Технология переработки грунтов при проведении земляных строительных работ

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Земляные работы. Планировка, разработка выемок, возведение насыпей

При строительстве любого здания или сооружения, а также планировке и благоустройстве территорий ведут переработку грунта. Переработка включает следующие основные процессы; разработку грунта, его перемещение, укладку и уплотнение.

Непосредственному выполнению этих процессов в ряде случаев предшествуют или сопутствуют подготовительные и вспомогательные процессы. Подготовительные процессы осуществляют до начала разработки грунта, а вспомогательные - до или в процессе возведения земляных сооружений. Весь этот комплекс процессов называется земляными работами.

В промышленном и гражданском строительстве земляные работы выполняют при устройстве траншей и котлованов, при возведении земляного полотна дорог, а также планировке площадок. Все эти земляные сооружения создают путем образования выемок в грунте или возведения из него насыпей.

Выемки и насыпи могут быть временными и постоянными. Например, траншея для трубопровода является временной выемкой, так как будет засыпана после укладки в нее трубопровода. Котлован же под зданием с подвалом является постоянной выемкой, потому что будет существовать в течение всего времени эксплуатации сооружения. И только незначительная часть по периметру котлована будет засыпана по окончании возведения подземной части здания.

По своему назначению выемки и насыпи могут быть частью вертикальной планировки площадки (планировочные выемки и насыпи) и отдельными выемками и насыпями. Отдельные выемки называют котлованами, если соотношение их длины к ширине не более 10:1, и траншеями, если оно более, этой величины.

Земляные работы характеризуются значительной стоимостью и особенно трудоемкостью.

Так, например, в промышленном строительстве они составляют около 15% стоимости и 18-20% трудоемкости общего объема работ. На земляных работах занято около 10% общей численности рабочих строительства.

Минимальные стоимость и трудоемкость земляных работ могут быть обеспечены, во-первых, при минимальном проектном объеме разрабатываемого грунта и, во-вторых, при такой последовательности выполняемых работ, когда каждый объем грунта, разрабатываемый в проектной выемке. Сразу укладывается в предусмотренное для него место в проектной насыпи, что исключает многократную переработку одного и того же объема грунта, в-третьих, при применении наиболее эффективных по стоимости и трудоемкости методов производства земляных работ и их механизации.

При производстве земляных работ все подготовительные, вспомогательные и основные процессы выполняют комплектами машин, каждая из которых предназначена для определенного рабочего процесса или операции (разработка, транспортирование, разравнивание и уплотнение грунта; зачистка дна выемки; планировка откосов и т. д.). В общем случае одна и та же работа может быть сделана с большей или меньшей эффективностью различными комплектами машин. Способ и комплект машин для конкретных производственных условий выбирают на основании технико-экономического анализа и обоснования различных вариантов.

2. Грунты, их основные свойства и классификация

Грунтами называют породы, залегающие в верхних слоях земной коры. К ним относят растительный грунт, песок, супесь, гравий, глину, суглинок, торф, плывуны, различные полускальные и скальные грунты.

По крупности минеральных частиц грунта, их взаимной связи и механической прочности грунты делят на пять классов: скальные, полускальные, крупнообломочные, песчаные (несвязные) и глинистые (связные).

К скальным грунтам относятся сцементированные водоустойчивые и практически несжимаемые породы (граниты, песчаники, известняки и т. п.), залегающие обычно в виде сплошных или трещиноватых массивов.

К полускальным грунтам относятся сцементированные породы, способные к уплотнению (мергели, алевролиты, аргиллиты и т. п.) и неводостойкие (гипс, гипсоносные конгломераты).

Крупнообломочные грунты состоят из несцементированных кусков скальных и полускальных пород; обычно содержат более 50% обломков пород размером свыше 2 мм.

Песчаные грунты состоят из несцементированных частиц пород размером 0,05-2 мм; представляют собой, как правило, естественно разрушившиеся и преобразованные в различной степени скальные грунты; не обладают пластичностью.

Глинистые грунты также являются продуктом естественного разрушения и преобразования первичных горных пород, составляющих скальные грунты, но с преобладающим размером частиц менее 0,005 мм.

