Сооружение земляного полотна насыпей и выемок
Подготовительные работы. До начала земляных работ на объектах, намеченных к строительству в зимних условиях, кроме общих подготовительных работ, должны быть проведены следующие специальные предварительные работы: установлены снегонезаносимые разбивочные знаки; обеспечен водоотвод в местах производства работ на осенний дождливый период и на время таяния снега, подготовлены подъездные пути и средства ограждения их от снежных заносов; предохранены от промерзания участки, намеченные к разработке, а также участки с пучинистыми основаниями; обеспечено освещение мест разработки и укладки грунта; подготовлены помещения для обогрева рабочих.
Основания под насыпи должны быть подготовлены в летнее время (включая снятие плодородного слоя почвы), а перед началом работ тщательно очищены от снега, льда и уплотнены. В случае возведения насыпи на сильно и чрезмерно пучинистых грунтах в районах с глубиной промерзания более 1,5 м нижние слои насыпей (1,2-1,5 м) следует устраивать до наступления устойчивых отрицательных температур.
До наступления холодов необходимо подготовить поверхности сосредоточенных резервов и грунтовых карьеров к разработке в зимнее время. Подготовка заключается в устройстве подъездных дорог, расчистке поверхности, устройстве входных забоев и пионерных траншей, а также в укладке утепляющих слоев на поверхности грунта карьера или использовании химических реагентов для предотвращения промерзания грунта. Способы защиты грунта от промерзания указываются в ППР.
Наиболее простой и экономичный способ предохранения грунта от промерзания - рыхление или вспахивание на глубину 35-40 см, желательно с боронованием поверхности на глубину 15 см. Рыхление грунта производят одно- и многостойковыми рыхлителями, вспахивание - плугами с перекрёстным движением агрегата. Мелкое рыхление можно выполнять фрезами или сельскохозяйственными боронами. Данный способ обеспечивает в средней и центральной части страны отсутствие промерзания. Обязательными условиями получения положительного эффекта от рыхления грунта являются: обеспечение стока атмосферных осадков с поверхности утепляемого участка и рыхление непосредственно перед наступлением заморозков.
Для утепления небольших участков и траншей можно использовать перелопачивание и окучивание грунта экскаваторами на глубину ожидаемого промерзания грунта, но не более чем на 1,5 м.
На участках, намеченных к разработке во вторую треть зимы, рыхление грунта должно сопровождаться мероприятиями, обеспечивающими снегонакопление. С этой целью на открытых и хорошо продуваемых участках устраивают снегозадержание в виде снеговых и грунтовых валов или разреженных щитовых рядов. Расстояние между валами или линиями щитов равно 10-15 -кратной высоте вала или щита. Можно проводить засыпку утепляемой поверхности снегом с соседних участков бульдозерами или снегоочистителями-метателями.
В резервах, карьерах и при небольших площадях выемок для защиты грунта от промерзания могут быть использованы местные теплоизоляционные материалы: опилки, стружки, торф, солома, мох. Для длительного сохранения грунта в талом состоянии используется быстротвердеющий пенопласт, изготовленный на месте работ специальными установками из вспененного раствора карбамидоформальдегидной смолы (30 %) и сульфанола (1 %) в воде (54 %), отверждаемый на выходе из установки 4 %-ной соляной кислотой (15 %). Пенопласт заливается слоями толщиной до 5-8 см. Для кратковременного (до 2-3 недель) предохранения от промерзания возможно укрытие грунта геотекстилем или полиэтиленовой плёнкой толщиной 0,08-0,12 мм.
Предохранить грунт от промерзания можно также путём его обработки химическими реагентами (хлористый натрий, нитрат натрия NaNО2 и др.). Для обеспечения необходимого проникания соли вглубь грунта рассыпь сухой соли на участке заканчивается за 5-15 суток до наступления зимнего периода для песчаных и супесчаных грунтов и за 20-30 суток - для суглинистых грунтов. Засоление грунта концентрированным (20-30 %) раствором соли (хлористым натрием) можно проводить непосредственно перед наступлением морозов. Нормы расхода соли принимаются по табл. 11.1.
