Технология подготовки грунтов к разработке в зимний период

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИЯ  ПОДГОТОВКИ  ГРУНТОВ 
К  РАЗРАБОТКЕ  
В  ЗИМНИЙ  ПЕРИОД 
 
 
 
Рекомендовано 
Сибирским 
региональным 
учебнометодическим центром высшего профессионального 
образования для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по 
специальности 
190206.65 
«Подъемно-транспортные, 
строительно-дорожные машины и оборудование» направления 
подготовки 
магистров 
по 
программе  
150400.68.14 «Строительные и дорожные машины»,  
 
9 февраля 2012 г. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2013 

УДК 622.23(07) 
ББК 33.3.011я73 
Т384 
 
Рецензенты: 
В. Г. Жубрин, кандидат технических наук,  
директор ООО СКТБ «НИИстройдормаш»; 
С. М. Кузнецов, кандидат технических наук, доцент кафедры  
«Технология, организация и экономика строительства»  
Сибирского государственного университета путей сообщения 
 
 
 
Т384  
Технология подготовки грунтов к разработке в зимний период : учеб. пособие / С. И. Васильев, В. Н. Анфёров, 
В. М. Мелкозёров, А. С. Ортман. – Красноярск : Сиб. федер. 
ун-т, 2013. – 136 с. 
ISBN 978-5-7638-2542-8 
 
 
 
 
Приведены сведения о физико-механических свойствах сезонномерзлых грунтов, температурных режимах промерзания, а также новых 
карбонатных поропластах и изменении температуры утепленных грунтов 
в зимний период. 
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 
190206.65 «Подъемно-транспортные, строительно-дорожные машины и 
оборудование» направления подготовки магистров по программе 
150400.68.14 «Строительные и дорожные машины». 
 
 
УДК 622.23(07) 
ББК 33.3.011я73 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-2542-8 
© Сибирский федеральный университет, 2013 

ВВЕДЕНИЕ 

Основная часть углеводородных ресурсов страны сосредоточена в Сибири и на Дальнем Востоке. Особенностью пространственно-климатического положения территории Восточной Сибири 
является наличие пересеченной местности, а также значительный 
период воздействия низких температур в течение года, это предъявляет специальные требования к землеройно-транспортным машинам, разрабатывающим грунт на стадии освоения нефтегазовых 
месторождений. 
Открытие и освоение месторождений полезных ископаемых на 
территории Восточно-Сибирского региона связано с выполнением 
большого объема строительных работ, которые в основном ведутся 
в зонах расположения сезонно-мерзлых и вечномерзлых грунтов. Одной из наиболее острых и актуальных проблем в области экономики 
России является проблема энергосбережения при проведении рекультивации нарушенных земель. Как правило, эти мероприятия проводятся в весьма сжатые сроки. Физико-механические характеристики 
утепленного грунта близки к летним характеристикам, а производительность землеройных машин близка к уровню производительности 
при летних условиях разработки грунта.  
В соответствии с Земельным кодексом Российской Федерации 
предприятия, учреждения и организации при разработке полезных 
ископаемых, проведении геологоразведочных, строительных и других 
работ обязаны после их окончания привести нарушенные земли и занимаемые земельные участки в состояние, пригодное для дальнейшего использования по назначению. Настоящая работа выполнена в соответствии с требованиями следующих документов: 
Приказ Минприроды Российской Федерации и Роскомзема от 22 
дек. 1995 г. № 525/67 «Об утверждении основных положений о рекультивации земель, снятии, сохранении и рациональном использовании плодородного слоя почвы»; ГОСТ 17.5.3.04-83 «Охрана природы. 
Общие требования к рекультивации земель»; ГОСТ 17.5.1.02-85 «Охрана природы. Земли. Классификация нарушенных земель для рекультивации»; ГОСТ 17.4.3.02-85 «Требования к охране плодородного слоя почвы при производстве земляных работ»; РД 51-1-96 «Инструкция по охране окружающей среды при строительстве скважин на 
суше на месторождениях углеводородов поликомпонентного состава, 
в том числе сероводородсодержащих». 

