Diagnostics of frost water accumulation and technological regulation of the construction of the roadbed

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Задача повышения несущей способности основания геотехнических сооружений на мерзлоте актуальна, она соответствует «Транспортной стратегии РФ до 2030 г.», программам строительства северных магистралей, на протяжении которых по мере создания нового природно-технического комплекса (ПТК) меняются по трассе и во времени гидрогеологические, климатические и социальные условия производства [1]. Повышение сред­негодовой температуры на большей части территории России активизирует негативные техногенные процессы в ПТК [2]. Большинство случаев деформаций и разрушения земляного полотна связано с изменением геокриологических условий и потерей несущей способности мерзлых основа­ний в результате техногенных воздей­ствий, начиная со строительной стадии. В ходе основных работ на многолетнемерзлых грунтах и болотах следует возводить противодеформационные сооружения земляного полотна, обеспечить эффективную защиту насыпей от воздействия деструктивных экзогенных процессов и, в целом, повышение несущей способности земляного полотна. Рассмотрим способы профилактики и защиты основания возводимой насыпи на опасной стадии морозного влагонакопления и морозного пучения.

МЕТОДИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Прочность основания земляного полотна на высокотемпературной мерзлоте предлагается повысить в период морозного влагонакопления за счет технологии дренажа и регулируемого отжатия миграционной воды виброкатком в промерзающем грунте. Концепция заключается в устройстве дренажной системы и организации виброуплотнения основания непосредственно после завершения процесса миграции влаги к зоне промерзания для снижения влажности [3].

Организация технологического регулирования должна быть параметрически связана с характеристиками процесса приращения влажности в промерзающей зоне основания за счет миграции влаги из нижних зон [4]. В этом сложном процессе непрерывно изменяются характеристики:

• Температурный импульс для начала влагонакопления;
• Глубина промерзания;
• Критическая влажность пучения грунта;
• Скорость движения влаги;
• Соотношения между температурой и содержанием незамерзшей воды в зоне промерзания;
• Влагопроводимость талого и мерзлого грунта.

Для регистрации характеристик грунтов в ходе работ предлагается организовать технологический мониторинг в режиме реального времени на основе современных средств – опто-волоконного кабеля (ВОК) и геофизических методов исследования.

Для технологического регулирования процессов упрочнения переувлажненных грунтов предлагается применение разработанной в РУТ (МИИТ) комплексной технологии возведения земляного полотна, включающей этапы:

• Устройство дренажной системы в верхнем слое основания;
• Организация виброуплотнения грунтов и отжатия воды в дренажную систему.

Первый этап данной комплексной технологии – устройство дренажа в виде дренажных прорезей (ширина до 1,5 м, глубина до 1 м, крупный песок с коэффициентом фильтрации свыше 4 м/сут) и защитного песчаного слоя с геотекстилем [5]. Прорези в слабых водонасыщенных грунтах обеспечивают ускорение консолидации основания за счет сокращения пути фильтрации и отвода воды. Работы по устройству дренажной системы следует завершить до промерзания деятельного слоя, чтобы использовать процессы миграции воды в защитный слой и отжатие по дренажным прорезям [6].

Второй этап – виброуплотнение грунтов в интенсивном режиме с применением виброкатка, отжатие воды и пошаговое ежедневное повышение технологической нагрузки при мониторинге состояния грунтов и нагрузок. Выбор типа виброкатка и режима его работы должен быть выполнен с учетом ограничения:

 

$\left[P_{б}(с,\phi ,w)-P_{п}\right]\ge \left[P_{к}+P_{з}\right]$, (1)

где P_б - безопасная нагрузка, не вызывающая появление предельного состояния грунта по сдвигу, зависит от состояния грунта в технологическом цикле; P_к - регулируемая нагрузка виброкатка, зависящая от веса вальца, скорости движения и амплитуды вибрации; P_з - нагрузка от песчаного защитного слоя; P_{п -} поровое давление [2].

Отжатие воды происходит наиболее эффективно во время промерзания грунта. В этом заключается главная особенность и вместе с тем сложность – выбор оптимального времени начала уплотнения грунтов в интенсивном режиме. Глубина промерзания рассчитывается по формуле:

$d_{fn}=d_0\sqrt{\sum _{}\left|T_m\right|}$, (2)

где d₀ – глубина промерзания при $\sum _{}\left|T_m\right|=1$, зависящая от вида грунта; $\sum _{}\left|T_m\right|$ – сумма абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе [7].

Во время промерзания грунта, как только отрицательные температуры достигнут половины глубины промерзания грунта, следует начинать интенсивное уплотнение грунта с отжатием воды в дренаж [8].

Мониторинг процессов промерзания и регулирования вибронагрузок в период строительства предлагается вести с применением современных средств диагностики – ВОК и режимных термометрических сетей, которые устраивают по проектной документации (ПД) для стадии эксплуатации земляного полотна. Для контроля хода температур и температурного поля глубину заложения ВОК целесообразно установить равной половине деятельного слоя. Это позволит определить фактическую степень пучинистости грунта и контролировать вибронагрузки.

