CC BY
109
УДК 625.7
АНАЛИЗ ПРИЧИН СВЕРХНОРМАТИВНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ МЕРЗЛОТЫ (ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МОНИТОРИНГА АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ «АМУР»)
Е. А. Бедрин, А. А. Дубенков
Аннотация. В статье проанализированы причины нерасчетных (сверхнормативных) деформаций на отдельных участках автомобильной дороги Р -297 «Амур» Чита -Хабаровск в Забайкальском крае по результатам полевого обследования. Предложены рекомендации по проведению защитно-ремонтных мероприятий на рассмотренных участках. Представленный в статье анализ позволяет предусматривать адекватные стабилизационные решения предупредительного характера на аналогичных объектах в процессе проектирования и строительства, автомобильных дорог на высокотемпературной мерзлоте.
Ключевые слова: полевые обследования, деформации, высокотемпературная мерзлота.
Введение
Необходимость и своевременность в выполнении детального мониторинга участков автомобильной дороги «Амур» обусловлены результатами наблюдений специалистов ФКУ Упрдор «Забайкалье» за состоянием эксплуатируемой дороги. Так, по дефектным ведомостям на участке км 124 -км 520, характеризующимся наличием вечной мерзлоты, с 2009 г. наблюдается увеличение количества и протяженности отдельных дефектных участков на 20-30 % ежегодно. В рамках мониторинга состояния были проведены комплексные полевые работы, включающие в себя буровые, геотермические и физико-механические исследования на ключевых участках. Работа выполнялась сотрудниками ООО «СибИНДОР» совместно с ОАО «Иркутскгипродорнии» [1].
Анализ причин сверхнормативных деформаций в условиях
высокотемпературной мерзлоты на примере автомобильной дороги «Амур»
Автомобильная дорога федерального значения «Чита - Хабаровск» расположена в пределах восточной части Читинской и западной части Амурской областей. Обследованные участки расположены в третьей подзоне первой дорожно-климатической зоны.
В процессе строительства дороги на первой стадии (возведение земляного полотна) предусматривалось устройство насыпей в зимний период из предварительно разрыхлённых скальных грунтов на полную высоту на промёрзшее основание. Для
сокращения сроков строительства проектом была предложена круглогодичная отсыпка дорожных насыпей. На первом этапе -устройство технологического проезда на всю ширину земляного полотна для построечного транспорта и транзитного движения, а также обеспечение задела и стабилизации земляного полотна. На втором этапе -досыпка земляного полотна до проектных отметок с учётом суммарной осадки (от веса насыпи, динамических нагрузок от транспорта и собственного веса оттаивающего грунта основания). При этом считалось, что летняя отсыпка с учётом суммарной осадки ускорит стабилизацию земляного полотна и снизит последующую осадку. В соответствии с расчетами по действующим нормативам проектная величина осадки
предусматривалась от 10 см до 25 см. Через год в конце сентября 2012 года, т.е. в период максимального оттаивания деятельного слоя, при сопровождении строительства было выявлено следующее состояние двух одинаковых по грунтовым условиям участков:
- насыпь, отсыпанная в апреле-мае на промороженное основание из твёрдомёрзлых грунтов, на всю ширину понизу, высотой 1,52, дала осадку в 20см;
- насыпь, отсыпанная из скального грунта в конце июня, июле и августе на растеплённое основание, на всю ширину понизу, высотой 1,5-2,0м дала осадку до 70см.
Обследованные участки были введены в эксплуатацию на второй стадии (с асфальтобетонным покрытием) в 2009-2010г.г. Зафиксированные в июле 2012 г. на
этих участках автомобильной дороги деформации преимущественно
представлены, чередующимися впадинами и неровностями (рис. 1, 2). Протяженность неровностей менялась от 3 до 100м (при средней протяженности 10 - 20 м). Деформации нередко сопровождались наличием косых и реже продольных трещин в асфальтобетонном покрытии с шириной раскрытия от 0,4 до 6 см на отдельных участках (рис. 3).
Рис. 1 . Неровности
Рис. 2 . Продольная трещина на укрепленной обочине при просадке земляного полотна
Рис. 3 . Выбоины глубиной до 5см
Первичные обследования проседающих на мерзлоте участков автомобильной дороги выявили, что более чем в 90 % случаев имелось наличие воды у оснований откосов дорожной насыпи. В ряде случаев, течение воды осуществлялось вдоль и внутри проседающих участков, в том числе и с фильтрацией через тело насыпи по её основанию.
