О компании

Продукция


Технология строительства в криолитозоне (таликовые зоны на вечной мерзлоте)

Авторы: – С.Я. Луцкий, Д.т.н., профессор
– А.М. Черкасов, к.т.н., руководитель научно-исследовательской Мерзлотной лаборатории
– К.Н. Хрипков, инженер (МИИТ)
Статья опубликована в № 7 журнала «СТТ», 2012 год

Строительство путей сообщения на Севере и всестороннее освоение Сибири отличаются непреходящей актуальностью для народного хозяйства. Одна из сложнейших технологических задач состоит в повышении надежности земляных сооружений в наиболее уязвимых местах потенциальной деградации вечной мерзлоты на основе профилактики техногенных и мерзлотных процессов в строительный период, а также в реализации технологических режимов, обеспечивающих сокращение сроков возведения земляного полотна в экстремальных природных условиях Севера.

скачать статью полностью в формате pdfОбследование построенных участков новой железнодорожной линии Обская – Бованенково — Карская на Ямале вскрыло крайне негативные процессы деградации мерзлоты на границе техногенного вмешательства в природу (насыпь — основание). Нарушение гидрологического режима поверхностных вод приводит к формированию подтопленных зон, образованию термокарста и разрушению водоотводных и водопропускных сооружений. Снегонакопления в полосе отвода стали участками отепляющего воздействия и изменили температурный баланс в мерзлой толще. Нарушилась устойчивость мерзлотных процессов и началось образование новых сквозных и несквозных таликовых зон.

Сложность состоит не только в экстремальных природно-климатических условиях. Опыт экспертизы строительства и временной эксплуатации железных дорог Ягельная – Ямбург, Обская — Бованенково – Карская и Беркакит – Томмот – Якутск показал необходимость обеспечения безопасности сооружений, начиная со строительного периода. В ходе работ на многолетнемерзлых грунтах, в зависимости от времени года и осадок меняются их физические свойства, что может потребовать изменения не только технологии, но и конструкции сооружений. Этим требованиям должна соответствовать и машиностроительная продукция фирм, приобретаемая северными строителями для парков машин, оборудования и транспортных средств.

Строительство объектов в районах распространения многолетнемерзлых грунтов связано, в первую очередь, с уникальными природными условиями и явлениями. В тундре применяют технологию и организацию работ, ориентированную на практически полное отсутствие грунтов, пригодных для возведения насыпей, и распространение многолетнемерзлых болот. Из – за большой льдонасышенности наблюдаются значительные деформации естественных склонов и откосов насыпей, термоэрозионные и солифлюкционные процессы. Необходимо учитывать всю совокупность природно – климатических, гидро – геологических и мерзлотных процессов на основе фундаментальных закономерностей мерзлотоведения. Недостаточный учет их последствий может катастрофически повлиять как и на ход строительства, так и на дальнейшую эксплуатацию объекта.

В экстремальных условиях строительства объектов транспорта на Севере особенно актуален выбор взаимосвязанных конструктивных, технологических и экологических решений, обеспечивающих надежность объектов. Среди прогрессивных решений назовем разработанную в МИИТе комплексную технологию, объединяющую возможности современных геосинтетических материалов, мобильной техники в северном исполнении, устройств для терморегулирования и приборного мониторинга процессов (Луцкий С.Я., Шепитько Т.В. и др. Строительство путей сообщения на Севере. – М.: ЛАТМЭС. – 2009).

Природа деформаций насыпей в сложных инженерных условиях зависит от хода строительных работ при формировании новой природно-технической системы и природных процессов, происходящих в грунтах при их промерзании–оттаивании. Деформации земляных сооружений происходят под влиянием комплекса теплофизических, физико-механических, массообменных и физико-химических факторов.

Основные факторы, которые влияют на образование таликов: теплофизические характеристики и влажность грунтов основания, климатические параметры, снегозаносимость, уровень подтопляемости участка и сроки строительства.

