Содержание к диссертации
Введение
1. Произюдство земляных работ при строительстве осушительных систем в зимний период 10
1.1. Особенности производства земляных работ в сезонно-промерзанцих грунтах 10
1.2. Способы подготовки грунтов к экскавации 14
1.3. Опыт применения пенопластов 20
2. Исследования влияния пенопластов на тешкшзические, фильтрационные и прочностные свойства грунтов 28
2.1. Методика проведения исследований и применяемое оборудование 28
2.2. Определение влияния параметров слоя пено пластов на температурный режим грунтов зоны тепловой защиты 34
2.3. Фильтрационные свойства пенопластов и грунтов, оструктуренных пенопластами 50
2.4. Прочностные свойства грунтов, оструктуренных пенопластами 59
3. Исследование и разработка технологических процессов защиты и оструктуривания грунта пенопластами 68
3.1. Характеристика опытных участков, методика исследований, применяемые машины и механизмы 68
3.2. Исследование технологических процессов внесения пенопластов по трассам мелиоративных каналов и дрен 82
3.3. Влажность, промерзание и температурный режим грунтов в зоне защиты и оструктуривания 90
3.4. Уплотнение и прочностные характеристики грунтов в зоне защиты и оструктуривания . 99
3.5. Технологические схемы производства земляных работ при строительстве осушительных систем с применением пенопластов 106
3.6. Работоспособность дренажа, выполненного в зимнее время 122
4. Технико-экономическая эффективность строительства осушительных систем с применением пенопластов в зимний период 128
4.1. Оценка средств механизации и технологии зимнего строительства осушительных систем с применением пенопластов 128
4.2. Экономическая эффективность способов производства земляных работ с применением пенопластов в зимний период 135
Список использованной литературы 147
Приложения 159
- Определение влияния параметров слоя пено пластов на температурный режим грунтов зоны тепловой защиты
- Фильтрационные свойства пенопластов и грунтов, оструктуренных пенопластами
- Исследование технологических процессов внесения пенопластов по трассам мелиоративных каналов и дрен
- Экономическая эффективность способов производства земляных работ с применением пенопластов в зимний период
Введение к работе
Актуальность работы. Увеличение объемов производства земляных работ при строительстве осушительных систем / I / обусловливает необходимость решения вопроса ликвидации сезонности работ и равномерного использования имеющейся мелиоративной техники на протяжении всего года, то есть вопрос широкого производства работ в зимний период. Характерной особенностью этих работ является большая трудоемкость и энергоемкость процесса разработки грунта, связанная с его промерзанием. Поэтому снижение механической прочности мерзлых грунтов позволит более эффективно и производительно использовать общестроительную и мелиоративную технику. Из существующих методов снижения энергоемкости разработки мерзлых грунтов наибольшее распространение получили способы предварительной (предзимней) подготовки - утепление грунта различными материалами и рыхление. Теплозащита трасс каналов и дрен позволяет уменьшить или исключить промерзание грунта, а предзимнее рыхление при определенных условиях - снизить его механическую прочность в 3-8 раз. Наиболее действенными по теплофизи-ческим и экономическим показателям являются снегозадержание и защита грунта пенопластами. Однако снегозадержание представляет собой нерегулируемый процесс, связанный с климатическими (случайными) факторами, а использование пенопластов в мелиоративном строительстве сдерживается отсутствием рациональной технологии их нанесения и отсутствием машин и механизмов, позволяющих получать материалы с заданными свойствами. Кроме того, физико-механические характеристики мерзлых грунтов, оструктуреиных пенопластами, еще недостаточно изучены.
С другой стороны, предзимнее рыхление на средних и тяжелых грунтах не всегда ведет к уменьшению механической прочности и
снижению энергоемкости разработки мерзлого грунта. При большой влажности грунта, особенно в осенний период, наблюдается существенное уплотнение разрыхленного слоя, что резко снижает эффективность применения данного способа.
Следует отметить, что при строительстве дренажа зимой технологические требования к засыпке дренажа практически не выполняются. В большинстве случаев ее осуществляют либо талым грунтом подпочвы, либо комьями мерзлого грунта, что ухудшает водопроницаемость и снижает работоспособность закрытой осушительной сети, особенно в тяжелых грунтах. Использование при этом сыпучих материалов повышенной фильтрации (песчано-гравийная смесь, песок и др.) увеличивает стоимость дренажных работ в 1,5-2 раза.
В связи с этим возникла необходимость проведения дальнейших исследований по совершенствованию способов производства земляных работ при строительстве осушительных систем в зимний период.
Большая роль в решении этого вопроса отводится пенопластам, специфические свойства которых позволяют использовать их не только для тепловой защиты трасс от промерзания, но и для улучшения физико-механических свойств тяжелых грунтов (водопроницаемости, уплотнения, механической прочности).
Повышение эффективности предварительной подготовки грунтов к их экскавации в зимний период дает возможность значительно увеличить объемы зимнего строительства на тяжелых грунтах, полнее использовать производственные мощности и трудовые ресурсы мелиоративных организаций в течение всего года, а также снизить стоимость строительных работ.
