Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель, задачи и методика исследований 8
1.1. Особенности строительства железных дорог в юго-восточной части криолитозоны России. Актуальность работы 8
1.2. Каменная наброска - одно из эффективных мероприятий по стабилизации температурного режима тела и оснований инженерных сооружений. Цель и задачи работы 26
1.3. Методика исследований 35
2. Основные особенности работы каменной наброски 53
2.1. Принцип работы и возможные конструктивные решения 53
2.2. Экспериментальные исследования на полигонах в Сковородино и Тынде 58
2.3. Анализ общих особенностей работы каменной наброски 64
2.4. Выводы по главе 2 83
3. Эффективность работы различных камненабросных конструкций 84
3.1. Разработка конструкций и технологии возведения камне-набросных конструкций 84
3.2. Многолетние наблюдения за температурным режимом тела и оснований сооружений, возведенных с использованием каменной наброски 97
3.3. Математическое моделирование с использованием ЭВМ тепло-физических процессов в железнодорожной насыпи с каменной отсыпкой на откосах с толщиной отсыпки до 0,5 м 104
3.4. Математическое моделирование с использованием ЭВМ тепло-физических процессов в железнодорожной насыпи с каменной отсыпкой на откосах толщиной 0,7 м 119
3.5. Выводы по главе 3 120
4. Разработка методики расчета температурного режима сооружений с каменными набросками 122
4.1. Температура поверхности на откосах по подошве каменной наброски 122
4.2. Учет каменной наброски на откосах корректировкой коэффициентов теплоотдачи. Условные коэффициенты теплопроводности каменной наброски 138
4.3. Особенности изменения характера теплообмена при изменении толщины наброски 145
4.4. Разработка основных положений расчета на ЭВМ каменной наброски на откосах с учетом тепловых потоков в наброске, направленных параллельно откосу 151
4.5. Выводы по главе 4 160
5. Внедрение и перспективы применения способов стабилизации температурного режима тела и оснований земполотна с применением скальной наброски 162
5.1. Экономическая эффективность применения скальных набросок для повышения тепловой устойчивости земляного полотна и ИССО в районах вечной мерзлоты 162
5.2. Реализация и апробация работы 168
5.3. Выводы по главе 5 172
Заключение 174
Литература 178
- Каменная наброска - одно из эффективных мероприятий по стабилизации температурного режима тела и оснований инженерных сооружений. Цель и задачи работы
- Разработка конструкций и технологии возведения камне-набросных конструкций
- Особенности изменения характера теплообмена при изменении толщины наброски
- Экономическая эффективность применения скальных набросок для повышения тепловой устойчивости земляного полотна и ИССО в районах вечной мерзлоты
Введение к работе
Актуальность. Обеспечение устойчивости и
стабильности земляного полотна железных дорог, возводимых в районах распространения вечномерзлых пород на слабых просадочных при оттаивании вечномерзлых грунтах и близко залегающих к дневной поверхности подземных льдах, было и пока еще остается одной из актуальнейших проблем инженерного мерзлотоведения. Впервые в мировой практике строительства железных дорог с необходимостью решения этой проблемы столкнулись строители Транссибирской магистрали в процессе сооружения Забайкальской (1885 - 1900 гг.) и Амурской (1910 -1916 гг.) железных дорог. Следует отметить, что специальными исследованиями устойчивости транспортных сооружений в районах вечной мерзлоты в годы, предшествовавшие строительству восточной части Транссиба, да и 10 - 15 лет после завершения ее строительства, ни в России, ни за ее пределами никто серьезно не занимался. Систематические исследования начались в 20-е - 30-е годы. В XX в. разворачивается строительство дорог на вечной мерзлоте за рубежом, в частности, на Аляске. Однако на момент начала строительства БАМа, к которому относится начало данной работы, актуальность разработки мер по стабилизации температурного режима была бесспорной, поскольку приходилось сталкиваться с совершенно новыми природными условиями. Одним из известных принципов понижения температуры вечномерзлых грунтов является создание отрицательной температурной сдвижки в сезонно-деятельном слое путем устройства каменной наброски. Однако применительно к дорожному строительству необходимых конструктивно-технологических решений и методов расчета параметров каменной наброски не было.
Целью работы является повышение эффективности систем, регулирующих температурный режим вечномерзлых грунтов оснований насыпей и выемок на железных и автомобильных дорогах в районах вечной мерзлоты.
