CC BY
161
УДК 624.13.54:624139
УПРОЧНЕНИЕ ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ТАЛИКАХ В
КРИОЛИТОЗОНЕ
Луцкий С.Я., д.т.н., профессор, e-mail: [email protected], тел.: 8 916 5741742 Хрипков К.Н., инженер, МИИТ, тел.: 8 926 1000402
В статье рассмотрены конструкция и технологические решения для таликов в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, а также предложены композитные технологии для предупреждения и ликвидации таликов в период строительства.
Ключевые слова: интегрированная технология; многолетнемерзлые грунты; талики; технологические решения.
STRENGTHENING THE FOUNDATION OF ROADBED ON THE TALIKS IN
PERMAFROST
Lutskiy S., Doctor of Techniques, professor Chripkov C., engineer, MIIT
The article considers construction and technological solutions for roadbeds in talik areas of permafrost soil, and proposes an integrated technology for prevention and elimination of taliks during construction periods construction.
Keywords: integrated technology; permafrost soil; taliks; technological solutions.
Постановка проблемы. В ходе строительства и эксплуатации дорог в криолитозоне в результате техногенных воздействий, формирования снежных отложений на откосах насыпи и ухудшения стока поверхностных вод происходит деградация мерзлоты, образование новых и развитие фактических таликов в основании земляного полотна.
В соответствии с фундаментальными трудами по мерзлотным процессам [1,2] талики образуются при положительной разнице глубин летнего оттаивания и зимнего промерзания грунтов (включая процессы минерализации). По данным [1] грунты таликов, как правило, имеют текучепластичную консистенцию и низкие значения прочностных характеристик. Особенно опасны талики в подошвенной подоткосной части основания, которые развиваются и приводят к потере устойчивости откосов. На трассе дорог талики могли возникнуть до начала строительства и усилиться при эксплуатации за счет подтопления. Задача состоит в том, чтобы диагностировать все характеристики талика, прогнозировать развитие и ликвидировать его до деформаций насыпей. Опыт экспертизы строительства и временной эксплуатации железных дорог Обская - Бо-ваненко - Карская, Томмот - Якутск и автодороги Салехард - Надым показал необходимость обеспечения безопасности сооружений, начиная со строительного периода [7].
Для ликвидации условий образования талых зон или действующих таликов на участке строительства дороги предложена композитная технология, включающая стадии улучшения прочностных характеристик и стабилизации грунтов основания: ^Подготовительная стадия; определение характеристик таликовых зон; 2) Устройство дренажной системы и регулирование влажности; 3) Интенсивная технология упрочнения основания; 4) Армирование, устройство термосифонов и теплоизоляции на участках строительства по первому принципу; 5) Сооружение технологической автодороги (ТАД) и насыпи на талике.
Все стадии сочетаются с очисткой от снега до возведения насыпей с целью снижения общего за период отрицательных температур термического сопротивления снежного покрова.
Подготовительная стадия. Расчет параметров и условий формирования таликов в соответствии с нормами и методикой [4,5,6] основан на соизмерении глубин промерзания (сверху и снизу) и оттаивания грунта основания. Исходными данными являются: тепло-провод-ность талого и мерзлого грунта основания, сумма градусо-часов за летний и зимний период на дневной поверхности; теплота фазового перехода промерзающего слоя, плотность и влажность грунта.
Расчеты теплового баланса для участка строительства железнодорожной линии Салехард - Надым ПК 3030 и автодороги Салехард - Надым ПК 160 показали: из - за недостаточного зимнего промерзания грунта образование фактических таликовых зон мощностью 1,4м и 0,34м (соответственно) было неизбежным, их необходимо устранить до завершения работ по земляному полотну. Проблема в том, чтобы не только зафиксировать таликовые зоны, но и и принять все возможные меры по их ликвидации и профилактике уже в строительный период.
