Мерзлые грунты, за исключением скальных, сильно осложняют производство земляных работ и значительно увеличивают их стоимость, поэтому следует заранее наметить те участки земляных работ, разработка которых в зимний период вызовет наименьшее удорожание. Зимние условия не вызывают удорожания работ при разработке скальных грунтов, закрытых проходках, например щитовых, и пр. Сравнительно ненамного удорожается зимой .

Грунт, подлежащий разработке в зимних условиях, должен быть предварительно подготовлен. Подготовка заключается в предохранении его от промерзания, в рыхлении или в оттаивании уже замерзшего грунта.

Предохранение грунта от промерзания. Для уменьшения глубины промерзания до наступления морозов выполняют ряд подготовительных работ: отвод с участка поверхностных вод, глубокую вспашку поверхностного слоя (до 30-35 см) с обязательным боронованием, покрытие поверхности земли дешевыми местными теплоизоляционными материалами (опилками, мхом, торфом, листьями и пр.).

Наиболее эффективным является рыхление грунта тракторным многостоечным рыхлителем на глубину не менее 0,35 м, что с учетом снегового покрова обеспечивает в средней полосе на период зимнего времени талое состояние грунта под разрыхленным слоем.

Предохранение грунта от промерзания имеет большое значение в районах Сибири, где ведется большое строительство и где грунт промерзает на 3-4 м. Для уменьшения глубины промерзания участки покрывают полимерными пенами, получаемыми из карбамидной смолы на растворных узлах пеногеперации. Рыхление и утепление грунта должно производиться в пределах рабочих контуров выемок с уширением на двойную глубину промерзания.

Механическое рыхление мерзлого грунта. Применяемые способы рыхления замерзшего грунта зависят от глубины его промерзания. Слой мерзлого грунта толщиной до 0,25 м разрушается экскаватором с ковшом вместимостью 0,5 м 3 , а при слое до 0,4 м — экскаватором с ковшом вместимостью 1-1,25 м 3 . Поэтому для разработки котлованов и траншей в зимних условиях при указанной глубине промерзания и применении соответствующих экскаваторов предварительно рыхлить мерзлый грунт не требуется.

При глубине промерзания более 0,8 м целесообразно рыхлить грунт взрывным способом. Если невозможно применить взрывной способ, производят механическое рыхление грунта с помощью дизель-молотов с клиньями, трехклиновых тракторных рыхлителей и путем нарезки грунта на блоки с помощью режущих машин (врубовых или дисковых). Дизель-молотами могут быть оборудованы одноковшовые экскаваторы или тракторы; врубовыми и дисковыми машинами оборудуют тракторы или траншейные экскаваторы.

Рыхление мерзлого грунта пневматическими и электрическими отбойными молотками малопроизводительно, дорого и поэтому не может быть рекомендовано. Отбойные молотки применяют обычно при аварийных работах и малых объемах работ.

Оттаивание мерзлых грунтов. При небольших объемах земляных работ для облегчения разработки грунта применяют различные способы его оттаивания: огневой, паром, горячей водой или электрическим током. Способ оттаивания определяют исходя из технических возможностей, экономических соображений и местных условий.

Огневой способ оттаивания грунта открытыми кострами как малоэффективный и неэкономичный применять не рекомендуется. Для разработки траншей в городских условиях при наличии подземной газовой сети оттаивание грунта производят путем подвода газа к горелке, устанавливаемой в одном из концов металлического короба, который собран из полукруглых сегментов (полутруб), уложенных внахлестку по оси траншеи. На другом конце короба устанавливают дымовую трубу. Для уменьшения потерь тепла, уходящего в атмосферу, короб обсыпают грунтом слоем 10-15 см.

При отсутствии газовой сети можно использовать жидкое топливо (соляровое масло). Жидкое топливо направляют к форсунке, куда из баллона или небольшим компрессором подается сжатый воздух. Под действием струи сжатого воздуха жидкое топливо распыляется, образуя большой факел.