Цель работы. Повысить эффективность круглогодового использования техники на объектах мелиорации Нечерноземной зоны РСФСР на основе применения быстротвердеющих пенопластов для
тепловой защиты от промерзания и изменения физико-механических свойств грунтов.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.
Установить влияние параметров слоя пенопластов на температурный режим грунтов зоны тепловой защиты.
Изучить влияние пенопластов на физико-механические свойства грунтов (водопроницаемость, механическая прочность и плотность сложения).
Разработать технологию и усовершенствовать средства механизации подготовки трасс мелиоративных каналов и дрен.
Разработать новые технологические схемы производства земляных работ при строительстве осушительных систем в зимних условиях, обеспечивающие эффективное использование мелиоративной техники и качество работ.
Обосновать технико-экономическую эффективность новых технологических схем, разработанных на основе применения пенопластов.
Методика проведения исследований. В ходе лабораторных и полевых исследований по типовым методикам определялись физико-механические характеристики пенопластов, естественных грунтов и грунтов, оструктуренных пеноплас-тами, с фиксацией условий проведения эксперимента.
Для моделирования процесса теплопередачи в утепленном грунте и изучения влияния теплоизоляции на этот процесс использовался метод электро-тепловых аналогий (ЭТА).
Изучение технологических процессов проводилось в 1976-І984гг. при строительстве закрытых дренажных систем и открытых каналов на объектах Ленинградской области в различных почвенно-геологи-ческих условиях.
В ходе полевых исследований осуществляли хронометраж опера-
ций технологического процесса и фотографии рабочих дней средств механизации. Обработку данных наблюдений выполняли с применением методов математической статистики.
Научная новизна. Впервые на основе температуропроводности предложен инженерный метод расчета параметров слоя пенопластов при поверхностном нанесении и оструктуривании грунтов.
Изучено влияние пенопластов на водопроницаемость, механическую прочность и плотность сложения грунтов в лабораторных и полевых (натурных) условиях.
Разработаны и исследованы новые технологические схемы производства земляных работ зимой при поверхностном нанесении и оструктуривании грунта трасс каналов и дрен, основанные на использовании усовершенствованных передвижных мелиоративных пеногенераторов.
Предложен новый способ строительства дренажа (а.с. СССР на изобретение №823489), позволяющий повысить водопроницаемость тяжелых грунтов, а также конструкции пеногенераторов для получения высокократных пенопластов (а.с. СССР на изобретения № 956288 и № 973385).
На защиту выносятся:
результаты исследований по определению влияния пенопластов на температурный режим, фильтрационные и прочностные свойства грунтов, оструктуреиных пенопластами ;
разработанные технологические процессы внесения пенопластов по трассам мелиоративных каналов и дрен и их технико-экономические характеристики ;
технологические схемы производства земляных работ при строительстве каналов и дренажа в зимних условиях с применением пенопластов ;
- технико-экономическое обоснование эффективности технологии и средств механизации производства земляных работ в зимний период.
Апробация работы и реализация результатов исследований. Работа выполнялась в лаборатории технологии и организации мелиоративного строительства (ТОМС) Северного научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации (СевНИИГиМ) согласно плану научно-исследовательских работ по теме 0.52.03.02.04 "Создать и отработать в полупроизводственных условиях технологический процесс и организацию строительства мелиоративных систем в зимний период, в том числе в Нечерноземной зоне РСФСР" (1976-1980 гг.) ; х/д № I96B с объединением "Главнечерноземводстрой" "Совершенствование и внедрение технологии строительства мелиоративных систем с применением быстротвердеющих мочевино-формальдегидных пен в условиях Нечерноземной зоны РСФСР (1978-1979 гг.) ; по теме 0.05.05.01 "Разработать технологию и средства механизации подготовки трасс линейных мелиоративных сооружений при круглогодовом производстве работ в условиях сезонного промерзания грунтов" (I98I-I983 гг.).
Результаты исследований докладывались на республиканской конференции "Научные основы мелиорации земель при создании территориально-производственных комплексов в Сибири" (июль 1980, Красноярск) и Ш Дальневосточной зональной научно-технической конференции "Итоги научных исследований в области мелиорации земель и водохозяйственного строительства на Дальнем Востоке" (октябрь 1981, Владивосток).
По результатам исследований с участием автора разработаны агротехнические требования на мелиоративный пеногенератор ЇЇШ-2 и "Временные рекомендации по предохранению грунтов от глубокого промерзания быстротвердеющими пенопластами при строительстве мелиоративных систем в зимний период", рассмотренные и одобренные
научно-техническим советом Ленинградского филиала ВГПТИ "Союзорг-техводстрой" (протокол № б от 28.12.81).
Установка для получения и нанесения пенопласта в полевых условиях на объектах мелиорации (передвижной мелиоративный пеноге-нератор ЇЇМІ-2) экспонировалась в 1983 году на ВДНХ СССР (автор награжден бронзовой медалью ВДОО.
