Производство земляных работ в зимнее время
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 разработка глубоких траншей и котлованов.
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.
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.
Земляные работы в зимнее время. Часть 2 : Мерзлые грунты
При большей глубине промерзания (от 0,4 до 2 м) разработку грунта ведут с предварительным рыхлением машинами статического и динамического действия.
К рыхлителям статического действия относятся навесные рыхлители на тракторах (рис. 4.13, г), землеройно-фрезерные машины (рис. 4.13, д) и специально оборудованные экскаваторы обратная лопата. Разработка мерзлого грунта с помощью рыхлителей целесообразна на больших площадях при устройстве котлованов и широких траншей (более 8 м). Работа выполняется обычно рыхлителями в комплекте с бульдозером и экскаватором. При больших глубинах промерзания мерзлый грунт разрабатывают послойно (от 0,4 до 1 м) с последующей погрузкой экскаватором в транспорт (рис. 4.13, е).
Рис. 4.13. Методы и средства разработки мерзлых грунтов
Рыхлителями динамического действия являются подвесные шар-молот и клин-молот свободного падения, навесные одно-, двух- и трехклинный рыхлители (рис. 4.13, ж), дизель-молот с клином, вибромолот, пневмо- и гидромолоты (рис. 4.13, з).
Рыхлители динамического действия отличаются от рыхлителей статического действия большими массой и высотой подъема ударной части. Машины динамического действия работают по принципу крупного скола мерзлого грунта. При глубине промерзания более 1 м рыхление выполняется послойно с окучиванием грунта верхнего слоя бульдозером. Размер выемки должен быть не меньше ширины полосы (1,5. 3 м), разрабатываемой рыхлителем.
При разработке мерзлого грунта с предварительным нарезанием щелей используются машины, оборудованные барами (рис. 4.13, и), дисковыми фрезами (рис. 4.13, к) или пилами, либо одноцепные экскаваторы.
Такой метод применим при отрывке траншей и котлованов любых размеров. В связи с нарезкой мерзлого грунта на блоки или полосы данный метод называется блочным. Рассматривают мелко-и крупноблочный методы. Мелкоблочный используют при разработке небольших котлованов и траншей и погрузкой грунта экскаватором в транспорт или работой навымет. При глубине промерзания до 1,3 м и нарезке щелей через 0,4. 05 м грунт разрабатывают экскаватором обратная лопата с ковшом вместимостью 0,65 м 3 и выше. При ширине траншеи поверху до 2 м достаточно сделать только продольные прорези, при ширине свыше 2 м нарезают и поперечные (под углом 30°) щели (рис. 4.13, л). Широкие котлованы разрабатывают только лобовыми проходками. При крупноблочном методе мерзлые грунты нарезают на блоки массой 4. 10 т с последующим удалением их из выемок кранами, тракторами (бульдозерами) или электролебедками.
Рыхление мерзлого грунта взрывным методом применяют при глубине промерзания свыше 0,4 м. Основными способами такого рыхления являются: щелевой, шпуровой и скважинный.
Щелевой способ используют при любой глубине промерзания грунта. Щели шириной 15. 30 см и глубиной (0,9. 0,95) hпр нарезают с шагом (0,9. 1,3) hпр. Количество щелей зависит от размеров выемки. Заряд закладывают через одну щель.
Шпуровой способ применяют при глубине промерзания до 1,5 м. Шпуры диаметром до 75 мм располагают в углах квадратной сетки с размером сторон (0,7. 1,3) /г.
Скважинный способ рыхления рационален при глубине промерзания более 1,5 м. Скважины диаметром 140 мм располагают рядами в шахматном порядке. Расстояние между скважинами в ряду принимают (0,9. 1,1) hпр, между рядами — (1,1. 1,3) hпр
Способность разрыхленного различными методами грунта с течением некоторого времени вновь смерзаться требует при разработке комплексного технологического процесса земляных работ учитывать время начала смерзания грунта в зависимости от температуры наружного воздуха (при —5°, —10°, —20° и —30°С время смерзания соответственно 90, 60, 40 и 20 мин).
