Строительство и реконструкция железных дорог

Общие подходы

Рыхление грунта при глубине промерзания до 0,25...0,30 м производится тяжелыми рыхлителями или кирковщиками. При небольших объемах работ и глубине промерзания 0,4...0,5 м могут применяться шары-молоты, а при мерзлых грунтах толщиной до 0,6...0,7 м — клины-молоты, которые подвешиваются к стреле экскаватора. В настоящее время дорожно-строительные организации используют специальные самоходные баровые установки для нарезания щелей в мерзлом грунте с последующим удалением мерзлых блоков экскаваторами.

При глубине промерзания более 0,3...0,5 м и больших объемах работ наиболее целесообразным и эффективным является взрывной способ рыхления мерзлоты. Взрывные работы производятся обычно методом шпуровых зарядов. Диаметр шпуров принимается 45...50 мм при глубине промерзания до 1,5 м; при глубине до 2м — 60...70 мм. Для бурения шпуров в мерзлоте применяются передвижные буровые станки.

Ориентировочный расход взрывчатых веществ для рыхления мерзлого слоя грунтов, кг/м3; суглинки и глины — 0,5...0,8; пески и растительный грунт — 0,4...0,5; гравелистые и щебенистые — 0,4...0,7.

Глубина заложения зарядов составляет обычно 0,75...0,90 м слоя мерзлоты, шпуры заполняются взрывчатым веществом не более чем на половину их глубины и снабжаются детонаторами. В шпур после BB закладывается слой песка или легкого супесчаного (сухого) грунта (толщиной 12...15 см) без уплотнения; остальная часть шпура забивается любым грунтом, который постепенно трамбуется. Наилучшим материалом для забивки шпуров является увлажненная смесь из одной части глины и трех частей крупнозернистого песка. Взрывать заряды рекомендуется электрическим способом — наиболее эффективным. При снаряжении шпуров средства подрыва BB дублируются.

Количество одновременно взрываемых зарядов принимается из расчета, чтобы при морозе до -10 °С весь разрыхленный мерзлый грунт можно было убрать в течение одной смены. При более низких температурах уборка разрыхленного грунта должна заканчиваться в течение 4...6 ч.

Как правило, выемки при отрицательных температурах разрабатываются экскаваторами с емкостью ковша не менее 0,5 м3 и толщине мерзлого слоя до 0,15...0,25 м. Его извлечение может производиться без рыхления. Для разработки сухих гравийно-песчаных и супесчаных грунтов при глубине промерзания до 3 см могут использоваться скреперы с емкостью ковша не менее 6,0...6,5 м3. При толщине мерзлого слоя более 3 см необходимо предварительное рыхление и удаление его бульдозером. Нахождение груженых скреперов в пути должно быть меньше времени, за которое грунт примерзает к стенкам ковша скрепера. Это время определяется опытным путем в соответствии с температурой воздуха и состоянием грунтов.

Прочность и устойчивость насыпей, возводимых в зимнее время, зависят от свойств применяемых грунтов, количества мерзлых комьев и порядка сооружения насыпи. Лучшими грунтами являются скальные, гравелистые, песчаные и супесчаные. Содержание мерзлых комьев не должно превышать 20...30% по объему, а размер их может быть не более 0,5 толщины отсыпаемого слоя с равномерным распределением в талом грунте. Мерзлый грунт следует отсыпать не ближе 1 м к поверхности откосов. Снег и лед в насыпь попадать не должны. В верхние слои насыпи (1,5 м от бровки земляного полотна) допускается укладка только талого грунта.

В продольном профиле насыпи возводятся горизонтальными слоями от краев к середине на всю ширину земляного полотна; толщина слоя зависит от применяемых средств уплотнения. В поперечном профиле слои грунта укладываются с уклоном 30 % от оси в обе стороны.

Зимой выемки обычно разрабатывают при максимальной высоте забоя любым способом. Снег с площади резерва удаляется с учетом объема грунта для сменной выработки. Такая организация работ способствует уменьшению промерзания грунта. Для снижения теплопотерь в процессе транспортирования грунта целесообразно применять утепленные самосвалы; сверху грунт в кузове закрывают брезентом.

