Принципы устройства железнодорожных выемок в условиях заполярной тундры тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.06, кандидат наук Селезнев Алексей Викторович

• Селезнев Алексей Викторович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Селезнев Алексей Викторович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Состояние вопроса и методика исследования

1.1 Вопросы устройства выемок в условиях заполярной тундры

1.2 Существующие технические решения выемок, их недостатки

1.2.1 Выемки тоннельного типа

1.2.2 Зарубежный опыт строительства выемок в условиях многолетнемерзлых грунтов

1.2.3 Анализ технических решений выемок. Этапы решения задач исследования

1.3 Методика исследований тепловых процессов в основании выемки

1.4 Последовательность решения теплофизической задачи

Глава 2. Особенности снегозаносимости железнодорожных выемок в условиях заполярной тундры, классификация методов защиты от снегозаносов

2.1 Особенности снегозаносимости железнодорожных выемок в условиях заполярной тундры

2.2 Анализ существующих методов снегозащиты

2.3 Влияние снежных накоплений у снегозадерживающих сооружений на температурный режим вечномерзлых грунтов

2.4 Предложения по классификации методов защиты железной дороги от снегозаносов в условиях заполярной тундры

2.5 Предложения по совершенствованию снегозащитных сооружений

2.6 Выводы по Главе

Глава 3. Особенности состояния грунтов и поперечного профиля железнодорожных выемок в условиях заполярной тундры (на полуострове Ямал)

3.1 Особенности состояния железнодорожных выемок в южной части полуострова Ямал

3.2 Особенности состояния выемок в северной части полуострова Ямал

3.3 Методика выбора типа выемки в многолетнемерзлых грунтах

3.4 Выводы по Главе

Глава 4. Обоснование основных параметров выемок

4.1 Выемки открытого типа

4.2 Выемки тоннельного типа

4.3 Снижение снегозаносимости портальной части выемки тоннельного типа

4.4 Отвод поверхностных вод от выемок в условиях заполярной тундры

4.5 Защита окружающей территории при сооружении выемок в высокольдистых грунтах

4.6 Выводы по Главе

Глава 5. Температурный режим грунтов выемок

5.1 Исходные данные для теплофизических расчетов

5.2 Температурный режим полностью заглубленной выемки тоннельного типа

5.3 Температурный режим частично заглубленной выемки тоннельного типа

5.4 Температурный режим выемок открытого типа

5.4.1 Температурный режим выемок в неблагоприятных условиях

5.4.2 Температурный режим выемок в благоприятных условиях

5.5 Выводы по Главе

Глава 6. Область применения, внедрение и эффективность технических решений конструкций выемок

6.1 Внедрение разработок

6.2 Эффективность

6.3 Выводы по Главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Принципы устройства железнодорожных выемок в условиях заполярной тундры»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В стратегических планах Российской Федерации по развитию железнодорожного транспорта большое внимание уделяется строительству новых железных дорог в Арктической зоне. Создание железнодорожного коридора «Сибирский меридиан», позволит связать порты Тихого и Индийского океанов и точки на Северном морском пути. Рассматривается строительство железнодорожного выхода к восточным портам полуострова Ямал (Сабетта и Тамбей) и соединение железной дорогой портов Певек - Магадан.

Арктическая зона, включающая зону заполярной тундры, характеризуется, распространением многолетнемерзлых грунтов. Одним из ведущих принципов проектирования земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах является стремление к максимальному сокращению числа выемок. Однако применение выемок в конструкции железной дороги снижает общую стоимость строительства линии.

Актуальность работы определяется необходимостью оценки значимости выемок в зоне заполярной тундры для снижения стоимости железных дорог и повышения их эксплуатационных характеристик, уменьшения влияния процессов строительства на экологию региона, при недостаточной изученности их работы в рассматриваемых природных условиях.

Степень разработанности темы исследования.

Решением задач, возникающих на этапах проектирования, строительства и эксплуатации выемок на железных и автомобильных дорогах в условиях многолетнемерзлых грунтов, занимались специалисты отечественных организаций, таких как: ЦНИИС, Ленгипротранс, МИИТ, Мосгипротранс, СГУПС и ученые: М.И. Евдокимов-Рокотовский, В.А. Кудрявцев, Н.И. Быков, П.Н. Каптерев, А.К. Ливеровский, К.Д. Морозов, А.В.Куртинов. Весомый вклад в решения задач транспортного строительства

в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов внесли инженеры и ученые, занимавшиеся научным сопровождением строительства БАМа -Н.А. Перетрухин, А.А. Цернант, Г.С. Переселенков, Н.Д. Меренков, Н.А. Цуканов, Г.П. Минайлов, В.В. Гулецкий, П.И. Дыдышко, Е.С. Ашпиз, И.Д. Ткачевский, С.Н. Юсупов, В.В. Пассек, Г.Г. Орлов, Г.М. Поз, В.Г. Кондратьев, А.С. Потапов, Я.С. Крафт, Ю.С. Палькин и др. Собственные технические решения строительства железных дорог на участках распространения вечномерзлых грунтов имеют США, Канада, Китай. За последнее время в области транспортного строительства на вечной мерзлоте введены в действие ряд нормативных, нормативно-рекомендательных и методических документов. Разработаны конструктивно-технологические решения земляного полотна в условиях многолетнемерзлых грунтов.

На основе анализа известных конструкций дорожных выемок на вечномерзлых грунтах сделан вывод: имеют место отдельные разрозненные рекомендации по дорожным выемкам, не выработана система принципов устройства дорожных выемок в сложных геокриологических условиях.

В работе автор ставит задачу изменить имеющуюся ситуацию.

Цель исследования - разработка принципов устройства дорожных выемок в природно-климатических и мерзлотно-грунтовых условиях заполярной тундры.

Объектом исследования являются конструкции железнодорожных выемок в условиях заполярной тундры.

Предмет исследования конструктивно-технологические решения выемок и средств защиты сооружений железной дороги от снежных заносов в природно-климатических и мерзлотно-грунтовых условиях заполярной тундры.

Задачи исследования:

1) Натурное обследование железнодорожных выемок в условиях заполярной тундры с целью выявление особенностей состояния грунтов основания, поперечного профиля и снегозаносимости.

2) Математическое моделирование тепловых процессов предложенных конструктивно-технологических решений выемок с учетом результатов натурных наблюдений.

3) Физическое моделирование снежных заносов предложенных конструктивных решений защитных сооружений портальной части выемки тоннельного типа.

4) Разработка принципов устройства дорожных выемок в климатических и мерзлотно-грунтовых условиях заполярной тундры.

5) Оценка технико-экономической эффективности предложенных решений, выявление области их применимости.

Научная новизна исследования состоит в следующем:

1) Выявлены закономерности формирования снегоотложений в пределах выемок различного типа и прилегающих к ним территорий.

2) Выявлены закономерности теплового влияния срезки почвенно-растительного слоя и увеличения снегоотложений в пределах выемок различного типа и прилегающих к ним территорий.

3) Предложена классификация снегоотложений с позиции их влияния на состояние дорожных выемок в заполярной тундре. Расширена классификация средств защиты пути от снежных заносов.

4) Предложена методика выбора типа выемки в условиях заполярной тундры в зависимости от ее глубины и результатов инженерных изысканий.

5) Выявлены закономерности формирования температурного режима грунтов оснований в выемках открытого и тоннельного типа.

Методы исследования - натурные наблюдения за поведением железнодорожных и автомобильных выемок, а также различными природными объектами (лога, долины и т.п.) на севере Тюменской области, в т.ч. на полуострове Ямал, математическое моделирование криогенных геологических процессов, физическое моделирование, обобщение опыта проектирования железных дорог в условиях заполярной тундры.

Теоретическая значимость работы.

Выявлены закономерности влияния различных тепловых природных факторов на эксплуатационные характеристики и надежность выемок, что подготовило базу для определения принципов применения железнодорожных выемок в заполярной тундре.

Практическая значимость работы.

Разработаны принципы устройства железнодорожных выемок в условиях заполярной тундры, заключающиеся в формулировке требований к различным техническим решениям и разработке вариантов конструктивно-технологических мероприятий для стабилизации температурного режима грунтов оснований в выемках.

Положения, выносимые на защиту.

1) Закономерности формирования снегоотложений в пределах выемок различного типа и прилегающих к ним территорий.

2) Закономерности теплового влияния срезки почвенно-растительного слоя и увеличения снегоотложений в пределах выемок различного типа и прилегающих к ним территорий.

3) Классификация снегоотложений с позиции их влияния на состояние дорожных выемок в заполярной тундре. Классификация средств защиты пути от снежных заносов.

4) Методика выбора типа выемки в условиях заполярной тундры в зависимости от ее глубины и результатов инженерных изысканий.

5) Закономерности формирования температурного режима грунтов оснований в выемках открытого и тоннельного типа.

6) Технические решения железнодорожных выемок и снегозащитных сооружений в условиях заполярной тундры.

7) Технико-экономической эффективности внедрения выемок в конструкцию железной дороги в условиях заполярной тундры.

Достоверность полученных результатов подтверждается общей сходимостью результатов теоретических расчетов с результатами натурных измерений.

Апробация результатов исследования.

Результаты работы внедрены в нормативные документы: нормативный документ второго уровня СТУ Газпромтранс-1-2012, который, прошел согласование в Минрегионразвития РФ; нормативный документ третьего уровня - СТО Газпромтранс-4-2012 (Стандарт Организации).

Основные этапы и результаты работы докладывались на: XV международной научно-технической конференции «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути». Москва 04-05 апреля 2018 г.; IV национальной научно-практической конференции «Путь XXI века». Санкт-Петербург 01-02 ноября 2018 г.

Внедрение результатов исследования.