Для аналитической стадии обследования на выбранных пикетах трассы Обская — Бованенково грунтовые разрезы и характеристики грунтов принимались по материалам проектов и мониторинга организованных на опытных участках режимных сетей, климатические параметры – по данным наблюдений метеостанции Юрибей, ближайшей к рассматриваемому участку трассы. Результаты обследования подтвердили необходимость специальных конструктивно-технологических решений земляного полотна в таликовых зонах. Талики – массивы талого грунта, залегающие внутри толщи многолетнемерзлых грунтов, — являются источником нестабильности основания, деформаций земляных сооружений. Причина их появления — аномальные явления, вызывающие нарушение естественного температурного режима многолетнемерзлого основания, сложенного льдистыми грунтами, в частности при изменении условий поверхностного теплообмена на границе основания с воздухом и при минерализации грунтов. Талики могут возникнуть как в ходе строительства, так и в период временной эксплуатации линии.

Динамика изменения состояния природно-технической системы, которой является новая железная дорога, приводит к необходимости разработки методов регулирования технологических процессов, соответствующих изменению состояния объекта строительства. Выбор конструктивно-технологических решений в процессе строительства зависит от вида таликовых зон: 1) фактически сложившихся таликов; 2) потенциальных таликовых зон.

Традиционный подход к оценке условий формирования таликов основан на сравнении глубины сезонного оттаивания и промерзания основания земляного полотна сверху и снизу при нуле¬вой среднегодовой температуре и отсутствии значительных теплопотоков на нижней границе потенциальных глубин оттаивания и промерзания.

Рис. 1. Фрагменты продольного профиля железнодорожной линии Бованенково – Карская с грунтовым разрезом фактического образования таликовых зон на пикетах ПК 5518 и ПК 14585.

Параметры зоны образования таликов, в первую очередь глубины промерзания и оттаивания грунта зависят от коэффициентов теплопроводности грунта в талом и мерзлом состоянии, среднелетней и среднезимней температуры поверхности грунта в пределах основной площадки или откоса насыпи, продолжительности летнего и зимнего периодов, среднелетнего и среднезимнего термического сопротивление теплообмену; коэффициентов теплообмена в летнее и зимнее время; термического сопротивления изоляции; среднезимнего термического сопротивления снежного покрова; удельной теплоты замерзания воды (таяния льда); плотности и влажности талого и мерзлого грунта.

Расчеты теплового баланса для участка на ПК 14584 + 00 – 14586 + 80 показали: из–за недостаточного зимнего промерзания грунта образование фактической таликовой зоны было неизбежным, ее 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.

Учеными МИИТа был составлен для ОАО «Ямалтрансстрой» технологический регламент строительства экспериментального участка разъезд Хралов – станция Сохонто, в котором предложено построить технологическую автодорогу (ТАД) в теле насыпи, обеспечивающую постоянный внутрипостроечный транспорт с целью доставки грунта из притрассовых карьеров, строительных материалов и конструкций.

Концепция технологического регламента состояла в разработке и реализации новой комплексной технологии индивидуально для каждого вида опасных участков. Были выделены параметры закономерностей, которые допускают технологическое регулирование. К ним относятся: тепло¬проводность талого и мерзлого грунта основания, сумма градусо-часов за летний и зимний период на дневной поверхности в строительном цикле; теплота фазового перехода на границе насыпь – основание ТАД.

Для ликвидации условий образования таликов в потенциально опасной зоне предложены и эффективно реализованы следующие стадии комплексной технологии:

1) устройство технологической автодороги;

2) устройство дренажных прорезей и регулирование влажности;

3) интенсивная технологическая стадия упрочнения основания;

4) установка сезонно – действующих охлаждающих термосифонов;

5) регулирование толщины снежного покрова до возведения насыпей.

Важно отметить, что каждая стадия включает комплекс процессов, увязанных во времени исполнения и по месту размещения на трассе линии, которые являются взаимодополняющими в смысле повышения воздействия на негативные явления в основании насыпей.

По каждой стадии были установлены физические и формальные взаимосвязи между природными и регулируемыми технологическими процессами. Для этого в расчетные конструктивно-технологические схемы введены параметры и процессы, допускающие изменения в ходе проектирования и строительного производства: виды по¬кровов (промерзающие и непромерзающие, естественные и тех¬ногенные), характеристики конвективного теплообмена в грунтовах (инфильтрация, конденсация), изменение тепловлажностных режимов и др. Проследим взаимосвязь технологических и физических параметров на каждой стадии.

