технологического цикла трудоемкие процессы рыхления или оттаивания мерзлых грунтов, требующих к тому же больших затрат ресурсов. Однако организационно использование способов предохранения от замерзания не всегда возможно, т. к. в большинстве случаев площадка под строительство освобождается лишь к началу земляных работ.

Для предотвращения замерзания используются следующие способы:

- вспашка участка на глубину 200–400 мм, что задерживает замерзание грунта на 10–15 дней;
- устройство на участке снегозадержания. Слой снега толщиной 0,5–0,7 м ограничивает общую глубину промерзания до 0,5–0,8 м;
- укрытие грунта теплоизолирующими материалами: шлак, керамзит, опилки. Толщина слоя – по расчету для заданных условий. При небольших объемах используется вспененный и залитый на месте слой пенопласта;
- укрытие грунта полиэтиленовыми пленками, что препятствует выходу теплого воздуха из талого грунта. Задерживает замерзание грунта на 2–3 недели;
- предотвращение замерзания грунта путем рассыпки соли или разлива солевого раствора (NaCl, СаCl2) по поверхности. Операцию проводят для песчаных грунтов за 5–10 суток до наступления морозов, для глинистых – за 20–40 суток.

в) Подготовка мерзлого грунта к разработке.

1. Рыхление.

• Механическое:

- рыхление прицепным рыхлителем на базе трактора (рис. 2.58); толщина слоя до 0,4 м;

- рыхление грунта рыхлителем, установленным на стреле экскаватора (рис. 2.59); толщина слоя до 0,8 м;

- рыхление гидромолотом, подвешенным на стреле экскаватора. Глубина рыхления до 0,5–0,9 м (рис. 2.60);

- рыхление крупным сколом. Применяется навесное оборудование ударного действия на базе трактора (рис. 2.61, 6) или экскаватора в виде механического (свободно падающего клина массой 1–3 т) или дизель–клина (клин погружается дизель–молотом). Рыхление ведется сразу на всю глубину мерзлого слоя грунта (рис. 2.61, а) путем откола крупных кусков без их разрыхления. Этим значительно сокращаются затраты, т.к. не весь объем грунта выемки разрыхляется.

• Взрывом:

- взрыв на дробление (рис. 2.62). Рыхление ведется на всю глубину мерзлого слоя. Используются шпуровые заряды ВВ, располагаемые на расчетном расстоянии друг от друга в шахматном порядке. Для предотвращения разлета кусков грунта используются передвижные защитные экраны, устанавливаемые над местом взрывов (рис. 2.62);

- при больших объемах работ используют щелевые заряды ВВ, закладываемые в щели, нарезанные в грунте дискофрезерными или баровыми машинами. Расстояние между щелями зависит от рода грунта и толщины мерзлого слоя. Работы ведутся дроблением участков грунта или отколом этих участков целыми фрагментами (рис. 2.63).

2. Нарезка грунта на блоки выполняется дискофрезерными или баровыми машинами (рис. 2.64). Используются также цепные пилы, навешенные на экскаватор (рис. 2.65). Баровая машина – это многоковшовый цепной экскаватор с шириной ковша 150–300 мм (вместо обычных землеройных ковшей шириной 600–800 мм). За счет малой ширины ковша развивается большое усилие и такие механизмы способны разрабатывать мерзлые грунты V–VI групп. Ширина грунтовой щели от дискофрезерных машин составляет 60–100 мм; цепной пилы - 80-150 мм.

Нарезанные блоки мерзлого грунта грузят в самосвал при помощи экскаватора с прямой лопатой или с клещевым захватом (рис. 2.66)

Рис. 2.58. Навесной рыхлитель ДП-9С на базе трактора ДЭТ-250М: 1 – гидроцилиндр; 2 – рама верхняя; 3 – рабочая балка; 4 – рама нижняя; 5 – зуб рыхлителя; 6 – отвал

Рис. 2.59. Рыхлитель: а – на базе механического экскаватора; б – на базе гидравлического экскаватора

Рис. 2.60. Схема разработки траншеи с рыхлением мерзлого грунта гидромолотом: 1 – разрабатываемая траншея; 2 – зона разрыхленного грунта; 3 – экскаватор ЭО-4121 со стандартным ковшом; 4 – экскаватор ЭО-4121 с гидравлическим молотом СП-62

