При производстве работ по оттаиванию мерзлых грунтов рационально между нагревателями оставлять некоторые зоны непрогретого грунта с толщиной стенок, позволяющей их разработку непосредственно экскаваторами. Это дает возможность сократить энергоемкость оттаивания на 40-50 %. При ручной разработке необходимо, чтобы грунт оттаял полностью.

Оттаивание грунта паровыми, водяными и электрическими иглами. Паровые иглы, представляют собой металлические трубы длиной до 2 м, диаметром 25-50 мм (рис. 7 а), на нижнюю часть которых насажены конусные перфорированные наконечники с нижним отверстием для выхода пара. Иглы устанавливают в пробуренные скважины на площади будущего котлована, в шахматном порядке, с расстоянием между рядами 1-1,5 м на глубину равную 0,8 глубины промерзания. Скважины закрывают защитными теплоизолирующими колпаками, снабженными сальниками для пропуска паровой иглы. Для уменьшения теплопотерь в атмосферу прогреваемую поверхность покрывают сверху слоем термоизолирующего материала (например, опилок). На строительную площадку пар поступает по магистральному паропроводу от передвижной котельной установки (если отсутствует централизованное снабжение паром). Иглы соединяют с паропроводом гибкими резиновыми шлангами с кранами, пар подают под давлением 0,06-0,07 МПа. По мере оттаивания мерзлого грунта рабочий, поворачивая паровую иглу с помощью рукояток, разрабатывает резцами талый грунт и погружает иглу на нужную глубину. Оттаивание мерзлого грунта паровыми иглами ведут от 2-3 ч (песчаные грунты) до 4-6 ч (глинистые грунты) с перерывами 1-2 ч, после чего вновь пускают пар. Недостатки способа: дороговизна; большой расход пара (50-100 кг на 1 м3 грунта); пар, конденсируясь в затрубном пространстве скважины, увлажняет грунт; необходимо иметь паровой котел с утепленными паропроводами; трудоемкость (при монтаже, демонтаже и утеплении трубопроводов), металлоемкость и громоздкость. Этот метод требует расхода теплоты примерно в 2 раза больше, чем метод глубинных электродов.

Рис. 7

Водяные иглы (рис. 7 б) размещают по площади будущего котлована аналогично паровым на расстоянии друг от друга 0,75-1,5 м, что зависит от вида грунта и требуемой скорости его оттаивания. Водяная циркуляционная игла состоит из двух труб: наружной с заостренным наконечником и внутренней. По наружной трубе подается вода с температурой 70 °С а по внутренней отводится охлажденная вода к передвижной котельной установке. Горячая вода, циркулируя между стенками наружной и В1гутренней трубы, отдает теплоту промерзшему грунту. Для уменьшения тепловых потерь э атмосферу поверхность оттаиваемого грунта покрывают слоем опилок. Достоинства способа: грунт не увлажняется как при оттаивании с помощью паровых игл; КПД несколько выше по сравнению с предыдущим способом, поскольку вода, пройдя циркуляционные иглы, возвращается в котел с положительной температурой. Недостатки те же, что и при использовании паровых игл.

Электрические иглы, представляют собой металлические трубы длиной около 1 м, диаметром 50-60 мм. Внутри иглы установлен нагревательный элемент (нихромовая спираль). Для большей аккумуляции теплоты и лучшей теплоотдачи пространство между стенками трубы и спиралью (намотанной, на диэлектрический сердечник) засыпано мелким песком. Электрические иглы подключают к электрической сети переменного тока напряжением 220 В. Электроиглы устанавливают на глубину 0,8 от величины промерзания грунта на расстоянии друг от друга до 1,2 м.

14. Производство работ по оттаиванию грунтов

Основные свойства мерзлых грунтов

Значительная часть территории России расположена в зонах с продолжительной и суровой зимой. Однако строительство здесь ведется круглый год, в связи с чем примерно 20 % общего объема земляных работ приходится выполнять при мерзлом состоянии грунта.

Основными свойствами сезонно-мерзлых грунтов являются повышенная механическая прочность, наличие пластических деформаций, пучинистость и повышенное электросопротивление (рис. 8). Проявление этих свойств и глубина промерзания зависят в основном от длительности промерзания (рис. 8), температуры, влажности и вида грунта.

С понижением температуры механическая прочность грунта, а также удельное сопротивление резанию и копанию резко возрастают (в 5-8 раз). Поскольку температура мерзлого грунта изменяется по глубине, соответственно изменяются прочностные характеристики грунта: наибольшие значения удельного сопротивления копанию имеют место в верхней, наружной части мерзлого слоя и наименьшие - на границе мерзлого и немерзлого (талого) грунта (рис. 8 б).

Рис. 8

Наибольшее увеличение прочности происходит у более влагоемких грунтов: пылеватых, глинистых, супесчаных и песчаных мелкозернистых. Скальные, гравийные и крупнозернистые лески являются невлагоемкими, поэтому они практически не замерзают и их зимняя разработка незначительно отличается от летней.

Помимо указанных факторов, глубина промерзания грунтов зависит и от силы ветра, толщины снежного покрова, характера естественного покрова (трава, пахотная земля, торф, камни, дорожные покрытия и т.д.), а также теплопроводности, влажности и уровня грунтовых вод.

Мерзлые грунты в силу своей повышенной механической прочности и сопротивления копанию (разрушению) усложняют производство земляных работ в зимних условиях и ограничивают возможность применения землеройных (экскаваторов) и землеройно-транспортных машин (бульдозеров, скреперов, грейдеров), уменьшают производительность транспортных средств, способствуют быстрому износу деталей, особенно рабочих органов. В то же время временные выемки в мерзлом грунте можно разрабатывать без откосов.

В зависимости от конкретных местных условий разработку грунта в холодное время года осуществляют следующими методами: 1) предохранением грунта от промерзания; 2) оттаиванием мерзлого грунта; 3) рыхлением мерзлого грунта; 4) непосредственной разработкой мерзлого грунта.

Разработка мерзлого грунта

Непосредственная разработка мерзлого грунта (без предварительного рыхления) ведется двумя методами: блочным и механическим.

При блочном методе монолит мерзлого грунта разрезается на блоки баровыми машинами (по взаимно перпендикулярным направлениям), после чего блоки удаляют экскаватором, строительным краном или трактором (рис. 9). При глубине промерзания до 0,6 м достаточно сделать только продольные прорезы. Глубина прорезаемых щелей в мерзлом слое составляет 0,8hпр (hпр – глубина промерзания), так как ослабленный слой на границе мерзлой и талой зон не препятствует отрыву блоков от массива. Расстояние между нарезанными щелями зависит от размеров кромки ковша экскаватора (размеры блоков должны быть на 10-15 % меньше ширины зева ковша экскаватора). Для отгрузки блоков применяют экскаваторы с ковшами вместимостью 0,5 м3 и выше, оборудованные преимущественно обратной лопатой, так как выгрузка блоков из ковша прямой лопатой сильно затруднена.