Методика прогнозной оценки опасности выпучивания опор контактной сети на участках вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания грунтов

УДК 624.154:624.139

Дашинимаев Зоригто Батомункуевич

Zorigto Dashinimaev

Кондратьев Валентин Георгиевич

Valentin Kondratyev

МЕТОДИКА ПРОГНОЗНОЙ ОЦЕНКИ ОПАСНОСТИ ВЫПУЧИВАНИЯ ОПОР КОНТАКТНОЙ СЕТИ НА УЧАСТКАХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ И ГЛУБОКОГО СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ ГРУНТОВ

METHODS OF PREDICTIVE ESTIMATE ASSESSING DANGER OF FROST HEAVING OF CONTACT LINE MASTS ON THE AREAS OF PERMAFROST AND DEEP SEASONAL FREEZING OF GROUND

Приводятся новые технические решения по стабилизации опор контактной сети в пучини-стых грунтах на участках многолетней мерзлоты и глубокого сезонного промерзания грунтов. Описываются опытно-экспериментальные работы по выявлению эффективности и недостатков этих технических решений. Приводится методика прогнозной оценки опасности выпучивания опор контактной сети, основанная на всестороннем анализе природно-техногенных условий Забайкальской железной дороги и примененная для проектирования опор контактной сети на участках Забайкальской железной дороги

The article gives new technical decisions on stabilization of contact line masts in frost heaving soils on the areas of permafrost and deep seasonal freezing of ground. Skilled-experimental work on discovery of efficiency and defects of these technical decisions is described in this publication. It presents the predictive estimate methods assessing danger of frost heaving of contact line masts based on the comprehensive analysis of Transbaikalian railway natural-engineering conditions and applied to design of the contact line masts on the Transbaikalian railway

Ключевые слова: опоры контактной сети, пучини- Key words: contact line masts, frost heaving soils, anti-frost стые грунты, противопучинные устройства, сезонно heaving devices, seasonally thawed and seasonally frozen талые и сезонно-мерзлые грунты soil

Содержание и эффективное использование опорного хозяйства железных дорог в области вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания грунтов сопряжено со значительными трудностями, связанны-

ми с выпучиванием опор контактной сети и воздушных линий электроснабжения. Так, на Забайкальской железной дороге за 10 лет, с 1997 по 2006 гг., было выправлено и закреплено 17192 и заменено 3294 опоры контактной

сети - 18,8 % всех опор на дороге. Только в 2004 г. выправлено и закреплено 2415, заменено 335 опор контактной сети. Тем не менее, количество неустойчивых опор на дороге продолжает увеличиваться как за счет деформаций при незначительном ежегодном выпучивании из средне- и слабопучинистых грунтов, так и за счет проявления других инженерногеокриологических процессов. Аналогичные проблемы с опорами контактной сети и воздушных линий имеются на ВосточноСибирской, Дальневосточной, Северной и Свердловской железных дорогах.

В настоящей статье изложены результаты комплексных инженерно-геокриологических исследований, позволяющих более обоснованно принимать проектные решения по закреплению опор контактной сети в пучи-нистых грунтах. Исследования включали опытно-экспериментальные работы по выявлению и выбору наиболее эффективных противопу-чинных мероприятий для опор контактной сети Забайкальской железной дороги, а также разработку методики прогнозной оценки опасности выпучивания опор на участках развития вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания дисперсных грунтов.

Для снижения воздействия сил морозного пучения грунтов на опоры контактной сети и воздушных линий в районах вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания грунтов обычно рекомендуется применять для нераздельных опор деревянные короба с дренирующим грунтом, геотекстиль с дренирующим грунтом и каменной наброской, противопучин-ную полиэтиленовую обмотку, анкерные плиты, а для раздельных опор - специальные фундаменты, в частности, свайные со сборными стаканными оголовками [3, 4]. Все эти решения имеют весьма существенные недостатки и не обеспечивают необходимую устойчивость опор контактной сети в пучинистых грунтах [4].

В последние годы для закрепления опор контактной сети Забайкальской железной дороги на участках пучинистых грунтов были

предложены два способа.

Первый способ предложен В.И. Подольским и А.А. Орлом [8] и основан на завинчивании стальных фундаментов длиной 6 м в многолетнемерзлые грунты (рис. 1).

