Термоэлектрические маты для прогрева грунта в зимнее время. Песок горячий с доставкой или как прогреть (разогреть) зимой грунт или землю Прогрев грунта в зимнее время
Трудоемкость извлечения мерзлого грунта крайне велика по причине его значительной механической прочности. К тому же замерзшее состояние грунта осложняет задачу по его выемке из-за невозможности задействования некоторых типов землеройных и землеройно-транспортных машин, снижению производительности и ускоренному износу рабочих частей оборудования. И все же одним достоинством мерзлый грунт обладает - рыть котлованы в нем можно без устройства откосов.
Существует четыре основных способа проведения выемки грунта в холодное время года:
- защита земельного участка работ от промерзания с дальнейшим использованием обычных землеройных машин;
- предварительное рыхление и выемка замерзшего грунта;
- прямая разработка грунта в замерзшем состоянии, т.е. без какой-либо подготовки;
- доведение до талого состояния и последующая выемка.
Подробно рассмотрим каждый из приведенных способов.
Предохранение грунтов от промерзания
Защиту от низких температур грунту обеспечивают путем взрыхления верхнего слоя, застилкой утеплительными материалами и заливкой водных растворов соли.
Распахивание и боронование земельного участка проводится в секторе дальнейших работ по извлечению грунта. Результатом такого рыхления становится ввод большого количества воздуха в грунтовые слои, образование замкнутых воздушных пустот, препятствующих теплоотдаче и сохраняющих положительную температуру в грунте. Распашка проводится рыхлителями или факторными плугами, ее глубина - 200-350 мм. Следом выполняется боронование в одном или двух направлениях (перекрестных) на глубину 150-200 мм, что в итоге повышает термоизоляционные свойства грунта как минимум на 18-20%.
Роль утеплителя при укрывании участка будущих работ выполняют дешевые местные материалы - сухой мох, опилки и стружки, опавшие листья деревьев, шлак и маты из соломы, можно воспользоваться пвх пленкой. Насыпные материалы размещаются на поверхности 200-400 мм слоем. Утепление поверхности грунта производится чаще всего на небольших земельных участках.
Мерзлый грунт - рыхление и выемка
Чтобы снизить механическую прочность зимнего грунта применяются методы его механической и взрывной обработки. Извлечение взрыхленной таким образом земли после проводится обычным способом - при помощи землеройных машин.
Механическое рыхление. В процессе его осуществления грунт режется, скалывается и раскалывается вследствие нагрузок статического или динамического характера.
Статические нагрузки на мерзлый грунт производится металлическим инструментом режущего типа - зубом. Специальная конструкция с гидравлическим приводом, оборудованная одним зубом и более, проводится по участку работ будучи размещенной на гусеничному экскаваторе. Такой метод позволяет снимать грунт послойно на глубину до 400 мм за каждый проход. В процессе рыхления оборудованная зубом установка прежде протягивается параллельно предыдущим проходам с отступом 500 мм от них, затем ее проводят поперечно им под углом от 60 до 90 о. Объемы выемки мерзлого грунта при этом достигают 20 кубометров в час. Послойная статическая разработка мерзлой земли обеспечивает применение установок рыхления на любой глубине промерзания грунта.
Ударные нагрузки на грунтовые участки позволяют снизить механическую прочность замерзшей земли благодаря динамическому воздействию. Применяются молоты свободного падения, обеспечивающие раскалывание и рыхление, или молоты с направленным действием для рыхления расколом. В первом случае используется молот в виде шара или конуса наибольшей массы в 5 т - его канатом закрепляют на стреле экскаватора и после подъема до пяти-восьмиметровой высоты сбрасывают на участок работ. Шарообразные молоты лучше всего подходят для песчаников и супесей, на глинистых почвах эффективны конические молоты - при условии, что глубина промерзания не превышает 700 мм.
Направленное действие на мерзлый грунт осуществляют дизель-молоты, установленные на трактор или экскаватор. Они применяются на любых грунтах при условии глубины промерзания не более 1300 мм.
Снижение прочности мерзлой земли путем взрыва наиболее эффективно - этот метод позволяет выполнять зимнюю выемку грунта на глубине от 500 мм и при потребности извлечения значительных объемов. На незастроенных участках выполняется открытый подрыв, а на частично застроенных необходимо предварительно выставить укрытия и ограничители взрыва - массивные плиты из металла или железобетона. Взрывчатое вещество закладывается в щель или шпур (при глубине рыхления до 1500 мм), а при потребности выемки грунта на большей глубине - в щели и скважины. Для нарезания щелей применяются буровые или фрезерные машины, щели выполняются на 900-1200 мм дистанции друг от друга.
Взрывчатка укладывается в среднюю (центральную) щель, а расположенные по соседству щели обеспечат компенсацию взрывного сдвига мерзлого грунта и погасят ударную волну, тем самым препятствуя разрушениям вне зоны работ. В щель закладывается удлиненный заряд или несколько коротких зарядов сразу, затем ее заполняют песком с утрамбовкой. После взрыва мерзлый грунт в секторе производства работ будет полностью раздроблен, при этом стенки траншеи или котлована, создание которых и было целью выемки земли, останутся неповрежденными.
Разработка мерзлого грунта без его подготовки
Существует два способа прямой разработки грунта в условиях низких температур - механический и блочный.
Технология механической разработки мерзлых грунтов базируется на силовом воздействии, в некоторых случаях включающим в себя удар и вибрацию. В ходе его осуществления используются как обычные машины для землеройных работ, так и оснащенные специальным инструментом.
На небольших глубинах промерзания работы по извлечению грунта применяются обычные землеройные машины: экскаваторы с прямым или обратным ковшом; драглайны; скреперы; бульдозеры. Одноковшовые экскаваторы могут оснащаться специальным навесным оборудованием - ковшами с захватными клещами и виброударными зубьями. Такое оборудование позволяет воздействовать на мерзлый грунт посредством избыточного режущего усилия и вести его послойную разработку, соединив в одной рабочей операции рыхление и экскавацию.
Послойное извлечение грунта выполняется специальной землеройно-фрезерной установкой, срезающей с участка работ слои шириной 2600 мм и глубиной до 300 мм. В конструкции это машины предусмотрено бульдозерное оборудование, обеспечивающие перемещение срезанного грунта.
Суть блочной разработки грунтов заключается в резке мерзлого грунта на блоки с последующим их извлечением при помощи трактора, экскаватора или строительного крана. Блоки нарезаются путем пропиливания грунта резами, перпендикулярными между собой. Если земля промерзла неглубоко - до 600 мм - то для извлечения блоков достаточно выполнить прорезы вдоль участка. Щели прорезаются на 80% глубины, на которую промерз грунт. Этого вполне достаточно, поскольку слой со слабой механической прочностью, расположенный между промерзшей зоной грунта и зоной, сохраняющей положительную температуру, не помешает отделению грунтовых блоков. Дистанция между щелями-прорезями должна примерно на 12% быть меньше, чем кромочная ширина ковша экскаватора. Извлечение грунтовых блоков производится при помощи экскаваторов с обратной лопатой, т.к. выгружать их из ковша прямой лопаты довольно трудно.
Способы оттаивания мерзлого грунта
Они классифицируются по направлению подачи тепла в грунт и виду используемого теплоносителя. В зависимости от направления подачи тепловой энергии существует три способа разморозить грунт - верхний, нижний и радиальный.
Верхняя подача тепла в землю наименее эффективна - источник тепловой энергии находится в воздушном пространстве и активно охлаждается воздухом, т.е. значительная часть энергии расходуется попусту. Однако этот способ оттаивания организоваться проще всего и в этом его преимущество.
Процедура оттаивания, проводимая из-под земли, сопровождается минимальными затратами энергии, поскольку тепло распространяется под прочным слоем льда на поверхности грунта. Главный минус данного способа - потребность выполнения сложных подготовительных мер, поэтому он применяется редко.
