Строительство

Технология строительного производства

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Значительная часть территории Советского Союза расположена в зонах с продолжительной и суровой зимой. Однако строительство здесь ведется круглый год, в связи с чем примерно 15... 18% общего объема земляных работ приходится выполнять при мерзлом   состоянии   грунта.

При замерзании грунта механическая прочность его значительно возрастает и затраты машинного времени на его разработку увеличиваются в несколько раз, что приводит к удорожанию работ. В то же время временные выемки в мерзлом грунте можно разрабатывать без откосов; даже при наличии водонасыщенных слабых грунтов нет необходимости в устройстве шпунтовых ограждений и водоотливе. Таким образом, общее удорожание земляных работ, выполняемых в мерзлых грунтах, может быть   не   таким   уж   значительным.

Вопрос, при каком состоянии грунта — талом или мерзлом — следует разрабатывать данную выемку решается в каждом отдельном случае с учетом всех конкретных местных условий, а именно климатических, мерзлотно-грунтовых и гидрогеологических, вида производимых земляных работ, увязки по срокам с другими строительными работами и др. Разрабатываемый мерзлый грунт состоит из отдельных комьев, образует много пустот и плохо поддается уплотнению. Поэтому применять его для устройства насыпей, как правило, не рекомендуется. Иногда грунт укладывают во временные отвалы, расположенные вблизи от проектируемой насыпи. В этих отвалах грунт оттаивает, после чего его укладывают в насыпь, что также повышает трудоемкость и стоимость работы по возведению такого сооружения.

В районах, где грунты находятся в талом состоянии большую

часть года, наиболее целесообразно вести земляные   работы   при:

талом состоянии грунта (за исключением грунтов, сильно «асыщен- 

шых водой, неустойчивых — плывунов и т.   п.).          

В северо-восточной части нашей страны, где расположена зона вечномерзлых грунтов, находящихся в талом на поверхности   состоянии лишь меньшую часть   года,    необходимо    разрабатывать грунты в мерзлом   состоянии.

Эффективность разработки грунтов зимой в значительной степе-

ни зависит от правильного выбора способа   разработки,   который  

определяется объемом ра_бот, местными  метеорологическими, ги-

дрогеологическими условиями, наличием   необходимых   машин   и

механизмов,  энергоресурсов.   Окончательно тот или иной   способ

разработки грунта может быть выбран только при сравнении раз-

личных вариантов разработки их и   основных   технико-э коном иче-

ских  показателей.

Земляные работы зимой осуществляют следующими тремя   ме-

тодами. При первом    методе   предусматривают   предварительную

подготовку грунтов с последующей их разработкой обычными ме-

тодами; при втором — мерзлые грунты нарезают предварительно на

«блоки; при третьем методе грунты разрабатывают без их предвари-

тельной  подготовки.

Предварительная подготовка грунта для разработки зимой заг

«лючается в предохранении его от промерзания, оттаивании мерз-

лого грунта, предварительном рыхлении мерзлого грунта.

Предохранение грунта от промерзания. Известно, что наличие,

ла дневной поверхности термоизоляционного слоя уменьшает   как

период, так и глубину промерзания. После отвода   поверхностных

вод можно устроить термоизоляционный слой одним из следующих

способов.

Рыхление грунта. При вспахивании и   бороновании   грунта   на

участке, предназначенном для разработки зимой, его верхний слои  

приобретает рыхлую структуру с замкнутыми пустотами, заполнен-

ными воздухом, обладающую достаточными термоизоляционными

свойствами. Вспашку ведут тракторными плугами или рыхлителя

ми на глубину 20...35 см с последующим боронованием на глубину

15...20 см в одном направлении  (или в    перекрестных   направле-

ниях), что повышает термоизоляционный эффект на 18...30%.

При 80..Л 10°С/дн толщина мерзлого слоя составляет   5    см

при 550...650°С/дн— 40см. Снеговой покров на утепляемой площа

ди можно искусственно   увеличить,   сгребая   снег   бульдозерами, 

автогрейдерами или путем   снегозадержания   с   помощью   щитов.

Чаще всего механическое рыхление применяют для утепления значительных   по  площади участков.

