Анализ затрат зимнего строительства земляного полотна автомобильной дороги в Омской области

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В инженерной практике стал быстро распространяться новый подход снижения стоимости (затрат) и повышения качества продукции. Этот подход назвали функционально-стоимостным анализом (ФСА).

Цель данной работы: выявление, анализ и расчёт функционально необходимых затрат для различных способов (технологий) зимнего строительства земляного полотна автомобильной дороги в Омской области.

Для реализации поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

1. Выявить технологии, обеспечивающие зимнее строительство земляного полотна;

2. Проанализировать компоненты трудового процесса (материалы, машины, трудовые ресурсы, в реальных условиях организации производства с использованием методики ФСА);

3. Выбрать эффективный вариант организации работ по методике ФСА на стадии: технологический процесс-операция, применительно к автомобильным дорогам в Омской области.

По мере накопления производственного опыта и научных исследований, совершенствования средств механизации и технологии производства работ в виде земляных работ, проводимых при отрицательных температурах. Появились возможности сформировать принципы и правила разработки, укладки и уплотнения грунтов в зимних условиях без существенного снижения прочности и устойчивости земляного полотна.

1. Использование методики функционально-стоимостного анализа для выработки и оценки инженерных решений в дорожном строительстве

1.1 Общие положения

Функционально-стоимостной анализ (ФСА) является одним из наиболее результативных инструментов, позволяющих решать в комплексе задачи обеспечения экономии ресурсов, прогрессивности разрабатываемых технических решений, повышения качества продукции. ФСА как метод активной технико-экономической диагностики и оптимизации объектов достаточно успешно применяться в дорожной отрасли для формирования вариантов.

Производство работ в зимних условиях требует всесторонней и тщательной подготовки и достоверной оценки всех затрат, которые будут с этим связаны. Функционально-стоимостной анализ как метод активной технико-экономической диагностики и оптимизации объектов достаточно успешно может применятся в дорожной отрасли для формирования вариантов технических, технологических и организационных решений и выбора наиболее эффективных вариантов применительно к конкретным ситуациям работы дорожных организаций в зимний период.

В данной работе рассматривается только определённое направление ФСА, связанное с выявлением и оценкой всех затрат при производстве дорожно-строительных работ в зимних условиях для выбора наиболее эффективных вариантов организационно-технологических решений. Основная суть ФСА этого направления заключается в применении системного подхода при выявлении всех затрат на производство работ (трудоёмкости, расходов материалов, энергии и т.д.).

При проведении ФСА выполняют следующую работу:

- выявляют и определяют функции (назначение) элементов изделия;

- оценивают стоимость выполнения каждой функции (в виде расхода материала, энергии, денежных затрат и т.д.);

- выделяют лишние (ненужные) функции и функции с чрезмерными затратами на реализацию;

- исключают элементы с ненужными функциями и выбирают наиболее рациональные технологические проекты элементов с чрезмерными затратами;

- реализуют на практике результаты ФСА.

Методика ФСА достаточно хорошо разработана применительно к проектированию, производству и эксплуатации объектов промышленности.

Особенность метода: рассмотрение объекта не в его конкретной форме, а как совокупность функций, которые должен выполнять данный объект и элементы, из которых он состоит. В качестве объекта ФСА в дорожном строительстве, в частности, могут рассматриваться:

- дорожные конструкции;

- искусственные сооружения на дороге;

- композитные материалы дорожной конструкции;

- технологические процессы;

- дорожные машины и оборудование;

-организационные структуры (механизированные отряды, дорожные подразделения любого уровня, управленческие решения и т.д.).

1.2 Этапы проведения функционально-стоимостного анализа

Последовательность действий при ФСА можно представить в виде трёх укрупнённых этапов:

1-й этап. Построение функционально-структурных моделей объектов.

С позиции системного анализа любой технический объект представляет собой совокупность элементов с различной степенью детализации. Методика ФСА предусматривает на первом этапе построение функционально-стоимостной модели объектов двух видов: функционально-конструктивные структуры (ФСМ) и функционально-потоковые структуры (ФПС). Первый вид связан с делением объекта на элементы и описанием функций, выполняемых этими элементами; второй-с описанием последовательности преобразованием вещества, энергии или информации в процессе реализации основных функций рассматриваемого объекта. Чаще всего второй вид ФСМ используется для описания технологических процессов.

Применительно к данной работе ФСМ целесообразно представить в виде ФСМ различных технических объектов. Представление физической сущности объекта (процесса) в виде ФСА позволяет выявить наиболее полный набор возможных способов реализации функций элементами модели и скомпоновать варианты структур, реализующих поставленную перед объектом (процессом) задачу.

2-й этап. Формирование вариантов решения.

Информация, полученная на первом этапе, используется для формирования вариантов инженерных решений. Техническое решение- набор альтернативных вариантов в различных сочетаниях. Для технических процессов в дорожном строительстве это могут быть различные материалы, дорожные машины и другие способы выполнения технологических операций. Например, для формирования вариантов специализированных отрядов, количество вариантов определяется количеством возможных технологических решений (технологий). Состав отряда может быть представлен в качестве технического решения. Из множества вариантов составов отряда должны быть исключены несовместимые варианты, если таковые имеются в наборе. Представление физической сущности технологических операций расширяет возможности привлечения различных технических способов для их реализации.

3-й этап. Оценка функций и выбор варианта технического решения.

Методика ФСА предлагает ряд способов оценки конструирующих вариантов в условиях неопределённости на основе совокупностей экспертных методов. Для целей дорожного производства наиболее приемлемы следующие два способа: метод расстановки приоритетов и оценка интегрального показателя качества. Достоинства этих способов в относительной простоте и в том, что они совмещают возможности прямого калькулирования затрат с мобилизацией профессионального опыта экспертов.

Последовательность действий при ФСА можно представить в виде схемы.



Рисунок 1.1- Блок-схема проведения ФСА ТП.