Если глубина промерзания грунта превышает 1 м, оттаивание его производят паром с помощью паровых игл. Паровые иглы устанавливают в заранее пробуренные скважины. Во избежание утечки пара через скважины их закрывают колпаками, в которых аккумулируется тепло. Паровые иглы применяют при разработке траншей и небольших котлованов.

Грунты обладают низкой теплопроводностью, они могут принять и передать в зону оттаивания лишь определенное количество тепла, поэтому подавать пар в иглы целесообразно с перерывами. Наиболее приемлемой для отогрева грунта считается температура 40-50°С. При этом условии более экономичным является способ оттаивания грунта горячей водой с помощью водяных циркуляционных игл, устанавливаемых на расстоянии 0,75-1,5 м друг от друга в заранее пробуренные скважины. Горячая вода из котла проходит сначала по внешней трубе водяной иглы, а затем по внутренней; пройдя последовательно батарею установленных игл, она поступает в центробежный насос и под давлением возвращается в котел.

При наличии на строительной площадке свободной электроэнергии оттаивание грунта можно производить переменным током 220 и 380 В. При глубине промерзания до 0,7 м применяют горизонтальные электроды, укладываемые на поверхность грунта с засыпкой их 15-20-см слоем опилок, смоченных раствором поваренной соли. Прогрев в этом случае будет идти по направлению сверху вниз.

При глубине промерзания грунта более 0,7 м для его оттаивания целесообразно применять вертикальные глубинные электроды, представляющие собой стержни из стали диаметром 12-19 мм с заостренным концом. Электроды забивают ниже глубины промерзания на 8-10 см. В этом случае ток идет через талый грунт. Выделяющимся теплом прогревается лежащий выше слой мерзлого грунта, и процесс оттаивания происходит по направлению снизу вверх. При этом способе не требуется очищать территорию отогрева от снега и покрывать ее опилками; не будет потерь тепла в воздух, а расход электроэнергии будет меньше, так как ток выключают до того, как весь грунт оттает.

При электропрогреве грунта нужно строго выполнять все требования по технике электробезопасности в условиях строительной площадки.

Для возведения насыпей и засыпки траншей в зимний период нужно применять талый грунт, завершая уплотнение до смерзания грунтовых агрегатов, но при круглогодичном строительстве приходится иногда разрабатывать и мерзлые грунты. При возведении насыпей или обратных засыпок траншей допустимое Содержание мерзлых комьев не должно превышать количество, указанное в п. 14.1.

При выборе длины захватки помимо температуры воздуха, свойств грунта и содержания мерзлых комьев, а также наличия землеройной техники необходимо учитывать и скорость ветра: чем выше скорость, тем быстрее смерзаются грунтовые агрегаты, поэтому продолжительность уплотнения грунта назначают с учетом норм (табл. 14.4).

Наибольшую длину захватки l, м, уплотнения грунта определяют по формуле
l =П(Т-Ттр-Тр)60bh,
где П - производительность комплекта уплотняющих машин, м 3 /ч; Т - время, в течение которого грунт после разработки еще пригоден к уплотнению (см. табл. 14.5), мин; Ттр - время перевозки грунта одним автомобилем-самосвалом, мин; Тр -продолжительность его разгрузки, мин; b и h - соответственно ширина и толщина уплотняемого слоя.

Дальность возки грунта устанавливают из условия неизбежных теплопотерь, но когда его еще можно уплотнять на захватке минимальной длины.

Насыпи из связных грунтов возводят с учетом их уплотнения и осадки после оттаивания из расчета 5 % их высоты в суровых природных условиях и 3 % высоты в годы с мягкими зимами.

При механических способах разработки мерзлого грунта длину захватки определяют с учетом часовой производительности рыхлителей, температуры воздуха и скорости ветра. Зимой для перевозки грунта применяют автомобили-самосвалы с металлическими кузовами. Чем ниже температура воздуха, тем тяжелее разгружать их кузова вследствие смерзания грунтов с металлом. В районах со среднемесячной температурой января не ниже -10 °С при перевозке грунтов, содержащих глинистых частиц до 10 %, следует обогревать кузова отработанными газами. Под более низкой температуре воздуха и особенно при сыпучих материалах с влажностью выше оптимального значения, находящихся в контакте с металлической поверхностью до 5 ч, внутреннюю поверхность кузова надо смазывать растворами хлористых солей, обсыпать шлаком, формовочными песками или другими сыпучими материалами при каждом рейсе.

