Особенности эксплуатации искусственных сооружений в суровых климатических условиях

Районы с суровыми климатическими условиями, относящиеся к северной строительно-климатической зоне, характеризуются зимами с устойчивыми низкими отрицательными температурами воздуха и боль­шой толщиной снежного покрова, наличием вечномерзлых грунтов и мерзлотных процессов. Поэтому наряду с соблюдением общих требова­ний к содержанию искусственных сооружений сети железных дорог, при­веденных в п. ц. 1.2 — 1.5, в северных условиях необходимо проведение ряда специальных мероприятий, главные из которых изложены ниже.

Значительные трудности в обеспечении нормальной эксплуатации мостов и труб в районах с суровыми климатическими условиями до­ставляет вечная мерзлота.

При возведении мостов и труб, как и иных сооружений, в районах вечной мерзлоты в зависимости от местных условий могут использо­ваться два принципа их проектирования: из расчета сохранения вечной мерзлоты в основаниях сооружений на весь период их эксплуатации (принцип I) или из расчета допущения ее полного оттаивания (прин­цип II).

Поскольку прочность вечномерзлых пород при их оттаивании, как правило, существенно снижается, при проектировании фундаментов мос­тов и труб в основном придерживаются принципа I, что позволяет уменьшить их материалоемкость и стоимость строительства. Понятно, что возможность использования этого принципа определяется тщательно осуществляемыми и порой достаточно сложными мероприятиями по со­хранению вечной мерзлоты как в период строительства моста, так и в стадии его эксплуатации.

К таким мероприятиям относятся прежде всего постоянные наблю­дения за температурой вечномерзлых пород, проводимые с использова-38

нием специально оборудованных.термометриче­ских скважин, располагаемых вблизи сооруже­ния либо трубок, заделанных в сваи опор. При повышении температур выше расчетных или оттаивании вечномерзлых грунтов в основании сооружений необходимо принимать неотложные меры по укреплению и консервации мерзлых оснований, восстановлению мерзлого состояния протаявших вечномерзлых грунтов.

" Рис, 1.20. Охлаждающая I колонка: . 1 — корпус колонки; 2 — дефлектор; 3 — вытяжная трубка; 4 - вода (лед); 5 — верхняя граница веч- * ной мерзлоты до охлажде- - ния

Весьма эффективным и простым способом искусственного поддержания требуемого уров­ня температуры вечномерзлых грунтов явля­ется применение охлаждающих систем, работа которых основана на свободном конвек­тивном движении естественного холодно­го воздуха зимой. Такую систему охлажде­ния можно создать из металлических или асбоцементных закрытых снизу труб-свай, по­гружаемых в скважины на глубину охлаждае­мой зоны основания (рис. 1.20). По сваям-трубам происходит сток тепла из грунта в атмосферу. Замораживание грунта вокруг та­кой колонки (сваи-трубы) начинается при по­нижении температуры воздуха до минус 5 °С и

происходит в течение всей зимы. Верх замораживающих колонок вы­водится над поверхностью грунта, льда, водотока не менее чем на 50— 80 см. При среднесуточной температуре воздуха выше 0 ^СС система охлаждения изолируется с поверхности. Размещают охлаждающие ко­лонки (рис. 1.21) с учетом определяемого специальным расчетом ра­диуса нижней части конуса мерзлого грунта R, который образуется к концу одного цикла промораживания. Применение охлаждающих систем определяется в основном на стадии проектирования сооружения. Но при отсутствии их и возникновении опасности деградации мерзлоты возмож-нж'устройство рассматриваемых систем и в процессе эксплуатации, для чего составляется специальный проект. При капитальном ремонте могут сооружаться также вентилируемые галереи, выморозочные траншеи и Другие замораживающие устройства.

Толстый слой снега, покрывающий за зиму поверхность земли, является хорошим термоизолирующим покрытием. Периодическое Удаление его позволяет быстро промораживать мерзлоту на глубину нескольких метров. Однако при этом следует не допускать нарушения естественного растительного покрова, так как при его разрушении воз­никает другая опасность — быстрой деградации мерзлоты в теплое вре­мя года из-за отсутствия естественного термоизолирующего слоя. Ука­занная опасность многократно усиливается в период весеннего снего-

Рис, 1.21. Схё*ма размещения охлаждаю­щих колонок у береговых (а) и проме­жуточных (б) опор:

1 - контур фундамента; 2 '—' колонки; 3 - граница промораживания

таяния, когда перед сооружением возникает скопление относительно теплых паводковых вод, которое может вызывать локальное протаива-ние вечной мерзлоты. Во избежание скопления воды отверстия малых искусственных сооружений расчищают от снега на полное сечение. Недо­пустимым является также пропуск через сооружение теплых промыш­ленных и бытовых стоков, складирование горячих отходов производства (отвалы шлака, золы и т. п.) ближе 25 м от сооружения, устройство до­рог под мостами и в трубах.