Радиальное распространение тепловой энергии в толще грунта осуществляется при помощи вертикально утопленных в землю тепловых элементов. Эффективность радиального оттаивания находится между результатами верхнего и нижнего прогревания грунта. Для осуществления этого способа требуются несколько меньшие, но все же достаточно высокие объемы работ по подготовке прогрева.
Разморозка грунта зимой проводится с использованием огня, электрических термоэлементов и горячего пара.
Огневая методика применима для рытья относительно узких и неглубоких траншей. На поверхности участка работ выставляется группа коробов из металла, каждый из которых представляет собой разрезанный пополам усеченный конус. Они ставятся разрезанной стороной на землю вплотную друг к другу и образуют галерею. В первый короб закладывается топливо, которое затем поджигается. Галерея из коробов становится горизонтальной вытяжной трубой - вытяжка идет из последнего короба, а продукты сгорания движутся по галерее и обогревают грунт. Чтобы понизить потери тепла от контакта корпуса коробов с воздухом, они засыпаются шлаком или талым грунтом с участка, работы на котором проводились ранее. Образовавшуюся по окончании прогрева полосу размороженного грунта необходимо засыпать опилками или застелить пвх пленкой, чтобы аккумулированное тепло способствовало дальнейшему оттаиванию.
Электрический прогрев мерзлого грунта базируется на способности нагрева материалов при пропуске через них электротока. С этой целью применяются вертикально и горизонтально ориентированные электроды.
Горизонтальное оттаивание производится электродами из круглой или полосовой стали, уложенной на грунт - чтобы подключить к ним электропровода, противоположные концы стальных элементов загибают на 150-200 мм. Прогреваемый участок с размещенными на нем электродами засыпается опилками (толщина слоя - 150-200 мм), предварительно смоченными солевым раствором (концентрация соли - 0,2-0,5%) в количестве, равном исходной массе опилок. Задача опилок, пропитанных солевым раствором - проводить ток, поскольку мерзлый грунт в начальной стадии работ ток проводить не будет. Сверху слой опилок закрывается пленкой пвх. По мере прогрева верхний грунтовый слой становится проводником тока между электродами и интенсивность оттаивания значительно возрастает - прежде размораживается средний слой грунта, а затем и расположенные ниже. По мере включения слоев грунта в проведение электротока слой опилок начинается выполнять вторичную задачу - сохранение тепловой энергии в участке работ, для чего необходимо укрыть опилки деревянными щитами или толем. Оттаивание мерзлого грунта горизонтальными электродами производится на глубину промерзания до 700 мм, затраты электроэнергии при обогреве кубометра земли составляют 150-300 МДж, опилочный слой прогревается до 90 о С, не более.
Вертикальное электродное оттаивание производится при помощи стержней, изготовленных из арматурной стали и имеющих один острый конец. Если глубина промерзания грунта равна 700 мм, стержни вбиваются прежде на глубину 200-250 мм шахматным порядком, а после оттаивания верхнего слоя их утапливают на большую глубину. В процессе работ по вертикальному размораживанию грунта требуется устранять снег, накопившийся на поверхности участка, засыпать его опилками, смоченными солевым раствором. Процесс прогрева идет также, как и при горизонтальном оттаивании с применением полосовых электродов - по мере оттаивания верхних слоев важно периодически погружать электроды дальше в грунт до глубины 1300-1500 мм. По окончании вертикального оттаивания мерзлого грунта электроды извлекаются, но вся площадка остается под слоем опилок - еще 24-48 часов грунтовые слои будут размораживаться самостоятельно благодаря накопленной тепловой энергии. Затраты электроэнергии на работы по вертикальному оттаиванию немного ниже, чем при выполнении горизонтального размораживания.
Для электродного обогрева грунта по направлению снизу вверх необходима предварительная подготовка скважин - их бурят на 150-200 мм глубже, чем глубина промерзания. Скважины располагаются в шахматном порядке. Данный способ характеризуется меньшими затратами электроэнергии - около 50-150 МДж на кубометр грунта.
Стержни электродов вводятся в подготовленные скважины, достигая не промерзшего слоя земли, поверхность участка засыпается отпилками, смоченными солевым раствором, поверх укладывается пластиковая пленка. В результате процесс оттаивания идет в двух направлениях - сверху вниз и снизу вверх. Данный метод оттаивания мерзлого грунта осуществляется редко и исключительно при необходимости срочно разморозить участок для выемки земли.
Оттаивание паром проводится при помощи специальных приспособлений - паровых игл, выполненных из металлических труб диаметром 250-500 мм, по которым в грунт вводится горячий пар. Нижняя часть паровой иглы оборудуется металлическим наконечником, содержащим множество 2-3 мм отверстий. К верхней (полой) части трубы-иглы подключается резиновый шланг, снабженный краном. Для установки паровых игл в грунте пробуриваются скважины (шахматный порядок, дистанция 1000-1500 мм) протяженностью 70% от требуемой глубины оттаивания. На отверстия скважины одеваются металлические колпаки, оснащенные сальниками, через которые будет пропущена паровая игла.
После установки игл по шлангу в них под давлением 0,06-0,07 МПа подается пар. Поверхности оттаиваемого участка земли закрывается слоем опилок. Потребление пара на прогрев кубометра грунта - 50-100 кг, по расходу тепловой энергии этот способ в 1,5-2 раза более затратный по сравнению с прогревов заглубленными электродами.
Способ оттаивания мерзлого грунта при помощи контактных электронагревателей внешне схож с паровым размораживанием. В металлические полые иглы, длиной порядка 1000 мм и диаметром не более 60 мм, устанавливаются нагревательные элементы с изоляцией от металлического корпуса иглы. При подключении электропитания нагревательный элемент сообщает тепловую энергию корпусу иглы-трубы, а она - слоям грунта. Тепловая энергия в процессе прогрева распространяется радиально.
Наша страна находится в северных широтах. Зимний период с отрицательными температурами отнимает много времени у строителей. Однако можно и не останавливать капитальное строительство, если предпринять прогрев грунта. Такая процедура становится все более популярной. В данной статье мы расскажем об основных способах прогрева грунта.
Зачем нужен прогрев грунта зимой?
Когда строительство проводится в черте города, вынимать мерзлый грунт с помощью отбойного оборудования становится опасно. Можно легко повредить подземные коммуникации, которых так много в городе: кабельные линии, водопроводы, газопроводы. В таких местах, зачастую, вынимать грунт приходится вручную. Зимой мерзлую землю лопатами не выймешь из траншеи. Поэтому заказывают прогрев грунта непосредственно перед началом строительных работ. Одновременно заказывают и прогрев бетона после заливки фундамента для его гидратации и правильного набора твердости.
Какие бывают способы прогрева грунта?
Прогревать землю на месте стройки можно множеством способов. Они различаются не только затратами, но и эффективностью. Мы перечислим основные из них:- Прогрев горячей водой. Такой метод подходит для разморозки небольших участков земли. По площади укладывают лабиринты гибких рукавов, которые укрывают полиэтиленом или любым теплоизолятором. По рукавам пускают нагретую до 70-90 градусов по Цельсию воду. Для этого используют тепловой генератор или пиролизный котел. Скорость размораживания — не более 60 см за сутки. Недостатки — высокая стоимость оборудования и низкая скорость прогрева.
- Прогрев паром и паровыми иглами. На участке пробуривают скважины глубиной от полутора до двух метров для специальных металлических труб диаметром до 50 мм. Эти так называемые иглы имеют на концах отверстия размером не более 3 мм. Трубы расставляют в шахматном порядке через каждые 1-1,5 метра. В иглы подают насыщенный водяной пар (температура — более 100 градусов по Цельсию, давление — 7 атмосфер). Этот метод применяется только для глубоких котлованов — более 1,5 метра. Недостатки — сложные подготовительные работы, выброс больших объемов конденсата и необходимость в постоянном контроле процесса.