Эффективная эксплуатация землеройных машин в условиях 
Восточной Сибири невозможна без детального изучения физикомеханических свойств сезонно-мерзлых однородных грунтов и 
грунтов с каменистыми включениями с учетом зоны распространения сезонного промерзания и температурных профилей промерзания грунтов. 
В большой степени это объясняется своеобразием грунтовых условий, сложными пространственно-климатическими условиями, характеризующимися широким распространением мерзлых грунтов 
и грунтов с каменистыми включениями, недостаточной изученностью 
характеристик грунта, процесса резания, а также параметров, влияющих на производительность.  
Несмотря на то, что в настоящее время создано довольно большое количество типов машин и разнообразие методов, средств механизации и технологий разработки мерзлых грунтов, лишь отдельные 
из них удовлетворительно работают в районах с холодным климатом. 
Существующий парк машин отечественного производства и активно 
внедряемый парк землеройных машин импортного производства не 
в полной мере удовлетворяют современным техническим и экономическим требованиям строительного производства. Значительный объем земляных работ выполняется с использованием траншейных экскаваторов. 

1.  МЕРЗЛЫЕ  ГРУНТЫ  
ВОСТОЧНОЙ  СИБИРИ 

1.1. Вероятностные физико-механические  
характеристики  

Характерной 
особенностью 
земляных 
работ, 
производимых 
в зимнее время, является значительное их усложнение, связанное 
с промерзанием грунта. Вследствие этого широко применяемые ныне 
землеройные машины не в состоянии разработать грунт зимой без предварительной подготовки, если толщина слоя мерзлого грунта превышает 
определенную величину. Последняя зависит от типа, влажности, плотности и температуры грунта, а также от вида и мощности землеройного 
оборудования. Экскаватор – прямая лопата, с емкостью ковша 0,5–0,8 м3 
может разработать слой мерзлого грунта до 0,25 м; с емкостью ковша  
1 м3 – 0,4 м [2], а с емкостью ковша 3–4 м3 - до 0,5–0,6 м; драглайн с ковшом такой же емкости – до 0,10 м [1]. При разработке грунта скреперами 
толщина мерзлого слоя не должна превышать 0,05 м, бульдозерами – 
0,15 м [4]. В естественных условиях с наступлением устойчивых морозов 
глубина промерзания превышает указанные выше величины.  
Суровые климатические условия Сибири (продолжительная зима, 
низкая температура воздуха зимой, малая высота снежного покрова) 
приводят к тому, что грунт находится в мерзлом состоянии в течение 
6 и более месяцев в году и промерзает на большую глубину (до 2–3 м 
и более). Высокая механическая прочность мерзлых грунтов по сравнению с талыми приводит к значительному снижению производительности землеройных машин и увеличению стоимости разработки 
грунтов. Климат северной части Восточной Сибири резко континентальный, переходный к климату субарктической зоны, с продолжительной зимой и коротким жарким летом. Наиболее холодный месяц 
– январь, средняя температура –30,4 °С. Наиболее теплый месяц – 
июль со средней температурой +16,7 °С. Среднегодовая температура 
–4,0 °С. Резкая континентальность климата подчеркивается значительными суточными амплитудами колебания температур, достигающими летом 15 °С. Снег выпадает в конце сентября и сохраняется 
до конца мая – начала июня. Среднегодовое количество осадков  
518 мм. Ледостав на реках начинается в конце сентября – начале октября, вскрытие – в конце мая. 

