3. Метод оттаивания грунта с разработкой его в талом состоянии

Оттаивание происходит за счет теплового воздействия и характе­ризуется значительной трудоемкостью и, энергетическими затратами. Применяется в редких случаях, когда другие методы недопустимы или неприемлемы - вблизи действующих коммуникаций и кабелей, в стес­ненных условиях, при аварийных и ремонтных работах.

Способы оттаивания классифицируются по направлению распро­странения теплоты в грунте и по применяемому теплоносителю (сжигание топлива, пар, горячая вода, электричество). По направлению оттаивания все способы делятся на три группы.

Оттаивание грунта сверху вниз. Теплота распространяется в вер­тикальном направлении от дневной поверхности вглубь грунта. Спо­соб наиболее прост, практически не требует подготовительных работ, наиболее часто применим на практике, хотя с точки зрения экономно­го расхода энергии наиболее несовершенен, так как источник теплоты размещается в зоне холодного воздуха, поэтому неизбежны значитель­ные потери энергии в окружающее пространство.

Оттаивание грунта снизу вверх. Теплота распространяется от нижней границы мерзлого грунта к дневной поверхности. Способ наи­более экономичный, так как оттаивание происходит под защитой мерз­лой корки грунта и теплопотери в пространство практически исключены. Потребная тепловая энергия может быть частично сэкономлена за счет оставления верхней корки грунта в промерзшем состоянии. Она имеет наиболее низкую температуру, поэтому требует больших затрат энергии на оттаивание. Но этот тонкий слой грунта в 10... 15 см будет беспрепятственно разработан экскаватором, для этого вполне хватит мощности машины. Главный недостаток этого способа в необходимо­сти выполнения трудоемких подготовительных операций, что ограни­чивает область его применения.

Радиальное оттаивание грунта занимает промежуточное положение между двумя предыдущими способами по расходу тепловой энергии. Теплота распространяется в грунте радиально от вертикаль­но установленных прогревных элементов, но для того, чтобы их уста­новить и подключить к работе требуются значительные подготовительные работы . Для выполнения оттаивания грунта по любому из этих трех спосо­бов необходимо участок предварительно очистить от снега, чтобы не тратить тепловую энергию на его оттаивание и недопустимо переув­лажнять грунт.

В зависимости от применяемого теплоносителя существует не­сколько методов оттаивания.

Оттаивание непосредственным сжиганием топлива. Если в зимнее время необходимо выкопать 1...2 ямы, самое простое реше­ние - обойтись простым костром. Поддерживание костра в течение смены приведет к оттаиванию грунта под ним на 30...40 см. Погасив костер и хорошо утеплив место прогрева опилками, оттаивание грунта внутрь будет продолжаться за счет аккумулированной энергии и за смену может достигнуть общей глубины до 1 м. При необходимости можно снова расжечь костер или разработать талый грунт и на дне ямы развести костер. Применяют способ крайне редко, так как только незначительная часть тепловой энергии расходуется продуктивно.

Огневой способ применим для отрывки небольших траншей, ис­пользуется звеньевая конструкция (рис. 3.1) из ряда металлических коробов усеченного типа, из которых легко собирается галерея необ­ходимой длины, в первом из них устраивают камеру сгорания твер­дого или жидкого топлива (костер из дров, жидкое и газообразное то­пливо с сжиганием через форсунку). Тепловая энергия перемещается к вытяжной трубе последнего короба, создающей необходимую тягу, благодаря которой горячие газы проходят вдоль всей галереи и грунт под коробами прогревается по всей длине. Сверху короба желательно утеплить, часто утеплителем используют талый грунт. После смены агрегат убирают, полосу оттаявшего грунта засыпают опилками, дальнейшее оттаивание продолжается за счет аккумулированного в грунте тепла.

Электропрогрев. Сущность данного метода состоит в пропускании электрического тока через грунт, в результате чего он приобретает по­ложительную температуру. Используют горизонтальные и вертикаль­ные электроды в виде стержней или полосовой стали. Для первона­чального движения электрического тока между стержнями необходимо создать токопроводящую среду. Такой средой может быть талый грунт, если электроды

рода к другому. Под воздействием теплоты происходит оттаивание нижележащих слоев грунта. В последующем распростране­ние тепловой энергии осуществляется в основном в

толще грунта, опилочный слой только защищает обогреваемый участок от потерь тепло­ты в атмосферу, для чего слой опилок целесообразно накрыть рулон­ными материалами или щитами. Этот способ достаточно эффективен при глубине промерзания или оттаивания грунта до 0,7 м. Расход элек­троэнергии на отогрев 1 м³ грунта колеблется в пределах 150...300 кВт.ч, температура нагретых опилок не превышает 80...90°С.