Внедрение разработок по диссертации осуществлялось в процессе проектирования и строительства железнодорожной линии Обская -Бованенково.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано семь научных статей, в том числе две статьи в научных журналах, входящих в Перечень рецензируемых научных изданий для публикации основных научных результатов, рекомендованных ВАК [84, 85], пять статей в материалах национальных и международных научно-практических (научно-технических) конференций [86-90], результаты работы вошли в два нормативно-методических документа (СТУ Газпромтранс 1-2012 и СТО Газпромтранс 4-2012), зарегистрированы четыре патента на изобретение № 2734186, № 2728018, № 2767636, № 2769793.

Состав и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы.

Основной текст диссертации изложен на 190 машинописных страницах, содержит 82 рисунка и 15 таблиц. Список литературы включает 90 наименования.

Автор выражает благодарность профессору, доктору технических наук Пассеку Вадиму Васильевичу за поддержку во время написания диссертации.

Глава 1. Состояние вопроса и методика исследования

1.1 Вопросы устройства выемок в условиях заполярной тундры

Продольный профиль земляного полотна железных дорог на местности с пересеченным рельефом представляет собой последовательное чередование насыпей и выемок. Такое положение диктуется необходимостью оптимизации высотного положения трассы и стремлением к соблюдению баланса в распределении грунтовых масс, извлекаемых при устройстве выемок и укладываемых в тело насыпей.

Проектирование направления и профиля трассы железной дороги в условиях вечной мерзлоты осложняется недостаточной изученностью вопроса и большим разнообразием климатических условий. [1] Природно-климатические условия Заполярья суровы и неблагоприятны для дорожного строительства - сочетание сложных геокриологических условий (рисунок 1.1) и значительного снегопереноса (рисунок 1.2).

Рисунок 1.1 - Пример неблагоприятных геокриологических условий

Рисунок 1.2 - Примеры снежных заносов на полуострове Ямал

По метеоусловиям зима в Заполярье существенно отличается от зим в средней полосе России. Прежде всего, это относится к громадным объемам ветрового снегопереноса, достигающего на Ямале величин порядка 1000-1500 м3/м [2], превышающих в 7-10 раз аналогичные величины для центральных районов европейской территории страны. Основное количество снега (более 90 %) переносится ветром на высоте не более 30 см от поверхности земли.

В соответствии с действующими нормативными документами земляное полотно железных и автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты рекомендуется проектировать, по возможности, насыпями [3], [4]. Исключением являются участки с благоприятными грунтово-гидрогеологическими условиями: скальные, щебенистые, гравелистые грунты, на водоразделах или возвышенных участках местности, при исключении просадок при протаивании. Такие участки, однако, характерны чаще всего для горной местности.

Основных причин отказа от устройства выемок две: вероятность развития опасных геокриологических процессов вследствие растепления многолетнемерзлых грунтов и сложность снегоборьбы.

При устройстве выемки в вечной мерзлоте на поверхность выводятся и подвергаются оттаиванию массивы грунта, находившиеся в течение тысяч лет

в постоянномерзлом состоянии. Если эти грунты льдонаыщенные, то при оттаивании они приобретают текучую консистенцию. Откосы выемки подвергаются сплывам оттаявшего грунта, обнажающийся при этом подстилающий мерзлый грунт в свою очередь оттаивает и сплывает. Таким образом, процесс деформаций приобретает затяжной характер. Льдонасыщенные грунты в основании выемки при оттаивании подвергаются просадкам летом и пучению зимой. Кроме того, значительные трудности возникают с предотвращением обводнения и обеспечением отвода воды из выемки, т.к. она является коллектором для дренирования окружающей местности.

Эксплуатация выемок в зимний период связана со значительными затруднениями из-за их подверженности снежным заносам. Источником заносов являются не снегопады, а снег, переносимый ветром при метелях и поземках. При обтекании снеговетровым потоком выемки, вследствие увеличения живого сечения, происходит снижение скорости ветра и отложения снега. Железнодорожные выемки с типовым поперечным сечением для регионов, где нет вечной мерзлоты, на особо сильноснегоздносимых участках являются снегозаносимыми независимо от их глубины [5].

Приведенные данные достаточно убедительно характеризуют исключительную важность вопросов защиты выемок от снежных заносов.

Решение системы «земляное полотно - снегозащитные мероприятия» при устройстве дорожных выемок в условиях заполярной тундры значительно усложняется, в связи с невозможностью, во многих случаях, реализации существующих средств защиты пути от снежных заносов.

В настоящее время для борьбы со снежными заносами на железных дорогах наибольшее распространение получили снегозащитные полосы из древесно-кустарниковых посадок и снегозащитные щиты и заборы различной конструкции. В условиях заполярной тундры применение защитных полос из древесно-кустарниковой растительности не применяется по природно-климатическим условиям.

Эффективность применения постоянных и переносных снегозащитных заборов в борьбе со снежными заносами железных дорог в средней полосе страны доказана их широким использованием для этих целей.

Однако при размерах снегопереноса 1000-1500 м3/м в год снегосборности двух-трехрядных снегозадерживающих заборов недостаточно. Они быстро заносятся снегом и перестают работать. А устройство большего количества рядов требует значительных затрат и землеотвода, а также не везде возможно.

Для борьбы со снегозаносимостью выемок предлагается их раскрытие, т.е. уположение откосов до 1:10 и более. Однако при наличии вечной мерзлоты эта мера имеет негативные последствия, она приводит к нарушению поверхностных условий теплообмена на значительной площади. В результате может развиваться термокарст.

Условия строительства и эксплуатации железнодорожных выемок дополнительно осложняются влиянием снежных отложений на состояние многолетнемерзлых грунтов. Снежные отложения, накапливаемые при снегоборьбе, препятствуют поступлению холода в грунт, при этом нарушается годовой тепловой баланс, мерзлота растепляется или деградирует, что приводит к деформациям.

Однако отказ от устройства выемок по перечисленным выше причинам не является приемлемым решением с точки зрения экономики. Отказ от устройства выемок приводит к существенному завышению высотных отметок насыпей (для соблюдения требуемого продольного уклона и разности уклонов смежных элементов профиля возникает необходимость сооружения высоких насыпей, выше 6 м), а, следовательно, и к соответствующему удорожанию стоимости земляных работ и искусственных сооружений. Кроме того, с увеличением высоты насыпи, значительно увеличивается площадь нарушения естественных условий.

Грунты, наиболее пригодные для сооружения насыпей - песчаные непылеватые, а также крупнообломочные, присутствуют далеко не во всех

районах зоны распространения вечномерзлых грунтов. В газоносных районах севера Тюменской области, где в настоящее время происходит строительство железных и автомобильных дорог, преобладают пылеватые грунты, малопригодные для сооружения насыпей. Пылеватые грунты содержат воду и, соответственно, при промерзании - ледяные включения. Такие грунты плохо уплотняются в зимнее время и, в связи с этим, в летнее время дают значительную осадку.

Кроме того, разработка карьеров большой площади в зоне вечной мерзлоты без выполнения рекультивационных работ приводит к необратимой деградации мерзлоты, что вызывает изменения макрорельефа и может, в свою очередь, привести к катастрофическим последствиям.

Необходимо учитывать также, что во многих случаях местные грунты не пригодны для укладки в насыпи, и поэтому приходится использовать привозной грунт, что дополнительно удорожает стоимость сооружения дороги.

Увеличение средней высоты насыпи в случае отказа от применения выемок имеет также неблагоприятные последствия для устойчивости дорожного земляного полотна. В местах пересечения узких и глубоких логов дорожными насыпями образуются замкнутые «карманы», накапливающие за зимний период громадные объемы снега, приводящего к растеплению вечномерзлых грунтов в основаниях земляного полотна и их деформациям, нередко создающим угрозу безопасности движения. С увеличением высоты насыпей эта опасность также возрастает, т.к. объем накапливающейся массы снега возрастает.

Таким образом, ориентация на отказ от применения выемок в данном случае не является однозначно бесспорной. Однако в настоящее время во всех действующих нормативных документах сохраняются рекомендации о применении выемок лишь в крайних случаях за исключением наличия в основании земляного полотна относительно надежных грунтовых условий.

Все сказанное выше заставляет искать технические решения, принципиальные схемы, позволяющие не отказываться от устройства выемок при обязательном обеспечении их эксплуатационной надежности и безопасности.

Устройство выемок, при оценке всей гаммы рисков, позволит:

- уменьшить объем земляных работ;

- сократить сроки строительства;

- снизить стоимость строительства;

- сократить площади карьеров и, в связи с этим, уменьшить ущерб, наносимый окружающей среде, а также уменьшить объем работ, необходимый для рекультивации.

1.2 Существующие технические решения выемок, их недостатки

Конструкции выемок на железных дорогах в зоне вечной мерзлоты изложены в СП 32-104-98 [6], Пособии по проектированию земляного полотна [7] и ВСН 61-89 [3]. В соответствии с этими документом выемки устраивают либо с заменой местных глинистых грунтов дренирующим материалом (песок, за исключением пылеватого, скальный из слабовыветривающихся пород, крупнообломочный), при этом выемка разделывается под насыпь, либо с применением теплоизоляции, либо комбинируют оба мероприятия.

Так, толщину слоя замены назначают по расчету, исходя из требуемой прочности земляного полотна (отсутствие остаточных деформаций), а также допустимой величины морозного пучения. Замену грунта рекомендуется осуществлять при устройстве выемок в грунтах, имеющих тугопластичную и мягкопластичную консистенцию при оттаивании.

В грунтах, приходящих в текучепластичное и текучее состояние, рекомендуется, помимо замены грунта, устраивать теплоизолирующие слои

по поверхности откосов. Толщину теплоизолирующего слоя следует назначать на основе теплофизического расчета.

Тип конструкции водоотвода назначается также в зависимости от консистенции грунта при оттаивании. В выемках в туго- и мягкопластичных грунтах водоотводную канаву проектируют обычным способом, вдоль насыпи, отсыпанной привозным грунтом. В грунтах текучепластичной и текучей консистенции устраивают либо лотки специальной противопучинистой конструкции, либо дренажные трубы. Если применяют водоотводную канаву, то ее стенки должны быть укреплены, а под ней должен быть уложен слой теплоизоляции.

