Desarrollo del suelo en invierno. Trabajos de excavación en condiciones invernales y suelos de permafrost. Desarrollo directo de suelo congelado.

Desde el punto de vista de la mayoría de los constructores, la estación más fría del año no es la más mejor tiempo para comenzar trabajo de construcción. Sin embargo, algunos de ellos aún deben realizarse incluso en periodo de invierno. Después de todo, el proceso de construcción de un edificio está impulsado por la voluntad del cliente del proyecto y no por las preferencias de los ejecutores. Y es por eso que incluso una categoría tan compleja y que requiere mucha mano de obra como los trabajos de excavación puede incluirse en la categoría de trabajos de construcción de invierno.

Además, la dificultad de llevar a cabo este tipo de operaciones no sólo radica en la necesidad de superar situaciones bastante graves condiciones climáticas, sino también en el hecho de que los trabajos de excavación en horario de invierno debe realizarse en suelos que hayan cambiado completamente sus características físicas.

En realidad, el trabajo invernal en el terreno comienza incluso antes de las primeras heladas de otoño. En este momento es necesario realizar el complejo. actividades preparatorias, cuyo propósito es proteger el suelo de la congelación. Este conjunto de medidas incluye dos procedimientos: aflojamiento y aislamiento térmico de la superficie del suelo.

Primera etapa Las medidas preventivas (aflojamiento del suelo) se llevan a cabo mecánicamente: el área asignada para los trabajos de excavación se ara con arados hasta una profundidad de al menos 30-40 centímetros. El objetivo principal de esta acción es saturar la densa capa de suelo con aire, lo que aumenta la inercia térmica del suelo.

Segunda fase Las medidas preventivas consisten en disponer una capa exterior de protección térmica. Para ello se utiliza cualquier material disponible con propiedades termoaislantes: aserrín, hojas secas, escorias, usados. lana mineral Etcétera. Un buen complemento a la barrera artificial sería una capa de aislante térmico natural: la nieve.

Una vez finalizada la etapa preliminar, el sitio de construcción permanecerá en este estado de conservación hasta el inicio de los trabajos de excavación.

Cabe señalar de inmediato que ni aflojar ni aislar el suelo proporciona una protección del 100 por ciento contra la congelación del suelo, por lo que los trabajos de excavación en invierno comienzan con la eliminación de la capa aislante, la descongelación y el nuevo aflojamiento del suelo. Y solo después de esto podrás comenzar a extraer la tierra. Además, tales manipulaciones deben realizarse únicamente en el área que se supone que debe procesarse durante el turno de trabajo de hoy.

La descongelación gradual del suelo se realiza utilizando cualquier fuente de calor. Sin embargo, en la mayoría de los casos, para estos fines se utiliza fuego o vapor sobrecalentado. Además, no se demuestran peores resultados agua caliente y calentadores eléctricos. Es cierto que las últimas opciones también tienen sus inconvenientes: el uso de agua aumenta la humedad del suelo y provoca la formación de hielo en el suelo, y el funcionamiento de los calentadores eléctricos es muy caro.

El aflojamiento del suelo descongelado se realiza con la ayuda de equipos de construcción pesados. Y en esta operación desempeñan un papel fundamental las excavadoras con un volumen de cuchara de hasta 0,5 metros cúbicos. Cabe señalar que la potencia de las excavadoras es suficiente incluso para aflojar el suelo aún no descongelado. Es cierto que tal descuido de la etapa de tratamiento térmico del suelo se permite solo si la profundidad de congelación del suelo no supera los 40 centímetros.

Aflojar el suelo profundamente congelado es un poco más difícil. Para aflojar profundidades de 1 metro se utilizan cortadores especiales y martillos diésel, necesarios para clavar cuñas. Este proceso puede ir acompañado de la instalación de "agujas" especiales en las capas congeladas del suelo, conectadas a un generador de vapor. Y un enfoque tan integrado permite aumentar la eficiencia energética del proceso de descongelación del suelo.