Выбор грунтоуплотняющего средства при производстве земляных работ в зимний период должен осуществляться по скорректированным принципам и критериям по сравнению с летними условиями. Для замедления скорости промерзания грунта и обеспечения возможности его быстрого уплотнения возведение насыпи целесообразно вести более толстыми слоями (не менее 40...50 см) и более узкими по ширине захватками (не более трех-четырех полос, каждая из которых равна ширине рабочего органа катка). Длину захваток тоже следует сокращать до разумного минимума, составляющего (при морозе -20...-30°С) примерно 20...30 м.

Грунтоуплотняющая техника должна иметь более высокую производительность (минимум на 25...30%), чем производительность механизмов при укладке грунта в насыпь. Такая машина или каток должны иметь возможность вести уплотнение челночным способом, т.е. без разворотов в конце захватки, на которые, как правило, затрачивается определенное время из незначительного его резерва на всю операцию зимнего уплотнения.

При скорости ветра более 5...6 м/с указанное время уплотнения грунта уменьшают до двух раз. Качественное уплотнение грунта и минимальные осадки зимнего земляного полотна при его последующей эксплуатации возможны только при попадании в насыпь ограниченного количества мерзлых комьев (табл. 8.4), так как при большом их объеме грунт насыпи быстрее смерзается и хуже уплотняется.

Величина мерзлых комьев ограничивается способностью грунтоуплотняющего средства раздавливать их основную часть на более мелкие фрагменты (не более 80...100 мм). При уплотнении пневмоколесными катками с нагрузкой на шину не ниже 4,5...5,0 т размеры мерзлых комьев не должны превышать 150...200 мм; при использовании прицепных и самоходных шарнирно-сочлененных виброкатков с гладкими или лучше кулачковыми вальцами и массой вибровальцового модуля не менее 7...8 т — должны быть не более 200...250 мм; при наличии трамбующих машин или плит на экскаваторах, а также решетчатых или ребристых тяжелых катков — должны быть не более 250...300 мм.

Катки с гладкими вальцами мало пригодны для уплотнения грунта и зимних условиях в связи с незначительной толщиной уплотнения, необходимостью большого фронта работ но укатке и быстрого промерзания грунта. Малоэффективны и катки на пневматических шинах.

Лучший способ уплотнения грунтов в зимнее время — трамбование, при котором можно отсыпать грунт наиболее толстыми слоями.

При попадании в тело насыпи мерзлых комьев наряду с трамбовочными машинами целесообразно применять решетчатые катки, уплотняющие слой грунта до 50 см. Масса катка не должна быть менее 25 т. Кроме того, можно использовать и тяжелые кулачковые виброкатки, режим работы которых близок к вибротрамбующему.

Таким образом, в зимних условиях в промышленном и гражданском строительстве следует применять трамбовочные машины и навесные трамбующие плиты на тракторе, позволяющие производить работы на узком фронте и при значительной толщине уплотняемого слоя грунта. При этом статическое давление под трамбующей плитой должно составлять не менее 1,5...2,0 МПа.

Предохранение грунтов от промерзания

Земляные работы зимой производятся в целях ликвидации сезонности дорожных работ и неравномерности использования имеющихся сил и средств на протяжении всего года. В это время следует выполнять работы, которые минимально связаны с разработкой мерзлых грунтов, т. е. производить разработку выемок и грунтовых карьеров, в которых слой мерзлоты значительно меньше слоя талого грунта. Следует разрабатывать скальные, песчаные, гравелистые, щебенистые нормальной влажности грунты, которые при отрицательных температурах не смерзаются.

Подготовка грунтового массива к разработке в зимних условиях должна быть завершена до наступления осенней распутицы. Обычно под грунтовые карьеры отводятся земли, не пригодные для сельскохозяйственного использования: на склонах балок, оврагов и прочих неудобьях. Поэтому в сухой период к будущим резервам следует проложить временные грунтовые дороги с обеспечением выпуклого поперечного профиля и водоотвода. Вдоль них необходимо выставить вехи, которые зимой будут указывать направление и не позволят водителям заехать в занесенные снегом овраги и другие понижения рельефа.

С поверхности резерва снимается почвенно-растительный слой. От промерзания грунт предохраняется предварительной обработкой его поверхности (вспахиванием и боронованием, обваловыванием или окучиванием), утеплением снегом или теплоизолирующими материалами. Возможно также использование гигроскопических солей NaCl, MgCl2 и др. Поверхностный слой грунта вспахивается до наступления морозов на глубину 0,20...0,35 м с последующим боронованием на глубину 0,15...0,20 м.

