Предохранение грунтов от промерзания

Предохранение грунтов от промерзания является наиболее экономичным видом подготовки грунтов к разработке в первой половине зимы [18, 40, 41, 44].

Мероприятия по предохранению грунтов от промерзания могут быть сведены к следующим трем группам:

1. Предварительная механическая обработка поверхности грунта.

2. Укрытия поверхности грунта разного рода утеплителями.

3. Специальные предохранительные мероприятия.

Уменьшение глубины промерзания грунта в резервах или полное устранение промерзания повышает производительность землеройных машин. Предварительная механическая обработка поверхности грунта(вспахивание, боронование с последующим снегозадержанием) в качестве мер предохранения грунтов от промерзания может быть применена во II дорожно-климатической зоне при разработке грунтов до 01...19 декабря, а в I дорожно-климатической зоне не позднее 20...25 ноября.

Вспашку поверхности карьера производят осенью до промерзания грунта на глубину до 40 см с последующим боронованием верхнего слоя. В результате разрыхления грунта резко увеличивается объем пор, которые уменьшают теплопроводность грунта. Теплоизолирующие свойства вспаханного грунта увеличиваются, если он будет покрыт снегом. Для увеличения снежного покрова производят снегозадержание с помощью валов снега или путем установки снегозадерживающих щитов размером 1, 5´ 2, 0 м с просветами площадью 35...50 % от общей площади щита. Ряды щитов или валов снега располагают поперек направления господствующих ветров на расстоянии 10...15-кратной высоты щитов или снежных валов.

Эффективность предохранения грунта от промерзания вспашкой, боронованием и снегозадержанием в районе г. Хабаровска приведена в табл. 4.3.4.

Таблица 4.3.4

Глубина промерзания грунта при вспашке, бороновании, снегозадержании

Часть вспаханного и разрыхленного грунта, покрытого слоем снега, все же промерзает. Глубину промерзания в этом случае определяют по формуле

Н = А (4 Р - Р ²), (4.3.2)

где А - коэффициент, учитывающий способ утепления (табл. 4.3.5);

(4.3.3)

где Т - отрицательная среднемесячная температура;

N - количество дней с отрицательной температурой для рассчитываемого периода зимы.

Таблица 4.3.5

Значение коэффициента А (по данным [41])

Пример. Определить глубину промерзания суглинка в районе г. Хабаровска на 1.01 при условии, что дневная поверхность грунта будет вспахана на глубину 25 см и заборонована. Средняя температура в ноябре -7°С; в декабре - 18°С. Промерзание грунта начинается с 1 ноября.

Вначале определяем величину Р по формуле (4.3.3).

По табл. 4.3.5 находим величину А = 26, соответственно найденному значению Р. По формуле (4.3.2) определяем глубину промерзания грунта при вспаханной и заборонованной поверхности

Н = 28(4·0, 8 - 0, 8²) = 67 см

Влияние слоя снега на глубину промерзания приближенно определяют по формуле

Н = 60(4 Р - Р ²) К_у - B · h_сн, (4.3.4)

где К_у - коэффициент, принимаемый при утеплении глинистого грунта равным 1, 5, супесчаного и суглинистого - 2, 0 песчаного - 2, 5;

В - коэффициент сравнительной теплопроводности снега: для рыхлого снега В = 3, 0, для слежавшегося и насыпного В = 2, 0, для подтаявшего В = 1, 5;

h_сн - средняя высота снежного покрова, см.

Способ предохранения грунтов от промерзания глубоким рыхлением до 1, 5 м применяется при обеспеченном водоотводе и низком уровне грунтовых вод. Глубокое рыхление осуществляют экскаватором, оборудованным прямой лопатой, путем перелопачивания грунта поздней осенью. Образующаяся при этом волнистая поверхность задерживает снег, который в свою очередь еще в большей степени способствует предохранению грунта от промерзания. Глубина промерзания разрыхленного слоя на 0, 6...1, 0 м меньше глубины промерзания грунта в естественном состоянии. Разрыхленный мерзлый верхний слой грунта сравнительно легко разрабатывается экскаватором с ковшом емкостью более 1, 0 м³. Данный способ оправдывает себя при предохранении от промерзания глинистых и малосвязных грунтов.

Одним из способов, снижающих стоимость производства земляных работ в зимних условиях, является утепление поверхности грунта теплоизоляционными материалами (опилки, солома, листва, шлак, торф и др.).

В качестве утеплителей принимают материалы с малой теплопроводностью. Толщина слоя утепления зависит от его теплоизоляционных свойств, климатических условий, влажности грунта, температуры грунта в момент утепления и времени разработки резерва.

