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
Способ уплотнения | Глубина промерзания грунта, см | |||
на 1,12 | на 1,01 | на 1,02 | на 1,03 | |
Без утепления при снятом растительном слое | ||||
Вспашка на глубину 40 см | ||||
Вспашка на глубину 40 см и боронование | ||||
Вспашка, боронование и снегозадержание (слой снега 50 см) |
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])
Способ уплотнения поверхности грунта | Значение А при Р, равном: | |||||||
0,1 | 0,3 | 0,5 | 0,7 | 0,9 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | |
Вспашка на глубину 25 см и боронование | ||||||||
Засыпка разрыхленного грунта слоем снега не менее 0,5 м |
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) Ку - B · hсн, (4.3.4)
где Ку - 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;
hсн - 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 hyт - толщина утепляющего слоя, м;
hh - расчетная глубина промерзания грунта, определяемая на день окончания разработки грунтового карьера зимой, м;
hс - толщина снежного покрова, м;
Кс - коэффициент теплоизоляционных свойств снега;
hg - допустимая глубина промерзания грунта, зависящая от способа разработки;
Кут -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 Кут
Утепляющий материал | Грунт | |||
песчаный | супесчаный | суглинистый | глинистый | |
Листва | 3,3 | 3,1 | 2,7 | 2,2 |
Стружка древесная | 3,2 | 3,1 | 2,8 | 2,1 |
Опилки древесные, мох болотный, торф мелкий | 2,8 | 2,7 | 2,3 | 1,9 |
Котельный шлак: | ||||
- сухой - влажный | 2,0 1,6 | 1,9 1,6 | 1,6 1,3 | 1,3 1,1 |
Снег | 2,5 | 2,0 | 2,0 | 1,5 |
Солома обычная | 2,5 | 2,4 | 2,0 | 1,6 |
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 lм - коэффициент теплопроводности мерзлого грунта (табл. 4.3.7);
tcp - 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
Грунт | Влажность, % по массе | Плотность, кг/м3 | Коэффициент теплопроводности грунта, Вт/(м·к) | |
мерзлого lм | талого lт | |||
Глинистый | 1,08 | 0,85 | ||
1,48 | 1,05 | |||
1,68 | 1,20 | |||
1,83 | 1,29 | |||
2,03 | 1,43 | |||
2,25 | 1,58 | |||
2,44 | 1,72 | |||
Дренирующий | 1,23 | 0,89 | ||
1,45 | 1,03 | |||
1,55 | 1,08 | |||
1,77 | 1,23 | |||
2,05 | 1,28 | |||
1,90 | 1,40 | |||
2,20 | 1,46 |
Таблица 4.3.8
Значение коэффициента уменьшения глубины промерзания С, от толщины слоя снега
Средняя толщина слоя снега, см | Коэффициент С |
0,5 | |
0,4 | |
0,35 | |
0,3 |
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
Географический пункт | Показатель | Месяц | ||||||||
I | II | III | IV | V | IX | X | XI | XII | ||
Владивосток | средняя толщина снега, см | |||||||||
среднемесячная температура воздуха. °С | -14,4 | -10,9 | -3,60 | 4,1 | 9,0 | 15,9 | 8,8 | -1,3 | -10,3 | |
число дней с отрицательной температурой воздуха | ||||||||||
Хабаровск | средняя толщина снега, см | |||||||||
среднемесячная температура воздуха. °С | -22,3 | -17,2 | -8,5 | 3,1 | 11,1 | 13,9 | 4,7 | -8,1 | -18,5 | |
число дней с отрицательной температурой воздуха | ||||||||||
Благовещенск | средняя толщина снега, см | |||||||||
среднемесячная температура воздуха. °С | -24,3 | -18,6 | -9,4 | 2,6 | 10,9 | 12,2 | 2,1 | -11,5 | -21,8 | |
число дней с отрицательной температурой воздуха | ||||||||||
Тында | средняя толщина снега, см | |||||||||
среднемесячная температура воздуха. °С | -31,7 | -25,9 | -16,2 | -3,8 | 6,0 | 6,3 | -5,7 | -21,5 | -30,2 | |
число дней с отрицательной температурой воздуха | ||||||||||
Магадан | средняя толщина снега, см | |||||||||
среднемесячная температура воздуха. °С | -21,0 | -19,8 | -15,2 | -6,2 | 2,8 | 6,5 | -4,3 | -13,4 | -18,3 | |
число дней с отрицательной температурой воздуха | ||||||||||
Анадырь | средняя толщина снега, см | |||||||||
среднемесячная температура воздуха. °С | -20,8 | -21,9 | -20,6 | -13,7 | -2,9 | 4,1 | -5,2 | -13,5 | -19,5 | |
число дней с отрицательной температурой воздуха | ||||||||||
Южно-Сахалинск | средняя толщина снега, см | |||||||||
среднемесячная температура воздуха. °С | -13,8 | -12,3 | -7,0 | 1,2 | 6,2 | 13,0 | 6,0 | -2,2 | -9,1 | |
число дней с отрицательной температурой воздуха | ||||||||||
Оха | средняя толщина снега, см | |||||||||
среднемесячная температура воздуха. °С | -19,9 | -18,0 | -12,8 | -4,2 | 10,3 | 2,6 | -6,4 | -14,9 | ||
число дней с отрицательной температурой воздуха | - | |||||||||
Петропавловск-Камчатский | средняя толщина снега, см | |||||||||
среднемесячная температура воздуха. °С | -8,4 | -8,5 | -5,4 | -0,6 | 3,8 | 10,2 | 4,8 | -1,7 | -6,0 | |
число дней с отрицательной температурой воздуха | ||||||||||
Мильково | средняя толщина снега, см | |||||||||
среднемесячная температура воздуха. °С | -21,4 | -18,3 | -12,5 | -2,8 | 5,0 | 7,6 | 0,2 | -10,8 | -18,6 | |
число дней с отрицательной температурой воздуха |
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
Влажность, % | Расход соли при глубине промерзания, м | |||||||
0,8 | 1,0 | 1,2 | 1,4 | 1,6 | 1,8 | 2,0 | 2,4 | |
Сухая соль, кг | ||||||||
23%-й раствор соли, л | ||||||||
- | - | |||||||
- | - | |||||||
- | - | - |
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.