Основные положения диссертации изложены в II опубликованных научных работах.
Практическая ценность. Разработаны новые технологические схемы производства земляных работ, позволяющие эффективно применять существующие землеройно-мелиоративные машины, улучшить качество работ, снизить их стоимость.
Строительство каналов с предзимним рыхлением и оетруктурива-нием грунтов пенопластами осуществляли в 1978 г. по ведомственному плану объединения "Калининградмелиорация" на площади 1,3 тыс. га.
Строительство дренажа с теплозащитой трасс пенопластами по отраслевому плану внедрения новой техники и прогрессивной технологии объединения Тлавнечерноземводстрой" в 1980 г. выполнено на площади 100 га. Общий экономический эффект от внедрения разработанной технологии зимнего строительства осушительных систем с применением пенопластов составил более 50 тыс.руб. (приложение I).
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений. Основное содержание работы изложено на 146'і страницах машинописного текста, иллюстрировано 29 рисунками и 35 таблицами. Библиография включает 133 наименования, из них 8 иностранных. Текст дополняют 30 приложений.
I. ПРОИЗВОДСТВО ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ОСУШИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД
I.I. Особенности производства земляных работ в сезонно-промерзающих грунтах
Технология производства земляных работ в зимний период во многом определяется природно-климатическими характеристиками района строительства: механическим составом грунтов, глубиной его промерзания и прочностью, типом водного питания, мощностью снежного покрова и т.д.
Основной характеристикой зимнего периода является сумма среднесуточных отрицательных температур воздуха, по которой Нечерноземную зону можно условно разбить на 4 температурных района и выделить области равномерного промерзания грунтов (приложение 2) /2, 3, 4/.
Продолжительность мерзлого состояния грунтов по зоне составляет в среднем 135-170 дней, промерзание начинается в последней декаде октября - первой декаде ноября и продолжается до конца апреля (табл. I.I) /87/.
Таблица I.I
Продолжительность мерзлого состояния минеральных грунтов
Темпе- Средняя Сроки промерзания Продолжительность
ратур- глубина мерзлого состоя
ний промерза- начало конец ния грунта, см ,..
район ния, см <-—-""
1 50 15.II 20.04 135
50-70 10.II 25.04 145
70-100 5.II 5.05 170
4 Свыше 100 25.10 15.05 Свыше 170
Особенности природных условий Нечерноземной зоны рассмотрим на примере Северо-Западного экономического района, где годовое количество осадков изменяется от 250 до 670 мм, а продолжительность зимнего периода составляет 4-7 месяцев. При этом на осенний период приходится более 200 мм осадков /2, 3/.
Для мелиоративного строительства большое значение имеют сроки наступления заданной глубины промерзания. Эффективное применение различных типов машин для разработки мерзлоты обусловлено их дифференцированным выбором в зависимости от глубин промерзания: до 0,25 м, 0,25-0,5 м, О,5-І,Ом и выше /4, 5/.
Глубина промерзания грунтов зависит от температуры воздуха, высоты снежного покрова и продолжительности его стояния.
Наряду с климатическими факторами глубина промерзания зависит также от почвенного покрова, уровня грунтовых вод, физико-механических свойств грунтов. Вопросами влияния климатических факторов и гидрологии на промерзание грунтов занимались в разное время А.К.Будников, Н.А.Качинский, В.С.Лукьянов, А.Ф.Печкуров, М.А.Шульгин и др. /4, 62, 103, 105, 106, 109/. Так, предложенные А.К.Будниковым и А.Ф.Печкуровым формулы для практического расчета глубины промерзания торфяных и минеральных грунтов хорошо согласуются с результатами опытной проверки в полевых условиях.
Промерзание грунтов 'определяет характерные особенности производства земляных работ в этот период.
При строительстве дренажа в зимнее время предъявляются особые требования к водопроницаемости и агрегатному составу обратной засыпки.
Строительство дренажа на грунтах тяжелого механического состава в зимний период возможно при условии присыпки дрен недефор-мируемыми материалами с повышенными фильтрационными свойствами
/6-Ю/. Окончательную засыпку траншей при зимнем строительстве рекомендуется производить смесью талого и мерзлого грунта подпочвы и почвы, разработанного на мелкие фракции специальными механизмами /II/.
В связи с тем, что в нечерноземной зоне ЩВСР из общей площади земель, подлежащих мелиорации, более 4О/0 тяжелого механического состава, то фактор обязательного использования высоко-фильтрующей присыпки дрен приобретает первостепенное значение как с точки зрения стоимости зимнего строительства, так и изыскания необходимого объема специальной присыпки для мелиорируемых площадей.
Отличительной особенностью производства земляных работ в зимний период является значительная трудоемкость и энергоемкость их разработки, связанная с промерзанием грунта.