1.3 ФСА технологических процессов

С помощью ФСА можно определить «узкие места» в технологическом процессе (ТП), провести анализ его качества, выявить скрытые резервы и функционально необходимые затраты на производство, выявить наиболее предпочтительный вариант ТП. Достоинством этого метода можно считать возможность управления качеством ТП при контролируемых затратах. ФСА ТП обеспечивает комплексный подход к решению задач по снижению издержек производства, повышению уровня качества изготовления продукции и способствует выявлению резервов сокращения (ликвидации) брака и технологических потерь, повышению производительности труда, снижения трудоёмкости, материалоёмкости, энергоёмкости процесса; создаёт предпосылки для объективной аттестации производства.

Конкретными задачами, решаемыми с помощью ФСА, для таких объектов, как технологические системы и процессы, могут быть:

- устранение «узких мест» и диспропорций в ходе технологического процесса;

- сокращение или ликвидация брака и технологических потерь, повышение уровня качества изготовления;

- снижение материалоёмкости, энергоёмкости, фондоёмкости, процесса при сохранении уровня качества изготовления;

- повышение производительности труда при сохранении качества изготовления;

- минимизация технологической себестоимости продукции при повышении качества исполнения функций технологического процесса;

- замена дефицитных и дорогостоящих материалов на более доступные и дешёвые при сохранении качества и снижении затрат на изготовление;

- улучшение условий выполнения и повышение их безопасности при сохранении (или уменьшении) затрат;

- повышение уровня получаемых свойств при сохранении (или уменьшении) затрат.

В ходе ФСА ранее усвоенных процессов прежде всего осуществляется функционально-экономическая диагностика и выявляются ненужные функции и элементы, негативно влияющие на уровень качества процесса и вызывающие повышение затрат на его осуществление.

Функция ТП - создание определенных (искусственных) свойств, заданных системой внешнего порядка (требованиями к изделию, детали и т.д.). Реализуется она путём выполнения комплекса действий в соответствующих условиях. Следовательно, можно считать, что сущность функций ТП и их составляющих заключается в обеспечении свойств, необходимых для функционирования изделия в целом.

Форма проявления функций технологического процесса - это действия, в которых участвуют системные компоненты: предметы труда (с естественными и искусственными свойствами); орудия и средства труда (оснастка, инструмент, оборудование, площади); исполнители (кадры). Степень участия и уровень использования системных компонентов в процессе реализации функций ТП определяют его организационно-технический уровень.

Для проведения всестороннего анализа ТП расчленяется на структурные компоненты (СК)- операции, комплексы переходов, переходы, которые рассматриваются в нескольких аспектах: функциональном, временном и пространственном.

Технологический процесс (ТП) является своеобразным объектом ФСА и в этом смысле отличается от ФСА конструкции или изделия рядом признаков, что диктует и особенности методики ФСА ТП.

Основные отличия ФСА ТП от ФСА изделий заключаются в следующем:

- при ФСА ТП исследованию должны подвергаться все системные компоненты трудового процесса: предметы труда, средства труда (оборудование, оснастка) и сам процесс труда, выполняемый в рамках соответствующей части производственной системы;

- функции технологии рассматриваются в зависимости от реальной организации производства и управления на предприятии;

- комплекс анализируемых функций увеличивается, т.к. приходиться частично исследовать действующую производственную систему.

В процессе проведения ФСА ТП используются следующие модели: структурная модель ТП (СМ ТП), функциональная модель ТП (ФМ ТП), функционально-структурная модель (ФСМ), функционально-стоимостная диаграмма (ФСД), модель

«Функция-качество» (МФК), а также карта анализа ТП (КА ТП).

Карта анализа ТП отражает состав элементов ТП, взаимосвязь их системных составляющих, последовательность их участия в ТП во времени, состав материальных носителей функции элементов ТП.

Структурная модель ТП представляет состав и соподчиненность операций и переходов. При выделении структурных компонентов ТП руководствуются следующими требованиями к элементам: относительной самостоятельностью; существенностью для процесса в целом; устойчивой различимостью; наличием характерных признаков для выявления границ.

При разработке СМ на верхнем уровне представляется объект ФСА ТП в целом, а на последующих уровнях - его структурные составляющие, в соответствии с выбранным признаком структуризации. Связи между структурными составляющими соседних уровней представляются в виде дуг графа, а сами составляющие объекта ФСА ТП - в виде узлов графа.

Функциональная модель ТП отражает состав и подчиненность функций. Разработка ФМ - наиболее ответственный и сложный процесс функционального моделирования при ФСА ТП. Основной аспект при построении ФМ делается на свойства, обеспечиваемые ТП, и те физико-химические преобразования, которые происходят в предметах труда (в частном случае - в материалах и полуфабрикатах) в результате изменения их внутренней структуры.

Результаты наложения ФМ и СМ представляются в виде совмещенной модели ФСМ, которая отражает источники формирования свойств и одновременно служит основой для расчета затрат на функции ТП.

2. Особенности строительства земляного полотна в зимнее время

2.1 Климатические условия района строительства

Климатические и грунтовые условия в различных частях Западной Сибири сильно различаются. Особенно существенно это различие между северной и южной частями Западной Сибири. Северная часть Западной Сибири отличается низкими температурами зимних месяцев, сильной заболоченностью, преобладанием торфяных грунтов и мелких пылеватых песков, наличием вечномерзлых грунтов. Такие климатические и грунтовые условия требуют применения весьма специфических технологических приемов. Поэтому в дальнейшем рассматривается только часть Западной Сибири. Таким образом, за рассматриваемую часть Западной Сибири возмём Омскую область. Рассматриваемая область занимает площадь млн.км2.с различными климатическими, грунтовыми условиями и рельефом. Достаточно сказать, что на севере область находится в лесной зоне, в центральной части - в лесостепной, переходящей к югу в степную зону. Все это приводит к необходимости более подробного рассмотрения условий области в связи с возведением насыпей автомобильных дорог в зимнее время.

Прежде всего, специфика земляных работ в зимний период определяется отрицательной температурой воздуха. Температурный режим грунта естественного залегания характеризующийся изменением его температуры по глубине предопределяет во многом температурный режим грунта в технологическом процессе. Важнейшей характеристикой является также глубина промерзания грунта. Снег, имеющийся на поверхности грунтового карьера, играет роль естественного изолятора, снижающего глубину промерзания грунта. Термическое сопротивление снежного покрова в свою очередь определяются его толщиной и плотностью, т. е. эти величины важно знать при прогнозе глубины промерзания грунта. Наличие ветра усиливает теплообмен грунта с воздухом и увеличивает интенсивность его остывания при разработке, транспортных операциях и операциях формирования тела насыпи. Немаловажную роль при формировании температурного режима грунта играет рельеф и вид грунта.