Первая стадия комплексной технологии и соответственно, первый специализированный процесс — устройство технологической автодороги, — является главным условием строительного производства в криолитозоне из-за деградации деятельного слоя мерзлоты летом и снегозаносимости полосы отвода зимой.

Рис.2. Формирование таликовой зоны на участке ПК 14585 линии Обская – Карская (1- глубина зимнего промерзания грунтов сверху; 2 – глубина летнего оттаивания; 3- глубина зимнего промерзания снизу).

Для предотвращения деформаций при оттаивании грунта в насыпи устраивают геотекстильные обоймы, в основание укладывается пенополистирол, основная площадка укрепляется георешеткой и скальным грунтом (расчетная высота конструкции не должна допускать сезонного оттаивания основания). В таком исполнении технологическая автодорога, во-первых, приобретает конструктивную функцию – становится ядром жесткости будущей постоянной насыпи железной дороги, во-вторых, – организационную, так как обеспечивает внутрипостроечный транспорт для всех подрядных организаций на трассе и расстановку техники на рабочих участках к началу теплого периода. В период положительных температур осуществляется завершение отсыпки железнодорожной насыпи до проектного очертания с использованием уже существующего к этому времени сплошного технологического автопроезда, укрепление откосов и основной площадки земляного полотна.

Такая конструкция и динамика возведения ТАД активно противодействуют условиям образования таликов и вместе с термосифонами устраняют фактические таликовые зоны. Сооружение ТАД производится в начале первого зимнего периода возведения насыпи, после подготовительных работ. Срок рассчитывается, исходя из продолжительности устройства технологической автодороги на типовой захватке 200м, которая равна 5 дней.

Возможность выбора сроков выполнения каждого технологического процесса позволяет регулировать в ходе работ температурный режим грунтов основания, тем самым предотвратить образование таликовых зон в строительный период.

В наиболее опасных местах возникновения и развития термокарста – у откосов ТАД предложено организовать терморегулирование мерзлотных процессов за счет установки сезонно – действующих охлаждающих устройств (термосифонов). Идея состоит в том, чтобы уже при подготовке производства и негативном прогнозе растепления в связи с накоплением снега или подтоплением насыпи, понизить температуру грунтов основания.

Воздействие термосифонов сочетается с теплоизоляцией мерзлых грунтов, действующей от всей конструкции технологической автодороги, особенно от плит пенополистирола, укладываемых в ее основании. Известен положительный опыт применения термосифонов в конструктивных решениях насыпей. Охлаждение пластичномерзлых грунтов производится с целью превращения их в твердомерзлые и, соответственно, повышения их прочности и снижения деформационных свойств, а талых грунтов – с целью создания однородных мерзлотных условий на строительной площадке путем промораживания несквозных таликов.

В составе комплексной технологии термосифоны должны выполнять регулирующую функцию Их установка выполняется как в комплексе с сооружением ТАД, так и отдельно от него, но строго в тех местах, где присутствуют критические значения параметров образования таликов. В местах, где нет необходимости их установки для стабилизации основания будущей насыпи, земляное полотно возводится в первый зимний период до проектных отметок, с возможностью съезда на ТАД. Термосифоны устанавливают в пробуренные скважины вдоль ТАД вертикально, отклонение допускается на величину не более диаметра. Радиус замораживания сезонно-действующих охлаждающих установок у основания насыпи определяет шаг их расстановки вдоль трассы.

Регулируемым параметром при профилактике талика является термическое сопротивление снежного покрова на откосах ТАД и в полосе отвода. Снежный покров — факто¬р, участвующий в формировании температурного режима грунтов в холодных регионах, его влияние на температур¬ное поле грунтов многообразно и может иметь разнонаправленный характер. Величина и направленность влияния снежно¬го покрова зависит от его высоты и теплопровод¬ности, от характера снегонакопления во времени, от климати-ческих условий, а также от годового теплообмена в подстилающих грунтахах. Так, при малых мощностях снежного покрова снег может оказывать охлаждающее воздействие на температурный режим подстилающих грунтов. То же самое может происходить и при больших значе¬ниях высоты снежного покрова за счет длительной задержки схо¬да снега и сокращения летнего нагревания основания насыпей. Однако основное влияние на формирование температуры грунтов основания оказывает снег как теплоизолятор, препятствующий охлаждению грунтов в пределах слоя годовых теплооборотов в зимний период. Отепляющее воздействие снежного покрова определяется его низкой теплопроводностью и сезон¬ностью существования (только в холодный период) и может приводить к повышению среднегодовой температуры грунтов относи¬тельно таковой на дневной поверхности на величину до 10 и более. Эти процессы подтверждают необходимость очистки основания от снега до начала устройства ТАД.

