Автори: - С.Я. Луцький, д.т.н., професор
- А.М. Черкасов, к.т.н., керівник науково-дослідної мерзлотной лабораторії
- К.М. Хрипков, інженер (МИИТ)
Стаття опублікована в № 7 журналу «СТТ», 2012 рік
Будівництво шляхів сполучення на Півночі і всебічне освоєння Сибіру відрізняються невиліковним актуальністю для народного господарства. Одна з найскладніших технологічних завдань полягає в підвищенні надійності земляних споруд в найбільш уразливих місцях потенційної деградації вічної мерзлоти на основі профілактики техногенних і мерзлоти процесів в будівельний період, а також в реалізації технологічних режимів, що забезпечують скорочення термінів зведення земляного полотна в екстремальних природних умовах Півночі.
Обстеження побудованих ділянок нової залізничної лінії Обская - Бованенково - Карська на Ямалі розкрило вкрай негативні процеси деградації мерзлоти на кордоні техногенного втручання в природу (насип - підстава). Порушення гідрологічного режиму поверхневих вод призводить до формування підтоплених зон, утворення термокарста і руйнування водовідвідних і водопропускних споруд. Снігонакопичення в смузі відводу стали ділянками отепляющее впливу і змінили температурний баланс в мерзлій товщі. Порушилася стійкість мерзлоти процесів і почалося утворення нових наскрізних і непрямих талікових зон.
Складність полягає не тільки в екстремальних природно-кліматичних умовах. Досвід експертизи будівництва та тимчасової експлуатації залізниць Ягельная - Ямбург, Обская - Бованенково - Карська і Беркакит - Томмот - Якутськ показав необхідність забезпечення безпеки споруд, починаючи з будівельного періоду. В ході робіт на многолетнемерзлих грунтах, в залежності від пори року і осад змінюються їх фізичні властивості, що може вимагати зміни не тільки технології, але і конструкції споруд. Цим вимогам повинна відповідати і машинобудівна продукція фірм, що купується північними будівельниками для парків машин, устаткування і транспортних засобів.
Будівництво об'єктів в районах поширення багаторічномерзлих грунтів пов'язано, в першу чергу, з унікальними природними умовами і явищами. У тундрі застосовують технологію і організацію робіт, орієнтовану на практично повну відсутність грунтів, придатних для зведення насипів, і поширення многолетнемерзлих боліт. З - за великий льдонасишенності спостерігаються значні деформації природних схилів і укосів насипів, термоерозіонние і соліфлюкціонние процеси. Необхідно враховувати всю сукупність природно - кліматичних, гідро - геологічних і мерзлоти процесів на основі фундаментальних закономірностей мерзлотоведения. Недостатнє врахування їх наслідків може катастрофічно вплинути як і на хід будівництва, так і на подальшу експлуатацію об'єкта.
В екстремальних умовах будівництва об'єктів транспорту на Півночі особливо актуальний вибір взаємопов'язаних конструктивних, технологічних і екологічних рішень, що забезпечують надійність об'єктів. Серед прогресивних рішень назвемо розроблену в МІІТе комплексну технологію, що об'єднує можливості сучасних геосинтетичних матеріалів, мобільної техніки в північному виконанні, пристроїв для терморегулювання і приладового моніторингу процесів (Луцький С.Я., Шепітько Т.В. та ін. Будівництво шляхів сполучення на Півночі. - М .: ЛАТМЕС. - 2009).
Природа деформацій насипів в складних інженерних умовах залежить від ходу будівельних робіт при формуванні нової природно-технічної системи і природних процесів, що відбуваються в грунтах при їх промерзанні-відтаванні. Деформації земляних споруд відбуваються під впливом комплексу теплофізичних, фізико-механічних, масообмінних та фізико-хімічних факторів.
Основні фактори, які впливають на утворення таликов: теплофізичні характеристики і вологість грунтів основи, кліматичні параметри, що заносяться снігом, рівень подтопляемості ділянки і терміни будівництва.
