Магистерская диссертация Суслов А.В. ИВ2 ДВГУПС 2017 (1189802), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

Рисунок 15 – Ремонт земляного полотна (засыпка образовавшейся в следствие

эрозии канавы) на промысловой дороге в районе газового месторождения

«Заполярное»

Следует отметить, что рекультивация земель по окончании строительства приобретает в зоне вечной мерзлоты особое значение. Если на территории средней полосы после уничтожения растительного покрова через некоторое время (2-5 лет) происходит его естественное восстановление, то в зоне вечной мерзлоты, в особенности в районах Крайнего Севера, вследствие короткого вегетационного периода для самопроизвольного восстановления растительности требуются десятки лет. Достаточно часто происходит размыв и унос частиц грунта совместно с не успевшими укоренится растениями. То, что разрушение растительного покрова в зоне вечной мерзлоты вызывает термокарст и эрозию, хорошо известный факт: так, в XVII веке русские поселенцы в Якутии уничтожали леса и устраивали пашни, на месте же пашен вследствие деградации мерзлоты и вытаивания льда постепенно образовывались понижения рельефа, заполненные водой. Однако это обстоятельство достаточно часто не принимается во внимание, и вдоль насыпей а также на других участках с разрушенным в процессе строительства растительным покровом возникают термокарстовые новообразования, создающие опасность нарушения устойчивости расположенных рядом сооружений.

Накопленный опыт строительства в зоне вечной мерзлоты показывает, что оттаивание многолетнемерзлых грунтов в основаниях насыпей происходит в течение ряда лет, при этом в первые два – три года после отсыпки насыпи глубина оттаивания может составить 10-15% от конечной, которая достигается через 20 – 30 лет. Следовательно, при строительстве дорог с коротким сроком службы следует ориентироваться не на максимально возможное (потенциальное) протаивание основания, а на соответствующее сроку эксплуатации. Так, срок службы временных дорог составляет 3 года, дорог низких категорий – 8 лет.

Очевидно, что расчетные методы, разработанные более 40 лет назад (в ВСН 84-89 они были введены из Инструкции ВСН 84-75 [5]), морально устарели. Поскольку в настоящее время существует возможность компьютерного моделирования процессов теплопередачи, позволяющая прогнозировать температурный режим с учетом воздействия ряда погодно-климатических факторов, целесообразно изменить общий порядок проектирования земляного полотна в зоне вечной мерзлоты. Как известно, во многих регионах зоны вечной мерзлоты широко распространены пылеватые а также засоленые грунты, мало пригодные для сооружения насыпи. Поэтому, учитывая наличие широкого разнообразия геосинтетических материалов, проектировать земляное полотно следует, если позволяет рельеф, в низких насыпях (т.е. по условию снегонезаносимости), применяя геосинтетики для обеспечения его устойчивости.

Исходя из этого проектирование автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты на участках с наличием просадочных при оттаивании грунтов предлагается осуществлять следующим образом:

– выполнение теплофизического расчета, и на его основании оценка размеров талой зоны под насыпью в двухмерной постановке на конец срока службы сооружения, с учетом теплового влияния зоны с нарушенным мохорастительным покровом, примыкающей к насыпи;

– оценка устойчивости оттаявшего основания на сдвиг и прогноз его осадки.

Если сдвигоустойчивость не обеспечена, и/или осадка оттаявшего грунта превышает допустимую, назначение мероприятий (несколько вариантов), направленных на повышение устойчивости сооружения:

– уменьшение талой зоны путем применения теплоизоляторов;

– применение армирующих материалов для повышения несущей способности оттаявшего грунта;

– комплексный метод, сочетающий теплоизоляцию и армирование;

– сравнение вариантов по трудозатратам и себестоимости.

Например, для низкой насыпи в качестве первого варианта на основе теплофизических расчетов назначают требуемую толщину теплоизолятора и его оптимальное размещение в конструкции. Если грунты основания относятся к малопросадочным (относительная осадка 0,01 - 0,1), то возможно допустить протаивание основания на некоторую глубину, исходя из допустимой осадки основания, теплоизолирующий слой следует устраивать только под откосами (рисунок 16,а). Если грунты основания относятся к чрезмерно просадочным (относительная осадка 0,6 – 1,0 [1]), то следует уменьшить талую зону до минимально возможных размеров, для обоих случаев схемы приведены на рисунке 16.

а)

б)

Рисунок 16 – Применение теплоизолирующего материала для уменьшения глубины оттаивания основания: а) основание сложено малопросадочным при оттаивании грунтом; б) основание сложено сильнопросадочным при оттаивании грунтом

На рисунке цифрами обозначено: 1 – поверхность тундры до сооружения насыпи; 2 – берма (растительный грунт или торф, закрепленный геоситетическим материалом); 3 – теплоизолятор; 4 –насыпь; 5 – ВГВМ до сооружения насыпи; 6 – то же, после сооружения насыпи.

Существенную роль в назначении толщины теплоизолирующего слоя также играет тип дорожной одежда и грунт насыпи (степень его уплотнения), поскольку допустимая суммарная осадка нестабильных слоев насыпи и основания зависит от типа покрытия. Так, при сборном покрытии, устраиваемом в одну стадию, и при нестабильной насыпи, отсыпанной из мерзлокомковатого грунта, суммарная осадка грунтов земляного полотна не должна быть более 2 см. Если в качестве покрытия применена объемная георешетка с заполнителем (покрытие переходного типа), то допустимая осадка основания не должна быть более 8 см [2]. Если же насыпь отсыпана из талого грунта и уплотнена до требуемой плотности, то допускается осадка основания 20 см.