Если температура приближается к -50 °С, то кузов нуждается в смазывании маслянистыми профилактическими жидкостями (отработанными автолом, нигролом и другими противоморозными реагентами) через 3-7 рейсов. При температуре до - 20 °С можно применять азотнокислый натрий, натриевую или кальциевую селитру, мочевину и многие другие реагенты с концентрацией от 30 до 50 %. При засыпке траншей или возведении верхней части насыпей зимой применяют, как уже говорилось, преимущественно песчаные грунты, легче разрабатываемые зимой, чем связные, вследствие меньшей их влажности. Пески при отрицательной температуре, но не ниже -0,5°С уплотняются хорошо. Таким образом, упрощается технология работ при использовании песчаных грунтов. Если насыпь возведена из песков, не надо устраивать подстилающий слой, благодаря чему уменьшается общая толщина дорожной одежды.

→ Земляные работы

Производство земляных работ в зимнее время

Разработка мерзлых грунтов является наиболее трудоемким процессом зимних строительных работ. Она требует учета особенностей мерзлых грунтов, осуществления подготовительных мероприятий и применения наиболее совершенных механизмов и приспособлений, а также способов работ, обеспечивающих техническую и экономическую целесообразность производства земляных работ в зимних условиях.

Грунт становится устойчиво мерзлым через 5-20 дн. по наступлению зимнего периода и сохраняет это состояние в течение 30-15 дн. после его окончания. Эти ориентировочные сроки относятся соответственно к северным и южным районам Советского Союза. При производстве земляных работ глубина промерзания устанавливается замером ее в натуре.

Мерзлый грунт обладает значительной вязкостью, благодоря чему осложняется его разработка ударными инструментами. Вязкость мерзлого грунта увеличивается при повышении процента содержания в нем незамерзшей воды.

В целях снижения трудоемкости разработки грунта в зимних условиях осуществляются различные мероприятия: предохранение грунтов от промерзания, рыхление и оттаивание мерзлых грунтов.

От промерзания грунты могут быть предохранены устройством водоотводов, пропашкой плугами в теплое время года на глубину до 35 см, с последующим рыхлением механическими рыхлителями на глубину до 20 см, задерживанием снега на площадях, предназначенных для разработки при малосвязных грунтах, - покрытием поверхности грунта торфом, опилками, шлаком и другими дешевыми теплоизоляционными материалами. Большую эффективность показало утепление пеной на основе дешевых смол - отходов химического производства. Толщина этого слоя зависит от теплоизоляционных свойств утеплителя, характеристики утепляемого грунта, а также периода зимы, в котором намечено производить земляные работы.

Разработка грунта экскаватором с ковшом вместимостью 0,5 м3 при толщине мерзлого грунта 0,35 и экскаватором с ковшом вместимостью 1-2 м3 при толщине мерзлого грунта до 0,4 м может производиться рыхлением.

При большей глубине промерзания производится предварительное рыхление грунта ударными приспособлениями или взрывным способом.

Механическое рыхление мерзлого грунта при глубине промерзания до 0,25 м ведется тяжелыми рыхлителями, а до 0,6-0,7 м и небольших объемах работ - с помощью ударных приспособлений - тяжелого шара или клин-молота, подвешиваемых на стреле экскаватора. Для рыхления грунта при большей глубине промерзания (до 1,3 м) необходимо использовать дизель-молот с клином, выпускаемый промышленностью в качестве сменного оборудования к экскаваторам и тракторам.

Оттаивание грунта осуществляется при помощи горячей воды, пара, электрического тока или огневым способом. Отогрев грунта паром или горячей водой производится паровыми или водяными циркуляционными иглами.