Г.Н. Жинкин [8], рассматривая конструкции выемок, предлагает уделить особое внимание предотвращению образования наледей, учитывая, что после окончания строительства число наледных мест резко возрастает. Это происходит из-за нарушения существующих природных условий вследствие постройки притрассовой автомобильной дороги, устройства водопропускных и водоотводных сооружений. Особенности проектирования выемок в зоне вечной мерзлоты в общем случае заключаются в предотвращении возможного контакта наледей с земляным полотном.

В учебном пособии [8] рекомендуется путем применения второго теплоизолятора - скальной обсыпки, в дополнение к первому -пенополистиролу, устраивать выемки в грунтах IV категории просадочности. Обсыпка работает, как тепловой диод, теплопроводность которого в зимний период повышается, а в летний период снижается. Устраивать обсыпку следует по всему периметру поперечного профиля: по откосу выемки, откосу и горизонтальной поверхности насыпи из привозного грунта. В соответствии с классификацией оттаивающих грунтов по просадочности [7], [4], к грунтам IV категории относятся сильнопросадочные грунты с относительной осадкой более 0,4, текучей консистенции, включающие подземные льды мощностью более 10 см.

Однако рекомендованные конструкции не учитывают характеристики снегопереноса в условиях заполярной тундры. Значительные снежные отложения на откосах выемки и прилегающей территории исключат положительный эффект от скальной обсыпки и приведут к деградации вечной мерзлоты. Дополнительно следует отметить, что предлагаемая конструкция приведена достаточно схематично, расчетные схемы отсутствуют, и для ее широкого применения необходимо проведение дополнительных исследований.

В Пособии [7] рекомендованы конструкции выемок глубиной до 6 м в многолетнемерзлых грунтах I—III категории просадочности с заменой грунта основной площадки на дренирующий на глубину по расчету и укреплением откосов торфопесчаной смесью с посевом дикорастущих трав. При грунтах III категории просадочности на откосы рекомендовано укладывать пенопласт.

Там же рекомендовано в многолетнемерзлых грунтах III категории просадочности раскрытие выемок назначать на основании технико-экономического сравнения вариантов обеспечения снегонезаносимости пути. В основу рекомендаций устройства выемок (крутизна откосов, мероприятия по снегоборьбе) заложены принципы, успешно применяемые вне районов распространения многолетнемерзлых грунтов. Однако, в условиях заполярной тундры накопление снега на откосах, в т.ч. не закюветных полках, и у снегозащитных сооружений приведет к растеплению вечной мерзлоты и деформациям выемок.

Конструкции выемок приведены в Пособии [7] без расчетных схем.

В пособии указано: выемки в грунтах IV категории термопросадочности не допускаются.

Рекомендации, приведенные в ВСН 203-89 [9], отличаются только тем, что устраивать выемки в грунтах II-III категории просадочности предлагается с заменой не только грунта в основной площадке, но и на откосах.

В других нормативных документах, регламентирующих строительство железных дорог в зоне вечной мерзлоты, даны фактически те же

рекомендации, но в более сжатой форме. Так, СТН Ц-01-95 [10] предписывали: для выемок, прорезающих массивы глинистых грунтов текучей и мягкопластичной консистенции в том числе вечномерзлых, приобретающих такую консистенцию при оттаивании, должны предусматриваться мероприятия по обеспечении устойчивости откосов и прочности основной площадки земляного полотна (устройство дренажей, замена глинистых грунтов основания дренирующими, тепловая и гидравлическая изоляция, уположение откосов и их соответствующее укрепление).

Рекомендации, посвященные сооружению выемок в строительстве автомобильных дорог в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов [11], [12], [13] сводятся к тем же двум основным конструктивным решениям -замена местного грунта и применение теплоизоляции.

В соответствии с ВСН 84-89 [4] на сырых участках с избыточным увлажнением (второй тип местности по условиям увлажнения) при технико-экономическом обосновании разрешается проектировать выемки с заменой переувлажненных (т.е. с влажностью, выше оптимальной по стандартному уплотнению) пылеватых глинистых грунтов песчаными или другими качественными материалами, предусматривая при этом теплоизоляцию откосов или укрепление их геотекстилем. Толщину заменяемого в выемках грунта принимают исходя из условия устойчивости и обеспечения требуемой прочности дорожной конструкции. Крутизну откосов предлагается назначать на основе расчета. Ко второму типу местности по условиям увлажнения относят следующее: сырые места с необеспеченным поверхностным стоком, в летний период возможно временное избыточное увлажнение грунтов в сезоннооттаивающем слое поверхностными и надмерзлотными водами, грунты малольдистые и малопросадочные с относительной влажностью (0,77...1) от границы текучести.

В.А. Давыдов в учебном пособии по проектированию автомобильных дорог в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов [14] дает

следующие рекомендации устройства выемок в сложных грунтово-гидрогеологических условиях:

- обеспечение теплоизоляции откосов;

- замена переувлажненных пылеватых грунтов песчаным или другим кондиционным материалом;

- укладка в основании дорожной одежды морозозащитных слоев.

Понятие «сырые места» охватывает участки с необеспеченным

поверхностным стоком и постоянным избыточным увлажнением грунтов в сезоннооттаивающем слое поверхностными и надмерзлотными водами в теплый период, с влажностью, превышающей границу текучести, грунты льдистые и сильнолидистые, просадочные и сильнопросадочные. В пояснении к схемам дорожных конструкций автор, однако, ограничивает область устройства выемок слабольдистыми грунтами. Грунт в основании выемки должен быть заменен. Толщина заменяемого слоя грунта рассчитывается по условию устойчивости дорожной конструкции.

Конструктивные решения железнодорожных выемок на вечной мерзлоте, предложенные ЦНИИС, раскрыты в патенте на изобретение [15] и патентах на полезную модель [16-18].

Конструкция, раскрытая в патенте на изобретение [15], представляет собой выемку с заменой местного грунта на глубину возможного оттаивания отсыпкой в два слоя: фракционным скальным грунтом (верхний ярус) и недренирующим грунтом (нижний ярус). Скальный грунт оказывает охлаждающее воздействие, препятствуя оттаиванию мерзлых грунтов, а нижний работает как водоупор, не позволяя талым водам контактировать с мерзлым грунтом. На откосах выемки устроен теплоизолирующий слой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Селезнев Алексей Викторович, 2022 год

- - —>

ГУ 5

выделенные участки (граничные условия)

ГУ 6

ГУ 7

ГУ 5

1---^

—Т

щит /

^ снежный покров вне зоны влияния щита \ поверхность тундры \очертание снежного наноса

б)

направление ветра - - —>

ГУБ ГУ 1 ГУ 2

выделенные участки (граничные условия)

П/3 ГУД

ГУБ

очертание снежного наноса '■-., поверхность тундры

/ снежный покров вне зоны влияния щита

Рисунок 2.12 - Расчетная схема для компьютерного моделирования температурного режима: а) наветреная сторона; б) подветреная сторона; ГУ - граничное условие

Значения приведенных коэффициентов теплоотдачи в период таяния снежных отложений определяются интенсивностью таяния снега. Для определения толщины слоев снега, оттаивающего за определенное количество градусо-часов среднемесячной температуры воздуха, применялась формула:

асн(М • т)

п =--—, (2.5)

Уси^о ( )

где асн - коэффициент теплообмена (теплоотдачи) конвекцией, выражающий количество теплоты, получаемой 1 м2 теплообменивающейся поверхности в течение 1 ч при разности температур воздуха и поверхности снега 1 °С, ккал/(м2 ч °С);

(Дt • т) - количество градусо-часы среднемесячной температуры воздуха, ч°С;

усн — объемный вес снега, кг/м3;

Q0 - скрытая теплота таяния, равная 80 ккал/кг. а для определения момента времени, соответствующего окончанию таяния снежных отложений на рассматриваемом участке граничных условий, применялась формула:

(М • т) = • ксн, (2.6)

^сн

где Исн - мощность снежных отложений, м;

В диссертационной работе было выполнено компьютерное моделирование криогенных геологических процессов в основании снегозащитного щита.

Результаты компьютерного моделирования применительно к климатическим условиям села Новый Порт (средняя подзона заполярной тундры) показали следующее:

- в течение двадцатипятилетнего срока прогноза происходит постепенная деградация мерзлоты под снежными наносами с образованием талой зоны, не промерзающей в зимнее время. Так, с подветреной стороны в конце зимнего сезона в зоне ГУ 3 глубина талой зоны увеличилась за 5 лет от 1 м до 2,5 м, через 10 лет - до 4,5 м, через 25 лет - до 5 м (рисунки 2.13, 2.14). Таким образом, складывается следующая картина: за теплый период происходит увеличение талой зоны, а в зимний период, вследствие отепляющего влияния снега, талая зона не успевает промерзать, поэтому размеры талика увеличиваются из года в год.

- скорость роста глубины таликовой зоны постепенно убывает со временем (рисунок 2.14). Вместе с тем характер кривой границы талой зоны показывает, что продвижение границы протаивания вглубь будет продолжаться еще длительное время, хотя и с небольшой скоростью.

Рисунок 2.1 3 -Температурное поле под снегозащитным щитом через 25 лет после его сооружения

Рисунок 2.1 4 - Ход оттаивания грунта под снежными отложениями в зоне ГУ 3 за 25-летний период

Оттаивание льдонасыщенных вечномерзлых грунтов под снежными отложениями неизбежно будет сопровождаться осадками поверхности с заполнением образующихся углублений талыми водам и дождевыми осадками. Появление на поверхности скоплений воды создает опасность более интенсивной деградации мерзлой толщи, что может создать угрозу для устойчивости откосов выемки, которые находятся в зоне теплового влияния снегозащитного сооружения и угрожать ее безопасной эксплуатации.

Условия снегозаносимости неодинаковые в различных регионах. С точки зрения влияния снегозаносимости на полуострове Ямал может быть выделено три подзоны: северная подзона, расположенный севернее ст. Бованенково, южная подзона, расположенный на широте г. Салехарда, и средняя подзона.