При неизменных граничных условиях теплофизических процессов возникает риск увеличения талика, особенно в подошвенной подоткосной части основания, мощность которого через N лет может быть приближенно определена по методике [5] в зависимости от теплопроводности грунта в талом состоянии; теплоты фазового перехода промерзающего слоя; объемной теплоемкости и среднегодовой температуры грунта на поверхности основания. На примере данных поперечника на ПК160 (поперечник тип 1) автодороги Салехард - Надым (даже без учета возможности негативных техногенных процессов) талик увеличится за 10лет на 1,76м. Более полный диагноз состояния талой зоны дают расчеты по специальным программам, например, «Тепло» [1].
Расчет деформативности основания в ходе эксплуатации был выполнен на примере осадки подоткосной части насыпи автодороги при оттаивании под эксплуатационной нагрузкой, которая определяется как сумма осадок деятельного слоя и талика по формуле ВСН 84-89 [5] в зависимости от коэффициентов уплотнения и оттаивания грунтов основания; расчетной глубины талика; удельного давления на каждый слой (от подвижной нагрузки, веса насыпи и вышележащих слоев основания); плотности и начального коэффициента пористости грунта основания.
Результаты расчетов показали, что наибольшая осадка 0,18м и соответственно деформативность основания определены в подо-ткосной части насыпи в зоне талика. Но главный вывод состоит в том, что все расчетные параметры меняются во времени. Техногенная неуправляемая деятельность приведет к ухудшению деформа-тивных характеристик. Именно этот факт стал причиной нового концептуального подхода - композитной технологии упрочнения слабых грунтов основания [3] под контролем стабильности.
Концепция состоит в управляемом процессе регулирования параметров образования и развития таликов в соответствии с закономерностями [1,2] на каждой стадии композитной технологии. Технологическая реализация принципиально отличается в зависимости от категории просадочности грунтов, температуры мерзлоты и, соответственно, принятого в проекте 1-го или 2-го принципов строительства.
Расчет стабильности основания земляного полотна под эксплуатационной нагрузкой от насыпи, верхнего строения пути и подвижного состава основан на определении коэффициента безопасности, как отношения критической (безопасной) нагрузки и эксплуатационной нагрузки в наиболее опасной зоне талика (Кб = Ккр/Кэкс).
Расчет критической нагрузки на деятельный слой и талик выполним по формуле проф. Пузыревского Н.П. в зависимости от сцепления и угла внутреннего трения грунта основания; мощности и удельного веса грунта выше расчетного слоя. Эксплуатационная нагрузка на талик включает временную поездную и постоянную нагрузку от верхнего строения пути, веса насыпи и деятельного слоя. По расчетам для всех рассматриваемых поперечников дороги Салехард - Надым коэффициент безопасности составил 0,64 - 0,76; стабильность основания не обеспечена даже в исходном состоянии, без учета возможности негативных процессов развития талика в период строительства.
TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA | №1 2014 | 3
Строительство по первому принципу. Первая стадия композитной технологии включает устройство дренажной системы - продольные (при продольном уклоне местности) или поперечные прорези и защитный слой в основании насыпи. Конструкция водоотводов по нормам [5] зависит от принятого в проекте 1-го или 2-го принципов строительства. Вместе с тем отметим: применение композитной технологии позволяет улучшить прочностные характеристики грунтов и соответственно уточнить обоснование и применение принципа строительства на конкретном участке. Для работы виброкатка в интенсивном технологическом режиме, отжатия и отвода воды предусматривается устройство рабочей платформы - защитного слоя с укладкой геотекстиля, а выпуск воды - по прорезям в пониженные места рельефа и водопропускные сооружения.
Граничные технологические условия:
а) Технологическую нагрузку (вес и вибровоздействие) катка следует принять в максимально допустимом по величине Кб размере дифференцированно по всем слоям активной зоны основания;
б) Технологическая нагрузка должна обеспечивать градиент напора, достаточный для фильтрационной осадки, отжатия свободной и рыхлосвязной воды;
Б) Работы по устройству дренажа и виброуплотнению следует завершить до начала отрицательных температур;
В) Работы должны сопровождаться контролем осадки и характеристик грунтов каждого слоя.