2.1.1 Температура воздуха

Начало зимы на юге области характеризуется увеличением повторяемости циркуляционных процессов восточного типа, т. е. продвижением из полярных широт мощных антициклонов в юго-западном направлении, способствующих понижению температуры. Наиболее интенсивное её понижение отмечается в конце октября - начале ноября.

Средняя температура, которая в октябре ещё положительная, в ноябре понижается до -7...-10 ⁰С, а местами достигает -20 ⁰С. Наблюдается значительные отклонения от среднемесячных температур. Так, отдельные дни в начале ноября в степной и лесостепной зонах могут быть ещё довольно тёплыми, с максимальной температурой 10...15 ⁰С. В лесной зоне, где обычно в ноябре уже лежит снег, наблюденные дневные максимумы не превышают 2...5 ⁰С. Но иногда ноябрь бывает очень холодным, особенно вторая его половина. Были случаи, когда по всей территории абсолютный минимум понижался до -40 ⁰С.

Средние температуры декабря по всей территории в основном ниже -14 ⁰С, а абсолютные минимумы очень низки - до -45 ⁰С.

Январь и февраль - центральные месяцы зимы - значительно отличаются от предыдущих. В эти месяцы на юге области полностью устанавливается зимний циркуляционный режим и преобладает ясная антициклонная погода, такой режим погоды наиболее устойчив в юго-восточной части территории. Средняя температура января самая низкая в году и составляет -16...19 ⁰С. Февральские температуры на 1...2 ⁰С выше. Для обоих месяцев характерны низкие абсолютные минимумы до -45...50 ⁰С. Большую роль в понижении температуры до таких величин играет ночное выхолаживание при ясной погоде в устойчивых антициклонах.

Изменчивость климата юга области в зимнее время выражается в резкой смене температуры ото дня ко дню. Резкие повышения температуры бывают во все зимние месяцы, в том числе и в январе и феврале. При адвекции теплого воздуха с юга в отдельные дни могут быть повышения до 1...5 ⁰С в январе и до 2...8 ⁰С в феврале. Температура при этом, как и в декабре, может повышаться ото дня ко дню на 20 ⁰С и иногда и больше. Минимальные температуры отличаются большим постоянством. Даже в самую теплую зиму могут быть холода до -25 ⁰С, а в 90% всех лет - ниже -30 ⁰С.

Март по состоянию снежного покрова, низким температурам и их распределению является ещё зимним месяцем.

Таблица 2.1 - Средняя месячная и годовая температура воздуха

Край, область, пункт	Температура оп месяцам, 0С
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Омск Черлак	-19 -19,2	-17,6 -17,9	-10,1 -10,3	2,8 3,2	11,4 12,1	17,1 18	18,9 19,8	15,8 16,5	10,6 11,3	1,9 2,2	-8,5 -8,4	-16 -15,8

2.1.2 Снежный покров

Продолжительная и холодная зима в Западной Сибири благоприятствует накоплению снега. На севере в твердом виде выпадает 45% годового количества осадков, в центральных районах - свыше 30% и лишь на юге - около 20%.

К середине ноября в южной половине Западно-Сибирской низменности образуется устойчивый снежный покров. В отдельные годы с ранними похолоданиями снег появляется на всей территории в середине октября, т. е. на месяц раньше обычного. Однако в отдельные годы снега не бывает до конца ноября. Число дней со снежным покровом уменьшается с севера на юг от 208 до 144 (таблица 2.2).

Высота снежного покрова в степной и лесостепной зонах Западно- Сибирской низменности варьируется в небольших пределах только под влиянием местных условий (холм, грива, низина). Наибольшей высоты снежный покров достигает в лесной зоне (таблица 2.3).

Плотность снежного покрова в степных районах значительно превышает плотность его в лесной зоне.

Таблица 2.2 - Даты образования и разрушения устойчивого снежного покрова

Метео- станция	Число дней со снежным покровом	Образование устойчивого снежного покрова	Разрушение устойчивого снежного покрова
		Средняя дата	Самая ранняя	Самая поздняя	Средняя дата	Самая ранняя	Самая поздняя
Омск Черлак	157 144	10/XI 14/XI	20/X 20/X	1/XII 1/XII	10/IV 6/IV	23/III 15/III	28/IV 27/IV

Таблица 2.3 - Среднемноголетние месячные высоты снежного покрова

Пункты метеостанции	Высота по месяцам, см
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Омск Калачинск	20 24	22 27	14 20	5 10	- 1	- -	- -	- -	- -	3 4	12 11	16 18

Таблица 2.4 - Плотность снежного покрова, кг/м3

Метеостанции	месяцы
	XI	XII	I	II	III
Омск Черлак	190 220	200 220	210 260	240 280	260 300

Из таблиц 2.3 и таблицы 2.4 виден характер распределения высоты и плотности снежного покрова в зависимости от расположения станций по широте: снижение среднемесячных высот и рост плотности снежного покрова с севера на юг. То же самое можно сказать по датам образования и разрушения устойчивого снежного покрова: чем севернее пункт, тем раньше там образуется снежный покров и тем позднее он разрушается. Это касается как средних дат, так самой ранней и самой поздней даты образования и разрушения снежного покрова. Плотность снежного покрова увеличивается с севера на юг. Особенно явно эта закономерность прослеживается с середины и конца зимы.

2.1.3 Глубина промерзания

В условиях зимних морозов и продолжительного зимнего периода рельеф поверхности грунта также оказывает влияние на температуру и глубину промерзания грунта. На возвышенностях глубина промерзания грунта выше, чем в низинах. Ежегодные большие промерзания на возвышенностях объясняются тем, что здесь больше площадь теплообмена и выше вероятность сдувания снега.

