автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Методика обоснования конструктивно-технологических решений по водопропускным трубам в северных условиях с учетом геокриологических особенностей

На правах рукописи

Алексеенко Евгений Сергеевич

МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ВОДОПРОПУСКНЫМ ТРУБАМ В СЕВЕРНЫХ УСЛОВИЯХ С УЧЕТОМ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ

05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ДЕК 2013

005543501

Москва-2013

005543501

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МГУПС (МИИТ)) на кафедре «Организация, технология и управление строительством». Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шепитько Таисия Васильевна Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Переселенков Георгий Сергеевич, главный специалист лаборатории «Транспортных коммуникаций и экологии» ОАО «ЦНИИС»; кандидат технических наук, Загитов Эльдар Данилович, главный инженер Центра обследования и диагностики инженерных сооружений - филиала ОАО "РЖД" (Центр ИССО) Ведущее предприятие: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СибГУПС) Защита состоится «26» декабря 2013 г. в 15 час. на заседании диссертационного совета Д218.005.11 при Московском государственном университете путей сообщения, по адресу: 127994, ГСП-4, Москва, ул. Образцова, д.9, стр. 9, ауд. 1235.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения. Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу совета университета.

Автореферат разослан ноября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета, А?

кандидат технических наук А.Н. Савин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Ускоренное развитие Российского Севера, обладающего богатейшими месторождениями, укрепление межрегиональных связей, использование транзитных возможностей России требуют развития существующей транспортной сети, модернизации существующих и организации новых железнодорожных сообщений. Стратегия-2030, направленная на незамедлительное решение этих и других задач, предусматривает комплексное освоение новых территорий и разработку месторождений полезных ископаемых, прежде всего, в районах распространения многолетнемёрзлых грунтов.

В сложной геокриологической обстановке северных регионов современные железнодорожные строительные проекты характеризуются сложными взаимосвязями различных комплексов работ, сжатыми сроками строительства, суровыми природно-климатическими условиями, отдаленностью и труднодоступностью баз снабжения, дефицитом трудовых ресурсов. В такой ситуации требуется разработка адекватных местным условиям проектных, конструкторских и организационно-технологических решений, базирующихся на анализе и обобщении научной и изыскательской информации об инженерно-геокриологических условиях территорий.

Одним из наиболее ресурсоемких элементов в системе «Железная дорога» являются «Водопропускные трубы». В связи с этим необходимыми являются разработка и выбор обоснованных конструктивных и организационно-технологических решений по возведению водопропускных труб в сочетании с теплотехническими расчетами, обеспечивающих надежную эксплуатацию железнодорожного пути. Их целью является предотвращение деградации многолетнемерзлых пород, увеличение надежности земляного полотна железных дорог в местах размещения водопропускных труб, как следствие - повышение безопасности перевозок пассажиров и грузов по железнодорожным линиям в криолитозоне.

Целью исследования является разработка методики выбора взаимоувязанных с теплотехническими расчетами конструктивных и организационно-технологических решений по водопропускным трубам на железных дорогах на многолетнемерзлых основаниях с разработкой рекомендаций по геотехническому мониторингу.

Задачи исследования. Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

- анализ существующих конструкций и технологий возведения водопропускных труб на железных дорогах на многолетнемерзлых основаниях, в первую очередь, на п-ове Ямал;

- изучение и анализ инженерно-геокриологических условий территории строительства железнодорожной линии на п-ове Ямал;

определение граничных условий для прогноза динамики температурного поля грунтов основания и насыпи на участках заложения водопропускных труб;

математическое моделирование температурного режима грунтов насыпи на многолетнемерзлых основаниях с исследованием закономерностей теплового взаимодействия водопропускных труб с грунтами основания и железнодорожной насыпью в криолитозоне;

- разработка методики выбора взаимоувязанных с теплотехническими расчетами конструктивных и организационно-технологических решений по сооружению водопропускных труб на железных дорогах на многолетнемерзлых основаниях;

- разработка предложений по реализации геотехнического мониторинга состояния водопропускных труб в условиях криолитозоны.

Объектом исследования является взаимодействие водопропускных труб с основанием и земляным полотном в условиях криолитозоны с системных позиций.