Прочностные свойства мерзлых грунтов обусловлены их физико-механическими характеристиками (размер, форма минеральных частиц, количественное соотношение льда и скелета грунта). Вопросы сопротивления мерзлых грунтов резанию широко освещены в работах Ю.А.Ветрова, Н.Г.Домбровского, А.Н.Зеленина, Н.С.Иванова, А.М.Пче-линцева, A.M.Тютюнника, Н.А.Цытовича и других советских ученых /12, 16, 17, 61, 96/. Установлено, что с увеличением влажности усилия сопротивления резанию возрастают. Максимальные их значения соответствуют влажности, близкой к полной влагоемкости. С понижением температуры грунта сопротивление резанию непрерывно растет за счет количественного изменения фазового состава воды и упрочнения кристаллической решетки льда. Показатели сопротивляемости мерзлой глины резанию (по шкале А.Н.Зеленина), приведенные в табл. 1.2 /12/, показывают, что изменение температуры грунта от -I до -5С увеличивает сопротивляемость резанию примерно в 5 раз, а изменение влажности в 1,8 раза для этих же температур приводит
к изменению сопротивляемости резанию примерно в 4,5 раза.
В связи с трудностями экспериментального определения усилий резания, особенно в полевых условиях, А.Н.Зелениным /12/ был предложен экспресс-метод, основанный на том, что величина удельного сопротивления при вдавливании стержня в грунт пропорциональна усилию резания и служит объективным критерием определения сопротивляемости грунта резанию. В качестве прибора, действие которого было основано на вдавливаний'стержня в грунт, был выбран ударник ДорНИИ (динамический плотномер). Число ударов этого плотномера С, необходимое для углубления в грунт на глубину 0,1м цилиндрического стержня с углом заострения 180 и площадью сечения I см^ при падении груза массой 2,5 кг с высоты 0,4 м, пропорционально для супеси, суглинка и глины величине удельного сопротивления резанию грунта.
Таблица 1.2 Сопротивление резанию мерзлой глины (по числу ударов С)
Глина І7 С 35_40 100-110 180-200 250-270
31 С 65-70 140-260 290-310 290-320
Классификация категорий грунтов по А.Н.Зеленину в зависимости от числа ударов С приведена в табл. 1.3 /12/.
Таблица 1.3.
Вид грунта Талый грунт Мерзлый грунт
ї^2тпРИЯ 'ЇЙ ІІІ ІУ' У 'УІ УП УШ
грунта
ударов І_4 5~8 9"15 Іб-34 35"70 7-140 140-280 280-550
По данной классификации все грунты с числом ударов динамического плотномера до 34 отнесены к талым грунтам; с числом ударов более 35 - к мерзлым.
Таким образом, климатические и гидро-геолого-почвенные особенности Нечерноземной зоны, оказывая влияние на глубину промерзания грунтов и время их нахождения в мерзлом состоянии, влияют и на трудоемкость и энергоемкость процесса разработки в зимний период. При этом высокая механическая прочность мерзлых грунтов не позволяет разрабатывать их обычными мелиоративными машинами и требует специальной подготовки их к экскавации.
1.2. Способы подготовки грунтов к экскавации
В зависимости от природно-климатических условий и характера проводимого строительства подготовка грунтов к экскавации в зимнее время может осуществляться различными способами по двум направлениям: разрушение мерзлых грунтов нарушенной или ненарушенной структуры и предохранение грунтов от промерзания /18-21/.
Наибольшее распространение в Нечерноземной зене РСФСР при зимнем строительстве осушительных систем получили способы механического разрушения мерзлых грунтов /12, 19, 20-24/.
Земляные работы при строительстве осушительных систем зимой выполняют, как правило, по двухпроходнои или однопроходной технологии /4, б, 22, 24/.
При двухпроходнои технологии мерзлый слой грунта разрабатывается одним видом специализированных машин, а доработка до проектных отметок производится другими механизмами.
При однопроходной технологии разработка мерзлого слоя грунта и доработка до проектных отметок производится одновременно только одним видом специализированных машин.
При строительстве закрытого дренажа зимой чаще применяется
Определение влияния параметров слоя пено пластов на температурный режим грунтов зоны тепловой защиты
Основной характеристикой, определяющей глубину промерзания грунтов, является сумма среднесуточных отрицательных температур воздуха рассматриваемого периода.
В защищенных грунтах управляемым фактором, влияющим на теплопередачу в грунте, является термическое сопротивление утеплителя, с помощью которого регламентируется поток тепла от грунта в воздух, температура и глубина промерзания грунта. Как известно, термическое сопротивление утеплителя зависит от его толщины и коэффициента температуропроводности.
Следовательно, толщиной утеплителя и коэффициентом его температуропроводности можно регулировать температурный режим грунтов в зоне тепловой защиты, то есть время остывания грунтов. При этом, если принять, что коэффициент температуропроводности быст-ротвердеющих пенопластов постоянный, то легко определить влияние толщины БТП на время остывания грунта в зоне тепловой защиты, что .намного упрощает расчет. Однако в настоящее время толщину слоя утеплителя определяют по количеству тепла, отданного грунтом в воздух в зоне тепловой защиты. Такой расчет связан с использованием большого количества параметров (температура, влажность, плотность и др.), прогнозирование изменения которых с точностью более 20% практически невозможно.