Обратную засыпку траншей и пазух фундаментов в зимнее время можно производить только талым грунтом с пониженной влажностью. Допускается наличие мерзлых комьев в грунте не более 15%. Размер комьев не должен превышать половины толщины уплотняемого слоя. Отсыпку грунта ведут более толстыми слоями (не менее 60 см) с выбором соответствующих грунтоуплотняющих машин и механизмов. Работы производят на суженном фронте с такой интенсивностью, чтобы уложенный слой грунта не замерзал до отсыпки следующего слоя. При перерывах в работе предусматриваются временные средства для утепления грунта.
При отрывке траншей и котлованов в зимнее время должны быть предусмотрены специальные меры от промерзания основания выемок. Грунт кавальеров, идущий на обратную засыпку с послойным уплотнением, также должен быть утеплен.
Особенности производства земляных работ в зимнее время
Зимой, при установлении отрицательных температур, происходит замерзание грунта вследствие потери тепла и перехода содержащейся в его порах воды в лед, сопровождающееся изменением его физико-механических свойств (прочности, деформативности, теплопроводности и др.).
Учитывая, что при замерзании механическая прочность грунта, а следовательно и трудоемкость разработки, резко возрастают, стараются проводить мероприятия по предварительной защите грунта от промерзания, обеспечивающие его разработку в талом виде. Таким образом, основными методами подготовки и разработки грунтов в зимний период являются предохранение их от промерзания, тепловое и химическое оттаивание, рыхление и механическая разработка мерзлых грунтов. Факторами, определяющими выбор методов и способов зимней разработки грунта, являются объемы работ, свойства грунта, вид земляного сооружения и конкретные условия строительства.
Предохранение грунта от промерзания выполняют задолго до наступления холодов путем его вспахивания с боронованием, глубокого рыхления, укрытия утепляющими материалами и химической обработки.
Однако, когда грунт не удалось своевременно предохранить от замерзания и по графику работ грунты необходимо разрабатывать в зимнее время, т.е. в мерзлом состоянии, то в этом случае приходится либо их оттаивать, либо разрабатывать в мерзлом виде с использованием специальных средств и методов.
Глубинное и радиальное оттаивание осуществляют гидравлическим, циркуляционными водяными, паровыми и электрическими иглами, а также электродами.
Рыхление и разработку грунтов в мерзлом состоянии осуществляют взрывным или механическим способом.
При рыхлении грунта взрывным способом (рис. 4.22, а) участок разбивают на захватки, где на первой из них бурят шпуры, заряжают и взрывают их; на второй работы по условиям безопасности не производят; на третьей ведут разработку грунта. Размеры захваток определяют исходя из сменной производительности экскаватора (экскаваторов).
Рис. 4.28 – Рыхление мерзлых грунтов при устройстве котлованов
Разработку грунтов в мерзлом состоянии можно вести только с помощью мощного землеройного оборудования, которое позволяет разрабатывать мерзлый грунт без его предварительной подготовки (рыхления). В качестве такого оборудования применяют гидравлические экскаваторы. Особенно эффективно они работают при использовании прямых и обратных лопат с ковшами активного действия, в днище которых вмонтированы пневмо-молоты с зубьями, обеспечивающие разрушение мерзлого грунта.
Способы разработки траншей в зимнее время следующие: разработка траншеи в задел, с предохранением грунта от промерзания, без предварительной подготовки, с предварительным рыхлением. Разработку траншей в задел (т.е. заблаговременно) на полный профиль производят в осенний период до наступления морозов. Недостатком этого способа является то, что откосы траншеи с течением времени частично обрушаются, а отвал грунта к моменту засыпки трубопроводов смерзается, что требует его предварительного рыхления перед засыпкой. Способы разработки траншей с предохранением грунта от промерзания принципиально аналогичны способам, рассмотренным выше. Траншеи без предварительной подготовки разрабатывают в тех случаях, когда имеются необходимые технические условия. При глубине промерзания до 0,3 м траншеи можно разрабатывать одноковшовыми экскаваторами, а в грунтах с глубиной промерзания до 1,5 м их на полный профиль можно отрывать роторными экскаваторами.
