Оттаивание мерзлого грунта

Оттаивание мерзлого грунта осуществляют тепловыми способами, характеризующимися значительной трудоемкостью и энергоемкостью. По­этому их применяют только в тех случаях, когда другие эффективные мето­ды недопустимы или неприемлемы, а именно: вблизи действующих под­земных коммуникаций и кабелей; при необходимости оттаивания промерз­шего основания; при аварийных и ремонтных работах; в стесненных усло­виях (особенно при техническом перевооружении и реконструкции пред­приятий).

Способы оттаивания мерзлого грунта классифицируют как по направ­лению распространения теплоты в грунте, так и по применяемому виду те­плоносителя.

По направлению распространения теплоты в грунте применяются сле­дующие способы оттаивания:

поверхностное оттаивание (по поверхности грунта от нагревателя, раз­мещенного на ней);

глубинное оттаивание снизу вверх (к поверхности грунта от нагревате­ля, размещенного ниже слоя мерзлого грунта);

радиальное оттаивание (в радиальном направлении от нагревателя, размещенного в шпуре в мерзлом слое грунта);

комбинированное оттаивание (в нескольких направлениях от нагре­вателей, расположенных в любой зоне мерзлого грунта или на поверхно­сти).

Способ поверхностного оттаивания достаточно легок и прост в при­менении, так как требует минимальных подготовительных работ, но мало­эффективен, так как источник теплоты размещается в зоне холодного воз­духа, что приводит к большим потерям тепла.

Главный недостаток способа глубинного оттаивания — необходимость выполнения трудоемких подготовительных операций, что ограничивает область его применения, но расход энергии минимален, так как оттаивание происходит под защитой льдоземляной корки и теплопотери при этом практически исключаются.

Способ радиального оттаивания по своим экономическим показателям занимает промежуточное положение между двумя ранее описанными, а для осуществления требует значительных подготовительных работ.

По виду теплоносителя различают следующие основные способы от­таивания мерзлых грунтов.

Огневой способ представляет из себя оттаивание грунта сжиганием твердого или жидкого топлива в агрегате звеньевого типа, состоящего из ряда металлических коробов в форме разрезанных по продольной оси усе­ченных конусов, из которых собирают сплошную галерею (рис. 3.15). Этот способ применяется для отрывки зимой небольших траншей. Первый из коробов представляет собой камеру сгорания, в которой сжигают 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. После оттаивания участка на глубину 20-30 см, ус­тановка перемещается на соседний участок, а на поверхность полосы оттаяв­шего грунта насыпают опилки слоем до 30 см. За счет аккумулированной в грунте теплоты происходит его дальнейшее оттаивание на глубину до 1 м.

Для оттаивания 1 м грунта расходуется 120-140 кг торфа, 30-60 кг угля, 0,15м³ дров. Расход жидкого топлива составляет 4-5 кг на 1 м³ грунта.

Способ электропрогрева основан на оттаивание грунта электродами и нагревателями.

При применении электродов электрический ток пропускают через ра­зогреваемый материал, в результате чего он приобретает положительную температуру. Основными техническими средствами являются горизонталь­ные или вертикальные электроды.

Горизонтальные электроды представляют собой металлические эле­менты из полосовой или круглой стали, укладываемые по поверхности от­таиваемого грунта, концы которых отгибают на 15-20 см для подключения к проводам (рис. 3.16 а). Поверхность отогреваемого участка покрывается слоем опилок толщиной 15-20 см, смоченных солевым раствором концен­трации 0,2-0,5 % с таким расчетом, чтобы его масса была не менее массы опилок. Так как замерзший грунт не является проводником, то смоченные опилки вначале служат токопроводящим элементом. Температура в опилках может достигать 80-90 С. В результате нагрева опилок происходит оттаивание верхнего слоя грунта, который превращается в проводник тока. После этого начинает оттаивать следующий слой грунта, затем нижележа­щие. В дальнейшем опилочный слой защищает отогреваемый участок от потерь теплоты в атмосферу, для чего его покрывают толем или щитами. Этот способ применяют при глубине промерзания грунта до 0,7 м, расход электроэнергии на отогрев 1 м³ грунта колеблется от 150 до 300 МДж.

Вертикальные электроды изготавливают из круглой арматурной стали диаметром 16-20 мм или труб диаметром 25-50 мм, заостренных с одного конца. Электроды вставляют в пробуренные скважины или забивают от­бойными пневматическими или электрическими молотками.

При оттаивании сверху вниз (глубина промерзания 0,7 м) их забивают в грунт в шахматном порядке на глубину 20-25 см и устраивают на поверх­ности грунта опилочную засыпку, увлажненную солевым раствором. По мере оттаивания верхних слоев грунта электроды погружают на большую глубину (рис.3.16 б). После отключения электроэнергии в течение 1-2 дней глубина оттаивания’ продолжает увеличиваться за счет аккумулированной в грунте теплоты под защитой опилочного слоя. Расход энергии при этом способе несколько ниже, чем при способе горизонтальных электродов.

При прогреве снизу вверх электроды вставляются или забиваются на глубину 5-10 см ниже мерзлого слоя. Электрический ток, пройдя под мерз­лым слоем (мерзлый грунт плохо пропускает ток) по незамерзшему грунту, выделяет тепло, которое аккумулируется и оттаивает вышележащие слои мерзлого грунта (рис. 3.16 в). Расстояние между рядами электродов b=0,86а, где а = 0,4-0,8 м — расстояние между электродами в ряду. Расход энергии при отогреве снизу вверх существенно снижается, составляя 50-150 МДж на 1 м³, и применения опилок не требуется.