Методы исследований - натурные многолетние наблюдения за температурным режимом вечномерзлых грунтов
тела и оснований земполотна в сочетании с математическим моделированием тепловых процессов на ЭВМ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- выявлена основная сущность работы каменной наброски,
характеризующаяся летним и зимним охлаждающим влиянием.
Определены характеристики указанных процессов;
- выявлены закономерности влияния на температурный
режим подстилающих грунтов:
размеров (толщины, ширины, длины) каменной отсыпки;
ориентации в пространстве массивов каменной отсыпки (величины наклона, характера расположения по отношению к инженерному сооружению, степени врезки в основной массив земполотна и др.);
суточных, месячных, сезонных колебаний температуры наружного воздуха;
солнечной радиации, осадков, ветра;
толщины снежного покрова;
состава каменной наброски (крупность камня, наличие различных включений и т.п.).
Практическая значимость. На основании выполненных автором исследований разработаны методы расчета температурного режима грунтов тела и оснований земполотна, новые конструктивно-технологические решения каменной наброски, практические рекомендации по регулированию температурного режима, позволяющие снизить стоимость и трудоемкость возведения и дальнейшей эксплуатации земполотна.
Реализация результатов работы. Всего с
использованием скальных набросок, примененных в качестве основного мероприятия по консервации мерзлоты в основании земляного полотна и конусов мостов на трассах БАМ и АЯМ, построено и длительное время (15-20 лет) эксплуатируется более 250 объектов. Материалы использованы при составлении 15 нормативно-рекомендательных документов.
Апробация работы. Основные положения работы более 20 раз докладывались на различных семинарах, отечественных и международных конференциях (см. раздел «Опубликованные работы»). Достоверность полученных результатов подтверждает-
ся сравнением результатов теоретических расчетов и натурных измерений.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 работ, в том числе получено 13 патентов и авторских свидетельств. Кроме того, результаты исследований автора изложены в более чем 50 научных отчетах, где диссертант являлся либо руководителем, либо ответственным исполнителем отдельных разделов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников. Она содержит 130 страниц текста, 52 рисунка, 20 таблиц.
Каменная наброска - одно из эффективных мероприятий по стабилизации температурного режима тела и оснований инженерных сооружений. Цель и задачи работы
Особое внимание при изучении температурного режима насыпей различной высоты и конструкции, построенных в юго-восточной части криолитозоны России, на начальном этапе проектирования БАМ, да и в процессе строительства магистрали (1967 - 1987 г.г.) впервые в практике выполнения научных исследований по мерзлотной транспортной тематике было уделено вопросу выявления особенностей теплового взаимодействия скальных насыпей с вечномёрзлыми грунтами основания и атмосферой в различных природно-климатических зонах проектируемой магистрали. Для выполнения этих исследований на находящейся в консервации с 1942 г. ж.д. линии Бам — Тында в 1969 г. были выбраны и оборудованы для выполнения многолетних ежемесячных температурных наблюдений три насыпи, отсыпанных из скального грунта, состоящего из обломков гранодиорита диаметром 10,0 - 40 см и одно нулевое место, выполненное с заменой в его основании льдогрунта скальным грунтом на глубину 3,0 м. Высота отобранных для осуществления натурных термонаблюдений насыпей составляла 2,0; 3,3 и 6,0 м. Их откосы имели чётко выраженную меридиональную ориентацию. Для выполнения термонаблюдений на каждом элементе конструкции насыпи (основной площадке, откосах, у подошвы откосов и ненарушенных естественных условиях) были установлены металлические термотрубки с заглублением их в основание насыпей на 4,0 м. Пройти скважины глубже не удалось по техническим причинам. В октябре 1969 г. на всех оборудованных объектах были выполнены первые термонаблюдения. Замеры температуры производились заленив-ленными ртутными термометрами с ценой деления 0,1 С через каждый метр по глубине термоскважины, считая от уровня дневной поверхности. Обработанный соответствующим образом пятилетний цикл ежемесячных термонаблюдений позволил сделать ряд исключительно важных для практики железнодорожного строительства в криолитозоне выводов! [69, 70]. Прежде всего, было установлено довольно-таки сильное (2,0 — 4,0С) охлаждающее влияние скальных насыпей на первоначальное