Admin

Земляное полотно на вечномерзлых грунтах

А.В. ПЕТРЯЕВ, В.В. ПУПАТЕНКО, кандидаты техн. анук, В.В. ГАНЧИЦ, инженер

В настоящее время в связи с интенсификацией экономического развития предусмотрено увеличение объемов реконструкции железнодорожных линий в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. Затраты на реконструкцию и капитальный ремонт во многом зависят от всесторонней оценки эффективности применяющихся конструкций земляного полотна.

Головной участок линии Обская—Бованенково был построен в конце 1980-х — начале 1990-х гг., и деформации земляного полотна здесь стали проявляться в первые годы после сооружения. Это обусловлено тем, что основные изменения в положении кровли вечномерзлых грунтов происходят в течение двух-трех лет после окончания строительства, тогда же начинается и процесс деформирования земляного полотна.

По завершении сооружения железнодорожной линии в основаниях насыпей и на прилегающей территории изменяется положение верхней кровли вечномерзлых грунтов. В результате происходит или ее поднятие в тело насыпи, или опускание, которое при обводнении или образовании снежных заносов вызывает возникновение таликовых зон. Изменяется температурный режим оснований, и грунты переходят в пластично-мерзлое состояние, сопровождающееся осадками основания. Подобные процессы длятся десятилетиями, и все это время могут проявляться деформации земляного полотна, если не предусмотрены меры по стабилизации температурного режима основания.

Как показывают наблюдения, основными природными факторами, влияющими на формирование температурного режима в теле и основании насыпей на п-ове Ямал, являются обводненность прилегающей территории и характер снежных отложений по контуру насыпи и у подошвы откосов.

На значительном протяжении уже построенного участка гидрологические условия крайне неблагоприятны с точки зрения обеспечения устойчивости земляного полотна. У подошвы откосов насыпей наблюдается скопление поверхностных вод, образуются многочисленные лужи и озера термокарстового происхождения. Это связано с тем, что земляное полотно создает препятствие для естественного стока атмосферных осадков и талых вод, в то время как условий для дренирования вдоль дороги обычно недостаточно из-за незначительных продольных уклонов местности.

Согласно действующему Технологическому регламенту диагностики и режимных наблюдений объектов земляного полотна для постоянной эксплуатации определены порядок и методики мониторинга насыпей на многолетнемерзлых основаниях. В соответствии с этим документом на этапе детальной диагностики насыпей на мерзлоте предусмотрен комплекс буровых работ, применение геофизических методов и полевых или лабораторных испытаний грунтов. Конкретные методы и их сочетание выбирают, исходя из условий обследуемого участка.
Для установления верхней границы многолетнемерзлых грунтов в земляном полотне и на прилегающей территории широко применяют сейсморазведку с помощью преломленных волн, динамическое и электродинамическое зондирование, георадиолока-ционную и тепловизионную съемку, электро- и ра-диоволновое профилирование, ядерно-магнитный резонанс и др.

Опыт диагностики объектов в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов показал эффективность применения и достоверность геофизических методов, которые являются косвенными, т.е. основанными на изучении закономерностей изменения физических полей, характер и параметры которых зависят от физико-механических свойств грунтов, слагающих земляное полотно и основание. При этом выявляются, прежде всего, аномалии в физических полях, обусловленные неоднородностью геологического строения.

Физическое поле может быть как искусственно созданным (сейсмический метод, электроразведка, георадиолокация), так и природным (вибрационный метод). Математическая обработка физических полей позволяет получить характеристики грунтов земляного полотна и его основания.

Источником наиболее точной информации являются температурные наблюдения. Однако устройство термоскважин на отдельных объектах обходится достаточно дорого. В последние годы выходят из строя старые термоскважины, новые сооружают мало. Между тем именно температурные наблюдения позволяют выполнить качественную привязку результатов измерений геофизическими методами, обеспечить достоверность обследования.

Безусловные преимущества георадарного профилирования — оперативность и возможность получения предварительной информации об объекте непосредственно во время выполнения работ. Для разрезов, состоящих из разнородных грунтов (диэлектрически контрастных областей) анализ радарограммы, как правило, позволяет уверенно устанавливать границы слоев. В случае плавного изменения характеристик грунта задача поиска таких границ усложняется и без применения специализированных программ может не дать результатов.

