Земляное полотно в условиях мерзлоты, принципы проектирования
Земляное полотно в условиях мерзлоты
Земляное полотно в условиях мерзлоты, принципы проектирования. Основная часть территории Российской Федерации расположена в криолитозоне, где грунты находятся в многолетнем мерзлом природном состоянии.
Южная граница расположения мерзлоты в Европейской части России простирается от Кольского полуострова по побережью Белого моря севернее Архангельска, далее по северу республики Коми в ее заполярной части, пересекает Уральские горы в районе параллели 65 широты.
В Азиатской части России граница мерзлоты спускается к параллели 50 широты, проходит по югу Забайкалья и Амурской области, поднимаясь к району побережья Охотского моря.
В вертикальном разрезе толщина мерзлых пород может составлять от нескольких метров вблизи южной границы ее распространения до сотен метров на севере.
Выделяют зоны сплошного и островного распространения мерзлоты, а также зоны, где мерзлота с поверхности имеет непрерывное слитое залегание и участки, где под небольшой толщей мерзлых пород наблюдаются таликовые зоны, а потом идут опять мерзлые породы.
Земляное полотно в условиях мерзлоты проектируется индивидуально или групповыми решениями. Проектирование групповыми решениями, проводится при недостаточной прочности основания земляного полотна, сложенного из многолетних мерзлых грунтов I и II категории относительной усадки, при оттаивании величина которой составляет 8 не более 0,1 на талых грунтах.
Объекты земляного полотна, расположенные на основаниях со льдистыми грунтами III и IV категории просадочной (слабое и просадочное основание 8 > 0,1) относится к индивидуальному проектированию.
При проектировании выполняются соответствующие инженерные расчеты, прогнозирующие взаимодействие тепла на земляное полотно с основанием в период дальнейшей эксплуатации.
В результате данных расчетов должны быть определены глубины сезонного и многолетнего протаивания грунтов. Принятое решение должно быть обосновано расчетами по двум группам предельных состояний: по 1 — несущей способности и устойчивости; по 2 — по деформациям (пучению и усадкам).
Земляное полотно в условиях мерзлоты проектируется с учетом геологических, геодезических, геокриологических, гидрогеологических, гидрологических, гидрометеорологических и экологических изысканий.
Состав, объемы, методы и технологии выполнения геокриологических изысканий должны быть достаточными для принятия обоснованных решений в сложных мерзлотных условиях, обеспечивающих необходимую стабильность земляного полотна.
При проектировании земляное полотно в условиях мерзлоты и дальнейшем строительстве сооружений на многолетнемерзлых грунтах используются два основных принципа:
— принцип I — мерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, которое сохраняется в течение всего процесса строительства и периода эксплуатации сооружения;
— принцип II — мерзлые грунты основания используются в оттаянном или оттаивающем состоянии (с их предварительным оттаиванием на расчетную глубину до начала возведения сооружения или с допущением их оттаивания в период эксплуатации сооружения).
Выбор принципа использования грунтов основания для сооружения земляное полотно в условиях мерзлоты производится при проектировании на основе технико-экономического сравнения вариантов с учетом строительных и эксплуатационных затрат, а также обеспечения необходимого уровня надежности и безопасности движения.
Основным принципом использования оснований из льдистых грунтов III и IV категории просадочной является недопущение их оттаивания, т.е. применение I принципа.
Применение принципа II при проектировании земляного полотна на основаниях со льдистыми грунтами III и IV категории просадочности следует предусматривать в случае, когда толщина этих грунтов небольшая и они расположены у поверхности, что допускает их вырезку и замену.
На участках, где в период эксплуатации допускается усадка грунтов основания, должно производиться уширение основной площадки земляного полотна, величина которого b определяется по формуле.
где SЭ — расчетная суммарная осадка основной площадки в эксплуатационным период по оси пути при положении верхней границы мерзлоты на 10-й год эксплуа-тации, определяемой теплотехническим расчетом.
При проектировании и строительстве земляного полотна по принципу I следует предусмотреть и оборудовать сеть термометрических скважин для контроля состояния основания земляного полотна в процессе его эксплуатации.
В целом при проектировании земляное полотно в условиях мерзлоты принимаются следующие положения:
— основой для проектирования должны быть результаты изысканий, в ходе которых получена достаточная информация об инженерно-геологических в целом и мерзлотных условиях, в частности, участков прохождения трассы линии;
— проектные решения по земляному полотну должны приниматься на основе прогноза изменения мерзлотных условий после сооружения полотна, при этом температурный режим и развитие деформаций должны проектироваться на перспективу не менее 50 лет;
— прогноз температурного режима земляного полотна и основания должен выполняться с учетом всех составляющих теплообмена между атмосферой и грунтовым массивом, особое внимание должно уделяться изменению характеристик поверхностных покровов (мха, снега) и условиям изменения поверхностного стока;
— трассирование и проектирование продольного профиля линии на участках со сложными инженерно-геологическими условиями должны вестись в комплексе с проектированием земляного полотна;
— сравнение вариантов технических решений земляного полотна должно производиться не только по первоначальной строительной стоимости, но и с учетом расходов при эксплуатации;
—для участков трассы, расположенных на сильно льдистых грунтах III и IV категории просадочности, как правило, следует отдавать предпочтение I принципу использования грунтов основания (т.е. не допускать их оттаивание в период эксплуатации), с этой целью на участках, где стандартными решениями не удается предотвратить деградацию мерзлоты, необходимо выполнение специальных охлаждающих мероприятий;
— особенное внимание при проектировании должно уделяться надежному водоотведению от земляного полотна.