Оттаивание грунта полосовыми электродами, укладываемы­ми на поверхность грунта, очищенной от снега и мусора, по возмож­ности выровненной. Концы полосового железа отгибают кверху на 15...20 см для подключения к электропроводам. Поверхность отогре­ваемого участка покрывают слоем опилок толщиной 15...20 см, смо­ченных раствором хлористого натрия или кальция консистенции 0,2...0,5%. Так как грунт в промороженном состоянии не является про­водником, то на первой стадии ток движется по смоченным раствором опилкам. Далее отогревается верхний слой грунта и оттаявшая вода начинает проводить электрический ток, процесс со временем идет вглубь грунта, опилки начинают выполнять роль теплозащиты отогре­ваемого участка от теплопотерь в атмосферу. Опилки сверху обычно покрывают толем, пергамином, щитами, другими защитными материа­лами. Способ применим при глубине отогрева до 0,6...0,7 м, так как при больших глубинах напряжение падает, грунты менее интенсивно включаются в работу, значительно медленнее нагреваются. К тому же они достаточно пропитаны с осени водой, которая требует больше энергии для перехода в талое состояние. Расход энергии колеблется в пределах 50...85 кВт.ч на 1 м³ грунта.

Оттаивание грунта стержневыми электродами (рис. 3.2). Данный метод осуществляют сверху вниз, снизу вверх и комбиниро­ванным способами. При оттаивании грунта вертикальными электрода­ми стержни из арматурного железа с заостренным нижним концом за­биваются в грунт в шахматном порядке, обычно используя рамку 4x4 м с крестообразно натянутыми проволоками; расстояние между элек­тродами оказывается в пределах 0,5...0,8 м.

При прогреве сверху вниз предварительно очищают от снега и на­леди поверхность, стержни забивают в грунт на 20...25 см, укладыва­ют слой опилок, пропитанных раствором солей. По мере прогрева грунта электроды забивают глубже в грунт. Оптимальной .будет глу­бина прогрева в пределах 0,7...1,5 м. Продолжительность оттаивания грунта воздействием электрического тока примерно 1,5...2,0 сут, по­сле этого увеличение глубины оттаивания будет происходить за счет аккумулированной теплоты еще в течение 1...2 сут. Расстояние меж­ду электродами 40...80 см, расход энергии по сравнению с полосовы­ми электродами сокращается на 15...20% и составляет 40...75 кВт • ч на 1 м³ грунта.

При прогреве снизу вверх пробуривают скважины и вставляют элек­троды на глубину, превышающую глубину промерзшего грунта на 15...20 см. Ток между электродами идет по талому грунту ниже уровня промерзания, при нагреве грунт отогревает вышележащие слои, кото­рые также включаются в работу. При этом методе применять слой опилок не требуется. Расход энергии составляет 15...40 кВт • ч на 1 м³ грунта.

Третий, комбинированный способ, будет иметь место при заглубле­нии электродов в подстилающий талый грунт и устройстве на дневной поверхности опилочной засыпки, пропитанной солевым раствором. Электрическая цепь замкнется наверху и внизу, оттаивание грунта бу­дет происходить сверху вниз и снизу вверх одновременно. Так как трудоемкость подготовительных работ при этом способе самая высо­кая, то его применение может быть оправдано лишь в исключитель­ных случаях, когда требуется ускоренное оттаивание грунта.

Оттаивание токами высокой частоты. Этот метод позволяет резко сократить подготовительные работы, так как промерзший грунт сохраняет проводимость к токам высокой частоты, поэтому отпадает надобность в большом заглублении электродов в грунт и в устройстве опилочной засыпки. Расстояние между электродами может быть уве­личено до 1,2 м, т. е. сокращено их количество почти в два раза. Про­цесс оттаивания грунта протекает относительно быстро. Ограниченное использование способа связано с недостаточным выпуском генерато­ров токов высокой частоты.

Одним из методов, которые в настоящее время утратили свою эффективность и вытеснены более современными, является оттаи­вание грунта паровыми или водяными иглами. Для этого необхо­димо наличие источников горячей воды и пара, при малой, до 0,8 м глубине промерзания грунта. Паровые иглы представляют со­бой металлическую трубу длиной до 2 м и диаметром 25...50 мм. На нижнюю часть трубы насажен наконечник с отверстиями диаметром 2...3 мм. Иглы соединяют с паропроводом гибкими резиновыми шлангами при наличии на них кранов. Иглы заглубляют в скважи­ны, предварительно пробуриваемые на глубину, приблизительно равную 70% глубины оттаивания. Скважины закрывают защитными колпаками, снабженные сальниками для пропуска паровой иглы. Пар подают под давлением 0,06...0,07 МПа. После установки акку­мулированных колпаков прогреваемую поверхность покрывают сло­ем термоизоляционного материала, чаще всего опилок. Иглы распо­лагают в шахматном порядке с расстоянием между центрами 1 ...1,5 м. Расход пара на 1 м³ грунта составляет 50..100 кг. За счет выделения паром в грунте скрытой теплоты парообразования прогрев грунта проходит особенно интенсивно. Этот метод требует расхода тепло­вой энергии примерно в 2 раза больше, чем метод вертикальных электродов.

Оттаивание грунта теплоэлектронагревателями. Данный ме­тод основан на передаче теплоты мерзлому грунту контактным спосо­бом. В качестве основных технических средств применяются электро­маты, изготавливаемые из специального теплопроводящего материала, через который пропускают электрический ток. Прямоугольные маты, размеры которых могут закрывать поверхность от 4...8 м², укладыва­ются на оттаиваемый участок и подсоединяются к источнику электри­чества напряжением 220 В. При этом образующееся тепло эффективно распространяется сверху вниз в толщу мерзлого грунта, что приводит к его оттаиванию. Время, необходимое для оттаивания, зависит от температуры окружающего воздуха и от глубины промерзания грунта и в среднем составляет 15-20 ч.