Способ разработки траншеи с предварительным рыхлением грунта взрывным или механическим способом применяют при промерзании грунта на глубину более 0,4 м. Рыхление производят шпуровыми зарядами или с помощью рыхлителей. Разрыхленный грунт планируют бульдозером, а разработку траншеи осуществляют одноковшовым экскаватором. Протяженность участка разрыхляемого грунта необходимо принимать равной сменной производительности экскаватора во избежание повторного смерзания грунта.
Темпы ведения земляных работ при рытье траншей в зимнее время необходимо строго согласовывать с темпами изоляционно-укладочных работ на трубопроводе, так как при опережении земляных работ даже на 2. 3 дня возникает опасность смерзания отвала грунта. Это потребует либо предварительного разрыхления грунта в отвале перед засыпкой трубопровода (что сделать не всегда легко), либо присыпки труб перед обратной засыпкой.
Рекомендуемая дополнительная литература
1. СНБ 5.01.01-99 Основания и фундаменты зданий и сооружений. – Мн.: Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь, Мн., 1999. – 36 с.
2. СНиП 3.02.01-87. Земляные сооружения, основания и фундаменты / Госстрой СССР – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988. – 128 с.
3. Пособие П11-01 к СНБ 5.01.01-99. Геотехнические реконструкции оснований зданий и фундампентов сооружений. – Мн.: Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь, Минск, 2001. – 120 с.
4. Пособие П17-02 к СНБ 5.01.01-99. Проектирование и устройство подпорных стен и креплений котлованов. – Мн.: Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь, Мн., 2003. – 95 с.
5. Земляные работы (Справочник строителя) / Под ред. Л.В. Гриншпуна. – М.: Стройиздат, 1992. – 352 с.
Тема 5. Бетонные и железобетонные работы
Производство земляных работ в зимних условиях
При производстве земляных работ в зимнее время в целях снижения трудоемкости разработки грунта осуществляют 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, перелопачиванием грунта экскаватором на глубину до 1,3—1,5 м; задержанием снега на площадях, предназначенных для разработки; при малосвязных грунтах (на небольших участках) — покрытием поверхности грунта торфом, опилками, шлаком, соломой, листвой.
Толщина этого слоя определяется расчетом и зависит от теплоизоляционных свойств утеплителя, характеристики утепляемого грунта, а также периоды зимы, в котором намечено выполнение земляных работ. Так, для средней полосы СССР толщина (в см) слоя опилок или торфа для утепления глинистых грунтов, подлежащих разработке в ноябре, составляет 15, в декабре — 25, в январе — 35, в феврале — 40 и в марте — 45.
При большой и открытой (свободной от зданий) поверхности участка, разрабатываемого в зимних условиях, его целесообразно утеплять снегом, создавая искусственный снежный покров толщиной 1—1,5 м. Для этого устраивают несколько перпендикулярных к направлению господствующих ветров рядов изгородей из специальных щитов размером 1,5×2 м с просветами в количестве 30—50% от площади и расстоянием между рядами, равным 10—15-кратной высоте изгороди. Задержать снег можно также образованием снежных валов с первоначальной высотой 0,4—0,5 м, которые устраивают при помощи бульдозеров и грейдеров.
Если грунт не удалось предохранить от промерзания, то его подготавливают к разработке рыхлением, разрезкой на блоки или оттаиванием.