Прогрев грунта электрическим током осуществляется при помощи электродов, электроигл и электропечей. Поверхностный прогрев электродами малоэффективен и поэтому применяется в крайних случаях.

Оттаивание и рыхление мерзлого грунта производится отдельными участками, площадь которых определяется с учетом производительности землеройных машин, применяемых на данном участке строительства.

В каждом случае выбирается такой способ разработки мерзлого грунта, который был бы наиболее эффективным и экономически целесообразным.

По мере замерзания механическая прочность грунта резко возрастает, что приводит к увеличению затрат машинного времени и труда на его разработку, а следовательно и к удорожанию стоимости работ. В связи с этим при необходимости проведения земляных работ в зимнее время принимают меры по предохранению грунта от промерзания, а разрабатывают его только после оттаивания или рыхления.

Предохранение грунта от промерзания. Обеспечивают, создавая на его поверхности термоизоляционный слой; разрыхляя верхний грунтовый слой; укрывая грунт различными теплоизоляционными материалами.

Рыхлят грунт до его замерзания вспахиванием и боронованием, предварительно обеспечив отвод поверхностных вод. Обработанный таким образом верхний слой грунта приобретает рыхлую структуру с замкнутыми пустотами, заполненными воздухом, и обладает достаточными термоизоляционными свойствами. Вспашку ведут тракторными плугами на глубину 200...350 мм с последующим боронованием на глубину 150...200 мм. Искусственное увеличение снежного покрова сгребанием снега бульдозерами, автогрейдерами или путем снегозадержания с помощью щитов позволяет повысить термоизоляционный эффект. Механическое рыхление грунта чаще всего используют для утепления значительных по площади участков.

Защита поверхности грунта термоизоляционными материалами эффективна на небольших по площади участках и при наличии местных дешевых материалов, древесной листвы, опилок и стружки, моха, торфа, соломы, шлака. Термоизоляционные материалы укладывают слоем 200... 400 мм непосредственно по грунту

Оттаивание мерзлого грунта. Является наиболее дорогим и трудоемким способом, поэтому его применяют при небольших объемах работ.

Наибольшее распространение в строительной практике нашли следующие способы оттаивания мерзлого грунта: огневой, электропрогрев, паропрогрев и водопрогрев (рис. 16).

Огневой способ основан на сжигании различного топлива на поверхности грунта под прикрытием металлического короба с вытяжной трубой {рис. 6.16.а). Для уменьшения теплопотерь короб укрывают шлаком или талым грунтом. Полосу оттаявшего грунта засыпают опилками, и нижележащий слой оттаивает за счет аккумулированного верхним слоем тепла.

котлован грунт экскаватор бульдозер

Рис. 16. Схема оттаивания мерзлого грунта: а--огневым способом; б--электропрогревом с использованием горизонтальных электродов; в--то же, с использованиев вертикальных электродов; г--паронагревом; 1--секция короба; 2--утеплитель; 3--вытяжная труба; 4--оттаявший грунт; 5--трехфазная электрическая сеть; 6--горизонтальные полосовые электроды; 7--слой опилок; 8--слой толя или рубероида; 9--стержневой электрод; 10--порапровод; 11--паровая игла; 12--пробуренная скважина; 13--колпак.

Электропрогрев грунта ведут с помощью электродов, располагаемых на поверхности или погружаемых вертикально в мерзлый грунт.

При использовании горизонтальных электродов поверхность грунта засыпают слоем опилок толщиной 150...200 мм (рис. 6.16.6). Опилки смачивают водным солевым раствором концентрации 0,2...0,5% для увеличения электропроводимости в начальный период оттаивания, так как мерзлый грунт не является проводником. После того, как грунт верхнего слоя, оттает, он сам становится проводником, а слой опилок выполняет рать термозащитного слоя. Поверхностный электропрогрев применяют при глубине промерзания грунта до 0,7 м.

При большей глубине промерзания используют вертикальные электроды. Оттаивание ведут сверху вниз или снизу вверх (рис. 16,в).

