Методы разработки грунтов в зимних условиях.

Мероприятия, связанные с особенностями производства земляных работ в зимнее время, можно объединить в три группы: предохранение грунта от промерзания (утепление); рыхление или резание промерзшего грунта на блоки; оттаивание мерзлого грунта.

Для защиты грунтов от промерзания и уменьшения их прочности применяют следующие способы.

1. Осушение грунтов путем устройства водоотводов или водопонижения для уменьшения влажности. Работы выполняются за полтора-два месяца до замерзания земли. Строительный сезон увеличивается при сухих грунтах на 7 - 10 дней.

2. Рыхление, вспахивание с последующим боронованием талых грунтов и снегозадержанием в начале зимы. Рыхление на 0,5 м уменьшает глубину промерзания грунта на 40 - 60 % по сравнению с обычными условиями, так как заключенный в порах грунта нециркулирующнй воздух является хорошим теплоизолятором.

3. Укрытие талых грунтов полиэтиленовой пленкой, пенопластом, полимерной пеной или местными материалами (сухой торф, шлак, листва, стружки и др.). Пленку укладывают, как правило, в конце зимы, чтобы весной интенсивнее шло оттаивание грунтов. Пенопласт и полимерная пена эффективны для длительного сохранения грунтов в талом состоянии при большой глубине промерзания (3-4 м). Их наносят с помощью специальной пеногенерирующей машины или установки на базе поливомоечной машины осенью слоем 10 - 30 см в местах последующей разработки котлованов и траншей.

4. Введение химических реагентов применяют для разработки небольших котлованов и выемок. Суть этого способа заключается в искусственном понижении температуры замерзания грунта путем предварительного введения в него химических реагентов - водорастворимых солей металлов. Наибольшее распространение получили хлористый натрий и хлори­стый кальций с химическими присадками для уменьшения коррозионных свойств, а также нитрит натрия и аммиачная селитра, которые практиче­ски не вызывают коррозии основных строительных конструкций. Реагенты вводят за 10 - 15 дней до наступления отрицательных температур. Они увеличивают строительный сезон на 10 - 15 дней. Разработка грунтов в зимних условиях с предварительной подготовкой мерзлого слоя требует значительных дополнительных затрат. Поэтому большое внимание уделяется возможности землеройных машин разрабатывать мерзлый грунт в естественном состоянии.

Разработка котлованов и траншей без дополнительных мероприятий экскаваторами с прямой лопатой возможна при глубине промерзания грунта до 30 -40 см, драглайном - до 10- 15 см. Однако при этом резко падает производительность и увеличивается износ экскаватора. При большей глубине промерзания грунт необходимо дробить на куски (рис. 7.1.1, 7.1.2, 7.1.3).

Рисунок 7.1.1 – Схема разработки котлована с рыхлением грунта: а – клин-бабой; б – трехклиным рыхлителем; в – с нарезкой мерзлого грунта баровой установкой; г – с нарезкой мерзлого грунта дисковой фрезой. 1 – экскаватор; 2 – экскаватор, оборудованный клин-бабой; 3 – автомобиль-самосвал; 4 – вешка; 5 – трактор, оборудованный трехклиным рыхлителем; 6 – трактор, оборудованный баровой установкой; 7 – то же, фрезой диаметром 1,5м.

Используют также для разработки мерзлого грунта без предварительного рыхления многоковшовые цепные и роторные экскаваторы со сменным оборудованием, которое подрезает и одновременно скалывает грунт мелкими кусками или отрывает его от массива зубьями, имеющими форму клыков.

Для разработки мерзлых грунтов без предварительного разрыхлений проходит производственные испытания сменное рабочее оборудование с ковшом активного действия к строительным экскаваторам. Днище ковша экскаватораимеет трубчатые кожухи для установки пневмослотов, приводящих в действие ударные зубья. Каждый пневмомолот включается в работу автоматически при достижении заданного сопротивления копанию на соответствующем ударном зубе. Под действием ударной нагрузки в массиве образуются трещины и происходит скол слоя грунта. Усилия на зубе снижаются, и автомат пуска отключает пневмомолот.