Рассмотрим подробнее влияние технологической нагрузки от катка, которая должна обеспечивать требуемый градиент напора для фильтрационной осадки и отжатия воды. При выборе катка следует учитывать ограничение
[Р6г(с,<р)-Рп]>[Р,+Р] (1)
где Рбг - безопасная нагрузка, соответствующая внешней нагрузке на основание, вызывающая появление предельного состояния грунта по сдвигу, должна быть определена по глубине слабого основания для деятельного слоя и талика и принята в наименьшем размере; Р - нагрузка, зависящая от рабочей массы, скорости движения и амплитуды вибрации грунтового катка; Р - нагрузка, действующая от защитного слоя; Р - поровое давление.
Величина Рбг определяется расчетом по действующим нормам [4,5] в зависимости от формы нагрузки, глубины расположения рассматриваемого горизонта и прочностных характеристик- сцепления и угла внутреннего трения грунта, которые отличаются в каждом слое не только по виду грунта, но и по его состоянию в технологическом цикле. При технологическом регулировании необходимо учитывать ограничивающее действие порового давления и повышать нагрузку с учетом и под контролем его состояния.
В процессе интенсивного уплотнения изменяются и контролируются грунтовые характеристики, нагрузка Р и время ее приложения Т. Значения нагрузок и грунтовых характеристик включаются в расчет с учетом коэффициентов надежности по грунтам, нагрузкам и условиям работы сооружения [4].
Необходимо учесть пошаговую (итеративную) процедуру изменения нагрузки и соответственно характеристик грунта состояние плотности, модуля деформации, влажности, пористости и др. параметров и все их новые значения, которые будут действовать в ходе каждого шага нагрузки. Таким образом, на каждом новом шаге нагрузки будет прирост степени консолидации, но он будет затухать. Конечная осадка основания под эксплуатационной нагрузкой должна быть рассчитана методом послойного суммирования в активной зоне основания. В результате прогноза осадки слабого основания должно быть рассчитано время завершения требуемой степени консолидации грунтов выделенных слоев или время достижения требуемой интенсивности осадки.
Общая осадка в наиболее опасном месте подоткосной части основания включает: осадку деятельного слоя; осадку талика; осадку мерзлой толщи, которая зависит от наличия объема незамерз-шей воды.
Важно отметить, в этом сложном процессе протекания осадки при интенсивном виброуплотнении основания параметры и продолжительность действия передаваемой на слои нагрузки являются регулируемыми.
После первой стадии композитной технологии необходим контроль прочностных характеристик грунтов таликовой зоны. Виброуплотнение и дренаж основания должны обеспечить упрочнение грунтов и восприятие эксплуатационной нагрузки в подоткосной части. Глубина промерзания увеличится за счет снижения влажно-
сти и частичной замены слабого водонасыщенного грунта песком. Если же первая стадия не обеспечивает ликвидацию талика, необходимы меры по терморегулированию и устройству бермы в подо-ткосной части.
Строительство по второму принципу. В качестве примера примем участок автодороги Салехард - Надым ПК 249 (поперечник тип 5), на котором в соответствии с нормами [5] допускается производство работ в период положительных температур.
Граничные технологические условия:
A) Работы по устройству дренажа целесообразно выполнить осенью (ориентировочно - октябрь) до отрицательных температур, чтобы использовать эффект морозного пучения и отжатия воды;
Б) Отвод воды из дренажных прорезей следует предусматривать в боковые канавы, которые устраивают в соответствии с [5];
Б) Работы по виброуплотнению основания выполняются на следующий год (ориентировочно - июнь) после оттаивания;
B) Все работы должны сопровождаться контролем осадки и прочностных характеристик грунтов каждого слоя.