Таблица 2.5 - Глубины промерзания и оттаивания

Пункты метеостанции	Глубины промерзания (числитель) и оттаивания (знаменатель) по месяцам, см
	X	XI	XII	I	II	III	IV	V	VI
Омск Калачинск	0/0 0/0	15/0 29/0	37/0 67/0	118/0 114/0	150/0 139/0	173/0 145/0	180/39 162/30	170/157 160/121	0/0 0/0

Таблица 2.6 - Даты промерзания и оттаивания

Пункты метеостанции	Даты
	Начало промерзания	Промерзание на 15 см	Начало оттаивания	Полного оттаивания
Омск Калачинск	2.XI 3.X	15.XI 3.XI	1.V 11.V	20.V 30.V

Суглинистые грунты под естественным покровом промерзают более чем на 1…1,5 м. В отдельные годы глубина промерзания минеральных грунтов южных районов Омской области достигает 1,7… 2 м. Оголенные грунты промерзают на глубину до 3 м.

2.1.4 Направление и скорость ветра

Равнинность территории юга Западной Сибири и направление барического градиента в холодное полугодие с юга и юго-востока на запад и северо-запад определяют развитие стойкого юго-западного переноса, охватывающего всю равнинную часть. Лишь в восточной части территории под влиянием гор и благодаря наличию области высокого давления над Восточной Сибирью ветры принимают на юго-востоке южное и юго-западное направление.

Повторяемость юго-западных ветров зимой в лесной и степной зонах - почти 75%, при этом южная составляющая более отчетливо выражена в степной зоне по сравнению с лесостепной и степной.

Таблица 2.7 - Скорость и повторяемость ветра

Край, область, пункт	Повторяемость направлений ветра (числитель), %, средняя скорость ветра по направлениям (знаменатель), м/с, повторяемость штилей, %
	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ	ш
	январь
Омск Черлак	4/2,8 3/3,4	6/2,8 11/4	14/4,4 12/4	10/4,4 15/4,2	20/4,7 18/4,3	27/5,1 22/5,4	12/4,5 13/4,5	7/4 6/3,5	5 4
	июль
Омск Черлак	17/3,7 16/3,8	13/3,6 15/4	10/3,7 11/3,5	6/3,5 10/3,8	9/3,5 8/3,8	11/3,5 10/3,7	13/3,6 13/3,9	21/3,9 17/4,1	7 4

Лесные районы отличаются наиболее низкими скоростями ветра. Во все сезоны года средние месячные скорости не превышают здесь 4…6 м/с. На юге лесной зоны зимой и осенью средние скорости составляют 3…5 м/с. Наибольшую повторяемость в течение года имеют скорости 4…6 м/с, чаще 3…5 м/с.

В открытых лесостепных и степных районах скорости ветра возрастают. Только летом они уменьшаются 3…4 м/с, а зимой и в переходные сезоны сохраняются на уровне 4…6 м/с.

2.2 Требования к грунтам

Для возведения насыпи в зимнее время применяют без ограничений скальные, крупнообломочные грунты и пески (непылеватые) (таблица2.8). Применение глинистых грунтов повышенной влажности и пылеватых песков следует применять только в талом виде, с обязательным уплотнением до наступления смерзания насыпного грунта.

Таблица 2.8 - Условия применения грунтов в насыпи, возводимых в зимнее время

Вид грунта	Условия применения	Допускается высота насыпи, м
Скальный и крупноблочный, крупный и средней крупности песок	Применяют без ограничений	Без ограничений
Глинистый	Допускается с влажностью не более 1,1% от оптимальной	В зависимости от климата района: суровый - 2,5; холодный - 3,0; умеренный - 4,5; теплый - не ограничивают
Мелкий и пылеватый, не водонасыщенные пески	Допускается при влажности не более 1,2-1,3 % от оптимальной	То же
Жирные глины, меловые, тальковые и трепельные грунты, а также грунты с высокой влажностью	Применять запрещается

Ввиду трудностей выдерживать это требование в течение всего зимнего периода допускается отсыпка высоких (более 1,5 м) насыпей из смеси талого и мерзлого грунтов. Насыпи высотой менее 1,5 м должны возводиться из талых грунтов при влажности, близкой к оптимальной (таблица 2.9).

Таблица 2.9 - Рекомендуемая высота насыпи при производстве работ в зимнее время

Средняя температура воздуха за период производства работ по отсыпке насыпей, град.	-5	-10	-15	-20
Рекомендуемая высота насыпи, м	не ограничена	4,5	3,5	2,5

Размер мерзлых комьев при возведении насыпей не должно превышать 30 см при уплотнении грунтов решетчатыми катками или трамбующими машинами и 15 см при уплотнении грунтов катками на пневматических шинах и вибрационными. Укладывать мерзлые комья грунта допускается на расстоянии не ближе 1 м от поверхности откосов. Общее количество мерзлого грунта не должно превышать 30% общего объема грунта, укладываемого в насыпь, при уплотнении трамбованием и 20% при уплотнении укаткой. Мерзлый грунт должен равномерно распределяться в теле насыпи.

Высоту насыпи, возводимой в зимнее время из глинистых и песчаных грунтов с включением мерзлых комьев, необходимо увеличить на 3% от толщины слоя зимней отсыпки.

2.3 Особенности технологии возведения земляного полотна в зимнее время

2.3.1 Подготовительные работы

До начала земляных работ на объектах, намеченных к строительству в зимних условиях, кроме общих подготовительных работ, должны быть проведены следующие специальные подготовительные работы:

- установлены снегонезаносимые разбивочные знаки;

- обеспечен водоотвод на участках производства работ на трассе;

- подготовлены подъездные пути средства защиты их от снежных заносов; предохранены от промерзания участки, намеченные к разработке;

- обеспечено освещение мест разработки и укладки грунта;

- подготовлены помещения для обогрева рабочих.

Резервы, предназначенные к разработке в зимних условиях, должны быть обследованы предварительно осенью. В задачу обследования входит определение плотности и влажности грунтов для решения вопроса о пригодности того или иного резерва или его участка для разработки. Пробы грунта для этих целей берут до глубины, намеченной к разработке. После наступления морозов проверяют влажность грунта в верхнем слое.