Для оценки влияния снегозаносимости на температурный режим грунтов была проведена серия расчетов для условий выделенных подзон. Исходные данные приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Приведенная температура воздуха «¿возд» и коэффициенты «А» теплопередачи для расчета влияния толщины снежного покрова на температуру грунтов. Северная подзона

Параметры Месяцы года

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Температуры воздуха, ¿возд (°С)

-24,1 -24,7 -20,2 ,5 »/-Т К +1,9 +6,7 +8,1 +4,4 ,6 -14,9

Толщина «5» снега, м Коэффициенты теплопередачи, А (ккал/(м2часград)

0,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

0,2 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,75 2,0 2,0 2,0 1,75 1,25 1,25

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

Параметры Месяцы года

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Температуры воздуха, ¿возд (°С)

2- -24,7 -20,2 ,5 »/-Г ,9 К +1,9 +6,7 ОО* + +4,4 ,6 ,9

1,0 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,9 2,0 2,0 2,0 0,9 0,25 0,25

2,0 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 0,8 2,0 2,0 2,0 0,8 0,13 0,13

3,0 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 0,7 2,0 2,0 2,0 0,7 0,09 0,09

Результаты расчета приведены в виде графиков на рисунке 2.15. Из графиков видно, что для южной подзоны при среднезимней толщине снега 0,4 м мерзлота деградирует. Для северной подзоны деградация мерзлоты происходит при среднезимней толщине снега 1,5 м.

!, °С

о +5.6 +0.9

+3.1 +4.4 1 +0.6 /

0,2 Л>,5 Г3.5 1.0 2.0 *ЛА 3.0

0.1 -5.3

Рисунок 2.15 - Зависимость температуры ? грунта на глубине нулевых амплитуд от среднезимней высоты 3 снежного покрова в установившемся режиме: 1 - северная подзона, 2 - южная подзона

2.4 Предложения по классификации методов защиты железной дороги от снегозаносов в условиях заполярной тундры

Схема лесонасаждений и их общая ширина В зависит от объема снегопереноса. При снегопереносе 250 м3/м ширина В достигает 128 м. Однако в пределах заполярной тундры снегоперенос значительно превышает объем 250 м3/м и достигает значений 1000-1500 м3/м. [2]. Типовых схем для таких значений в литературе не имеется, но по подсчету ширина лесонасаждений «В» при снегопереносе 1500 м3/м и скудных почвах приближается к 7001000 м.

Аналогичные рассуждения можно провести и для снегозадерживающих заборов.

Снегозащитные сооружения такого размера становятся не только дорогими, но зачастую и неосуществимыми практически: рядом с дорогой могут располагаться, например, озера или другие естественные и искусственные препятствия, не позволяющее соорудить снегозащитное ограждение. В связи с этим при больших значениях снегопереноса снегозадерживающие сооружения вырождаются в какие-то другие технические решения.

Если это касается земляного полотна дороги, то более рационально создавать снегонезаносимые профили, пропускающие снег не задерживая его. Что касается ограниченных по размерам объектов, например, раздельные пункты, то, очевидно, целесообразно разработать новое направление снегозащиты - снегонаправляющего действия [56].

Сущность этого вида снегозащиты - не задержать снег, а направить его мимо объекта (рисунок 2.16). Для этого могут быть использованы как лесонасаждения, так и снегозадерживающие заборы. Эти препятствия ставятся под углом направления ветра, позволяя снеговому потоку обтекать объект [57].

Рисунок 2.16 -Схемы планировок, усиливающие скорость ветра в пределах застройки

В связи с изложенным предлагается новая классификация средств защиты от снежных отложений, позволяющая учитывать специфику многолетнемерзлых грунтов (рисунок 2.17).

Рисунок 2.17 - Классификация средств защиты пути от снежных заносов

Первые три группы средств защиты в классификации повторяют все три группы, приведенные в действующих нормативных документах.

Четвертая группа - средства снегонаправляющего действия.

Пятая группа - регулировка определяющих параметров сооружения.

Под параметрами сооружения понимается соотношение плана линии, продольного и поперечных профилей с рельефом местности и розой снегопереноса. Исключение снегозаносимых участков без завышения объема земляных работ.

Действующие нормы проектирования требуют вдоль всех снегозаносимых участков предусматривать защиту пути от снежных заносов. Для условий Арктической зоны на этапе проектирования железной дороги с, точки зрения снегоборьбы, должны максимально ликвидироваться снегозаносимые участки, такие как:

- выемки на кривых в плане;

- выемки на водоразделах.

Особое значение приобретает шестая группа средств защиты пути от снежных заносов - регулирование формы сооружения. Здесь имеется в виду регулирование конфигурации поперечного сечения насыпи и выемки, в частности, путем изменения уклона откосов, регулировка формы откосов у береговых устоев, регулировка формы зданий и т.д. [58].

Например, изменение крутизны заложений откосов насыпи меняет объем снежных отложений. На рисунке 2.18 представлена конфигурация снегоотложений на откосе и у подошвы насыпи для откосов разной крутизны. Эта закономерность наблюдается повсюду в Арктической зоне.

Рисунок 2.18 - Влияние наклона препятствия на снегозаносимость:

а) заложение откоса 1:1, б) 1:3, в) 1:6; жирной стрелкой указано направление ветра, заштрихованная область - зона снегозаносимости

Вечная мерзлота, широкое распространение высокольдистых грунтов и погребенных льдов, а также необходимость бережного отношения к экологии региона требуют, в том числе, разработки новой классификации методов снегоборьбы объединяющей в единую систему элементы земляного полотна и снегозащитных сооружений и позволяющей на стадии проектирования производить выбор решений, отвечающих требованиям высокой эффективности и экономичности транспортных сооружений при работе в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов и значительного снегопереноса.

Классификация методов снегоборьбы базируется на четырех классификационных критериях: время действия; принцип работы; влияние на

состояние многолетнемерзлых грунтов; отношение к объектам строительства (рисунок 2.19).

Методы защиты по принципу работы дополнены методом перенаправления снега (средства снегонаправляющего действия).

Выделен классификационный признак - отношение к объектам строительства. По этому признаку выделены методы, реализуемые непосредственно в конструкции земляного полотна:

- соотношение плана линии, продольного и поперечных профилей с рельефом местности и розой снегопереноса (регулировка определяющих параметров сооружения),

- конфигурации поперечного сечения насыпи и выемки (регулирование формы сооружения).

Выделен классификационный признак - влияние защиты от снежных заносов на состояние многолетнемерзлых грунтов. По этому признаку методы снегозащиты разделены на способствующие растеплению многолетнемерзлых грунтов основания и способствующие охлаждению грунтов.

Особо следует отметить, что мероприятия, направленные на снижение механического влияния (снегозаносимость пути), и мероприятия, направленные на снижение теплового влияния, зачастую противоречат друг другу. Например, увеличение высоты насыпи приводит к снижению величины заносов пути, но способствует накоплению снежных отложений у подошвы насыпи, которые способствуют растеплению или деградации мерзлоты; создание снегозадерживающих ограждений способствует в их пределах также деградации мерзлоты, что может привести при наличии погребенных льдов к серьезным деформациям грунтовых массивов в зоне самой железной дороги.

Рисунок 2.19 - Классификация методов защиты пути от снежных заносов

2.5 Предложения по совершенствованию снегозащитных сооружений

Как было показано выше (п. 2.4), наилучшим способом бороться со снегоотложениями в пределах дороги является обеспечение условий для пропуска снега мимо дороги. Однако в ряде случаев, как правило, в стесненных условиях, исключить снегозаносимость пути или предусмотреть его изоляцию от снежных заносов экономически нецелесообразно или технически невозможно, в этих случаях должны предусматриваться снегозадерживающие или снегонаправляющие ограждения. Поэтому должны быть разработаны мероприятия, которые позволяют вписать конструкции снегозащитных ограждений в условия вечной мерзлоты. С участием автора разработано два вида ограждений (охлаждающего и растепляющего типов).

Снегозадерживающие заборы [59]

Применение снегозадерживающих заборов в зоне вечной мерзлоты приводит к формированию мощных таликов (см. п. 2.3). Эти талики в ряде случаев могут привести к серьезным деформациям, особенно в северной подзоне, где зачастую залегают грунты льдонасыщенные с содержанием погребенных льдов.

Таким образом очевидна необходимость разработки таких заборов, которые бы не приводили к формированию таликов. Такое техническое решение может быть обеспечено, если в качестве стоек забора будут применены термоопоры (рисунок 2.20) [60].

Снегозадерживающее ограждение (рисунок 2.20, а) - это забор, часть опор которого является вертикальными стойками (1), выполненными из металлических труб расчетного диаметра «^», но не менее 0,5 м, замкнутых с торцов. По своей сути стойка (1) - это столб-термоопора. Заглубление стоек (1) ниже естественной поверхности (4) определяются по результату теплофизических расчетов. Расстояние «Ь» между стойками (1) принимается равным Ь = Ькъ, где к = (1,5-2,0).

б)

Рисунок 2.20 - Снегозадерживающее ограждение: а) общий вид; б) сечении А-А

Между стойками (1) устанавливаются вспомогательные стойки (14), как у типового снегозадерживающего забора. Высота забора и заполнение между стойками (2) принимаются как для типового снегозадерживающего забора, в соответствии с расчетным годовым объемом снегоприноса.

Снегозадерживающее ограждение задерживает снег при снегопереносе 9 (рисунок 2.20, б). Накопленные снежные отложения приводят к растеплению

многолетнемерзлых грунтов под ними, граница мерзлоты опускается в положение (15). Такое протаивание, если в основании залегают высокольдистые грунты, может стать причиной аварийной ситуации на расположенной рядом железнодорожной линии. Для предотвращения растепления многолетнемерзлых грунтов описываемое техническое решение предусматривает наличие пустотелых стоек (1). В зимний период в надземной части полости (3) воздух охлаждается, что вызывает конвекцию воздуха и охлаждение грунтов в зоне подземной части стойки (1). Этот процесс обеспечивает сохранение мерзлоты при наличии больших снегоотложений у забора. При необходимости поднятия границы вечной мерзлоты из положения (15) в положение (17) расчетами подбирают величину заглубления стоек (1) и расстояние «Ь» между ними. Для обоснования расстояния между столбами-термоопорами проведены расчеты, цель которых - определить замораживающий эффект термоопор при самых неблагоприятных условиях.

