676

него, в течение пяти месяцев зимнего сезона. Отличительной особенностью обоих графиков является замедление промерзания грунта, приходящееся на период с конца декабря до середины января. Это объясняется интенсивным увеличением толщины снежного покрова в этот период и, как следствие, временным повышением температуры верхнего строения пути.

Рис. 3. Изменение глубины промерзания и оттаивания грунта под основной площадкой земляного полотна в течение зимнего сезона с пенополистиролом и без него

Как следует из рис. 3, максимальная глубина промерзания грунта в обоих случаях была зафиксирована в первой половине марта. В зоне с теплоизолирующим покрытием максимальное промерзание наступило примерно на неделюпозже, чемнасвободномучастке,а полноеоттаивание—позженадве недели.

Для численного моделирования процесса промерзания-оттаивания грунта в земляном полотне была разработана специализированная компьютерная программа Freeze-1, описывающая изменение температурного поля грунтового массива во времени с учетом фазовых переходов состояния поровой жидкости. На рис. 4 показан график изменения температур в теле земляного полотна, рассчитанный по программе Freeze-1 на конец февраля. При качественном соответствии экспериментальных (см. рис. 2) и расчетных (рис. 4) графиков температурных полей в земляном полотне, оборудованном теплоизолирующим покрытием, результат их сравнения пока нельзя признать удовлетворительным. Анализ численного моделирования процесса промерзания грунта показал, что определяющим параметром при расчете температурного поля промерзающих грунтов является их влажность, в то время как изменение коэффициента теплопроводности грунта, например, на 30 % ведет к изменению глубины промерзания земляного полотна на 3–5 %.

11

Рис. 4. Расчетное распределение температур по глубине земляного полотна на конец февраля с учетом теплоизолирующего покрытия

С целью более близкого приближения расчетных данных к экспериментальным, в программе необходим учет изменения влажности грунта как по глубине земляного полотна, так и во времени. Для получения соответствующих данных в сезоне 2010/11 г. планируется установка датчиков влажности в тело земляного полотна с последующим мониторингом содержания влаги в грунте на различных глубинах под основной площадкой земляного полотна, оборудованной теплоизолирующим покрытием и без него.

УДК 625.122+625.731.1

В.Г. Кондратьев (НПП «ТрансИГЭМ»)

НОВЫЕ МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ ГРУНТОВ ТЕЛА И ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ И АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В КРИОЛИТОЗОНЕ

В районах с вечной мерзлотой и глубоким сезонным промерзанием горных пород, занимающихоколо 70 % территории России, эксплуатацияжелезных и автомобильных дорог сопряжена со значительными, всевозрастающими и часто непроизводительными материальными и трудовыми затратами, в частности, на текущее содержание и ремонты дорог. В основном это связано с многочисленными деформациями земляного полотна и искусственных сооружений вследствие осадок при оттаивании льдистых грунтов (рис. 1–3) или пучения при промерзании влажных дисперсных грунтов основания.

12

Рис. 1. Деформации пути Забайкальской ж.д. на участках льдистых грунтов в основании (2008–2009 гг.)

Рис. 2. Деформации пути Восточно-Сибирской ж.д. на участках льдистых грунтов в основании (2010 г.)

Рис. 3. Деформации автодороги «Амур» Чита—Хабаровск, 247-й км в 2006 и 2010 гг.

Еще в 1926 г. основатель мерзлотоведения Михаил Иванович Сумгин [10] писал, что только перманентный ремонт деформирующихся зданий и сооружений на Забайкальской и Амурской железных дорогах уже обошелся государству в 50 млн золотых рублей, не считая убытков от нарушения правильности движения по этим дорогам.

К сожалению, с тех пор мало что изменилось в этой проблеме.

Пять железных дорог, принадлежащихОАО «РЖД»: Северная, Свердловская, Восточно-Сибирская, Забайкальская и Дальневосточная, — имеют участки с вечной мерзлотой общей протяженностью около 5000 км, причем почтина 15 % изних железнодорожный путь испытывает криогенные деформации, вследствие чего вводятся ограничения скорости движения поездов.

Так, на участке Байкало-Амурской магистрали от Тынды до Нового Ургала длиной 951 км по данным службы пути Дальневосточной ж. д. в 2004 г.