Рис. 1. Ударные приспособления для рыхления мерзлого грунта: а — шар-молот; б — клин-молот; в — клин-молот с зубьями; г — клин-молот конусный
Разработку грунта экскаватором с ковшом емкостью 0,5 м3 при толщине мерзлого грунта до 0,35 м и экскаватором с ковшом емкостью 1—2 м3 при толщине мерзлого грунта до 0,4 м производят без предварительного рыхления.
При большей глубине промерзания производится предварительное рыхление грунта ударными приспособлениями (рис. 139), подвешенными к стреле экскаватора-драглайна или к решетчатой стреле, смонтированной на тракторах С-80 и С-100, шар-молотом при глубине промерзания 0,4—0,5 м и клин-молотом массой 1—3 т при глубине промерзания до 0,6—0,7 м, который разрыхляет за смену до ПО м3 мерзлого грунта.
За последнее время все большее распространение получает весьма эффективный способ рыхления мерзлого грунта при помощи дизель-молота и клина, установленных в качестве сменного оборудования на экскаваторах (рис. 140) и тракторах. С помощью дизель-молота произвоаят рыхление мерзлого грунта на глубину до 1,3 м в радиусе 5 м. Производительность установок, оборудованных дизель-молотом, ioU-200 м3 мерзлого грунта за смену.
Эффективным способом механической подготовки к разработке мерзлого грунта является устройство в мерзлом грунте прорезей.
Для этого на траншейном экскаваторе ЭТ-352 вместо ковшовой рамы устанавливают сменное оборудование из двух цепных бар (цепей с резцами от врубовой машины). Каждый бар имеет резцы, на рабочие грани которых наплавлен сталинит. С помощью бар в мерзлом грунте делают прорези. Производительность экскаватора ЭТ-352, оборудованного барами, 52—61 м3 в смену.
Для резания мерзлого грунта применяют и другие механизмы—дисковые пилы, роторные экскаваторы с ковшами, оборудованными зубьями с формой клыков для скалывания мерзлого грунта.
При больших объемах работ на площадках, расположенных вдали от жилых и промышленных зданий, и при глубине промерзания более 1 м наиболее целесообразным и экономичным является взрывной способ рыхления грунта. При небольших объемах работ и неглубоком промерзании предварительное рыхление грунта осуществляют также пневматическими молотками и перфораторами. При невозможности применения взрывного или механического способа рыхления грунта его оттаивание производят электропрогревом, прогреванием паром, горячей водой или огневым способом. Электропрогрев грунта осуществляют горизонтальными и вертикальными электродами. При значительной глубине промерзания грунта используют глубинные электроды. Для этого мерзлый грунт прогревают электрическим током при помощи металлических электродов, расположенных горизонтально в виде струи в слое опилок, смоченных раствором поваренной соли или хлористого кальция. Применение горизонтальных электродов целесообразно при отогревании про-мерзшего грунта на глубину до 0,5—0,7 м, а также если вертикальные электроды нельзя применить вследствие невозможности забивки их в грунт.
При введений вертикальных электродов из круглой стали в грунт достигается отогрев сразу на более значительную глубину. Сверху грунт прикрывают опилками или соломенными матами.
Рис. 4. Схема электропрогрева грунта: а — установка горизонтальных (струнных) электродов; б — то же, вертикальных (стержневых); 1 — мерзлый грунт; 2 — горизонтальные электроды; 3 — опилки, смоченные раствором соли; 4 — провода, подводящие ток; 5 — верхнее утепление; 6 — вертикальные электроды
Вначале электроды устанавливают на глубину до 0,25 м, а после обогрева в течение 2—6 ч опускают еще на 0, 2—0,25 м и отогревают грунт на полную глубину.
В плане электроды располагаются на расстоянии 0,4—0,8 м и проводами соединяются с распределительным щитом. iMecTO электроотогрева грунта должно быть ограждено.
Для оттаивания грунтов паром или горячей водой применяют паровые или водяные циркуляционные иглы, устанавливаемые в скважины, пробуренные на глубину 0,7 толщины промерзшего слоя. Во избежание насыщения основания водой, нарушения структуры и понижения несущей способности грунта оттаивание его паром применяют в исключительных случаях.