т т т т т т ч

Рис. 1. Конструкция опоры с металлическим завинчивающимся фундаментом:

1 - металлический завинчивающийся фундамент, 2 - опора контактной сети,

3 - многолетнемерзлые грунты

Второй способ предложен В.Г. Кондратьевым [3] и основан на принудительном поднятии кровли многолетнемерзлых грунтов и защемлении в них фундамента опоры. При этом повышение устойчивости опоры достигается с помощью специальных противопучин-ных мероприятий, направленных на снижение воздействия сил морозного пучения на опору в сезонно-талом слое при одновременном увеличении противодействующих сил смерзания ее с многолетнемерзлыми грунтами. Это может быть осуществлено при помощи двух вариантов комплектов устройств:

а) термосифона, вставляемого в полую

железобетонную опору (или металлический фундамент) противопучинного бандажа из незамерзающей смазки и защитного кожуха из морозостойкого материала, а также тепло- и гидроизоляции поверхности грунта вокруг опоры;

б) солнцеосадкозащитного навеса вокруг опоры и противопучинного бандажа.

К сожалению, пока на Забайкальской железной дороге испытан только первый вариант (рис. 2) противопучинных устройств, предложенных В.Г. Кондратьевым, поэтому в данной статье второй вариант не рассматривается.

Рис. 2. Конструкция опоры с термосифоном:

1 - фундамент опоры, 2 - термосифон, 3 -противопучинный бандаж, 4 - теплогидро-изоляция, присыпанная грунтом (5),

6 - многолетнемерзлые породы

Опытно-экспериментальные работы по проверке эффективности двух принципиально отличающихся способов закрепления опор контактной сети в пучинистых грунтах позволяют оценить как их эффективность, так и недостатки [5].

В первом случае, с завинчивающими свайными фундаментами, при их установке были встречены значительные трудности [4], вызванные невозможностью завинтить нижний

конец сваи в многолетнемерзлые грунты, что было невозможно на участках деградации (оттаивания) многолетнемерзлых грунтов в основании земляного полотна или при распространении многолетнемерзлых грунтов не сливающего типа, а также на участках близкого залегания скальных грунтов, перекрытых дисперсными пучинистыми грунтами. Между тем, в некоторых местах удавалось «завинтить» металлические фундаменты в многолетнемерзлые грунты.

После установки первых 200 опор контактной сети с металлическими завинчивающими фундаментами учитывая, что технический результат их применения не приводит к изменениям геокриологических условий, наблюдения за их эффективностью против сил выпучивания заключались в наблюдениях за их вертикальными положениями. Так [6], производя ежегодно не менее двух раз в год нивелировки оголовков фундаментов относительно неподвижных реперов, проводились наблюдения за устойчивостью 100 завинчиваемых металлических фундаментов опор контактной сети. Эти наблюдения показали, что 20...30 % из них начинают выпучиваться уже через 1-2 года после установки и через 5-6 лет оказываются выпученными на десятки сантиметров. Следующие 10.20 % опор с завинчивающимися фундаментами, установленные в практически непучинистых грунтах, сохраняли относительную стабильность. Между тем, остальные фундаменты были подвержены деформациям. При этом результаты наблюдений указывали как на осадки, так и на некоторые поднятия в годовом цикле промерзания-оттаивания. Для объяснения таких разнонаправленных деформаций проанализированы методика установки и опыт применения металлических завинчиваемых фундаментов в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, инженерно-геокриологические условия мест их установки. Так, осадки некоторых фундаментов были вызваны осадками высоких железнодорожных насыпей вследствие оттаивания многолетнемерзлых грунтов в их осно-

вании [5]. Деформации фундаментов в виде осадок в первые годы, а в последующем в виде некоторых поднятий связаны с осадками при уплотнении грунтов после установки фундаментов и с оттаиванием высокотемпературных многолетнемерзлых грунтов при бурении лидерных скважин и попадания дождевых вод через полость металлического фундамента [7].

Это техническое решение, не учитывающее сложные геокриологические условия Забайкалья, осталось как решение с относительно лучшей конструкцией фундамента опоры, оказывающей наибольшее сопротивление выпучивающим силам.

Названные трудности наиболее эффективно могут быть преодолены с помощью второго способа, предложенного В.Г. Кондратьевым [4]. В связи с чем в 2003 г. в опытноэкспериментальном порядке установлены 5 металлических завинчивающих фундаментов с применением термосифона, противопучинного бандажа и слоя теплогидроизоляции [5, 6].