Для аналітичної стадії обстеження на обраних пікетах траси Обская - Бованенково грунтові розрізи і характеристики грунтів приймалися за матеріалами проектів і моніторингу організованих на дослідних ділянках режимних мереж, кліматичні параметри - за даними спостережень метеостанції Юрибей, найближчої до розглянутого ділянці траси. Результати обстеження підтвердили необхідність спеціальних конструктивно-технологічних рішень земляного полотна в талікових зонах. Талики - масиви талого грунту, що залягають всередині товщі многолетнемерзлих грунтів, - є джерелом нестабільності підстави, деформацій земляних споруд. Причина їх появи - аномальні явища, що викликають порушення природного температурного режиму Багаторічномерзлі основи, складеної льодистими грунтами, зокрема при зміні умов поверхневого теплообміну на кордоні підстави з повітрям і при мінералізації ґрунтів. Талики можуть виникнути як в ході будівництва, так і в період тимчасової експлуатації лінії.
Динаміка зміни стану природно-технічної системи, якої є нова залізниця, призводить до необхідності розробки методів регулювання технологічних процесів, відповідних зміни стану об'єкта будівництва. Вибір конструктивно-технологічних рішень в процесі будівництва залежить від виду талікових зон: 1) фактично склалися таликов; 2) потенційних талікових зон.
Традиційний підхід до оцінки умов формування таликов заснований на порівнянні глибини сезонного відтавання і промерзання основи земляного полотна зверху і знизу при нуле¬вой середньорічній температурі і відсутності значних теплопоток на нижній межі потенційних глибин відтавання і промерзання.
Мал. 1. Фрагменти поздовжнього профілю залізничної лінії Бованенково - Карська з ґрунтовим розрізом фактичного освіти талікових зон на пікетах ПК 5518 і ПК 14585.
Параметри зони освіти таликов, в першу чергу глибини промерзання і відтавання грунту залежать від коефіцієнтів теплопровідності грунту в талому і мерзлому стані, среднелетней і среднезімніх температури поверхні грунту в межах основного майданчика або укосу насипу, тривалості літнього та зимового періодів, среднелетнего і среднезімніх термічного опір теплообміну ; коефіцієнтів теплообміну в літній і зимовий час; термічного опору ізоляції; среднезімніх термічного опору снігового покриву; питомої теплоти замерзання води (танення льоду); щільності і вологості талого і мерзлого грунту.
Розрахунки теплового балансу для ділянки на ПК 14584 +00 - 14586 + 80 показали: через недостатнє зимового промерзання грунту освіту фактичної талікових зони було неминучим, її необхідно усунути до завершення робіт по земляному полотну. Проблема в тому, щоб не тільки зафіксувати талікових зони, але і та вжити всіх можливих заходів по їх ліквідації та профілактики вже в будівельний період.
Вченими МІІТа був складений для ВАТ «Ямалтрансстрой» технологічний регламент будівництва експериментального ділянки роз'їзд Хралов - станція Сохонто, в якому запропоновано побудувати технологічну автодорогу (ТАД) в тілі насипу, що забезпечує постійний внутрішньобудівельний транспорт з метою доставки грунту з притрасових кар'єрів, будівельних матеріалів і конструкцій.
Концепція технологічного регламенту полягала в розробці та реалізації нової комплексної технології індивідуально для кожного виду небезпечних ділянок. Були виділені параметри закономірностей, які допускають технологічне регулювання. До них відносяться: тепло¬проводность талого і мерзлого грунту основи, сума градусо-годин за літній і зимовий період на денній поверхні в будівельному циклі; теплота фазового переходу на кордоні насип - підстава ТАД.
Для ліквідації умов освіти таликов в потенційно небезпечній зоні запропоновані і ефективно реалізовані наступні стадії комплексної технології:
1) влаштування технологічного автодороги;
2) пристрій дренажних прорізів і регулювання вологості;
3) інтенсивна технологічна стадія зміцнення підстави;
4) установка сезонно - діючих охолоджуючих термосифонів;
5) регулювання товщини снігового покриву до зведення насипів.
Важливо відзначити, що кожна стадія включає комплекс процесів, пов'язаних у часі виконання і за місцем проживання на трасі лінії, які є взаємодоповнюючими в сенсі підвищення впливу на негативні явища в основі насипів.
По кожній стадії були встановлені фізичні і формальні взаємозв'язки між природними і регульованими технологічними процесами. Для цього в розрахункові конструктивно-технологічні схеми введені параметри і процеси, що допускають зміни в ході проектування і будівельного виробництва: види по¬кровов (промерзають і не промерзає, природні і тех¬ногенние), характеристики конвективного теплообміну в грунтові (інфільтрація, конденсація), зміна тепловологових режимів і ін. Простежимо взаємозв'язок технологічних і фізичних параметрів на кожній стадії.