Защита поверхности грунта термоизоляционными материалами. Утепляющий слой может быть также выполнен из дешевых местных материалов: древесных листьев, сухого мха, торфяной мелочи, соломенных матов, шлака, стружек и опилок, укладываемых слоем 20 .40 см непосредственно по грунту. В условиях средней полосы европейской части СССР слой опилок толщиной 45 см может предохранить грунт от промерзания до середины февраля. Поверхностное утепление грунта применяют в основном для небольших по площади  выемок.

Пропитку грунта солевыми растворами ведут следующим образом. На поверхности песчаного и супесчаного грунта рассыпают заданное количество соли (хлористого кальция 0,5 кг/м2, хлористого натрия 1 кг/м2), после чего грунт вспахивают. В грунтах с низкой фильтрующей способностью (глины, тяжелые суглинки) пробуривают скважины, в которые под давлением нагнетают раствор соли. Из-за высокой трудоемкости и стоимости таких работ они являются, как правило, недостаточно эффективными.

Способы оттаивания мерзлого.грунта можно классифицировать как по направлению распространения тепла в грунте, так и по применяемому виду теплоносителя.

По первому признаку можно выделить следующие три способа оттаивания   грунта.

Оттаивание грунта сверху вниз. Этот способ — наименее эффективный, так как источник тепла в этом случае размещается в зоне холодного воздуха, что вызывает большие потери тепла. В то же время этот способ достаточно легко и просто осуществить, он требует минимальных подготовительных работ, в связи с чем часто применяется  на  практике.

Оттаивание грунта снизу вверх требует минимального расхода энергии, так как оно происходит под защитой льдоземляной корки и теплопотери при этом практически исключаются. Главный недостаток этого способа — необходимость выполнения трудоемких подготовительных операций, что ограничивает область его применения.

При оттаивании грунта по радиальному направлению тепло распространяется в грунте радиально от вертикально установленных прогревающих элементов, погруженных в грунт. Этот способ по экономическим показателям занимает промежуточное положение между двумя ранее описанными, а для своего осуществления требует также  значительных  подготовительных  работ.

По виду теплоносителя различают следующие способы оттаивания  мерзлых  грунтов.

Огневой способ. Для отрывки зимой небольших траншей применяют установку (), состоящую из ряда металлических коробов в форме разрезанных по продольной оси усеченных конусов, из которих собирают сплошную галерею. Первый из коробов представляет собой камеру сгорания, в которой сжигают твердое или жидкое топливо. Вытяжная труба последнего короба обеспечивает тягу, благодаря которой продукты сгорания проходят вдоль галереи и прогревают расположенный под ней грунт. Для уменьшения теплопотерь галерею обсыпают слоем талого грунта или шлака. Полосу оттаявшего грунта засыпают опилками, а дальнейшее оттаивание вглубь продолжается за счет аккумулированного  в грунте тепла.

Оттаивание в тепляках и отражательными печами. Тепляки — это открытые снизу короба с утепленными стенками и крышей, внутри которых размещают спирали накаливания, водяные или паровые батареи,  подвешенные  к крышке  короба.

Отражательные печи имеют сверху криволинейную поверхность. в фокусе которой располагается спираль накаливания или излучатель инфракрасных лучей, при этом энергия расходуется более экономично, а оттаивание грунта происходит более интенсивно. Тепляки и отражательние печи питаются от электросети 220 или' 380 В. Расход энергии на 1 м3 оттаянного грунта (в зависимости от его вида, влажности и температуры) колеблется в пределах 100...300 МДж, при этом внутри тепляка поддерживается температура 50...60°С.

При   оттаивании   грунта   горизонтальными    электродами    по поверхности грунта укладывают электроды из полосовой или круглой стали, концы которых отгибают на 15...20 см для подключения к проводам (). Поверхность отогреваемого участка' покрывают слоем опилок толщиной 15...20 см, (который смачивают солевым раствором с концентрацией 0,2...0,5% с таким расчетом, чтобы масса раствора была не менее массы опилок. Вначале смоченные опилки представляют собой токопроводящие элементы, так как замерзающий грунт не является проводником. Под воздействием тепла, генерируемого в слое опилок, оттаивает верхний слой грунта, который превращается в проводник тока от электрода к электроду. После этого под воздействием тепла начинает оттаивать верхний слой грунта, а затем — нижние слои. В дальнейшем опилочный слой защищает отогреваемый участок от потерь тепла в атмосферу, для чего слой опилок покрывают толем или щитами.