13

действовало 52 длительных ограничения скорости движения поездов из-за осадок земляного полотна на суммарном протяжении 325,4 км, что составляло 34,2 % от всей длины участка. Несмотря на значительные материальные затраты, добиться существенного улучшения пути до сих пор не удалось, попрежнемускорость движения поездовсоставляетвосновном 60 км/ч итолько на отдельных участках — 70 км/ч, а на 49 местах — 25–40 км/ч.

Проблема предотвращениядеформацийземляногополотнадорог насильнольдистых вечномерзлых грунтах на протяжении многих десятилетий является актуальной не только в России [1–6, 9–11], но также в США, Канаде и Китае (рис. 4) [12–18].

Рис. 4. Деформации пути Аляскинской ж.д. (2008 г.) и Цинхай-Тибетской ж.д. (2006 г.) на участках льдистых грунтов в основании

Деформации дорог на вечной мерзлоте обычно имеют длительный характер и, как правило, связаны с деградацией вечной мерзлоты в основании земляного полотна под воздействием увеличения количества поглощенной земляным полотном солнечной радиации по сравнению с естественной поверхностью, инфильтрации летних осадков через тело насыпи, увеличения толщины снежного покрова у основания насыпи и на прилегающей территории. На косогорных участках этому также способствует фильтрация поверхностных и подземных вод в тело и основание земляного полотна.

В этой связи возникает необходимость сохранения грунтов основания земляного полотна в многолетнемерзлом состоянии при строительстве и эксплуатации дорог или, если процесс деградации вечной мерзлоты под земляным полотном уже происходит, прекращение этого процесса. Все это требует дополнительного охлаждения грунтов основания земляного полотна с помощью естественного или искусственного холода.

Нами предложено несколько способов укрепления основания земляного полотна дорог на вечномерзлых грунтах [4–6], основанных на понижении среднегодовой температуры грунтов и сохранении их в многолетнемерзлом состоянии путем регулирования соотношения природных охлаждающих и отепляющих факторов таким образом, чтобы в земляном полотне и на прилегающей территории уменьшался приход тепла и увеличивался его расход.

14

Для этого используются специальные устройства и приемы (солнцеосадкозащитные навесы, светоотражающая окраска и снегоочистка, противофильтрационные экраны и др.), позволяющие уменьшать поступление солнечнойрадиациина поверхность земляногополотна иприлегающей территории; увеличивать альбедо и эффективное излучение поверхности; предотвращать инфильтрацию летних осадков в тело земляного полотна и фильтрацию поверхностных или надмерзлотных вод в его основание. Предложены также технические решения, предусматривающие применение для укрепления основания земляного полотна специальных охлаждающих труб, размещаемых в нижней части насыпи.

Эти технические решения прошли определенную апробацию путем публикации статей, докладов и монографий в отечественных и зарубежных изданиях, а также использования в опытно-экспериментальных проектах строящихся Амуро-Якутской железнодорожной магистрали и подъездного железнодорожного пути Улак-Эльга, при технико-экономическом обосновании стабилизационных мероприятий для Забайкальской железной дороги. Некоторые из них применены в Китае на Цинхай-Тибетскойжелезной дороге [7], в частности, солнцеосадкозащитный навес (рис. 5), который по данным натурных наблюдений [15] понижает температуру грунтов на 3…5 °С и обеспечивает стабильность земляного полотна на сильнольдистых вечномерзлых грунтах.

Рис. 5. Солнцеосадкозащитные навесы на откосах земляного полотна ЦинхайТибетской ж.д. на участке льдистых грунтов в основании (август 2006 г.)

В 2007 г. было выполнено теплотехническое обоснование применения навесов для предотвращения деградации сильнольдистых многолетнемерзлых грунтов в основании земляного полотна строящейся железной дороги Томмот—Кердем на примере пяти участков (трех насыпей высотой по оси пути 3,48; 6,64 и 7,31 м и двух выемок глубиной 2,38 и 5,5 м). Для этих же участков были выполнены теплотехнические расчеты охлаждающего влияния каменной наброски на откосы насыпей и выемок. Расчеты показали высокую эффективность применения солнцеосадкозащитных навесов для охлаждения грунтов тела и основания земляного полотна и предотвращения деградации подстилающих многолетнемерзлых грунтов, в особенности в

15

сочетании с доломитовой обсыпкой (покраской) поверхности основной площадкии противофильтрационнойпленкойподней:глубиназалеганиякровли многолетнемерзлых грунтовпо оси пути посравнению с каменной наброской уменьшается на 28–40 % в среднем на 34,6 %; охлаждение насыпи и грунтов основания происходит значительно быстрее. Уже через 5 лет грунты основания и значительной части тела насыпи оказываются в многолетнемерзлом состоянии, тогда как под каменной наброской и через 5 лет все еще сохраняется талик, а его полное промерзание происходит лишь через 50 лет.