En etapas posteriores Los movimientos de tierras en invierno prácticamente no se diferencian de operaciones similares realizadas en otras épocas del año: los pozos y zanjas se construyen con la misma tecnología que en verano. Además, en esta etapa, las heladas invernales pueden convertirse no solo en oponentes, sino también en aliados: el borde de un pozo o zanja atrapado por las heladas es menos susceptible a la amenaza de colapso del suelo.

Algunas diferencias en la organización de los trabajos de excavación de verano e invierno se vuelven a observar en la etapa final, cuando se rellenan las zanjas y los pozos. La tierra para estos fines se toma de un lugar de almacenamiento organizado de acuerdo con las reglas de verano, teniendo en cuenta las características específicas del trabajo de invierno (aislamiento de la superficie de la pila con tierra extraída).

Y si el trabajo de excavación lleva un período de tiempo suficientemente largo, entonces será necesario aflojar y descongelar la tierra de la pila. De hecho, según las normas de construcción, para rellenar las zanjas sólo se puede utilizar suelo descongelado que contenga entre el 10 y el 15 por ciento del volumen total de terrones de tierra congelados. Esta especificidad de la etapa final de los trabajos de excavación debe tenerse en cuenta al determinar el cronograma de uso (y alquiler) de equipos de calefacción en el sitio.

Una parte importante del territorio de Rusia se encuentra en zonas con inviernos largos y severos. Sin embargo, la construcción está en marcha aquí. todo el año, por lo que aproximadamente el 20% del volumen total de los trabajos de excavación deben realizarse con el suelo congelado.

Los suelos congelados se caracterizan por un aumento significativo en la intensidad del trabajo de su desarrollo debido a una mayor resistencia mecánica. Además, el estado congelado del suelo complica la tecnología, limita el uso de ciertos tipos de máquinas de movimiento de tierras (excavadoras) y de movimiento y transporte de tierras (bulldozers, raspadoras, faders), reduce la productividad de los vehículos y contribuye al rápido desgaste de piezas de máquinas, especialmente sus piezas de trabajo. Al mismo tiempo, se pueden desarrollar excavaciones temporales en suelo helado sin pendientes.

Dependiendo de las condiciones locales específicas, el desarrollo del suelo en condiciones invernales se lleva a cabo mediante los siguientes métodos: 1) protección del suelo de la congelación y posterior desarrollo mediante métodos convencionales, 2) desarrollo del suelo en estado congelado con aflojamiento preliminar, 3) desarrollo directo de suelo congelado, 4) descongelación del suelo y su desarrollo en estado descongelado.

El suelo se protege de la congelación aflojando las capas superficiales, cubriendo la superficie con varios materiales aislantes e impregnando la libra con soluciones salinas.

El aflojamiento del suelo mediante arado y rastra se lleva a cabo en un área destinada al desarrollo en condiciones invernales. Como resultado, la capa superior de la libra adquiere una estructura suelta con huecos cerrados llenos de aire, que tiene suficientes propiedades de aislamiento térmico. El arado se realiza con arados factoriales o desgarradores hasta una profundidad de 20...35 cm, seguido de un rastrillado hasta una profundidad de 15...20 cm en una dirección (o en dirección transversal), lo que aumenta el efecto de aislamiento térmico en 18...30%.

El recubrimiento de la superficie del suelo se realiza con materiales aislantes térmicos, preferiblemente con materiales locales baratos: hojas de árboles, musgo seco, finos de turba, esteras de paja, escorias, humos y aserrín, colocados en una capa de 20...40 cm directamente por el libra. El aislamiento de la superficie de la libra se utiliza principalmente para huecos de áreas pequeñas.

El aflojamiento del suelo congelado con posterior desarrollo mediante máquinas de movimiento de tierras o movimiento de tierras se realiza mediante método mecánico o explosivo.

El aflojamiento mecánico se basa en cortar, partir o picar una capa de suelo congelado bajo influencia estática o dinámica.