Рассмотрим подробнее влияние морозного пучения на миграцию и отвод воды дренажной системой. Промерзание грунта сопровождается миграцией влаги, обезвоживанием, усадкой, льдона-коплением и распучиванием, что приводит в итоге к развитию напряжений и деформации. По [1,2] деформации талой и мерзлой зон разнонаправлены: мерзлая зона увеличивается в объеме и линейных размерах, а талая сокращается за счет обезвоживания и усадки при перемещении воды из нижнего слоя к верхнему. Оттаявший грунт имеет комковатую структуру и, следовательно, высокий коэффициент фильтрации, что обеспечит перемещение отжатой воды к дренажу. Коэффициент фильтрации распученного суглинка при оттаивании многократно увеличивается по сравнению с его природным значением.
При оценке результатов дренажа следует учитывать исследования влажности [1,2] и различный эффект миграции воды в промерзающих глинистых и песчаных грунтах. Грунты глинистой консистенции увеличивают свою влажность в направлении к фронту промерзания, тогда как средневзвешенный песок наоборот, уменьшает влажность. В водонасышенных песках при наличии хотя бы в одном направлении свободного оттока воды (дренирования) не происходит миграции воды к фронту промерзания, а наблюдается ее отжатие. Следовательно, при устройстве дренажных прорезей произойдет отжатие свободной воды в дренажную систему. По методике [2] миграционная влажность характеризует приращение влаги в единице объема промерзающего связного грунта как за счет перераспределения начальной влажности, так и вследствие подтока влаги из смежных зон талого грунта. Миграционное влагона-копление в промерзающем грунте, которое является главной причиной интенсивного пучинообразования и избыточного льдовыде-ления, определяется по формулам в зависимости от критической влажности пучения, температурного импульса, возбуждающего движение влаги в промерзающем грунте; параметра связи между температурой и содержанием незамерзшей воды в зоне промерзания; влажность на границе раскатывания, и отношения коэффициентов влагопроводимости талого и мерзлого грунта.
Для участка автодороги Салехард-Надым ПК 249 влагонакоп-ление в промерзающем слое грунта за счет подтока влаги из нижнего слоя талого грунта и перераспределения начальной влажности составило 0,046 д.е. Изменение влажности и перераспределение начальной влаги привело к оттоку воды из нижнего талого слоя грунта в дренажную систему и усадке талика. В соответствии с установленными в [2,3] зависимостями угла внутреннего трения от показателя консистенции и сцепления грунта от влажности определены новые улучшенные прочностные характеристики грунта. При уменьшении влажности уменьшилась и теплопроводность талика, что в свою очередь замедляет его развитие. Этот факт создает предпосылки для важного позитивного процесса поднятия уровня вечной мерзлоты снизу под действием нисходящего тепло-потока на 9см.
При строительстве по второму принципу также основной технологической стадией упрочнения грунтов основания в таликовой зоне является интенсивное уплотнение грунтов с целью отжатия, отвода влаги и консолидации грунтов вплоть до ликвидации талика. Исходные характеристики грунтов и соответственно критическую нагрузку на основание следует уточнить и принять по результатам действия дренажной системы и отвода воды в период морозного пучения.
Исходным технологическим требованием является определение допустимой нагрузки от катка и защитного слоя на грунт талика (с учетом ее изменения по глубине) по формуле (1). При виброуплотнении в активной зоне происходят осадки:
1) мгновенная осадка от катка определяется согласно [2,3] в зависимости от коэффициента сжимаемости, нагрузки от строительной техники, начального давления в поровой воде и мощности сжимаемого слоя;
2) Осадка грунта основания, которая определяется методом послойного суммирования в зависимости от вертикального нормального напряжения от внешней нагрузки; коэффициента бокового давления; толщины и модуля деформации каждого слоя грунта основания;
3) осадка мерзлоты, которая определяется согласно [2] и зависит от относительного сжатия и мощности.
Для рассматриваемого участка автодороги полная осадка основания составила 0,274м. Расчетная величина полной осадки под строительной нагрузкой и, соответственно, увеличение консолидации грунтов проходит длительное время, определяемое на основе мониторинга изменения всех грунтовых характеристик в технологическом процессе. В соответствии с нормами [5,6] допускается в строительный период неполное завершение консолидации грунтов и возможность продолжения осадок в эксплуатационный период при условии, что эти осадки не нарушают требования безопасности. В этом случае заключаются договорные отношения между заказчиком и подрядчиком о компенсации в смете дополнительных затрат на ликвидацию деформаций.