При комбинированном способе стержневые электроды заглубляют в подстилающий талый грунт и одновременно устраивают на поверхности грунта опционную засыпку, пропитанную солевым раствором. Оттаивание грунта происходит в направлении как сверху вниз, так и снизу вверх. Этот способ применяется лишь в исключительных случаях, когда необходимо экстренно осуществить оттаивание грунта. Трудоемкость подготовитель­ных работ при комбинированном способе значительно выше, чем в первых двух вариантах.

Трубчатые электронагреватели (ТЭНы) и коаксиальные нагреватели обычно используются при радиальном оттаивании. ТЭНы изготовляются из стальных бесшовных трубок диаметром 8-2 мм, внутри которых находится спираль из нихромовой проволоки диаметром 0,6 мм и длиной 20 м. Про­странство между трубкой и спиралью заполняется прессованным перикла-зом, обладающим хорошей теплопроводностью. ТЭНы отличаются не­сложностью конструкции и быстротой оттаивания грунта, но при их ис­пользовании необходимо укрывать поверхность.

Коаксиальные нагреватели состоят из двух труб, помещенных соосно одна в другую и заваренных с одного конца. Зазор между трубами заполня­ется кварцевым или речным просушенным песком и заливается жидким стеклом. Напряжение подводится к трубам через контактные пластины. Коаксиальные нагреватели конструктивно просты, безопасны и несложны в эксплуатации, но скорость и радиус оттаивания ими грунта меньше, чем ТЭНами.

Оттаивание следует чередовать с термосным выдерживанием. В част­ности, продолжительность первого периода прогрева составляет 6-12 ч, термосное выдерживание — 3-6 ч. Такой цикл (прогрев и термос) в зависи­мости от глубины промерзания и физико-механических свойств грунта по­вторяют 2-3 раза.

При производстве работ по оттаиванию мерзлых грунтов рационально между нагревателями оставлять некоторые зоны непрогретого грунта с толщиной стенок, позволяющей их разработку непосредственно экскавато­рами. Это дает возможность сократить энергоемкость оттаивания на 40-50 %. При ручной разработке необходимо, чтобы грунт оттаял полностью.

Оттаивание грунта паровыми, водяными и электрическими иглами. Паровые иглы, представляют собой металлические трубы длиной до 2 м, диаметром 25-50 мм (рис. 3.17 а), на нижнюю часть которых насажены ко­нусные перфорированные наконечники с нижним отверстием для выхода пара. Иглы устанавливают в пробуренные скважины на площади будущего котлована, в шахматном порядке, с расстоянием между рядами 1-1,5 м на глубину равную 0,8 глубины промерзания. Скважины закрывают защитны­ми теплоизолирующими колпаками, снабженными сальниками для пропус­ка паровой иглы. Для уменьшения теплопотерь в атмосферу прогреваемую поверхность покрывают сверху слоем термоизолирующего материала (на­пример, опилок). На строительную площадку пар поступает по магист­ральному паропроводу от передвижной котельной установки (если отсутст­вует централизованное снабжение паром). Иглы соединяют с паропроводом гибкими резиновыми шлангами с кранами, пар подают под давлением 0,06-0,07 МПа. По мере оттаивания мерзлого грунта рабочий, поворачивая паро­вую иглу с помощью рукояток, разрабатывает резцами талый грунт и по­гружает иглу на нужную глубину. Оттаивание мерзлого грунта паровыми иглами ведут от 2-3 ч (песчаные грунты) до 4-6 ч (глинистые грунты) с перерывами 1-2 ч, после чего вновь пускают пар. Недостатки способа: до­роговизна; большой расход пара (50-100 кг на 1 м³ грунта); пар, конденси­руясь в затрубном пространстве скважины, увлажняет грунт; необходимо иметь паровой котел с утепленными паропроводами; трудоемкость (при монтаже, демонтаже и утеплении трубопроводов), металлоемкость и гро­моздкость. Этот метод требует расхода теплоты примерно в 2 раза больше, чем метод глубинных электродов.

Водяные иглы (рис. 3.17 б) размещают по площади будущего котлована аналогично паровым на расстоянии друг от друга 0,75-1,5 м, что зависит от вида грунта и требуемой скорости его оттаивания. Водяная циркуляционная игла состоит из двух труб: наружной с заостренным наконечником и внут­ренней. По наружной трубе подается вода с температурой 70 °С а по внут­ренней отводится охлажденная вода к передвижной котельной установке. Горячая вода, циркулируя между стенками наружной и В1гутренней трубы, отдает теплоту промерзшему грунту. Для уменьшения тепловых потерь э атмосферу поверхность оттаиваемого грунта покрывают слоем опилок. Достоинства способа: грунт не увлажняется как при оттаивании с помощью паровых игл; КПД несколько выше по сравнению с предыдущим способом, поскольку вода, пройдя циркуляционные иглы, возвращается в котел с по­ложительной температурой. Недостатки те же, что и при использовании паровых игл.

Электрические иглы, представляют собой металлические трубы длиной около 1 м, диаметром 50-60 мм. Внутри иглы установлен нагревательный элемент (нихромовая спираль). Для большей аккумуляции теплоты и луч­шей теплоотдачи пространство между стенками трубы и спиралью (намо­танной, на диэлектрический сердечник) засыпано мелким песком. Электри­ческие иглы подключают к электрической сети переменного тока напряже­нием 220 В. Электроиглы устанавливают на глубину 0,8 от величины про­мерзания грунта на расстоянии друг от друга до 1,2 м.