- Прогрев ТЭНами. Этот метод схож с паровыми иглами применяемым инструментом. Также используются трубы длиной 1 метр и диаметром до 60 мм. Их устанавливают в пробуренные скважины на таком же расстоянии. Внутри труб находится жидкий диэлектрик с высокой теплопроводностью. ТЭНы подключают к электросети. Расход электроэнергии на 1 куб. метр земли — 42 кВт*ч. Недостатки — высокие затраты.
- Прогрев электрическими матами. Метод подразумевает использование инфракрасных матов, работающих по принципу подобных матов для “теплого пола”. Электроматы нагревают грунт до температуры в 70 градусов. Глубина прогрева — не более 80 см за 32 часа. Расход электроэнергии — 0,5 кВт*ч на 1 квадратный метр. Недостатки — хрупкий материал, потребность в постоянном контроле.
- Прогрев этиленгликолем с помощью установки Waker Neuson. Оборудование работает на дизельном топливе. С этой точки зрения оно является автономным и не зависит от подводки коммуникаций (электричества). По площади участка змейкой раскладывается шланг, по которому будет циркулировать нагретый этиленгликоль. Эта жидкость отличается высочайшей теплопроводностью и большей, чем у воды, температурой кипения. Шланги накрывают матами из теплоизоляции. Одна установка позволяет разморозить 400 квадратных метров на глубину до 1,5 метра за 8 суток.
Наша компания предлагает услуги прогрева грунта и бетона именно с помощью установки Waker Neuson. Такой метод считается наиболее эффективным в пересчете затрат на площадь участка и на время разморозки.
Теплом своим отогревая землю… (Часть 1)
Оборудование и методы прогрева мерзлых грунтов при производстве земляных работ
Как известно, в зимнее время грунт порой промерзает так, что его не берет даже экскаватор и гидромолот. К тому же в населенных пунктах в грунте находятся подземные коммуникации, которые могут быть повреждены при ударных воздействиях на грунт. Поэтому мерзлый грунт должен быть предварительно отогрет. Существует ряд способов прогрева мерзлого грунта. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.
Способы оттаивания мерзлого грунта классифицируются по направлению подачи тепла в грунт и виду используемого теплоносителя.
Оттаивание сверху вниз. Этот способ наименее эффективный, так как источник тепла в этом случае размещается в зоне холодного воздуха, что вызывает большие потери тепла. В то же время его достаточно легко и просто осуществить, он требует минимальных подготовительных работ, в связи с чем часто применяется на практике.
Оттаивание снизу вверх предполагает бурение скважин, в которые опускаются источники тепла. Расход энергии в этом случае минимальный, т. к. благодаря слою грунта потерь тепла практически нет. Некоторые специалисты даже считают, что не требуется утеплять сверху обрабатываемую площадь слоем опилок и т. п. материалов. Главный недостаток этого способа – трудоемкие подготовительные операции, это ограничивает область его применения.
Оттаивание по радиальному направлению. В этом случае тепло распространяется в грунте перпендикулярно от вертикально погруженных в грунт источников энергии. Этот способ по экономическим показателям занимает промежуточное положение между двумя ранее описанными, а для осуществления также требует значительных подготовительных работ.
Независимо от принятого способа отогреваемая поверхность предварительно очищается от снега, льда и верхних покровов основания (асфальт, бетон).
Термоэлектрические маты
Маты термоэлектрические (термоматы) – это инфракрасные нагреватели, многофункциональное и экологичное вспомогательное строительное оборудование, они позволяют эффективно прогревать грунт и застывающий бетон при небольшом потреблении энергии, поддерживают заданную температуру в автоматическом режиме, а некоторые модели могут использоваться для растапливания снега и льда. В конструкцию термоматов входят греющая пленка, излучающая тепло в инфракрасном диапазоне, с теплоизоляцией, представляющая собой многослойный «сэндвич» из полипропилена или пенополиэтилена толщиной 6–10 мм, ограничители для поддержания постоянной температуры и грязеводонепроницаемая ПВХ-оболочка с герметично запаянными швами, устойчивая к неблагоприятным атмосферным воздействиям. Выпускаются в виде прямоугольных полотнищ различной площади и рулонов значительной длины.
Возможности термоматов. Многие западные и отечественные специалисты считают, что прогрев грунта термоэлектрическими и термоизоляционными матами – оптимальная технология для оттаивания больших площадей мерзлого грунта и льда. Они могут работать от однофазных источников электроэнергии с напряжением 220 В. Работают лучше, чем солнце в весенний день, – 24 часа 7 дней в неделю. Способны нагревать грунт до температур на 50–80 °С выше температуры окружающего воздуха и прогревают сильно промерзший грунт на глубину до 450–800 мм за 20–72 часа работы в зависимости от температуры воздуха и свойств грунта. Снег и лед превращаются в воду, которая впитывается в грунт и размораживает нижележащие слои грунта. Они способны разморозить замерзшие канализационные трубы на глубине до 2,5 м. Допустимая температура работы термоматов может составлять до –35 °С. Удельная мощность, излучаемая термоматами, может достигать нескольких сот ватт на 1 м 2 . За счет проникающих свойств и направленного действия инфракрасного излучения, а также контактной передачи тепла от поверхности термомата прогрев грунта происходит с высокой эффективностью одновременно сразу на всю глубину промерзания.
Компания «Тепловые системы» (г. Москва), входящая в ГК «AKKURAT», занимается разработкой, испытаниями и производством термоэлектрических матов ТЭМ для ускорения твердения бетона и для прогрева грунта. Кроме того, термоматы применяются и для выполнения других задач, например, обогрева емкостей, прогрева каменной кладки и т. д.
Термоэлектрические маты изготавливаются по собственному патенту с использованием качественной инфракрасной пленки Marpe Рower 305 повышенной мощности (400, 600 и 800 Вт/м 2), которая производится южнокорейской компанией Green Industry Co. Напряжение питания 220 В/ 50 Гц. Допускается эксплуатация при температуре окружающей среды от –60 до +40 °С и относительной влажности до 100%.
Главное условие правильной эксплуатации термоматов – это плотное прилегание рабочей поверхности термомата к обогреваемому объекту (бетону или грунту). Время набора критической прочности (70%) для бетонной плиты толщиной 200 мм составляет порядка 12 ч; время прогрева замерзшего грунта – от 20 до 36 ч.
Результаты испытаний. В технической литературе приводятся описания испытаний одной из моделей термоматов размером 1,2х3,2 м и мощностью 800 Вт/м 2 . Эксперимент проводился в конце зимы, в период наибольшего промерзания грунта. Прогрев грунта термоматами происходил в автоматическом режиме при температуре воздуха –20 °С, начальной температуре грунта –18 °С, верхний слой грунта в 20 см состоял из смеси глины, песка и шлака, далее шла чистая глина. Участок был очищен от снега, поверхность максимально выровнена, на нее уложена полиэтиленовая пленка. Далее укладывались термоматы один вплотную к другому без перекрытия и подключались к электропитанию по «параллельной» схеме. В первые часы все выделенное тепло поглощалось грунтом, и термоматы работали не отключаясь, затем, с прогревом поверхности грунта до 70 °С, термоматы начинали отключаться, а когда температура термомата опускалась до 55–60 °С, он снова включался. На время прогрева влияют начальные условия (температура воздуха и грунта) и свойства грунта (теплопроводность, влажность). Испытания показали, что для прогрева данного грунта на глубину 600 мм необходимо от 20 до 32 ч.
Термоматы создают стабильный тепловой поток, что является необходимым условием качественного затвердевания бетона в зимнее и летнее время и исключает появление температурных трещин. Марочный бетон за 11 ч набирает прочность, которую он приобрел бы за 28 суток в естественных условиях. Высокая скорость схватывания бетона достигается за счет проникновения инфракрасных лучей в толщу бетонной массы.
Применение. Маты раскатываются из рулонов, подключаются к источнику электроэнергии. Чтобы повысить эффективность их работы, сверху рекомендуется расстелить теплоизоляционные защитные маты, сохраняющие тепло и защищающие от ветра. Во избежание перегрева и прогара термомата необходимо обеспечить плотное прилегание термомата к прогреваемой поверхности. Не допускается размещение между матом и обогреваемым объектом каких-либо теплоизолирующих материалов, препятствующих передаче тепла к объекту.
