2. Разработка грунтов с их предварительной подготовкой

Различают следующие способы предварительной подготовки грунтов для разработки в зимних условиях: предохранение грунта от промерзания, оттаивание мерзлого грунта, предварительное рыхление 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.

Рыхление грунта. При вспахивании и бороновании грунта па участке, предназначенном для разработки в зимних условиях, 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 пли перекрестных направлениях, что повышает термоизоляционный эффект на 18...30 %.

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

В последнее время в качестве утеплителя применяют быстротвердеющую пену (пенопласт), обладающую высокой пористостью. Слой пены толщиной 30...50см отдаляет начало замерзания грунта на 1,5...2 мес. Пену приготовляют и наносят пеногенерирующими установками. Поверхностное утепление грунта применяют в основном для небольших по площади выемок.

Оттаивание мерзлого грунта проводят способами, которые классифицируются как по направлению распространения тепла в грунте, так и по виду теплоносителя.

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

Оттаивание грунта сверху вниз. Этот способ является наименее эффективным, так как источник тепла размещается в зоне холодного воздуха, что вызывает большие потерн тепла. В то же время этот способ достаточно легко и просто осуществим, требует минимальных подготовительных работ, в связи с чем часто применяется на практике.

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

По виду теплоносителя различают следующие основные способы оттаивания мерзлых грунтов,

Огневой способ, В этом случае можно обойтись костром, разводимым на участке предполагаемой разработки грунта. Но сжигаемое в костре топливо расходуется весьма неэкономно — лишь ничтожная часть выделяемой тепловой энергии используется на оттаивание грунта. Этот способ может применяться в исключительных случаях для очень малых объемов работ.

Для отрывки зимой небольших траншей более экономично применять звеньевой агрегат, состоящий из ряда металлических коробов в форме разрезанных по продольной оси усеченных конусов, из которых собирают сплошную галерею. Первый короб 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.

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 концентрацией 0,2...0,5% с таким расчетом, чтобы масса раствора была не менее массы опилок. Вначале смоченные опилки являются токопроводящим элементом, так как замерзший грунт не проводит ток, 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 — нижележащие слон. В дальнейшем опилочный слой защищает отогреваемый участок от потерь тепла в атмосферу, для чего слой опилок покрывают толем или щитами.

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

Оттаивание грунта вертикальными электродами. Электроды представляют собой стержни из арматурной стали с заостренными нижними концами. При глубине промерзания более 0,7м их забивают в грунт в шахматном порядке на глубину 20...25см, а по мере оттаивания верхних слоев грунта погружают на большую глубину. При оттаивании сверху вниз необходимо систематически убирать снег и устраивать списочную 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...1,5м. После отключения электроэнергии в течение 1...2сут 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, расположенные в шахматном порядке на глубине, превышающей на 15...20см толщину мерзлого грунта. Расход энергии при отогреве грунта снизу вверх существенно снижается, составляя 50...150МДж на 1м³, а засыпать 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 в направлении сверху вниз и снизу вверх. При этом трудоемкость подготовительных работ значительно выше, чем в первых двух вариантах. Применяют этот спо­соб лишь в исключительных случаях, когда необходимо срочно оттаять грунт.

Паровое оттаивание основано на выпуске пара в грунт, для чего служат специальные технические средства — паровые иглы. Паровая игла — это металлическая труба длиной до 2 м диаметром 25...50 мм. На нижнюю часть трубы насажен наконечник с отверстиями диаметром 2...3 мм. Иглы соединяются с паро­проводом гибкими резиновыми шлангами с кранами.

Иглы заглубляются в скважины, предварительно пробуриваемые на глубину, равную 0,7 глубины оттаивания. Скважины закрывают защитными колпаками, снабженными сальниками для пропуска паровой иглы. Пар подается под давлением 0,06...0,07 МПа. После установки аккумулирующих колпаков прогреваемую поверхность покрывают слоем термоизолирующего материала (например, опилок). В целях 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 центрами 1...1,5м, Расход пара на 1м³ грунта составляет 50...100кг. При этом методе расходуется примерно в два раза больше тепла, чем при методе глубинных электродов.

Оттаивание электронагревателями основано на передаче тепла мерзлому грунту контактным (кондуктивным) способом. При этом методе в качестве основных технических средств применяют так называемые электроиглы.

Электроиглы представляют собой стальные трубы длиной около 1м и диаметром 50....60мм. Внутри иглы установлен нагревательный элемент, изолированный от корпуса трубы, который имеет контактные выводы для подключения к электрической цепи. Нагреваясь, элемент передает тепловую энергию стальному корпусу, а тот — мерзлому грунту, В настоящее время в практике строительства применяют много типов электроигл (жидкостно-статические, коаксиальные, трубчатые электронагреватели и др.), сохраняющих указанный принцип действия в отличающихся только конструктивным исполнением.

При оттаивании грунтов электронагревателями тепло распространяется в радиальном направлении, а мерзлые перемычки имеют вид конусов, постепенно уменьшающихся со временем размеров. Скорость оттаивания зависит от температуры поверхности нагрева электронагревателей. С повышением температуры скорость оттаивания увеличивается, но повышается удельный расход энергии на оттаивание единицы объема грунта. Наиболее экономичной считается температура нагрева в пределах 60...80°С. Расход электроэнергии составляет 30...35 кВт.ч/м³ мерзлого грунта.

Предварительное рыхление мерзлого грунта осуществляют взрывным или механическим способами.

Рыхление взрывами — один из основных способов подготовки мерзлых грунтов для разработки экскаваторами. Этот способ весьма эффективен при глубине про­мерзания более 1м и больших объемах работ, выполняемых на вновь осваиваемых территориях или вдали от зданий и сооружений. Сущность взрывного способа рых­ления мерзлого грунта состоит в его дроблении энергией взрыва зарядов и по технологии осуществления не отличается от изложенного выше.

Механическое рыхление заключается в дроблении или сколе мерзлого слоя динамическим или статическим воздействием, которое осуществляют сменным рабочим оборудованием, устанавливаемым на базовой машине экскаваторе, тракторе и др.).

Динамическое воздействие наиболее эффективно при разработке твердомерзлых грунтов. Из методов динамического воздействия наиболее распространен ударный способ, при котором используют клин-молот (рыхление раскалыванием) или дизель-молот (рыхление сколом).

Рыхление сколом применяют при глубине промерзания до 1,3 м. Дизель-молот является 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 этого 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 перемещается вдоль бровки, повторяя эту операцию.

Мерзлый грунт, разрыхленный перекрестными проходками одностоечного рыхлителя, можно успешно разрабатывать тракторным скрепером. Этот способ весьма экономичен и с успехом конкурирует с буровзрывным способом.