Данные контрольного бурения показали, что глубина протаивания грунтов с поверхности на рассматриваемых участках автомобильной дороги составила на 25.08.2012г. более 4,5 м. Температура мёрзлых грунтов основания на 1,5 - 2,0 м ниже границы оттаивания составляла по замерам от -0,1 до -0,2оС (рисунок 4). По данным наблюдений глубина промерзания, с учетом наличия водонасыщенных слоев, для которых требуются значительные затраты холода на фазовые превращения воды в лёд, не превышает 4,5м. Из этого следует, что на всех проседающих участках имеется превышение суммарной глубины оттаивания над глубиной максимально возможного промерзания. В результате образовалась участковая «не сливающаяся мерзлота».
В ходе работы установлено, что надмерзлотные грунтовые слои
переувлажнены или полностью водонасыщены (рисунок 5). Это свидетельствует как о вытаивании льда с просадкой поверхности, так и о затекании поверхностных вод к оттаивающему мёрзлому основанию, что подтверждается данными бурения, которые показывают образование осадочной чаши, заполненной осевшим водопроницаемым грунтом.
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 -*- 02.10.2012
м
Рис. 4 . Зависимость распределения температуры грунтов на одном из обследованных аварийных участков
60
50
ге40 ё
°30
I
га
Ш20
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Глубина отбора, м
Рис. 5 . Результаты замеров влажности грунтов по глубине их отбора
Проведённые специалистами ООО «СибИНДОР» и ОАО «Иркутскгипродорнии» полевые обследования поврежденных участков на этой дороге в 2012г., а также изучение данных более ранних (2009 - 2011 г.г.) обследований и защитно-ремонтных мероприятий, свидетельствуют, что большинство повреждений участков земляного полотна и дорожной одежды связаны с просадками от сверх расчётного оттаивания вечномёрзлого основания насыпей. Просадки вызваны, замачиванием осевшего при втором принципе проектирования основания земляного полотна с затеканием воды (дождевой, паводковой, от таяния снега и др.). Вода в основание дорожных насыпей может попадать через отсыпанную из водопроницаемых грунтов нижнюю часть земляного полотна даже при обеспеченном проектном водоотводе. Вода также легко затекает в основание насыпей в местах частичной замены просадочных при оттаивании грунтов основания на прочные скальные, хорошо водопроницаемые грунты (в нулевых местах, на косогорах и др.). Отепляющая вода попадает в основание через откосы и нижнюю часть насыпи, отсыпанную из водопроницаемых скальных, крупнообломочных и песчаных грунтов в местах с необеспеченным (как проектным, так и эксплуатационным) водоотводом.
Попадание воды через водопроницаемые грунты нижней части насыпи к мёрзлому основанию вызывает значительное ослабление прочностных характеристик слагающих его грунтов, особенно пылеватых и глинистых, как в прослойках, так и в мелкозёмах заполнителей. При этом постепенно создаётся нарастающее (сверхнормативное) термокарстовое
оттаивание за счёт дополнительного, нерасчётного, приноса тепла с водой. Также возрастает и тиксотропность, т.е. способность к виброразжижению при динамических воздействиях оттаявших, замоченных и ещё не уплотнившихся грунтов основания. Данное обстоятельство увеличивает склонность к медленному сплыву-оползанию этих грунтов по мёрзлому основанию земляного полотна на наклонных участках местности. Полки и уступы, нарезанные в мерзлом основании земляного полотна, не удерживают в полной мере начавшийся процесс, так как их грунт также оттаивает и начинает деформироваться вместе с насыпью (см. рисунок 2). Этот процесс усиливается при динамических сотрясениях насыпи и основания от автотранспортных средств.