Таблица 11.1
| Влажность грунта, % | Расход соли, кг/м2 (л/м2), при глубине промерзания, м | ||||||
| 1,0 | 1,2 | 1,4 | 1,6 | 1,8 | 2,0 | 2,4 | |
| 9 (30) | 12 (40) | 15 (47) | 19 (60) | 22 (70) | 26 (80) | 28 (90) | |
| 13 (40) | 19 (60) | 22 (70) | 26 (85) | 32 (100) | 33 (100) | 38 (120) | |
| 16 (45) | 22 (65) | 27 (80) | 32 (100) | 36 (115) | 41 (175) | 45 (130) |
При наличии вблизи карьера источника водоснабжения поверхность грунта, подлежащая разработке, может быть утеплена намораживанием пенольда толщиной до 40-50 см, который в дальнейшем легко счищается бульдозерами по мере разработки карьера. Водовоздушная пена изготовляется в пожарных машинах из водного раствора сульфанола (1 %) или волгоната (0,1 %) с примесью стабилизатора пены (0,05 % карбоксилметилцеллюлозы или желатина) и наносится на изолируемую поверхность слоями толщиной 10-15 см с последующим их замерзанием при температуре воздуха не выше -10°...-12°С.
Резервы, предназначенные к разработке в зимних условиях, должны быть обследованы предварительно осенью. В задачу обследования входит определение плотности и влажности грунтов для решения вопроса о пригодности резерва или его участка для разработки. Пробы грунтов для этих целей берут до глубины, намеченной к разработке. После наступления морозов проверяют влажность грунта в верхнем слое забоя.
В табл. 11.2 приведены данные технико-экономического сравнения различных способов подготовки грунтовых резервов к зимней разработке.
Сооружение насыпей и разработка выемок. При разработке выемок или карьеров в зимних условиях необходимо очищать поверхность экскавации от снега, льда, кустарника, растительного слоя, утепляющих материалов не более, чем на одну смену вперёд, и в дальнейшем - по мере продвижения забоя, непосредственно перед началом разработки грунта. Площадь очистки определяется суточной производительностью землеройной машины при температуре до -10°С, а при более низких температурах - её сменной производительностью, а также возможностью уплотнения планируемого объёма имеющимися уплотняющими средствами.
При сильных снегопадах и метелях разработку грунта и отсыпку насыпей необходимо прекращать, а перед возобновлением работ полностью удалить снег и лёд из забоя. Во время оттепелей и перед началом весеннего снеготаяния верхняя часть и откосы насыпей, возведённые зимой, должны быть очищены от снега. Дно и откосы выемок следует планировать после оттаивания грунта.
Для разработки грунта зимой преимущественно используют экскаваторы с ковшом вместимостью более 1 м3. Если толщина мёрзлого слоя не превышает 25-30 см, то при работе экскаватора с ковшом вместимостью более 1 м3 специального рыхления не требуется. В начале зимы при толщине мёрзлого слоя не более 20 см возможна разработка грунта скреперами с ковшами вместимостью более 6 м3 при условии обеспечения их непрерывной работой. Если толщина мёрзлого слоя больше указанных значений, его нужно предварительно взрыхлить и удалить бульдозерами.