Исходя из этих положений, трассу и продольный профиль ли нии на мерзлоте следует проектировать с учетом инженерно-геокриологических условий. При этом земляное полотно на участках льдистых грунтов проектируется преимущественно невысокими насыпями, рабочие отметки которых определяются по условиям снегозаносимости и уровню паводковых вод, что обеспечивает минимальные нарушения температурного режима мерзлоты.
Следует избегать по возможности выемок в условиях неустойчивых грунтов при оттаивании в откосных частях и под основной площадкой и, особенно, при наличии льдогрунтов и подземного льда.
На участках расположения в основании грунтов IV категории просадочности и особенно подземных льдов при их толщине более 3 м по возможности должен предусматриваться обход трассы.
При невозможности обхода или его экономической нецелесообразности земляное полотно на этих участках проектируется индивидуально с использованием многолетнемерзлых грунтов основания в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации (I принцип).
Параметры земляного полотна и противодеформационные мероприятия в обязательном порядке обосновываются теплотехническими расчетами, которые могут выполняться для группы схожих объектов, имеющих близкие геометрические размеры и инженерно-геокриологические условия.
Противодеформационные мероприятия, обеспечивающие сохранение мерзлоты в основании, выполняются одновременно с сооружением земляного полотна. Охлаждающие мероприятия (каменные наброски, СОУ) должны быть выполнены до наступления следующего после сооружения земляного полотна сезона с устойчивыми отрицательными температурами, а теплоизоляционные покрытия и поверхностные экраны — до начала оттаивания грунтов земляного полотна в следующий теплый период.
Учитывая исключительное влияние воды на ухудшение свойств грунтов основания и главное на изменение термического режима, особое внимание следует обращать на организацию поверхностно го водоотвода, а также на дренирование и отвод от земляного полотна грунтовых вод и фильтрационных потоков.
Для предотвращения возникновения и развития термокарстовых явлений отвод воды от земляного полотна на участках с просадочными при оттаивании грунтами должен осуществляться с максимально возможным частым поперечным перепуском ее в низовую сторону: водопропускные сооружения устраиваются в каждом понижении рельефа, протяжение продольных водоотводов максимально сокращается.
Также с особенной тщательностью должны обеспечиваться регуляция и от вод воды в зоне водопропускных сооружений (ИССО), не допуская вблизи ИССО и в пределах полосы отвода образования озер и застоев.
На участках со льдистыми грунтами, где земляное полотно запроектировано по I принципу, должны предусматриваться конструктивные и технологические приемы по исключению нарушений поверхностных условий, способных привести к появлению в полосе отвода и в охранной зоне многолетнего оттаивания мерзлоты и образования термокарста.
Для предотвращения деформаций пучения и просадок грунтов деятельного слоя основания под земляным полотном, а также возможных пластических сдвигов и выпоров граница сезонного оттаивания-промерзания должна быть выведена из них.
В зоне сезонного оттаивания-промерзания должны располагаться не пучинистые грунты. Сезонное оттаивание льдогрунтов и подземных льдов под земляным полотном не допускается. Сезонное оттаивание льдогрунтов и подземных льдов под водоотводными сооружениями допускается в исключительных случаях при соответствующем обосновании и обязательном согласовании с заказчиком.
Основными решениями для предотвращения деформаций пучения и просадок грунтов деятельного слоя основания под земляным полотном являются отсыпка насыпей высотой более глубины се зонного оттаивания из дренирующих грунтов с глинистым заполнителем в количестве не более 10 %, вырезка и замена грунтов основания на не пучинистые, укладка теплоизоляции из пенополистирола.
Вариант выбирается технико-экономическим сравнением.
При допущении сезонного оттаивания промерзания грунтов основания под земляным полотном должен быть проведен комплекс расчетов по проверке обеспечения устойчивости откосных частей, несущей способности оттаявших грунтов основания, а также величины пучения в зоне под рельсошпальной решеткой.
Для насыпей рассматриваются мероприятия по выведению границы оттаивания из грунтов основания либо устройство в нижней части берм или положение откосов. Для выемок основными мероприятиями также являются положение откоса, укрепление откоса каменной наброской, уменьшение глубины сезонного оттаивания укладкой теплоизоляции.