Наибольшее регулирующее влияние оказывает теплоизоляция (в частности, плиты пенополистирола), которая позволяет направленно управлять мерзлотными процессами в основании насыпи. Так, теплоизолятор, уложенный на откосах, уменьшает се¬зонное промерзание грунтов насыпи зимой и оттаи¬вание летом. Увеличение термического сопротивления теплообмену поверхнос¬ти насыпи в зимнее время меньше, чем в летнее из-за наличия снега. В результате промерзание будет боль¬ше, чем оттаивание, и в основании насыпи произой¬дет охлаждение грунтов.

Эти выводы относительно снежного покрова и теплоизоляции существенно используются при устройстве ТАД. В первой половине зимы (с момента установления устойчивого смежного покрова и до момента инверсии знака теплопотока) производят систематическое удаление снега с основания насыпи и части прилегающей территории. Снегоочистка может осуществляться механическим или газодинамическим способом с помощью авиацион¬ного двигателя, установленного на дрезине. Укладка теплоизоляции в основание ТАД производится в конце зимы, в первую очередь в потенциально опасных таликовых зонах, она предохраняет основание от оттаивания и обеспечивает возможность сквозного проезда вдоль трассы.

Рассмотрим вторую стадию комплексной технологии — устройство дренажа и регулирование влажности основания. Ее выполняют на участках высокотемпературной мерзлоты при повышенной влажности слабых грунтов, подстилаемых прочным слоем. На этих участках ТАД устраивают на обходе основной трассы. Возможность и результативность регулирования влажности грунтов в основании зависят от организации контроля температур, влажности и осадок грунтов при регулировании уплотняющих нагрузок. Изменение влажности ведет к изменению теплофизических свойств грунтов – теплопроводности и теплоемкости. Лабораторные определения теплофизических свойств оснований свидетельствуют об уменьшении коэффициента теплопроводности грунтов с увеличением их дисперсности. Поэтому при прочих равных условиях наибольшие глубины сезонного промерзания (протаивания) формируются в грубодисперсных грунтах и наименьшие в тонкодисперсных грунтах. Поскольку теплопроводность грунтов повышается с увеличением их плотности, то и этот фактор оказывает определенное влияние на изменение мощности сезонных талого и мерзлого слоев, особенно в процессе уплотнения каждого слоя.

Изменение влажности грунтов влияет на глубину оттаивания двояко: во-первых, через изменение теплофизических свойств грунтов, во-вторых, через величину фазовых переходов воды. Коэффициент теплопроводности дисперсных грунтов возрастает с увеличением их влажности, поскольку теплопроводность воды и льда выше, чем воздуха. Наиболее резкое увеличение теплопроводности талых грунтов наблюдается в диапазоне малых влажностей (до максимальной молекулярной влагоемкости) и продолжает увеличиваться с повышением влажности (до полной влагоемкости).

Вместе с тем, увеличение влажности (льдистости) мерзлых дисперсных грунтов ведет к увеличению их теплопроводности. Рост глубины сезонного промерзания и протаивания наблюдается с увеличением влажности до критической величины, при которой потенциально возможно появление таликовых зон. Соответственно появляется необходимость и возможность регулирования влажности в строительный период для направленного улучшения теплового баланса в основании земляного полотна из водонасыщенных грунтов.

Для таких крайне сложных условий на постройке новой линии Томмот-Якутск МИИТом был предложен и принят генподрядчиком — корпорацией Инжтрансстрой технологический регламент интенсивной технологии упрочнения слабых оснований.