ООО «Завод «УралСпецГрупп» (г. Миасс) предлагает термоматы со встроенными датчиками ограничения температуры для прогрева бетона и грунта мощностью 400 и 800 Вт/м 2 соответственно. Термоматы могут состоять из нескольких независимых секций. Каждая секция имеет свой терморегулятор-ограничитель и поддерживает температуру нагрева в определенном диапазоне.
За счет равномерного распределения тепла на прогреваемой поверхности и автоматического контроля температуры значительно ускоряется рост прочности бетона. Сроки выдерживания бетона до набора марочной прочности составляют от 10 ч до 2 суток. Температура нагрева матов не выше +70 °С. Условия эксплуатации: температура окружающей среды от –40 до +40 °С, относительная влажность до 100%.
Преимущества термоматов. Оборудование не требует предварительной подготовки и полностью готово к работе; относительно невысокая стоимость; простота настройки и обслуживания; малый вес и удобство в эксплуатации, от работников не требуется специальных навыков; высокий КПД и низкое энергопотребление, например, 0,5 кВт.ч на 1 м 2 . Термоэлектроматы полностью безопасны. В каждом сегменте термомата есть термоограничитель, температура не поднимется выше заданной. Оборудование не загрязняет окружающую среду. По требованию заказчика термоматы могут производиться с индивидуальными параметрами мощности и размеров.
Недостатки термоматов. Необходимость обеспечения электропитания и постоянного контроля работы оборудования; отсутствие антивандальной защиты, относительная нестойкость к повреждениям.
Гидравлические станции для прогрева грунта
Если нужно прогреть грунт зимой на большой площади, например, под устройство бетонной подушки в 400 м 2 и более, обычными способами – термоматами, инфракрасными излучателями, тепловыми пушками, навряд ли получится разогреть такую массу земли на такой площади. Скорее всего здесь будет эффективна технология прогрева земли с помощью парникового эффекта, который создается гидравлическими станциями. В настоящее время западные компании широко применяют технологию размораживания грунтов гидравлическими станциями в зимний период для проведения землеройных и бетонных работ. Компактные гидравлические станции для прогрева грунта появились на мировом рынке строительного оборудования около 15 лет назад.
Конструкция и работа установки. Сама установка представляет собой мобильную мини-котельную. Прицеп, на котором размещается гидравлическая станция, устанавливается как можно ближе к участку, который должен прогреваться.
Прогреваемая поверхность расчищается от снега. Тщательная расчистка позволит сократить время оттаивания на 30%, сэкономит топливо, избавит от грязи и лишней талой воды, затрудняющей дальнейшее ведение работ. Включается котел, в котором нагревается теплоноситель. В качестве теплоносителя чаще всего используют воду, но на Западе в ходу и водно-гликолевая или пропилен-гликолевая смесь. Максимальная температура нагрева теплоносителя в современных установках (в зависимости от производителя) находится в пределах 75–90 °С. Цифровой термостат позволяет оператору просто регулировать температуру теплоносителя. Нагревательный котел оснащается горелкой, работающей на газе или дизельном топливе. Нагретый до заданной температуры теплоноситель поступает в термоизолированную емкость. Из емкости теплоноситель с помощью насоса нагнетается в нагревающие шланги.
Нагревающие шланги разматываются из катушки. Рекомендуется укладывать их «змейкой» в 2–4 ряда в зависимости от того, какой интенсивности требуется прогрев. Чем меньше расстояние между витками (например, 450 мм), тем меньше времени потребуется на прогрев поверхности. В зависимости от межшлангового расстояния можно добиться нужной площади и скорости прогрева. Входы и выходы шлангов подсоединяются к распределительному коллектору станции так, чтобы теплоноситель циркулировал через них по замкнутому контуру. В принципе, шланги можно укладывать по произвольной схеме, по форме и рельефу прогреваемой поверхности тоже ограничений нет.
Дизельная станция размораживания грунта и прогрева бетона СРГПБ.СИ.350 производства ЗАО «СИ» (г. Москва). Тепловая мощность – 31 кВт/ч. Тепловой к.п.д. составляет 85%. Может непрерывно работать в течение 120 ч. Объем системы теплоносителя – 190 л. Рабочая температура системы обогрева: 37–82 °C. Рабочее давление в системе обогрева: 4,7–6,2 бар. Длина греющего шланга – 360 м. Производительность циркуляционного насоса – 1010 л/ч. Площадь размораживания и прогрева – от 104 до 210 м 2 . Площадь размораживания с дополнительной увеличенной катушкой хранения рукава и насосом – от 310 до 620 м 2 . Позволяет прогревать грунт до 400 мм в глубину за 24 ч. Смонтирована на одноосном шасси прицепа. Масса установки, заправленной топливом, 1402 кг.
Шланги армированы синтетическим волокном и обладают исключительной гибкостью и прочностью на разрыв. Исправность и готовность оборудования к работе контролируется встроенными датчиками. Шланги и прогреваемый участок обязательно закрываются паронепроницаемой или полиэтиленовой пленкой внахлест (особенно важно при работе с бетоном) и теплоизолирующими матами (утеплителем), чтобы создать «парниковый эффект» и уменьшить потери тепла в окружающий воздух. Чем тщательнее будет изолирована прогреваемая поверхность, тем меньше потребуется времени, чтобы прогреть грунт. Пленка не позволит нагретой воде испариться. Талая вода растопит лед в нижних слоях грунта.
Время подготовки к прогреву занимает всего лишь около 30 минут. Открывается кран – и нагрев пошел! В гидравлических станциях некоторых производителей есть возможность при необходимости увеличить в несколько раз номинальную площадь прогрева грунта за счет подключения дополнительного насоса и дополнительных шлангов. Прогрев мерзлого грунта осуществляется в относительно короткие сроки – 20–30 ч, но при необходимости возможна непрерывная эксплуатация таких установок и до 60–130 ч. Такая установка имеет к.п.д. до 94%, то есть практически все тепло, вырабатываемое установкой, идет на прогрев грунта. Средняя скорость размораживания грунта подобным методом составляет 300–600 мм в глубину в сутки. Однако при более плотной укладке нагревательных рукавов и тщательной теплоизоляции можно увеличить темп размораживания.
Прочие возможности применения. Вскоре после начала использования этой технологии выяснилось, что гидравлические станции также помогают ускорить процесс застывания бетона зимой, не давая влаге в бетоне превратиться в лед даже при температурах от –30 до –40 °С. Бетону для застывания требуется тепло: чем теплее будет бетон, тем скорее он отвердеет, оптимальная температура для застывания от +20 до +25 °С. В сильный мороз бетон будет твердеть очень долго и потеряет качество. Кроме того, прогревающие гидравлические станции можно использовать для обогрева теплиц и цветников, отопления помещений, предотвращения обледенения футбольных полей и т. д.
В России для работы на больших площадках широкое применение находят гидравлические установки для отогрева грунта Wacker Neuson E350 и E700 , HSH 700 G . Установки сертифицированы в России и не требуют специальных допусков для оператора.
Гидравлическая станция для прогрева поверхности Wacker Neuson HSH 350 имеет массу (с топливом) 1500 кг. Производительность нагревателя (брутто) 30 кВт. При идеальных условиях к.п.д. может достигать 94%. Длина шланга – 350–700 м.
Установка серии HSH может размораживать замерзшую почву, а также проводить обработку бетона даже при отрицательных температурах. Возможность непрерывной эксплуатации – до 63 ч. При использовании дополнительного оборудования можно обеспечить оттаивание почвы площадью до 300 м 2 и прогреть до 612 м 2 бетона. Устройство HSH смонтировано на прицепе.