Перша стадія комплексної технології і відповідно, перший спеціалізований процес - влаштування технологічного автодороги, - є головною умовою будівельного виробництва в криолитозоне через деградацію діяльного шару мерзлоти влітку і снегозаносимости смуги відведення взимку.
Рис.2. Формування талікових зони на ділянці ПК 14585 лінії Обская - Карська (1 глибина зимового промерзання грунтів зверху; 2 - глибина річного відтавання; 3 глибина зимового промерзання знизу).
Для запобігання деформацій при відтаванні грунту в насипу влаштовують геотекстильні обойми, в основу укладається пінополістирол, основна площадка зміцнюється георешітки і скельним грунтом (розрахункова висота конструкції не повинна допускати сезонного відтавання підстави). У такому виконанні технологічна автодорога, по-перше, набуває конструктивну функцію - стає ядром жорсткості майбутньої постійної насипу залізниці, по-друге, - організаційну, так як забезпечує внутрішньобудівельний транспорт для всіх підрядних організацій на трасі і розстановку техніки на робочих ділянках до початку теплого періоду. У період позитивних температур здійснюється завершення відсипання залізничного насипу до проектного обриси з використанням вже існуючого до цього часу суцільного технологічного автопроїзда, зміцнення укосів і основного майданчика земляного полотна.
Така конструкція і динаміка зведення ТАД активно протидіють умовами утворення таликов і разом з термосифонного усувають фактичні талікових зони. Спорудження ТАД проводиться на початку першого зимового періоду зведення насипу, після підготовчих робіт. Термін розраховується, виходячи з тривалості пристрої технологічної автодороги на типовий захватке 200м, яка дорівнює 5 днів.
Можливість вибору термінів виконання кожного технологічного процесу дозволяє регулювати в ході робіт температурний режим ґрунтів підстави, тим самим запобігти утворенню талікових зон в будівельний період.
У найбільш небезпечних місцях виникнення і розвитку термокарста - у укосів ТАД запропоновано організувати терморегулювання мерзлоти процесів за рахунок установки сезонно - діючих охолоджувальних пристроїв (термосифонів). Ідея полягає в тому, щоб вже при підготовці виробництва і негативному прогнозі растепленія в зв'язку з накопиченням снігу або підтопленням насипу, знизити температуру грунтів основи.
Вплив термосифонів поєднується з теплоізоляцією мерзлих грунтів, що діє від всієї конструкції технологічної автодороги, особливо від плит пінополістиролу, що укладаються в її підставі. Відомий позитивний досвід застосування термосифонів в конструктивних рішеннях насипів. Охолодження пластічномерзлих грунтів проводиться з метою перетворення їх в твердомерзлих і, відповідно, підвищення їх міцності і зниження деформаційних властивостей, а талих грунтів - з метою створення однорідних мерзлоти умов на будівельному майданчику шляхом проморожування некрізних таликов.
У складі комплексної технології термосифонного повинні виконувати регулюючу функцію Їх установка виконується як в комплексі зі спорудженням ТАД, так і окремо від нього, але строго в тих місцях, де присутні критичні значення параметрів освіти таликов. У місцях, де немає необхідності їх установки для стабілізації підстави майбутньої насипу, земляне полотно споруджується в перший зимовий період до проектних відміток, з можливістю з'їзду на ТАД. Термосифонного встановлюють в пробурені свердловини вздовж ТАД вертикально, відхилення допускається на величину не більше діаметра. Радіус заморожування сезонно-діючих охолоджувальних установок біля основи насипу визначає крок їх розстановки уздовж траси.
Регульованим параметром при профілактиці талика є термічний опір снігового покриву на схилах ТАД і в смузі відводу. Сніговий покрив - факто¬р, який бере участь у формуванні температурного режиму грунтів в холодних регіонах, його вплив на температур¬ное поле грунтів різноманітне і може мати різноспрямований характер. Величина і спрямованість впливу снежно¬го покриву залежить від його висоти і теплопровод¬ності, від характеру снігонакопичення в часі, від клімат-чеських умов, а також від річного теплообміну в подстилающих грунтахах. Так, при малих потужностях снігового покриву сніг може надавати охолоджуючий вплив на температурний режим підстилаючих грунтів. Те ж саме може відбуватися і при великих значе¬ніях висоти снігового покриву за рахунок тривалої затримки схо¬да снігу і скорочення річного нагрівання підстави насипів. Однак основний вплив на формування температури грунтів основи надає сніг як утеплювач, що перешкоджає охолодженню грунтів в межах шару річних теплооборот в зимовий період. Отепляющее вплив снігового покриву визначається його низьку теплопровідність і сезон¬ностью існування (тільки в холодний період) і може призводити до підвищення середньорічної температури грунтів относі¬тельно такої на денній поверхні на величину до 10 і більше. Ці процеси підтверджують необхідність очищення підстави від снігу до початку облаштування ТАД.