тепловое состояние подстилающих грунтов (рис. 1.6) и дано объяснение этому явлению. Отмечено отсутствие влияния ориентации откосов таких насыпей на очертание верхней границы мерзлоты в их теле и основании и температурный режим подстилающих грунтов. Установлен факт увеличения охлаждающего влияния скальных насыпей на грунты основания с ростом высоты насыпей. Вместе с тем было отмечено, что содержание в скальном грунте в большом количестве (больше 30% по объёму) дресвы и мелкого щебня резко снижает эффект их охлаждающего воздействия на термику подстилающих грунтов, а при 50% содержании дресвяно-щебенистого грунта в крупнообломочном материале, скальные насыпи в тепловом отношении мало отличаются от насыпей, отсыпанных из любых других дренирующих грунтов. Более того, значительная водопроницаемость таких насыпей делает их крайне чувствительными к воздействию на их термику такого природного фактора, как инфильтрация атмосферных осадков. В связи со сказанным выше, уместно отметить, что в настоящее время, то есть 15 лет спустя после приёмки в постоянную эксплуатацию центрального участка Байкало-Амурской магистрали, наиболее неблагоприятная в тепловом отношении мерзлотно-грунтовая обстановка наблюдается здесь под насыпями высотою больше 5,0 — 6,0м, отсыпанными из крупнообломочного дресвяно-щебенистого грунта (рис. 1.7). Тем не менее, указанные обстоятельства, ни в коем случае не должны сеять недоверие проектировщиков к применению кондиционных скальных грунтов для повышения тепловой устойчивости линейных транспортных сооружений (насыпи, выемки, ИССО) в криолитозоне. Убедительные доказательства действитель но значительного охлаждающего влияния настоящих скальных насыпей на термику грунтов в их основании были получены Сковородинской мерзлотной станцией в конце 60-х начале 70-х годов минувшего столетия не только на ж.д. линии Бам - Тында, но и на начальном участке, построенной в предвоенные годы (1940) г. железнодорожной ветки Ургал - Комсомольск. Сооружение железнодорожных насыпей в этом районе криолитозоны России, о чём сообщалось ранее, как правило, приводит к многолетнему оттаиванию вечномёрзлых грунтов в их основании. Однако эта закономерность нарушается в тех случаях, когда для отсыпки земляного полотна используется не содержащий дресвы и мелкозёма крупнопористый скальный грунт. Наглядной и яркой иллюстрацией сказанного может служить рис. 1.8 [74]. Показанная на этом рисунке насыпь имеет высоту 9,6 м. Она отсыпана из крупных (20 — 40 см) обломков аргелита и крупного щебня, перекрытых с поверхности слоем дресвяно-щебенистого материала мощностью не более 20 см. Местополо-жение насыпи - сухой распластанный лог, сложенный песчаником, залегающим под небольшим (0,5 - 1,0 м) по мощности слоем дресвяно-щебенистой супеси. Несмотря на то, что вечномёрзлые грунты в пределах лога отсутствуют, под рассматриваемой насыпью образовался массив мерзлоты мощностью не менее 25,0 - 30,0 м с температурой в его центре минус 1,6С. Сопоставление среднегодовых температур грунтов в ненарушенных естественных условиях (скв. 26) и на одинаковой глубине, считая от естественной поверхности основания в любом сечении насыпи, свидетельствуем о том, что эффект охлаждающего воздействия данной насыпи на термику подстилающих грунтов составляет 3,0 — 4,0С!
В настоящее время на Дальневосточной, Восточно-Сибирской и Забайкальской железных дорогах, а также в южной части АЯМ, с использованием рекомендаций Тындинской мерзлотной станции построено (рис. 1.9) и нормально эксплуатируется в течение 15 — 25 лет более сотни опытных объектов по 1-му принципу использования вечномёрзлых грунтов с применением скальных набросок в качестве основного мероприятия по консервации мерзлоты [67, 81]. На этих объектах проводятся многолетние (до 25 лет) термонаблюдения, результаты которых свидетельствуют о том, что в эпоху глобального потепления климата Земли, разработанные Тындинской мерзлотной станцией конструкции линейных транспортных сооружений, работающих в тепловом отношении по принципу автоматически регулирующихся, самоохлаждающихся природно-технических систем, являются наиболее устойчивыми из применяемых в настоящее время в криолитозоне.
Помимо исследований мерзлотной станции, дополнительные сведения о том, что камненабросные наземные сооружения оказывают необратимое и сильное охлаждающее воздействие на первоначальное тепловое состояние грунтов в их основании, можно получить, также ознакомившись с рядом публикаций, посвященных освещению проблемы распространения вечно-мёрзлых грунтов вне зоны вечной мерзлоты [26, 27, 24].