Поэтому такие зависимости могут быть применимы только только к конкретным условиям. Так, например, большинство методов расчета толщины традиционных утеплителей могут быть применены только к тем утеплителям, для которых они разработаны /23, 32, 61-64/.
Существует также большое количество эмпирических зависимостей для определения толщины теплоизолирующего слоя из пенопластов /21, 27, 28, 40, 48, 53, 56, 65/. Однако они не позволяют с достаточной точностью определять параметры (ширина и толщина) теплоизолирующего слоя для объектов мелиорации. В этих зависимостях в недостаточной степени учитываются такие необходимые характеристики грунта, как механический состав, неоднородность, влажность, объемная масса, поэтому они применимы только для конкретных условий производства земляных работ.
А.М.Приймак /21/ рекомендует расчет толщины теплоизоляции из пенопластов проводить по формуле где hy - толщина слоя пенопластов, м; Ху эффективный коэффициент теплопроводности утеплителя, Вт/м.град. Данная зависимость применима только для условий долины р.Бе-релех на северо-востоке страны.
В.М.Константинов и В.М.Сиданко /65/ определяют толщину утеплителя через его термическое сопротивление, что в некоторой степени повышает точность расчета, однако не учитывает такую важную характеристику утепляемого грунта, как его теплоемкость.
М.Д.Головко и В.С.Лукьянов /62/ предлагают следующую зависимость определения толщины утеплителя где А, - коэффициент теплопроводности утеплителя, Вт/м.град. ; QZ - количество теплоты грунта, отводимое в воздух, кДж ; 2" -продолжительность промерзания, ч ; Пи. - сопротивление теплоотдаче с поверхности, м .град/Вт ; Пен- термическое сопротивление снега, кг.град/Вт ; п - глубина промерзания грунта, м; V разность между средней температурой воздуха за зимний период и температурой замерзания грунта, С ; Ср - объемная теплоемкость мерзлого грунта, кДж/м3.град.
Так как процесс теплопередачи в утепленном грунте зависит от объемной массы, влажности грунта и общего термического сопротивления утеплителя, Г.С.Филипповым /66/ были найдены коэффициенты влияния объемной массы и влажности грунта на общее терми-v ческое сопротивление утеплителя и расчетная зависимость приняла где Ку - коэффициент усадки утеплителя, /( , Kw - коэффициенты, учитывающие объемную массу и влажность грунта ; Л коэффициент теплопроводности утеплителя, Вт/м.град. ; RQ общее термическое сопротивление, необходимое для предохранения грунта от промерзания, м .град/Вт ; /?// - термическое сопротивление снега, м .град/Вт.
Предложенная формула позволяет расчитывать толщину утеплителя для однородных грунтов с достаточной точностью.
Глубина промерзания грунтов по трассам проведения мелиоративных работ зависит от почвенного слоя, состояния дернового покрова, характера древесной растительности, уровня грунтовых вод и других специфических условий объектов. Полевые исследования глубины промерзания грунтов при ненарушенном почвенном и растительном покрове показали, что расхождения с расчетными данными в зависимости от температурного района зоны составляют 15-40% /5/. Кроме того, в существующих расчетах не учитывается влияние БТП на тепло-физические характеристики оструктуренных грунтов.
В связи с этим возникает необходимость проведения теплофи-зического расчета влияния БТП на температурный режим грунтов (при поверхностном утеплении и рыхлении с оструктуриванием) на объектах мелиоративного строительства, который позволит повысить точность расчета. Нами был выбран теплофизический расчет по скорости выравнивания температур грунта и воздуха в зоне тепловой защиты с использованием только коэффициентов температуропровод ности грунта и БТП , (погрешность при прогнозировании не более 15%).
Фильтрационные свойства пенопластов и грунтов, оструктуренных пенопластами
При устройстве закрытого дренажа в тяжелых грунтах согласно нормативам и существующей технологии дренажных работ с кромок траншеи производится срезка грунта пахотного слоя, присыпка уложенных дрен и окончательная засыпка дрен вынутым грунтом, перемешанным с пахотным слоем /71, 72/. Рассмотрим изменения в дренажной засыпке, называемые процессами деформации грунта.
Засыпка дренажной траншеи вынутым грунтом при вскрытии ее многоковшовым экскаватором ЭТД-202А обеспечивает начальную пористость грунта засыпки в пределах от 54 до 64%. Как свидетельствуют работы В.А.Камбурова, А.М.Смирнова, Н.И.Хрисанова /10, 72,73/, эти данные оказались стабильными для большого количества измерений по ряду объектов Ленинградской области. Наблюдения за работой дренажа показали, что объемная масса засыпки со временем значительно увеличивается, кроме того, она изменяется по глубине, имея максимальное значение в диапазоне 20-60 см при пористости, равной 35-46%. Величина объемной массы непосредственно у дрены меньше, что объясняется присутствием грунта пахотного слоя, которым присыпали дрены /73/. При этом стабилизация дренажной засыпки происходит в течение 3-5 лет. Однако и после стабилизации остаточная разрыхленность ее составляет около 15% от пористости нарушенного грунта /9, 10, 72-77/.