Найбільше регулююче впливає теплоізоляція (зокрема, плити пінополістиролу), яка дозволяє направлено управляти мерзлотнимі процесами в основі насипу. Так, утеплювач, укладений на схилах, зменшує се¬зонное промерзання грунтів насипу взимку і оттаі¬ваніе влітку. Збільшення термічного опору теплообміну поверхнос¬ті насипу в зимовий час менше, ніж в літній через наявність снігу. В результаті промерзання буде боль¬ше, ніж відтавання, і в основі насипу проізой¬дет охолодження грунтів.
Ці висновки щодо сніжного покриву і теплоізоляції істотно використовуються при влаштуванні ТАД. У першій половині зими (з моменту встановлення стійкого суміжного покриву і до моменту інверсії знака теплопотока) виробляють систематичне видалення снігу з основи насипу і частини прилеглої території. Снігоочищення може здійснюватися механічним або газодинамічних способом за допомогою авіаціон¬ного двигуна, встановленого на дрезині. Укладання теплоізоляції в основу ТАД проводиться в кінці зими, в першу чергу в потенційно небезпечних талікових зонах, вона охороняє підставу від відтавання і забезпечує можливість наскрізного проїзду уздовж траси.
Розглянемо одному стадію КОМПЛЕКСНОЇ технології - Пристрій дренажу и регулювання вологості Підстави. Ее віконують на ділянках вісокотемпературної мерзлоти при підвіщеній вологості Слабкий грунтів, підстілаються міцнім кулею. На ціх ділянках ТАД влаштовують на обході ОСНОВНОЇ траси. Можлівість и результатівність регулювання вологості грунтів в Основі залежався від организации контролю температур, вологості и облог грунтів при регулюванні ущільнюючіх НАВАНТАЖЕННЯ. Зміна вологості веде до Зміни теплофізичних властівостей ґрунтів - теплопровідності и теплоємності. Лабораторні визначення теплофізичних властівостей підстав свідчать про Зменшення коефіцієнта теплопровідності грунтів зі збільшенням їх дісперсності. Тому за других рівніх умів найбільші Глибина сезонного промерзання (протаивания) формуються в грубодисперсних грунтах и найменші в тонкодисперсних грунтів. Оскільки теплопровідність грунтів підвищується зі збільшенням їх щільності, то і цей фактор робить певний вплив на зміну потужності сезонних талого і мерзлого верств, особливо в процесі ущільнення кожного шару.
Зміна вологості ґрунтів впливає на глибину відтавання двояко: по-перше, через зміну теплофізичних властивостей ґрунтів, по-друге, через величину фазових переходів води. Коефіцієнт теплопровідності дисперсних грунтів зростає зі збільшенням їх вологості, оскільки теплопровідність води і льоду вище, ніж повітря. Найбільш різке збільшення теплопровідності талих грунтів спостерігається в діапазоні малих влажностей (до максимальної молекулярної вологоємності) і продовжує збільшуватися з підвищенням вологості (до повної вологоємності).
Разом з тим, збільшення вологості (льдистости) мерзлих дисперсних ґрунтів веде до збільшення їх теплопровідності. Зростання глибини сезонного промерзання і протаивания спостерігається зі збільшенням вологості до критичної величини, при якій потенційно можлива поява талікових зон. Відповідно виникає потреба і можливість регулювання вологості в будівельний період для спрямованого поліпшення теплового балансу в основі земляного полотна з водонасичених грунтів.
Для таких вкрай складних умов на будівництві нової лінії Томмот-Якутськ МІІТа був запропонований і прийнятий генпідрядником - компанією Інжтрансстрой технологічний регламент інтенсивної технології зміцнення слабких основ.