Технико-экономические показатели подготовки грунта к разработке зимой
Таблица 11.2
| Работы | Способ подготовки грунта к разработке | Машины и средства разработки грунта | Показатели на 1 м3 | Рациональные условия применения | |
| энергоёмкость, квт-час | трудоёмкость, чел.-дн | ||||
| Снижение теплопроводности грунта | Вспашка и боронование грунта со снегозадержанием | Тракторные рыхлители, бороны | 0,6 | 0,002-0,04 | Для утепления карьеров и выемок в районах с глубиной промерзания до 1 м и толщиной снега не менее 30 см |
| Перекрёстное рыхление с боронованием | Рыхлители, бульдозеры | - | 0,005 | Для разработки во второй трети зимы при глубине рыхления на 50-80 см | |
| Глубокое рыхление и окучивание | Экскаваторы, рыхлители | 1,6 | 0,02 | Для разработки в последней трети зимы на глубину промерзания не свыше 1,5 м | |
| Рыхление дизель-молотом с клином | Экскаватор Э-652 | - | 0,02 | При разработке выемок и карьеров в I-IV-й температурных зонах | |
| Рыхление виброклином на тракторе Т-130 | Трактор Т-130 | - | 0,003-0,02 | Тоже | |
| Рыхление клин-молотом или шар-молотом | Экскаватор Э-652 | - | 0,02-0,03 | Тоже | |
| Утепление поверхности теплоизоляционными материалами | Утепление опилками слоем до 40 см | Опилки, солома | - | 0,004 | Для утепления карьеров и выемок в I-IV-й температурных зонах при наличии местных дешёвых теплоизоляторов |
| Утепление фрезерным торфом слоем до 40 см | Торф | - | 0,004 | ||
| Покрытие быстротвердеющим пенопластом толщиной 10- 15 см | Пеногенераторная установка | - | 0,005 | В глубоких карьерах для длительного утепления, для покрытия штабелей (буртов) материалов | |
| Покрытие из пенольда толщиной 20 см | Пеногенератор, сульфанол, волгонат, КМЦ, ГКЖ-94 | - | 0,005 | То же, при отсутствии снега и температуре не выше 10-15°С | |
| Укрытие геотекстилем (возможно повторное использование) | Геотекстиль | - | 0,02 | Для задержки промерзания грунта на 2-3 недели в начале зимы при перерывах в работе | |
| Утепление пенопластом толщиной 10-30 см | Пенопласт | - | 0,008 | На дорогах с капитальным типом покрытия II-III категории в I-IV-й температурных зонах | |
| Механическое разрушение | Рыхление, резание грунтов | Тяжёлые рыхлители на тракторах класса тяги более 15 т | 0,6 | 0,002 | Рыхление в карьерах и выемках методом взламывания, для послойного рыхления мёрзлого грунта в выемках |
| Экскаваторы с ковшами активного действия | 1,6 | 0,01 | Разработка карьеров и выемок при промерзании грунта до 40-50 см | ||
| Цепные баровые дискофрезерные машины | 0,06 0,15 | Нарезание на блоки при блочной разработке выемок, при разработке траншей | |||
| Ударный способ | Подвесные к экскаватору шар- и клин-молоты | 2,8 | 0,04 0,06 | Разработка небольших карьеров и стеснённые места при глубине промерзания до 1,5 м | |
| Тракторный дизель-молот с клиньями массой 0,6 т и 1,2 т | - | 0,05 0,03 | |||
| Взрывной способ: а) шпуровой | Передвижные бурильные станки | 1,0 | 0,05 | В карьерах и выемках при глубине промерзания грунта: до 1,5 м | |
| б) скважинный целевой | 1,2 | 0,05 | от 1,5 м до 2,5 м | ||
| в) шахтный (в рукавах) | Баровые и дискофрезерные машины | 1,6 | 0,03-0,05 | более 2,5 м | |
| Врубовые механизмы и щиты | - | 0,10-0,15 | При разработке глубоких выемок на выброс | ||
| Оттаивание | Тепловое, поверхностное | Сжигание в коробах | 1,36 | 0,14-0,16 | На небольших площадях при глубине промерзания до 1,5 м |
| Тепловое, глубинное | Электроиглы, вертикальные электроды | 1,8 | 0,09 | То же, при глубине промерзания до 2,5 м | |
| Химическое оттаивание раствором хлористого натрия | Автоцистерна | - | 0,03 | Для размораживания несвязных грунтов на глубину: до 2.5 м | |
| Буровые станки (для недренирующих грунтов) | - | 0,1-0,3 | до 2,5 м и более. |
При промерзании грунта в карьерах или выемках на глубину, превышающую 30 см, его разработка возможна только после подготовки поверхности одним из следующих способов: предохранением грунта от промерзания, оттаиванием и рыхлением мёрзлого грунта. Выбор способа подготовки должен обосновываться в проекте в зависимости от объёмов и условий работы (см. табл. 11.2), сроков их выполнения, наличия материалов и оборудования, себестоимости подготовительных работ и др.