Предметом исследования является выбор конструктивных и организационно-технологических решений на этапах строительства и эксплуатации водопропускных труб на железнодорожных линиях в криолитозоне на основе теплотехнических расчетов.

Степень проработанности проблемы. В современное время, занимаясь вопросами проектирования, возведения и эксплуатации малых искусственных сооружений на многолетнемерзлых грунтах, а также их взаимодействия с основаниями, столкнулись с целым рядом проблем, среди которых: снегозаносимость, вопросы экологии, борьба с наледными явлениями и т.д. Их решению посвятили свои работы С.Р.Владимирский, Г.Я.Волченков, В.В.Гулецкий, М.И.Иванов, Г.П.Минайлов, Ю.С.Палькин, В.В.Пассек, Н.А.Перетрухин, Р.Е.Подвальный, А.С.Потапов, О.М.Скоморохова, А.А.Топеха, А.А.Цернант, О.А.Янковский и другие ученые.

Вопросам проектирования водопропускных труб, выбора типа основания, разработки терморегуляционных комплексов, организации и совершенствованию технологии возведения водопропускных сооружений посвятили свои исследования С.Н.Бакулин, Н.Н.Банова, В.Б.Бобриков,

B.П.Горшков, И.В.Грачев, Г.Н.Жинкин, В.И.Казаркина, Г.Г.Орлов, Г.С.Переселенков, Н.А.Перетрухин, С.П.Першин, С.В.Саморядов,

C.А.Челобитченко и др. Результаты их работы нашли применение в нормативных документах: Строительно-технических нормах, Ведомственных строительных нормах, Сводах правил, Стандартах организаций, Методических указаниях, рекомендациях, учебных пособиях, инструкциях и др.

Учет мерзлотных условий и их изменения привели к необходимости проведения теплотехнических расчетов. В разное время теплотехническими расчетами занимались Л.В.Емельянова, Э.Д.Ершов, С.Ю.Пармузин, В.В.Пассек, Л.Н.Хрустапев, А.А.Цернант и др.

Проблемами выбора конструктивных решений при строительстве водопропускных сооружений, а также системотехническими подходами к оценке надежности организационно-технологических решений, разработке вопросов геотехнического мониторинга занимались Е.С.Ашпиз, В.В.Виноградов, Г.Г.Коншин, В.М.Круглов, С.Я.Луцкнй, А.В.Полянский, Э.С.Спиридонов, П.М.Токарев, А.М.Черкасов, Г.М.Шахунянц, Т.В.Шепитько, Т.Г.Яковлева и другие ученые.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации применены математическое моделирование, теория математической статистики при проведении вычислительных экспериментов

5

на моделях, расчет температурного режима грунтов, основанный на энтальпийном методе; в качестве численного метода применена явная схема метода конечных разностей.

Научная новизна результатов заключается в разработке методики выбора взаимоувязанных с инженерно-геокриологическими условиями района строительства конструктивных и организационно-технологических решений на основе теплотехнических расчетов при возведении водопропускных труб на многолетнемёрзлых основаниях. В ее рамках:

- назначены граничные условия, определяемые спецификой района с учетом условий снегонакопления, возможного температурного режима водопропускных труб;

- выполнены расчеты теплового влияния трубы:

А) на основание по вариантам: с укладкой под трубой слоя пенополистирола, слоя щебня;

Б) на железнодорожную насыпь по вариантам: без применения теплоизоляции над трубой; с устройством слоя теплоизоляции над трубой; с укладкой слоя теплоизоляции над трубой и на глубине 0,5 м от гребня насыпи;

- предложен подход к рациональному решению задачи определения температурного режима и ореолов оттаивания грунтов основания и насыпи в местах размещения водопропускных труб;

- разработаны предложения по реализации геотехнического мониторинга состояния водопропускных труб в условиях криолитозоны.

Практическая ценность заключается в использовании результатов исследования при выборе конструктивных решений на этапах сооружения и эксплуатации водопропускных труб в районах распространения многолетнемёрзлых грунтов; при проектировании производства работ по устройству труб в насыпях на многолетнемёрзлых основаниях; для научного сопровождения и реализации геотехнического мониторинга при проектировании железных дорог в условиях криолитозоны на примере участка железнодорожной линии Бованенково-Карская. Выполненные исследования в аналогичных условиях позволят произвести выбор типа основания и конструктивного решения насыпи-над трубой без проведения дополнительных обоснований.