Обязательным условием является обеспечение естественного стока поверхностных вод с утепляемого участка в целях предохранения его от водонасыщения.

Для задержания снега в целях утепления грунта используются валы грунта, снежные траншеи и валы, снегозадерживающие щиты.

Часть грунта под слоем, разрыхленным вспашкой и боронованием, все-таки промерзает. Глубина промерзания H в этом случае приближенно может быть определена по формуле

где А — коэффициент, учитывающий способ утепления грунта, приведенный в табл. 8.2; P — коэффициент относительной морозостойкости.

Коэффициент относительной морозостойкости определяется по формуле

где Т — среднемесячная отрицательная температура, °С; Z — количество дней с отрицательной температурой для рассчитываемого периода зимы (произведение TZ называется числом зимних градусодней).

Влияние слоя снега на глубину промерзания можно приближенно определить по формуле

где kут — коэффициент, зависящий от свойств утепляющего материала (табл. 8.3); В — коэффициент сравнительной температуропроводности различного снега, который принимается: для рыхлого снега — 3; для слежавшегося насыпного снега — 2; для протаявшего снега — 1,5; h — толщина слоя снега.

Предохранение грунта от промерзания путем укрытия его теплоизоляционными материалами является одним из широко известных и надежных способов. Теплоизоляционный слой нарушает естественные условия теплообмена. Накопленная за лето теплота через теплоизоляционные слои расходуется намного медленнее, и грунты под ними продолжительное время сохраняются талыми. Разработка такого грунта зимой не представляет затруднений; производительность землеройного оборудования практически не отличается от летней.

По сравнению со способами механического и взрывного рыхления мерзлоты способ теплоизоляции имеет ряд преимуществ. При механическом и взрывном способах образуется много негабаритных глыб. За счет их наличия в массе грунта цикл черпания при экскавации удлиняется, а из-за более высокого коэффициента разрыхления промерзших пород снижается и степень использования емкостей ковша. Зимняя производительность землеройного оборудования при этих способах снижается до 60...70 % по сравнению с летней.

В качестве теплоизоляционных материалов традиционно применяются опилки, сухая листва, солома, ветки деревьев, шлаки, торф. В связи с нетехнологичностью работ с использованием этих материалов и непостоянством их теплоизоляционных свойств утепление ими грунтов в широких масштабах затруднено. В последнее время проведен ряд исследований по изысканию эффективных материалов. Сейчас имеется достаточно простая конструкция компактной установки для приготовления пенопласта и отработана технология ее применения.

Пенопласт изготавливают непосредственно на месте работ и наносят на утепляемую поверхность из шланга в виде желеобразной пены, которая через минуту уже начинает затвердевать. Пенопласт прочно схватывается с укрываемой поверхностью и надежно защищает грунт от промерзания.

Утепление пенопластом может с успехом применяться для защиты от промерзания песчаных, супесчаных, суглинистых и глинистых грунтов.

Исходными материалами для изготовления пенопласта являются мочевиноформальдегидная смола («Крепитель М») — 35%; пенообразователь ПО-1 — 4 %; соляная кислота в конценфации 5...6 % — 16%; вода — 45%.

Пенопласт на основе мочевиноформальдегидной смолы («Крепитель М») может использоваться в карьерах с гравийно-песчаными и обычными грунтами, для утепления грунтов при разработке выемок, котлованов, траншей, для утепления различных сооружений. Он может применяться в районах, где скорость ветра не превышает 30 м/с. При скорости ветра до 20 м/с требуется укрепление поверхности пенопласта, а при скорости 25 м/с и выше — упрочнение самого пенопласта. Пенопласт может наноситься слоем 10...30 см; при этом себестоимость разрабатываемых грунтов с учетом материалов, механизмов, затрат труда и транспортных расходов увеличивается на 7...20%.

Пенопласт на основе мочевиноформальдегидной смолы («Крепитель М») является пористым материалом с размером пор 0,5...3,0 мм. Объемная масса воздушно-сухого образца пенопласта составляет 10...15 кг/м3. Пенопласт, изливающийся в виде пены, имеет хорошую адгезию к поверхности грунта и других материалов (дереву, металлу, бетону). Он может наноситься на вертикальные и наклонные поверхности. Первоначальная влажность (после изготовления) пенопласта — 400...450%, при сухой погоде происходит его интенсивное высыхание. При дожде пенопластовое покрытие легко впитывает влагу, которая накапливается в основном в верхнем слое.