При оттаивании сверху вниз электроды в виде штырей забивают в грунт в шахматном порядке на глубину 200...250 мм и засыпают опилками, пропитанными концентрированным солевым раствором. По мере оттаивания верхних слоев электроды периодически погружают все глубже. Расход энергии при этом способе несколько ниже, чем при горизонтальном расположении электродов.

Прогрев снизу вверх требует погружения электродов на 150.-.200 мм ниже глубины промерзания грунта, для чего в грунте предварительно бурят скважины. Поверхность оттаиваемого грунта опилками не укрывают. Расход энергии при отогреве грунта снизу вверх значительно снижается, по сравнению с отогревом сверху вниз.

Паропрогрев грунта осуществляют с использованием паровых игл, устанавливаемых в предварительно пробуренные скважины на глубину 0,7 глубины оттаивания (рис. 16,г).

Паровая игла представляет собой трубу длиной 1,5...2 м, диаметром 25.,.50 мм. На нижней части трубы насажен наконечник с отверстиями 2...3 мм для выхода пара. Иглы по верху соединены паропроводом. Для наиболее эффективного использования пара и сокращения его потерь скважины сверху накрывают защитными колпаками, имеющими отверстия для пропуска паровой иглы.

После установки аккумулирующих колпаков прогреваемую поверхность покрывают слоем опилок или другим термоизоляционным материалом. Располагают иглы в шахматном порядке на расстоянии 1...1.5 м друг от друга.

Водопрогрев грунта ведут с применением водяных циркуляционных игл, установка которых аналогична паровым иглам. Теплоносителем здесь является вода, нагретая до 50...60 °С, которая циркулирует по замкнутому контуру «котел -- разводящие трубы -- водяные иглы -- обратные трубы -- котел». Такая схема обеспечивает наиболее полное использование тепловой энергии.

Водяная игла состоит из внутренней и наружной труб. Наружная труба имеет заостренный глухой нижний конец, а внутренняя -- открытый. Во внутреннюю трубу подают горячую воду, которая через нижнее отверстие поступает в наружную трубу, поднимается вверх к выходному патрубку и по соединительной трубе поступает к следующей игле или в обратный трубопровод. Иглы располагают в шахматном порядке на расстоянии 0,75...1,25 м друг от друга

Предварительное рыхление мерзлых грунтов. Осуществляют механическим и взрывным способами.

Механическое рыхление применяют при небольших объемах работ и сравнительно малых глубинах промерзания (до 1,3 м). Для рыхления используют клин-молоты, дизель-молоты и тракторные рыхлители, многоковшовые экскаваторы, оборудованные цепями-борами (рис. 17).

Клин-молот подвешивают к стреле крана, а дизель-молот является навесным оборудованием к крану, тракторопогрузчику и трактору.

Тракторные рыхлители монтируют на базе гусеничных тракторов с мощностью двигателя более 110 кВт или используют для них навесное оборудование Рабочий орган рыхлителя представляет собой гребенку с зубьями, число которых составляет 1...5.

Мерзлые грунты можно разрабатывать с предварительной нарезкой на блоки. При этом методе в массиве мерзлого грунта с помощью баровых, дискофрезерных и других машин устраивают взаимно перпендикулярные прорези на глубину 0,8 глубины промерзания Полученные блоки вынимают ковшом экскаватора или отодвигают бульдозером.

Рис. 17. Схема рыхления грунтов: а--клин-молотом; б--дизель-молотом; в--многоковшовым экскаватором, оборудованным режущими цепями-барами; 1--клин-молот; 2--экскаватор; 3--направляющая штанга; 4--дизель-молот; 5--режущие цепи (бары); 6--многоковшовый экскаватор; 7--щели в мерзлом грунте

Рыхление мерзлого грунта взрывом применяют при больших объемах работ и значительной глубине промерзания. Этот метод отличает экономичность, особенно тогда, когда кроме рыхления требуется перемещение грунта в отвал. Методика выполнения взрывных работ описана ранее.

При замерзании резко утверждается твердость грунтов и разработка их значительно усложняется. Кроме того, мерзлое состояние грунту усложняет технологию, ограничивает применение некоторых типов землеройных и землеройно-транспортных машин. В тоже время временные выемки в мерзлом грунте можно разрабатывать без откосов.