В летний период необходимо подготовить поверхность сосредоточенных резервов и грунтовых карьеров к разработке в зимний время. Подготовка заключается в устройстве подъездных дорог, расчистке поверхности, устройстве входных забоев, а также в устройстве отепляющих слоев или использовании химических реагентов для предотвращения промерзания грунта.

Основание под насыпь, сооружаемую в зимних условиях, должно быть подготовлено заранее - в летнее время. Должны быть выполнены работы по снятию плодородного слоя почвы, засыпаны ямы (с послойным уплотнением), при необходимости произведена вертикальная планировка и уплотнение основания. Перед началом работ по сооружению насыпи основание тщательно очищается от снега и льда.

2.3.2 Способы предохранения от промерзания и разработки грунтов

Производство земляных работ в зимних условиях организуют различными методами, в зависимости от поставленной задачи. Наиболее часто встречается две из них: первая - устройство выемки с транспортировкой грунта в отвал; вторая - разработка грунта в сосредоточенном резерве или выемке с укладкой в насыпь земляного полотна.

Технологически эти методы отличаются тем, что в первом случае грунт можно укладывать в отвал без уплотнения, во втором - грунт должен быть уплотнен до требуемой плотности до начала смерзания.

По характеру воздействия все основные методы подготовки и разработки грунтов в зимний период можно разделить на три группы:

- грунт с осени предохраняют от замерзания и затем разрабатывают его зимой в талом состоянии;

- мерзлый грунт оттаивают искусственными нагревателями и затем разрабатывают в талом состоянии;

- мерзлый грунт рыхлят взрывами или специальными машинами.

Выбор способа защиты грунтов от промерзания и детальную разработку его технологии производят путем технико-экономического сравнения различных вариантов, возможных в данных условиях. Решающими показателями обычно считают себестоимость работ, простоту их производства и надежность защиты грунтов от промерзания. В ряде случаев разрабатывают комплекс защитных мероприятий, в которых объединяют два или даже три способа.

Наиболее выгодно применять методы первой группы. Разработка грунтов зимой с предохранением их от промерзания в сосредоточенных резервах дешевле в несколько раз, чем любой из других методов - это единственный метод производства земляных работ, позволяющий зимой разрабатывать талый грунт в объеме, необходимом для возведения из этого грунта насыпь земляного полотна, качество которой соответствует требованиям нормативных документов.

Сущность производства земляных работ в зимних условиях с использованием различных способов предохранения грунтов от промерзания заключается в следующем:

- заранее определяют расчетом и затем в конце лета или осенью разбивают на местности площадь грунтового карьера, намеченного к разработке при отрицательной температуре;

- до наступления морозов грунты на этой площади защищают от промерзания укладкой слоя материала с низкой теплопроводностью, рыхлением (вспашкой) или обработкой солями, понижающими температуру замерзания воды;

- промерзание грунта, защищенного с поверхности одним из перечисленных способов, значительно замедляется, и он длительное время сохраняется в талом состоянии;

- зимой в процессе производства земляных работ утепляющий слой снимают на участке, достаточном по своим размерам для нормальной работы землеройных машин в течение смены, с таким расчетом, чтобы открытый грунт до его разработки не успел замерзнуть;

- разработку грунта производят обычными землеройными машинами на максимально сжатом фронте работ.

Эффективность действия утепляющих слоев зависит от их толщины и теплопроводности применяемых материалов, температуры наружного воздуха, силы ветра, времени, в течение которого необходимо защищать грунт от промерзания, выпадения жидких осадков, снижающих эффективность большинства утеплителей и т. д.

При недостаточной толщине утепляющих слоев грунт под ними может все же промерзнуть, но это промерзание наступит значительно позже, а глубина его будет меньше, чем незащищенной площади. При недостатке утепляющих материалов и наличии достаточного количества машин, пригодных для механического рыхления мерзлых грунтов, иногда допускают частичное промерзание разрабатываемых грунтов, рассчитывая заранее предельную его глубину.

Из экономических соображений для устройства утепляющих слоев применяют местные, дешевые материалы: опилки, торф, различные шлаки, солому, и т. д. Хорошим утепляющим материалом является также снег, особенно рыхлый, неуплотненный, но снег в достаточном количестве обычно выпадает уже после наступления морозов. Поэтому следует ориентироваться на использование снега только в качестве дополнительного верхнего слоя утеплителя.

После установления снежного покрова принимают меры к увеличению его толщины. Наиболее простой способ - надвинуть снег на утепляемую поверхность бульдозерами. Недостаток этого способа заключается в том, что при бульдозерной надвижке происходит уплотнение снега, что, снижает его утепляющие свойства в 1,5 - 2,0 раза и более. В связи с этим утепляющий слой из уплотненного снега должен иметь толщину намного больше, чем слой из рыхлого снега.

Лучшие результаты получаются при накоплении снега на утепляемой площади с помощью задерживающих щитов. Для этого можно использовать переносные, решетчатые щиты, применяемые для защиты дорог от снежных заносов. В целях более интенсивного задержания снега рекомендуется устраивать их с густой решеткой, у которой просветы составляют 30-50 % общей площади. Располагать снегозадерживающие щиты следует рядами, перпендикулярными направлению господствующих ветров, расстояние между щитами должно составлять 10-15-кратную высоту валика или щита. В течение зимы щиты переставляют несколько раз, регулируя этим равномерность отложения задерживаемого снега. При отсутствии щитов устраивают грунтовые валы или снежные стенки.

Можно проводить также засыпку утепляемой площади снегоочистителями-метателями с соседних участков.

Для расчета толщины утепляющих слоев существуют различные формулы, но все они являются приближенными, так как заранее учесть изменения климатических факторов на строительной площадке в течение зимы весьма трудно. В данной работе использовалась следующая приближенная формула

h_ут = (H / K_ут)з, (2.1)

где h _ут - толщина утепляющего слоя, см;

H - глубина промерзания по данным метеорологических станций;

K_ут - коэффициент теплоизоляционных свойств утепляющего материала;

з - коэффициент запаса на ухудшение свойств утеплителя, з = 1,2-1,3.

Эффективность утепления грунтов повышается при укладке утепляющих слоев заблаговременно до наступления отрицательных температур. Чем выше температура грунта в момент утепления, тем длительнее будет процесс его остывания и, следовательно, он дольше сохранится в талом состоянии.