Потенциальными потребителями работы являются организации, осуществляющие разработку проектов строительства и производства работ по сооружению труб в условиях криолитозоны, контроль за их реализацией, а также научно-исследовательские организации, осуществляющие научно-техническое сопровождение строительства, содержание и реконструкцию железных дорог в этих условиях. Внедрение результатов разработок на всех этапах жизненного цикла железных дорог на многолетнемёрзлых основаниях позволит повысить надежность земляного полотна в местах размещения водопропускных труб, безопасность перевозок пассажиров и грузов.

На защиту выносятся:

1. Методика выбора взаимоувязанных с теплотехническими расчетами конструктивных и организационно-технологических решений по водопропускным трубам на железных дорогах на многолетнемерзлых основаниях;

2. Назначение граничных условий, определяемых спецификой района строительства, с целью прогноза динамики температурного поля грунтов основания и насыпи на участках заложения водопропускных труб;

3. Математическое моделирование температурного режима грунтов насыпи на многолетнемерзлых основаниях с исследованием закономерностей теплового взаимодействия водопропускных труб с грунтами основания и железнодорожной насыпью в криолитозоне;

4. Предложения по реализации системы геотехнического мониторинга водопропускных труб в условиях криолитозоны.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на заседаниях кафедры «Организация, технология и управление строительством» МГУПС (МИИТ) - 2010-2013г.г.; научно-практических конференциях «Неделя Науки», 2008 г.; «Инженерные изыскания в строительстве», ПНИИИС, 2009 г.; VI научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути», посвященной памяти профессора Г.М. Шахунянца, 2009 г.; XI научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», 2010 г.; XII научно-технической конференции «Теория и методы замораживания фунтов» в СПбГУНиПТ, г. Санкт-Петербург,

2010 г.; 70-ой юбилейной научно-методической и научно-исследовательской конференции в МГТУ - МАДИ, 2012 г.

Публикации. Основные результаты исследований по диссертационной работе опубликованы в материалах этих конференций, а также 3 публикации - в журналах перечня ВАК РФ. Всего по результатам выполненных исследований опубликовано 10 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 131 источника и 10 приложений. Работа изложена на 203 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок, 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационного исследования, дана характеристика и степень изученности решаемой в диссертации задачи. Сформулированы цель, задачи, объект и предмет исследования, определены методология, научная новизна работы. Приведены практическая значимость и определены потенциальные потребители работы.

Первая глава «Анализ состояния вопроса по строительству водопропускных труб в сложных природно-климатических и природно-технических условиях» посвящена анализу, систематизации и обобщению нормативных документов, производственных и научно-технических отчетов, фондовых и литературных источников по вопросам строительства и эксплуатации водопропускных труб в сложных условиях криолитозоны.

Здесь приведены типовые конструкции железобетонных, металлических гофрированных и гладкостенных труб по нормативным документам, а также рассмотрены разработки ОАО ЦНИИС, ОАО «Трансмост» («Ленгипротрансмост»), ОАО Росавтодор, ОАО «Ленгипротранс», ОАО «Сибгипротранс», СГК ТрансстройЯмап и др.

Проанализированы конструкции труб на фундаментах из крупнообломочных грунтов, свайных, бесфундаментные и трубы с экранирующими элементами, конструкция плита-экран, косогорные трубы, а также трубы в местах возможного наледеобразования; изучены и проанализированы вопросы проектирования, строительства и эксплуатации оголовков, гидроизоляционных и противофильтрационных экранов, подушек под

трубой, грунтовой обоймы, теплоизоляторов, самоохлаждающихся устройств.