Длительность и величина протекающих осадочных деформаций оттаивающего дорожного основания будут зависеть:
- от интенсивности, величины и особенностей протекания процесса глобального потепления климата на конкретных территориях (как по среднегодовым температурам воздуха, так и за счёт потепления зимних периодов);
- от интенсивности ежегодного теплоприноса с водой в мёрзлое основание насыпи (с постепенным нарастанием глубины оттаивания);
- от возникновения несливающейся участковой мерзлоты при нарастании глубины оттаивания больше глубины промерзания;
- от мощности (толщины) вечной мерзлоты под насыпью и наличия в её слоях значительных ледяных включений, и неравномерности их расположения в основании насыпи;
- от пороговой уплотняющей нагрузки на оттаивающее, слабое основание насыпи;
- от нарастающей толщины оттаявшего и уплотнившегося слоя основания, который начинает перераспределять неравномерности дальнейшей осадки [2];
Выполненная работа позволила определить, что основной причиной деформаций на аварийных участках автомобильной дороги «Амур» является «растепление» неустойчивых
(высо коте мпе ратурных) многолетнеме рзл ых грунтов основания, в совокупности вызванное:
- инфильтрацией воды (дождевой, паводковой, от таяния снега и др.);
- воздействием глобального потепления климата;
- опасным применением в нижней части насыпи относительно дренирующих грунтов;
- нарушением технологических требований при круглогодичном выполнении двух стадийного строительства.
Толщина отсыпки высоких насыпей (при летней досыпке из талых грунтов) совместно с сезоннооттаивающим слоем не должна превышать глубины промерзания. Иначе происходит искусственное (строительное) создание не сливающейся мерзлоты. Выборка слабых грунтов основания и замена их на прочные, водопроницаемые скальные грунты, также способствует образованию несливающейся мерзлоты.
Опыт строительства и эксплуатации автомобильной дороги «Амур», анализ результатов оценки ее состояния в процессе эксплуатации будут полезны при строительстве других объектов в условиях криолитозоны.
Вопрос о способах и методах регулирования опасных геокриологических процессов должен решаться для каждого «опасного» участка индивидуально. В общем случае разработке защитных мероприятий по регулированию сезонного промерзания и протаивания грунтовых оснований линейных насыпных сооружений (дорожных насыпей) и промышленных площадок должны предшествовать:
- исследование этих процессов в естественных условиях, до строительства, с выявлением и учётом особенностей их проявления;
- изучение грунтовых слоёв и льдистости верхней части вечномёрзлых грунтов мощностью до 10 - 15 м; температуры вечномёрзлых грунтов в зоне с нулевыми годовыми колебаниями (т.е. на глубине «нулевых амплитуд», находящейся обычно на расстоянии 8 - 12 м от дневной поверхности) на границах и в центральной части каждого опасного участка;
- прогнозирование возможного изменения геометрических параметров грунтовых слоев, оттаивающих под расчётной нагрузкой, их теплофизических характеристик;
- назначение вариантов защитных конструктивных и технологических мероприятий с прогнозным расчётом их эффективности для обеспечения длительной тепловой и общей устойчивости насыпного инженерного сооружения на многолетнемёрзлых грунтах.
Заключение
Для своевременного предупреждения нерасчетных (сверхнормативных) деформаций необходимо в процессе проектирования и строительства автомобильной дороги выполнять следующие рекомендации:
1. Обеспечивать глубокую аналитическую проработку исходной информации по результатам инженерных изысканий, позволяющую с большей достоверностью оценивать условия строительства на отдельных участках дороги, выявлять границы участков с относительно однородными условиями природной среды для обоснованного назначения конструкций земляного полотна [3];
2. Повысить эффективность проектных решений на основе анализа «базы данных» конструктивных решений земляного полотна в различных природно-климатических условиях с использованием патентов и результатов мониторинга состояния ключевых участков дорог в процессе эксплуатации;
3. Расширить применение методов математического моделирования и компьютерных технологий, интерпретирующих геокриологические процессы в основаниях дорожных насыпей на основе прогноза климатических показателей и теплотехнического регулирования геометрическими и физическими параметрами слоев в конструкциях земляного полотна;
3. Использовать современные методы организационно-технологического моделирования для проектирования организации работ с учетом факторов сезонности и своевременного выполнения всех подготовительных работ по обеспечению водоотвода от земляного полотна.
Библиографический список
1. Разработка ОДМ "Методические рекомендации по геокриологическому прогнозированию устойчивости дорожных сооружений при проектировании, строительстве и эксплуатации автомобильных дорог": отчет о НИР (заключ.): Федеральное дорожное агентство; рук. Е. А. Бедрин; исполн.: А. А. Дубенков [и др.]. - М., 2013. - 197 с. - № ГР 01201179518
2. Жданова, С. М. Принципы обеспечения стабилизации земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты: Диссертация на соискание учёной степени д.т.н. Хабаровский государственный университет путей сообщения. Хабаровск, 2007. - 425 с.