Этот способ используют при глубине промерзания грунта до 0,7 м, расход электроэнергии на отогрев 1 м3 грунта колеблется от 150 до 300 МДж, температура в опилках не превышает 80... 90 °С.

Оттаивание грунта вертикальными электродами. Электроды представляют собой стержни из арматурной стали с заостренными нижними концами. При глубине промерзания более 0,7 м их забивают в грунт в шахматном порядке на глубину 20 ...25 см, а по мере оттаивания верхних слоев грунта погружают на большую глубину. При оттаивании сверху вниз необходимо систематически убирать снег и устраивать опилочную засыпку, увлажненную солевым раствором. Режим прогрева при стержневых электродах такой же, как и при полосовых, причем во время отключения электроэнергии электроды следует дополнительно заглублять на 1,3... 1,5 м. После отключения электроэнергии в течение 1 ... 2 сут глубина оттаивания продолжает увеличиваться за счет аккумулированного в грунте тепла под защитой опилочного слоя. Расход энергии при этом способе несколько ниже, чем при способе горизонтальных электродов.

Применяя прогрев снизу вверх, до начала прогрева необходимо бурить скважины в шахматном порядке на глубину, превышающую на 15...20 см толщину мерзлого грунта () Расход энергии при отогреве грунта снизу вверх существенно снижается (50... 150 МДж на 1 м3), применять слой опилок не требуется. При заглублении стержневых электродов в подстилающий талый' грунт и одновременном устройстве на дневной поверхности опиленной засыпки, пропитанной солевым раствором, оттаивание происходит сверху вниз и снизу вверх. При этом трудоемкость подготовительных работ значительно выше, чем в первых двух вариантах. Применяют этот способ, только когда необходимо экстренно оттаять грунт.

Оттаивание грунта сверху вниз с помощью паровых или водяных регистров. Регистры укладывают непосредственно на расчищенную от снега поверхность отогреваемого участка и закрывают теплоизоляционным слоем из опилок, песка или талого грунта для уменьшения теплопотерь в пространстве. Регистрами оттаивают грунт при толщине мерзлой корки до 0,8 м. Этот способ целесообразен при наличии источников пара или горячей воды, так как монтаж для этой цели специальной котельной установки обычно оказывается  слишком   дорогим.

Оттаивание грунта паровыми иглами является один из эффективных средств, но вызывает излишнее увлажнение грунта и повышенный расход тепла. Паровая игла — это металлическая труба длиной 1,5... 2 м, диаметром 25...50 мм. На нижнюю часть трубы насажен наконечник с отверстиями диаметром 2...3 мм. Иглы соединяют с паропроводом гибкими резиновыми рукавами с кранами (см.  V.38,6). Иглы заглубляют в скважины, предварительно пробуренные на глубину 0,7 глубины оттаивания. Скважины закрывают защитными колпаками из дерева, обшитого кровельной сталью с отверстием, снабженным сальником для пропуска паровой иглы. Пар подают под давлением 0,06... 0,07 МПа. После установки аккумулирующих колпаков прогреваемую поверхность покрывают слоем термоизолирующего материала (например, опилок). Для экономии пара режим прогрева иглами должен быть прерывистым (например, 1 ч — подача пара, 1 ч —перерыв) с поочередной подачей пара в паралельные группы игл. Иглы располагают в шахматном порядке с расстоянием между их центрами 1 ... 1,5 м. Расход пара на 1 м3 грунта 50... 100 кг. Этот способ требует большего расхода тепла, чем способ глубинных электродов, примерно  в   2  раза.

При оттаивании грунта водяными циркуляционными иглами в качестве теплоносителя используют воду, нагретую до 50...60°С и циркулирующую по замкнутой системе «котел — разводящие трубы—водяные иглы — обратные трубы,—котел». Такая схема обеспечивает наиболее полное использование тепловой энергии., Иглы устанавливают в пробуренные для них скважины. Водяная игла состоит из двух коаксиальных труб, из которых внутренняя имеет внизу открытый, а наружная — заостренный концы. Горячая вода входит в иглу по внутренней трубе, а через нижнее ее отверстие поступает в наружную трубу, по которой поднимается к выходному патрубку, откуда по соединительной трубе идет к следующей игле. Иглы соединяют последовательно по нескольку штук в группы, которые включают параллельно между разводящими и обратными   трубопроводами.