Утепляющие слои из рыхлых материалов (например, опилок, мха, торфа, соломы) необходимо предохранять от уплотнения движением транспортных и строительных машин, так как с повышением плотности этих материалов снижаются их теплоизоляционные свойства.

Простейшим и наиболее экономичным способом предупреждения глубокого промерзания грунтов является их предварительное рыхление до наступления морозов. Рыхление следует выполнять одно- или многостойковыми рыхлителями, плугами с перекрестным движением агрегата (рисунок 2.1) на глубину 25 - 35 см. Боронование возможно выполнять фрезами или сельскохозяйственными боронами на глубину 10 - 15 см. Поры разрыхленного грунта, заполненные воздухом, уменьшают его теплопроводность.

Обязательным условием получения положительного эффекта от рыхления грунта является обеспечение естественного стока атмосферных вод с поверхности подготавливаемого участка и рыхление его непосредственно перед наступлением заморозков.

Промерзание разрыхленного грунта происходит медленнее, чем окружающего плотного грунта. Мерзлый слой разрыхленного грунта обладает малой прочностью и относительно легко поддается разработке землеройными машинами. Утепление грунтов рыхлением обычно применяют на участках, намеченных к разработке в течении первой трети (1 - 2 месяцев) зимы, а также при прогнозе, ориентирующим на теплую зиму с относительно небольшими отрицательными температурами воздуха.

Рисунок 2.1 Схема вспахивания грунта при помощи рыхлителя:

1 - трактор с рыхлителем; 2 - разрыхленный слой; 3 - конец работы; 4 - начало работы (стрелками показаны направления и последовательность прохода)

При защите грунта от промерзания вспашкой разрыхленный растительный грунт следует использовать в качестве теплоизоляционного слоя. В последующем его удаляют непосредственно перед разработкой нижележащих слоев.

В малоснежных районах и при небольших площадках утепления для защиты грунта от промерзания могут быть использованы местные теплоизолирующие материалы: опилки, стружки, торф, солома, мох и т.д. При отсутствии отепляющих материалов возможно перелопачивание грунта экскаваторами на глубину возможного промерзания, но не более 1,5 м (рисунок 2.2).

В процессе перелопачивания происходит существенное снижение плотности, влажности и коэффициента теплопроводности грунта. В результате грунт уже не смерзается в монолит и легко разрабатывается в зимний период.

Бурты грунта, предназначенные для разработки в зимний период, необходимо отсыпать высотой, превышающей глубину их сезонного промерзания. Так как бурт предназначен для разработки в зимний период, то его следует располагать в карьере перпендикулярно направлению господствующих ветров (для накопления утепляющих снежных отложений).

Рисунок 2.2. Схема предохранения грунта от промерзания методой перелопачивания:

1 - отвал грунта; А - ширина боковой проходки экскаватора; В - ширина полос перелопачивания грунта; Р - резерв

Одним из способов предохранения грунта от промерзания является обработка его химическими добавками, понижающими температуру замерзания воды. Чаще всего для этой цели применяют концентрированный раствор соли техническим хлористым натрием. Обработка грунта заключается в розливе на его поверхность раствора этой соли. Проникая в грунт, соляный раствор понижают температуру замерзания влаги, находящейся в грунте, и этим защищает его от промерзания. Слой грунта, пропитанный соляным раствором, в свою очередь, защищает от промерзания нижележащие слои. Нормы расхода соли (хлористого натрия) принимаются по таблице 2.1

Таблица 2.1 - Норма расхода соли в зависимости от глубины промерзания и влажности грунта

Влажность грунта, %	Расход соли, кг/м (л/м) при глубине промерзания, м
	1	1,2	1,4	1,6	1,8	2	2,4
15	9(30)	12(40)	15(47)	19(58)	22(70)	26(80)	28(90)
20	13(42)	19(60)	22(70)	26(85)	32(100)	33(100)	28(120)
25	16(45)	22(65)	27(80)	32(100)	36(115)	41(125)	45(130)

Методы, отнесенные ко второй группе, основаны на оттаивании мерзлого грунта. Они являются самыми дорогими и наименее производительными. Как правило, эти методы используются в коммунальном хозяйстве, при производстве работ в населенных пунктах, в непосредственной близости к трубопроводам, кабелям и другим подземным коммуникациям. В этих случаях нельзя рыхлить мерзлые грунты с помощью мощных рыхлителей или производить взрывные работы, поэтому из условия сохранения подземных и иногда наземных сооружений разработку грунта необходимо производить весьма осторожно на небольших участках с помощью одного из методов оттаивания.

Оттаивание мерзлых грунтов можно осуществлять различными методами. Основные из них:

оттаивание при нагревании грунта с поверхности горячими газами, получаемыми при сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива; оттаивание происходит сверху вниз;

оттаивание за счет передачи тепла грунту из иглообразных приборов, погруженных в мерзлый грунт и нагреваемых паром, горячей водой или электричеством; оттаивание распространяется от нагревательных приборов радиально в горизонтальном направлении сразу по всей толщине мерзлого слоя (или по большей части его толщины);

оттаивание за счет тепла, получаемого при пропуске электрического тока через влажный поверхностный слой или талый грунт, подстилающий мерзлый слой; оттаивание происходит как сверху вниз, так и снизу вверх, в зависимости от схемы установки электродов.

В дорожном строительстве эти методы не нашли широкого применения.

Методы, отнесенные к третьей группе, широко используются при производстве земляных работ в зимнее время в связи с развитием выпуска мощных машин, позволяющие рыхлить грунт на большую глубину или рыхление взрыванием верхнего мерзлого слоя.

В тех случаях, когда грунты не были своевременно защищены с поверхности утепляющими слоями, вспашкой или химической обработкой, они постепенно промерзают сверху вниз. С течением толщина мерзлого слоя увеличивается и наступает такой период, когда обычные землеройные машины разрушить его не могут без предварительного рыхления мерзлой части грунта.

При больших объемах работ на безопасном удалении от строений и сооружений (линий связи, линий электропередачи и др.) для разработки верхней смерзшейся корки грунта рационально применять взрывание: при глубине промерзания до 1,5 м шпуровой или щелевой методы с закладкой зарядов ниже подошвы мерзлого слоя на 0,2-0,5 от его толщины.

