Мерзлый грунт и способы его разработки

Трудоемкость извлечения мерзлого грунта крайне велика по причине его значительной механической прочности. К тому же замерзшее состояние грунта осложняет задачу по его выемке из-за невозможности задействования некоторых типов землеройных и землеройно-транспортных машин, снижению производительности и ускоренному износу рабочих частей оборудования. И все же одним достоинством мерзлый грунт обладает – рыть котлованы в нем можно без устройства откосов.

Существует четыре основных способа проведения выемки грунта в холодное время года:

• защита земельного участка работ от промерзания с дальнейшим использованием обычных землеройных машин;
• предварительное рыхление и выемка замерзшего грунта;
• прямая разработка грунта в замерзшем состоянии, т.е. без какой-либо подготовки;
• доведение до талого состояния и последующая выемка.

Подробно рассмотрим каждый из приведенных способов.

Предохранение грунтов от промерзания

Защиту от низких температур грунту обеспечивают путем взрыхления верхнего слоя, застилкой утеплительными материалами и заливкой водных растворов соли.

Распахивание и боронование земельного участка проводится в секторе дальнейших работ по извлечению грунта. Результатом такого рыхления становится ввод большого количества воздуха в грунтовые слои, образование замкнутых воздушных пустот, препятствующих теплоотдаче и сохраняющих положительную температуру в грунте. Распашка проводится рыхлителями или факторными плугами, ее глубина – 200-350 мм. Следом выполняется боронование в одном или двух направлениях (перекрестных) на глубину 150-200 мм, что в итоге повышает термоизоляционные свойства грунта как минимум на 18-20%.
Роль утеплителя при укрывании участка будущих работ выполняют дешевые местные материалы – сухой мох, опилки и стружки, опавшие листья деревьев, шлак и маты из соломы, можно воспользоваться пвх пленкой. Насыпные материалы размещаются на поверхности 200-400 мм слоем. Утепление поверхности грунта производится чаще всего на небольших земельных участках.

Мерзлый грунт – рыхление и выемка

Чтобы снизить механическую прочность зимнего грунта применяются методы его механической и взрывной обработки. Извлечение взрыхленной таким образом земли после проводится обычным способом – при помощи землеройных машин.

Механическое рыхление. В процессе его осуществления грунт режется, скалывается и раскалывается вследствие нагрузок статического или динамического характера.

Статические нагрузки на мерзлый грунт производится металлическим инструментом режущего типа – зубом. Специальная конструкция с гидравлическим приводом, оборудованная одним зубом и более, проводится по участку работ будучи размещенной на гусеничному экскаваторе. Такой метод позволяет снимать грунт послойно на глубину до 400 мм за каждый проход. В процессе рыхления оборудованная зубом установка прежде протягивается параллельно предыдущим проходам с отступом 500 мм от них, затем ее проводят поперечно им под углом от 60 до 90^о. Объемы выемки мерзлого грунта при этом достигают 20 кубометров в час. Послойная статическая разработка мерзлой земли обеспечивает применение установок рыхления на любой глубине промерзания грунта.

Ударные нагрузки на грунтовые участки позволяют снизить механическую прочность замерзшей земли благодаря динамическому воздействию. Применяются молоты свободного падения, обеспечивающие раскалывание и рыхление, или молоты с направленным действием для рыхления расколом. В первом случае используется молот в виде шара или конуса наибольшей массы в 5 т – его канатом закрепляют на стреле экскаватора и после подъема до пяти-восьмиметровой высоты сбрасывают на участок работ. Шарообразные молоты лучше всего подходят для песчаников и супесей, на глинистых почвах эффективны конические молоты – при условии, что глубина промерзания не превышает 700 мм.

Направленное действие на мерзлый грунт осуществляют дизель-молоты, установленные на трактор или экскаватор. Они применяются на любых грунтах при условии глубины промерзания не более 1300 мм.

Снижение прочности мерзлой земли путем взрыва наиболее эффективно – этот метод позволяет выполнять зимнюю выемку грунта на глубине от 500 мм и при потребности извлечения значительных объемов. На незастроенных участках выполняется открытый подрыв, а на частично застроенных необходимо предварительно выставить укрытия и ограничители взрыва – массивные плиты из металла или железобетона. Взрывчатое вещество закладывается в щель или шпур (при глубине рыхления до 1500 мм), а при потребности выемки грунта на большей глубине – в щели и скважины. Для нарезания щелей применяются буровые или фрезерные машины, щели выполняются на 900-1200 мм дистанции друг от друга.