При разработке траншей для оттаивания грунта эффективно применение агрегата, работающего на жидком топливе с паровым дутьем.
На выровненную трассу траншеи укладывают внахлестку 6 коробов (имеющих внутри по две стальные распорки), засыпаемых слоем 15—20 см шлака или песка. Под головной короб устанавливают форсунку с поддоном, укрепленную на салазках, и соединяют ее шлангами с топливным бачком и бачком-парообразователем, заливаемым на 3/4 водой, добавляемой через каждые 30—40 мин работы агрегата. На поддоне под бачком-парообразователем зажигают пропитанную соляровым маслом ветошь и открывают кран топливного бачка. Пар из бачка, проходя через форсунку, распыляет топливо и удлиняет факел пламени, засасывая воздух под короба. Прогреваемый участок грунта длиной 8 м и шириной 1 м за 6—8 ч оттаивает на глубину 20— 30 см. В конце смены агрегат убирают и на поверхность прогретого грунта насыпают слой опилок толщиной 20 см. Через 10—12 ч после этого грунт дополнительно оттаивают на глубину до 1 м.
При наличии газа отогревание грунта может быть произведено при помощи специальной горелки, присоединенной гибким шлангом к газовой сети.
Рис. 5. Агрегат для оттаивания грунта системы Г. Грот-Криваля и Е. Ефименко: 1 — головная секция короба из стали 6 8 — 10 мм; 2— торцовая заслонка; 3— форсунка; 4— шланг для горючего; 5 — бачок для горючего; 6 — паровой шланг; 7 — патрубок для заливки воды; 8 — паровой бачок из стали 6—8 мм или из трубы И 200—250 мм; 9 — промежуточные секции коробов из стали 3—. 4 мм; 10 — вытяжная труба 22 см и длиной 2,5 м из стали б 3—4 мм; 11 – хвостовой короб
Выбор способа выполнения земляных работ в зимних условиях производится исходя из объема работ, наличия на строительной площадке свободных энергетических ресурсов — электроэнергии, газа, пара, топлива, горячей воды и сравнения технико-экономических показателей, в которых основными являются трудоемкость и стоимость производства подготовки грунта к разработке.
С наступлением зимних холодов начинается промерзание грунта, глубина которого зависит от температуры окружающего воздуха, свойств грунта, скорости потока грунтовых вод. Промерзание грунтов сопровождается ростом их механической прочности.
Рис. 1. Машины для резания мерзлых грунтов:
а — трехбаровый механизм на базе экскаватора; б — дискофрезная машина на базе трактора
Зная заранее место будущего строительства, еще в осенний период можно провести работы, в результате которых глубина промерзания зимой уменьшится. К таким работам относятся: устройство водоотводных канав, вспашка и боронование поверхностного слоя, утепление его шлаком, опилками, торфом, соломой или другими теплоизоляционными материалами. Если же по условиям производства работ перечисленные мероприятия не проводились или из-за сильных морозов оказались неэффективными и грунт промерз настолько, что не поддается разработке землеройными машинами, необходимо провести его рыхление или оттаивание.
После ряда взаимно перпендикулярных проходок мерзлый слой грунта оказывается разрезанным на прямоугольные блоки и поддается разработке землеройными машинами.
Рис. 2. Разработка разрезанного на блоки мерзлого грунта:
а — экскаватором; б — бульдозером; 1 — мерзлый грунт; 2 — талый грунт
Оттаивание мерзлых грунтов может проводиться несколькими способами. К числу их относится оттаивание горячим паром, который подается под уложенный на грунт утепленный короб или по плоским батареям труб, закрытых теплоизоляционными матами. Оттаивание может проводиться также с помощью забитых в грунт электродов, подключенных к сети электрического тока. Нередко грунт оттаивают открытым огнем с помощью установок, работающих на жидком или газообразном топливе.