Взламывание мерзлого грунта чаще всего производится одно-, двух- и трехзубыми рыхлителями (рипперами), навешенными на трактор (глубина рыхления - до 0,65 м). При этом могут быть использованы рыхлители с активными рабочими органами с приводом от гидросистемы трактора.

Рисунок 7.1.2 - Рыхление мерзлого грунта статическим воздействием:

а - бульдоэерно-рыхлительным агрегатом; б - экскаватором-рыхлителем; в –направление хода рыхлителя.

Вместо рыхления всего грунта можно промерзший слой разрезать на крупные куски, размеры которых зависят от мощности экскаватора, ведущего разработку выемки. Мерзлый массив нарезают при помощи баровой или диско-фрезерной машины, смонтированной на базе трактора или экскаватора (траншейного или роторного). Наиболее эффективно применение этих установок при глубине промерзания грунта до I м, при этом одна, двухбаровая машина нарезает блоки в количестве, достаточном для двух работающих экскаваторов.

При разработке котлованов и траншей на небольших площадях мерз­лый грунт разрыхляют при помощи клин-бабы (стальной болванки массой г несколько тонн. навешенной на стрелу экскаватора) и клин-молота. Клин-молот представляет собой дизель-, пневмо- или гидромолот, соединенный с клином и подвешенный к экскаватору, трактору или тракторному ручнику. При этом па одну машину может быть подвешено несколько клин-молотов. Клин погружается в грунт под ударами молота и откалывает от массива крупные куски, которые вместе с нижележащим талым грунтом можно разрабатывать экскаватором. Клин-молот может взламывать промороженный слой грунта толщиной до 1,5 м.

Рисунок 7.1.3 - Рыхление мерзлого грунта динамическим воздействием (размеры в м):

а - схема рыхлении молотом свободного падения; б - то же, дизель-молотом; в - то же гидромолотом; г - глубина промерзания; д - глубина промерзания; 1 —молот; 2 - экскаватор; 3 - мерзлый слой грунта; 4 - направляющая штанга; 5 - дизель-молот; 6 – гидромолот.

Рыхление взрывом эффективно при глубинах промерзания 0,4... 1,5 м и более и при значительных объемах разработки мерзлого грунта. Его применяют преимущественно на незастроенных участках, а на застроенных ограниченно — с использованием укрытий и локализаторов взрыва (тяжелых пригрузочных плит). При рыхлении на глубину до 1,5 м применяют шпуровой и щелевой методы, а при больших глубинах — скважинный или щелевой. Щели на расстоянии 0,9. ..1,2м (рис. 7.1.4, а) одна от другой нарезают щеленарезными машинами фрезерного типа или баровыми машинами. Из трех соседних щелей заряжается одна средняя; крайние и промежуточные щели служат для компенсации сдвига мерзлого грунта во время взрыва и для снижения сейсмического эффекта. Заряжают щели удлиненными или сосредоточенными зарядами, после чего их забивают песком. При взрывании мерзлый грунт полностью дробится, не повреждая стенок котлована или траншеи, (рис. 7.1.4, б)

Рисунок 7.1.4. - Рыхление мерзлого грунта взрывом (размеры в м):

а - схема расположения щелевых зарядов; 6 — профиль выемки; в — общая организационная схема; 1—зарядная шель, 3—компенсирующая щель; 3—автосамосвал; 4—экскаватор для разработки немерзлого грунта; 5 — бульдозер; 6 —экскаватор для погрузки мерзлого рэзрьш-ленного взрывом фунта; I...III — захватки.

Оттаивание мерзлого грунта применяется лишь в том случае, если нельзя использовать никакой другой метод (например, в стесненных условиях исключается предварительное рыхление фунта взрывом или резанием). Осуществляется оттаивание с помощью горячего воздуха, электропрогрева глубинными электродами, горячим песком и т. д.