Основным объектом разработки в строительстве являются глинистые, песчаные, и песчано-глинистые, а также крупнообломочные и полускальные грунты, покрывающие большую часть земной поверхности.

К основным свойствам и показателям грунтов, влияющим на технологию производства, трудоемкость и стоимость земляных работ, относятся: плотность, влажность, прочность, сцепление, кускоеатость, разрыхляемость, угол естественного откоса и размываемость.

Плотностью р называется отношение массы грунта, включая массу воды в его порах, к занимаемому .этим грунтом объему. Плотность песчаных и глинистых грунтов - 1,5-2 т/м3; полускальных неразрыхленных грунтов - 2-2,5 т/м3, скальных - более 2,5 т/м3.

Влажностью w называется отношение массы воды в порах грунта к массе его твердых частиц (в процентах). Грунты влажностью до 5% считают сухими, свыше 30% - мокрыми, а от 5 до 30% - нормальной влажности.

При значительной влажности глинистых грунтов появляется липкость. Большая липкость грунта усложняет его выгрузку из ковша машины или кузова, условия работы конвейера или передвижение машины.

Прочность грунтов характеризуется их способностью сопротивляться внешним силовым воздействиям.

Сцепление определяется начальным сопротивлением грунта сдвигу и зависит от вида грунта и степени его влажности. Сцепление песчаных грунтов - 0,03-0,05 МПа, глинистых - 0,05-0,ЗМПа, полускальных -

0,3-4 МПа и скальных - более 4 МПа.

Кусковатость разрыхленной массы (гранулометрический состав) характеризуется процентным содержанием различных фракций.

Разрыхляемость - это способность грунта увеличиваться в объеме при разработке вследствие потери связи между частицами. Увеличение объема грунта характеризуется коэффициентами первоначального и остаточного разрыхления. Коэффициент первоначального разрыхления kр представляет собой отношение объема разрыхленного грунта к его объему в природном состоянии; для песчаных грунтов kр = 1,15-1,2, для глинистых kр = 1,2-1,3, для полускальных и скальных грунтов при взрывании «на встряхивание» kр изменяется от 1,1 до 1,2, а при взрывании «на развал» - от 1,25 до 1.6 (при большой кусковатости до 2).

Коэффициент остаточного разрыхления kрo характеризует остаточное увеличение объема грунта (по сравнению с природным состоянием) после его уплотнения. Значение коэффициента kрo обычно меньше kр на 15-20 %.

Угол естественного откоса характеризуется физическими свойствами грунта, при котором он находится в состоянии предельного равновесия. Величина угла естественного откоса зависит от угла внутреннего трения, силы сцепления и давления вышележащих слоев грунта. При отсутствии сил сцепления предельный угол естественного откоса равен углу внутреннего трения. В соответствии с этим крутизна откосов выемок и насыпей, выражаемая отношением высоты к заложению:

h/а = 1/т,

где т - коэффициент откоса, для постоянных и временных земляных сооружений различна.

Крутизна откосов устанавливается СНиПами.

Все грунты группируют и классифицируют по трудности разработки различными землеройными машинами и вручную. Наиболее часто для оценки трудности разработки грунта используют показатель удельного сопротивления резанию (копанию) КF.

Удельное сопротивление копанию (резанию) КF представляет собой отношение касательной составляющей усилия, развиваемого на режущей кромке ковша землеройного и землеройно-транспортного оборудования, к площади поперечного среза грунта (стружки).

Значение Кр зависит как от свойств и показателей разрабатываемого грунта, так и от конструктивного исполнения рабочего органа землеройного и землеройно-транспортного оборудования.

Профессором Н.Г. Домбровским были предложены шесть групп грунтов: I и II - слабые (мягкие) и плотные грунты (чернозем, лесс, суглинок и т.п.), III и IV - очень плотные (тяжелые суглинки, глины и т.п.) и полускальные грунты (сланцы, алевролиты и т.п.), V и VI - соответственно хорошо и плохо разрыхленные полускальные и скальные грунты. Указанная группировка грунтов по трудности разработки машинами нашла широкое применение в строительстве, на карьерных разработках, в экскаваторостроении; в измененном виде она положена в основу нормирования и расценок земляных работ в существующих ЕНиР.