При продолжительном дожде влажность верхнего слоя повышается до 100%, затем влага перемещается в нижние слои. При ясной сухой погоде пенопласт также быстро отдает влагу. Теплопроводность пенопласта по мере насыщения влагой быстро растет, тем не менее даже влажный пенопласт обеспечивает надежную защиту грунта от промерзания. После изготовления и укладки по мере твердения пенопласт дает усадку в пределах 5...15%. При нарушении технологии приготовления пенопласта (некачественные исходные компоненты, недостаток соляной кислоты) его усадка будет больше.

При низких температурах (-5...-10°С) усадка пенопласта будет также выше указанной нормы. Прочность пенопласта невелика: при кратковременном сжатии она равна 4,250 г/см2, поэтому по поверхности пенопласта не рекомендуется ходить, тем более ездить.

Мочевиноформальдегидная смола («Крепитель М») получается путем конденсации мочевины с формальдегидом в слабощелочной или нейтральной среде. Смола представляет собой однородную по цвету сиропообразную жидкость без видимых механических примесей с удельной массой 1,10...1,35 г/см3. Вязкость по вискозиметру составляет 4...10 с. Растворимость в воде полная, не растворяется в органических растворителях; окраска светлая. Твердение мочевиноформальдегидной смолы как при обычной температуре, так и при нагревании происходит под действием отвердителя-кислоты. При добавке отвердителя смола коагулирует, образует гель, а затем превращается в твердую массу. Смола при твердении проходит три стадии:

• в первой стадии (фаза А) смола является вязкой жидкостью и легко растворяется в воде;

• во второй стадии (фаза Б) смола представляет собой рыхлое, эластичное, студнеобразное тело и содержит 40... 50 % воды. В таком виде смола частично растворяется в воде;

• в третьей стадии (фаза В) смола становится жесткой, неплавкой и нерастворимой. При этом происходит выделение 20...25% воды.

Пенообразователь ПО-1 представляет собой нейтральный керосиновый контакт, содержащий до 45% сульфокислот. Для обеспечения необходимой плотности и стойкости пены к раствору нейтрализованного контакта добавляют 4,5% клея или 10% спирта (или этиленгликоля). Пенообразователь ПО-1 — жидкость темно-коричневого цвета без осадка и посторонних включений, обладающая следующими свойствами: удельная масса — 1,1 г/см3; реакция среды нейтральная или щелочная; кратность пены — не менее 10; стойкость пены — не менее 30 мин.

Кратность пены определяется в стеклянном градуированном цилиндре емкостью 1000 см3, в который наливают 98 см3 воды и 2 см3 пенообразователя. Затем цилиндр закрывают пробкой и в течение 30 с энергично взбалтывают. При этом цилиндр удерживают с торцов руками в горизонтальном положении и встряхивают в направлении продольной оси. После встряхивания цилиндр устанавливают на столе, пробку удаляют и производят отсчет образовавшейся пены. Отношение полученного объема пены к объему раствора (100 см3) дает величину кратности пены.

Стойкость пены — время, в течение которого пена, полученная для определения кратности, разрушается на 1/5 своего первоначального объема.

Соляная кислота — бесцветная жидкость с резким запахом, свойственным хлористому водороду. Обычная концентрированная соляная кислота содержит 37 % HCl и имеет удельный вес 1,19 г/см3. Кислота такой концентрации дымит на воздухе. Для изготовления пенопласта используют кислоту 5 —6%-ной концентрации. Соляная кислота является сильной кислотой, поэтому при работе с ней соблюдают меры предосторожности.

Вода применяется обычная, водопроводная, без химических или механических примесей.

Водный раствор смолы («Крепитель М») и пенообразователь ПО-1 представляют собой легко вспенивающуюся смесь. В установке вспенивание достигается в реакторе простой конструкции с помощью сжатого воздуха. «Крепитель М» под действием соляной кислоты по-лимеризуется, поэтому при опрыскивании вспененной массы соляной кислотой пена быстро твердеет, образуя пенопласт. Структура пены при этом в основном сохраняется.