Оттаивание грунта иглами, в которых циркулирует горячая вода, происходит значительно медленнее, чем вокруг паровых игл. После беспрерывной работы водяных игл в течение 1,5... 2,5 сут их извлекают из грунта, поверхность его утепляют, после чего в течение 1 ... 1,5 сут происходит расширение талых зон за счет аккумулированного тепла. Иглы располагают в шахматном порядке на расстоянии 0,75... 1,25 м между собой и применяют при глубинах промерзания от 1   ми более.

Оттаивание грунта ТЭНами (электроиглами). ТЭНы представляют собой стальные трубы длиной около 1 м диаметром до 50:.. 60 мм, которые вставляют в предварительно пробуренные в шахматном порядке скважины.

Внутри игл монтируют нагревательный элемент, изолированный от корпуса трубы. Пространство между нагревательным элементом и стенками иглы заполняют жидкими или твердыми материалами, которые являются диэлектриками, но в то же время хорошо передают и сохраняют тепло. Интенсивность оттаивания грунта зависит от температуры поверхности электроигл, в связи с чем наиболее экономичной является температура 60...80°С, но расход тепла при этом по сравнению с глубинными электродами выше в 1,6... ...1,8 раза.

При оттаивании грунта солевыми растворами на поверхности предварительно пробуривают скважины на глубину, подлежащую оттаиванию. Скважины диаметром 0,3...0,4 м располагают в шахматном порядке с шагом около 1 м. В них наливают подогретый до 80...100°С солевой раствор, которым скважины пополняют в течение 3...5 дней. В песчаных грунтах достаточна скважина глубиной 15...20 см, так как раствор проникает вглубь за счет дисперсности грунта. Оттаявшие таким образом грунты после их разработки вторично   не  смерзаются.

Способ послойного оттаивания вечномерзлых грунтов наиболее целесообразен в весенний период, когда для этих целей можно использовать теплый воздух окружающей атмосферы, теплые дождевые воды, солнечную радиацию. Верхний оттаивающий слой грунта можно удалять любыми землероино-транспортными или планировочными машинами (), обнажая лежащий под ним мерзлый слой, который в свою очередь оттаивает под действием перечисленных выше факторов. Грунт срезают на границе между мерзлым и талым слоями, где грунт имеет ослабленную структуру, что создает благоприятные условия для работы машин. В районах вечной мерзлоты этот способ — один из самых экономичных и распространенных для разработки грунта при планировке выемок, траншей и т. п.

Особенностью распространенных в этих районах грунтов являются их мелкозернистая структура и большая водонасыщенность, а в мерзлом состоянии — льдистость. Поэтому они имеют большую' текучесть и малую несущую способность в талом состоянии. В связи с этим процесс разработки их в мерзлом состоянии (как и всяких мерзлых грунтов) весьма трудоемок и дорог, а разрабатывать эти грунты в таком состоянии механическими средствами практически невозможно, так как землеройные машины не могут работать в таких топких грунтах. Поэтому необходимо своевременно удалять очередной Оттаявший слой грунта, так как, если он достигает толщины 40...50 см, машины начинают в нем вязнуть и производительность их   падает.

Способ послойного вымораживания водоносных грунтов   предусматривает разработку до наступления  морозов    верхнего    слоя грунта, лежащего выше горизонта грунтовых вод. Когда под    действием холодного атмосферного воздуха расчетная глубина    пр мерзания достигает 40...50 см, приступают к разработке грунта выемке в мерзлом состоянии. Разработку ведут отдельными   уч стками, между которыми оставляют перемычки из мерзлого грунта толщиной около 0,5 м на глубину около 2/з толщины промерзшего грунта. Перемычки предназначены для изоляции    отдельных   уч; стков от соседних в случае прорыва грунтовой воды. Фронт   разработки перемещается от одной секции к другой, в то время   как на уже разработанных секциях глубина промерзания   возрастает, после чего разработку их повторяют. Попеременные выморажив, ние и разработку участков повторяют до   достижения   проектного уровня, после чего защитные перемычки снимают.   Такой    способ позволяет разрабатывать при мерзлом состоянии грунта (а с вательно, без крепления и водоотлива)  выемки, значительно   превосходящие по своей   глубине   толщину   сезонного   промерзания грунта.

