Электротехника в строительстве (стр. 8 из 8)
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.
Рис. 9
Механический метод основан на силовом (иногда в сочетании с ударным или вибрационным) воздействии на массив мерзлого грунта. Реализуется применением как обычных землеройных и землеройно-транспортных машин, так и машин, оборудованных специальными рабочими органами.
Обычные машины применяют при небольшой глубине промерзания грунта: экскаваторы с прямой и обратной лопатой с ковшом вместимостью до 0,65 м3 – при промерзании 0,25 м; то же с ковшом вместимостью до 1,6 м3 – 0,4 м; экскаваторы-драглайны – до 0,15 м; бульдозеры и скреперы – 0,05-0,1 м.
Расширение использования в зимнее время одноковшовых экскаваторов возможно при применении специального оборудования – ковшей с виброударными активными зубьями (рис. 10 а) и ковшей с захватно-клещевым устройством (рис. 10). За счет избыточного режущего усилия одноковшовые экскаваторы могут послойно разрабатывать массив мерзлого грунта, объединяя процессы рыхления и экскавации.
Рис. 10
Послойную разработку грунта также можно осуществлять специализированной землеройно-фрезерной машиной, которая снимает слой толщиной до 0,3 м и шириной 2,6 м (рис. 10 в). Перемещение разработанного мерзлого грунта производят бульдозерным оборудованием, входящим в комплект машины.
Оттаивание мерзлого грунта
Оттаивание мерзлого грунта осуществляют тепловыми способами, характеризующимися значительной трудоемкостью и энергоемкостью. Поэтому их применяют только в тех случаях, когда другие эффективные методы недопустимы или неприемлемы, а именно: вблизи действующих подземных коммуникаций и кабелей; при необходимости оттаивания промерзшего основания; при аварийных и ремонтных работах; в стесненных условиях (особенно при техническом перевооружении и реконструкции предприятий).
Способы оттаивания мерзлого грунта классифицируют как по направлению распространения теплоты в грунте, так и по применяемому виду теплоносителя.
По направлению распространения теплоты в грунте применяются следующие способы оттаивания:
поверхностное оттаивание (по поверхности грунта от нагревателя, размещенного на ней);
глубинное оттаивание снизу вверх (к поверхности грунта от нагревателя, размещенного ниже слоя мерзлого грунта);
радиальное оттаивание (в радиальном направлении от нагревателя, размещенного в шпуре в мерзлом слое грунта);
комбинированное оттаивание (в нескольких направлениях от нагревателей, расположенных в любой зоне мерзлого грунта или на поверхности).
Способ поверхностного оттаивания достаточно легок и прост в применении, так как требует минимальных подготовительных работ, но малоэффективен, так как источник теплоты размещается в зоне холодного воздуха, что приводит к большим потерям тепла.
Главный недостаток способа глубинного оттаивания – необходимость выполнения трудоемких подготовительных операций, что ограничивает область его применения, но расход энергии минимален, так как оттаивание происходит под защитой льдоземляной корки и теплопотери при этом практически исключаются.
Способ радиального оттаивания по своим экономическим показателям занимает промежуточное положение между двумя ранее описанными, а для осуществления требует значительных подготовительных работ.
15. Оттаивание мерзлых грунтов нагревателями, работающими на пропане
Применяются следующие нагревательные агрегаты: передвижные нагреватели, работающие на нефтяном жидком топливе; обычно они имеют собственный водяной насос или подключаются в циркуляционную линию после фильтров. Их мощность составляет, как правило, около 45 кВт-ч (40 000 ккал/ч). Коэффициент полезного действия 70-80%; прямоточные нагреватели, работающие на пропане, с встроенным фильтром или без него (в последнем случае с циркулярным насосом). Их мощность составляет 37 кВт (32000 ккал/ч). Расход пропана около 3,2 кг/ч. Коэффициент полезного действия около 80%; стандартные газовые водонагреватели мощностью 17,5 кВт (15 000 ккал/ч), 23 и 28 кВт. Подключаются в циркуляционную линию за фильтром насоса. Система регулируется количеством пропускаемой воды. Термостат связан с насосом или смесителем; при недостатке воды отключается подача газа. Требуется ежегодная очистка внутренних элементов. Коэффициент полезного действия около 80% (рис. 11).
Рис. 11 - Прямоточный газовый нагреватель для обогрева: 1 - прямоточный газовый нагреватель; 2 - регулирующее устройство; 3 - термометр; 4 - фильтр; 5 - обратный клапан; 6 - насос; 7 - выпуск воды