Расстояние между столбами-термоопорами принимается равным

В = к • Ан, (2.7)

где Ан - заглубление столбов-термоопор в метрах;

к - коэффициент, равный 1,5-2,0.

Для обеспечения поднятия нулевой изотермы расстояние между столбами-термоопорами не должно превышать величины, определяющей тепловое взаимодействие стоек.

Высота надземной части столбов-термоопор принимается в соответствии с расчетной высотой забора.

Обоснования параметров термоопор снегозадерживающих ограждений охлаждающего типа.

Расчеты температурного режима для обоснования параметров термоопор приведены для условий северной части полуострова Ямал, где деградация мерзлоты от утепляющего влияния снежных отложений наиболее опасна. Приняты следующие исходные данные.

Начальная температура мерзлоты принята равной минус 2 °С. Диаметр термоопор 1,0 м. Другие основные исходные данные приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Исходные данные к расчету температурного режима для обоснования параметров термоопор снегозадерживающих ограждений охлаждающего типа. Северная подзона

Л Месяцы года

Н « Й ей К 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Температуры воздуха, 1возд (°С)

Зона 1 -24,1 -24,7 -20,2 -15,5 ,9 К +1,9 +6,7 +8,1 +4,4 ,6 -14,9 -17,0

ей X -10,0 0 -10,0

о З

Коэффициенты теплопередачи, А (ккал/(м2 час- град)

а X 10,0 0,001 10,0

о З

Зона 1 0,09 0,7 2,0 0,7 0,09

Результаты расчетов (температурные поля в установившемся режиме на момент окончания теплого периода года, т.е. в самый неблагоприятный момент, который является расчетным) для термоопор глубиной 10 м и 20 м представлены на рисунках 2.21 и 2.22. Температурные поля построены в сечении, перпендикулярном плоскости ряда термоопор и расположенном посередине между термоопорами (т.е. в самом неблагоприятном сечении).

На графиках рисунок 2.23 представлена зависимость температуры в центре намораживаемого ядра (по данным рисунков 2.21 и 2.22) от расстояния между термоопорами. Из этих графиков можно сделать заключение - при

глубине заложения 10 м расстояние между термоопорами может быть принято до 20 м, а при глубине заложения 20 м - более 30 м.

а)

б)

Рисунок 2.21 - Температурное поле грунта основания снегозадерживающего забора на середине между термоопорами глубиной 20 м в установившемся режиме на момент окончания теплого периода года: а), б) - при расстоянии между термоопорами соответственно 20 и 10 м

б)

Рисунок 2.22 - Температурное поле грунта основания снегозадерживающего забора на середине между термоопорами глубиной 10 м в установившемся режиме на момент окончания теплого периода года: а), б) - при расстоянии между термоопорами соответственно 20 и 10 м

1 °с

1Ц; ^

©

- 1

-4

-3

-2

О

С, М

5

10

20

30

Рисунок 2.23 - Зависимость температуры «?ц» в центре намораживаемого ядра охлаждающим забором от расстояния «с» между термоопорами: 1, 2 - соответственно при глубине термоопор 20 и 10 м

Снегозадерживающие ограждения в виде древесно-кустарниковых посадок [49, 61]

Для защиты от снегозаносов разработан целый ряд схем лесонасаждений, включающих сочетание кустарниковых зарослей и деревьев, которые широко применяются вне зоны вечной мерзлоты. Однако в тундре применение лесонасаждений затруднено в связи с наличием вечномерзлых грунтов [62].

В зоне заполярной тундры, где необходимо защитное лесонасаждение, но деятельный слой слишком мал; и древесно-кустарниковая растительность существовать не может, осуществляют подготовку для обеспечения этой растительности.

В южной подзоне заполярной тундры значительно реже, чем в северной залегают высокольдистые грунты, в следствии этого локальная прогнозируемая искусственная деградация мерзлоты (талики) не вызовет аварийных последствий для железной дороги.

В таких районах снегозащиту можно реализовать за два периода. На первом периоде устраивать ограждения механического типа, которые, задерживая снег, образуют местные талики. На втором этапе, на месте талика формировать растительность в виде кустарников и низкорослых деревьев (рисунок 2.24).

Дополнительным полезным эффектом от реализации такого метода снегозащиты является улучшение экологии. Эта растительность активно используется местными животным миром.

Изначально снегозадержание устраивается из чередующихся грунтовых валов (5) и траншей (6) высотой (глубиной) 2-2,5 м. Форма валов и траншей приближается к треугольной, дающей максимальный эффект растепления. Грунт для валов берется из смежных траншей (дополнительный грунт не требуется и не образуется). Длина «В» валов (5) и траншей (6) определяется из технологических и конструктивных соображений. Очертание валов и траншей должно сохраняться в течении нескольких лет, до формирования лесонасаждения.

Снегоотложения в зоне траншей и валов формирует талик - граница мерзлоты перемещается из положения 11 в положение 12, в пределах которого достаточно быстро начинает формироваться кустарниковая растительность.

Снегозадерживающее ограждение (рисунок 2.24) в виде лесонасаждений, включающих местные кустарники (1) и деревья (2), устраивается полосами между рядами валов-траншей.

Расстояние «с» между рядами валов-траншей определяется уклоном 1:/2 и высотой вала И:

где Q - безразмерная величина, численно равная величине снегопереноса для рассматриваемого региона (м3/м), определяемого по климатологическим справочникам.

(2.8)

б)

Рисунок 2.24 - Снегозадерживающее ограждение (отдельный ряд):

а) вид с верху; б) сечении А-А

Для увеличения скорости образования талика на верху валов-траншей могут устанавливаться вертикальные стойки (8) с заполнением

(горизонтальные рейки). В этом случае происходит отложение снега, отмеченное линией (14).

На рисунке 2.24 представлено лесонасаждение только для одной полосы. Фактическое количество полос лесонасаждений определяется расчетом. В случае нескольких полос между ними могут быть сделаны разрывы -охлаждающие зоны, для регулирования размеров талика. Необходимость охлаждающих зон определяется теплофизическим расчетом.

Материалы натурных наблюдений (фотографии) за образованием растительности в зоне таликов на железнодорожной линии Обская -Бованеноково, где препятствия создают повышенные снежные заносы, представлены на рисунке 2.25.

Рисунок 2.25 - Образованием растительности в зоне таликов на железнодорожной линии Обская - Бованеноково

Температурный режим снегоограждений растепляющего типа.

Теплофизические расчеты, выполненные для условий южной части полуострова Ямал, подтверждают процесс повышения температуры грунтов и образования талика вследствие реализации технического решения. Результаты расчетов (температурные поля) представлены на рисунке 2.26.

Рисунок 2.26 - Температурное поле в установившемся режиме на момент окончания теплого периода года в снегозадерживающем устройстве растепляющего типа: а), б) - соответственно в черно-белом и цветном

изображениях

2.6 Выводы по Главе 2

1) Превышение среднегодовой, для участка тундры, толщины снежного покрова, вызывает повышение температуры грунта под ним. Результаты математического моделирования тепловых процессов показали следующее:

- в течение длительного срока прогноза происходит постепенная деградация мерзлоты под снежными наносами с образованием талой зоны, не промерзающей в зимнее время;

- скорость роста глубины таликовой зоны постепенно убывает;

- толщина снега, при которой происходит деградация мерзлоты для разных районов заполярной тундры, разная: для южной подзоны она меньше, чем для северной.

2) Предложена классификация снегоотложений с позиции их влияния на состояние дорожных выемок в заполярной тундре (рисунок 2.7):

- по характеру влияния на состояние выемок;

- по характеру расположения на площади;

- по характеру происхождения;

- с точки зрения объяснимости выявленными закономерностями.

С точки зрения характера влияния снегоотложений на эксплуатационные характеристики выемки и их долговечность следует различать механическое и тепловое влияние.

С точки зрения характера расположения снежных отложений по площади следует выделить 3 зоны:

- основная площадка земляного полотна;

- откосы выемки с водоотводными сооружениями;

- прилегающая к земляному полотну зона теплового влияния.

С точки зрения характера происхождения следует выделить естественные и накопленные снегоотложения.

С точки зрения объяснимости выявленными закономерностями снегозаносимость можно разделить на общую (закономерную) и местную (случайную).

Натурные наблюдения за снегозаносимостью на полуострове Ямал подтвердили, что при наличии препятствия в виде непрерывной стенки происходит отложение снега с уклоном откоса 1:/ [46, 47]:

1 = 5^,

-\] 400'

где Q - безразмерная величина, численно равная величине снегопереноса для рассматриваемого региона (м3/м), определяемого по климатологическим справочникам.

Для Салехарда, Н. Порта и Харасавэя значения / равно соответственно 5, 7, 10. Уклон откоса снегонезаносимой выемки должен быть 1:/ по отношению к горизонтали и 1:2/ по отношению к другому откосу. Отсюда

получается следующая приближенная формула снегонезаносимости выемки:

ь-с ^ .. — > 41, п

где Ь - раскрытие выемки, т.е. расстояние от бровки до бровки, м; И - глубина выемки м;

с - расстояние между откосами выемки на уровне профильной отметки земляного полотна, м.

3) При расчетах температурного режима грунтов оснований выемки, при уположенных откосах, следует разделить на 3 группы - глубиной до 2 м, глубиной 2-3 м и глубиной более 3 м. Для выделенных групп среднезимнюю толщину снега на откосах выемки следует принимать в зависимости от района заполярной тундры:

для северной подзоны:

- на нижних 2/3 откоса соответственно 0,6 м, 1,3 м и 2,0 м;

- на верхней 1/3 откоса 0,6 м независимо от глубины выемки. для средней подзоны:

- на нижних 2/3 откоса соответственно 0,5 м, 1,0 м и 1,5 м;

- на верхней 1/3 откоса 0,5 м независимо от глубины выемки.