Опыт разработки технологического регламента строительства участков Северного широтного хода (СШХ) показал наличие таликовых зон, которые состоят, как правило, из грунтов с низкой несущей способностью в основании земляного полотна [9]. Предложенная модификация комплексной технологии в сочетании с ВОК создает предпосылки для прогнозирования и устранения потенциально-опасных мест, профилактике пучения грунтов и соответственно для стабилизации основания [10]. Эти преимущества приводят к ускорению консолидации, сокращению сроков строительства и, соответственно, – к экономической эффективности комплексной технологии упрочнения грунтов.

Оценку эффективности применения новой технологии и ускорения ввода дороги в эксплуатацию следует выполнять по критерию «чистый дисконтиpованный до­ход». В качестве условия для сравнения вариантов следует принять данные проектной документации о наличии на трассе строящейся дороги потенциально опасного участка земляного полотна с наличием талика. В расчетах важно учесть доход от досрочного ввода дороги и экономические затраты: Y – ущерб в связи с необходимостью дополнительных работ по исправлению деформаций в основании земляного полотна; 3_t – общие расходы по реализации проекта; З_ит – дополнительные затраты на интенсивную технологию, в том числе на виброуплотнение. Срокообразующими характеристиками реализации проекта являются: Т_с – продолжительность работ по упрочнению слабого слоя; Тс1, Тс2 – сроки ввода объекта - контрактный и с сокращением ∆Т.

Постоянный контроль температуры грунта на всем протяжении трассы, где есть слабые водонасыщенные грунты, позволяет с большей точностью определять время начала и скорость промерзания грунта, что в свою очередь позволит использовать процесс миграции воды с большей эффективностью.

Принцип работы кабеля ВОК заключается в определении влияния физических воздействий на характеристики светопроницаемости в волокне. В результате затухания световых колебаний в кварцевых стекловолокнах из-за рассеивания расположение внешнего физического эффекта (в том числе изменение напряжений) определяется таким образом, что оптоволокно может быть использовано в качестве линейного сенсора. [11].

ВОК применяется во взаимосвязи с лабораторными исследованиями для контроля изменения плотности грунтов под вибронагрузками:

${\rho }_{opt}={\rho }_{c}r\left(1+W_{c}r\right),$ (3)

где ${\rho }_{cr}$- критическая плотность частиц грунта, при которой пучение грунта будет отсутствовать; W_cr – критическая влажность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Интенсивная технология упрочнения слабых и просадочных грунтов повышает стабильность основания в процессе строительства дорог в условиях криолитозоны. Предложенная модификация интенсивной технологии стадией отжатия миграционной влаги в период морозного влагонакопления за счет дренажной системы и виброуплотнения в режиме технологического регулирования в сочетании с применением ВОК позволяет стабилизировать основание и увеличить несущую способность грунтов для развития дорог Арктики [12, 13].

Применение ВОК позволяет повысить точность и оперативность определения температуры грунта по сравнению с термометрическими средствами, для которых устраивают инженерно-геологические и целевые термометрические скважины, пробуренные колонковым способом без промывки на малых оборотах бурового инструмента или ручным буровым комплектом с измерением температуры с помощью гирлянд термометров или встроенных термодатчиков [14].

Применение опто-волоконного кабеля сопровождает интенсивную технологию упрочнения грунтов в основании земляного полотна не только непрерывным контролем за изменениями температуры грунта, но и позволяет более точно определять температуру грунта в любой точке на всем протяжении, где расположен опто-волоконный кабель, в то время как термометрические скважины дают данные по температуре только в тех местах, где расположены скважины.

После строительства кабель ВОК входит в состав технической базы мониторинга безопасности состояния железнодорожного земляного полотна в процессе эксплуатации, в частности, для планирования работ по содержанию пути и профилактике опасных процессов при развитии транспортной инфраструктуры в экстремальных условиях Заполярья [15].

About the authors

Alexander A. Lychkovskiy

Russian university of transport (MIIT)

Author for correspondence.
Email: Alexander_L12@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2663-0508
SPIN-code: 2671-9305

Graduate student

Russian Federation, 127994, GSP-4, Moscow, Obraztsova St., 9, p. 9

Svyatoslav Ya. Lutskiy

Russian university of transport (MIIT)

Email: lsy40@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0124-6497
SPIN-code: 2475-5149

Dr. of engineering, professor

Russian Federation, 127994, GSP-4, Moscow, Obraztsova St., 9, p. 9

Anatoliy Ya. Landsman

Moscow automobile and road construction state technical university (MADI)

Email: map@sdm.ru
SPIN-code: 9901-5851

Dr. of economics, professor; Head of the Department

Russian Federation, 125319, Moscow, Leningradsky prospect, 64

Nadezhda V. Navrotskaya

Russian university of transport (MIIT)

Email: nadyanawrocki@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2246-7977

Graduate student

Russian Federation, 127994, GSP-4, Moscow, Obraztsova St., 9, p. 9

References

Supplementary files