Предварительное рыхление мерзлого грунта средствами    малой' механизации применяют при незначительных объемах работ. При больших объемах работ целесообразно использовать механические и  мерзлоторезные машины.

Взрывной способ рыхления грунта наиболее экономичен при больших объемах работ, значительной глубине промерзания, в особенности если энергию взрыва используют не только для рыхления, но и для выброса земляных масс в отвал. Но этот способ можно применять только на участках, расположенных вдали от жилых домов и промышленных зданий. При использовании локали-заторов взрывной способ рыхления грунтов можно применять и вблизи зданий.

Механическое рыхление мерзлых грунтов применяют при отрывке небольших по объему котлованов и траншей. В этих случаях мерзлый грунт на глубину 0,5...0,7 м рыхлят клином-молотом (), подвешенным к стреле экскаватора (драглайна), — так называемое рыхление раскалыванием. При работе с таким молотом стрелу устанавливают под углом не менее 60°, что обеспечивает достаточную высоту падения молота. При использовании молотов свободного падения из-за динамической перегрузки быстро изнашиваются стальной канат, тележка и отдельные узлы машины; кроме того, от удара по грунту колебания его могут вредно действовать на близрасположенные сооружения.

Механическими рыхлителями рыхлят грунт при глубине промерзания более 0,4 м. В этом случае грунты рыхлят путем скола или нарезки блоков, причем трудоемкость разрушения грунта сколом в несколько раз меньше, чем при рыхлении грунтов резанием. Число ударов по одному следу зависит от глубины промерзания, группы грунта, массы молота (2250..:3000 кг), высоты подъема, определяют его ударником конструкции ДорНИИ. Дизель-молоты () могут рыхлить грунт при глубине промерзания до 1,3 м и наравне с клиньями являются навесным оборудованием к экскаватору, трактору-погрузчику и трактору. Рыхлить мерзлый грунт дизель-молотом можно по двум технологическим схемам. По первой схеме дизель-молот рыхлит мерзлый слой, двигаясь зигзагом по точкам, расположенным в шахматном порядке с шагом 0,8 м. При этом сферы дробления от каждой рабочей стоянки сливаются между собой, образуя сплошной разрыхленный слой, подготовленный для последующей разработки. Вторая схема требует предварительной подготовки открытой стенки забоя, разрабатываемого экскаватором, после чего дизель-молот устанавливают на расстоянии примерно 1 м от бровки забоя и наносят им удары по одному месту до тех пор, пока не произойдет скол глыбы мерзлого грунта. Затем дизель-молот перемещают вдоль бровки, повторяя эту операцию.

Ударные мерзлоторыхлители хорошо работают при низких температурах грунта, когда для него характерны не пластичные, а хрупкие деформации, способствующие его раскалыванию под действием удара.

Рыхление грунта тракторными рыхлителями. К этой группе относится оборудование, у которого непрерывное режущее усилие ножа создается за счет тягового усилия трактора-тягача. Машины этого типа послойно проходят мерзлый грунт обеспечивая за каждую проходку глубину рыхления 0,3...0,4 м: Поэтому разрабатывают мерзлый слой, предварительно разрыхленный такими машинами, как бульдозеры. В противоположность ударным рыхлителям статические рыхлители хорошо работают при высоких температурах грунта, когда он имеет значительные пластические деформации, а механическая прочность его понижена. Статические рыхлители могут быть прицепными и навесными (на заднем мосту трактора). Очень часто их используют совместно с бульдозером, который может в этом случае попеременно рыхлить или разрабатывать грунт. Прицепной рыхлитель при этом отцепляют, а навесной поднимают. В зависимости от мощности двигателя и механических свойств мерзлого грунта число зубьев рыхлителя колеблется от 1 до 5, причем чаще всего пользуются одним зубом. Для эффективной работы тракторного рыхлителя на мерзлом грунте необходимо, чтобы двигатель имел достаточную мощность (100...180 кВт). Рыхлят грунт параллельными (примерно через 0,5 м) проходками с последующими поперечными проходками под углом 60...90° к предыдущим.