На участках распространения многолетнемерзлых грунтов обработка георадарных профилей облегчается контрастностью границ мерзлого и талого грунтов, а сочетание различных методов обследования позволяет безошибочно определять эти границы и выделять диэлектрически контрастные области на радаро-грамме.

Мониторинг объектов земляного полотна должен предусматривать регулярное, а не эпизодическое обследование. В этом случае появляется возможность установить закономерности в изменении положения верхней границы многолетнемерзлых грунтов.

По данным георадиолокационного зондирования, в основаниях насыпей положение поверхности вечномерзлых грунтов характеризуется подъемом под основной площадкой и понижением под откосными частями и бермами. Величина подъема зависит от высоты насыпей. При высоте до 3 м поверхность вечномерзлых грунтов входит в тело насыпи, с дальнейшим увеличением высоты в насыпи образуется «горб» из мерзлых грунтов.

Практика строительства и эксплуатации земляного полотна показывает, что наибольшее ослабление грунтов происходит при переходе их из мерзлого состояния в талое. Оттаявший грунт является разупрочненным многочисленными трещинами, образовавшимися при вытаивании ледяных включений. Подстилающий мерзлый грунт имеет низкую водопроницаемость и более высокую прочность, поэтому оттаявший грунт скользит, как правило, по мерзлому грунту, т.е. по плоскости раздела «талый—мерзлый грунт». На этой границе грунт характеризуется повышенной влажностью и существенным изменением текстуры, здесь в процессе смещения образуется небольшой толщины слой текучего грунта, играющего в дальнейшем роль смазки и имеющего пониженную сопротивляемость сдвигу.

Под воздействием вибродинамической нагрузки от подвижного состава снижаются прочностные и деформативные характеристики грунтов, слагающих земляное полотно, что в свою очередь вызывает уменьшение его устойчивости.

В оттаявшем грунте увеличивается зона распространения напряжений и происходит их концентрация на границе талого и мерзлого слоев. Обусловлено это тем, что в оттаявшем слое частицы грунта оказываются разъединенными водой, т.е. грунт находится в разжиженном состоянии. Нагрузка от подвижного состава воспринимается не скелетом грунта, а образовавшейся при оттаивании прослоек льда водой, и давление в поперечном направлении практически одинаково.

По мере увеличения мощности оттаявшего слоя максимум горизонтальных напряжений смещается в сторону откоса насыпи. Виляющее движение тележек в прямых участках пути обусловливает возникновение поперечных горизонтальных сил, передающихся на земляное полотно под полевым концом шпалы (именно здесь наиболее опасное место).

Таким образом, распространение напряжений в оттаивающем земляном полотне, повышение их концентрации на границе оттаивания наряду с главными напряжениями, направленными к откосу, приводят к дополнительному уменьшению несущей способности земляного полотна в горизонтальной плоскости, перпендикулярной оси пути. В результате искажается проектный профиль земляного полотна, снижается его устойчивость по поверхности скольжения на границе мерзлых грунтов.

Насыпи на ряде участков подвергаются деформациям в виде осадок оснований, сплывов откосов, продольных трещин в прибровочной части основной площадки параллельно оси пути между откосной частью и ядром. Деформации, возникавшие в первые годы после сооружения насыпей, длятся в течение всего срока эксплуатации железнодорожной линии.


В августе 2008—2010 гг. сотрудниками ПГУПСа обследованы опытные насыпи (между разъездами Хралов и Ясавэйто) с различными конструктивными решениями. При этом отрывали шурфы до грунтов основания, замеряли температуру воздуха, слоев земляного полотна и основания, а также определяли плотность грунтов насыпи и состояние геосинтетических материалов.

В результате выявили, что на строящейся линии Обская—Бованенково за первый год после отсыпки тело насыпи оттаивает на глубину до 2 м. Основные деформации земляного полотна, связанные с оттаиванием его тела, заканчиваются на третий год с момента отсыпки. Осадка составляет 30—50 см. Балльность пути летом оценивается в 22—25, зимой в 14—15 единиц. Укладка пенополистирола под откосной частью насыпи позволяет сохранить основание насыпи в мерзлом состоянии (рис. 1). Грунты на границе талого и мерзлого слоев находятся в обводненном состоянии.