для южной подзоны:

- на нижних 2/3 откоса соответственно 0,4 м, 0,7 м и 1,0 м;

- на верхней 1/3 откоса 0,4 м независимо от глубины выемки.

4) Анализ существующих методов снегозащиты позволил выявить следующие их недостатки:

- существующие методы защиты ориентированы на защиту от механического воздействия снега, т.е. непосредственно от заноса пути (рисунок 2.10). Тепловое влияние снега не учитывается. Поэтому предлагается защита от снега только непосредственно пути. В регионах с распространением вечной мерзлоты необходима защита и прилегающих территорий, где имеет место растепляющее влияние на многолетнемерзлые грунты основания.

- не учитывается тепловое влияние скоплений снега в пределах самих снегозадерживающих ограждений.

- в существующих нормах [49-51] предусмотрено три группы средств защиты от снегозаносов (рисунок 2.17, типы 1-3): снегозадерживающего действия; снегопередувающего действия; снегоизолирующего действия.

5) Снегозадерживающие сооружения являются местом значительного накопления снега. Проведенные расчеты позволили выявить зависимость температуры грунтов от высоты снежных отложений (рисунок 2.14). Эти зависимости показывают неизбежность формирования глубоких таликов в зоне снегозадерживающих сооружений.

6) Предложена новая классификация средств защиты (рисунок 2.17).

К первой группе относятся лесонасаждения, постоянные заборы и щиты.

Ко второй группе - снегопередувающие заборы.

К третьей группе - галереи, тоннели, выемки тоннельного типа.

Четвертая группа - средства снегонаправляющего действия.

Пятая группа - регулировка определяющих параметров сооружения.

Шестая группа - регулирование формы сооружения.

7) Предложена новая классификации методов снегоборьбы базируется на четырех классификационных критериях: время действия; принцип работы; влияние на состояние многолетнемерзлых грунтов; отношение к объектам строительства (рисунок 2.19).

8) Для условий заполярной тундры предложены и обоснованы два новых средства защиты железнодорожного пути от снежных заносов снегозадерживающего действия. Для северной подзоны - ограждение охлаждающего типа (снегозадерживающий забор с включением термоопор) (рисунок 2.20). Для южной подзоны - лесозащитная полоса растепляющего типа для условий тундры (рисунок 2.24).

Глава 3. Особенности состояния грунтов и поперечного профиля железнодорожных выемок в условиях заполярной тундры

(на полуострове Ямал)

Откосы выемок в условиях заполярной тундры ведут себя неоднозначно. В связи с большим снегопереносом и возможностью заносов снегом выемок, откосы делаются пологими. Это способствует тому, что при грунтах с влажностью менее критической, откосы, несмотря на местные повреждения поверхности из-за процесса фильтрационной консолидации грунта при оттаивании и водной эрозии, не разрушаются. Если откосы выемки сложены грунтами текучими после протаивания (а тем более льдогрунтами или содержат погребенные льды) и после протаивания стекают вниз и в сторону, то начинаются мощные разрушения земляного полотна и прилегающей территории, которые по своему масштабу могут быть непредсказуемыми.

Динамика формирования в летний период деятельного слоя в грунтах с влажностью менее критической: в зоне расположения естественной поверхности с растительным покровом протаивание меньше, в зоне откосов -больше, но грунты после протаивания остаются на месте и протаявший слой, являясь термическим сопротивлением, замедляет все более и более протаивание нижележащего грунта.

Если грунты, складывающие откосы выемки, текучие после оттаивания, то после протаивания они перемещаются вниз по откосу (утекают), оставляя поверхность без термозащиты (т.е. без термического сопротивления внешней среде (теплый воздух, солнечная радиация, дождь)). В этом случае образуется вертикальная поверхность (уступ), которая быстро начинает перемещаться в горизонтальном направлении. Протаявший грунт или лед утекает вниз в сторону пути. При этом возможно заплывание пути грунтом. При наличии продольного уклона местности возможно сползания протаявшей жижи вдоль земляного полотна. Образующийся в результате сплыва грунта откос имеет естественный уклон намного положе откоса выемки. Разрушение

прилегающей территории происходит либо до равновесного состояния сплывающего массива, либо до наступления холодного периода (но продолжится на следующий год), либо после ликвидации условий горизонтального протаивания - закрытия оголенной вертикальной поверхности (уступа) коркой поверхностного слоя грунта, скрепленного растительностью (появление термозащиты).

Поведение откосов выемки, сложенных различными грунтами, в процессе протаивания приведено на рисунке 3.1.

3.1 Особенности состояния железнодорожных выемок в южной части полуострова Ямал

Зона выявления особенностей состояния железнодорожных выемок расположена между станциями Обская и Бованенково. На этом участке велись наблюдения за выемками на км 31, 218, 271, 275, 298, 310 и 475.

Наиболее характерные особенности состояния грунтов основания и поперечного профиля выемок этой зоны можно показать на примере выемки на км 275 (рисунок 3.2). Выемка глубиной до 2,8 м сооружена на площадке с нулевым уклоном. Сложена песками мощностью 2,6-4,8 м залегающими на суглинках мощностью 5-15 м. Категория просадочности и относительная осадка основания земляного полотна: II, а = 0,03-0,01. Заложение откосов выемки 1:15, укрепление откосов выполнено травопосевом по торфо-грунтовой смеси мощностью 0,3 м. Отсыпка земляного полотна выполнена твердомерзлым песком с влажностью до 12 %, в основании на выравнивающий слой уложен пенополистирол толщиной 10 см, поверх которого устроен защитный слой мощностью 30 см. На защитный слой отсыпан скальный грунт фракции 0,1-0,15 м мощностью 30 см. Земляное полотно запроектировано с откосами 1:3.

I)

II)

Рисунок 3.1 - Характер протаивания откоса выемки при различных грунтах: I - маловлажные грунты, II - текучие при оттаивании грунты а), б), в), г) - стадии протаивания, 1 - естественная поверхность грунта с растительным покровом, 2 - полотно дороги, 3 - поверхность откоса выемки, 4 - зона талого грунта, 5 - положение нулевой изотермы, 6 - вечномерзлый грунт, 7 - ось дороги, 8 - верхняя поверхность оплывшего грунта, 9 - зона прослойки талого грунта на поверхности, 10 - корка талого поверхностного слоя грунта, скрепленного корнями

растительного покрова

Рисунок 3.2 - Выемка км 275 (ПК 2743+68). Поперечный профиль

В конце первого после строительства теплого периода (лета) растепление верхних слоев грунта на откосах выемки, в целом, не привело к изменению крутизны заложения откосов, но откосы сильно потрескались, произошли местные деформации, трещины заполнились водой, появились местные промоины. Последующие наблюдения за выемкой в теплые периоды в течении нескольких лет показали, что дальнейшего видимого разрушения откосов выемки не произошло при их постепенном зарастании травой (рисунок 3.3).

Анализ температур грунтов основания выемки в пределах поперечного сечения (рисунок 3.2) показал, что по сравнению с 2007 годом в 2012 году температуры повысились, но в 2013 году остались практически теми же, т.е. температурное состояние стабилизировалось при значениях температур ниже расчетных (таблица 3.1).

I)

II)

Рисунок 3.3 - Состояние откосов выемки на км 275: I - на 31 августа 2008 года, II - на 25 сентября 2012 года

Таблица 3.1 - Начальные, расчетные и фактические температуры грунта на 1 октября в выемке км 275 (ПК2743+68)

№ термоскважины Начальные температуры Расчетные температуры Температурное состояние на 1.10.2012 Температурное состояние на 1.10.2013

Глубина, м Глубина, м Глубина, м Глубина, м

факт. расч. 5 10 15 5 10 15 5 10 15 5 10 15

1 1 -5,1 -5,5 -5,5 -3,0 -3,5 -3,5 -3,7 -5,1 -5,1 -4,5 -5,2 -5,1

2 2 -5,1 -5,5 -5,5 -1,0 -2,5 -2,5 -2,0 -3,2 -3,2 -1,9 -3,0 -3,2

3 3 -5,1 -5,5 -5,5 -1,0 -2,0 -2,0 -1,6 -3,1 -3,1 -2,9 -3,1 -3,1

4 -5,1 -5,5 -5,5 -1,0 -2,0 -2,0 -1,6 -3,1 -3,1 -2,9 -3,1 -3,1

4 5 -5,1 -5,5 -5,5 -1,0 -2,5 -2,5 -1,9 -2,8 -2,8 -1,7 -2,7 -2,8

6 -5,1 -5,5 -5,5 -3,0 -3,5 -3,5 -3,7 -5,1 -5,1 -3,7 -5,1 -5,1

При формировании откосов выемки срезается не только растительный покров, но и определенный слой грунта. За счет оголения поверхности происходит увеличение глубины сезонного протаивания и повышение температуры на глубине нулевых амплитуд. Таким образом при врезке в толщу мерзлых грунтов, они попадают в зону деятельного слоя, т.е. протаивают в летний период. Если грунты высокольдистые, то могут произойти существенные деформации. Для оценки увеличения глубины протаивания на откосе (т.е. на поверхности без почвенно-растительного слоя) на основе данных, приведенных в таблице 3.2, выполнены расчеты. Для проведения расчетов диссертантом применен программный комплекс, созданный специалистами Центральной лаборатории инженерной теплофизики. Результаты расчетов показали, что при оголении от растительности температура грунта на глубине нулевых амплитуд повышается на 2-3 °С, а глубина протаивания увеличивается на 0,5-1,0 м. (рисунки 3.4, 3.5).

Таблица 3.2 - Температуры воздуха и коэффициенты теплопередачи для расчета влияния толщины снежного покрова на температуру грунтов.

