Исследование посвящено разработке новой берегоукрепительной и охлаждающей конструкции для транспортных сооружений и способа их возведения. Произведен анализ существующих охлаждающих конструкций, выявлены их основные недостатки. Проработано конструктивно-технологическое решение конструкций.
Ключевые слова: вечномерзлый грунт, земляное полотно, охлаждающая каменная наброска, технологичность, композитная конструкция, берегоукрепление.
Специфика природных условий Дальневосточного региона определяется его географическим положением на стыке двух самых крупных структур Земного шара – Тихого океана и Евразийского континента. Дальневосточный регион сильно отличается от других российских регионов, в частности его специфику во многом определяет климат. Климатические условия Дальнего Востока отличаются своим разнообразием. Вследствие огромной протяженности с севера на юг территория Дальнего Востока расположена в трех климатических поясах: арктическом, субарктическом, умеренном, и как результат – суровые зимы, очень жаркое лето, ежесезонные паводки и половодья, а дороги и многие другие инженерные сооружения эксплуатируются в условиях вечной мерзлоты. Все это оказывает негативное влияние на прочность и работу земляных и других инженерных сооружений (земляного полотна дорог, откосов, склонов, берегов рек, дамб и т.п.).
С конца июля 2013 года юг Дальнего Востока России и северо-восток Китая оказались подвержены катастрофическим наводнениям, вызванными осадками, что привело к последовательному увеличению уровня воды в реке Амур. На пике паводка 3 и 4 сентября, расход воды в амуре достигал 46 тысяч м3/с. при норме 18-20 тысяч м3/с. Наводнение таких масштабов произошло впервые за 115 лет. Населенные пункты, подвергшиеся наводнению, понесли огромный ущерб, большие потери произошли в сельском хозяйстве и в других сегментах инфраструктуры городов. Из-за поднятия уровня воды в реках было размыто множество участков автомобильных и железных дорог. И без такого катастрофического наводнения, ежегодно в период паводков берега, откосы железнодорожных путей, автомобильных дорог, береговые линии населенных пунктов подвергаются разрушительному воздействию воды [1].
Обеспечение устойчивости и долговечности объектов транспортной и промышленной инфраструктуры, возводимых в районах распространения вечномёрзлых пород на просадочных при оттаивании основаниях, было и пока ещё остаётся одной из актуальнейших проблем инженерного мерзлотоведения [2, 4].
Общеизвестно, что объекты транспортной и промышленной инфраструктуры, расположенные в районах многолетней мерзлоты, подвержены деформациям, связанным с деградацией мерзлоты в их основании.
Основными отепляющими факторами являются [3, с.14]:
- увеличение количества поглощенной солнечной радиации земляным сооружением по сравнению с естественной поверхностью;
- проникновение теплых летних осадков в тело земляного сооружения;
- увеличение толщины снежного покрова у основания земляных сооружений и на прилегающей территории;
- фильтрация поверхностных и подземных вод в тело и основание земляных сооружений.
В таких условиях техническая возможность, экономическая целесообразность и экологическая безопасность строительства и эксплуатации объектов транспортной и промышленной инфраструктуры в значительной мере определяются способами решения инженерных задач по защите от паводков и управлению температурным режимом грунтовых и ледовых массивов.
Для длительной эксплуатации объектов транспортной и промышленной инфраструктуры и долговременной их защиты от негативных природных последствий необходимо разработать такие мероприятия, которые позволили бы в кратчайшие сроки, в экстренном порядке и с минимальными трудозатратами укрепить существующие сооружения, при этом и в дальнейшем обеспечивая их долговременную защиту. К сожалению, большинство современных мероприятий и защитных сооружений не в состоянии в полной мере удовлетворить требования, полностью обеспечивающие эффективную защиту от разрушающего воздействия воды.
Целью научной работы является разработка технологии защиты земляных сооружений от негативного воздействия природных факторов, таких как деградация вечной мерзлоты, паводки и половодья, устраняющих недостатки традиционных мероприятий и защитных сооружений.
При этом ставится задача повышения технологичности процесса возведения конструкций на месте производства работ, расширения технологических возможностей их сооружения в труднодоступных местах, а также обеспечения эффекта по защите земляных сооружений не хуже, чем у традиционных мероприятий и защитных сооружений.
Новизна научной работы заключается в разработке композитных конструкций, изготавливаемых на заводе, состоящих из бетонных элементов и геосинтетических материалов с гибкой связью.
Для достижения поставленной цели была проведена серьезная работа по анализу традиционных существующих мероприятий защитных сооружений и способов их возведения с определением достоинств и недостатков. Определен общий недостаток – низкий уровень технологичности, обусловленный значительной продолжительностью работ по сооружению защитных и охлаждающих покрытий за счет высокой трудоемкости монтажа элементов существующих конструкций, значительного объема подготовительных работ бросовых работ, таких как сооружение подъездных путей, площадок и переездов для строительной техники. А также ограничение технологических возможностей использования традиционных мероприятий и защитных сооружений в труднодоступных местах, таких как дорожные выемки, участки земляного сооружения, расположенные на марях и болотах, в районах вечной мерзлоты.
С учетом выполненного анализа разработаны берегозащитная и охлаждающая конструкции и способы их возведения [5, 6].
Полотно берегоукрепительной конструкция имеет геосинтетическую двухосную решетку (далее георешетка) и бетонные блоки. Бетонные блоки состоят из двух частей, одна из которых в форме полусферы для снижения ударного волнового воздействия, скоростного воздействия, воздействия ледохода на конструкцию за счет обтекаемости сферической формы, а вторая цилиндрической формы с замоноличенными с нижнего торца металлическими стержнями, обеспечивающими прочное сцепление с грунтом (рис.1, 2). Между верхней и нижней частями замоноличена георе
шетка.