Группировка грунтов по трудности разработки в ЕНиР составлена отдельно для немерзлых (I-VI группы) и мерзлых (I-IIIм) грунтов, причем, грунты перечисляются в алфавитном порядке с указанием средних значений плотности. Разрыхленные немерзлые грунты нормируются на одну группу ниже, чем эти же грунты в массиве (неразрыхленном состоянии). К V и VI группам отнесены грунты, кроме пестроцветных моренных глин, разрабатываемые после предварительного разрыхления.

В качестве критерия трудности разработки грунтов различными видами землеройного оборудования часто используют скорость распространения упругих волн в массиве. Так, рядом отечественных заводов-изготовителей и зарубежных фирм по этому критерию устанавливается область применения существующего и перспективного землеройного и землеройно-транспортного оборудования.

3. Перечень подготовительных и вспомогательных процессов земляных работ

К подготовительным и вспомогательным процессам, связанным с разработкой выемок и возведением насыпей, относятся разбивка земляных сооружений, водоотлив и понижение уровня грунтовых вод, временное крепление стенок выемок, искусственное закрепление грунтов, разрыхление плотных грунтов.

Весь комплекс работ, связанных с устройством земляных сооружений, подразделяется на подготовительные, входящие в состав инженерной подготовки территории (расчистка территории, водоотвод, разборка существующих сооружений, создание опорной геодезической сети, вынос проекта в натуру, снятие растительного слоя и др.). Вспомогательные, связанные с обеспечением требуемых физико-механических свойств и устойчивости грунтов и земляных сооружений в целом (разработка, перемещение и укладка грунта), и отделочные (планировочные).

4. Виды механизированных способов разработки грунта

При механизированном способе на грунт действует усилие резания различных машин. В результате определенные порции грунта отделяются от массива и могут быть перемещены и уложены в насыпь. Если машина только режет грунт, она носит название землеройной. Если машина разрабатывает и перемещает грунт, она называется землеройно-транспортной.

К землеройным машинам относятся экскаваторы различных типов: одноковшовые (прямая и обратная лопата, драглайн, грейфер), многоковшовые (цепные, роторные) и фрезерные.

В зависимости от ходового устройства различают гусеничные, пневмоколесные, автомобильные и шагающие экскаваторы, а также оборудованные гидравлической, пневматической и электрической системами управления.

5. Разработка грунта одноковшовыми экскаваторами - прямая лопата, обратная лопата, драглайн и грейфер

В промышленном и гражданском строительстве применяют экскаваторы с ковшом вместимостью от 0,15 до 2, реже до 4 м3. Они имеют комплект сменного оборудования, включающий прямую и обратную лопаты, драглайн и грейфер.

Рабочее место экскаватора (т.е. место, где он разрабатывает грунт) называется забоем.

Если высота забоя относительно мала (например, при разработке планировочной выемки), целесообразно использовать экскаватор вместе с бульдозером.

Для прямой лопаты различают лобовой и боковой забои. В лобовом забое экскаватор разрабатывает грунт впереди себя и отгружает его на транспортные средства, которые подают к экскаватору по дну забоя. Лобовой забой применяют в редких случаях (при разработке экскаватором пионерной траншеи, въездного пандуса и др.).

В боковом забое экскаватор разрабатывает грунт по одну сторону от оси движения и грузит его на транспортные средства, подаваемые по другую сторону от оси проходки. После пионерной проходки весь оставшийся в выемке грунт разрабатывают способом продольного бокового забоя.

Некоторые виды выемок (например, планировочные) можно разрабатывать боковым забоем с движением транспорта на одном уровне с экскаватором. Иногда для перехода к разработке с боковым забоем необходимо вначале отрывать так называемую пионерную траншею, которую экскаватор начинает разрабатывать, опустившись на дно забоя по пандусу.

При значительных в плане размерах выемки целесообразно разрабатывать ее поперечными проходками вдоль меньшей стороны, обеспечивая минимальную длину пионерной траншеи. Выемки, глубина которых превосходит максимальную высоту забоя для данного типа экскаватора, разрабатывают в несколько ярусов.