Как установлено в работах /7-Ю, 76, 78, 79, 81, 131, 132/, общим требованием к засыпке дренажных траншей на тяжелых минеральных грунтах является высокая водопроницаемость. Вопрос о необходимости устройства фильтрующих засыпок достаточно изучен, однако выводы в ряде случаев противоречивы. Некоторые исследователи считают," что устройство засыпок повышенной водопроницаемое ти неэффективно (А.А.Ксензов, Х.А.Писарьков, Ц.Н.Шкинкис и др.) /77, 79, 80/. Большинство из них сходятся в одном: засыпка повышенной водопроницаемости нужна в случае дополнительного кротова-ния почвы или при устройстве кротового дренажа, а также при осушении замкнутых понижений.
Другие придерживаются противоположного мнения. Фильтрующая засыпка способствует более эффективной работе осушительной системы (А.И.Климко, Р.Ламсодис, А.И.Мурашко, А.Н.Патрашев, Е.Г.Сапожников, Н.И.Хрисанов и др.) /7, 81-83, 133/. И те и другие сходятся в том, что максимальная величина водопроницаемости засыпки должна быть ограничена. К.Башкисом и А.Луяянисом /84, 85/ опытами на гидравлическом интеграторе установлено, что увеличение водопроницаемости засыпки дренажных траншей более чем в 5 раз по сравнению с водопроницаемостью нетронутого почвогрунта нецелесообразно. Как показали исследования И.М.Кривоносова, Х.Ю.Томсона /74, 78/, этим требованиям отвечает засыпка, выполненная перемешанным гумусовым грунтом с подстилающим слоем. Так, по данным наблюдений в ОПХ СевНИИГиМ в 1954-1967 гг., коэффициент фильтрации засыпки на минеральных грунтах составлял в первый год .эксплуатации 13,9 , а на девятый - 2 м/сут. Стабилизация коэффициента фильтрации произошла на 3-4-ом году эксплуатации /74/. По данным Х.Ю.Томсона /78/, водопроницаемость засыпки из растительного слоя почвы на 9-ом году после заложения дренажа была в 10 раз выше водопроницаемости подпахотного слоя. С другой стороны, использование гумусового слоя для улучшения фильтрационных свойств засыпок на тяжелых грунтах, которым засыпают дренажную траншею на глубину 0,2-0,3 м, заполняя остальную часть траншеи перемешанным почвогрунтом, содержащим до 30-35% гумусового горизонта, обедняет корнеобитаемый слой. Так, при расстояниях между дренами Ю м на I га дренированной территории 10% площади лишается гумусового слоя. На восстановление плодородия почвы в этом случае требуется внесение органических удобрений по определяется 100-150 ц/га ежегодно в течение 5-7 лет /73/. Поэтому вопрос о дешевых и эффективных супучих защитных материалах становится особенно актуальным при зимней закладке дренажа. При строительстве дренажа в зимних условиях, когда использовать грунт пахотного слоя нормальной влажности для засыпки невозможно, применение материалов повышенной водопроницаемости становится необходимым.
При устройстве дренажа в несвязных минеральных грунтах водопроницаемость присыпки (после завершения деформационных процессов в них и частичной кольматации) должна более чем в 5 раз превышать водопроницаемость подстилающих почву грунтов. При укладке дренажа в тяжелых глинистых грунтах это соотношение возрастает до 20 и более /84, 85/. В условиях зимнего строительства, когда верхний слой почвы (гумусовый горизонт) промерзает, технологические требования в большинстве случаев не выполняются: присыпку осуществляют грунтом подпочвы или комьями мерзлого грунта. Поэтому содержание гумуса в присыпке, выполненной летом, в 1,5-2 раза выше по сравнению с присыпкой в зимних условиях, а уплотнение суглинистых грунтов присыпки в дренажных траншеях после весеннего паводка и просыхания грунтов составляет 15-30% /II, 86/.
Наибольшая эффективность в работе достигается, если диаметр агрегатов (без крупных глыб и комьев) при зимнем строительстве составляет от I до 10 мм, коэффициент разнозернистости - от 5 до 45 /II/. Наличие в засыпке комьев большого размера обусловливает возникновение во время весеннего паводка турбулентного потока жидкости с большими скоростями, что способствует смыву с поверхности комьев мелкодисперсной фракции, которая вызывает кольматаж защитных фильтров, а при нарушении защиты - заиление дренажного трубопровода. Кроме этого, насыщенные водой комья и глыбы распадаются, грунт теряет свою структуру, объемная масса его увеличивается, а фильтрационные свойства резко снижаютсяШозтому при строительстве дренажа в зимний период необходимо выполнять присыпку трубопроводов сыпучими материалами повышенной фильтрации (ПГС, песок и др.).