Рассмотрим содержание третьей стадии комплексной технологии — интенсивного упрочнения основания. Ее регламент включал три этапа:

1) Устройство продольных дренажных канав вдоль откосов насыпи с засыпкой песчано-гравийной смесью (ПГС);

2) устройство дренажных прорезей экскаватором с погрузкой грунта на автосамосвалы и вывозом в отвал, заполнение прорезей ПГС фронтальным погрузчиком, работающим в комплекте с экскаватором. Прорези устраиваются в слабых водонасыщенных грунтах с уклоном с целью ускорения консолидации основания за счет сокращения пути фильтрации воды, отжимаемой из слабой толщи. Особенностью расчёта дренажных прорезей является необходимость учёта условий фильтрационной консолидации грунтов в пошаговом режиме под строительной нагрузкой;

3) устройство защитного слоя и уплотнение основания виброкатками по защитному слою. Этот основной технологический этап предназначен для контролируемого уменьшения влажности и повышения модуля деформации грунтов;

4) отсыпка слоев насыпи расчётной мощностью 0,4 м — 0,8 м до проектной отметки с уплотнением виброкатками.

Уплотнение грунтов на строительстве земляных сооружений отличается сложным взаимодействием характеристик грунтовых массивов насыпей, оснований и параметров работы катков при контроле и регулировании технологических процессов. В совокупности они образуют технико-технологическую систему, функционирующую на принципах прямой и обратной связи между параметрами отдельных подсистем с целью наиболее эффективного и качественного производства работ.

Особенно важен систематический контроль изменений всех грунтовых характеристик на участках высокотемпературной мерзлоты, в связи с крайне неустойчивым состоянием при изменении даже погодных условий в ходе работ.

Мониторинг и управление технологическими процессами после устройства дренажных прорезей и защитного слоя в основании включают:

- лабораторные испытания грунтов (модуля деформации, порового давления, осадки, температуры грунтов);

- прогноз грунтовых характеристик основания и насыпи;

- расчёт коэффициентов стабильности;

- регулирование параметров вибрационной нагрузки.

Интенсивная технологическая стадия упрочнения слабого основания была запроектирована для экспериментального участка с высокотемпературной мерзлотой в слое текучепластичного суглинка толщиной 2,5м, подстилаемого песчаником и доломитом, на 673км ж.д. линии Томмот – Кердем. Проведенная совместно с кафедрой «Путь и путевое хозяйство» МИИТа по компьютерной программе комплексная оценка устойчивости слабого основания и напряженно-деформируемого состояния грунтов показала, что при традиционной отсыпке насыпи с бермами в основании возникают зоны нестабильности. Был предусмотрен следующий календарный план производства работ: 1) устройство дренажных канав, прорезей и защитного слоя – осенью, после промерзания верхней части деятельного слоя для работы экскаватора и погрузчика; 2) весенний дренаж и отвод воды по прорезям в канавы и далее в водопропускную трубу; 3) летнее оттаивание и дренаж деятельного слоя; 4) интенсивное уплотнение основания виброкатком с отжатием поровой воды в дренажные прорези.

В таком исполнении интенсивная технологическая стадия улучшает характеристики грунтов и приводит к повышению устойчивости оснований при отсыпке насыпи. Одновременно ликвидируются зоны нестабильности. Комплексная технология объединяет (во времени и по совместному влиянию на температурный режим основания) положительные качества отдельных стадий: устройства технологической автодороги; регулирования теплозащитных свойств грунтов основания и конструкции ТАД; устройства термосифонов у основания технологической автодороги для промерзания грунтов талика; регулирование влажности грунтов; интенсивное уплотнение основания; отсыпка нижней части насыпи и берм с доставкой грунта по технологической автодороге.

Действие мероприятий для регулирования теплового режима грунтовых массивов проявляется исключительно комплексно. Отметим также эффективность разработанного и запатентованного метода технологического регулирования, обеспечивающего активное управляемое воздействие на параметры строительного производства с целью профилактики и лечения опасных для земляных сооружений состояний грунтов в основаниях земляных сооружений (Луцкий С.Я., Шмелев В.А., Бурукин А.Ю. Способ упрочнения слабого природного основания для возведения дорожного земляного полотна/ Патент на изобретение №2449075, 2011).

Изложенные стадии профилактических и лечебных мероприятий взаимосвязаны и составляют комплекс организационно-технологических решений, эффективность которого состоит в повышении надежности земляных сооружений в строительный период в наиболее уязвимых местах потенциальной деградации вечной мерзлоты на строительных объектах.