Рис. 2.61. Рыхление грунта крупным сколом: а – дизель-клин на базе экскаватора; б – механический клин на базе трактора

Рис. 2.62. Локализатор взрыва передвижной

Рис. 2.63. Схемы щелевзрывного способа рыхления мерзлых грунтов: а – двухщелевая; б – трехщелевая: 1 – компенсирующая щель; 2 – зарядная щель; 3 – граница промерзания грунта; 4 – забойка; 5 – заряды ВВ

Рис. 2.64. Бара на базе трактора Т-100; Рис. 2.65. Двухдисковая фрезерная машина

Рис. 2.66. Схема блочной разработки грунта: а – нарезка щелей баровой машиной; б – метод разработки котлована с извлечением блоков из забоя строительным краном; в – то же, с извлечением блоков трактором; 1 – мерзлый слой грунта; 2 – баровая машина; 3 – направление движения бара; 4 – щели в мерзлом грунте; 5 – нарезанные блоки; 6 – удаляемые блоки; 7 – стоянка крана; 8 – транспортное средство; 9 – клещевой захват; 10 – строительный кран; 11 – трактор

3. Ручное рыхление применяется при малых объемах; при малой толщине мерзлого слоя грунта (до 0,5 м); в стесненных условиях. При работе используются пневматические (отбойные) молотки, электромолотки, бетоноломы.

4. Оттаивание замерзшего грунта.

• Поверхностное оттаивание (при малой толщине слоя):

- огневой способ - отогрев грунта путем сжигания угля, солярки, газа в стальных коробах, утепленных снаружи грунтом. Процесс оттаивания грунта включает время огневого воздействия 6–8 часов и время аккумуляции 16–18 часов, при этом грунт оттаивает на 0,5–0,8 м (рис. 2.67);

- укладка на поверхность грунта системы труб (регистры), по которым циркулирует теплоноситель (вода t = 80°С, пар), при этом грунт оттаивает на глубину 0,3–0,5 м.

• Глубинное оттаивание:

- при небольших размерах сооружения и значительной толщине мерзлого слоя грунта оттаивание ведут водяными или паровыми иглами на всю глубину промерзания. Игла – это труба диаметром 30–90 мм, внедренная в мерзлый грунт. В иглы под давлением подают теплоноситель (пар или горячую воду). В паровой игле пар через множество отверстий в стенках труб выходит в грунт и оттаивает его. Время оттаивания 5–20 часов. В водяной игле вода с температурой t = 70–80°С циркулирует внутри двух труб, вставленных одна в другую. Время оттаивания составляет 10–30 часов (рис. 2.68);

- при больших участках оттаивание возможно с применением солевых растворов (NaCl, СаCl2), нагнетаемых в такие же иглы. Время оттаивания составляет 5–10 суток. Возможен простой залив участка солевым раствором, но в этом случае время оттаивания увеличивается до 1–2 месяцев (рис. 2.69). 

Следует отметить, что вынутый засоленный грунт нельзя использовать в строительстве, и он подлежит вывозу на свалку.

В начале зимнего периода при небольшой глубине промерзания (0,3–0,4 м) разработка ведется без рыхления мощными экскаваторами с ковшом «прямая лопата» объемом 0,65; 0,8; 1,0 м3 путем «поддевания» мерзлого слоя снизу и его отламывания.

Рис. 2.67. Огневое оттаивание грунта: 1 – секционный короб; 2 – бак с топливом; 3 – форсунка; 4 – утеплитель

Рис. 2.68. Оттаивание грунта паром: а – общая схема; б – паровая игла: 1 – паропровод; 2 – паровой вентиль; 3 – колпак; 4 – пробуренная скважина; 5 – паровая игла; 6 – наконечник

Рис. 2.69. Химическое оттаивание грунта: а – подача раствора в скважины; б – розлив раствора: 1– очистка снега бульдозером; 2 – буровая установка; 3 – инъецирование раствора в скважины; 4 – поверхностный розлив раствора; 5 – поверхностный розлив раствора специальной установкой; 6 – разработка экскаватором

Рис. 2.70. Разработка мерзлого грунта экскаватором, оборудованным ковшом с захватно-клещевым устройством: 1 – ковш; 2 – самосвал; 3 – захватно-клещевое устройство

Рис. 2.71. Фреза для разработки мерзлых грунтов

Источник: Технология строительных процессов. Снарский В.И.