Эксплуатация иссо на вечномерзлых грунтах

Суровые климатические условия характеризуют северную строи­тельно-климатическую зону продолжительным зимним периодом, в те­чение которого при отрицательной температуре воздуха происходят снежные заносы, образование наледей, глубокое сезонное промерза­ние и распространение вечномерзлых грунтов. Такие климатические и геофизические факторы отрицательно воздействуют на состояние и работу искусственных сооружений, особенно малых мостов и водопро­пускных труб. Способы и приемы содержания искусственных сооруже­ний, цель которых - предупреждение появления и развитие поврежде­ний в суровых климатических условиях должны строго увязываться с принципиальными решениями, принятыми при проектировании и строи­тельстве сооружений. Сохранение предусмотренных проектами условий работы сооружений является одним из основных принципов содержа­ния сооружений в зоне сурового климата. Поэтому принятые при стро­ительстве принципиальные решения по условиям работы сооружений обуславливают применение соответствующих способов содержания этих сооружений.

Так для сооружений, построенных по принципу I - сохранение грунтов основания в мерзлом состоянии, эксплуатационные мероприя­тия должны быть направлены на исключение возможности повышения их температуры. Такое повышение, вызывающее оттаивание грунтов, при­водит, исключая скальные и малосжимаемые, к снижению прочности ос­нований и последующим просадкам фундаментов.

Поэтому для малых искусственных сооружений, построенных по принципу I на весь период эксплуатации, не разрешается:

· скопление снега толщиной более 50 см;

· пропуск теплых промышленных и бытовых вод, неорганизованный сброс в грунт производственных и хозяйственных вод в бассейне сооружения;

· складирование горячих отходов производства (отвалы шлака,
золы к т.д.) на расстояние ближе 25 м от сооружений;

· образование наледей мощностью более I м у сооружений, рас­
считанных на безналедный пропуск водотока, в связи е возникнове­нием деградации вечной мерзлоты;

· устройство дорог, проездов под мостами и в трубах.

Содержание сооружений, при эксплуатации которых предусмотре­но оттаивание грунтов основания (Принцип II), должно обеспечивать
равномерность этого процесса и не допускать возникновения значительных осадок элементов сооружения.

Как показывает опыт эксплуатации, наиболее часто встречаются в северной климатической зоне неравномерные просадки опор мостов и оголовков водопропускных труб, пучение оснований этих конструк­ций, растяжки и просадки звеньев труб, разрушение облицовки.

При эксплуатации малых мостов и труб в суровых климатических условиях значительные трудности вызывают деформации сооружений, происходящие вследствие пучения грунтов оснований. Выпучивание опор происходит в результате увеличения объема водонасыщенных грунтов основания при замерзании и наличии сил сцепления по кон­такту грунт-опора, превышающих собственный вес элементов соору­жения. Деформации выпучивания могут достигать значительных вели­чин (до 20 см), что может привести к возникновению неисправнос­ти пути и перебоям в движении поездов.

Неравномерные просадки вызывают образование продольных и по­перечных кренов опор и наряду с деформациями, связанными с пуче­нием грунтов основания, приводят к повреждению элементов мостов в виде различных трещин в кладке опор, достигающих значительного раскрытия. Деформации оголовков и звеньев ведут к отделению оголовков от тела трубы, расстройству стыков сборных элементов и де­формационных швов, а также к нарушению гидроизоляции. Вследствие разрушения раствора швов облицовки происходит их раскрытие, рас­стройство и выпадание отдельных камней или бетонных блоков сбор­ных конструкций.

В суровых климатических условиях по сравнению с обычными условиями расширяется состав текущих и периодических осмотров за счет производства дополнительных наблюдений. Следует организовывать ин­струментальные наблюдения за развитием деформаций отдельных элементов, трещин и других неисправностей. С помощью термометричес­ких трубок производят наблюдения за температурой вечномерзлых грунтов оснований. Систематически контролируют состояние противопучинных устройств, противоналедных средств и систем охлаждения.

При осуществлении надзора необходимо своевременно выявить причины возникновения неисправностей, а также условия, способст­вующие их появлению и развитию.

Результаты текущих, периодических и внеплановых осмотров ис­кусственных сооружений с описанием и количественной оценкой обна­руженных неисправностей и указанием перечня и объемов ремонтных работ вносят в документы установленной формы, а результаты опера­тивного контроля – в журнал мерзлотного надзора, где приводят дан­ные по мерзлотно-грунтовым условиям и принципам использования веч­номерзлых грунтов в качестве основания, рекомендации об особеннос­тях эксплуатации сооружений, сеть термотрубок и высотных реперов, исходные материалы наблюдений и замеров, производившихся в период строительства.