Взрывчатка укладывается в среднюю (центральную) щель, а расположенные по соседству щели обеспечат компенсацию взрывного сдвига мерзлого грунта и погасят ударную волну, тем самым препятствуя разрушениям вне зоны работ. В щель закладывается удлиненный заряд или несколько коротких зарядов сразу, затем ее заполняют песком с утрамбовкой. После взрыва мерзлый грунт в секторе производства работ будет полностью раздроблен, при этом стенки траншеи или котлована, создание которых и было целью выемки земли, останутся неповрежденными.

Разработка мерзлого грунта без его подготовки

Существует два способа прямой разработки грунта в условиях низких температур – механический и блочный.

Технология механической разработки мерзлых грунтов базируется на силовом воздействии, в некоторых случаях включающим в себя удар и вибрацию. В ходе его осуществления используются как обычные машины для землеройных работ, так и оснащенные специальным инструментом.

На небольших глубинах промерзания работы по извлечению грунта применяются обычные землеройные машины: экскаваторы с прямым или обратным ковшом; драглайны; скреперы; бульдозеры. Одноковшовые экскаваторы могут оснащаться специальным навесным оборудованием – ковшами с захватными клещами и виброударными зубьями. Такое оборудование позволяет воздействовать на мерзлый грунт посредством избыточного режущего усилия и вести его послойную разработку, соединив в одной рабочей операции рыхление и экскавацию.

Послойное извлечение грунта выполняется специальной землеройно-фрезерной установкой, срезающей с участка работ слои шириной 2600 мм и глубиной до 300 мм. В конструкции это машины предусмотрено бульдозерное оборудование, обеспечивающие перемещение срезанного грунта.

Суть блочной разработки грунтов заключается в резке мерзлого грунта на блоки с последующим их извлечением при помощи трактора, экскаватора или строительного крана. Блоки нарезаются путем пропиливания грунта резами, перпендикулярными между собой. Если земля промерзла неглубоко – до 600 мм – то для извлечения блоков достаточно выполнить прорезы вдоль участка. Щели прорезаются на 80% глубины, на которую промерз грунт. Этого вполне достаточно, поскольку слой со слабой механической прочностью, расположенный между промерзшей зоной грунта и зоной, сохраняющей положительную температуру, не помешает отделению грунтовых блоков. Дистанция между щелями-прорезями должна примерно на 12% быть меньше, чем кромочная ширина ковша экскаватора. Извлечение грунтовых блоков производится при помощи экскаваторов с обратной лопатой, т.к. выгружать их из ковша прямой лопаты довольно трудно.

Способы оттаивания мерзлого грунта

Они классифицируются по направлению подачи тепла в грунт и виду используемого теплоносителя. В зависимости от направления подачи тепловой энергии существует три способа разморозить грунт – верхний, нижний и радиальный.

Верхняя подача тепла в землю наименее эффективна – источник тепловой энергии находится в воздушном пространстве и активно охлаждается воздухом, т.е. значительная часть энергии расходуется попусту. Однако этот способ оттаивания организоваться проще всего и в этом его преимущество.

Процедура оттаивания, проводимая из-под земли, сопровождается минимальными затратами энергии, поскольку тепло распространяется под прочным слоем льда на поверхности грунта. Главный минус данного способа – потребность выполнения сложных подготовительных мер, поэтому он применяется редко.

Радиальное распространение тепловой энергии в толще грунта осуществляется при помощи вертикально утопленных в землю тепловых элементов. Эффективность радиального оттаивания находится между результатами верхнего и нижнего прогревания грунта. Для осуществления этого способа требуются несколько меньшие, но все же достаточно высокие объемы работ по подготовке прогрева.

Разморозка грунта зимой проводится с использованием огня, электрических термоэлементов и горячего пара.
Огневая методика применима для рытья относительно узких и неглубоких траншей. На поверхности участка работ выставляется группа коробов из металла, каждый из которых представляет собой разрезанный пополам усеченный конус. Они ставятся разрезанной стороной на землю вплотную друг к другу и образуют галерею. В первый короб закладывается топливо, которое затем поджигается. Галерея из коробов становится горизонтальной вытяжной трубой – вытяжка идет из последнего короба, а продукты сгорания движутся по галерее и обогревают грунт. Чтобы понизить потери тепла от контакта корпуса коробов с воздухом, они засыпаются шлаком или талым грунтом с участка, работы на котором проводились ранее. Образовавшуюся по окончании прогрева полосу размороженного грунта необходимо засыпать опилками или застелить пвх пленкой, чтобы аккумулированное тепло способствовало дальнейшему оттаиванию.