Способы оттаивания мерзлого грунта классифицируют как по направлению распространения теплоты в грунте, так и по применяемому виду теплоносителя.

По направлению распространения теплоты в грунт можно выделить следующие три способа оттаивания грунта.

Способ оттаивания грунта сверху вниз неэффективен, так как источник теплоты размещается в зоне Холодного воздуха, что вызывает большие потери теплоты. В то же время этот способ достаточно легко и просто осуществить, так как он требует минимальных подготовительных работ.

Способ оттаивания грунта снизу вверх требует минимального расхода энергии, так как оттаивание 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 теплота распространяется в грунте радиально от вертикально установленных прогревающих элементов, погруженных в грунт. Этот способ по своим экономическим показателям занимает промежуточное положение между двумя ранее описанными, а для своего осуществления требует также значительных подготовительных работ.

Различают следующие основные способы оттаивания мерзлых грунтов.

Огневой способ применяют для отрывки зимой небольших траншей. Для этого экономично использовать звеньевой агрегат, состоящий 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 аккумулированной в грунте теплоты.

Способ электропрогрева основан на пропуске тока через разогреваемый материал, в результате чего он приобретает положительную температуру. Основными техническими средствами являются горизонтальные или вертикальные электроды.

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 (рис. 5.1.5, а). Поверхность отогреваемого участка покрывают слоем опилок толщиной 15...20 см, которые смачивают солевым раствором с концентрацией 0,2... 0,5% с таким расчетом, чтобы масса раствора была не менее массы опилок. Вначале смоченные опилки являются токопроводяшим элементом, так как замерзший грунт не является проводником. Под воздействием теплоты, генерируемой в слое опилок, оттаивает верхний слой грунта, который превращается в проводник тока от электрода к электроду. После этого под воздействием теплоты начинает оттаивать следующий слой грунта, а затем нижележащие слои. В дальнейшем опилочный слой защищает отогреваемый участок от потерь теплоты в атмосферу, для чего слой опилок покрывают толем или щитами. Этот способ применяют 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 осуществляют с применением стержней из арматурной стали с заостренными нижними концами. При глубине промерзания 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 (рис. 7.1.5, б). 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 до 1,3…1,5 м. После отключения электроэнергии в течение 1...2 дн глубина оттаиваний продолжает увеличиваться за счет аккумулированной в грунте теплоты под защитой опилочного слоя. Расход энергии при этом способе несколько ниже, чем при способе горизонтальных электродов.

Рисунок 7.1.5. - Оттаивание грунта способом электропрогрева (размеры в м):

а — горизонтальными электродами, б — вертикальными электродами сверху вниз; в—то же, сверху вниз и снизу вверх; 1 — трехфазная электрическая сеть, 2 —горизонтальные полосовые электроды; 3 — слой опилок, смоченный соленой водой, 4 — слой толя или рубероида, 5 — стержневой электрод.

Применяя прогрев снизу вверх, до начала прогрева необходимо бурить скважины, расположенные в шахматном порядке, на глубину, превышающую на 15…20 см толщину мерзлого грунта. Расход энергии при отогреве грунта снизу вверх существенно снижается, составляя 50…150 МДж на 1 м, а применять слой опилок не требуется.

При заглублении стержневых электродов в подстилающий талый грунт и одновременном устройстве на дневной поверхности опилочной засыпки, пропитанной солевым раствором, оттаивание происходит как в направлении сверху вниз, так и снизу вверх (рис7.1.5, в}. При этом трудоемкость подготовительных работ значительно выше, чем в первых двух вариантах. Применяют этот способ лишь в исключительных случаях, когда необходимо экстренно осуществить оттаивание грунта.