Следует также отметить, что применение скальных набросок для управления температурным режимом грунтов в основании линейных транспортных сооружений в криолитозоне отражено в ряде нормативных и рекомендательных документов [116, 115, 112,125, 17].
Из числа других способов охлаждения вечномёрзлых грунтов в основании линейных транспортных сооружений, в юго-восточной части криолито-зоны России широкое применение получили однотрубные жидкостные (керосин) установки СИ. Гапеева и аналогичные этим установкам, но несколько улучшенные по хладопроизводительности СОУ конструкции В.И. Черняева и В.А. Миронова. С использованием этих установок в восточной части БАМ было запроектировано и построено по 1-му принципу использования вечно-мёрзлых грунтов более 80 мостов и труб. Последующие термонаблюдения на этих объектах показали, что СОУ оказывают достаточно эффективное, требуемое для консервации мерзлоты охлаждающее воздействие на грунты в основании опор мостов и оголовков труб только в том случае, когда они приближены к объектам охлаждения на достаточно близкое расстояние и когда их количество, в зависимости от высоты подходящей к мосту или трубе насыпи, варьирует в диапазоне от 5 - 8 до 12-15 СОУ на один устой.
Однотрубные жидкостные установки, расположенные в один ряд и удалённые от объектов охлаждения более чем на 3,0 м, необходимого для консервации мерзлоты теплового воздействия на грунт в основании опор мостов не оказывают.
В опытном порядке для консервации мерзлоты в основании устоев мостов на снегозаносимом участке Амуро-Якутской магистрали были применены вентилируемые полости, образованные под насадками путём их ограждения специальными бортиками высотой 0,5 - 0,7 м [88]. Всего на АЯМ построено четыре таких моста. Термометрические наблюдения на этих объектах в послепостроечный период не проводились, поэтому судить об эффективности теплового воздействия этого мероприятия на термику в основании устоев пока не представляется возможным. В то же время прообразы устоев такой конструкции, оборудованные для выполнения многолетних термонаблюдений, имеются на ж.д. линии Чара - Тында. Анализ результатов наблюдений на этих объектах свидетельствует о том, что, несмотря на значительное потепление климата, чётко прослеживающееся в последние 10 лет в Тынде, а также аномально высокую мощность снегового покрова, наблюдавшуюся в течение 1998 — 2002 г., температура вечномёрзлых грунтов в основании устоев с наличием вентилируемых полостей на момент максимального сезонного оттаивания грунтов на глубине 12,0 - 14,0 м никогда не поднималась выше минус 2,0С. Последнее позволяет отнести устройство вентилируемых полостей под устоями мостов к числу высокоэффективных мероприятий по консервации мерзлоты.
Разработка конструкций и технологии возведения камне-набросных конструкций
В процессе проектирования Байкало-Амурской магистрали при решении проблемы обеспечения устойчивости и долговечности земляного полотна и искусственных сооружений, возводимых в экстремальных мерзлотно-грунтовых условиях, в опытном порядке были применены принципиально новые конструкции земляного полотна и ИССО, работающие в тепловом отношении по принципу автоматически регулирующихся, самоохлаждающихся природно-технических систем. К таким конструкциям относятся:
- насыпи, для отсыпки которых рекомендовалось использовать фракционный скальный грунт, состоящий из скальных отдельностей диаметром 0,2 0, 5 м (рис. 3.1); насыпи, ядро которых отсыпалось из любых, пригодных для возведения земляного полотна материалов, обсыпалось обоймой, состоящей из фракционного камня мощностью 1,5 -f- 3,0 м и более (рис. 3.2);
- насыпи и выемки, откосы которых в процессе строительства земляного полотна или спустя 2 — 3 года после завершения строительства обсыпались слоем фракционного скального грунта мощностью 0,6 л- 2,0 м (рис. 3.3., 3.4, 3.5, 3.6, 3.7), причем, скальная наброска в зависимости от природно-климатических условий и мерзлотно-грунтовой обстановки в районе строительства устраивалась либо на всей поверхности откосов, либо на части поверхности, но не менее, чем 1/3 высоты насыпи.