С целью предотвращения значительного протаивания мерзлоты в летний период, а также укрепления и консервации мерзлых оснований могут применяться также искусственные термоизоляционные покрытия в виде подушек и берм из термоизоляционных материалов (керамзита, пенопласта, минеральной ваты, шлака, дерева и т. п.). Для сооружений, расположенных на периодических водотоках, термоизоляционные по­крытия устанавливают на деревянных сплошных настилах из старогод­ных шпал, на деревянных или железобетонных обрешетках, оконтурен­ных против размыва Г-образными железобетонными блоками (рис. 1.22). Покрытие из пенопласта укладывают на грунт без настила и при-гружают наброской из камня. Его толщина назначается из условия недо­пущения протаивания грунта ниже основания покрытия и определяется расчетами. При большой толщине покрытия его можно частично врезать в грунт.

Рис. 1.22. Термоизоляционные покры­тия у опоры моста из деревянного па­стила или пенопласта (слева) или в ви­де отсыпки (справа):, 1 - каменная наброска; 2 — настил; 3 — уровень воды; 4 — положение 15ГВМ после устройства термоизоляци­онного покрытия; 5 — то же до устрой­ства; б — теплоизоляционный матери­ал; 7 — контурный блок

Эффективность работы термоизоляционных покрытий, устраивае­мых в конце зимы на сезоннопромерзшем грунте, определяется, с од-

ной стороны, слабым проникновением тепла через это покрытие летом _ш.за малой его теплопроводности, а с другой - увеличенным проникно­вением холода зимой к грунтам основания покрытия благодаря повы­шенному коэффициенту теплопроводности термоизоляционного покры­тия которое почти всегда находится во время промерзания в водонасы-щенном состоянии. Термоизоляционные покрытия не должны стеснять отверстие сооружения более чем на 10—15 %.

При содержании искусственных сооружений, запроектированных и построенных из расчета допущения полного оттаивания вечной мерз­лоты (принцип И), необходимо следить за тем, чтобы процесс оттаива­ния происходил равномерно, и регулировать его.

Кроме вечной мерзлоты, значительную опасность для сооружений в северных строительно-климатических зонах представляют н а л е д и. Наледями принято называть ледяные толщи и ноля, которые ежегодно зимой в сильные морозы образуются в речных долинах в результате послойного намерзания излившейся на поверхность воды. Изливается она потому, что водоток в этом месте промерз до дна, а в русле и речных наносах выше по течению вода еще есть. Вырываясь на лед и растекаясь тонким слоем, вода быстро замерзает. Наледи речных вод кончают рас­ти уже в декабре, а те, которые получают воду из глубоких подземных горизонтов, растут до весны и достигают наиболее крупных размеров. Неблагоприятные воздействия наледей на сооружения проявляются весьма разнообразно. Заполнение отверстий мостов и труб льдом приво­дит к снижению водопропускной способности этих сооружений в весен­ний период, переливам паводковых вод через насыпь и к размыву по­следних. Горизонтальные давления льда на элементы сооружений при его термическом расширении, а также вертикальные воздействия при об­разовании наледкьгх бугров могут вызывать деформации опор мостов и разрушение труб, повреждения конусов подходных насыпей. Длитель­ный контакт наледи с элементами конструкций обусловливает размо­раживание поверхностного слоя бетона и его выщелачивание. Отепляю­щий эффект наледи, проявляющийся в обводнении грунтов, может при­водить к деградации вечной мерзлоты.

Противоналедные мероприятия на малых, мостах и трубах проводят­ся в случаях, когда их отверстия перед проходом паводка заполняются Хм более чем на половину. В борьбе с наледями важную роль играют.иальные предупредительные устройства постоянного типа, устраивае­мые при строительстве или при капитальном ремонте сооружения и обес­печивающие либо задержание наледи и наледной воды с верховой сторо­ны, либо пропуск наледной воды в низовую сторону перехода.