Паровое оттаивание основано на впуске пара в грунт, для чего применяют специальные технические средства—паровые иглы, представляющие собой металлическую трубу длиной до 2 м, диаметром 25-50 мм. На нижнюю часть трубы насажен наконечник с отверстиями диаметром 2...3 мм. Иглы соединяют с паропроводом гибкими резиновыми шлангами с кранами. Иглы заглубляют в скважины, предварительно пробуриваемые на глубину, равную 0,7 глубины оттаивания. Скважины закрывают защитными колпаками, снабженными сальниками для пропуска паровой иглы. Пар подают под давлением 0,06...0,07 Мпа. После установки аккумулированных колпаков прогреваемую поверхность покрывают слоем термоизолируюшего материала (например, опилок). Иглы располагают в шахматном порядке с расстоянием между центрами 1...1,5 м. Расход пара на 1 м³ грунта составляет 50...100 кг. Этот метод требует расхода теплоты примерно в 2 раза больше, чем метод глубинных электродов.

Оттаивание электронагревателями основано на передаче теплоты мерзлому грунту контактным способом. В качестве основных технических средств применяют электроиглы, представляющие собой стальные трубы длиной около 1 м, диаметром до 50-60 мм. Внутри иглы установлен нагревательный элемент, изолированный от корпуса трубы. Нагревательный элемент имеет контактные выводы для подключения к электрической цепи. Нагреваясь, он передает тепловую энергию стальному корпусу, а тот мерзлому грунту.

При оттаивании грунтов электронагревателями теплота распространяется в радиальном направлении.

Контроль качества

Процессы возведения земляных сооружений подвергают систематическому контролю, в общем случае включающему: положение выемок и насыпей в пространстве (плановое и высотное); геометрические размеры земляных сооружений: свойства грунтов, залегающих в основании сооружений; свойства грунтов, используемых для возведения насыпных сооружений; качество укладки грунта в насыпи и обратные засыпки (характеристики уложенных и уплотненных грунтов).

Систематический контроль качества осуществляют линейными инженерно-техническими работниками. Для этого организуют повседневный операционный контроль, который осуществляют производители работ и мастера с привлечением представителей геодезической службы и строительной (грунтовой) лаборатории.

При контроле положения в пространстве и размеров сооружений проверяют: плановое расположение земляных сооружений и их размеры; отметки бровок и дна выемок; отметки верха насыпей с учетом запаса на осадку; отметки спланированных поверхностей; уклоны откосов выемок и насыпей. Данный контроль осуществляют с помощью геодезических приборов (гониометров, теодолитов и нивелиров), а также простейших инструментов и приспособлений — рулеток, метров, строительных уровней, отвесов, шаблонов, откосников, реек длиной 2 и 3 м с мерительными клиньями для установления величины просветов под ними, наборов визирок и вешек. Полученные измерениями данные не должны превышать допустимых нормативными документами отклонений геометрических размеров (табл. 1).

Оценку свойств грунтов в основаниях сооружений, карьерах (резервах), насыпях и обратных засыпках проводят для установления соответствия их ранее принятым при проектировании сооружений. Для этого определяют основные характеристики—плотность и влажность, являющиеся критериями качества. Кроме того, для сооружений I..II классов капитальности проверяют (при необходимости) гранулометрический состав, коэффициент сдвига, фильтрационные свойства.

Оценку основных свойств проводят, как правило, на пробах, взятых из массивов грунтов естественного залегания или уложенных и уплотненных.

Таблица 7.1 - Допустимое отклонение геометрических параметров основных земляных сооружений (котлованов, насыпей, канав)

Отбор образцов для оценки качества грунта в основаниях, карьерах и резервах производят из шурфов на глубине 0,5 м и более. Отбор производят по сетке: при однородных грунтах —с каждого угла всех квадратов со стороной 50… 100 м, а при неоднородных — дополнительно со всех участков с различными грунтами.