К самоохлаждающимся конструкциям земляного полотна относятся также насыпи, отличающиеся наличием берм, отсыпанных на полную высоту из не содержащего дресвы и мелкозема скального грунта или обсыпанные с поверхности фракционным скальным материалом мощностью не менее 0,8 ч-1,0 м. Ширина таких берм была принята равной 4,0 -f- 5,0 м, высота 0,3 ч- 0,5 м от высоты насыпи (рис. 3.8). Помимо вышеупомянутых конструкций земляного полотна наброски из фракционного скального грунта нашли широкое применение на БАМе в качестве основного мероприятия по консервации мерзлоты в основании устоев мостов, возводимых по I принципу использования вечномерзлых грунтов. Последнее достигалось путем покрытия поверхности конусов и примыкающих к ним берм фракционным скальным грунтом мощностью 0,6 ч- 0,8 м. Диаметр скальных отдельностей в таких покрытиях был принят равным 0,2 ч- 0,4 м (рис. 3.9).
Следует отметить, что при возведении земляного полотна и ИССО с применением скальной наброски сколько-нибудь серьезных затруднений по добыче фракционного скального грунта в карьерах и его укладке на различных элементах земляного полотна и конусах мостов строительные подразделения Главбамстроя не испытывали. Фракционный скальный грунт в карьерах добывался путем взрывания и последующего сталкивания взорванной горной массы бульдозерами с верхних уступов карьера на нижние. В результате чего у подошвы откоса верхнего уступа происходит концентрация кускового скального материала с размерами фракций, варьирующих в диапазоне 200 ч- 500 мм, в то время как камень меньших размеров остается в верхней части уступа. Кроме этого, сортировка взорванной горной массы на фракции в ряде случаев осуществлялась путем «прочесывания» скального грунта корчевателями или же путем применения для погрузки горной массы в автосамосвалы экскаваторов, оснащенных ковшами решетчатого типа.
В тех случаях, когда на объекты, подлежащие обсыпке фракционным скальным грунтом самосвалы доставляли некондиционный скальный материал, его сортировка осуществлялась непосредственно на этих объектах. Так, например, при устройстве скальной наброски на откосах насыпей, самосвалы ссыпают скальный грунт на бровки откосов, а затем этот грунт сталкивается на откос бульдозером. После доведения мощности наброски до предусмотренных в проекте параметров, производится отделка таких откосов, для чего на БАМ применялись обычно экскаваторы-драглайны (рис. 3.10).
В связи с тем, что скальные наброски в последнее десятилетие нашли широкое применение на эксплуатируемых железных дорогах с целью повышения эксплуатационной надежности насыпей, деформирующихся по причине чрезмерного растепления и оттаивания вечномерзлых грунтов в их основании, группой сотрудников Тындинской мерзлотной станции во главе с автором диссертации была разработана и реализована также технология устройства крупнопористых скальных покрытий на откосах эксплуатируемых насыпей с поля без перерыва движения поездов. С использованием этой технологии было осуществлено устройство скальной наброски на юго-восточном откосе шестиметровой по высоте осадочной насыпи, расположенной на мохово-багульниковой мари, занимающей высокую пойму реки Тынды на 186 — 187 км ж.д. линии Бамовская — Беркакит (рис. 3.4). Суть этой технологии заключается в том, что доставляемый самосвалами к месту укладки скальный грунт при высоте насыпей до 6,0 м выгружается у подошвы откосов земляного полотна, а затем экскаватором типа «Като» укладывается на поверхность откосов. Наилучшим временем для осуществления этой работы является вторая половина зимы, когда мощная строительная техника практически не оказывает негативного воздействия на примыкающую к земляному полотну территорию. В тех случаях, когда высота насыпи, подлежащей отсыпке фракционным скальным
грунтом, превышает 6,0 м, устройство наброски на ее откосах осуществляется со специально устраиваемой бермы, на которую затем доставляется скальный грунт и с которой его укладывают экскаватором на откосах насыпи. Берма в данном случае также покрывается слоем фракционного камня мощностью не менее 0,8 4-1,0 м.
Наряду с вышеописанными имеются также и другие технологические решения проблемы сооружения конструкций земляного полотна с использованием крупнопористых скальных покрытий и набросок. Опыт сооружения скальных набросок на элементах земляного полотна и конусах мостов на БАМе и АЯМе со всей очевидностью показывает, что сегодня транспортные строители располагают как необходимой техникой, так и умением использования этой техники для создания высококачественных линейных объектов в сложных геокриологических условиях. Последнее подтверждается отличным состоянием многочисленных опытных объектов земляного полотна и ИССО, построенных с использованием каменной наброски 20-25 лет тому назад в различных природно-климатических условиях юго-восточной части криолитозоны России.