8

Проведенный анализ позволяет заключить, что к настоящему времени выполнен большой объем научно-исследовательских работ по перечисленным направлениям на всех этапах жизненного цикла водопропускных труб в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, при этом не до конца решены в системной постановке вопросы обоснованного выбора конструктивно-технологических решений с учетом геокриологических особенностей. Целью этих комплексных решений должен являться учет мерзлотно-грунтовых условий района строительства и прогноз возможных изменений этих условий от техногенного воздействия транспортных сооружений. Поэтому разработка методики выбора научно обоснованных, взаимоувязанных с теплотехническими расчетами конструктивных и организационно-технологических решений по сооружению водопропускных труб на железных дорогах на многолетнемерзлых основаниях с разработкой рекомендаций по геотехническому мониторингу является актуальной задачей.

Во второй главе «Геологическая характеристика территории строительства участка железнодорожной линии на п-ове Ямал» выполнен анализ инженерно-геологических условий строительства на многолетнемерзлых грунтах участка железнодорожной линии Бованково - Карская.

Изучаемая железная дорога расположена на Ямале, севернее Полярного круга в географическом районе, отличающемся чрезвычайно суровыми климатич 1 (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема расположения участка железнодорожной линии Бованенково - Карская (выделено темным пунктиром)

Гидрографическая сеть представлена большим количеством рек и ручьев, обилием озер и болот. Изучаемая территория однородна по

—■ Введено в эксплуатацию •ми«« Перспективные направления * » *» В стадий строительства Газопровод

Месторождения

геоморфологическим признакам, представляя собой низкую террасированную равнину с абсолютными отметками 0-90 м.

На основе изученных материалов в работе выделены 5 геоморфологических районов: поверхности морских террас, склоны морских террас, поймы рек и крупных озер, долины малых водотоков, озерные котловины. Регион расположен в зоне сплошного развития многолетней мерзлоты сливающегося типа, мощность многолетнемёрзлых пород составляет 200-250 метров. Здесь выделяются надмерзлотные, воды несквозных таликов, межмерзлотные и подмерзлотные типы подземных вод.

Характерной особенностью района является большая льдистость грунтов, что предопределяет их просадочность при оттаивании. На всех геоморфологических уровнях распространены термокарстовые образования, характерны криогенные оползни и сплывы, развитые на склонах террас, термоэрозия, солифлюкция. Повсеместно распространены пылеватые пески, суглинки, реже супеси, с прослоями, жилами и линзами льда.

В диссертации выполнена систематизация данных по стратиграфии изучаемых отложений, выделено 13 генетический типов отложений. Для большинства грунтов имеет место категория просадочности II-III, в зоне развития сильнольдистых грунтов - IV, вследствие морского генезиса отложений широко распространены засоленные грунты. В ходе исследования площадки расположения малых искусственных сооружений сгруппированы в 6 типов по ландшафтному положению, мощности растительно-почвенного покрова и свойствам грунтов.

По классификации СП 11-105-97 район строительства относится к категории Ш (сложные инженерно-геологические условия), для которой проектирование и строительство железной дороги рекомендуется выполнять с сохранением фунтов основания и тела насыпи в мерзлом состоянии.

Изложенное позволяет перейти к моделированию температурного режима грунтов и выполнению теплотехнических расчетов, являющихся обязательными в районах распространения многолетнемерзлых грунтов.

ю

В третьей главе «Теплотехнические расчеты» проведено математическое моделирование температурного режима грунтов для составления прогноза динамики слоя сезонного промерзания (оттаивания) грунтов под насыпью железной дороги, отепляющего влияния насыпи при разных конструктивных решениях в местах расположения водопропускных труб (слой щебня или теплоизоляционный слой под трубой), и предупреждения возможности возникновения опасных геокриологических процессов в теле насыпи и в непосредственно прилегающих к ней областях. Моделирование выполнено с использованием компьютерной программы «WARM», разработанной на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

Определенные сложности возникают при назначении граничных условий на поверхности трубы. В летние месяцы температура поверхности трубы, в первом приближении, может быть принята равной среднемесячной температуре воздуха, в зимние труба постепенно (полностью или частично) заносится снегом. Необходимо знать сложную динамику накопления снега на откосах насыпи, которая влияет на температурный режим трубы и, следовательно, на температурное состояние окружающего ее грунта. Учитывая сложность и неоднозначность условий на разных участках трассы Бованенково-Карская и динамики снегонакопления, в диссертации предлагаются 3 варианта расчетных условий:

1) труба в течение зимнего периода не заносится снегом; среднемесячная температура ее поверхности в течение года принимается равной среднемесячной температуре воздуха;

2) в летний период труба остается открытой, и температура ее поверхности равна температуре воздуха; зимой труба полностью заносится снегом, и температура равна среднемесячной температуре грунта насыпи на уровне середины трубы;

3) температура поверхности трубы в течение года равна среднемесячной температуре грунта насыпи на уровне середины трубы.