Преимущества и недостатки. Преимуществами данной технологии перед другими методами являются: возможность отогревать значительные площади грунта; простота в эксплуатации, обслуживании и хранении оборудования; использование оборудования не требует специфических знаний, навыков и длительного обучения персонала; автономность, мобильность и многофункциональность оборудования; стабильность результатов при производстве работ; минимальные трудовые и материальные затраты на подготовку прогреваемой поверхности; экологичность и безопасность – нет опасности поражения электрическим током и горячим теплоносителем, не создает магнитных полей, прогревающие шланги полностью герметичны.
К недостаткам можно отнести высокую стоимость оборудования (2–3 млн руб.), необходимость постоянного присутствия оператора при производстве работ.
Если гидравлическая станция требуется для разового применения или не часто, можно взять ее в аренду. Благодаря указанным выше преимуществам средства, затраченные на аренду, окупятся очень быстро. Обычно стоит компании один раз попробовать использовать подобную гидравлическую станцию, как она становится приверженцем технологии гидравлического прогрева грунта.
Тепляк/ шатер и нагревательное оборудование
Прогрев горячим воздухом. Довольно простой и доступный метод прогрева грунта – с помощью горячего воздуха – позволяет размораживать грунт в самое холодное время. Предварительно с отогреваемого участка необходимо убрать снег. Над участком возводится временное строение – тепляк или шатер. Тепляк – временное каркасно-тентовое строительное укрытие для гидро- и теплоизоляции. Применяется при выполнении строительных работ. Внутри устанавливается дизельная, газовая или электрическая тепловая пушка, газовая горелка или печка. Воздух в тепляке/ шатре может нагреваться до 50–65 °C. Стены и крышу тепляка/ шатра можно накрыть имеющимися теплоизолирующими материалами или даже лапником из леса.
В нашей стране выпускаются тепловые пушки под брендом Hyundai . Например, тепловая пушка Hyundai H-HG7-50-UI712 с нагревательным элементом ТЭН мощностью 4,5 кВт. Агрегат имеет режимы работы: вентиляция, интенсивный и экономичный обогрев. Температура воздуха на выходе по сравнению со входом увеличивается на 32 °С. Производительность – 420 м 3 /ч воздуха. Продолжительность работы/ пауза – 22/ 2 ч. Есть датчик защиты от перегрева.
Преимущества . Соорудить такое временное помещение или развернуть такую установку намного проще и требуется меньше трудозатрат, чем на оборудование для прогрева грунта других типов. Одновременно с размораживанием эта установка подсушивает грунт, и его становится легче копать. Западные производители такого оборудования утверждают, что их установки прогревают и высушивают грунт быстрее в два раза, чем при использовании гидравлических станций со шлангами, по которым циркулирует горячий теплоноситель.
Недостаток . Слабая теплоизоляция, отсюда большие потери тепла, воздушные тепловые пушки передают грунту всего около 15% тепловой энергии.
Итальянская компания Master Climate Solutions (входит в Dantherm Group) выпускает на заводе в Италии нагреватели воздуха под брендом MASTER . Дизельные тепловые пушки с прямым и непрямым нагревом, а также газовые и электрические тепловые пушки. Некоторые из пушек с дизельным нагревом оборудуются специальным гнездовым термостатом ТН-1, который устанавливается непосредственно на изделии, или с термостатом ТН-2, который подключается с помощью кабеля. Агрегаты способны непрерывно работать длительное время практически со 100%-ным к.п.д.
Например, дизельная тепловая пушка прямого нагрева MASTER B 150 CED мощностью 44 кВт развивает поток воздуха 900 м 3 /ч, расход топлива 3,7 кг/ч, температура воздуха на выходе 300 °С, масса установки 30,3 кг. Работает без дозаправки в течение 13 ч. Оснащена устройством автоматического управления горением с фотоэлементом и системой безопасности горелки и нагревателя. Внешний корпус нагревателя остается холодным.
Открытое пламя. Использование для размораживания грунта открытого пламени, или «огневой способ», основан на оттаивании грунта путем сжигания твердого или жидкого топлива в агрегате, состоящем из галереи металлических коробов в форме полукруга или усеченных конусов.
Короба могут изготавливаться из листовой стали толщиной 1,5–2,5 мм или из подручных материалов, например из разрезанных по длине металлических бочек. Первый из коробов выполняет роль камеры сгорания, в которой сжигают любое твердое или жидкое топливо. Например, в камере сгорания устанавливается газовая горелка (форсунка), соединенная шлангом с газовым баллоном. Газовая горелка, применяемая для этой цели, может представлять собой просто отрезок стальной трубки диаметром 18 мм со сплюснутым конусом. Вытяжная труба последнего короба обеспечивает тягу, благодаря которой продукты сгорания проходят вдоль галереи и прогревают расположенный под ней грунт. Для уменьшения тепловых потерь галерею утепляют талым грунтом слоем толщиной до 100 мм, шлаком или другими материалами.
В продаже сейчас имеется множество современных горелок. Например горелка Giersch RG 20-Z-L-F (Германия) с двухступенчатым регулированием мощности 40–120 кВт. Работает на природном и сжиженном газе. Электропитание – 220 В, максимальный потребляемый ток – 2,6 А. Мощность электродвигателя – 180 Вт. Звукоизоляция встроенная, имеется датчик контроля давления воздуха. Может устанавливаться и в вертикальном положении.
При длине коробов 20–25 м установка за сутки дает возможность отогреть грунт на глубине 0,7–0,8 м. Специалисты приводят такие данные: расход дизтоплива на разогрев 1 м 3 грунта составляет 4–5 кг. Подогрев пламенем рекомендуется проводить в течение 15–16 ч. Затем, после демонтажа коробов, полосу оттаявшего грунта засыпают опилками, чтобы оттаивание продолжалось вглубь за счет передачи аккумулированного в грунте тепла.
Недостатки данной технологии: громоздкое, неудобное для транспортировки оборудование; метод может применяться для выемки только относительно узких и неглубоких траншей, т. к. позволяет прогревать лишь участки небольшой площади. Прогрев такими горелками большого участка обойдется очень дорого. Процесс размораживания длится долго. Необходимо выполнять вспомогательные работы по обустройству (и разборке) конструкции. Необходимо постоянно контролировать процесс и соблюдение техники безопасности. Большие тепловые потери, малая эффективность использования топлива. Вредные выбросы от сжигаемого топлива, вследствие этого запрет на использование этого способа в городах
Преимущества . Их немного. Можно собрать такую «установку» из подручных материалов и отапливать отходами строительства – обрезками досок, горючим мусором. Преимуществами применения газа по сравнению с дизельными горелками являются меньшая цена и меньшее количество вредных выбросов и дыма.
Универсальная газовая горелка Roca CRONO-G 15G (Испания) работает на сжиженном и природном газе, максимально безопасна в работе. Перед зажиганием производится продувка воздухом камеры сгорания. Возможна одноступенчатая, двухступенчатая или модулируемая регулировка мощности. Мощность – 65–189 кВт. Расход топлива – 6,5–18,9 кг/ч. Мощность электродвигателя – 350 Вт. Электрическое питание – 220 В. Масса – 15 кг.
Отражательные печи. Как показал опыт, при ремонте коммунальных городских сетей наиболее удобным и быстрым является метод отогрева мерзлого грунта отражательными (рефлекторными) печами, которые подвешиваются изнутри к крыше тепляка – открытого снизу короба с утепленными стенками и крышей.
Отражательные печи имеют сверху рефлектор параболической формы из алюминиевого, дюралюминиевого или стального хромированного листа толщиной 1 мм. В фокусе параболы, который находится на расстоянии 60 мм от рефлектора, располагается источник тепловых лучей: электрическая спираль накаливания, водяная или паровая батарея. Рефлектор фокусирует тепловые лучи на нижележащем участке земли, за счет этого энергия расходуется более экономично, а оттаивание грунта происходит более интенсивно, чем при нагреве теплым воздухом. Сверху печь закрывается стальным кожухом, защищающим рефлектор от механических повреждений. Между кожухом и рефлектором имеется прослойка воздуха, улучшающая теплоизоляцию печи. Спираль накаливания изготавливается из нихромовой или фехралевой проволоки диаметром 3,5 мм, навитой спиралью на изолированную асбестом стальную трубу. Нихром (Ni-Cr и Ni-Cr-Fe) получил название от никеля («ни») и хрома («хром») в своем составе, а фехраль (Fe-Cr-Al) назван по первым буквам основных элементов («фе», «хр», «аль»). На современном рынке фехраль дешевле нихрома, как минимум, в 3–5 раз. Однако нихром способен выдержать большее количество циклов включения-выключения нагревательных элементов до их перегорания.