El impacto estático se basa en el impacto de una fuerza de corte continua en suelo congelado mediante un cuerpo de trabajo especial: un diente. Para ello, se utiliza un equipo especial en el que se crea una fuerza de corte continua del diente debido a la fuerza de tracción del tractor. Las máquinas de este tipo realizan la penetración capa por capa del suelo congelado, proporcionando por cada penetración una profundidad de aflojamiento de aproximadamente 0,3...0,4 m. El suelo se afloja mediante penetraciones paralelas (aproximadamente 0,5 m), seguidas de penetraciones transversales en un ángulo de 60...90° con respecto a los anteriores. La productividad del desgarrador es de 15...20 m3/h. Como desgarradores estáticos se utilizan excavadoras hidráulicas con un cuerpo de trabajo, un diente de desgarrador.

La posibilidad de desarrollo capa por capa de libra congelada hace que los desgarradores estáticos sean aplicables independientemente de la profundidad de la congelación.

El impacto dinámico se basa en la creación de núcleos de impacto en la superficie abierta de la libra congelada. De esta manera, la libra se destruye con martillos de caída libre (aflojamiento por división) o martillos direccionales (aflojamiento de virutas). Un martillo de caída libre puede tomar la forma de una bola o una cuña que pesa hasta 5 toneladas, suspendida de una cuerda desde el brazo de una excavadora y caída desde una altura de 5...8 m. Las bolas se recomiendan para aflojar arena y libras franco arenosas y cuñas para las arcillosas (a una profundidad de congelación de 0,5...0,7 m).

Los martillos diésel se utilizan ampliamente como martillos direccionales y se utilizan como accesorios para una excavadora o un tractor. Los martillos diésel permiten destruir una libra a una profundidad de hasta 1,3 m.

El aflojamiento por explosión es efectivo a profundidades de congelación de 0,4...1,5 mo más y con volúmenes significativos de desarrollo de libras congeladas. Se utiliza principalmente en zonas no urbanizadas y en zonas poco urbanizadas, con el uso de refugios y localizadores de explosiones (losas pesadas). Cuando se afloja a una profundidad de 1,5 m, se utilizan métodos de perforación y ranura, y a mayores profundidades, métodos de perforación o ranura. Las ranuras a una distancia de 0,9...1,2 m entre sí se cortan con máquinas cortadoras de ranuras del tipo fresadora o máquinas de barras. De las tres rendijas adyacentes, una del medio está cargada; las rendijas exterior e intermedia sirven para compensar el desplazamiento de la libra congelada durante una explosión y para reducir el efecto sísmico. Las grietas se cargan con cargas alargadas o concentradas y luego se rellenan con arena. Durante la explosión, la libra congelada se aplasta completamente sin dañar las paredes del pozo o zanja.

El desarrollo directo del suelo congelado (sin aflojamiento previo) se lleva a cabo mediante dos métodos: en bloque y mecánico.

El método de los bloques se basa en el hecho de que la solidez del suelo congelado se rompe cortándolo en bloques, que luego se retiran con una excavadora, una grúa de construcción o un tractor. El corte en bloques se realiza en direcciones mutuamente perpendiculares. Para profundidades de congelación poco profundas (hasta 0,6 m), basta con realizar solo cortes longitudinales. La profundidad de las grietas cortadas en la capa congelada debe ser aproximadamente el 80% de la profundidad de congelación, ya que la capa debilitada en el borde de las zonas congelada y descongelada no es un obstáculo para la separación de los bloques del macizo. La distancia entre las ranuras cortadas depende del tamaño del borde del cucharón de la excavadora (el tamaño de los bloques debe ser entre un 10 y un 15% menor que el ancho del cucharón de la excavadora). Para la descarga de bloques se utilizan excavadoras con cucharones con una capacidad de 0,5 m3 y superiores, equipadas principalmente con una retroexcavadora, ya que descargar bloques de un cucharón con una pala recta es muy difícil.

El método mecánico se basa en el impacto de la fuerza (a veces en combinación con golpes o vibraciones) sobre la masa de suelo congelado. Se implementa utilizando tanto máquinas convencionales de movimiento de tierras como máquinas de transporte y movimiento de tierras, así como máquinas equipadas con piezas de trabajo especiales.