Предохранение грунта от промерзания позволяет или вообще исключить замерзание поверхности карьера, или снизить толщину мёрзлой корки до тех пределов, когда для её разрушения можно применить навесные тракторные рыхлители. Тип базового трактора-рыхлителя выбирается в зависимости от глубины промерзания (табл. 11.3).
Таблица 11.3
| Глубина промерзания, м | 0,3-0,4 | 0,5-0,7 | 0,7-0,8 |
| Необходимое тяговое усилие трактора, тс | 10-12 | 15-20 | 20-30 |
При таких глубинах рыхление ведётся путём взламывания мёрзлого слоя грунта снизу за один приём. При промерзании более приведённых значений послойное рыхление проводится тяжёлыми рыхлителями, смонтированными на тракторах, развивающих тяговое усилие не менее 25 тс.
Для рыхления мёрзлого грунта при глубине промерзания 0,6-1,0 м применяют различные механизмы ударного действия, смонтированные на бульдозерах, тракторах, тракторных погрузчиках и экскаваторах, рабочими органами которых служат клиновые рыхлители, погружаемые дизель-молотами, ударными приспособлениями, вибраторами и т. п.
При отсутствии специальных рыхлителей и небольших объёмах работ для рыхления мёрзлого грунта допускается применять подвесные к стрелам экскаваторов шар- и клин-молоты. При глубинах промерзания до 0,8-1,5 м используются молоты массой 1,5-3,0 т, сбрасываемые с высоты 2-5 м. Параметры удара подбираются такие, чтобы глубина лунки составляла не менее 0,6 толщины мёрзлого слоя.
Для разработки траншей в мёрзлых грунтах могут быть применены дискофрезерные машины, баровые машины, роторные и цепные экскаваторы со специальным рабочим оборудованием. Эти же машины могут использоваться для разработки выемок блочным способом. Размер распиловки блоков определяется вместимостью ковша экскаватора и составляет от 60×60 до 90×90 см.
При больших объёмах работ на безопасном удалении от зданий, сооружений (линий связи, линий электропередач и др.) и при выполнении других требований охраны окружающей среды для разработки верхней смёрзшейся корки грунта допускается применять взрывание: при глубине промерзания до 1,5 м - шпуровой или щелевой методы; при промерзании на глубину более 1,5 м - скважинный метод. При глубине промерзания до 1,5 м заряды закладывают на глубину промерзания или несколько ниже подошвы мёрзлого слоя. При большей глубине промерзания - на 20-30 см выше границы мёрзлого слоя. Величина зарядов определяется опытным путём в зависимости от прочности грунтов и глубины промерзания. В мёрзлых грунтах рекомендуется бурить шпуры при помощи самоходной машины, передвижными буровыми станками, термобурами и др.
Щели в мёрзлом грунте нарезают щелерезными дискофрезерными или баровыми машинами.
При разработке мёрзлых грунтов забой делят на две смежные захватки, на одной из которых ведут экскавацию взорванного грунта, а другую подготавливают к взрыванию. Шпуры и скважины располагают в шахматном порядке на расстоянии не более удвоенной толщины мёрзлого слоя. Направление бурения шпуров и скважин вертикальное. При рыхлении мёрзлой корки в откосе и лобовой части забоя применяют наклонные шпуры, перпендикулярные к поверхности мёрзлого слоя. Готовые шпуры и скважины закрываются деревянными пробками длиной 25 см.
Зарядные и компенсирующие щели нарезаются параллельно на расстоянии 0,8 м на глубину промерзания грунта. В мёрзлых песчаных и растительных грунтах расстояние между рядами шпуров или щелями можно увеличивать на 10 %, а в тяжёлых уменьшать на 10 %.