С2009 г.начато опытно-экспериментальное применение солнцеосадкозащитных навесов на БАМе.

Первый на Восточно-Сибирской ж.д. навес из негодных шпал установлен на 1841-м км в декабре 2009 г. над обочиной и водоотводной канавой (рис. 6, а) дляподнятиякровлимноголетней мерзлоты сцелью уменьшения фильтрации воды под земляное полотно. Размеры навеса: 2,75 2,75 + 41 5,25 + + 2,75 2,75, площадь — 231 м2. В момент установки навеса мощность сезон- но-талогослоябылабольше3,5 м,ана5 октября2010г. —1,68,т.е.менеечем за один год уменьшилась в 2,1 раза. И практический эффект налицо: если до установки навеса ежегодно выправляли путь четыре и более раз, суммарно до 250 мм, то в 2010 г. путь выправлялся всего один раз до 100 мм. При сооружении навеса на правом откосе, имеющем южную экспозицию, стабильность пути увеличится. Следует отметить, что проведенные ранее на участке капитальный ремонт 1-го пути в 2008 г. и средний ремонт 2-го пути в 2009 г. положительного эффекта не дали.

Второй навес сооружен на 1835-м км Восточно-Сибирской ж.д. над обочиной и откосом насыпи (рис. 6, б) в сентябре 2010 г.

Рис. 6. Солнцеосадкозащитные навесы из шпал, установленные в 2009–2010 гг. на Восточно-Сибирской ж.д. на участках льдистых грунтов в основании земляного полотна

Выполненные исследования позволяют утверждать, что солнцеосадкозащитный навес может стать основным противодеформационным устройством для земляного полотна железных и автомобильных дорог на участках льдистых многолетнемерзлых грунтов. Под навесом создаются возможности ин-

16

тенсивного зимнегоохлаждения земляногополотна и его основания и исключаются инфильтрация летних осадков и прямая солнечная радиация. При сохранении высоких прочностных свойств мерзлых грунтов основания в течение всегопериода эксплуатациидороги отпадаетнеобходимость вдополнительных противодеформационных мероприятиях, упрощается конструкция насыпи, возрастают пропускная способность дороги и увеличиваются межремонтные сроки.

На Цинхай-Тибетской ж.д. [7] успешно реализовано и другое наше техни- ческоерешение—насыпьспоперечнымиохлаждающимитрубами(рис.7,а). При этом были применены как железобетонные, так и пластмассовые трубы, варьировалась высота над подошвой насыпи и шаг укладки труб. Для эффективной работы поперечных охлаждающих труб необходимо их отверстия закрыватьнатеплыйпериодгодаиоткрыватьснаступлениемзимы.Дляэтого китайцы придумали и применили автоматические заслонки (рис. 7, б).

Рис. 7. Поперечные вентилируемые пластиковые железобетонные трубы в основании земляного полотна Цинхай-Тибетской ж.д. на участках льдистых грунтов (фото проф. Ню Фуджина)

При определенных условиях оказываются эффективными и другие предложенные нами способы и технологии понижения среднегодовой температуры грунтов тела и основания земляного полотна и сохранения их в многолетнемерзлом состоянии путем регулирования соотношения природных охлаждающих и отепляющих факторов.

Эксплуатационная надежность дорог в области распространения вечной мерзлоты предопределяется не только правильностью (обоснованностью) выбора конструктивно-технологических решений и способов производства работ при их сооружении исодержании. Это необходимое, но не достаточное условие. Нужна также постоянная защита дорог, в особенности на участках льдистых грунтов, от разрушающего воздействия инженерно-геокриологи- ческих процессов и явлений, иначе невозможно экономически целесообразным путем обеспечить их стабильность и проектные скорости движения. Наиболее эффективно такую защиту можно осуществить лишь в рамках

17

системы инженерно-геокриологического мониторинга дороги, предусматривающей систематический контроль, анализ, оценку и прогноз изменения мерзлотных условий на трассе дорог для своевременного обнаружения, ослабления или подавления нежелательного развития криогенных процессов и явлений. Концепция такой системы мониторинга была разработана для строящегося железнодорожного пути Беркакит—Томмот—Якутск [8], в 2001 г. она также была опубликована в Пекине, а затем использована на ЦинхайТибетской железной дороге.