Рис. 1. Схема определения ширины проходки экскаватора



Рис. 2. Схемы проходок одноковшового экскаватора с прямой лопатой и подачи транспорта: а - при проходке пионерной траншеи и последующих боковых проходках; О.Э.1, О.Э.2 - стоянки экскаватора; О.Т.1, О.Т.2 - стоянки транспорта; 1 -3 - последовательность разработки грунта; б - при поперечных проходках

Рис. 3. Схема разработки котлована большой глубины последовательными проходками (I - V) экскаватора с прямой лопатой: 1 - 5 - последовательность разработки грунта

При работе с обратной лопатой также применяют торцовый или боковой забой. При разработке грунта торцовым забоем экскаватором с обратной лопатой "на себя" экскаватор движется по оси отрываемой им траншеи или котлована и попеременно разрабатывает то одну, то другую его сторону в зависимости от того, с какой стороны подходит очередной автомобиль. Траншею можно расширять параллельными боковыми забоями (рис. 4). Боковой забой образуется при разработке грунта по одну сторону от оси движения экскаватора. При боковом и торцовом забоях автосамосвалы подходят по трассе, параллельной оси движения экскаватора, но навстречу ему, а при торцовом забое их устанавливают под загрузку под углом к оси движения экскаватора.

Для торцовой и боковой проходок организация работ драглайна и обратной лопаты аналогична. При этом сохраняется такое же соотношение максимальной глубины резания. Драглайн обычно передвигается между очередными стоянками на 1/5 длины стрелы.

Так как ковш драглайна гибко подвешен к стреле, для него весьма эффективной является челночная схема работы (рис. 5).

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 4. Схемы проходок экскаватора с обратной лопатой или драглайна: а - при торцовой проходке и последующих боковых проходках; О.Э.1, О.Э.2 - стоянки экскаватора; О.Т.1, О.Т.2 - стоянки транспорта; 1-3 - последовательность разработки грунта; б - при поперечных проходках

В этой схеме предусмотрено, что автосамосвал подходит к месту загрузки по дну забоя и загружается попеременными черпаниями ковша по обе стороны от кузова.

Ширина лобовой проходки определяется по формуле:

,

где R - оптимальный радиус резания; l - длина рабочей передвижки.

Ширину боковой проходки определяют по формуле:

+ 0,7

Рис. 5. Схемы работы драглайна челночным способом: а - при погрузке грунта в транспорт, подаваемый по дну забоя; б - при погрузке грунта в транспорт, подаваемый на уровне стоянки экскаватора, и во временный отвал

6. Разработка грунта многоковшовыми экскаваторами

Рабочим органом многоковшового экскаватора являются ковши, насажанные через равные интервалы на беспрерывно движущуюся цепь или колесо (ротор). По характеру перемещения машины относительно направления движения рабочего органа различают многоковшовые экскаваторы продольного черпания - цепные и роторные (рис. 6) и поперечного черпания (рис. 7). Так как грунт черпается ковшами непрерывно, то эти экскаваторы являются машинами непрерывного действия (в отличие от одноковшовых экскаваторов, которые являются машинами цикличного действия).

Экскаваторы продольного черпания применяют обычно для проходки траншей небольшого сечения прямоугольного и трапециевидного профиля. Отрывку траншей экскаваторами начинают с наиболее низких мест профиля, что обеспечивает сток грунтовых и атмосферных вод.

Экскаваторы поперечного черпания используются для разработки котлованов и траншей большого сечения, планировки откосов и разработки карьеров.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 6. Разработка траншей многоковшовыми экскаватора черпания: а - цепным экскаватором; б - роторным экскаватором; в - поперечный профиль траншеи и временного отвала

Рис. 7. Схема разработки выемки многоковшовым экскаватором поперечного черпания: А, Б - участки веерного и параллельного резания

7. Разработка грунта скреперами, бульдозерами, грейдерами

Скреперы - наиболее высокопроизводительные землеройно-транспортные машины. Эксплуатационные возможности позволяют использовать их при отрывке котлованов и планировке поверхностей. Различают скреперы прицепные, работающие при вместимости ковша 2,25-10 м3 в сцепе с трактором-тягачом, и самоходные, имеющие вместимость ковша 8 м3 и более.