Электрический прогрев мерзлого грунта базируется на способности нагрева материалов при пропуске через них электротока. С этой целью применяются вертикально и горизонтально ориентированные электроды.

Горизонтальное оттаивание производится электродами из круглой или полосовой стали, уложенной на грунт – чтобы подключить к ним электропровода, противоположные концы стальных элементов загибают на 150-200 мм. Прогреваемый участок с размещенными на нем электродами засыпается опилками (толщина слоя – 150-200 мм), предварительно смоченными солевым раствором (концентрация соли – 0,2-0,5%) в количестве, равном исходной массе опилок. Задача опилок, пропитанных солевым раствором – проводить ток, поскольку мерзлый грунт в начальной стадии работ ток проводить не будет. Сверху слой опилок закрывается пленкой пвх. По мере прогрева верхний грунтовый слой становится проводником тока между электродами и интенсивность оттаивания значительно возрастает – прежде размораживается средний слой грунта, а затем и расположенные ниже. По мере включения слоев грунта в проведение электротока слой опилок начинается выполнять вторичную задачу – сохранение тепловой энергии в участке работ, для чего необходимо укрыть опилки деревянными щитами или толем. Оттаивание мерзлого грунта горизонтальными электродами производится на глубину промерзания до 700 мм, затраты электроэнергии при обогреве кубометра земли составляют 150-300 МДж, опилочный слой прогревается до 90^оС, не более.

Вертикальное электродное оттаивание производится при помощи стержней, изготовленных из арматурной стали и имеющих один острый конец. Если глубина промерзания грунта равна 700 мм, стержни вбиваются прежде на глубину 200-250 мм шахматным порядком, а после оттаивания верхнего слоя их утапливают на большую глубину. В процессе работ по вертикальному размораживанию грунта требуется устранять снег, накопившийся на поверхности участка, засыпать его опилками, смоченными солевым раствором. Процесс прогрева идет также, как и при горизонтальном оттаивании с применением полосовых электродов – по мере оттаивания верхних слоев важно периодически погружать электроды дальше в грунт до глубины 1300-1500 мм. По окончании вертикального оттаивания мерзлого грунта электроды извлекаются, но вся площадка остается под слоем опилок – еще 24-48 часов грунтовые слои будут размораживаться самостоятельно благодаря накопленной тепловой энергии. Затраты электроэнергии на работы по вертикальному оттаиванию немного ниже, чем при выполнении горизонтального размораживания.

Для электродного обогрева грунта по направлению снизу вверх необходима предварительная подготовка скважин – их бурят на 150-200 мм глубже, чем глубина промерзания. Скважины располагаются в шахматном порядке. Данный способ характеризуется меньшими затратами электроэнергии – около 50-150 МДж на кубометр грунта.

Стержни электродов вводятся в подготовленные скважины, достигая не промерзшего слоя земли, поверхность участка засыпается отпилками, смоченными солевым раствором, поверх укладывается пластиковая пленка. В результате процесс оттаивания идет в двух направлениях – сверху вниз и снизу вверх. Данный метод оттаивания мерзлого грунта осуществляется редко и исключительно при необходимости срочно разморозить участок для выемки земли.

Оттаивание паром проводится при помощи специальных приспособлений – паровых игл, выполненных из металлических труб диаметром 250-500 мм, по которым в грунт вводится горячий пар. Нижняя часть паровой иглы оборудуется металлическим наконечником, содержащим множество 2-3 мм отверстий. К верхней (полой) части трубы-иглы подключается резиновый шланг, снабженный краном. Для установки паровых игл в грунте пробуриваются скважины (шахматный порядок, дистанция 1000-1500 мм) протяженностью 70% от требуемой глубины оттаивания. На отверстия скважины одеваются металлические колпаки, оснащенные сальниками, через которые будет пропущена паровая игла.

После установки игл по шлангу в них под давлением 0,06-0,07 МПа подается пар. Поверхности оттаиваемого участка земли закрывается слоем опилок. Потребление пара на прогрев кубометра грунта – 50-100 кг, по расходу тепловой энергии этот способ в 1,5-2 раза более затратный по сравнению с прогревов заглубленными электродами.

Способ оттаивания мерзлого грунта при помощи контактных электронагревателей внешне схож с паровым размораживанием. В металлические полые иглы, длиной порядка 1000 мм и диаметром не более 60 мм, устанавливаются нагревательные элементы с изоляцией от металлического корпуса иглы. При подключении электропитания нагревательный элемент сообщает тепловую энергию корпусу иглы-трубы, а она – слоям грунта. Тепловая энергия в процессе прогрева распространяется радиально.