Правительством России недавно принята амбициозная и необходимая концепцияразвитияжелезнодорожного транспортастраны до2030 г.Нонадо иметь в виду, что в основном она охватывает территорию России, на которой есть и вечная мерзлота, и глубокое сезонное промерзание грунтов. Кроме того, около 5 000 кмсуществующих дорог в районах вечноймерзлоты нуждаются в капитальном ремонте. Поэтому нужна разработка новой идеологии железнодорожного хозяйства в криолитозоне, в которой мерзлотная составляющая пронизывала бы весь процесс изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации дорог. Без этого строительство их будет чрезмерно дорогим, а перманентный ремонт дорог станет разорительным для государства.КакэтосейчасипроисходитнаТранссибе,БАМе,АЯМе,наподъездных путях Чара—Чина, Улак—Эльга, при изысканиях и проектировании новых линий, в частности, Нарын—Лугокан и др.

Библиографический список

1.Батюня В.В., Бокарев А.П., Юсупов С.Н. Как эксплуатировать земляное полотно на вечномерзлых грунтах // Путь и путевое хозяйство. 2005. № 5.

2.Белозеров А.И. Деформации земляного полотна на Байкало-Амурской магистрали // Транспортное строительство. 1993. № 5–6.

3.Еленевский В.В., Низовкин Г.А. Железнодорожное строительство в условиях мерзлоты. М.: Трансжелдориздат, 1936.

4.Кондратьев В.Г. Новые способы укрепления основания железнодорожного земляного полотна на сильнольдистых вечномерзлых грунтах // Ж.-д. транспорт. Сер. Строительство. Проектирование / ЭИ/ЦНИИТЭИ МПС. 1995. Вып. 1.

5.Кондратьев В.Г. Активные способы укрепления основания земляного полотна на вечномерзлых грунтах. Чита: Забтранс, 2001.

6.Кондратьев В.Г. Стабилизация земляногополотна и опорконтактной сети и воздушных линий на вечномерзлых грунтах. Чита: ЧитГУ, 2005.

7.Кондратьев В.Г. Опыт строительства и проблемы стабильности земляного полотна Цинхай-Тибетской железной дороги на участках вечной мерзлоты // Транспорт Российской Федерации. № 6 (25). 2009.

8.Кондратьев В.Г., Позин В.А. Концепция системы инженерно-геокриологического мониторинга строящегося железнодорожного пути Беркакит—Томмот—Якутск. Чита: Забтранс, 2000.

9.Перетрухин Н.А., Потатуева Т.В. Взаимодействие земляного полотна и вечномерзлых грунтов. Томск: Изд-во ТГУ, 1987.

10.Сумгин М.И. Вечная мерзлота почвы в пределах СССР. 1-е изд. Владивосток, 1927; 2-еизд. М., 1937.

18

11.Яковлев В.Е. Текущеесодержание и капитальный ремонт земляногополотна в условиях БАМ ж.д. // Ж.-д. транспорт. Сер. Путь и путевое хозяйство / ЭИ/ЦНИИТЭИ МПС. 1992.

Вып. 5–6.

12.Berg R.L. and G.W. Aitken. Some passive methods of controlling geocryological conditions in roadway construction. Proc. North American Contribution 2nd Int. Conf. on Permafrost. Yakutsk. USSR. 1973.

13.Hayley D.W. Maintenance of a railway grade over permafrost in Canada: Proc. 5th Int. Conf. оn Permafrost. Vol. 3, 1988.

14.Lin Zhanju, Niu Fujin & Xu Zhiying et al. Roadbed Diseases and Their Development States along the Qinghai-Tibet Railway. Proceeding of the Eighth International Symposium on Permafrostl Engineering. 15–17 October, 2009. Xi’an, China. 2009.

15.Niu Fujin & Shen Yongping. Guide of Field Excursion after Asian Conference on Permafrost (Aug. 10–16, 2006). Lanzhou, China. 2006.

16.Roads and airfields in cold regions. ASCE, New York. 1996.

17.Wu Ziwang and et al. Roadbed engineering in permafrost regions. Lanzhou University, 1988.