В Восточной Сибири отмечается хорошее развитие гидрографической сети. Скорость течения рек в нижнем течении составляет  
0,5–1,5 м/с. Долины почти всех основных рек имеют сравнительно 
крутые склоны, плавно сочленяющиеся с плоскими слабо заболоченными днищами, в пределах которых фиксируется значительное меандрирование русла рек, террасы, за исключением пойменных, отсутствуют. 
Выделяются следующие особенности почвенного покрова северной части Восточной Сибири:  
1. Малая мощность профиля, не превышающая 60–100 см, что 
связано с влиянием многолетней мерзлоты, подавляющей биологическую деятельность, и длительным периодом замерзания этих почв. 
2. Процессы оподзоливания не выражены ввиду отсутствия 
сквозного промывания почв с выносом продуктов разрушения за 
пределы профиля. Это обусловлено краткостью теплого периода, 
малым количеством осадков, а также экранирующей ролью вечной 
мерзлоты.  
3. Биологический круговорот замедлен из-за климатических условий.  
4. В состав гумуса входит повышенное количество фульвокислот. 
Основные 
типы 
почв: 
подзолистые; 
подбуры; 
дерновоподзолистые; болотно-подзолистые; палевые. 
Сезонно-мерзлые грунты отличаются физико-механическими характеристиками от грунтов талых и вечномерзлых. 
Глубина сезоннооттаивающего слоя неодинакова в грунтах различного состава и влажности. Наибольшим эффектом протаивания 
характеризуются скальные щебенистые грунты, наименьшим – глинистые. Температура на поверхности грунта отличается от температуры наружного воздуха, так как летом солнечная энергия повышает 
температуру поверхности, а зимой снежный покров защищает ее от 
охлаждения. 
Производительность землеройных машин в значительной степени зависит от прочности, глубины промерзания, гранулометрического 
состава и других характеристик мерзлых грунтов. 
Распределение температуры грунтов по глубине залегания 
в зимний период для различных зон страны неодинаковое. Согласно 
рекомендациям [5] вся территория Российской Федерации может 
быть разделена на 7 зон, которые определяют с помощью показателя 
Ап, учитывающего характеристики промерзания грунтов в различных 
районах страны: 

п
п
1
(
),
n

i
i
i

А
H
t
=
= ∑
  
(1) 

где Нпi – глубина промерзания грунта в каждом зимнем месяце; ti – 
среднее абсолютное значение температуры за каждый зимний месяц; 
n – количество месяцев, в течение которых грунт имеет отрицательную температуру. 
Распределение температур для указанных зон [5] приведено на 
рис. 1. Время существования мерзлых грунтов (в месяцах) по районам 
страны показано в табл. 1. Влажность грунтов (табл. 2) в зависимости 
от гранулометрического состава и района страны изменяется в значительных пределах. 
Согласно СНиП II–Д.5–72 вся территория Российской Федерации 
разделена на 4 зоны:  
I – вечно- и многолетнемерзлые грунты; 
II, III и IV – сезонно-мерзлые грунты; 
I1 – район высокой влажности;  
I2 – район умеренной влажности;  
I3 – район малой влажности; 
I4 – район островной вечной мерзлоты. 

 
Рис. 1. Изменение средней температуры грунта в зимний период  
в зависимости от глубины 

Характерные значения влажности грунтов для указанных зон отражены в [5], в [6] приведено деление зоны I еще на 4 района: 
I1 – высокая влажность сезонно оттаивающего слоя (влажность 
грунтов выше влажности границы текучести);  
I2 – умеренная влажность [ω = (0,8–1,0)ωт]; 

I3 – малая влажность сезонно оттаивающего слоя (ω < 0,8ωт);  
I4 – островная вечная мерзлота [ω = (0,7–1,0)ωт]. 

Таблица 1 
Время существования мерзлых грунтов по районам страны, мес.  

Индекс района 
Показатель 
промерзания 
грунта Ап 

Глубина залегания Н, м 

1,0 
1,5 
2,0 
2,5 
4,0 

II 
70–110 
10 
11 
12 

III 
50–70 
9 
10 
11 
12 

IV 
30–50 
7 
8 
11 

I1 
20–30 
6 
7 
– 
8 
– 

I2 
10–20 
– 
5–6 
– 
– 

I3 
5–10 
– 
– 
4–5 
– 
– 

I4 
2–5 
– 
– 
– 
– 
– 

Прочность мерзлых грунтов по рекомендациям [7] оценивают 
числом ударов С динамического плотномера ДорНИИ (табл. 3). Число ударов плотномера ДорНИИ является обобщающим показателем 
прочности мерзлых грунтов, но для комплексной оценки мерзлых 
грунтов как однородных по своему составу, так и содержащих включения, влажность грунта, его гранулометрический состав и температура имеют определяющее значение. 