Para profundidades de congelación poco profundas se utilizan máquinas convencionales: rectas y retroexcavadora con un cucharón con una capacidad de hasta 0,65 m3 - 0,25 m, lo mismo con un cucharón con una capacidad de hasta 1,6 m3 - 0,4 m, excavadoras dragalinas - hasta 0,15 m, topadoras y raspadores - 0,05... 0,1 m .

Para ampliar el alcance de uso de las excavadoras de un solo cucharón en invierno, se ha comenzado a utilizar equipos especiales: cucharones con dientes activos de vibroimpacto y cucharones con dispositivo de pinza de agarre. Debido al exceso de fuerza de corte, estas excavadoras de un solo cucharón pueden desarrollar una variedad de libras congeladas capa por capa, combinando los procesos de aflojamiento y excavación en uno solo.

El desarrollo del suelo capa por capa se realiza con una máquina fresadora y de movimiento de tierras especializada, que elimina las “virutas” de hasta 0,3 m de espesor y 2,6 m de ancho, y el suelo congelado desarrollado se mueve con la ayuda de un equipo topador incluido en la máquina.

La descongelación del suelo congelado se lleva a cabo mediante métodos térmicos, que se caracterizan por una gran intensidad de mano de obra y energía. Por lo tanto, los métodos térmicos se utilizan sólo en los casos en que otros métodos efectivos inaceptable o inaceptable, a saber: cerca de comunicaciones y cables subterráneos existentes, si es necesario descongelar la base congelada, durante una emergencia y trabajo de reparación, en condiciones de hacinamiento (especialmente en condiciones de reequipamiento técnico y reconstrucción de empresas).

Los métodos para descongelar suelos congelados se clasifican según la dirección de propagación del calor en el suelo y según el tipo de refrigerante utilizado.

Según la dirección de propagación del calor hacia el suelo, se pueden distinguir los siguientes tres métodos de descongelación del suelo.

El método de descongelar el suelo de arriba a abajo es ineficaz, ya que la fuente de calor está ubicada en la zona de aire frío, lo que provoca grandes pérdidas de calor. Al mismo tiempo, este método es bastante fácil y sencillo de implementar, ya que requiere un mínimo trabajo de preparatoria.

El método de descongelar el suelo de abajo hacia arriba requiere flujo mínimo energía, ya que el deshielo se produce bajo la protección de la corteza hielo-tierra y prácticamente se elimina la pérdida de calor. La principal desventaja de este método es la necesidad de realizar trabajos intensivos en mano de obra. operaciones preparatorias, lo que limita el ámbito de su aplicación.

Cuando el suelo se descongela en dirección radial, el calor se propaga en libras radialmente desde los elementos de descongelación instalados verticalmente, clasificados en libras. Este método, en cuanto a sus indicadores económicos, ocupa una posición intermedia entre los dos descritos anteriormente, y para su implementación también requiere un importante trabajo preparatorio.

Según el tipo de refrigerante, se distinguen los siguientes métodos principales para descongelar suelos congelados.

El método del fuego se utiliza para excavar pequeñas zanjas en invierno. Para ello resulta económico utilizar un conjunto de enlace formado por una serie de cajas metálicas en forma de troncos de cono cortados a lo largo del eje longitudinal, a partir de las cuales se monta una galería continua. La primera de las cajas es una cámara de combustión en la que se quema combustible sólido o líquido. Tubo de escape La última caja proporciona tracción, gracias a la cual los productos de la combustión pasan por la galería y calientan el suelo situado debajo de ella. Para reducir la pérdida de calor, la galería se rocía con una capa de tierra o escoria descongelada. La franja de suelo descongelado se cubre con aserrín y el descongelamiento continúa en profundidad debido al calor acumulado en el suelo.

El método de calentamiento eléctrico se basa en hacer pasar corriente a través del material calentado, como resultado de lo cual adquiere una temperatura positiva. Los principales medios técnicos son los electrodos horizontales o verticales.