Изготовление пенопласта и нанесение его на утепляемую поверхность происходят одновременно. Покрытие пенопластом поверхности грунта является простой и нетрудоемкой операцией. Рабочий держит гибкий рукав, по которому от реактора изливается пена, и направляет струю этой пены на покрываемую поверхность, на которой она твердеет, образуя пенопластовое покрытие. Пенопласт должен укладываться плотно. Для этого струю пены следует направлять под углом 40...90° к покрываемой поверхности.

Неплотная укладка, когда пенопласт ложится на поверхность под собственной массой, может применяться в районах, где скорость ветра не превышает 7...10 м/с. При утеплении не требуется предварительной подготовки покрываемой поверхности (разравнивание грунтовой поверхности, снятие дерна и т.п.). В случае нанесения пенопласта на поверхность уступа, сложенного рыхлыми породами, угол его не должен превышать угол естественного откоса этой породы. При утеплении свежих отвалов и различных склонов рыхлой породы необходимо, чтобы пенопластовое покрытие наносилось после их осадки. В противном случае возможно разрушение покрытия по мере уплотнения породы.

Покрытие пенопластом рекомендуется производить при температуре окружающего воздуха не ниже 0 °С. При температуре от 0 до -10 °С установку необходимо утеплить или обеспечить подогревом. Пенопластовое покрытие рекомендуется укладывать за 1,0... 1,5 мес до наступления холодов. Уложенный раньше этого срока пенопласт под действием солнечных лучей начинает стареть и разрушаться с образованием фещин и ухудшением теплоизоляционных свойств.

Установкой с подофевом можно производить покрытие грунтов в зимнее время при температуре ниже -10 °С. Однако в этом случае утепляющие свойства пенопласта могут сохраняться в течение короткого времени. Через 30...40 дней мтруктура пенопласта нарушается, он садится и уплотняется.

В районах, где скорость ветра превышает 20 м/с, края пенопластового утеплителя стремятся загнуться кверху, что может стать причиной срыва покрытия по краям.

Правила техники безопасности при работе с пеноустановками:

• при производстве работ в карьере должны соблюдаться все требования правил технической безопасности для предприятий, разрабатывающих месторождения открытым способом;

• баки реакторной установки должны иметь паспорт, допускающий использование их под давлением: рабочие баки для смеси — до 7 кг/см2; баки соляной кислоты — до 3 кг/см2;

• баки со смолой, пенообразователем или водой при заправке должны находиться в предохранительном ящике;

• бутыль с кислотой при заправке установки должна содержаться в предохранительном ящике;

• на установке всегда должен быть 5%-ный раствор соды на случай попадания кислоты на кожу или в глаза;

• лица, работающие на установке, обязаны пройти специальную подготовку, дающую право работы на ней.

Правила приемки и хранения материалов:

1) необходимо проверить наличие паспорта завода-изготовителя на каждую поступившую партию исходных материалов. В паспорте должны быть указаны; номер партии; масса партии; соответствие физико-химических свойств компонентов требованиям технических условий;

2) следует проверить состояние тары, которая должна быть прочной, с плотно закрытым заливочным отверстием. На таре должна быть бирка с обозначением завода-изготовителя, номера партии, массы;

3) отобрать от каждой партии пробу для направления ее в химическую лабораторию на анализ по физико-химическим показателям. Для отбора проб вскрывают 5 % бочек (не менее двух от каждой партии). Объем пробы с одной партии должен быть не менее 1 л. После отбора проб вскрытые бочки плотно закупоривают.

Наилучшим условием хранения мочевиноформальдегидной смолы является температура 5 °С. К быстрой коагуляции смолы приводят прямая солнечная радиация и открытый способ хранения. На устойчивость смолы и качество полученного пенопласта не влияют трехкратное замораживание и постепенное оттаивание. Температура хранения пенообразователя должна быть не выше 30 °С и не ниже 5 °С. В случае замораживания пенообразователя в таре его помещают в отапливаемое помещение до полного оттаивания. После оттаивания пенообразователь следует тщательно перемешать. Недопустим отбор из емкости части замороженного пенообразователя для оттаивания. При загустении пенообразователя в результате испарения воды он может быть разбавлен водой до требуемого удельного веса.

Пенообразователь можно хранить и транспортировать в чистой и плотно закупоренной таре: в цистернах, металлических бочках и бидонах. Тары из-под нефтепродуктов перед заполнением ее пенообразователем необходимо очистить горячей водой, паром, так как попадание даже незначительного количества нефтепродуктов в пенообразователь может привести к потере пенообразующих свойств.