Исследование технологических процессов внесения пенопластов по трассам мелиоративных каналов и дрен
Полевые эксперименты включали рыхление трасс на коллекторах дренажной сети рыхлителем РТ-0,7 с внесением БТП пеногенератором ПМП-І (ПМП-2) (рис. 3.8) и рыхление трасс каналов рыхлителем РУ.65.2,5 с пеногенератором ПШ-2 (ПМП-І). Изучали ріхление с оструктуриванием (внесение БТП в слой рыхления) и рыхление с дискованием и поверхностным нанесением пенопласта. Технологические схемы предзимнего рыхления с оструктуриванием й поверхностной тепловой защитой разрыхленного слоя на опытных участках приведены в приложении 20, 21, 22, 23 /104/. Исследования показали, что при рыхлении с оструктуриванием БТП объемная масса грунта между стойками рыхлителя РТ-0,7 была в 1,1-1,5, а рыхлителя РУ.65.2,5 - в 1,13-1,3 раза больше, чем в местах прохода стоек. При этом грунт по глубине разрыхлялся неравномерно: в верхних горизонтах - сильнее, на глубине 0,4 Неравномерность рыхления грунта по глубине сказывается на оструктуривании пенопластом. Поперечные разрезы зоны рыхления показали, что степень оструктуренности грунта пенопластом уменьшается от верхних горизонтов к нижним, достигая минимума в зоне прохождения лемехов рыхлителя. Оструктуренность грунта БТП в большей степени зависит от степени рыхления грунта (объемной массы) и его агрегатного состава (наличие комков). Так, например, если получали изменение объемной массы грунта в пределах 20$, то такой же объем БТП вносили в- слой рыхления.
Как показали эксперименты и исследования поперечных разрезов, только при этом условии происходит острук-туривание всего сечения слоя рыхления. Это условие было основным, исходя из которого определялась допустимая скорость рыхлителей Скорость рыхления с использованием пеногенератора ПМП-2 меняется в зависимости от кратности пенопласта в пределах 12-18 для рыхлителя РТ-0,7 и 6-9 м/мин - для рыхлителя РУ.65.2,5. На опытно-производственных участках ОПХ СевНИИГиМ и объектах "Нагорный", "Заманиловка", "Сантехнический" проводили детальные хронометражные наблюдения за производительностью машин, выполняющих работы по защите или оструктуриванию трасс осушительных систем. По данным хронометражных наблюдений и фотографии рабочих дней (приложение 7, 8, 9) составлен баланс рабочего времени. В соответствии с показателями технологического процесса определены технологические, технические и организационные причины простоев машин (табл. 3.5). Данные таблицы свидетельствуют, что непроизводительные затраты рабочего времени составляют от 25 (поверхностный способ нанесения пены) до 32$ (полускрытый способ). Наибольшие потери рабочего времени отмечаются по техническим причинам (до 23$), что объясняется простоями пеногенераторов при заменах экспериментальных реакторов, а также повышенной сложностью подготовки трассы при полускрытом способе защиты грунта. Простои пеногенераторов по технологическим и организационным причинам составляют от 3 до 8$, что находится в пределах нормативных ограничений.
Коэффициент использования рабочего времени составил 0,68-0,75, однако, учитывая дальнейшее совершенствование пеногенераторов, он может быть значительно выше. Наряду с анализом простоев техники определены производительность машин, энергоемкость процесса, затраты труда при различных способах защиты грунта по трассам (табл. 3.6). Из таблицы видно, что наибольшая энергоемкость процесса наблюдается при полускрытом и : скрытом нанесении БТП с помощью ПМП-І (1,02-1,07 кВт.ч/м). Наименьшая энергоемкость, несмотря на большую мощность агрегата, наблюдается при применении ПМП-2 vl (0,49-0,65 кВт.ч/м). Наиболее эффективной машиной по трудозатратам является пеногенератор ЇЇМП-2.