При производстве взрывных работ необходимо заранее рассчитывать величину заряда, т. е. количество взрывчатых веществ, закладываемых в одном месте. В общем случае величина заряда ВВ, предназначенного для взрыва определенного объема грунта, зависит от ряда факторов:

1) расположения заряда по отношению к дневной (открытой) поверхности грунта;

2) прочности грунта;

3) вида применяемых взрывчатых веществ и формы заряда;

4) заданного выброса (задан ли взрыв на выброс или же только на рыхление);

5) количества или взаимного расположения зарядов и т. д.

Точно учесть влияние всех этих факторов заранее весьма трудно. Поэтому предварительно рассчитывают величину заряды приближенно по упрощенной формуле, а затем уточняют ее пробными взрывами.

Существует эмпирическая формула для предварительного расчета необходимого количества взрывчатого вещества основанная на предположении, что величина заряда прямо пропорциональна объему воронки, получаемой при взрыве. В общем виде это условие может быть выражено формулой

Q = q, (2.2)

где Q - потребная величина заряда, кг;

q - коэффициент пропорциональности, равный количеству ВВ, необходимому для взрыва 1м³ грунта, кг/м³ (удельный расход ВВ);

- объем взорванного грунта в пределах воронки взрыва, м³.

Объем грунта в пределах ожидаемой воронки взрыва с достаточной для практических целей точностью можно принять равным длине линии наименьшего сопротивления в третьей степени: = W³.

Тогда

Q = qW³, (2.3)

где W - линия наименьшего сопротивления.

Величину удельного заряда различных ВВ q предварительно назначают по справочникам и затем уточняют опытным путем. Величины удельных зарядов для наиболее часто встречающихся грунтов и для наиболее распространенных ВВ приведены в таблице 2.2.

Сопротивление мерзлых грунтов взрыванию существенно изменяется в зависимости от их температуры и влажности при замерзании. Удельный расход ВВ зависит также от глубины и диаметра шпура. В большинстве случаев с уменьшением толщины мерзлого слоя и, следовательно, с уменьшением величины единичного заряда удельный расход ВВ возрастает. Поэтому данные таблицы 2.2 могут служить для предварительных ориентировочных расчетов и нуждаются в обязательном уточнении опытным путем.

Таблица 2.2 - Ориентировочный удельный расход аммонитов на рыхление мерзлых грунтов

Наименование мерзлого грунта	Количество ВВ для рыхления 1 м3 мерзлого грунта, кг
	аммонит №6	аммонит №7	аммонит №8	аммонит №9	аммонит №10
Глинистые грунты	0,54	0,60	0,72	0,60	0,56
Песчаные и растительные грунты	0,36	0,40	0,48	0,40	0,38
Грунты с включением гальки	0,45	0,50	0,60	0,50	0,47

Технологический процесс разработки мерзлого слоя грунта взрывным способом состоит из следующих операций:

1) бурения шпуров;

2) закладки в шпуры зарядов взрывчатых веществ;

3) взрывание;

4) уборки разрыхленного мерзлого грунта в отвал;

5) разработки вскрытого талого грунта землеройными машинами;

6) транспортировки грунта.

В мерзлых грунтах рекомендуется бурить шпуры при помощи самоходной машины, передвижными буровыми станками.

Для производства буровых работ забой делят на две смежные захватки, на одной из которых ведут экскавацию взорванного грунта, а другую подготавливают к взрыванию (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 Схема разбивки на захватки при рыхлении мерзлого грунта взрыванием и уборке рыхленного грунта экскаватором:

1 - первая захватка; 2 - вторая захватка (бурение, зарядка шпуров и взрывание).

Стрелкой показано направление разработки

Шпуры и скважины располагают в шахматном порядке (рисунок 2.4) на расстоянии не более удвоенной толщины мерзлого слоя. Направление бурения шпуров и скважин вертикальное. При рыхлении мерзлой корки в откосе и лобовой части забоя применяют наклонные шпуры, перпендикулярные к поверхности мерзлого слоя. Готовые шпуры и скважины закрываются деревянными пробками длиной 25 см.

Рисунок 2.4 Схема расположения шпуров (скважин при рыхлении мерзлых грунтов):

1 - мерзлый грунт; 2 - глубина шпура; 3 - высота разработки уступа; 4 - расстояние между шпурами; 5 - расстояние между рядами шпуров

Закладка зарядов в шпуры является весьма ответственной операцией. Заряжение и затем взрывание могут выполнять только подрывники, прошедшие специальную подготовку и получившие документ на право производства взрывных работ.

После заряжения шпуров следует сразу же производить их взрывание. Но перед производством взрыва проверяют, нет ли на территории взрыва людей. Строительные машины из зоны разлета грунта тоже убирают. Необходимость удаления людей и машин от места взрыва является значительным неудобством и затрудняет соблюдение непрерывности в технологической последовательности производства работ.

Следующей технологической операцией после взрывания мерзлого грунта является его уборка с места взрыва. Взорванный грунт не используют, а перемещают в отвал, так как взорванный мерзлый грунт не пригоден для использования его при отсыпке насыпи. Вскрытый талый грунт разрабатывают обычными землеройными машинами. Мерзлый грунт сдвигают в валы на краю разрабатываемой площади, а впоследствии, после окончания разработки талого грунта, сталкивают в выработанный резерв.

Такая технологическая схема позволяет использовать в зимних условиях для отсыпки насыпи талый грунт без включения мерзлых комьев. Это повышает качество насыпи, создает лучшие условия для уплотнения грунта и уменьшает возможность образования просадок насыпей после их оттаивания. Но в то же время отказ от использования мерзлого грунта значительно удорожает производство работ по устройству в зимних условиях земляного полотна.

Чтобы снизить удорожание работ и использовать для отсыпки насыпи весь объем разрабатываемого грунта, допускают смешение талого и мерзлого грунтов. При этом мерзлые комья должны быть равномерно распределены в талом грунте, а их содержание (в зависимости от применяемых средств уплотнения) не должно превышать 15 - 30 %. Заданного соотношения талого и мерзлых грунтов и их перемешивания достигают экскаваторной разработкой глубоких забоев. Отношение толщины мерзлого слоя к общей глубине забоя не должно превышать допустимой доли содержания в разрабатываемом грунте мерзлых комьев.