Применение тепляков и рефлекторов. При использовании рефлекторных печей необходимо обеспечить безопасные условия производства работ. Место отогрева должно быть ограждено, контактные зажимы для присоединения проводом закрыты, а спирали течи не должны касаться грунта.
Тепляки и отражательные печи могут питаться от электросети напряжением 380 или 220 В. В случае, если питание ТЭНов производится от трехфазного источника электроэнергии, то нагревательные элементы соединяются группами по три штуки по схеме «звезда» или «треугольник» в зависимости от напряжения источника питания и напряжения, на которое рассчитаны ТЭНы («треугольник» – если ТЭНы рассчитаны на напряжение 380 В, «звезда» – если на 220 В). Для работы комплекса из трех установок необходим источник электроэнергии мощностью около 20 кВт/ч. Специалисты утверждают, что расход энергии на оттаивание 1 м 3 грунта в течение времени 6–10 ч (в зависимости от его вида, влажности и температуры) находится в пределах 100–300 МДж или 50 кВт.ч, при этом внутри тепляка поддерживается температура 50–60 °С.
Недостатки данного способа: эффективная теплоизоляция печей невозможна из-за опасности их перегрева и выхода из строя, по этой причине у данных нагревательных приборов низкий к.п.д.; к тому же площадь размораживаемого участка невелика, а для питания оборудования необходим мощный источник электроэнергии; кроме того, при перегреве электрических контактов нагревательных элементов возникает высокая вероятность поражения электрическим током посторонних лиц; поэтому на время работы установки требуется ограждение и охрана участка. Вследствие названных неудобств и опасности эксплуатации некоторые компании отказываются от использования данного метода прогрева.
Обустройство паровых и водяных батарей еще сложнее, требуется паровой или водяной котел и т. д.
Преимущества . Быстрая и несложная доставка на место и подготовка к работе оборудования. Относительно малый по времени период оттаивания – до 10 ч.
Разработка грунта в зимних условиях.
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.
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.
Земляные работы зимой осуществляют следующими тремя методами. При первом методе предусматривают предварительную подготовку грунтов с последующей их разработкой обычными методами; при втором - мерзлые грунты нарезают предварительно на блоки; при третьем методе грунты разрабатывают без их предварительной подготовки. Предварительная подготовка грунта для разработки зимой заключается в предохранении его от промерзания, оттаивании мерзлого грунта, предварительном рыхлении мерзлого грунта.
Предохранение грунта от промерзания . Известно, что наличие на дневной по-
верхности термоизоляционного слоя уменьшает как период, так и глубину промерзания. После отвода поверхностных вод можно устроить термоизоляционный слой одним из следующих способов.
Рыхление грунта . При вспахивании и бороновании грунта на участке, предназначенном для разработки зимой, его верхний слои приобретает рыхлую структуру с замкнутыми пустотами, заполненными воздухом, обладающую достаточными термоизоляционными свойствами. Вспашку ведут тракторными плугами или рыхлителями на глубину 20...35 см с последующим боронованием на глубину 15...20 см в одном направлении (или в перекрестных направлениях), что повышает термоизоляционный эффект на 18...30%.. Снеговой покров на утепляемой площади можно искусственно увеличить, сгребая снег бульдозерами, автогрейдерами или путем снегозадержания с помощью щитов. Чаще всего механическое рыхление применяют для утепления значительных по площади участков, Защита поверхности грунта термоизоляционными материалами. Утепляющий слой может быть также выполнен из дешевых местных материалов: древесных листьев, сухого мха, торфа, соломенных матов, шлака, стружек и опилок. Поверхностное утепление грунта применяют в основном для небольших по площади выемок.
Пропитку грунта солевыми растворами ведут следующим образом. На поверхно-
сти песчаного и супесчаного грунта рассыпают заданное количество соли (хлористого кальция 0,5 кг/м2 , хлористого натрия 1 кг/м2 ), после чего грунт вспахивают. В грунтах с низкой фильтрующей способностью (глины, тяжелые суглинки) пробуривают скважины, в которые под давлением нагнетают раствор соли. Из-за высокой трудоемкости и стоимости таких работ они являются, как правило, недостаточно эффективными.
Способы оттаивания мерзлого грунта можно классифицировать как по направлению распространения тепла в грунте, так и по применяемому виду теплоносителя. По первому признаку можно выделить следующие три способа оттаивания грунта.
Оттаивание грунта сверху вниз . Этот способ - наименее эффективный, так как источник тепла в этом случае размещается в зоне холодного воздуха, что вызывает большие потери тепла. В то же время этот способ достаточно легко и просто осуществить, он требует минимальных подготовительных работ, в связи с чем, часто применяется на практике.
Оттаивание грунта снизу вверх требует минимального расхода энергии, так как оно происходит под защитой земляной корки и теплопотери при этом практически исключаются. Главный недостаток этого способа - необходимость выполнения трудоемких подготовительных операций, что ограничивает область его применения.
При оттаивании грунта по радиальному направлению тепло распространяется в грунте радиально от вертикально установленных прогревающих элементов, погруженных в грунт. Этот способ по экономическим показателям занимает промежуточное положение между двумя ранее описанными, а для своего осуществления требует также значительных подготовительных работ.
По виду теплоносителя различают следующие способы оттаивания мерзлых грун-
Огневой способ . Для отрывки зимой небольших траншей применяют установку (рис. 1а), состоящую из ряда металлических коробов в форме разрезанных по продольной оси усеченных конусов, из которых собирают сплошную галерею. Первый из коробов представляет собой камеру сгорания, в которой сжигают твердое или жидкое топливо. Вытяжная труба последнего короба обеспечивает тягу, благодаря которой продукты сгорания проходят вдоль галереи и прогревают расположенный под ней грунт. Для уменьшения теплопотерь галерею обсыпают слоем талого грунта или шлака. Полосу оттаявшего грунта засыпают опилками, а дальнейшее оттаивание вглубь продолжается за счет аккумулированного в грунте тепла.
Рисунок 1. Схемы оттаивания грунта огневым способом и паровыми иглами: а
Огневым способом; б - паровыми иглами; 1 - камера сгорания; 2 - вытяжная труба; 3 - обсыпка талым грунтом: 4 - паропровод; 5 - паровой вентиль; 6 - паровая игла; 7 - пробуренная скважина; 8 - колпак.
Оттаивание в тепляках и отражательными печами. Тепляки - это открытые снизу короба с утепленными стенками и крышей, внутри которых размещают спирали накаливания, водяные или паровые батареи, подвешенные к крышке короба. Отражательные печи имеют сверху криволинейную поверхность, в фокусе которой располагается спираль накаливания или излучатель инфракрасных лучей, при этом энергия расходуется более экономично, а оттаивание грунта происходит более интенсивно. Тепляки и отражательные печи питаются от электросети 220 или 380 В. Расход энергии на 1 м 3 оттаянного грунта (в зависимости от его вида, влажности и температуры) колеблется в пределах 100...300 МДж, при этом внутри тепляка поддерживается температура 50...60°С.