Al descongelar el suelo con electrodos horizontales, se colocan electrodos hechos de tiras o acero redondo sobre la superficie del suelo, cuyos extremos se doblan entre 15 y 20 cm para conectarse a los cables. La superficie del área calentada se cubre con una capa de aserrín de 15...20 cm de espesor, que se humedece con una solución salina con una concentración del 0,2...0,5% para que la masa de la solución no sea menor que la masa de aserrín. Inicialmente, el aserrín mojado es un elemento conductor, ya que el suelo congelado no es conductor. Bajo la influencia del calor generado en la capa de aserrín, la capa superior del suelo se descongela, que se convierte en un conductor de corriente de electrodo a electrodo. Después de eso, bajo la influencia del calor, la siguiente capa de suelo comienza a descongelarse y luego las capas subyacentes. Posteriormente, una capa de aserrín protege la zona calentada de la pérdida de calor a la atmósfera, para lo cual se cubre la capa de aserrín con fieltro o escudos. Este método se utiliza cuando la profundidad de congelación de una libra es de hasta 0,7 m, el consumo de energía para calentar 1 m3 de suelo oscila entre 150 y 300 MJ, la temperatura en el aserrín no supera los 8O...9O°C.

La descongelación del suelo con electrodos verticales se realiza mediante varillas de acero de refuerzo con extremos inferiores puntiagudos. A una profundidad de congelación de 0,7 m, se introducen en el suelo en forma de tablero de ajedrez hasta una profundidad de 20...25 cm y, a medida que se descongelan las capas superiores del suelo, se sumergen a una profundidad mayor. Al descongelar de arriba a abajo, es necesario quitar la nieve sistemáticamente y colocar un relleno de aserrín humedecido con solución salina. El modo de calentamiento para los electrodos de varilla es el mismo que para los electrodos de tira, y durante un corte de energía, los electrodos deben profundizarse secuencialmente a medida que el suelo se calienta hasta 1,3...1,5 m Después de un corte de energía durante 1...2 días , la profundidad del deshielo sigue aumentando debido al calor acumulado en el suelo bajo la protección de la capa de aserrín. El consumo de energía con este método es ligeramente menor que con el método del electrodo horizontal.

Usando calentamiento de abajo hacia arriba, antes de comenzar el calentamiento, es necesario perforar pozos ubicados en forma de tablero de ajedrez a una profundidad de 15...20 cm mayor que el espesor de la libra congelada. El consumo de energía al calentar medio kilo de abajo hacia arriba se reduce significativamente, ascendiendo a 50...150 MJ por 1 m3, y no es necesario el uso de una capa de aserrín.

Cuando los electrodos de varilla se entierran en la masa fundida subyacente y al mismo tiempo se coloca un relleno de aserrín impregnado con una solución salina en la superficie del día, la descongelación se produce tanto en dirección de arriba hacia abajo como de abajo hacia arriba. Al mismo tiempo, la intensidad alimentaria del trabajo preparatorio es significativamente mayor que en las dos primeras opciones. Este método se utiliza sólo en casos excepcionales cuando es necesario descongelar urgentemente la libra.

La descongelación por vapor se basa en la inyección de vapor en una libra, para lo cual se medios tecnicos- agujas de vapor, que son un tubo metálico de hasta 2 m de largo y un diámetro de 25...50 mm. En la parte inferior del tubo se monta una punta con orificios con un diámetro de 2...3 mm. Las agujas están conectadas a la línea de vapor mediante mangueras de goma flexibles con grifos. Las agujas se entierran en pozos previamente perforados a una profundidad igual al 70% de la profundidad de descongelación. Los pocillos se cierran con tapas protectoras equipadas con juntas para el paso de una aguja de vapor. El vapor se suministra a una presión de 0,06...0,07 MPa. Después de instalar las tapas acumuladas, la superficie calentada se cubre con una capa de material aislante térmico (por ejemplo, aserrín). Las agujas están dispuestas en forma de tablero de ajedrez con una distancia entre centros de 1...1,5 m. El consumo de vapor por 1 m3 lb es de 50...100 kg. Este método requiere un consumo de calor aproximadamente 2 veces mayor que el método del electrodo profundo.