В процессе эксплуатации искусственных сооружений» возведен­ных на вечномерзлых грунтах с использованием принципа сохранения расчетной отрицательной температуры, необходимы мероприятия, обес­печивающие надежность основания под фундаментами. Такие мероприя­тия необходимы для предотвращения деформаций, связанных с осадка­ми элементов сооружений вследствие оттаивания или повышения тем­пературы грунтов основания.

Понижение температуры грунтов может быть достигнуто специаль­ными термотехническими мероприятиями:

· устройством термоизоляционных покрытий возле опор мостов и оголовков труб, в пределах лотков труб и подходных русел мостов и труб;

· устройством пористых вентилируемых обсыпок из крупнообломочного материала около опор мостов, звеньев и оголовков труб;

· промораживание основания опор мостов, секций и оголовков
труб жидкостными охлаждающими установками; буровыми скважинами,
пустотелыми сваями-трубами, вентилируемыми галереями, выморозоч-
ными траншеями.

Термотехнические мероприятия выбирают с учетом их эффектив­ности в данных мерзлотно-грунтовнх условиях, продолжительности работ по укреплению основания и других факторов.

Сохранение (восстановление) растительного слоя.

Термоизоляционные покрытия устраиваются около опор мостов и оголовков труб в пределах подводящего и отводящего русел. Покрытие устраивают в виде подушек и берм из теплоизоляционных материалов (керамзит, пенопласт, минеральная вата, шлак, торф, дерево и т.п.). Для сооружений, расположенных на периодических водотоках, термоизо­ляционные покрытия устанавливают на деревянных или железобетонных обрешетниках, оконтуренных специальными Г-образными железобетонны­ми блоками против размыва, как показано на рисунке 9.1. Из пенопласта покрытие ук­ладывают на поверхность грунта без настила и пригружают наброской из камня. Термоизоляционные покрытия не должны стеснять отверстие сооружения более чем на 10 – 15 %.

Рисунок 9.1 – Термоизоляционные покрытия у опоры моста из деревянного настила или пенопласта (а) или в виде отсыпки (б): 1 – каменная наброска; 2 – настил; 3 – уровень воды; 4 – верхняя граница вечной мерзлоты после устройства термоизоляционного покрытия; 5 – то же до устройства; 6 – теплоизоляционный материал; 7 – контурный блок

Пористые вентилируемые обсыпки из крупнообломочного матери­ала – достаточно эффективный и легко осуществляемый способ охлаж­дения протаивающих мерзлых оснований. Например, обсыпка камня с размерами не менее 30 - 40 см.

Размеры обсыпок в плане зависят от величины требуемой зоны охлаждения основания. Толщина обсыпки в зоне промежуточных опор мостов и оголовков труб должна быть не менее 100 см, а при покрытии конусов насыпи у устоев и насыпи у труб – не менее 50 см. Грунт насыпи за устоями и вокруг звеньев трубы заменя­ется каменной обсыпкой, которая выполняет не только функцию ох­лаждающего устройства, но и разгружает береговую опору от дав­ления насыпи, предотвращает растяжку секции трубы, стабилизиру­ет подходы к мостам и трубам.

Жидкостные охлаждающие установки, работающие на керосине, применялись при строительстве мостов и труб для сохранения грун­тов в мерзлом состоянии. Установки представляют собой металли­ческие трубы, установленные в пробуренные в грунте скважины ниже фундаментов, как показано на рисунке 9.2.

Рисунок 9.2 – Жидкостные охлаждающие установки: а – с радиатором; б – без радиатора; 1 – корпус установки; 2 – металлические ребра 170х10 мм; 3 – теплоизо­ляционный кожух

Верхняя часть трубы диаметром 120-200 мм находится над поверхностью земли и имеет на конце радиа­тор. Принцип их действия основан на том, что с наступлением от­рицательных температур наружного воздуха ниже температуры грун­тов основания керосин в верхней части трубы охлаждается, стано­вится более тяжелым и опускается вниз, вытесняя более теплый керосин вверх. В результате конвективного теплообмена, протека­ющего с интенсивностью, зависящей от разности температур кероси­на, происходит замерзание грунта, находящегося вокруг нижней части трубы. Теплообмен прекращается при температуре воздуха боль­шей, чем грунта.