Поскольку с помощью этих устройств производилось принудительное поднятие кровли многолетнемерзлых грунтов и защемление в них фундамента опоры, наблюдения за их эффективностью заключались в измерениях температуры и состояния грунтов вокруг фундамента, и за вертикальной устойчивостью фундаментов. Так [5, 6], уже в первый зимний период под действием термосифона произошло достаточно глубокое промерзание и охлаждение грунтов, что определило сохранение вокруг нижней части фундамента мерзлых грунтов до осени. В последующие годы наблюдения показали понижение температуры и поднятие кровли мерзлых грунтов вокруг нижней части фундамента, что позволило достичь основного технического результата. Наблюдения за вертикальными положениями фундаментов показали их устойчивость в пределах точности нивелировки ± 5 мм и опровергли возможное проявление процесса многолетнего пучения при новообразовании и поднятии кровли многолетнемерзлых грунтов [5]. Кроме этого, на опытно-экспериментальном участке

по проверке противопучинных мероприятий были проведены наблюдения за устойчивостью и за состоянием грунтов вокруг опор с противопучинным бандажом и слоем тепло-гидроизоляции. Эти наблюдения [5, 6] также показали эффективность их применения для опор контактной сети. Так, использование слоя теплогидроизоляции, направленного на уменьшение глубины сезонного промерзания и влажности грунтов за счет инфильтрации осенне-летних осадков и противопучинного бандажа, направленного на предотвращение смерзания с пучащимися грунтами, показали достаточную эффективность в средне- и сла-бопучинистых грунтах.

Таким образом, была выявлена возможность применения в зависимости от геокриологических условий в местах установки опор, следующих комплексов противопучинных устройств:

1) противопучинный бандаж;

2) теплогидроизоляционный круг;

3) противопучинный бандаж и теплогидроизоляционный круг;

4) термосифон, теплогидроизоляционный круг и противопучинный бандаж.

Определив мероприятия по защите опор контактной сети от выпучивания, для принятия обоснованных проектных решений как о необходимости противопучинных мероприятий, так и о применении различных противопучинных мероприятий, возникает вопрос прогноза и оценки выпучивания опор в конкретных инженерно-геокриологических условиях различных участков Забайкальской железной дороги.

Так, известно [2, 3], что точность инженерно-геокриологического прогноза зависит от точности исходных данных, а достоверность достигается применением комплекса методов [3]. Практический опыт показывает, что эффективность и достоверность прогнозов (имея в виду весь круг задач) возрастают при применении комплекса методов: физического и математического моделирования, метода аналогий, анализа опыта строительства, экстраполяции, классифицирования. Исходя из этого,

для определения единого методического подхода были рассмотрены материалы инженерно-геологических изысканий, данные гидрометеорологических наблюдений, фондовые и опубликованные материалы по геологической и геокриологической изученности районов, материалы наблюдений за проявлением инженерно-геологических процессов на Забайкальской железной дороге и вблизи нее, характеризующие опыт строительства.

Анализ материалов позволил обрисо-

Расчетно-аналитический Ёлок

Оіі|і£',ЦучНнниОСіи іруїмт.ш ИГ.)

Оітрідслслнс длаалдагл ппрлтп пучотшп груптш Щ’Э Гаїчетглубин сноштто грпмеряаттнЕмн днмиия іруптад НІ")

1‘асчет ьелітчтіи пупепия гртлгтоії НІ")

^ -Лма~шз ойщи\ и локальных яколймеріїосіеіі форміїрйніикм ннжснсрнй-гсокриологнчсскнї условен

ч>

Районирование аідельньїї уЧЯСТКПВ ііп мучітиидічх'і и і руп и>іі

Ірогнозно-оценочьій блок

Прін ікн выпучивания различных типов опор контактной сети и ліесіах их усініпшки

,_______________________І___________________________

Оценка устойчивости различных типов опор контактной сети па отдельных участках

Блок разработки рекоменааиий

Разработка рекомендаций пн применению противопу чинных мероприятии для различных типов опор контактной сети па отдельных участках

Рис. 3. Схема разработки противопучинных мероприятий для различных типов опор контактной сети на отдельных участках Забайкальской железной дороги

вать принципиальную схему разработки проти-вопучинных мероприятий для различных типов опор контактной сети на отдельных участках Забайкальской железной дороги. Данная схема характеризует качественную и количественную прогнозную оценку выпучивания опор контактной сети и состоит из расчетно-аналитического, прогнозно-оценочного и итогового блоков разработки рекомендаций (рис. 3). Далее раскрыты теоретические основы и дано методическое описание схемы.

