Мерзлые грунты. Подготовка мерзлых грунтов к погружению свай

Основными способами подготовки мерзлых грунтов к погруже­нию свай являются проходка лидерных скважин или оттаивание грунта в местах погружения свай.

Способы бурения мерзлых грунтов

Для проходки скважин применяют различные способы буре­ния: вращательное (ямобурами и бурильно-крановыми машина­ми), ударное, вибрационно-ударное, термическое и термомехани­ческое. Для устройства скважин глубиной от 1,5 до 3,5 м и диаметром 35-80 см применяют машины вращательного буре­ния. Их технические характеристики приведены в табл. 7.
Таблица 7. Технические характеристики оборудования для бурения скважин

Эффективность бурового оборудования в значительной мере зависит от конструкции режущей части рабочего органа - бура. Высокой производительностью отличаются буры с твердосплав­ными резцами. Для проходки лидерных скважин при­меняют также трубчатые буры-лидеры. Последние погружают в мерзлый грунт при помощи дизель- или вибромолотов.

На рис. 22 приведена схема погружения сваи в полимерной рубашке.

Рис. 22. Схема погружения свай в полимерной рубашке:
а - схема расположения емкости с полимерным составом; 1 - емкость;    2 -  устройство для подачи состава; 3 - шланг; 4 - свая; б - схема   подачи полимерного состава; 1 - зазор между сваей и грунтом; 2 - трещины в околосвайном грунте, заполненные полимерным со­ставом; 3 - свая

Варианты конструктивных схем бура показаны на рис. 23.

Рис. 23. Бур со съемными резцами:
а - лопастного типа;   б - двухгребенчатый; 1 - корпус бура; 2 - резцы; 3 - штанга

Трубчатый бур представляет собой стальную трубу со стен­ками 1толщиной 12-19 мм, скрепленными верхним торцом 2 с рабочим органом сваепогружающего агрегата (рис. 24, а). На боковой поверхности трубы имеется отверстие для удаления керна 3из внутренней полости лидера, куда поступает грунт. В нижней части лидера имеется наконечник 4, изготовленный из стали повышенной прочности. Он позволяет получить скважину на 10-20 мм больше наружного диаметра трубы   и извлекать керн (грунт) диаметром на 10-12 мм меньше внутреннего диа­метра трубы.

При бурении скважин трубчатыми бурами с использованием дизель-молота копровой установки вначале устанавливают бур на точку будущей скважины, потом погружают лидер на задан­ную отметку и извлекают лидер из скважины.

Для уменьшения начального усилия, необходимого для извлечения лидера, его оснащают специальным устройством (рис. 24,б), состоящим из нижней 1 и верхней плит 2 и пру­жин 4, прикрепленных к плитам болтами 3. При соприкасании нижней подвижной плиты с поверхностью мерзлого грунта она при подъеме сжимает пружины, напряжение которых значи­тельно снижает начальные усилия.

При строительстве на засоренных территориях (места сва­лок), где бурить скважины трубчатыми бурами затруднительно, применяют пробойники и клинья. На рис. 24, в показана схема клина конструкции НИИПромстроя, оснащенного отталкиваю­щим устройством (1 - клин; 2-3 - плиты;   4 - пружина; 5 - болт).

На рис. 24 приведены устройства для образования скважин

Рис. 24. Устройства для образования скважин:

а - трубчатый бур с ножом кесонного типа; б - то же, с отталкивающими  пру­жинами и опорной плитой; в - клин конструкции НИИПромстроя

Показатели образования скважин глубиной до 0,9 м в сезонно-мерзлых грунтах для погружения свай сечением 30х30 см приведены в табл. 8.
Таблица 8. Технико-экономические показатели образования скважин в  сезонномерзлых грунтах

Оттаивание мерзлых грунтов

Мерзлый грунт в местах погружения свай отогревают с при­менением теплоэлектронагревателей (ТЭНов), электродов, а также газовых горелок и другими способами. Сущность этих способов заключается в том, что тепло, вводимое в мерзлую толщу грунта, расплавляет почвенный лед и грунт оттаивает. Важное значение имеет выбор направления теплового потока,           ко­торое зависит от способа передачи тепла от нагревательного прибора к грунту.