Особенности изменения характера теплообмена при изменении толщины наброски
В п. 4.2 определены основные теплофизические параметры каменной наброски средней толщиной 100 см. В данном разделе проанализирован характер изменения этих параметров в зависимости от толщины каменной наброски.
В табл. 4.15 в строчке 1 приведены данные из табл. 4.14 для толщины наброски 100 см. В строчке 2 и 3 приведены данные из п. 3.3 для моста на км 44. Представим полученные данные следующим образом. Коэффициенты теплопередачи выразим через термические сопротивления на поверхности.
После перевода для колонок 4 и 5 строчек 1—3 табл. 4.15 значений А в R, строим графики, представленные на рис. 4.5. Анализ этих графиков показывает следующее.
При увеличении толщины каменной наброски резко увеличивается летнее термическое сопротивление, что в условиях континентального климата юго-восточной части криолитозоны России весьма важно, поскольку резко снижается приток тепла в летнее время. В условиях короткого и холодного лета Заполярья такой эффект, очевидно, может снижаться.
Зимнее термическое сопротивление при оголенной поверхности соответствует снежному покрову и равно 0,69 час-град/ккал. При толщине каменной наброски 0,4 м и такому же снежному покрову (снежный покров во всех приведенных на графике трех случаях одинаковый за счет «разрыва» снебжного покрова, несмотря на дополнительный материал (тело каменной наброски) общее термическое сопротивление уменьшается и становится равным 0,57 час-град/ккал. При дальнейшем увеличении толщины каменной наброски термическое сопротивление увеличивается, но гораздо медленнее, чем летнее термическое сопротивление, так что при толщине наброски 100 см разность АЯ = R3UMH - RnemH становится отрицательной. График AR на рис. 4.5 наглядно показывает влияние толщины каменной наброски на ее эффективность. Наибольшую крутизну кривая AR имеет на начальном участке. Следовательно, уже однорядная каменная наброска резко улучшает теплообмен. Дальнейшее увеличение толщины наброски сказывается меньше, однако положительный эффект продолжает расти. При толщине наброски 63 см летнее и зимнее термические сопротивления уравниваются. Это условно соответствует оголенной зимой и летом поверхности, что при среднегодовой отрицательной температуре воздуха приводит к формированию отрицательного теплового баланса в грунте. При 5 63 см значение AR становится отрицательным.
Анализ многолетних натурных обследований показывает, что при увеличении толщины каменной наброски наибольшая эффективность ее работы достигается на верхнем метре. Однако глубина летнего протаивания в больших массивах наблюдается в пределах 2-3 см. В таких крупных массивах, как плотины, ядро постепенно заполняется льдом (конденсатом) м выходит из работы (т.е. работает как сплошной массив), а поверхностный слой толщиной 2 — 3 м работает как крупнопористый материал.
Для покрытия откосов насыпей увеличение толщины каменной обсыпки более 1,0 м может быть оправдано только в случае учета и использования изменения характера ее работы при таких толщинах: кроме конвекции в направлении перпендикулярном к поверхности откоса происходит конвекция вдоль направления откоса. В этом случае каменную отсыпку на откосах целесообразно сочетать, например, с каменными бермами.