Отбор проб в насыпях и обратных засыпках производят: в связных и песчаных без крупных включений грунтах—методом режущих колец, а при гравелисто-песчаных и мелкозернистых с включением крупных фракций — методом лунок. На насыпях вертикальной планировки контрольные пробы грунта отбирают в шахматном порядке через 20…40 м, а в обратных засыпках пазух возле граней сооружений —на расстоянии не более 0,3 м от них.

При отборе проб методом режущих колец сохраняются структура и плотность грунта. Отбор производят грунтоотборником (рис. 7.2, а), состоящим из режущего кольца, приспособления для отбора проб и ударника с подвижным грузом. Для взятия пробы на выровненную поверхность ставят грунтоотборник и ударником погружают режущее кольцо до тех пор, пока поверхность грунта не окажется на 3…5 мм выше края кольца. Затем кольцо вынимают и срезают выступающий из него грунт.

При методе лунок (рис. 7.2, б) грунт отбирают из шурфов диаметром 20...30 см и глубиной 15…20 см. В образовавшуюся лунку дозированно засыпают сухой песок, по количеству которого судят об объеме извлеченного грунта.

Плотность грунта в пробах определяют в лабораторных условиях стандартным весовым способом, а влажность — термосно-весовым. В последнем случае бюксы с пробами (5...7 г) выдерживают в сушильном шкафу при 100... 105°С в течение 4…6 ч до постоянной массы.

Методы режущих колец и лунок не позволяют определить плотность скелета грунта непосредственно в процессе производства работ и таким образом оперативно реагировать на изменение условий уплотнения грунта. Поэтому в практике применяют также менее точные, но достаточные для первоначального принятия инженерных решений различные экспрессные методы; пенетрации, радио-изотопный и др.

Рисунок 7.2 - К определению характеристик и качества уплотнения грунта:

а — отбор проб методом режущих колец (схема грунтоотборника); 6 —то же, методом лунок, в — определение плотности грунта методом пенетрацим (схема прибора): г—ординарная схема определения плотности и влажности грунта радиоизотопным способом, д—то же, двойная; 1—подвижный груз; 2—съемное кольцо, 3— режущее кольцо, 4— поддон; 5—лунка; 6-наковальня; 7—зонд с конусным наконечником; 8—измерительный пульт; 9—детектор, 10-источник.

Метод пенетрации основан на измерении погружения в уплотненный грунт зонда с конусным наконечником в зависимости от количества ударов груза фиксированной массы, падающего с определенной высоты (рис. 7.2, в).

Радиоизотопный метод основан на различной интенсивности проникновения гамма (нейтроно)-излучения в зависимости от плотности и влажности грунта при фиксированном расстоянии между источником и приемником излучения (рис. 7.2, г, д). Плотность и влажность грунта определяют по градуированным графикам, выражающим зависимость показаний приборов от характеристик грунта.

При выполнении контрольных наблюдений за уплотнением грунта считают допустимым, что число контрольных проб с плотностью грунта, отклоняющейся от заданной в каждую сторону, не превышает 10% от общего числа контрольных проб, взятых на участке, и что плотность скелета грунта в пробах с пониженной плотностью менее требуемой (минимальной) не более чем на 0,05 г/см³.

Геотехнический контроль на строительной площадке осуществляют контрольные посты и полевые лаборатории. Контрольные посты ведут контроль на строительстве с суточным объемом работ менее 3500 м³ перерабатываемого грунта, а полевые лаборатории с суточным объемом более 3500 м .

Работники контрольного поста (полевой лаборатории) на строительстве земляных сооружений выполняют следующие обязанности: следят за соответствием грунта проекту, толщиной укладываемого слоя и технологией работ по укладке и уплотнению грунта, установленной проектом производства работ, отсутствием в отсыпаемом слое растительных и некачественных грунтов, числом проходов (ударов) грунтоуплотняющих машин по одному следу; проверяют подготовку поверхности ранее уплотненного слоя для отсыпки на него последующего слоя и влажность грунта в слое перед уплотнением; выполняют своевременный и в необходимом количестве отбор проб и образцов грунта из основания, тела насыпи и карьеров; определяют плотность скелета в каждом слое грунта в процессе его уплотнения, а на участке опытного уплотнения — рациональный режим работы грунтоуплотняющих средств, оптимальную толщину и необходимую оптимальную влажность уплотняемого слоя грунта.