В ряде случаев дробить мерзлый грунт взрывами нельзя по условиям техники безопасности: вблизи линий связи, железных дорог, линий электропередач и т. д. При небольшой толщине мерзлого слоя обычно применяют механическое рыхление мерзлых грунтов машинами. Рабочие органы машин разрушают монолитные слои мерзлых грунтов ударами, резанием или сколом.

Для рыхления мерзлых грунтов используются машины, имеющие специальное оборудование. Таким оборудованием являются тяжелые металлические отливки шаровой или клинообразной формы, мощные прицепные или навесные рыхлители. С их помощью можно разрыхлять слои мерзлого грунта толщиной 0,8 - 1,4 м, а иногда и более.

Это оборудование обычно монтируется на тракторах или экскаваторах и используется только для рыхления мерзлых грунтов.

Наиболее простым видом оборудования для рыхления мерзлых грунтов ударной нагрузкой является чугунные или стальные шары-молоты весом 1,5 - 4 т, которые подвешивают на канате к стреле крана или экскаватора и затем сбрасывают на разрыхляемый грунт с высоты 3 - 5 м и более.

Более совершенным подвесным ударным оборудованием являются различные клин-молот, представляющие собой массивные металлические отливки, имеющие в нижней части острый угол. Их сбрасывают так, чтобы они при падении откалывали куски мерзлого грунта. Клин-молот весом 3 - 4 т, сбрасываемый с высоты 8 - 10 м, можно дробить слои мерзлого грунта толщиной 0,8 - 1,4 м.

Недостатком применения свободно падающих отливок любой формы, закрепленных на тросе, является повышенный износ троса и самого экскаватора, а также низкая точность ударов. Максимальная эффективность разработки мерзлых грунтов достигается при неоднократных ударах по одному месту. Между тем клин-молот нередко не только не попадают в одну и ту же точку, но и опрокидываются в воздухе и падают на грунт боком, не раскалывая мерзлый слой.

Свободно падающие шаровые и клиновидные молоты применяют при небольших объемах работ и отсутствии другого оборудования.

Значительно чаще применяют в настоящее время при разработке резервов и карьеров в зимних условиях различного рода прицепные и навесные рыхлители, производящие послойное рыхление мерзлых грунтов. Одностоечные рыхлители на тягачах мощностью 300 л. с. и более за несколько проходов рыхлят слои мерзлого грунта толщиной до 1,0 м.

Недостатком работы мощных одностоечных рыхлителей является разделение грунта на крупные глыбы, требующие дополнительного дробления.

Во всех случаях разработки мерзлых грунтов необходимо учитывать дальнейшее использование его после рыхления. Так при укладке грунта в насыпь размеры получаемых при отколе кусков не должны превышать размеров, допускаемых техническими указаниями из условий уплотнения отсыпаемых слоев (15 - 30 см).

Выбор машин и оборудования для рыхления мерзлых грунтов определяется в основном глубиной промерзания, прочностью мерзлого слоя и стоимостью производства работ.

2.4 Возведение насыпи в зимних условиях

Требования по технологии работ (послойная укладка и уплотнение) в зимних условиях сохраняются те же, что и для работ, производимых летом. Насыпи следует отсыпать из талых грунтов с влажностью, близкой к оптимальной.

Технологическая схема производства работ по устройству насыпей автомобильных дорог в зимних условиях состоит из следующих операций:

подготовка основания насыпи;

подготовка грунта в резерве к разработке;

рыхление грунта в резерве;

погрузка грунта в транспортные средства, перевозка и разгрузка его на месте укладки в насыпь;

разравнивание;

уплотнение.

Под подготовкой основания насыпи понимают:

расчистку полосы местности, предназначенной для возведения насыпи, от камней, пней, кустарников и других предметов, препятствующих производству земляных работ;

снятие растительного слоя, если эти работы предусмотрены проектом;

устройство постоянных и временных водоотводных устройств, обеспечивающих направленный сток дождевых, грунтовых и талых снеговых вод и защищающих грунты насыпи от избыточного увлажнения.

Все перечисленные подготовительные работы необходимо выполнять заблаговременно до наступления периода осенних дождей и, во всяком случае, до наступления морозов.

Следующую технологическую операцию - подготовку грунта в резерве к разработке осуществляют одним из вышеописанных способов предохранения от промерзания. В отдельных случаях, обычно при разработке глубоких карьеров начале зимы, допускают промерзание грунта на небольшую глубину и в последующем рыхлят в мерзлом состоянии. Конкретный способ производства работ выбирают на основании технико-экономического сравнения различных вариантов с учетом всех местных особенностей данного строительства.

Работы по подготовке основания насыпи и грунтов резерва в большинстве случаев не связаны во времени с последующими технологическими операциями. Между этими операциями и последующими могут быть различные по длительности технологические разрывы, определяемые в основном календарными планами работ. Текущей подготовительной работой является также очистка резервов и основания насыпи от снега. Эту работу выполняют в течение всего зимнего периода непосредственно перед рыхлением грунта в резерве и отсыпкой каждого слоя насыпи на площади, достаточной для производства работ в течении смены.

Рыхление грунта в резерве выполняют в зависимости от метода проведения подготовительных работ как в мерзлых, так и в талых грунтах. Технология рыхления талого грунта в зимних условиях отличается от технологии летних работ в основном необходимостью соблюдать быстрый темп работ, чтобы не произошло промерзания талого грунта с поверхности. В подавляющем большинстве случаев операция рыхления талых грунтов совмещается с погрузкой их в транспортные средства (например, экскаватором). При использовании бульдозеров операции рыхления, погрузки, транспортировки и разгрузки сливаются в единый неразрывный процесс.

Разработку талых грунтов в зимних условиях необходимо производить с учетом непрерывного воздействия на них холодного окружающего воздуха. Основная особенность технологии земляных работ в зимних условиях заключается в том, что талые грунты после снятие утепляющего слоя нельзя подвергать длительному охлаждению.