Прогноз хода осадок и динамики роста консолидации выполняется на основе теории фильтрационной консолидации [2]. Переменными регулируемыми параметрами в расчетах являются: коэффициент консолидации грунта; расчётные пути вертикальной и горизонтальной фильтрации воды; коэффициенты уплотнения, фильтрации и пористости грунтов основания. Расчеты следует вести в итеративном режиме ежедневно для расчетного (проектного) расстояния между прорезями и соответственно, пути фильтрации. Контрольными параметрами расчетов являются прочностные характеристики и темп прироста осадки, который будет уменьшать-
вания под действием эксплуатационной нагрузки, которая превышает допустимую величину и может привести к нарушению устойчивости откоса.
2. Концепция ликвидации талика состоит в управляемом технологическом регулировании процессов упрочнения грунтов по стадиям организации дренажной системы, интенсивного уплотнения, отжатия воды и укрепления подоткосной части насыпи. Предложенная композитная технология принципиально отличается по составу и времени производства на участках 1-го или 2-го принципов строительства на вечномерзлых грунтах.
Важно отметить возможность оценки на перспективу технологических параметров консолидации и, в первую очередь, проектных размеров дренажных прорезей. В частности, уменьшение расстояния между ними приведет к сокращению пути фильтрации и соответственно ускорению консолидации грунтов. Осадка и уплотнение грунтов талика приводят к снижению влажности и росту прочностных характеристик. Связь между характеристиками влажности, сцепления и угла внутреннего трения установлена в трудах [2,3]. Применительно к участку железной дороги Салехард - Надым ПК 3030 снижение влажности грунтов талика привело к росту на 8-12% прочностных характеристик и безопасной нагрузки на основание.
В случае если все три стадии композитной технологии не обеспечивают нормативные требования по стабильности (наиболее уязвимыми для протаивания остаются подоткосные зоны основания), следует применить СОУ. Расчеты параметров и схемы расстановки термосифонов выполняют в зависимости от термического сопротивления колонки теплообмену, теплопроводности грунта в мерзлом и талом состояниях, температурных характеристик грунтов, удельной теплоты фазовых превращений воды в лед и плотности грунта в сухом состоянии. Опытные расчеты показали, что улучшение характеристик грунтов в ходе композитной технологии позволяет увеличить шаг расстановки СОУ на 35%.
Контрольный расчет устойчивости откосов насыпи с таликом в основании и откосной части должен быть проведен по методике [6] применительно к двум состояниям: 1) насыпи на талике при исходных грунтовых характеристиках; 2) насыпи на основании с улучшенными характеристиками в результате применения композитной технологии. Результаты расчетов показали, что в исходном состоянии устойчивость откосов не обеспечена (Куст = 0,86), а после применения трех стадий композитной технологии Куст = 1,21.
Выводы. 1. Теплотехнические расчеты определения глубин промерзания и оттаивания в основании опытных участков железной и автомобильной дорог направления Салехард - Надым позволили установить опасное образование таликовых зон и осадку в подоткосной части основания земляного полотна в период оттаи-
Литература:
1. Хрусталёв Л.Н. Основы геотехники в криолитозоне - М.: Изд-во МГУ, 2005.
2. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. 1973.
3. Луцкий С.Я., Шмелев В.А., Бурукин А.Ю. Технологическое регулирование процессов упрочнения слабых оснований / Транспортное строительство. - Москва, 2012. - № 1.
4. СП 25.13330.2012 Основания и фундаменты на вечномерз-лых грунтах. - М.: 2012
5. ВСН 84-89. Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты. М. 1990.
6. ВСН 61-89. Изыскания, проектирование и строительство железных дорог в районах вечной мерзлоты.- М.:1990.
7. Луцкий С.Я., Шепитько Т.В. и др. Строительство путей сообщения на Севере. - М.: ЛАТМЭС. - 2009.