и

Очевидно, что в реальных условиях ни один из этих вариантов не реализуется, но они характеризуют крайние случаи формирования наихудших и наилучших условий с точки зрения теплового и механического взаимодействия водопропускной трубы с многолетнемерзлыми грунтами.

Для реализации второго и третьего вариантов необходимо иметь данные о среднемесячной температуре грунта насыпи на глубине расположения середины трубы. Для этого в диссертации решена задача по расчету температурного режима тела насыпи, где рассмотрен наиболее характерный и часто встречающийся случай, определяющий условия формирования температурного режима грунтов на конкретном участке трассы.

Конструкция насыпи земляного полотна железной дороги на примере ПК14673 (рисунок 2), согласно проекту, включает: земляное полотно, полуобойму из геотекстиля, теплоизоляционный и защитный слои в верхней части насыпи; высота насыпи составляет 3,0 м. Защитный слой представляет грунтовую массу, в которой 70% составляет скальный грунт с крупностью частиц не более 0,15 м, а 30% - местные грунты в виде пылеватого песка. В качестве теплоизолятора используется пеноплистирол толщиной 10 см. Полуобоймы и земляное полотно отсыпаются из местных грунтов.

схальный грунт с крупностью хамчей 0 10-0.16 м с расклиниоакой сухомерзлым песком

сухомерзлый или теердомерзлый мелкий лесок с влажностью до 12%

полуобойма из гаотекстиля толщиной 0.4-0.5 м

твердомерхлын песчаный грунт

укрепление подошвы насыпи скальным грунтом толщиной 0.5 м по КПП» Гвотекгтипя

пенололистирол ТОЛЩИНОЙ О 10 М

укрепление откосое насыпи матрасами ТМАХ-5С250 ! сяс*о грунта аскрыши

... толщиной 0.2 м

/

УСЛОВНЫЕ ОВОЗНЖЕНИЯ: Сеэоинотапые пруиты:

- Проектмруа.ма>*водепралускнзптру6а

Песо« (СНиП 1У-02-91-29а)

Мерзлые гру«ты:

Суглинок, после оттаивания текучий. текучепластичиый (IV категория просадочности СНиП 11/-02-91-5е)

Песок, после оттаивания водонасыщенный <М1 категория просалс^иости СНиП |\/-02-91-5в)

Кровля вечномерзяых грунтов

Рисунок 2. Схема конструкции железнодорожной насыпи согласно проекту

Под насыпью залегают многолетнемерзлые грунты ненарушенного сложения со среднегодовой температурой минус 4°С. Состав грунтов и необходимые для расчета физические свойства получены по данным инженерно-геологических изысканий, теплофизические свойства приведены в соответствии со СНиП 2.02.04-88 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах». Глубины залегания слоев даны от поверхности насыпи; их теплофизические характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Состав и теплофизические свойства грунтов и пенополистирола

Засо- Темпе- Коэффициент Объемная Затраты

лен- ратура теплопроводност теплоемкость тепла на

04 Интервал глубин, м Материал слоя ность, Ds.1,% начала замерзания и грунта, Вт/(м-°С) грунта, Вт-ч/(м 3-°С) фазовые перехо-

С? о грунта, °С Тало-го,Х, Мерзлого, Х„ Талог о, Ст Мерзлого, С„ ды, Оф. Вт-ч/м3

1 0-0,5 Песок 0 0 1,91 2,14 800 560 36118

2 0,5-0,6 Пенополистирола 0 0 0,03 0,03 128 128 111

3 0,6-3,0 Песок 0 0 1,91 2,14 800 560 36118

4 3,0-6,3 Суглинок 0,31 -1,1 1,57 1,8 740 505 40173

5 6,3-49,8 Песок 0,025 0 1,40 2,00 800 560 36118

На поверхности насыпи, откосах и на ненарушенных участках заданы граничные условия третьего рода, на боковой и нижней границах -граничные условия второго рода (нулевое значение теплового потока). В ходе моделирования получены значения среднемесячной температуры грунта насыпи на глубине расположения центра трубы. Шкала температур показана на рисунке 3: граница мерзлого и талого состояний соответствует серому тону; группы граничных условий третьего рода показаны на рисунке ЗА.