Рис.1. Бетонный блок гибкого бетонного защитного покрытия:
1-геосинтетическая полимерная сетка; 2-нижняя часть блока; 3-верхняя часть блока;
4-металлический стержень.
Охлаждающая конструкция состоит, по крайней мере, из двух слоев (полотен): нижнего и верхнего. Каждый слой выполнен из искусственных камней в виде прямоугольного параллелепипеда и георешетки (рис.3). Искусственные камни расположены в георешетке пошагово. Размер камня выбирается из диапазона 10-30 см.
В обеих конструкциях геосинтетическая решетка используется для обеспечения наличия гибких связей между бетонными элементами, удерживания их в проектном положении и сворачивания полотен в рулоны. Ширина полотен определена шириной георешетки, а длина – зависит от укрываемой части поверхности откоса земляного сооружения и задается проектом.
Рис. 2. Гибкое бетонное защитное покрытие, свернутое в рулон.
Расположение искусственных камней в георешетке делает каждое полотно гибким с возможностью скручивания его в рулон. Способность каждого полотна скручиваться в рулон позволяет повысить технологичность возведения конструкций. Это обусловлено удобством транспортировки рулонов к месту производства работ, в труднодоступные места и простотой их укладки на откос земляного сооружения. Под действием силы тяжести самостоятельно или с применением небольших усилий монтеров пути рулон разворачивается.
В данной работе выполнено сравнение технологических процессов при устройстве традиционных мероприятий и предлагаемых берегоукрепительной и охлаждающей конструкций на железной дороге, определена трудоемкость и продолжительность работ, сформирован перечень строительной техники. Так, для устройства на откосе земляного сооружения железобетонных плит продолжительность работ составит 14,8 часов, трудоемкость 27,45 чел-часа. А при устройстве предлагаемой берегоукрепительной конструкции продолжительность работ 10,8 часов, трудоемкость 10,8 чел-часов. Для устройства охлаждающей конструкции из скальной наброски понадобится 10,88 часов, трудоемкость составит 10,88 чел-часа. Предлагаемая охлаждающая конструкция займет меньше времени всего 5 часов, трудоемкость составит 8,35 чел-часа.
Для изготовления берегоукрепительной и охлаждающей конструкций запроектирована опалубка.
В настоящее время осуществляется изготовление полотен-образцов конструкций на базе завода железобетонных шпал г. Хабаровска ОАО «БЭТ».
А
Б
Рисунок 3. Охлаждающая конструкция. А) продольный разрез охлаждающей конструкции, размещенной на поверхности откоса и приподошвенной зоны земляного сооружения; Б) вид сверху и продольный разрез охлаждающей конструкции:1 – покрытие из каменной наброски; 2- искусственные камни; 3 – откос земляного сооружения; 4 – приподошвенная зона земляного сооружения; 5 – земляное сооружение; 6 – нижний слой конструкции; 7 – верхний слой конструкции; 8 – геосинтетическая сетка; 9 – воздушные поры; 10 – воздушные полости.
Берегоукрепительная и охлаждающая конструкции для земляных сооружений и способ их возведения относятся к области транспортного, промышленного и гражданского строительства и могут быть использованы при реконструкции железных и автомобильных дорог; строительстве вторых путей БАМ. Интересны таким организациям как ОАО «РЖД», Росавтодор РФ, ОАО «Дальстроймеханизация», ПАО «Бамстроймеханизация».
Использование предлагаемых берегоукрепительной и охлаждающей конструкций для земляных сооружений позволит в отличии от традиционных мероприятий и сооружений:
1. Повысить степень технологичности возведения охлаждающей конструкции на месте производства работ, а именно: уменьшение продолжительности работ, снижение трудоемкости работ, отсутствие подготовительных и бросовых работ, возможность устройства конструкции в труднодоступных местах.
2. Обеспечить экологическую безопасность: отсутствие необходимости разрабатывать карьер для добычи скального грунта взрывным способом.
На берегозащитную и охлаждающую конструкции поданы заявки на патент в декабре 2014 года, пройдена регистрация патента.
Литература:
1. Дождь [Электронный ресурс]: новостной портал / Моск. Телеканал Дождь – информац. сайт – Москва: 2013. – режим доступа: http://tvrain.ru/articles
2. Жданова, С.М., Пиотрович, А.А. Научно-практические результаты для проектирования земляного полотна на мерзлоте. Транспорт Урала: 2014, № 1 (40). – 22-25 с.
3. Кондратьев, В.Г. Стабилизация земляного полотна на вечномерзлых грунтах: Монография. Чита: ПолиграфРесурс, 2011. - 177 с.
4. Минайлов, Г.П. Способы понижения температуры вечномерзлых грунтов на железных и автомобильных дорогах путем применения каменной наброски: диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук. М.: 2003. – 194 с.
5. Ким, А.Б., Пиотрович, А.А. Устройство и способ гибкого бетонного берегоукрепительного сооружения. Новые идеи нового века – 2015: материалы Пятнадцатой Международной научной конференции – Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2015. – 201 с.
6. Пакушева О.И., Пиотрович, А.А. Технологичная охлаждающая конструкция для земляных сооружений на вечномерзлых грунтах. Новые идеи нового века – 2015: материалы Пятнадцатой Международной научной конференции – Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2015. – 266 с.