Таблица 2 
Распределение влажности в зависимости от зоны залегания грунта 

Наименование 
грунта 

Влажность W, % 

Зона 

I 
II 
III 
IV 
Районы первой зоны 

I1 
I2 
I3 
I4 

Глина 
45–55 
37–45 
32–37 
25–30 
28–35 
22–26 
18–22

Суглинок 
30–45 
25–37 
20–32 
18–25 
18–28 
13–22 
12–18

Супесь 
20–30 
16–25 
13–20 
12–18 
12–18 
8–13 
7–12 

Песок мелкий 
18–25 
18–25 
18–25 
8–15 
6–9 
5–8 
4–7 

Песок крупный 
12–20 
12–20 
12–20 
6–10 
4–8 
3–6 
2–5 

В табл. 4 приведено распределение температур грунта и его прочности по глубине для Восточной Сибири. Исследуемый регион включает природные зоны Красноярского края, БАМа, Республики Саха, Рес

публики Бурятия и Иркутской области. В табл. 6–9 показано наиболее 
вероятное распределение значений месячных температур разрабатываемых мерзлых грунтов для указанных областей региона с учетом распределения перспективных объемов работ и среднемесячных температур. Анализ приведенных значений показывает, что наиболее неблагоприятные условия по температурным режимам имеют место при разработке грунтов в зоне БАМа и на севере Красноярского края.  

Таблица 3 
Шкала сопротивляемости однородных мерзлых грунтов  
по числу ударов С 

Грунт 
Влажность 
W, % 

Температура, °С 

–1 
–3 
–5 
–10 
–15 
–25 
–40 

Супесь 

12,0 
40–50 
55–65 
90–95 
140–155 170–185 230–240 310–330

15,0 
65–75 105–120 150–170 200–230 270–290 330–360 420–435

19,0 
75–85 140–160 200–230 270–300 340–360 450–480 500–530

28,0 
65–75 120–130 165–190 215–230 280–300 400–420 460–480

Суглинок 

10,0 
28–33 
34–37 
36–40 
40–43 
43–50 
50–56 
70–80 

20,0 
60–70 110–120 150–185 215–235 240–260 375–385 450–470

25,0 
70–80 150–160 195–220 250–280 320–340 425–460 480–520

30,0 
65–75 100–110 140–150 210–230 250–270 350–370 420–440

59,0 
40–45 
50–60 
75–80 
110–125 165–175 220–240 285–315

Глина 

17,0 
36–40 
70–80 
100–110 160–165 180–200 250–270 290–315

24,0 
55–60 
90–100 125–135 190–210 200–235 270–285 340–380

31,0 
65–70 
12–130 140–160 230–250 290–310 290–320 380–420

49,0 
40–45 
65–70 
90–100 135–145 180–190 235–245 280–310

Песок 

6,0 
12–14 
15–18 
20–22 
25–27 
28–30 
32–35 
40–45 

8,0 
25–30 
35–38 
40–45 
50–53 
55–58 
60–65 
68–70 

11,0 
50–55 
65–70 
85–90 
95–100 110–115 120–130 140–150

18,0 150-160 200–210 220–230 240–250 260–280 285–300 325–340

Для оценки грунтовых условий по температурным режимам 
грунтов использованы расчетные распределения, объединяющие периоды года по признаку близости глубины промерзания [8]. Подобное 
обобщение позволило выделить 5 расчетных случаев (табл. 10). Объединение нескольких месячных распределений температур в 1 расчетный случай требует учета объемов работ, планируемых к выполнению за каждый из этих месяцев, а не просто усреднения, приводящего порою к значительным неточностям.