Экономическая эффективность применения скальных набросок для повышения тепловой устойчивости земляного полотна и ИССО в районах вечной мерзлоты
Основной причиной деформации земляного полотна на железных дорогах, построенных на вечномёрзлых грунтах в различных природно-климатических условиях юго-восточной части криолитозоны России, является многолетнее оттаивание грунтов основания под действием тепла, аккумулируемого телом земляного полотна в процессе его теплообмена с атмосферой. Обусловленные этим процессом осадки ж. д. пути, наиболее интенсивно (до 300 мм в год) протекают в первые 3-5 лет после возведения земляного полотна и в дальнейшем постепенно затухают. Срок полной стабилизации этих деформаций растягивается на многие десятки лет. На втором этапе стабилизации, который начинается в большинстве случаев 5 — 10 лет спустя после возведения земляного полотна, деформации пути, за редким исключением, не представляют реальной угрозы для безопасности движения поездов. Тем не менее, они негативно влияют на техническое состояние рельсовой колеи, требуют постоянного внимания путейцев и отрицательно сказываются на экономических показателях всех дорожных подразделений. Деформирующиеся участки земляного полотна, как правило, ограждаются сигналами снижения установленной скорости движения поездов, срок действия которых в ряде случаев сопоставим со сроком эксплуатации дороги. Согласно данным доцента ДВГУПС С. В. Квашука [50], экономический ущерб только от ограничения скорости движения поездов на Дальневосточной железной дороге составляет в среднем около 262 тыс. руб. в год на 1,0 км больного полотна с наличием предупреждений. Поддержание таких участков пути даже в ограниченно пригодном для эксплуатации состоянии стоит довольно-таки дорого. По натурным наблюдениям В. А. Дербаса, выполненным на Этыркенской дистанции пути (восточный участок БАМ), дополнительные расходы балласта, затрачиваемые на выправку 1 км пути при годовой осадке земляного полотна 21-50 мм, составляют 230 м3/км, при годовой осадке 51-100 мм — 495 м /км в год в среднем. Если учесть, что на этой дистанции пятнадцать лет спустя после ввода её в постоянную эксплуатацию протяжённость участков пути с осадками 21-50 мм/год всё ещё составляет 49,7 км, а с осадками 51-100 мм/год — 17,8 км, то становится вполне ощутимым тот ущерб, который причиняют путевому хозяйству эксплуатируемых железных дорог в районах вечной мерзлоты конструкции земляного полотна, рассчитанные на многолетнюю осадку. Даже на завершающем этапе стабилизации их послепостроечных осадок, 10-15 лет спустя после сооружения земляного полотна и начала его эксплуатации, для выправки пути и придания балластной призме требуемых согласно ПТЭ геометрических размеров ежегодно затрачиваются десятки тысяч м3 балласта. В частности, на Этыркенской дистанции пути Дальневосточной железной дороги, являющемся одним из наиболее характерных в мерзлотно-грунтовом отношении участков восточной части БАМ, на поддержание пути в пригодном для эксплуатации состоянии ежегодно затрачивается более 20,000 м3 балласта. Учитывая тот факт, что опыт эксплуатации конструкций земляного полотна на восточном участке БАМ, рассчитанных на многолетнюю осадку, показал явную несостоятельность концепции широкого применения в районах вечной мерзлоты линейных сооружений, послепостроечные деформации которых тяжёлым бременем дополнительных расходов ложатся на плечи путейцев, Департамент пути и сооружений МПС [108] рекомендовал проектировщикам Мосгипротранса при проектировании подъездного пути к Эльгинскому месторождению углей применять на этой железнодорожной ветке на вечномёрзлых грунтах III и IV категорий просадочности конструкции земляного полотна, работающие в тепловом отношении по принципу автоматически регулирующихся самоохлаждающихся природно-технических систем. К таким конструкциям земляного полотна относятся, как известно, наряду с его конструкциями, отличающимися наличием трубчатых сезонно-действующих охлаждающих устройств (СОУ), также конструкции насыпей и выемок, откосы которых покрыты с поверхности слоем фракционного скального грунта определённой мощности.
Экономические расчёты, проведённые МИИТом и ВНИИЖТом показали, что дополнительные затраты, связанные с выполнением мероприятий по сохранению вечномёрзлых грунтов в основании земляного полотна, на ж. д. ветке Улак - Эльга протяжённостью 320 км составляет 300-350 млн. руб. на всю линию. В то же время дополнительные затраты на содержание пути, запроектированного и построенного без применения дополнительных мероприятий по эффективной противомерзлотной защите земляного полотна составляет 0,929 млн. руб. на 1 км пути в год [108] и при этом не будет гарантированна бесперебойность и безопасность движения поездов в условиях малолюдной технологии содержания пути. Расчётный срок окупаемости дополнительных капитальных вложений на выполнение таких противодеформационных мероприятий, как скальная наброска на откосах насыпей и выемок в экстремальных мерзлотно-грунтовых условиях ж. д. линии Улак-Эльга при стоимости 1,0 м3 добычи и укладки фракционного камня, равной 200 руб., составит 4-5 лет. Последнее несмотря на явно завышенную в 1,5 — 2 раза стоимость добычи и укладки фракционного камня на откосах земляного полотна и конусах мостов свидетельствует о высокой экономической эффективности применения скальной наброски для сохранения вечномерзлых грунтов в основании линейных сооружений и понижения их температуры до значений, удовлетворяющих требованиям эксплуатационной надежности таких сооружений. Опыт эксплуатации Байкало-Амурской дороги также показывает, что все те дополнительные единовременные затраты, которые понесла дорога в первые годы эксплуатации в результате выполнения противодеформационных скальных набросок на объектах земляного полотна, подвергшихся многолетней осадке, окупились в результате стабилизации осадок, а, следовательно, прекращения многократных в течение года подъемок пути на балласт не более, чем за 3 - 4 года.