Способы оттаивания мерзлых грунтов

Классификация способов оттаивания грунта в зависимости от направления теплового потока приведена на рис. 25.

Рис. 25. Классификация способов отогрева мерзлого грунта

Для ото­грева грунта сверху вниз, как правило, применяют топливо (твердое, жидкое и газообразное). С этой целью используют электронагревательные устройства (отражательные электропе­чи, горелки инфракрасного излучения)  и химические   способы. При оттаивании грунта с помощью электроэнергии по схеме снизу вверх применяют, как правило, глубинные электроды. Для этого можно использовать нагреватели с регулируемой дли­ной активной части.

Показанная на рис. 26 схема нагревателя состоит из актив­ной части стержня, на котором закреплены все узлы и пробки, перемещающиеся по стержню. Активная часть всегда находится в нижней части шпура, а верхняя часть стержня - вне скважи­ны. Пробка не только предохраняет утечку тепла, но и позво­ляет регулировать толщину слоя мерзлого грунта (непрогрева). Толщину слоя непрогрева обычно принимают равной 10-15 см. Отогрев зоны грунта диаметром 40-50 см занимает 16-20 ч. Мощность одного  нагревателя  1,5-2,5 кВт.

При радиальном направлении оттаивания тепловой поток распространяется во все стороны перпендикулярно к установ­ленному ТЭНу в мерзлой зоне грунта. Шпуры для ТЭНов бурят диаметром 4-10 см и глубиной не менее 3/4 толщины мерзлого слоя.
Схема элект­ронагревателя грунта конструкции МАДИ изображена на рис. 26

Рис. 26. Схема элект­ронагревателя грунта конструкции   МАДИ:
1 - стержень; 2 - проб­ка; 3 - нагревательный элемент; 4 - провода;
5 - контактная   крышка; 6 - корпус элемента; 7 - периклаз;
8 - стержень для спирали; 9 - спи­раль; 10 - запорное коль­цо

В этих случаях применяют трубчатые электронагреватели, электронагреватели коаксильные, инфракрасного излучения и др.

В технологической схеме подготовки грунта этим способом предусмотрены следующие операции:
- бурение скважин-шпуров диаметром 5-8 см;
- установка ТЭНов в   пробуренные   шпуры;
-утепление грунта в местах установки ТЭНов и подключение их;
-прогрев и термоосмосное выдерживание грунта;
-отклю­чение ТЭНов и перенос их на новое место.

Для утепления скважин после установки в них электродов применяют шлаковату, стекловату, шевелин, опилки.

Электронагреватели инфракрасного из­лучения, так же как и ТЭНы, устанавли­вают в предварительно пробуренные шпу­ры. Применение ТЭНов инфракрасного излучения позволяет отогреть за 5-6 ч зону грунта в диаметре 40-50 см при тем­пературе наружного воздуха - 25°.

В последнее время для отогрева грун­тов широко применяют коаксиальные электронагреватели, которые безопасны в эксплуатации, и их можно устанавливать в контакте с грунтом любой влажности. Между собой нагреватели соединяют мед­ными или алюминиевыми шинами. В ка­честве источников питания используют силовые трансформаторы или передвиж­ные электростанции. Способы установки коаксиальных электронагревателей и их утепление аналогичны вышеприведенным при применении ТЭНов.

Экономические показатели способов оттаивания мерзлых грунтов

Основные экономические показатели способов оттаивания мерзлых грунтов электронагревателями для погружения свай се­чением 30x30 см приведены в табл. 9.

Трудоемкость погружения сваи во многом зависит от способа подготовки мерзлого грунта к ее забивке.   Наиболее   хорошие результаты достигаются при погружении сваи в скважины, про­буренные ямобурами. В этом случае обеспечивается высокая точность их погружения, а также повышается производительность сваепогружающих агрегатов, что можно видеть из графика, при­веденного на рис. 27.

Рис. 27. График производительности сваебой­ного агрегата в зависимости от способа под­готовки мерзлого грунта:
а - при погружении сваи в образованную скважину; б - то же, через зону отогретого грунта; в - то же, через слой мерзлого грунта толщиной 0,4 м;   А, Б, В - кривые производительности