Скреперами ведут разработку, транспортирование и укладку песчаных, супесчаных, лессовых, суглинистых, глинистых и других грунтов, не имеющих валунов примесь гальки и щебня в объеме не должна быть более 10%. Скрепер снимает ковшом стружку грунта толщиной 0,12-0,32 и шириной 1,65-2,75 м (для скреперев с вместимостью ковша 2,25-9 м3). Толщина отсыпаемого слоя 0,22-0,55 м. Разрабатываемые скреперами суглинистые и глинистые грунты необходимо предварительно рыхлить.

Прицепные скреперы наиболее эффективно применять при перевозке грунта на расстояние до 1000, а самоходные - на расстояние до 3000 м.

В зависимости от категории грунтов резать их наиболее эффективно на прямолинейном участке пути при движении под уклон 3-7°. Сухие песчаные грунты разрабатывают гребенчатым способом, попеременно заглубляя ковш и постепенно уменьшая толщину стружки, что позволяет более полно и быстро загружать ковш (рис. 8). Глубина резания зависит от мощности машины и вида грунта и может составлять 12-32 см. Разгружают скрепер на прямолинейном участке, при этом поверхность грунта разравнивают днищем скрепера.

В зависимости от размеров земляного сооружения, взаимного расположения выемок и насыпей применяют различные схемы работы скреперов. Простейшей является схема работы по эллипсу (рис. 9). В этом случае машина каждый раз поворачивается в одну сторону. Поэтому для устранения неравномерного износа ходовой части необходимо периодически менять направление движения скрепера. При работе по «восьмерке» в два раза уменьшается число полных разворотов скрепера, что повышает его производительность и обеспечивает равномерный износ деталей, но при этом необходимо иметь значительный по протяженности фронт работ.

Порядок скреперных проходок может быть весьма разнообразен, но в практике чаще всего используют схемы разработки грунта последовательными проходками (полоса рядом с полосой), проходками через полосу и шахматными проходками (рис. 10).

Разработка по схеме «полоса рядом с полосой» не рациональна из-за потерь грунта в виде боковых валиков.

Рис. 8. Схема загрузки, транспортирования и разгрузки грунта скрепером а - общая схема; 1, 2 - участки загрузки и транспортирования; 3 - участок разгрузки; б - в песчаных грунтах

Разработка грунта проходками через полосу и по ребристо-шахматной схеме уменьшает рассыпание грунта при резании и способствует улучшению наполнения ковша.

Разработку выемок бульдозером ведут ярусами, соответствующими толщине стружки, снимаемой за одну проходку. Разработку ведут от начала выемки к середине (рис. 11, а), при этом должна быть обеспечена эффективная работа бульдозера под уклон. В цикл работы бульдозера входят следующие операции: резание и набор грунта путем снятия стружки под уклон, перемещение грунта с надвижкой его отвалом, разгрузка грунта и возвратный холостой ход.

В первом случае (рис. 11, б) выемку разбивают на ярусы глубиной 0,4-0,5 м. Каждый ярус разрабатывают траншеями на ширину отвала, оставляя между ними полосу нетронутого грунта шириной 0,4-0,6 м. Эти валы срезают бульдозером в последнюю очередь. Траншейный способ (рис. 11, в) исключает значительные потери грунта при его транспортировании и поэтому более производителен.



Рис. 9. Схема работы скрепера а - по эллипсу; б - по «восьмерке»; в - сдвоенными проходками по эллипсу при двух насыпях; г - то же, при двух выемках; д - работа толкача со звеном скреперов; 1 - 4 - последовательность проходок

При послойном способе выемку разрабатывают слоями на толщину снимаемой стружки за один проход бульдозера последовательно по всей ширине выемки или отдельным ее частям (рис. 11, г). Этим способом пользуются при сложном очертании площадок и при небольшой глубине срезки.

Грейдеры используют при планировке территории, откосов земляных сооружений, зачистке дна котлованов и отрывке канав глубиной до 0,7 м, при возведении протяженных насыпей высотой до 1 м и нижнего слоя более высоких насыпей из резервов. Автогрейдерами профилируют дорожное полотно, проезды и дороги.