При глубине промерзания грунта до 2 м в шпурах и скважинах применяют сосредоточенные, а при большей глубине - рассредоточенные заряды. Зарядка щелей производится через одну щель удлинёнными или рассредоточенными зарядами. Для засыпки зарядов используют песок, гранулированный шлак, смесь песка с глиной или измельченный талый грунт. Забойку необходимо выполнять с максимальной осторожностью.
Метод коротко замедленного взрывания применяют при любой глубине промерзания грунта. Взрывание ведётся строго в соответствии с установленным режимом и графиком работ. Разрыхленный грунт должен быть убран в течение смены, а при сильных морозах (ниже -20°С) в течение 3-4 часов. В связи с этим при температуре ниже -20°С взрывы рекомендуется производить ежесменно.
Взрывные работы производятся специализированными организациями с соблюдением единых правил безопасности при ведении взрывных работ. К началу выполнения работ строительная организация должна быть обеспечена документацией, согласованной с Госгортехнадзором.
В отдельных случаях в стеснённых условиях, труднодоступных местах и незначительных объёмах работ (до 50 м3) при невозможности использования других более экономичных способов допускается оттаивать мёрзлые грунты. Применение того или иного способа оттаивания решается путём проведения специального экономического обоснования, выполненного в ППР.
Для оттаивания мёрзлого грунта на поверхности применяют огневой способ с использованием твёрдого (дрова, торф, каменный уголь), жидкого (керосин, мазут) и газообразного топлива. При огневом способе на площади, предназначенной к оттаиванию, устанавливают короба-сегменты, засыпаемые шлаком или слоем грунта толщиной 10-15 см. Твёрдое топливо сжигается непосредственно в коробе, жидкое и газообразное - в форсунках. Для отогрева грунта также применяются паровые и водяные регистры, электрические спирали, коаксиальные нагреватели, ТЭНы. Для глубинного оттаивания применяют электроиглы, вертикальные электроды, паровые и водяные циркуляционные иглы. Время оттаивания мёрзлого грунта зависит от ряда факторов и при глубине промерзания грунтов 1,0-1,2 м оно находится в пределах от 10-15 часов до 30-40 часов.
Несвязные и малосвязные грунты могут быть разморожены горячим концентрированным (20-23 %) раствором технического хлористого натрия. Начальный расход раствора принимают в соответствии с табл. 11.1. Для ускорения отогрева плохофильтрующих грунтов горячий раствор соли может нагнетаться через скважины или щели, пробуренные на глубину 0,6 м толщины мёрзлого слоя.
В зимних условиях рекомендуется для транспортировки грунта применять автосамосвалы с обогреваемыми кузовами. При наличии обычных автосамосвалов во избежание примерзания грунта к металлу дно и стенки кузовов следует обмазывать изнутри (не реже 2-3 раз в смену) концентрированным раствором технического хлористого кальция или нефтепродуктами (нефть, мазут, отработанное масло). Кузова автосамосвалов, ковши экскаваторов и скреперов в конце смены и при перерывах в работе полностью очищают от грунта.
При транспортировании грунта из резерва в насыпь с соблюдением требования сохранения талого состояния время от начала разработки грунта до окончательного его уплотнения в насыпи не должно превышать пределов, указанных в табл. 11.4.
Таблица 11.4
| Температура воздуха, °С | Время от момента разработки до конца уплотнения грунта, час | Предельная длина рабочей захватки грунтоуплотняющей машины, м |
| 0...-5 | до 3 | 150-100 |
| -5...-10 | 3-2 | 100-60 |
| -10...-20 | 2-1 | 60-35 |
| -20...-30 | 1-0,5 | 35-20 |
Предельную дальность транспортировки грунта устанавливают из условия его несмерзаемости во время перевозки. На эту операцию не должно отводиться более половины указанного в табл. 11.4 времени. В табл. 11.4 дана также рациональная длина рабочей захватки для пневмошинных, решетчатых и вибрационных катков, которую они способны уплотнять до смерзания грунта. При этом ширину захватки следует принимать не более двойной ширины, уплотняемой машиной за один проход. При силе ветра более 4-5 м/сек указанные промежутки времени уменьшают в 2 раза, а при наличии в отсыпаемом грунте более 30 % мёрзлых комьев - ещё в 1,5 раза.