Северная подзона

Параметры Месяцы года

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Температу ры воздуха, ¿возд (0С)

-24,1 -24,7 -20,2 -15,5 -7,9 +1,9 +6,7 +8,1 +4,4 -6,6 -14,9 -17,0

Мощность «5» снега, м Коэффициенты теплопередачи, А (ккал/(м2ч°С)

0,0 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20

0,2 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 10 20 20 20 10 1,25 1,25

0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 10 20 20 20 10 0,5 0,5

1,0 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 7 20 20 20 7 0,25 0,25

2,0 0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 5 20 20 20 5 0,13 0,13

3,0 0,09 0,09 0,09 0,09 0,09 3 20 20 20 3 0,09 0,09

а) °с

+ 5,6

+2,74 1 VI,2 +3,82 . -+ 3,1 + 4,4

0,2,1 (А5 /-0,65 — 3,5 1,0 2,0 3,0 (5,

-5,1

б) I, °С

1,0 + 1,0 + 1,3 + 0,9

0,2 0,5 -3,2 2,0 -1,4 +°>6 3,0 б,

-6,5 -9,1 -8,4 — 5,3

Рисунок 3.4 - Зависимость температуры грунта ? на глубине нулевых амплитуд от среднезимней толщины снежного покрова 3 в установившемся режиме: а) южная подзона; б) северная подзона; 1 - при отсутствии на поверхности растительного покрова; 2 - при наличии растительного покрова

Ь, м

1,65 1,85 @ а,

1,05__ 1,10 @ 1_____________ —СО 1,15

0,90 0,95

0,30 0^30___ 0,40 0,50

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

Рисунок 3.5 - Зависимость глубины сезонного протаивания к от среднезимней толщины снежного покрова 3 в установившемся режиме: 1, 2 - для северной подзоны соответственно при отсутствии и наличии на поверхности растительного покрова; 3, 4 - тоже для южной подзоны

3.2 Особенности состояния выемок в северной части полуострова Ямал

Состояние выемок в северной части полуострова Ямал имеет существенное отличие от южной части полуострова, обусловленное тем, что при продвижении с юга на север условия строительства ухудшаются - грунты характеризуются увеличенным содержанием льда и ледяных включений в виде шлиров и пластового льда. Разрушения склонов при нарушении поверхности территории при продвижении на север протекают особенно интенсивно в следствии повсеместного распространения значительной мощности грунтов, которые при оттаивании приобретают текучую консистенцию.

Рассматриваемая зона охватывает территорию существующего участка Бованенково - Карская железнодорожной линии Обская - Бованенково и

проектируемой линии Бованенково - Сабетта. Одним из характерных участков этой зоны является участок от ПК 5376+00 до ПК 5395 + 00, на протяжении которого трасса линии Обская - Бованенково пересекает склоны крутизной от 1:20 до 1:6, равномерно разделенные узкими эрозионными логами. На косогорных участках насыпи имеют высоту от 1,80 до 4,5 м.

На участке выделено 7 подучастков земляного полотна с проявлениями криогенных склоновых процессов различной интенсивности. Ввиду однотипности проявления склоновых деформаций на всех выявленных участках ниже подробно рассматривается состояние наиболее характерного из них - участка № 1 ПК 5376+17 (таблица 3.3), (рисунок 3.6).

Таблица 3.3 - Основные геометрические характеристики рассматриваемого деформируемого участка склона

Показатель Ед. изм. Значение

№ сечения - 01

Пикетаж - ПК 5376 + 16,6

Высота насыпи м 1,8

Средняя высота срезки склона с верховой стороны м 1,80

Ширина участка срезки склона с верховой стороны м 85,0

Размер (длина) зоны сплывов на верховом склоне к 2012 г. м 165

Высота уступа в результате сплыва м 4,50

Естественная крутизна склона - 1:15

Уположение склона за счет срезки - 1:25

Земляное полотно сооружено в 2011 году в виде полувыемок с применением срезок на верховом участке склона непосредственно от подошвы насыпи на ширину 90-150 м вверх по склону и доведением крутизны поверхности склона, примыкающей к верховому откосу насыпи, до 1:25-1:10. Земляное полотно на этом участке отсыпано местным грунтом. В зимний период 2011/12 гг. откосы выемок не были укреплены, было произведено устройство кюветов, укрепленных скальным грунтом по слою геотекстиля.

Изменение поперечного сечения по аварийному участку №2 1 в следствии склоновых процессов приведено на рисунке 3.7. Результатов фотосъемки участка №2 1 с различных позиций, полученные в октябре 2012 г. при натурном обследовании, представлены на рисунке 3.8 [63].

Рисунок 3.6 - Фрагмент участка трассы от ПК 5374 до ПК 5380

го(9 Отметка, и

Расстояние, м

2011 Отметка, м

Расстояние, м

3312 Отметка, м

Расстояние, м

з ¡1 я

1 £13! ¡1 I Яй I II Ш

68 Зй гг.г 24,6 23,9 9,1 £3,1 а 19,6 20,1 9 19,6 8,1 4.3 17.9 £7£ £6.7

III III III14" 4 37 5.8 НИИ - ни III Н III

П 1 1 11 1 Ш (ШШ ¡8 11 1 Ш IIИШ 111 Й1111 ¡11 1 =

10.5 85 90 10.6 4.1 .? 7.0 16.1 4.1 4.7 72 Г1 11.0 53 £ 5.3 8. 6.2 42 5.3 5А 52 |рД 7.8 62 10.9 8.4 .? .3 4.4 4.44 5 8.4 Я 11.2 15.4 8.9

Рисунок 3.7 - Изменение поперечного сечения на ПК 5376+16 (участок №1)

Рисунок 3.8 - Общая картина криогенных деформаций в верхней части склона (участок №1)

Нарушение естественной поверхности склона при срезке грунта дало толчок к интенсивному развитию криогенных склоновых процессов, выражающихся в оползании поверхностных слоев грунта вниз по склону по

мере их сезонного оттаивания. Разрушения склонов при нарушении поверхности территории в рассматриваемых условиях протекают особенно интенсивно вследствие наличия пластовых льдов и засоленности пылеватых песчаных грунтов, не обладающих в переувлажненном состоянии способностью удерживать какой-либо угол естественного откоса.

В результате уположения откоса выемки (подрезки склона) на границе с ненарушенной естественной поверхностью в его верхней части появился уступ с крутой лобовой поверхностью, открывающий мерзлую толщу грунта. Именно здесь происходит интенсивное стаивание мерзлоты, сопровождаемое постоянным оплыванием водонасыщенной грунтовой массы, стекающей вниз по склону к подошве откоса. По мере развития горизонтального протаивания к вершине склона высота оголенного уступа увеличивается, и, как следствие, интенсивность криогенных деформаций возрастает.

Быстро сползающий по крутой поверхности уступа, оттаивающий с поверхности грунт обнажает подстилающие слои вечномерзлой толщи и пласты льда, что приводит к непрерывному процессу криогенной деструкции грунта и вовлечению в этот процесс все новых объемов подстилающих грунтов (рисунок 3.9). Вследствие этого толща оттаивающего оплывающего грунта за один теплый сезон достигает местами до 2,5-4,5 м (таблица 3.3).

1

в результате подрезки склона: 1 - естественная поверхность склона; 2 - исходная площадь срезки склона с уположением откоса; II... VI - последующие этапы развития деформаций; 3 - проектный откос; 4 - стабилизировавшаяся поверхность откоса после завершения

деформаций

Разжиженная грунтовая масса, растекаясь вдоль подошвы верхового откоса земляного полотна, нарушает отвод поверхностных вод на низовую сторону. В результате верховой откос земляного полотна и прилегающая к нему территория сильно обводнены с образованием скоплений поверхностных вод. Неукрепленные откосы насыпи имеют следы водной эрозии. Тело насыпи подвержено расползанию.

Последствия нарушения естественной полосы стока рассмотрим на участке на км 536 ПК 5359+30 (проектный ПК 14602+30). В сентябре 2013 года [64] было проведено обследование проблемного участка земляного полотна, которое включало в себя температурные замеры, георадарную съемку, контрольное определение глубины протаивания составным металлическим щупом (пенетрация), осмотр и описание компонентов земляного полотна и смежных зон. Результаты наблюдений сопровождаются фотографиями (рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 - Общая картина криогенных деформаций с части склона

(участок на км 536 ПК 5359+30)

Обследование земляного полотна на км 536 выявило следующее:

- проблемный участок трассы железной дороги на км 536 проходит по полого-наклонному склону, грунты основания которого сложены высокольдистыми глинами, суглинками и супесями, местами засоленными и сильнопросадочными при оттаивании; повсеместно обнаружено залегание подземных пластовых льдов. Естественная поверхность представляет собой моховую и заболоченную тундру с многочисленными пазухами, логами и полосами стока в северном направлении - к ручью (мост км 537) и западном -к обширному озеру, расположенному в непосредственной близости от дороги;

- строительство земляного полотна железной дороги привело к изменению состояния естественной природной среды в смежной с озером зоне (перекрытию естественной полосы стока надмерзлотных и поверхностных вод, увеличению снежных отложений по сравнению с естественными условиями) и, как следствие, некоторому увеличению глубины протаивания грунтов у подошвы, всевозможным нарушениям естественной поверхности, связанным с проездом строительной техники и т.д. Все это значительно активизировало развитие термоабразией и термоденудацией (сочетания комплексов теплового и механического разрушения берегов, сложенных мерзлыми рыхлыми породами, путем подмыва, механического воздействия волн, температуры воды, воздуха и атмосферных осадков);

- на всем приозерном пространстве происходит процесс отступания берегов и развития оврагов в сторону железной дороги.

3.3 Методика выбора типа выемки в многолетнемерзлых грунтах

В результате анализа состояния грунтов и поперечного профиля железнодорожных выемок в условиях многолетнемерзлых грунтов выявлены следующие закономерности:

- вследствие оголения поверхности откоса от растительного покрова температура грунта на глубине нулевых амплитуд повышается на 2-3 °С, а глубина протаивания увеличивается на 0,5-1,0 м;

- устойчивость откосов выемок открытого типа определяется их крутизной и влажностью грунтов вновь образующегося деятельного слоя;

- наличие термического сопротивления внешней среде (теплый воздух, солнечная радиация, дождь) на бровке выемки в грунтах, текучих при оттаивании, сохраняет прилегающую к выемке территорию от горизонтального протаивания.