При возведении насыпи из разрабатываемого резерва (рис. 12) наклонный нож сдвигает срезанный грунт в сторону насыпи. При следующей проходке грейдера этот грунт перемещается еще дальше в том же направлении. Поэтому целесообразно работать одновременно двумя грейдерами, из которых один срезает, а другой перемещает срезанный грунт.

Для обеспечения оптимального режима работы землеройно-транспортных машин созданы системы автоматического регулирования скорости их движения в зависимости от сопротивления резанию и плотности разрабатываемого грунта. Для автогрейдеров, используемых преимущественно на планировочных работах, применяют устройства, автоматически контролирующие заглубление в грунт.

Рис. 10. Планировка площадок скреперами а - разработка грунта по схеме «полоса рядом с полосой»; б - то же, через полосу; в - то же, ребристо-шахматными проходками; 1 - 28 - проходки

8. Особенности производства земляных работ в зимних условиях

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.



Рис. 11. Схемы резания и перемещения грунта бульдозером: а - продольная при резании под углом; 1 - участок резания при работе под уклон; 2 - участок перемещения; 3 - участок разгрузки; б - то же, на горизонтальном участке; в - планировка траншейным способом; г - то же, послойным способом

Земляные работы зимой осуществляют следующими тремя методами. При первом методе предусматривают предварительную подготовку грунтов с последующей их разработкой обычными методами; при втором - мерзлые грунты нарезают предварительно на блоки; при третьем методе грунты разрабатывают без их предварительной подготовки.

Предварительная подготовка грунта для разработки зимой заключается в предохранении его от промерзания, оттаивании мерзлого грунта, предварительном рыхлении мерзлого грунта.

Предохранение грунта от промерзания. Известно, что наличие на дневной поверхности термоизоляционного слоя уменьшает как период, так и глубину промерзания. После отвода поверхностных вод можно устроить термоизоляционный слой одним из следующих способов.



Рис. 12. Схема разработки резерва автогрейдером: б - угол захвата; в - угол резания; г - угол наклона

земляной котлован строительный экскаватор

Рыхление грунта. При вспахивании и бороновании грунта на участке, предназначенном для разработки зимой, его верхний слой приобретает рыхлую структуру с замкнутыми пустотами, заполненными воздухом, обладающую достаточными термоизоляционными свойствами. Вспашку ведут тракторными плугами или рыхлителями на глубину 20-35 см с последующим боронованием на глубину 15-20 см в одном направлении (или в перекрестных направлениях), что повышает термоизоляционный эффект на 18-30%.

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. 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 которых 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 отражательные 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. 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. 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.

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 насажан наконечник с отверстиями диаметром 2-3 мм. Иглы соединяют с паропроводом гибкими резиновыми рукавами с кранами. 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 параллельные 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 несколько штук в группы, которые включают параллельно между разводящими и обратными трубопроводами.

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 м и 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 землеройно-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.

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 промерзания достигает 40-50 см, приступают к разработке грунта в выемке в мерзлом состоянии. Разработку ведут отдельными участками, между которыми оставляют перемычки из мерзлого грунта толщиной около 0,5 м на глубину около 2/3 толщины промерзшего грунта.

Перемычки предназначены для изоляции отдельных участков 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 вымораживание и разработку участков повторяют до достижения проектного уровня, после чего защитные перемычки снимают. Такой способ позволяет разрабатывать при мерзлом состоянии грунта (а, следовательно, без крепления и водоотлива) выемки, значительно превосходящие по своей глубине толщину сезонного промерзания грунта.

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 локализаторов 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 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. 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. 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).

Рыхление мерзлого грунта средствами малой механизации. При небольших и рассредоточенных объемах работ в некоторых случаях целесообразно применять для рыхления мерзлого грунта бурильные (отбойные) молотки.

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. В районах с вечномерзлыми грунтами, где подстилающий слой отсутствует, метод блочной разработки не применяют. 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.

Разработку грунтов в мерзлом состоянии можно вести только с помощью мощного землеройного оборудования, которое позволяло бы разрабатывать грунт без его подготовки.

Размещено на Allbest.ru

...