В строительстве из общего объема земляных работ от 20 до 25% выполняется в зимних условиях, при этом доля грунта, разрабатываемого в мерзлом состоянии, остается постоянной - 10-15% с возрастанием из года в год абсолютного значения этого объема. Следовательно, оптимизация технологии земляных работ в зимних условиях является существенным резервом повышения эффективности строительного производства.
В практике строительства возникает необходимость разрабатывать грунты, находящиеся в мерзлом состоянии только в зимний период года, т.е. грунты сезонного промерзания, или в течение всего года, т.е. вечномерзлые грунты.
Разработка вечномерзлых грунтов может производиться теми же способами, что и мерзлых грунтов сезонного промерзания. Однако при возведении земляных сооружений в условиях вечной мерзлоты необходимо учитывать специфические особенности геотермического режима вечномерзлых грунтов и изменение свойств грунтов при его нарушении.
При отрицательных температурах замерзание воды, содержащейся в порах грунта, существенно изменяет строительно-технологические свойства нескальных грунтов. В мерзлых грунтах значительно увеличивается механическая прочность, в связи с чем разработка их землеройными машинами затрудняется или вообще невозможна без подготовки.
Глубина промерзания зависит от температуры воздуха, длительности воздействия отрицательных температур, рода грунта и др.
В технологическом проектировании для предварительных расчетов глубина промерзания принимается по данным ближайшей метеорологической станции или справочника по климату. В зимних условиях земляные работы могут производиться: с предварительной подготовкой мерзлого грунта для разработки; с непосредственной разработкой мерзлых грунтов в естественном состоянии специально оборудованными для этой цели машинами.
Предварительная подготовка грунта для разработки выполняется одним из следующих способов: предохранением грунта от промерзания, рыхлением мерзлого грунта, оттаиванием мерзлого грунта. Непосредственная разработка мерзлых грунтов может осуществляться блочным способом или землеройными машинами с рабочим оборудованием, разрушающим мерзлый грунт в естественном залегании. Разрабатывать мерзлый грунт одноковшовыми экскаваторами в зависимости от емкости ковша допускается при толщине мерзлого слоя от 0,25 до 0,4 м.
Уменьшение глубины промерзания позволяет сократить дополнительные затраты, связанные с производством земляных работ в зимнее время, и достигается созданием теплоизоляции на участке разработки или химическим методом-пропиткой грунта солевыми растворами, понижающими температуру замерзания воды в порах грунта. Грунт защищают от промерзания, если заблаговременно известно месторасположение выемки.
Рыхление взрывами - один из основных способов подготовки мерзлых грунтов для разработки экскаваторами. Этот способ весьма эффективен при глубине промерзания более 1 м и больших объемах работ, выполняемых на вновь осваиваемых территориях или вдали от зданий и сооружений.
Сущность взрывного способа рыхления состоит в дроблении мерзлого грунта энергией взрыва зарядов, размещаемых в полостях, предварительно созданных в грунте (шпуры, скважины, рукава, котлы, щели).
Заряд ВВ для рыхления мерзлого грунта может быть определен расчетом (см. формулы 1 и 2).
Механическое рыхление мерзлого грунта применяют при глубине промерзания от 0,4 до 1,5 м и небольших по площади выемках траншей или котлованов.
Сущность механического рыхления состоит 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 производят ударным, вибрационным и виброударным способами.
При ударном способе используют шар-молот или клин-молот, дизель-молот, клиновые тракторные рыхлители и др.
Статическим воздействием разрушение мерзлого грунта осуществляется непрерывно рабочим органом, состоящим из одного или нескольких (до 5) зубьев, внедряемых в грунт при движении трактора (тягача).
При рыхлении статическим воздействием стоимость и затраты труда на 1 м разработанного грунта ниже, чем при ударном.
Оттаивание мерзлых грунтов применяют при незначительных объемах работ, в стесненных условиях, труднодоступных местах и в тех случаях, когда невозможно использовать более экономичные и менее энергоемкие способы. Сущность метода оттаивания заключается в том, что теплота, передаваемая в слой мерзлого грунта, растапливает лед в его порах и обращает грунт в талое состояние.
Способы оттаивания классифицируют: по виду энергии - на тепловую, электрическую, энергию химических реакций; по виду теплоносителя - на воздух, пар, воду; по направлению распространения теплоты в грунте.
Огневой способ наименее экономичен, но благодаря простоте находит применение при аварийно-ремонтных работах.
Химическое оттаивание мерзлых грунтов производится путем введения в грунт раствора хлористого натрия под действием которого растворяются кристаллы льда в порах мерзлого грунта, и его можно разрабатывать обычными землеройными машинами.
Блочный метод разработки предусматривает разработку мерзлого грунта, монолитность которого нарушена посредством разрезки его на блоки (полосы). Специализированными машинами или навесным оборудованием нарезают щели шириной от 5 до 15 см параллельными и пересекающимися проходками, а отдельные блоки затем удаляют экскаватором, бульдозером или краном.
Выполнение земляных работ с предварительной подготовкой мерзлого грунта к разработке вызывает значительные усложнения работ и дополнительные затраты. В связи с этим ведется интенсивный поиск методов разработки и средств механизации, позволяющих разрабатывать мерзлый грунт в естественном залегании.
Для разработки мерзлого грунта без предварительной подготовки используют землеройно-фрезерные машины, многоковшовые и одноковшовые экскаваторы со специальным рабочим оборудованием, обеспечивающим разрушение мерзлого грунта в процессе его экскавации.
Производство земляных работ в зимних условиях связано с дополнительными затратами материально-технических и энергетических ресурсов, повышением стоимости и трудоемкости работ, поэтому необходима тщательная разработка этого раздела в проекте производства работ (ППР).
При технологическом проектировании должны быть определены последовательность и объем различного вида операций по подготовке и разработке грунта на основе комплексной механизации всего процесса, обеспечивающие минимальные сроки выполнения работ, трудоемкость и затраты ресурсов. При разработке грунта в зимних условиях могут быть применены различные технологические схемы и комплекты машин. Рациональные схемы и комплекты выбирают для конкретного объекта и времени производства работ и выполняют на основе всестороннего анализа технико-экономических показателей.