Основные показатели технологического процесса по возведению насыпи зимой (состав дорожно-строительного отряда, расположение карьеров по трассе, скорость рабочего потока по отсыпке насыпи и уплотнению грунта и др.) устанавливаются заранее с учётом вероятных погодно-климатических данных места строительства (СНиП 23-01-99). Надёжность прогнозов условий производства работ принимается равной 90 %.
Размер мёрзлых комьев при возведении насыпей согласно СНиП 3.06.03-85 не должен превышать 30 см при уплотнении грунтов решетчатыми катками и трамбующими машинами и 15 см при уплотнении грунта вибрационными и пневматическими катками массой не менее 25 т. Укладка мёрзлых комьев грунта допускается на расстоянии не ближе 1 м от поверхности откосов. Количество мёрзлого грунта не должно превышать 30 % от общего объёма грунта, укладываемого в насыпь.
Мёрзлый грунт должен быть равномерно распределён по отсыпаемому слою. Нельзя допускать скопления мёрзлых комьев в теле насыпи, особенно в её боковых частях и на откосах. Излишек мёрзлого грунта удаляется за пределы насыпи, крупные мёрзлые комья раздробляются до необходимых размеров. Наличие в насыпи включений снега и льда не допускается. В часть насыпи, расположенную ниже уровня грунтовых вод, на болотах с полным или частичным выторфовыванием разрешается укладывать песчаные мёрзлые грунты при условии, что верхняя часть насыпи будет возведена из талых грунтов.
Кавальеры, отсыпанные в зимних условиях, должны быть отодвинуты от бровки выемки на 1,5 м при высоте кавальера до 2 м и на 2,5 м при высоте кавальера более 2 м. Для наиболее эффективного использования землеройно-транспортного оборудования и исключения дополнительного рыхления грунта, замёрзшего во время перерывов в работе, организуют круглосуточную работу машин на сравнительно узком фронте. При вынужденных перерывах в работе вскрытые резервы и выемки должны быть утеплены с расчётом сохранения талой поверхности на период возобновления разработки грунта.
Уплотнение грунтов. Уплотнение грунтов в зимних условиях ведут в основном тяжёлыми уплотняющими средствами, обеспечивающими значительную глубину проработки слоя на сравнительно узком фронте работ. Необходимый режим работы уплотняющих машин устанавливается по результатам пробного уплотнения с уточнением технологических параметров процесса и максимально допустимой по температурным условиям длины захватки, толщины отсыпаемого слоя грунта, рабочей скорости движения машины и числа проходов (ударов) по одному следу. Уплотняющие средства в зимний период входят в состав ведущих машин.
Наиболее рациональными уплотняющими машинами для зимнего времени являются кулачковые виброкатки массой 10-17 т. В определённых случаях можно применять прицепные решетчатые или пневмоколёсные катки и машины для трамбования. При трамбовании достигается дробление мёрзлых комьев и более плотная упаковка раздробленных частиц. Решетчатые катки разрушают комья в основном в контактной зоне. Для уплотнения талых грунтов при незначительной примеси мёрзлых комьев (до 20 %) допускается использование пневмоколёсных катков массой не менее 25 т.
Применение вибрационных катков в зимнее время даёт успешные результаты. Однако не допускается работа катка на поверхности мёрзлого слоя, поскольку отсутствие демпфирования приводит к осложнённому режиму работы вибрационного устройства.
В I и II дорожно-климатических зонах для насыпей, возводимых на полную высоту из глинистых, а также мелкозернистых песчаных грунтов при отрицательной температуре, проектом должна быть предусмотрена осадка после оттаивания до 3 % высоты насыпи.