Многолетние наблюдения за столбчатыми опорами мостов на Байкало-Амурской магистрали, а также уточненные теплотехничес­кие расчеты показали, что однотрубные охлаждающие установки не отвечают возложенным на них задачам. Многотрубные охлаждающие керосиновые установки несколько эф­фективнее, чем однотрубные. В них не происходит перемешивание керосина, имеющего разную температуру, так как охлажденным керосин опускается по центральной трубе большого диаметра, а теплый ке­росин поднимается вверх по боковым трубам меньшего диаметра, наземные участки боковых труб изолируют и присоединяют к радиа­тору в верхней его части.

Для оценки действительной работы многотрубных охлаждающих керосиновых установок еще недостаточно накоплено опытных данных.

Газовые охлаждающие установки. Работа этих устройств аналогична керосиновым колонкам, но теплообмен осуществляется за счет воздуха. Сейчас в качестве теплообменного носителя стали использовать фреон (рисунок 9.3).

Рисунок 9.3 – Воздушная охлаждаю­щая колонка: 1 —корпус колонки; 2 —дефлек­тор; 3 —вытяжная трубка; 4 —вода (лед); 5—положение ВГВМ до охлаждения

Эффективность применения того или иного способа охлаждения грунтов оснований может быть оценена на основе результатов наблюдений за изменением температурного и влажностного режимов этих грунтов, а также на основе анализа длительных наблюдений за деформациями искусственных сооружений» возведенных с применением дополнительного охлаждения на протаивающих мерзлых грунтах.

Продыхи. Дополнительное промораживание грунтов оснований водопропускных труб, береговых опор и насыпей на подходах к мостам может быть достигнуто вентиляцией холодного воздуха зимой через полость спе­циально укладываемой трубы большого диаметра (не менее 100 см) или нескольких труб меньшего диаметра. Трубы укладывают в насыпь выше отверстия для пропуска воды во избежание заполнения их льдом или снегом. После промораживания вентиляционные отверстия закры­вают (рисунок 9.4).

7 8 9 10 11

Рисунок 9.4 – Устройство охлаждающей галереи-продуха: 1 — опора; 2 —галерея; 3 —обсыпка галереи крупнообломочным материалом; 4 — изолирую­щий слой из стекловаты; 5 — ограждение тран­шеи; 6 —насыпь; 7 —положение ВГВМ до промораживания; 8 —то же после проморажи­вания; 9 —граница влияния замораживающей галереи; 10 —берма; II — вода (лед)

В качестве охлаждавшей системы могут быть использованы тер­мосваи, в которых охлаждение производится за счет конвективного движения наружного воздуха при температуре ниже минус 5 С°. По таким сваям с закрытым нижним концом, погруженным на глубину расположения охлаждаемого грунта происходит отток тепла в атмос­феру. Охлаждение в таких установках может производиться также принудительной подачей холодного воздуха в нижний конец сваи.

Для устранения опасных деформаций проводят противопучинные мероприятия – замену пучинистого грунта вокруг фундаментов.

При замене пучинистый грунт извлекают на глубину деятельно­го слоя и после укладки на дно котлована локализаторов пучения в виде асбестовых отходов или промазученной гальки оставшуюся часть заполняют непучинистым материалом с галькой, крупным пес­ком, шлаком и др. После заполнения котлована устраивают отмостку из камня или бетонных блоков. Отмостку применяют и для уменьше­ния деформаций пучения фундаментов оголовков водопропускных труб.

Малоэффективным средством в борьбе с пучением грунтов ока­залась гидрофобизация окружающего фундамент грунта вследствие невысокого уровня снижения сил пучения и быстрой утраты материа­лом гидрофобных средств.

Содержание подмостового русла и регуляционных сооружений

Повреждения русла и регуляционных сооружений – размывы, подмыв опор. Причины: ошибочный расчет отверстия, засоренность русла (наносы); заросшее русло; пересыпанное русло.

Малые и средние мосты. Малые мосты в большей степени подвержены местным размывам. Самое распространенное повреждение –размыв откоса конуса насыпи, как показано на рисунке 10.1.

Рисунок 10.1 – Размыв откоса конуса насыпи

Трубы – размыв выходного русла. Большие мосты – характерное разрушение на подходах насыпи к мосту (рисунок 10.2).

Рисунок 10.2 – Размыв на подходах насыпи к мосту

Эти разрушения происходят при пропуске паводковых вод и ливневого стока. Необходимые предупреждающие мероприятия:

· Организация наблюдения за горизонтом воды – ставят водомерную рейку.

· Наблюдение за состоянием льда, плотностью и толщиной.

· Проход паводковых вод должен быть фиксированным.