3. Дубенков, А. А. Комплексная оценка инженерно-геологических и мерзлотных условий при районировании трассы дороги / А. А. Дубенков // Вестник СибАДИ. - №4 (32) 2013 - С. 46-52.
ANALYSIS OF CAUSES OF LIMIT-EXCEEDING DEFORMATIONS ON MOTOR ROADS IN CONDITIIONS OF HIGH-TEMPERATURE CONGELATION (FROM THE RESULTS OF "AMUR" MOTOR ROAD'S MONITORING)
E. A. Bedrin, A. A. Dubenkov
Abstract. The article analyzes the causes of offnominal (limit-exceeding) deformations on separate sectors of the motor road R - 297 "Amur" Chita -Khabarovsk in the Zabaykalsky region upon the results of field survey. The recommendations for conducting protective and repair actions on examined sectors are offered. The analysis presented in the article allows anticipating the appropriate stabilizing decisions of preventive character on analogous objects in the process of engineering and building motor roads in high-temperature congelation.
2. Zhdanov S. M. Principles of subgrade stabilization in the southern permafrost: Dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences Khabarovsk State University of Railways. Khabarovsk, 2007. - 425 p.
3. Dubenko A. Comprehensive assessment of geotechnical and permafrost conditions at zoning road alignment / A. A. Dubenko // Vestnik SibADI. - № 4 (32) 2013 - pp. 46 - 52.
Бедрин Евгений технических наук, государственной академии (СибАДИ),
Андреевич - кандидат доцент Сибирской автомобильно-дорожной начальник отдела ОАО
Keywords: field surveys, temperature congelation.
deformations, high-
Bibliographic list
1. ODM Development "Guidelines for predicting stability GEOCRYOLOGICAL road facilities for design, construction and operation of highways" : research report Federal Road Agency; hands. EA Bedrin; executed.: AA Dubenko [et al.] - Moscow: 2013. - 197 p. - № GR 01201179518
«Омский СоюзДорНИИ» г. Омск. Основное направление научной деятельности: Разработка ресурсосберегающих технологий в дорожном строительстве. Общее количество
опубликованных работ: 42. e-mail: [email protected]
Дубенков Андрей Алексеевич - аспирант Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ) г. Омск. Основное направление научной деятельности:
Обоснование конструктивных и организационно-технологических решений при строительстве дорог на многолетнемерзлых грунтах. Общее количество опубликованных работ: 19. e-mail: hrnthrnt@gmail. com
УДК 624.15
ПРИМЕНЕНИЕ ТРУБЧАТОГО СВАРНОГО ШПУНТА НА СТРОИТЕЛЬСТВЕ СТАНЦИЙ ОМСКОГО МЕТРОПОЛИТЕНА
Ю. Е. Пономаренко, А. С. Нестеров, Н. Б. Баранов
Аннотация. Рассмотрено применение трубчатых шпунтовых свай при устройстве ограждающих конструкций станций метрополитена. Предложены различные конструкции замковых соединений, нашедшие широкое применение при ограждении глубоких котлованов при строительстве в районах Западной Сибири. Уделено внимание вопросам анализа существующих технических решений шпунтовых ограждений.
Ключевые слова:
эффективность.
конструкции, шпунт, свая, погружение, технология,
Введение
Применение трубчатого сварного шпунта началось практически одновременно в ФРГ, Японии и США в начале 60-х годов прошлого века. И явилось перспективным направлением для устройства ограждающих стен котлованов. Шпунтовое ограждение из свай ТШС (трубчатый сварной шпунт) нашло свое применение в РФ только в начале 90-х годов в районах Крайнего Севера (на объектах транспортного и гидротехнического строительства Ханты-Мансийского
автономного округа), а так же в других регионах России. В современном
строительной практике металлические конструкции из свай ТШС нашли техническое обоснование в виде специально созданной нормативной и методологической базы. Благодаря вновь разработанным ГОСТам эти конструкции широко применяются для устройства мостовых переходов, причальных стенок, при возведении ограждающих конструкций котлованов зданий. К их числу можно добавить транспортные и гидротехнические сооружения из трубчатых сварных шпунтовых свай, отличающиеся рациональностью конструкции, прочностью и архитектурной выразительностью [1].