Для предотвращения размывов вдоль насыпи предлагается закрепление растительного грунта при помощи геосинтетического материала в виде бермы и посев трав. Если вместо растительного грунта использовать неуплотненный торф толщиной не менее 0,3 м, то он может служить теплоизолятором, тогда берма будет выполнять две функции: теплоизоляция и закрепление грунта.

В качестве второго варианта можно предложить конструктивное решение с применением армирующего материала* (объемной георешетки**, либо грунтового модуля, либо геоматрицы), позволяющего перераспределить нагрузку от насыпи на слабый грунт основания (рис. 4a). Параметры армирующего материала (размеры ячеек, прочность ленты) назначают по расчету исходя из действующей нагрузки. Георешетки и грунтовые модули как правило применяют совместно с подстилающим слоем нетканого геотекстиля. Армирование не исключает осадку полностью, однако уменьшает ее величину а также снижает ее неравномерность. Уменьшить величину осадки можно путем уменьшения глубины оттаивания. Для этого ячейки армирующего материала вне насыпи следует заполнить торфом, рисунок 17.

а)

б)

Рисунок 17 – Применение армирующего материала для обеспечения устойчивости оттаявшего основания насыпи: а) ячейки армирующего геосинтетического материала заполнены минеральным материалом (песком, щебнем); б) ячейки армирующего геосинтетического материала вне насыпи заполнены торфом или каким либо другим теплоизолятором

На рисунке цифрами обозначено: 1 – поверхность тундры до сооружения насыпи; 2 – армирующий материал с заполнителем; 3- тело насыпи; 4 – ВГВМ до сооружения насыпи; 5 – то же, после сооружения насыпи; 6 – защитный слой над армирующим материалом.

Необходимую для уменьшения оттаивания толщину слоя торфа назначают на основе теплофизических расчетов. Следует отметить, что теплоизолятор в данном случае не исключает оттаивание основания, а только уменьшает его величину.

Необходимо учитывать, что применение практически любого конструктивного решения следует выполнять только в соответствующих ему условиях. Например, если водоотвод не обеспечен и имеет место обводнение насыпи, то теплоизолирующие слои из пенополистирольных плит практически не дают эффекта, а армирование в этом случае должно выполняться с учетом пониженной прочности грунтов в водонасыщенном состоянии.

Общие выводы

У высоких насыпей, запроектированных исходя из условия недопущения оттаивания основания, устойчивость откосов не всегда обеспечена.

При строительстве дорог на льдистых, просадочных при оттаивании грунтах в условиях дефицита грунтов, пригодных для сооружения насыпи, целесообразно снижать по возможности высоту насыпи, применяя для обеспечения устойчивости геосинтетические материалы: теплоизолирующие и/или армирующие.

В связи с наличием возможности прогнозирования тепловых процессов путем компьютерного моделирования следует изменить порядок проектирования насыпей, начиная с мерзлотного прогноза.

В связи с разнообразием природно-климатических и грунтово-гидрологических условий в зоне вечной мерзлоты, не может быть универсальных конструктивных решений. При применении каждого из них необходимо оценить воздействие факторов, влияющих на условия эксплуатации сооружения.

1. Проблема строительства на вечной мерзлоте в наше время

Новейший этап строительства и новая, колоссальная по масштабам и средствам попытка решить указанную проблему – сооружение в 2000–2006 гг. Цинхай-Тибетской железной дороги в Китае, на участке Голмуд–Лхаса, где вечномерзлые грунты распространены почти на половине из 1142-километровой трассы. Затем, в 2010-2014 гг., эта дорога была продлена на 251 км из Лхасы до Шигадзе – второго по величине города на Тибете.

За более чем вековую историю железнодорожного освоения криолитозоны никому и нигде не удалось построить железнодорожный путь, который бы не испытывал деформаций вследствие осадок при оттаивании льдистых грунтов или пучения при промерзании влажных дисперсных грунтов основания. Эти проблемы характерны для всех железных дорог независимо от срока их эксплуатации: для Забайкальской ж.д., находящейся в эксплуатации более ста лет, БАМ и АЯМ – десятки лет, подъездных путей Чара-Чина и Улак-Эльга – несколько лет и недавно построенной Цинхай-Тибетской ж.д.

Так, на Забайкальской ж.д. известен «золотой» километр – участок км 6277 – км 6278 , где систематические деформации земляного полотна и рельсошпальной решетки отмечаются с 1949 г., а постоянное ограничение скорости движения поездов до 40, иногда 15 км/час введено с 1969 г. и где ежегодно по несколько раз приходится выправлять и поднимать путь на балласт.

Местами балласт уже провалился на 5-7 м, однако осадки пути не прекращаются. По нашей оценке, они могут продолжаться еще 100-150 лет, поскольку в основании пути местами залегают льдистые многолетнемерзлые породы мощностью 25-30 м.

Еще в 1926 г. основатель мерзлотоведения Михаил Иванович Сумгин [7] писал, что только перманентный ремонт деформирующихся зданий и сооружений на Забайкальской и Амурской железных дорогах уже обошелся государству в 50 млн золотых рублей, не считая убытков от нарушения правильности движения по этим дорогам. С тех пор, как видим, мало что изменилось на Забайкальской ж.д., да и на вновь построенных дорогах те же проблемы.

Так на Восточно-Сибирской ж.д. в районе разъезда Казанкан, 1374-й км БАМ, более 35 лет деформируется железнодорожный путь.

Рисунок 18 – Деформация путей

Характеристики

Список файлов ВКР