При оттаивании грунта горизонтальными электродами по поверхности грун-
та укладывают электроды из полосовой или круглой стали, концы которых отгибают на 15...20 см для подключения к проводам (рис. 2а). Поверхность отогреваемого участка покрывают слоем опилок толщиной 15...20 см, который смачивают солевым раствором с концентрацией 0,2...0,5% с таким расчетом, чтобы масса раствора была не менее массы
опилок. Вначале смоченные опилки представляют собой токопроводящие элементы, так как замерзающий грунт не является проводником. Под воздействием тепла, генерируемого в слое опилок, оттаивает верхний слой грунта, который превращается в проводник тока от электрода к электроду. После этого под воздействием тепла начинает оттаивать верхний слой грунта, а затем - нижние слои. В дальнейшем опилочный слой защищает отогреваемый участок от потерь тепла в атмосферу, для чего слой опилок покрывают полиэтиленовой пленкой или щитами.
Рисунок 2. Схема оттаивания грунта электропрогревом: а - горизонтальными электродами; б - вертикальными электродами; 1 - трехфазная электрическая сеть; 2 - горизонтальные полосовые электроды; 3
Слой опилок, смоченных соленой водой; 4 - слой толя или рубероида; 5 - стержневой электрод.
Этот способ используют при глубине промерзания грунта до 0,7 м, расход электроэнергии на отогрев 1 м3 грунта колеблется от 150 до 300 МДж, температура в опилках не превышает 80... 90 °С.
Оттаивание грунта вертикальными электродами. Электроды представляют собой стержни из арматурной стали с заостренными нижними концами. При глубине промерзания более 0,7 м их забивают в грунт в шахматном порядке на глубину 20 ...25 см, а по мере оттаивания верхних слоев грунта погружают на большую глубину. При оттаивании сверху вниз необходимо систематически убирать снег и устраивать опилочную засыпку, увлажненную солевым раствором. Режим прогрева при стержневых электродах такой же, как и при полосовых, причем во время отключения электроэнергии электроды следует дополнительно заглублять на 1,3... 1,5 м. После отключения электроэнергии в течение 1 ... 2 сут глубина оттаивания продолжает увеличиваться за счет аккумулированного в грунте тепла под защитой опилочного слоя. Расход энергии при этом способе несколько ниже, чем при способе горизонтальных электродов.
Применяя прогрев снизу вверх, до начала прогрева необходимо бурить скважины в шахматном порядке на глубину, превышающую на 15...20 см толщину мерзлого грунта. Расход энергии при отогреве грунта снизу вверх существенно снижается (50... 150 МДж на 1 м3 ), применять слой опилок не требуется. При заглублении стержневых электродов в подстилающий талый грунтуй одновременном устройстве на дневной поверхности опилочной засыпки, пропитанной солевым раствором, оттаивание происходит сверху вниз и снизу вверх. При этом трудоемкость подготовительных работ значительно выше, чем в первых двух вариантах. Применяют этот способ, только когда необходимо экстренно оттаять грунт.
Оттаивание грунта сверху вниз с помощью паровых или водяных регистров. Реги-
стры укладывают непосредственно на расчищенную от снега поверхность отогреваемого участка и закрывают теплоизоляционным слоем из опилок, песка или талого грунта для уменьшения теплопотерь в пространстве. Регистрами оттаивают грунт при толщине мерзлой корки до 0,8 м. Этот способ целесообразен при наличии источников пара или горячей воды, так как монтаж для этой цели специальной котельной установки обычно оказывается слишком дорогим.
Оттаивание грунта паровыми иглами является одним из эффективных средств, но вызывает излишнее увлажнение грунта и повышенный расход тепла. Паровая игла - это металлическая труба длиной 1,5... 2 м, диаметром 25...50мм. На нижнюю часть трубы насажен наконечник с отверстиями диаметром 2...3 мм. Иглы соединяют с паропроводом
гибкими резиновыми рукавами с кранами (рис. 1б). Иглы заглубляют в скважины, предварительно пробуренные на глубину 0,7 глубины оттаивания. Скважины закрывают защитными колпаками из дерева, обшитого кровельной сталью с отверстием, снабженным сальником для пропуска паровой иглы. Пар подают под давлением 0,06... 0,07 МПа. После установки аккумулирующих колпаков прогреваемую поверхность покрывают слоем термоизолирующего материала (например, опилок). Для экономии пара режим прогрева иглами должен быть прерывистым (например, 1 ч - подача пара, 1 ч - перерыв) с поочередной подачей пара в параллельные группы игл. Иглы располагают в шахматном порядке с расстоянием между их центрами 1 ... 1,5 м. Расход пара на 1 м3 грунта 50... 100 кг. Этот способ требует большего расхода тепла, чем способ глубинных электродов, примерно в 2 раза.
При оттаивании грунта водяными циркуляционными иглами в качестве теплоно-
сителя используют воду, нагретую до 50...60°С и циркулирующую по замкнутой системе «котел - разводящие трубы - водяные иглы - обратные трубы - котел». Такая схема обеспечивает наиболее полное использование тепловой энергии. Иглы устанавливают в пробуренные для них скважины. Водяная игла состоит из двух коаксиальных труб, из которых внутренняя имеет внизу открытый, а наружная - заостренный концы. Горячая вода входит в иглу по внутренней трубе, а через нижнее ее отверстие поступает в наружную трубу, по которой поднимается к выходному патрубку, откуда по соединительной трубе идет к следующей игле. Иглы соединяют последовательно по нескольку штук в группы, которые включают параллельно между разводящими и обратными трубопроводами. Оттаивание грунта иглами, в которых циркулирует горячая вода, происходит значительно медленнее, чем вокруг паровых игл. После беспрерывной работы водяных игл в течение 1,5... 2,5 сут их извлекают из грунта, поверхность его утепляют, после чего в течение 1 ...
1,5 сут происходит расширение талых зон за счет аккумулированного тепла. Иглы располагают в шахматном порядке на расстоянии 0,75... 1,25 м между собой и применяют при глубинах промерзания от 1 метра и более.
Оттаивание грунта ТЭНами (электроиглами). ТЭНы представляют собой сталь-
ные трубы длиной около 1 м диаметром до 50 ... 60 мм, которые вставляют в предварительно пробуренные в шахматном порядке скважины.
Внутри игл монтируют нагревательный элемент, изолированный от корпуса трубы. Пространство между нагревательным элементом и стенками иглы заполняют жидкими или твердыми материалами, которые являются диэлектриками, но в то же время хорошо передают и сохраняют тепло. Интенсивность оттаивания грунта зависит от температуры поверхности электроигл, в связи с чем наиболее экономичной является температура 60...80°С, но расход тепла при этом по сравнению с глубинными электродами выше в 1,6...
1,8 раза.
При оттаивании грунта солевыми растворами на поверхности предварительно пробуривают скважины на глубину, подлежащую оттаиванию. Скважины диаметром 0,3...0,4 м располагают в шахматном порядке с шагом около 1 м. В них наливают подогретый до 80...100°С солевой раствор, которым скважины пополняют в течение 3...5 дней. В песчаных грунтах достаточна скважина глубиной 15...20 см, так как раствор проникает вглубь за счет дисперсности грунта. Оттаявшие таким образом грунты после их разработки вторично не смерзаются.
Способ послойного оттаивания вечномерзлых грунтов наиболее целесообразен в весенний период, когда для этих целей можно использовать теплый воздух окружающей атмосферы, теплые дождевые воды, солнечную радиацию. Верхний оттаивающий слой грунта можно удалять любыми землеройно-транспортными или планировочными машинами, обнажая лежащий под ним мерзлый слой, который в свою очередь оттаивает под действием перечисленных выше факторов. Грунт срезают на границе между мерзлым и талым слоями, где грунт имеет ослабленную структуру, что создает благоприятные условия для работы машин. В районах вечной мерзлоты этот способ - один из самых эконо-
мичных и распространенных для разработки грунта при планировке выемок, траншей и т. п.