18.Zhang Jian-ming, Zhang Ming-yi, Zhu Yuanling et al. Experimental Stady on Settlement of EmbankmentoverPermafrostalongQinghai-TibetanRailway//JournalofGlaciologyandGeocryology.

Vol. 26. Suppl. Aug. 2004. Published by Science Press. China. Beijing.

УДК 624.138

Г.И. Швецов (АГТУ), Б.М. Черепанов (АлтГТУ), А.В. Башкловкин (АлтГТУ), Р.О. Шевченко (АлтГТУ)

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ УСТРАНЕНИЯ ПУЧИНИСТЫХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ

Помимо традиционно используемых органических и минеральных вяжущих для укрепления грунтов используют отечественные и зарубежные стабилизаторы грунтов. Все стабилизаторы по составу и природе взаимодействия

сгрунтами объединены в два класса.

Кпервому классу используемых стабилизаторов следует отнести ионные закрепители глинистых грунтов. Стабилизаторы являются многокомпонентнымисистемамина кислотной основеи представляютсобоймощные ионизирующие вещества, которые после введения их в грунт посредством водного раствора вызывают активный физико-химический процесс поляризации молекул глинистого грунта, при этом ионизированная вода интенсивно обменивается электрическими зарядами с мелкими частичками грунта.

Второйкласс стабилизаторов,предназначенный в основном для песчаных грунтов, представляет собой полимерные эмульсии типа эмульсии акрилового винилацетатного сополимера. Эффект стабилизации грунтов такими стабилизаторами обусловлен распадом эмульсии (испарением воды) и отверждением полимера. Расход такого вида стабилизатора обусловлен пористостью грунта: чем выше плотность минерального остова, тем меньше требуется эмульсии.

Времяраспадаэмульсии иотверждения полимера зависитот температуры и влажностивоздуха, а также от содержания тонкодисперсныхчастиц грунта,

19

активно отбирающих водуиз эмульсии. Наиболее эффективно использование стабилизаторов второго класса в регионах с жарким и сухим климатом, где в большей степени гарантирован распад эмульсии с последующим отверждением полимера.

Технология укрепления грунтов полимерными эмульсиями в сравнении с традиционно используемыми вяжущими не требует дополнительного оборудования и основывается на введении водного раствора стабилизатора в количестве, необходимом для обеспечения оптимальной влажности укрепляемого грунта, с последующим перемешиванием, разравниванием и уплотнением материала.

Система Consolid/Solidry была изобретена и развита специально для стабилизации грунта. Относится к первому классу стабилизаторов. Использование добавок системы Consolid приводит к необратимой агломерации мелких частиц и, таким образом, — к уменьшению активной поверхности грунта. Обволакивающая водная пленка разрушается и активизирует природное связывающее свойство грунта.Содержание влаги впочве, особенно еекапиллярная насыщенность, уменьшается и полностью прекращается.

Стабилизированный грунт практически теряет свою способность набирать воду, что приводит к постоянно увеличивающейся плотности грунта за счет проезда транспорта. Плотность постоянно увеличивается и эффект системы Consolid остается необратимым. Хранение готовой к употреблению добавки Solidry не ограничено по срокам. Грунт (песок, суглинок, супесь и т.д.) может быть заранее смешан с добавками в любом смешивающем стационарном устройстве и храниться в течение неограниченного времени, после чего использоваться для строительства основания дороги.

В Казахстане разработаны и внедрены грунтовые стабилизаторы системы Screpton, которые также можно отнести к первому классу стабилизаторов. Особенностью этой системы стабилизаторов является изготовление их из промышленных золошлаковых отходов. Причем добавки являются экологически безопасными. Система Screpton является многокомпонентной смесью, которая после введения в грунт в виде раствора вызывает активный физикохимический процесс поляризации молекул обработанного грунта. Как следствиеснижается поверхностноенатяжениеводы,идет повышениеводоустойчивости и прочностных характеристик грунта. Система Screpton подходит практически для любого вида грунта.

Исследования стабилизаторов грунта для нейтрализации сил морозного пучения проводились на установке ОСПГ-1 (определение степени пучинистости грунтов) с различным образцами грунта, с разной глубины.

При проведении лабораторных исследований были испытаны образцы грунта, отобранные из дорожной насыпи на автодороге Бийск—Соколово— Акутиха (район объезда села Соколова).

20