Разработку грунта в зимних условиях осуществляют следующими методами:

1. Предохранение грунта от промерзания

1) самый простой способ – утепление поверхности различными местными материалами (торф, опилки, шлак, листья, стружка) – укладываются слоем 20-40см непосредственно на грунт (рис.1); применяют для небольших площадей; 2) рыхление грунта вспахиваниием и борованием (вспашку ведут тракторными плугами или рыхлителями на глубину 20-35 см с последующим боронованием на глубину 15-20 см в одном направлении); 3) снегозадержание (искусственно создаются снеговые мешки, ветер наносит снег); 4) засоление (на пов-ть грунта наносится 4-5 см технической соли); 5) покрытие полимерной пеной – пенолет (со временем пена уплотняется и ведет себя как снег; недостаток: пена замерзает при установившейся отриц. -7 о …-9 о); 6) намораживают слой льда.

2. Рыхление мерзлого грунта

1) механическое рыхление – резание, раскалывание или скол мерзлого грунта статическим (воздействие непрерывного режущего усилия в мерзлом грунте специальным рабочим органом –зубом; прим. спец. оборудование на тракторе-тяге – на трактор навешивается клин; рыхлит на глубину до 0.4 м; недостаток: нужен мощный трактор; можно использовать гидравлические экскаваторы с рабочим органом – зубом-рыхлителем) или динамическим (за счет создания ударных нагрузок на открытой пов-ти мерзлого грунта; исп-ся молоты свободного падения или молоты направленного действия; молот свободного падения имеет форму клина или шара; шар – при глубине промерзания до 0,5 м;

клин – глубина промерзания до 0,8 м; молот падает с высоты 5-8 м;

12. Особенности производства каменных работ в зимних условиях.

Отрицательные температуры оказывают влияние на физико-химические процессы в свежевыложенной кладке. С учетом устранения негативных факторов применяются следующие методы возведения кладки в зимних условиях:

1) способ замораживание . Кладка не набирает требуемой прочности, а замерзает и набирает прочность при оттаивании весной. Марка раствора в расчетах принимается равной 0. после оттаивания раствор не наберет марочной прочности. Для компенсации потери прочности марка раствора повышается на 1 ступень при температуре до -10 0 С и на 2 ступени при -20 0 С. В первую очередь оттаивание происходит с солнечной стороны. Неравномерная осадка, трещины. Для предотвращения – в углах и пересечениях стен устанавливают дополнительные металлические связи из полосовой или круглой стали из расчета не менее 1 см 2 в сечении. Осадка кладки на 1-2мм на 1м стены. Величину этой осадки необходимо учесть – в проемах устраиваем зазор более 5мм, иначе оконные и дверные коробки не войдут или погнуться. Кладку ведут на подогретых растворах – чтобы каменщик мог с ним работать. Т раствора зависит от t наружного воздуха /-10 = +15; -15 = +15; -20 = +20/.

2) с применением химических добавок . В раствор добавляют соли, снижающие температуру замерзания воды. Р-р набирает прочность даже при отрицательных температурах. Добавки: хлористый натрий и хлористый кальций (могут применяться совместно и по отдельности; исп-ся при темп-ре до -20 0 С; недостаток: вызывают коррозию арматуры, высолы); нитрит натрия (недорогой не дает высолов и коррозии, но эффективен до -15 0 С); поташ – углекислый калий (р-р набирает прочность ч/з 30 дн.; применяют при -20…-30 0 С; р-р быстро теряет подвижность)

3) с обогревом конструкции . Используется электропрогрев (в горизонтальные швы укладывают железные прутья ø 6мм через 15см друг от друга и через 2-3 ряда кладки по высоте так, чтобы концы были выпущены из кладки на 4-5см для присоединения к проводам). Паропрогрев (устройство вокруг специального ограждения из опалубочных щитов для пропуска пара. Кладка в тепляке – тепляк устраивают над участком кладки, и после окончания работ переносят на следующий участок.