Во время строительства при интенсивном движении строительной техники образуются глубокие колеи, и почти полностью уничтожается пенополистирол, уложенный под основную площадку в зимний период. Это происходит в случаях, когда не успевают уложить защитный слой из скального грунта или он не имеет достаточной толщины (рис. 2). Восстановление слоя теплоизоляции по оттаявшим грунтам земляного полотна никак не влияет на температурный режим насыпи.


Практически на всем протяжении линии имеются продольные трещины параллельно оси пути, проходящие по основной площадке или по верхней части откосов с раскрытием от 5—6 мм до 10—15 см. Эти трещины совпадают с границей «мерзлый—талый грунт» под пенополистиролом (рис. 3).

На участках, где теплоизоляцию укладывали в нижней части откоса, под слоем пенополистирола располагается мерзлый грунт. Там, где подошва земляного полотна обводнена, происходит деградация мерзлоты под пенополистиролом. На всех подходах к искусственным сооружениям наблюдаются просадки земляного полотна. Чтобы поверхностные воды и колеса вездеходов не повреждали откосы берм, их необходимо укреплять скальной наброской.

Результаты мониторинга типовых и опытных участков линии Обская—Бованенково позволяют предложить к использованию некоторые рациональные конструктивные решения.

Крутизну откоса земляного полотна надо принимать 1:4, в основании насыпи укладывать слой пенополистирола толщиной 10 см. При этом в насыпях высотой более 3 м теплоизоляционная прослойка шириной до 10 м должна быть только под откосными частями.

В насыпях высотой менее 3 м теплоизоляционный материал следует размещать по всей их ширине. Это позволит избежать протаивания основания насыпи под основной площадкой в конце теплого периода и не даст развиться процессам наледеобразован ия в холодное время года.

При использовании мерзлого грунта насыпи необходимо отсыпать на 30—50 см выше проектных отметок, обеспечивая тем самым запас на осадку после оттаивания.

Для предотвращения деформаций верхней части насыпи в период строительства на уровне основной площадки нужно устраивать защитный слой (не менее 30 см) из скального грунта, армированного георешеткой.

На высоких насыпях отсыпку нижней части следует выполнять при отрицательных температурах. Перед отсыпкой под откосными частями на подготовку из сухомерзлого грунта толщиной 20—25 см укладывают пенополистирол (10 см) типа ПЕНОПЛЭКС-45. Нижняя часть откосов насыпи имеет крутизну 1:5. Для усиления откосов в период оттаивания через 60— 80 см укладывают слои георешетки из полиэстера с прочностью на разрыв 55 кН/м, в промежутках между ними — два слоя геотекстиля шириной 2 м. Георешетки и геотекстиль на прямых участках раскатывают из рулонов вдоль пути, в кривых — поперек с перехлестом полотнищ 60 см. Геотекстиль позволит отводить воду в период оттаивания и усиливать откосную часть между слоями георешетки.

На отсыпку из твердомерзлого грунта укладывают двухосную георешетку из полиэстера с прочностью на разрыв в продольном и поперечном направлениях 55 кН/м. На нее отсыпают слой скального грунта мощностью 30 см с последующим уплотнением. Это позволит обеспечить равномерность деформаций основной площадки при оттаивании и предотвратить образование колейности от строительной техники.

Под балластной призмой из щебня размещают двухосную георешетку Tensar SS-30 для предотвращения просадок пути при положительных температурах.

Укрепление откоса от размыва и его подсыпку надо осуществлять грунтом с уширенных обочин и песчано-торфяной смесью до укладки пути. Использование такой смеси после балластировки приводит к сильному загрязнению балластной призмы (рис. 4).


В заключение надо отметить, что благодаря данным, полученным в результате многолетних комплексных наблюдений, разработаны конструктивные и технологические меры, значительно повышающие эффективность вложения средств в реконструкцию и содержание земляного полотна. Широкое внедрение апробированных проектных решений позволит снизить количество деформирующихся участков земляного полотна на многомерзлых грунтах, увеличить участковые скорости движения поездов и свести к минимуму затраты на выправку пути, что повысит рентабельность путевого хозяйства в регионах со сложными природно-климатическими условиями.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

Если у вас возникли вопросы по работе сайте - пишите на почту admin@scbist.com

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Путь и путевое хозяйство".

Перенес: Admin