Мерзлый грунт, разрыхленный перекрестными проходками одностоечного рыхлителя, можно успешно разрабатывать тракторным скрепером, причем этот способ считается весьма экономичным и с успехом конкурирует с буровзрывным способом.

Рыхление мерзлого грунта средствами малой механизации. При небольших и рассредоточенных объемах работ в некоторых случаях целесообразно применять для рыхления мерзлого грунта бурильные (отбойные) молотки, питаемые обычно от передвижных' компрессоров при давлении в воздушной сети 0,45...0,5 МПа и расходе около 1 м3 сжатого воздуха в 1 мин на молоток. Производительность труда рабочих при работе отбойными молотками в большой степени зависит от правильной организации их работы и эффективности разрушения грунта сколом. Для этого в углу котлована вначале устраивают небольшой приямок глубиной 15... 25 см, а затем методом скола в сторону приямка его удлиняют в пионерную траншею, идущую вдоль одной из стенок котлована, после чего остальную площадь разрабатывают методом скола в сторону этой траншеи. Разработку ведут послойно.

При разработке мерзлых грунтов с предварительной нарезкой блоками в мерзлом слое нарезают щели (), разделяющие грунт на отдельные блоки, которые затем удаляют экскаватором или строительными кранами. Глубина прорезаемых в мерзлом слое щелей должна составлять примерно 0,8 глубины промерзания, так как ослабленный слой на границе мерзлой и талой зон не является препятствием для разработки экскаватором. В районах с вечно-мерзлыми грунтами, где подстилающий слой отсутствует, метод блочной разработки не применяют. Расстояния между нарезанными щелями зависят от размеров ковша экскаватора (размеры блоков должны быть на 10... 15% меньше ширины зева ковша экскаватора) Блоки отгружают экскаваторами с ковшами вместимостью от 0,5 м и выше, оборудованными преимущественно обратной лопатой, так как выгрузка блоков из ковша прямой лопатой очень затруднена. Для нарезки щелей в грунте применяют различное оборудование, устанавливаемое на экскаваторах и тракторах. Экскаватор, оборудованный ножом на рукоятке обратной лопаты вместо ковша, делает прорезы «на себя» по принципу работы обратной лопаты. Длина прорези зависит от типа экскаватора, а ширина доходит до 15 см. Машиной можно вести нарезку и отгрузку грунта при смене оборудования.

Нарезать щели в мерзлом грунте можно также с помощью роторных экскаваторов, у которых ковшовый ротор заменен фрезерующими дисками, снабженными зубьями. Для этой же цели применяют дискофрезерные машины, являющиеся навесным оборудованием  к трактору.

Наиболее эффективно нарезать щели в мерзлом грунте баровы-ми машинами, рабочий орган которых состоит из врубовой цепи, смонтированной на базе трактора или траншейного экскаватора. Баровые машины прорезают щели глубиной 1,3 ... 1,7 м. Достоинством цепных машин по сравнению с дисковыми является относительная легкость замены наиболее быстро изнашивающихся частей рабочего органа — сменных, вставляемых во врубовую цепь зубьев.

Разработку грунтов в мерзлом состоянии можно вести только с помощью мощного землеройного оборудования, которое позволяло" бы разрабатывать грунт без его подготовки. Основными направлениями, по которым ведутся работы по созданию такого оборудования, являются разработка экскаватора с активными зубьями, экскаватора с нагреваемым ковшом, а также механических кусачек, смонтированных на стреле. За счет избыточного режущего усилия одноковшовый экскаватор (с прямой или обратной лопатой) может взламывать мерзлую корку без предварительной ее подготовки. Толщина такой корки для экскаваторов с ковшом вместимостью" 0,5 -м3 не превышает 25 см, а для экскаваторов с ковшом вместимостью 1 ...2 м3 - 40 см. Но при этом производительность экскаватора существенно снижается, так как каждый рабочий цикл при взламывании мерзлой корки замедляется и резко возрастает износ экскаватора из-за работы его на предельных усилиях.

В настоящее время в СССР создано несколько моделей экскаваторов, приспособленных для проходки траншей в мерзлом грунте. Они оборудованы специальным режущим инструментом в виде клыков, зубьев или коронок со вставками из твердого сплава, укрепляемых на ковшах экскаваторного ротора.