- откосы раскрытых выемок могут специально не укрепляться при влажности грунтов менее критической, поскольку их пологость обеспечивает достаточную устойчивость, а в дальнейшем - зарастание;

- земляное полотно в зоне самого пути должно проектироваться в соответствии с температурным режимом и с учетом теплового влияния откосов и прилегающей территории, при этом могут быть предусмотрены: замена грунта, устройство теплоизоляции.

На основе выявленных закономерностей и выводов по главе 2 даны следующие рекомендации учета геокриологических и природно-климатических условий при проектировании трассы линии (рисунок 3.11), которые заключаются в поэтапном принятии решения о конструкции выемки в многолетнемерзлых грунтах:

Этап 1. Анализ геокриологических условий (рисунок 3.12):

- при грунтах устойчивых при оттаивании при принятой крутизне откосов преимущественным типом выемок является открытый тип. Однако в ряде случаев (например, при стесненных условиях) может быть применена и выемка тоннельного типа.

- при текучих при оттаивании грунтах анализируется глубина выемки.

Рисунок 3.11 - Принципиальная схема разделения областей применения выемок открытого и тоннельного типа в зависимости от критической влажности грунта

Этап 2. Анализ трассы линии - обоснование глубины выемки:

- при глубине выемки более трех метров преимущественными типами выемок являются выемки тоннельного типа. При соответствующем рельефе местности, когда разрушения окружающей территории будут незначительными, могут быть рекомендованы выемки открытые.

- при глубине выемки три метра и менее анализируется годовой объем снегоприноса и возможность реализовать средства защиты пути от снежных заносов.

Этап 3. Анализ снегозащитных мероприятий на участке выемки:

- при возможности реализовать мероприятие из групп 1-5 Классификации (рисунок 2.18) конструкция выемки может быть снегозаносимой или снегонезаносимая. Решение принимается на основании технико-экономического сравнения.

- при невозможности реализовать мероприятие из групп 1-5 Классификации принимается снегонезаносимая конструкция выемки.

Рисунок 3.12 - Выбор типа выемки в многолетнемерзлых грунтах

Этап 3 также реализуется если выемка открытого типа устраивается в грунтах устойчивых при оттаивании.

Предложенная методика позволяет, сопоставляя глубину выемки и результаты геологических, гидрометеорологических и геодезических инженерных изысканий, осуществить выбор типа выемки в многолетнемерзлых грунтах.

Дополнительно необходимо отметить:

- откосы раскрытых выемок могут специально не укрепляться при влажности грунтов менее критической, поскольку их пологость обеспечивает достаточную устойчивость, а в дальнейшем - зарастание;

земляное полотно в зоне самого пути должно проектироваться в соответствии с температурным режимом и с учетом теплового влияния откосов и прилегающей территории, при этом могут быть предусмотрены: замена грунта, устройство теплоизоляции.

3.4 Выводы по Главе 3

1) Особенностью откосов в южной части полуострова Ямал является их общая устойчивость, которая объясняется большой пологостью откосов, необходимой для обеспечения снегонезаносимости, и допустимой влажностью грунта. Это наглядно видно из сопоставления фото, сделанных сразу после сооружения выемки на км 275, и фото той же выемки, сделанных через 4 года (рисунок 3.3).

Сущность процессов сезонного протаивания на откосах выемки представлены на рисунке 3.1 при грунтах маловлажных процесс протаивания определяется направлением перпендикулярным поверхности откосов и является замедляющимся в течение лета.

При сооружении выемки нарушаются естественные природные условия, что приводит к изменению температурного режима грунтов (рисунки 3.4, 3.5). Это необходимо учитывать при проектировании выемок.

2) В северной части полуострова Ямал широко распространены высокольдистые грунты, текучие при оттаивании, а также льдогрунты и погребенные льды. Поэтому влияние нарушения естественных природных условий может привести к весьма пагубным последствиям (рисунки 3.8, 3.10).

Сущность процесса сезонного протаивания определяется двумя составляющими (рисунок 3.1). Первая составляющая охарактеризована в п.1 данных выводов. Вторая составляющая определена горизонтальным

направлением и не замедляющейся во времени скоростью. Этот процесс начинается в месте нарушения естественной поверхности и развивается в сторону подъема поверхности: в образующихся вертикальных уступах грунт протаивает и сразу же стекает вниз, снова оголяя мерзлый грунт. Другими словами, протаявший грунт не является термоизоляцией и поэтому не замедляет процесс протаивания.

При сооружении выемки в северной подзоне необходимо учитывать возможность процесса горизонтального протаивания и применять соответствующие меры.

3) Преимущественным типом выемок в южной части полуострова Ямал являются выемки открытого типа, преимущественным типом выемок в северной части полуострова Ямал являются выемки тоннельного типа (при глубине выемок более 3 м). При этом по возможности должна быть минимизирована зона с нарушениями естественных условий, которая формируется как в выемке открытого типа за счет среза растительного покрова, так и в выемке тоннельного типа за счет повышенных снежных отложений при возведении тоннельных ограждающих конструкций над уровнем естественной поверхности более 1,0 м.

4) Предложена методика выбора типа выемки в многолетнемерзлых грунтах.

Глава 4. Обоснование основных параметров выемок

Результаты строительства и эксплуатации железнодорожных выемок в различных условиях линии Обская - Бованенково указывают, что устройство выемок без разработки технических решений, учитывающих климатические и мерзлотно-грунтовые условия заполярной тундры, связано с большими сложностями.

Конструктивные решения выемок должны обеспечивать их эксплуатационную надежность и безопасность и экономичность с учетом геокриологических условий и условий снегопереноса района строительства.

4.1 Выемки открытого типа

В соответствии с выводами главы 3 в районе распространения многолетнемерзлых грунтов для конкретных условий возможно применение выемок открытого типа, как снегонезаносимых, так и снегозаносимых при условии реализации средств снегозащиты.

Типовое поперечное сечение выемок представлено на рисунке 4.1. Это сечение разработано для регионов, где нет вечной мерзлоты [65]. Рядом с основной площадкой расположены кюветы. Крутизна откосов зависит от вида грунтов и характера снегопереноса. При сильном снегопереносе крутизну откосов назначают не менее, чем 1:5. В этом случае выемка носит название «раскрытой». Банкет, забанкетная канава и нагорная канава устраиваются для отвода поверхностных вод. На железножорожной линии Обская -Бованенково были применены такие выемки с уклоном откосов от 1:10 до 1:15. Состояние этих выемок охарактеризовано в главах 2 и 3.

Рисунок 4.1 - Типовой поперечный профиль выемки вне зоны вечной

мерзлоты: 1 - нагорная канава; 2 - кавальер; 3 - забанкетная канава;

4 - банкет; 5 - кювет

В отличие от южной (широта Салехарда) и средней (широта Н. Порта) подзон заполярной тундры, где применение открытых выемок с пологими откосами оправдано, в северной подзоне возникают следующие проблемы их применения:

1) Нарушение естественной поверхности тундры крайне опасно и может привести к серьезным деформациям и разрушениям крупных грунтовых массивов. В этом случае рекомендуются выемки тоннельного типа;

2) Характеристика общего мерзлотного состояния грунтов. В южной подзоне (на широте Салехарда) мерзлота в ряде случаев деградирует. Опасность факта ее деградации усиливается благодаря глобальному потеплению. Для обеспечения надежной эксплуатации выемок должны быть разработаны предложения по совершенствованию конструкции выемок. Эти предложения сформулированы ниже, в данной главе;

3) Применение забанкетной и нагорной канав для перехвата поверхностных нагорных вод (в соответствии с рисунком 4.1) может привести к формированию таликов в их зоне и, как следствие, к деформации грунтов [66]. Предложения по системе водоотвода также будут сформулированы в данной главе.

Учет опасности растепления и деградации мерзлоты при сооружении выемок может быть осуществлен путем формирования мероприятий по

охлаждению грунтов. Эти мероприятия могут быть двух видов: поверхностное и глубинное виды охлаждения.

Для осуществления поверхностного охлаждения может быть предложено сооружение уширенной основной площадки, возвышающейся над типовой не менее, чем на 0,5 м. В этом случае снег будет сдуваться с верхней поверхности, что приведет к поступлению холода в зимний период. Схема выемок приведена на рисунке 4.2.

Кроме поверхностного охлаждения возможно предусмотреть глубинное охлаждение, которое может быть осуществлено с помощью термоопор или термосифонов.

Схема охлаждения при мерзлоте сливающегося и не сливающегося типов приведена на рисунке 4.2.

Для обеспечения должного эффекта уширенная основная площадка должна иметь соответствующие размеры, которые определяются с помощью теплофизического расчета. Приближенно можно сказать, что ширина основной площадки должна быть больше 4-х глубин сезонного протаивания.

На рисунках 4.3 и 4.4 представлена схема для построения поперечного сечения выемок. Если по теплофизическому расчету требуется ширина земляного полотна на уровне основной площадки Ь > 2-к-г, то одновременно с уширением площади увеличивается и общее раскрытие выемки:

В > 4 ■ к ■ I = Ь + 2 ■ к ■ г, где к = а + 3 (см. рисунок 4.5).

При требуемой ширине основной площадки Ьх, меньше, чем «2 к г» (в соответствии с теплофизическим расчетом), построение поперечного сечения выемки осуществляется в соответствии с рисунком 4.5. При этом откос

л . . 2к4-Ьх

выемки имеет уклон 1:гх, где 1Х = —■—.

II

Рисунок 4.2 - Схема выемки на слабых грунтах: I - температурное поле после строительства; II -тоже в установившемся режиме; а) - при мерзлоте несливающегося типа; б) - при мерзлоте сливающегося типа

В = 4*ИЧ