На первом этапе расчетно-аналитического блока определяются и рассчитываются параметры грунтов инженерно-геологических элементов (ИГЭ, определенных при изысканиях), характеризующих пучинистость грунтов на момент изысканий. Основным признаком определения пучинистости грунтов по ГОСТ 25 100-95 «Классификация грунтов» является величина относительной деформации пучения грунтов, определяемая в лабораторных или полевых условиях, что практически не производится при инженерно-геологических изысканиях. В таком случае наиболее достоверно пучинистость грунтов определяется комплексно двумя способами:

- во-первых, по характеристикам дисперсности и консистенции (степени водонасы-щения) грунтов по ГОСТ 25 100-95;

- во-вторых, определяется влажность порога пучения грунтов по В.А. Кудрявцеву (1974) и Л.С. Гарагуле (1987). С учетом климатических условий участков и дисперсности грунтов выделяются грунты с влажностью, приводящей к морозному пучению. Так, анализ этих результатов позволяет наиболее детально определить и охарактеризовать пучини-стость грунтов ИГЭ.

Далее (по Ю.Е. Велли и др. (1977) рассчитываются нормативно-расчетные глубины сезонного промерзания и оттаивания грунтов ИГЭ как возможные значения слоя, где будет проходить морозное пучение грунтов. Расчет величины пучения грунтов ИГЭ (по Э.Д. Ершову, Ю.П. Лебеденко и В.С. Петрову (2000) с учетом грунтово-влажностных параметров и климатических условий участков позволяет качественно оценить величины пучения грунтов ИГЭ. При этом раскрываются количественные зависимости величины пучения грунтов от различных факторов и причин. Так, к основным факторам и причинам [2, 3, 7] относятся: гидрогеологические условия слоя сезонного промерзания-оттаивания и скорость промерзания, характеризующие величину пучения за счет миграционно-сегрегационного льдонакопле-

ния; глубина сезонного промерзания-

оттаивания грунтов, характеризующая мощность пучащегося грунта.

На заключительном этапе расчетноаналитического блока рассматриваются взаимосвязи этих факторов и причин с общими и локальными закономерностями формирования геокриологических условий Забайкалья, выявленных Н.А. Шполянской, В.А. Кудрявцевым, Л.М. Демедюк и многими другими исследователями [1] и зависящих от геолого-геоморфо-логических, гидрогеологических, гидрологических и климатических условий. При этом данные по проявлению различных инженерногеологических процессов на участках Забайкальской железной дороги позволяют оценивать некоторые изменения геокриологических условий [2]. В итоге это позволяет провести районирование участков по пучинистости грунтов, т.е. выделяются районы с идентичными факторами, причинами и условиями, влияющими на процесс морозного пучения грунтов. При этом в каждом районе качественно оценивается возможность (вероятность) увеличения или уменьшения величин глубины сезонного промерзания-оттаивания и морозного пучения грунтов в отличие от рассчитанных значений для грунтов ИГЭ на момент изысканий.

В прогнозно-оценочном блоке производится оценка выпучивания различных типов опор контактной сети в местах их установки, поскольку конструктивные особенности применяемых фундаментов и опор контактной сети выражаются в отличие их глубины заложения, периметра боковой поверхности и общей массы. Это позволяет рассчитать баланс удерживающих и выпучивающих сил, зависящих от этих параметров и грунтово-влажностных условий в местах их установки.

На заключительном этапе прогнознооценочного блока дается оценка устойчивости различных типов опор контактной сети. В частности, оцениваются различия выпучивающих и удерживающих сил за счет трения (смерзания, при наличии многолетнемерзлых) с грунтами ниже глубины сезонного промерзания (оттаивания), различия в глубине заложения фунда-

мента и глубины сезонного промерзания-оттаивания грунтов, т.е. выявляются основные причины выпучивания или сохранения устойчивости опор. Это, с учетом ранее проведенного районирования и охарактеризованной вероятностью увеличения или уменьшения величин глубины сезонного промерзания-оттаивания и морозного пучения грунтов, в отличие от рассчитанных значений для отдельных грунтов ИГЭ, позволяет оценить устойчивость опор контактной сети в конкретных инженерногеологических условиях в соответствии с конструктивными особенностями фундамента и опоры контактной сети.