Причиной нарушения нормальной эксплуатации малых мостов и труб в суровых климатических условиях может также явиться мороз-°® пучение водонасыщенных грунтов. При взаимодействии уве­шивающегося ^{в о6ьеме} промерзающего водонасыщенного грунта IB пределах слоя сезонного замораживания и оттаивания) с фундамен-

i том опоры по боковым граням фундамента возникают направленные вверх силы. Если эти силы превысят действующую на фундамент на­грузку от собственного веса сооружения, то опора начнет перемещаться вверх по мере развития пучения. Выпучивание опор мостов может приводить к существенным неисправностям пути и перебоям в движении поездов.

При проектировании искусственных сооружений в северной строи­тельно-климатической зоне обязательным является расчет опор на воз­действие сил морозного пучения грунтов и применение при необходимо­сти специальных мероприятий для их предотвращения. Противопучин-ные мероприятия в основном сводятся либо к замене окружающего фун­дамент грунта на непучинистый, либо к исключению (или резкому уменьшению) сил сцепления в контакте фундамента с пучинистым грунтом.

В процессе эксплуатации моста выполнение такого рода мероприя­тий без перерыва движения поездов затруднительно. Поэтому, если на­блюдается перемещение опор вверх (что заметно по изменениям профи­ля железнодорожного пути), необходимо принятие специальных реше­ний по его устранению, главным образом, при капитальном ремонте. При текущем содержании силами дистанций пути в качестве противопу-чинных мероприятий используются: обсыпки фундаментов непучини-стым материалом (гравием, крупным песком, шлаком); устройство защитных покрытий боковых поверхностей фундамента в ввде банда­жей из асбоцементных листов, пленки, пластика, а также обмазка битум­ной мастикой, мазутом, солидолом; устройство термоизоляционных покрытий; применение охлаждающих систем.

Противопучинные обсыпки фундаментов сооружений на вечномерз-лых основаниях рекомендуется устраивать в траншеях шириной не бо­лее 1 м с вертикальными гранями. Заполнять траншеи гидрофобным глинистым грунтом необходимо с тщательным трамбованием.

Устройство термопокрытий осуществляется по схемам рис. 1.22 и выполняется: осенью, до начала промерзания грунтов, — для фунда­ментов сооружений на талых основаниях; весной — для фундаментов сооружений на мерзлых и протаивающих основаниях с целью использо­вания эффекта повышения верхнего горизонта вечной мерзлоты (для увеличения анкеровки фундамента в мерзлом грунте).

Мероприятия по пропуску паводковых вод через искус­ственные сооружения, изложенные в п. 1.4, применимы и в северных условиях. Но специфика состоит в том, что в вечномерзлых грунтах не­возможно углубление русла под мостом. Кроме того, общие и местные размывы вечномерзлых грунтов в значительно меньшей степени под­даются прогнозированию, нежели размывы немерзлых грунтов. В этой связи полезным является профилактическое мероприятие, уменьшающее размывы русла — устройство мощения наброской из бутового камня размером 30—40 см. Такое мощение, кроме того, играет и другую по- 42

ложительную роль — является эффективным способом охлаждения про­таивающей мерзлоты. Зимой в результате кондуктивного и конвектив­ного теплообмена через каменную наброску холод интенсивно поступа­ет к основанию. Летом же происходит только кондуктивная передача тепла, так как прекращается конвекция из-за застаивания в пустотах за­сыпки (пористость которой составляет 40-50 %) охлажденного воздуха. Вследствие использования каменной наброски по двоякому назна­чению размеры мощения в плане зависят как от характера русловых процессов (мест размыва и движения наносов), так и от величины требуемой зоны охлаждения основания. Толщина наброски в зоне проме­жуточных опор мостов должна быть не менее 1 м, а при мощении кону­сов насыпей и откосов регуляционных сооружений - не менее 0,5 м. При существующем дефиците камня в ряде регионов (например, в при­полярной тундре) взамен его применяют и другие конструкции моще­ния, к примеру, мешки из геотекстиля (дорнита), заполненные песко-цементом (смесью мелкого песка с низкомарочным цементом в пропор-

цииЗ: 1).

Важной особенностью эксплуатации подмостовых русел в северных условиях также является то, что малые водотоки здесь полностью про­мерзают до дна еще в начале зимы. И ледохода, как такового, в паводок не наблюдается, т. е. таяние ледового покрова и наледей происходит обычно на месте (хотя при проектировании опоры мостов рассчитывают на воздействие существенных по величине ледовых нагрузок). Что же касается больших северных рек, то ледоход на них практически не от­личается от ледохода в обычных условиях.

Глава 2