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.

Помощь студентам железнодорожникам, каталог готовых студенческих работ на железнодорожную тематику