Существуют различные формулы расчета толщины утепляющих слоев. Все они являются в значительной степени приближенными, так как заранее учесть изменение климатических факторов на строительной площадке в течение зимы весьма трудно. В частности, можно использовать следующую приближенную формулу [16]

(4.3.5)

где h_yт - толщина утепляющего слоя, м;

h_h - расчетная глубина промерзания грунта, определяемая на день окончания разработки грунтового карьера зимой, м;

h_с - толщина снежного покрова, м;

К_с - коэффициент теплоизоляционных свойств снега;

h_g - допустимая глубина промерзания грунта, зависящая от способа разработки;

К_ут -коэффициент теплоизоляционных свойств утепляющего материала (табл. 4.3.6);

h - коэффициент, учитывающий повышение теплопроводности и снижение теплоизоляционных качеств при уплотнении материалов утепляющего слоя под действием транспортных средств и сил тяжести (h» 1, 3).

Таблица 4.3.6

Приближенные значения коэффициента теплоизоляционных свойств утепляющего материала К_ут

Для определения глубины промерзания грунта используют климатические справочники или формулу проф. А.Н. Будникова [31]. Во втором случае в формуле (4.3.5) второй член в числителе не учитывают

(4.3.6)

где l_м - коэффициент теплопроводности мерзлого грунта (табл. 4.3.7);

t_cp - средняя из среднемесячных температура воздуха зимой за период Т;

Т - число дней с отрицательной температурой воздуха с начала зимы до момента окончания разработки карьера;

С - коэффициент уменьшения глубины промерзания в зависимости от толщины снега (табл. 4.3.8).

Таблица 4.3.7

Теплофизические показатели грунтов

Таблица 4.3.8

Значение коэффициента уменьшения глубины промерзания С, от толщины слоя снега

Толщина снежного покрова, среднемесячные температуры и число дней с отрицательными температурами для крупных населенных пунктов дальневосточного региона приведены втабл. 4.3.9.

Таблица 4.3.9

Метеорологические данные по ряду географических пунктов

При отсутствии утеплителя из естественных материалов в последние годы стали использовать в качестве утеплителя сборный пенопласт, стекловату, быстротвердеющую пену БТП и др. Для устранения процесса диффузии и обеспечения поверхностного стока эти материалы необходимо прикрывать полиэтиленовой пленкой.

Технология утепления полимерными смолами (полиуретановыми, карбамидными) заключается в том, что до наступления морозов по грунту разливают быстротвердеющую смесь, состоящую из 35 % мочевино-формальдегидной смолы (крепитель М), 4 %пенообразователя (ПО-1), 16 % технической соляной кислоты (5 % концентрации) и 45 % воды. Расход компонентов из расчета на 1000 м² поверхности при толщине слоя пены 10 см составляет:

1, 92 т - мочевино-формальдегидной смолы (крепитель М);

0, 22 т - пенообразователь (ПО - 1);

0, 11 т - соляная кислота (35 % концентрации);

2, 47 м³ - вода.

Крепитель М представляет собой однородную жидкость (раствор мочевино-формальдегидной смолы, стабилизированный аммиаком), которую получают конденсацией мочевины с формальдегидом в присутствии уротропина. Пенообразователь ПО-1 - обезмасленная осветленная сульфокислота, нейтрализованная едким натрием. Соляная кислота, как правило, поступает на объект 33 % концентрации. Пену БТП готовят в установке. Модификацией быстротвердеющей пены является пенолед. Необходимая толщина теплоизоляции к концу зимы при глубине промерзания грунта до 3, 0 м составляет из БТП -30 см, пенольда - 50 см.

Эффективность утепления грунтов повышается при укладке утепляющих слоев до наступления отрицательных температур. Чем выше температура грунта в момент утепления, тем длительнее будет процесс его остывания. Обращает на себя внимания химический способ предохранения грунта от промерзания [44, 46, 48]. Сущность его в том, что поверхность грунта обрабатывается сухой солью или раствором. Рекомендуют применять сухой реагент, а в случае обработки слабодренирующих грунтов - водный раствор (табл. 4.3.10).

Таблица 4.3.10

Расход соли (технический хлористый натрий) на 1 м² площади

Наиболее дешевым реагентом является технический хлористый натрий, 23-процентный раствор соли замерзает только при - 23...-25°С и грунт, обработанный солью, сохраняется в талом состоянии в течение всей зимы, не примерзает к рабочим органам землеройных машин и кузовам транспортных средств, хорошо поддается уплотнению. Этот способ пригоден при любой глубине промерзания.