Работники контрольного поста (лаборатории) доводят до сведения технического персонала, выполняющего работы по возведению данного сооружения, о полученных результатах лабораторных испытаний и контрольных измерений, а также о фактах несоответствия проекту и установленной технологии работ.

В своей деятельности работники контрольных постов подчиняются производителю работ (начальнику участка), а полевых лабораторий —главному инженеру строительной организации.

7.3. Техника безопасности. Охрана окружающей среды при производстве
земляных работ

Производство земляных работ в зоне действующих подземных коммуникаций следует осуществлять под непосредственным руководством прораба или мастера, а в охранной зоне кабелей, находящихся под напряжением, или действующего газопровода, кроме того, под наблюдением работников соответствующих служб. Наиболее опасными видами земляных работ являются работы по разработке траншей и котлованов, а основным опасным фактором - обрушение грунта.

Рытье котлованов и траншей с откосами без креплений в нескальных грунтах выше уровня грунтовых вод (с учетом капиллярного поднятия) или в грунтах, осушенных с помощью искусственного водопонижения, допускается при глубине выемки и крутизне откосов, приведенных в таблице 7.2.

Таблица 7.2 – Допускаемая глубина разработки грунта без креплений

Примечание. При напластовывании различных видов грунта крутизну откосов для всех пластов надлежит назначать по наиболее слабому виду грунта.

При установке креплений верхняя часть их должна выступать над бровкой выемки не менее чем на 15 см. Устанавливать крепления необходимо в направлении сверху вниз по мере разработки выемки на глубину не более 0,5 м. Разборку креплений следует производить в направлении снизу вверх по мере обратной засыпки выемки.

Котлованы и траншеи, разрабатываемые на улицах, проездах, во дворах населенных пунктов, а также в местах, где происходит движение людей или транспорта, должны быть ограждены. На ограждении необходимо устанавливать предупредительные надписи и знаки, а в ночное время сигнальное освещение.

Места прохода людей через траншеи должны быть оборудованы переходными мостиками, освещаемыми в ночное время.

При разработке, транспортировании, разгрузке, планировке и уплотнении грунта двумя и более самоходными или прицепными машинами (скреперами, грейдерами, катками, бульдозерами и др.), идущими одна за другой, расстояние между ними должно быть не менее 10 м.

Погрузка грунта на автосамосвалы должна производиться со стороны заднего или бокового борта.

Односторонняя засыпка пазух у фундаментов и свежевыложенных подпорных стен допускается после мероприятий, обеспечивающих устойчивость этих конструкций.

Одной из работ, представляющих повышенную опасность для здоровья работающих, является прокладка тоннелей. Основные правила техники безопасности в этом случае следующие: достаточная подача воздуха; своевременное удаление газов и дыма; очистка воздуха от пыли; отвод природного газа.

В последнее время для указания направления проходки тоннелей часто используются лазерные приборы. Органы зрения человека при попадании на них лазерного луча могут быть повреждены. Простейшей мерой защиты в этом случае является установка лазерного прибора и направление луча по высоте, не опасной для работающих.

При проходке тоннелей имеется риск обрушения стенок и кровли или заполнения их водой. Для исключения такой опасности перед началом производства работ необходимо тщательно изучить местность, на которой будет возводиться объект.

К числу обязательных мероприятий при проведении взрывных работ относится обозначение опасной зоны каждого объекта сигнальными знаками и предупреждающими надписями.

Земли, которые занимают временные земляные сооружения, должны быть рекультивированы. Рекультивация предоставленных во временное пользование земельных участков производится в ходе строительства, а при невозможности этого - не позднее чем в течение года после завершения строительных работ.