В блоке разработки рекомендаций на основании проведенных прогнозно-оценочных расчетов рекомендуются противопучинные мероприятия для различных типов опор контактной сети, обеспечивающие их устойчивость за счет уменьшения или предотвращения влияния причин и факторов, определяющих выпучивание опоры в конкретных инженерно-геокриологических условиях мест их установки. Однако здесь необходимым является указание возможных изменений геокриологических условий и деформаций опор контактной

1. Геокриология СССР. Горные страны юга СССР/ Ред. кол.: Э.Д. Ершов (гл. редактор) и др.; Под ред. Э.Д. Ершова. - М.: Недра, 1989. - 359 с.

2. Гарагуля Л.С. Методика прогнозной оценки антропогенных изменений мерзлотных условий /Л.С. Гарагуля. - М.: МГУ, 1985. - 185 с.

3. Ершов Э.Д. Общая геокриология / ЭД. Ершов. - М.: МГУ, 2002. - 682 с.

4. Кондратьев В.Г. Новые способы закрепления опор контактной сети на пучинистых сезонно-талых грунтах / В.Г. Кондратьев // Ж.-д. транспорт. Сер. «Строительство. Проектирование»: ЭИ/ЦНИИТЭИ. - 2004. - Вып. 1. - 21 с.

5. Кондратьев В.Г. Об эффективности новых противопучинных мероприятий для опор контактной на опытно-экспериментальном участке их проверки / В.Г. Кондратьев, З.Б. Дашини-маев // Молодежь Забайкалья. Дорога в будущее:

сети вследствие протекания процессов, отличных от выпучивания.

Так, по приведенной методике прогнозной оценки опасности выпучивания опор контактной сети на этапе проектирования были предвидены возможные деформации опор вследствие их выпучивания и обоснованно приняты проектные решения по установке опор с необходимыми противопучинными устройствами. Это позволило проектным институтам Трансэлектропроект, Забайкалжелдорпро-ект и Дальгипротранс применить новые проти-вопучинные устройства в проектах электрификации линии Карымская - Забайкальск, а также в проектах технического перевооружения опорного хозяйства Забайкальской железной дороги на участках Туринская - Карымская, Буринда - Магдагачи, Могоча - Амазар и станциях Черновская и Карымская. По приведенной методике с использованием новых проти-вопучинных мероприятий могут решаться проблемы выпучивания при строительстве и ремонте воздушных линий электроснабжения и различных надземных трубопроводов, которые также часто подвергаются негативному воздействию морозного пучения грунтов. _________________________________Литература

материалы IX международной молодежной научно-практической конференции. - Чита: ЗабИЖТ, 2005. - Ч. 1.- С. 221-223.

6. Кондратьев В.Г. Опытно-экспериментальная проверка новых противопучинных мероприятий для опор контактной сети / В.Г. Кондратьев, З.Б. Дашинимаев // Материалы международной конференции «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения». - Тюмень, 2008. - С. 105-109.

1, Чеверев В.Г. Стабилизация трубчатых свайных фундаментов на пучинистых грунтах / В.Г. Чеверев, Г .П. Пустовойт, ИЮ, Видяпин, Д.В. Белый // «ОФМГ». - № 6. - 2006. - С. 21-29.

8. Электрифицированные ж.д. РФ 19292004 гг./ под ред. П.М. Шилкина. - М.: Интекст, 2004. - 421 с.

Коротко об авторах___________________________________

Дашинимаев З.Б., аспирант, Читинский государственный университет

70паШ d@rambler.ru

Научные интересы: инженерная геокриология, прогноз инженерно-геокриологических процессов

Кондратьев В.Г., д-р геол-.минер. наук, профессор, Читинский государственный университет (ЧитГУ) ког^гаИеу v@mail.ru

Научные интересы: инженерная геокриология, проектирование, строительство и эксплуатация железных и автомобильных дорог в районах распространения вечно- и сезонномерзлых грунтов

_____________________________Briefly about the authors

Z Dashinimaev, Post-graduate student, Chita State University

Areas of expertise: Engineering cryopedology, prediction of engineering-cryopedological processes

V. Kondratyev, Doctor of Geological and Mineralogical Science, Professor, Chita State University

Areas of expertise: Engineering cryopedology, designing, construction and operation of railway and roads in areas of permafrost and seasonal-frozen soils