Более быстрый срок окупаемости применения противодеформационных скальных набросок на сети действующих железных дорог, построенных в юго-восточной части криолитозоны, обусловлен, прежде всего, более низкой стоимостью добычи природного камня в карьерах МПС. Так, например, цена 1,0 м3 добычи и укладки фракционного камня на элементах конструкции земляного полотна на Восточно-Сибирской, Забайкальской и дальневосточной дорогах варьирует в диапазоне 50 — 70 руб.
По вопросам об экономической эффективности применения набросок из фракционного скального грунта для консервации мерзлоты в основании устоев мостов, представляется возможным отметить следующее. При проектировании и строительстве Байкало-Амурской магистрали, где впервые в мировой практике мостостроения стали применяться столбчатые фундаменты опор мостов, их устойчивость на участках с наличием мерзлоты обеспечивалась, главным образом, путём заделки столбов в монолитную скальную породу. Величину заделки рекомендовалось принимать не менее 2,0 м. Соблюдение указанной рекомендации при глубоком залегании коренных пород (более 25-30 м) сводило к нулю тот прогресс в мостостроении, который был достигнут за счёт применения столбчатых фундаментов. Изменить сложившуюся ситуацию в экономическом плане на строительстве Байкало-Амурской магистрали удалось лишь после того, как по рекомендации Тындинской мерзлотной станции опоры мостов в сложных мерзлотно-грунтовых условиях БАМ стали проектироваться по I принципу использования вечномёрзлых грунтов. При этом в качестве основного мероприятия по консервации мерзлоты в основании опор мостов рекомендовалось устраивать на поверхности их конусов и рисбермах наброску из фракционного скального грунта мощностью 0,6 -f- 0,8 м, при среднем диаметре скальных отдельностей в наброске 0,2-0,3 м. Реализация этого простейшего в исполнении и, как оказалось в дальнейшем, весьма эффективного способа консервации мерзлоты в основании устоев мостов в широком масштабе была осуществлена проектировщиками Сибгипротранса на участках Байкало-Амурской магистрали, расположенных в котловинах Байкальского типа - Нижне-Ангарской, Муйско-Куандинской и Чарской, характеризующихся крайне неблагоприятной мерзлотно-грунтовой обстановкой и глубоким залеганием коренных пород. Всего на участке БАМ, ограниченном станциями Нижне-Ангарск - Чара по I принципу использования вечномёрзлых грунтов с применением терморегулирующих охлаждающих скальных набросок был запроектирован и построен 141 мост, в результате чего за счёт уменьшения глубины заложения столбчатых фундаментов экономия ж. б. столбов составила 2300 м3 при общем снижении стоимости строительства мостов на 2440 тыс. руб.[90], что составляет в современных ценах более 70 млн. руб.
Приведённые сведения об экономической эффективности применения скальных набросок для повышения эксплуатационной надёжности транспортных сооружений, как на вновь строящихся, так и на эксплуатируемых железных дорогах, а также наблюдающееся понижение первоначальной температуры вечномёрзлых грунтов в основании таких сооружений свидетельствует о том, что крупнопористые покрытия из фракционного скального грунта определённой мощности действительно являются одним из наиболее простых в исполнении и экономически эффективных инженерных мероприятий по противомерзлотной защите земляного полотна и ИССО в региональных природно-климатических условиях юго-восточной части криолитозоны России. Достойной альтернативы этому мероприятию по сохранению мерзлоты в основании линейных транспортных сооружений в эпоху глобального потепления климата Земли пока нет.
Общий экономический эффект от внедрения разработок автора диссертации в практику строительства новых железных дорог в юго-восточной части криолитозоны России, согласно имеющимся документам, составляет 147,100 тыс. руб. Причём, указанная экономия денежных средств получена только на объектах земляного полотна и ИССО, построенных в опытном порядке. Экономический эффект от использования проектировщиками нормативно-рекомендательных документов, разработанных с участием диссертанта, не подсчитывался.