Способ послойного вымораживания водоносных грунтов предусматривает разра-
ботку до наступления морозов верхнего слоя грунта, лежащего выше горизонта грунтовых вод. Когда под действием холодного атмосферного воздуха расчетная глубина промерзания достигает 40...50 см, приступают к разработке грунта в выемке в мерзлом состоянии. Разработку ведут отдельными участками, между которыми оставляют перемычки из мерзлого грунта толщиной около 0,5 м на глубину около 50 % толщины промерзшего грунта. Перемычки предназначены для изоляции отдельных участков от соседних в случае прорыва грунтовой воды. Фронт разработки перемещается от одной секции к другой, в то время как на уже разработанных секциях глубина промерзания возрастает, после чего разработку их повторяют. Попеременные вымораживание и разработку участков повторяют до достижения проектного уровня, после чего защитные перемычки снимают. Такой способ позволяет разрабатывать при мерзлом состоянии грунта (без крепления и водоотлива) выемки, значительно превосходящие по своей глубине толщину сезонного промерзания грунта.
Предварительное рыхление мерзлого грунта средствами малой механизации при-
меняют при незначительных объемах работ. При больших объемах работ целесообразно использовать механические и мерзлоторезные машины.
Взрывной способ рыхления грунта наиболее экономичен при больших объемах работ, значительной глубине промерзания, в особенности если энергию взрыва используют не только для рыхления, но и для выброса земляных масс в отвал. Но этот способ можно применять только на участках, расположенных вдали от жилых домов и промышленных зданий. При использовании локализаторов взрывной способ рыхления грунтов можно применять и вблизи зданий.
Рисунок 3. Схемы рыхления и резания мерзлого грунта: а - рыхление клином-молотом; б - рыхление дизель-молотом; в - резка в мерзлом грунте щелей многоковшовым экскаватором, оборудованным режущими цепями - барами; 1 - клин-молот; 2 - экскаватор; 3 - мерзлый слой грунта; 4- направляющая штанга; 5 - дизель-молот; 6 - режущие цепи (бары); 7 - многоковшовый экскаватор; 8 - щели в мерзлом грунте.
Механическое рыхление мерзлых грунтов применяют при отрывке небольших по объему котлованов и траншей. В этих случаях мерзлый грунт на глубину 0,5...0,7 м рыхлят клином-молотом (рис. 3a), подвешенным к стреле экскаватора (драглайна), - так называемое рыхление раскалыванием. При работе с таким молотом стрелу устанавливают под углом не менее 60°, что обеспечивает достаточную высоту падения молота. При использовании молотов свободного падения из-за динамической перегрузки быстро изнашиваются стальной канат, тележка и отдельные узлы машины; кроме того, от удара по грунту колебания его могут вредно действовать на близко расположенные сооружения. Механическими рыхлителями рыхлят грунт при глубине промерзания более 0,4 м. В этом случае грунты рыхлят путем скола или нарезки блоков, причем трудоемкость разрушения грунта сколом в несколько раз меньше, чем при рыхлении грунтов резанием. Число уда-
ров по одному следу зависит от глубины промерзания, группы грунта, массы молота (2250…3000 кг), высоты подъема, определяют его ударником конструкции ДорНИИ.
Дизель-молоты (рис. 3б) могут рыхлить грунт при глубине промерзания до 1,3 м и наравне с клиньями являются навесным оборудованием к экскаватору, тракторупогрузчику и трактору. Рыхлить мерзлый грунт дизель-молотом можно по двум технологическим схемам. По первой схеме дизель-молот рыхлит мерзлый слой, двигаясь зигзагом по точкам, расположенным в шахматном порядке с шагом 0,8 м. При этом сферы дробления от каждой рабочей стоянки сливаются между собой, образуя сплошной разрыхленный слой, подготовленный для последующей разработки. Вторая схема требует предварительной подготовки открытой стенки забоя, разрабатываемого экскаватором, после чего ди- зель-молот устанавливают на расстоянии примерно 1 м от бровки забоя и наносят им удары по одному месту до тех пор, пока не произойдет скол глыбы мерзлого грунта. Затем дизель-молот перемещают вдоль бровки, повторяя эту операцию.
Ударные мерзлоторыхлители (рис. 4б) хорошо работают при низких температурах грунта, когда для него характерны не пластичные, а хрупкие деформации, способствующие его раскалыванию под действием удара.
Рыхление грунта тракторными рыхлителями. К этой группе относится оборудование, у которого непрерывное режущее усилие ножа создается за счет тягового, усилия трактора-тягача. Машины этого типа послойно проходят мерзлый грунт, обеспечивая за каждую проходку глубину рыхления 0,3...0,4 м: Поэтому разрабатывают мерзлый слой, предварительно разрыхленный такими машинами, как бульдозеры. В противоположность ударным рыхлителям статические рыхлители хорошо работают при высоких температурах грунта, когда он имеет значительные пластические деформации, а механическая прочность его понижена. Статические рыхлители могут быть прицепными и навесными (на заднем мосту трактора). Очень часто их используют совместно с бульдозером, который может в этом случае попеременно рыхлить или разрабатывать грунт. Прицепной рыхлитель при этом отцепляют, а навесной поднимают. В зависимости от мощности двигателя и механических свойств мерзлого грунта число зубьев рыхлителя колеблется от 1 до 5, причем чаще всего пользуются одним зубом. Для эффективной работы тракторного рыхлителя на мерзлом грунте необходимо, чтобы двигатель имел достаточную мощность (100...180 кВт). Рыхлят грунт параллельными (примерно через 0,5 м) проходками с последующими поперечными проходками под углом 60...90° к предыдущим.
Рисунок 4. Схемы разработки мерзлых грунтов с предварительным рыхлением: а - рыхление клин-молотом; б - тракторным виброклиновым рыхлителем; 1 - автосамосвал; 2 - экскаватор; 3 - клин-молот; 4 – виброклин.
Мерзлый грунт, разрыхленный перекрестными проходками одностоечного рыхлителя, можно успешно разрабатывать тракторным скрепером, причем этот способ считается весьма экономичным и с успехом конкурирует с буровзрывным способом.
При разработке мерзлых грунтов с предварительной нарезкой блоками в мерзлом слое нарезают щели (рис. 5), разделяющие грунт на отдельные блоки, которые затем удаляют экскаватором или строительными кранами. Глубина прорезаемых в мерзлом слое щелей должна составлять примерно 0,8 глубины промерзания, так как ослабленный слой на границе мерзлой и талой зон не является препятствием для разработки экскаватором. В районах с вечно-мерзлыми грунтами, где подстилающий слой отсутствует, метод блочной разработки не применяют.
Рисунок 5. Схемы разработки мерзлых грунтов блочным способом: а, б - мелкоблочным способом; в, г - крупноблочным; 1 - удаление снежного покрова; 2, 3 - нарезка блоков мерзлого грунта баровой машиной; 4 - разработка мелких блоков экскаватором или бульдозером; 5 - разработка талого грунта; 6 - разработка крупных блоков мерзлого грунта трактором; 7 - то же, краном.
Расстояния между нарезанными щелями зависят от размеров ковша экскаватора (размеры блоков должны быть на 10... 15% меньше ширины зева ковша экскаватора). Блоки отгружают экскаваторами с ковшами вместимостью от 0,5 м и выше, оборудованными преимущественно обратной лопатой, так как выгрузка блоков из ковша прямой лопатой очень затруднена. Для нарезки щелей в грунте применяют различное оборудование, устанавливаемое на экскаваторах и тракторах.
Нарезать щели в мерзлом грунте можно с помощью роторных экскаваторов, у которых ковшовый ротор заменен фрезерующими дисками, снабженными зубьями. Для этой же цели применяют дискофрезерные машины (рис. 6), являющиеся навесным оборудованием к трактору.
Рисунок 6. Дискофрезерная землеройная машина: 1 - трактор; 2 - система передачи и управления рабочим органом; 3 - рабочий орган машины (фреза).
Наиболее эффективно нарезать щели в мерзлом грунте баровыми машинами (рис. 5), рабочий орган которых состоит из врубовой цепи, смонтированной на базе трактора или траншейного экскаватора. Баровые машины прорезают щели глубиной 1,3 ... 1,7 м. Достоинством цепных машин по сравнению с дисковыми является относительная легкость замены наиболее быстро изнашивающихся частей рабочего органа - сменных, вставляемых во врубовую цепь зубьев.