Экономическая эффективность способов производства земляных работ с применением пенопластов в зимний период
Экономическая эффективность строительства закрытого дренажа и мелиоративных каналов в зимний период определялась для технологических схем с предзимней защитой трасс слоем БТП и предзимним рыхлением с оструктуриванием БТП. В качестве базового (эталонного) варианта для сравнения с новой технологией строительства дренажа в зимний период должна быть принята прогрессивная в настоящее время технология производства работ. Исследованиями БелНЙИМиБХ /20,26,30,41/ установлено, что наиболее прогрессивным способом предварительной подготовки трасс каналов и дрен является предзимнее рыхление. Приведенные затраты на производство работ составляют 0,05-0,07 руб./м3 /30/, а комплекс машин дополнительно включает только рыхлители РУ.65.2,5 и ЇК-І,2 на базе тракторов класса 30-60 кН. Однако, как свидетельствует опыт предзимнего рыхления трасс в условиях Северо-Запада, применение этого способа ограничено сухим безморозным периодом, продолжительность которого на тяжелых переувлажненных грунтах не превышает 10 дней. Анализ влажности почв на объектах мелиорации подтверждает эти данные /73, 86/. В связи с этим в условиях Северо-Запада, особенно в Ленинградской области, предзимнее рыхление не получило широкого распространения. Наиболее эффективным способом является механическая разработка мерзлого грунта при строительстве закрытых осушительных систем: однопроходная технология строительства с применением специализированного экскавато-ра-дреноукладчика ЭТЦ-206, а также двухпроходная технология на базе цепного траншеекопателя (ТЦ-208А для разработки мерзлого грунта и серийного дреноукладчика ЭТЦ-202А для разработки траншей и укладки дрен). В качестве новых, исследуемых вариантов приняты три технологические схемы производства работ по строительству коллекторно-дренажной сети с использованием ЕГО: поверхностная тепловая защита трасс, полускрытый и скрытый способы внесения. Технико-экономические показатели машин, применяемых при зимнем строительстве дренажа, приведены в табл. 4.7. Годовой экономический эффект определяется по приведенным затратам, которые представляют собой сумму текущих издержек и единовременных капитальных вложений, приведенных к годовой размерности в соответствии с установленным нормативным коэффициент том эффективности /124/: где П - приведенные затраты, руб./м3; С - текущие издержки (себестоимость строительных работ) по сравниваемым вариантам, руб./м3 ; Е - нормативный коэффициент эффективности капительных вложений (для строительства равен 0,15) ; К - единовременные затраты (капитальные вложения) по сравниваемым вариантам, руб./м? Приведенные затраты по новой и применяемой технологиям складываются из затрат на выполнение отдельных операций технологического процесса с использованием основных и вспомогательных машин и механизмов, входящих в каждый технологический комплекс. Так как вспомогательные машины не имели полной загрузки по данным; технологическим схемам, но использовались на других видах работ в течение года, то их балансовая стоимость рассчитывалась с учетом годового фонда рабочего времени каждой машины и фактическим временем работы в данном технологическом комплексе.
Показатели затрат по новой и существующей технологиям зимнего строительства дренажа приведены в приложениях 27, 28, 29. Годовая загрузка и производительности ведущих машин ЭТЦ-202А, ЭТЦ-206, ІШІ-І, ПМП-2 и вспомогательных получены по результатам фотографий рабочих дней каждой машины в течение 1976-1983 гг. на опытно-производственных участках (приложение б). Применение новой технологии позволяет практически сократить затраты, связанные с разработкой мерзлого грунта. Дополнительный экономический эффект получается за счет повышения и стабилизации фильтрационных свойств засыпок дренажей в грунтах тяжелого механического состава. В данном случае снижение удельных капитальных вложений и себестоимости строительства достигается заменой присыпки трубопроводов ПГС /7,87/ смесью вынутого грунта и БТП. Годовой экономический эффект от внедрения новой технологии определяется по формуле где А - объем внедрения; C Cg - текущие издержки (себестоимость строительных работ) на единицу объема внедрения"по сравниваемым вариантам; Kj,Kr - капитальные вложения на единицу объема внедрения по сравниваемым вариантам. Результаты расчета экономического эффекта от применения новой технологии при строительстве дренажа приведены в табл. 4.8. Анализ данных свидетельствует, что в грунтах легкого механического состава применение БТП не эффективно. При устройстве дренажа зимой в тяжелых слабопроницаемых грунтах с присыпкой (сплошной или пунктирной) гравием или ПГС /87/ эффективность Годовой экономический эффект от применения БТП на строительстве дренажа, руб. новой технологии составит при поверхностном способе нанесения БТП более 40, при полускрытом способе 75-88 руб.. на га. В сравнении с двухпроходной технологией строительства дренажа в легких грунтах применение БТП эффективно: экономический эффект при поверхностном способе внесения БТП составит 28-40, при полускрытом - 75-78 руб./га.
При строительстве каналов в качестве новой технологии принимались технологические схемы полускрытой и скрытой подготовки трасс каналов внесением БТП. В качестве базового варианта для сравнения была принята технология строительства каналов одноковшовыми экскаваторами типа Э-652Б после рыхления мерзлого слоя грунта механическим способом (клин-бабой). Исходные данные для расчета экономической эффективности зимнего строительства мелиоративных каналов с применением БТП приведены в табл. 4.9. Стоимость рыхления клин-бабой мерзлого грунта П группы принята по данным Сборника № I единичных расценок на строительно-монтажные работы промышленного, гражданского и сельского строительства в Ленинградской области /125/. По рекомендуемой технологии расход БТП на 1000 м3 вынимаемого при разработке открытых каналов грунта составляет 20 м3. Стоимость материалов при полускрытом внесении БТП составит 117,8 руб. на 1000 м3 грунта, выемка скрытым способом - 78,2 руб. Если принять сечение канала 10 м , объем работ 1000 м3, то длина разрабатываемого канала составит ориентировочно 100 м. В зависимости от глубины промерзания будет меняться стоимость механической разработки грунта. Так, при глубине промерзания 0,3 м \j объем мерзлого, разрыхляемого клин-бабой грунта составит 150 м3, при 0,5- 250, при 1,0 - 500 м3.