Розглянемо зміст третьої стадії комплексної технології - інтенсивного зміцнення підстави. Її регламент включав три етапи:
1) Пристрій поздовжніх дренажних канав уздовж укосів насипу з засипанням піщано-гравійної сумішшю (ПГС);
2) пристрій дренажних прорізів екскаватором з навантаженням грунту на автосамоскиди і вивезенням у відвал, заповнення прорізів ПГС фронтальним навантажувачем, які працюють в комплекті з екскаватором. Прорізи влаштовуються в слабких водонасичених грунтах з ухилом з метою прискорення консолідації підстави за рахунок скорочення шляху фільтрації води, віджимають з слабкою товщі. Особливістю розрахунку дренажних прорізів є необхідність врахування умов фільтраційної консолідації грунтів в покроковому режимі під будівельної навантаженням;
3) пристрій захисного шару і ущільнення підстави віброкатків по захисному шару. Цей основний технологічний етап призначений для контрольованого зменшення вологості і підвищення модуля деформації грунтів;
4) відсипання шарів насипу розрахунковою потужністю 0,4 м - 0,8 м до проектної позначки з ущільненням віброкатків.
Ущільнення грунтів на будівництві земляних споруд відрізняється складною взаємодією характеристик грунтових масивів насипів, підстав і параметрів роботи ковзанок при постійному контролі й регулюванні технологічних процесів. В сукупності вони утворюють техніко-технологічну систему, що функціонує на принципах прямого і зворотного зв'язку між параметрами окремих підсистем з метою найбільш ефективного і якісного виконання робіт.
Особливо важливий систематичний контроль змін всіх ґрунтових характеристик на ділянках високотемпературної мерзлоти, в зв'язку з вкрай нестійким станом при зміні навіть погодних умов в ході робіт.
Моніторинг та управління технологічними процесами після влаштування дренажних прорізів і захисного шару в основі включають:
- лабораторні випробування грунтів (модуля деформації, порового тиску, опади, температури грунтів);
- прогноз ґрунтових характеристик підстави і насипу;
- розрахунок коефіцієнтів стабільності;
- регулювання параметрів вібраційного навантаження.
Інтенсивна технологічна стадія зміцнення слабкої основи була запроектована для експериментальної ділянки з високотемпературної мерзлотою в шарі текучепластічной суглинку товщиною 2,5 м, що підстилає піщаником і доломітом, на 673км залізниці лінії Томмот - Кердем. Проведена спільно з кафедрою «Колія та колійне господарство» МІІТа по комп'ютерній програмі комплексна оцінка стійкості слабкої основи і напружено-деформованого стану грунтів показала, що при традиційній відсипанні насипу з бермами в підставі виникають зони нестабільності. Був передбачений наступний календарний план виконання робіт: 1) пристрій дренажних канав, прорізів і захисного шару - восени, після промерзання верхній частині діяльного шару для роботи екскаватора і навантажувача; 2) весняний дренаж і відведення води по прорізах в канави і далі в водопропускну трубу; 3) літній відтавання і дренаж діяльного шару; 4) інтенсивне ущільнення підстави віброкотком з віджиманням парової води в дренажні прорізи.
У такому виконанні інтенсивна технологічна стадія покращує характеристики грунтів і призводить до підвищення стійкості підстав при відсипанні насипу. Одночасно ліквідуються зони нестабільності. Комплексна технологія об'єднує (у часі і за спільним впливу на температурний режим підстави) позитивні якості окремих стадій: пристрої технологічної автодороги; регулювання теплозахисних властивостей грунтів основи і конструкції ТАД; пристрою термосифонів біля основи технологічної автодороги для промерзання грунтів талика; регулювання вологості ґрунтів; інтенсивне ущільнення підстави; відсипання нижній частині насипу і берм з доставкою грунту за технологічною автодорозі.
Дія заходів для регулювання теплового режиму грунтових масивів проявляється виключно комплексно. Відзначимо також ефективність розробленого і запатентованого методу технологічного регулювання, що забезпечує активну кероване вплив на параметри будівельного виробництва з метою профілактики і лікування небезпечних для земляних споруд станів ґрунтів у підставі багатоповерхових земляних споруд (Луцький С.Я., Шмельов В.А., Бурукин О.Ю . Спосіб зміцнення слабкого природного підстави для зведення дорожнього земляного полотна / Патент на винахід №2449075, 2011).
Викладені стадії профілактичних і лікувальних заходів взаємопов'язані і складають комплекс організаційно-технологічних рішень, ефективність якого полягає в підвищенні надійності земляних споруд в будівельний період в найбільш уразливих місцях потенційної деградації вічної мерзлоти на будівельних об'єктах.