Расчеты показали, что ядро насыпи промерзает примерно через 5 лет. Под основанием насыпи талик, обусловленный засоленностью грунтов, промерзает полностью через 10 лет, но под откосами остается талая зона, обусловленная отепляющим воздействием снежного покрова. Через 20 лет расчетного периода в насыпи устанавливается квазистационарный температурный режим (рисунок 3), происходит подъем уровня ММП.

Глубины сезонного оттаивания грунтов тела насыпи составляют примерно 1 м. В основании откосов за счет отепляющего влияния снега возможно оттаивание многолетнемерзлых грунтов, при этом главную

опасность для устойчивости земляного полотна представляет развитие

Рисунок 3. Распределение температурного поля и конфигурация массива многолетнемерзлых, тальк и охлажденных пород в насыпи и прилежащем массиве грунтов: А - начальный период времени (сентябрь), Б - через два года осенью (октябрь), через 20 лет эксплуатации: В - начало июня, Г - октябрь

Теперь, зная температурный режим тела насыпи, среднемесячную температуру воздуха и характер снегонакопления, можно решать задачу о динамике температурного поля грунтов на участках заложения водопропускных труб. На поверхности трубы заданы граничные условия первого рода - значения среднемесячной температуры воздуха или грунта на глубине заложения трубы.

Рассмотрены два варианта конструктивного решения трубы (рисунок 4): 1 - для уменьшения теплового влияния трубы под ее нижней образующей укладывается слой пенополистирола толщиной 10 см (в соответствии с проектом ОАО «Ленгипротранс»); 2 - под нижней образующей трубы укладывается слой щебенистого грунта толщиной 10 см (предложение ОАО "Ямалтрансстрой" - способ укладки труб «на тундру»). Коэффициент теплопроводности щебня в талом состоянии 2,5 Вт/(м-°С), в мерзлом - 2,73 Вт/(м-°С), объемная теплопроводность в талом состоянии 870 Втч/(м30С), в мерзлом - 650 Вт-ч/(м3-°С), затраты тепла на фазовые переходы 7000 Вт-ч/м3.

Георешетка, заполненная Плиты пенополистирола

втрамбованным щебнем

Композиционная

тая геосетка

А

31 Раздробленный Ю скаттьный гп\/нт

. Выравнивающий /<Гслой из ПГС

Б

Рисунок 4. Схема конструктивного решения трубы, под трубой уложен слой:

А -пенополистирола; Б -щебенистого грунта

В ходе вариативных расчетов рассматривались следующие конструктивные решения, возможные при сооружении насыпи: теплоизоляция в теле насыпи над трубой отсутствует; над трубой уложен слой теплоизоляции толщиной 0,1 м; слой теплоизоляции уложен над трубой и на глубине 0,5 м от гребня насыпи. Расчет проводился до достижения периодически установившегося температурного режима грунта в непосредственной близости от трубы с записью результатов через один месяц. На рисунке 5 приведены некоторые результаты моделирования, построенные на 10 год после начала эксплуатации.

Таким образом, получены результаты по формированию тепловых полей в основаниях водопропускных труб. В результате расчетов выявлено, что при укладке слоя щебня под трубой происходит оттаивание многолетнемерзлых пород, а при укладке слоя теплоизолятора - охлаждение основания. Тепловое влияние трубы в горизонтальном направлении при укладке слоя щебня или пенополистирола различается незначительно. Наименьшее тепловое влияние на грунты насыпи отмечается в случае, когда теплоизоляция предусмотрена непосредственно над трубой и на глубине 0,5 м в теле насыпи. Полученные результаты, несмотря на ряд допущений и упрощений, принятых при построении расчетной модели, позволяют осуществлять обоснованный выбор рациональных конструктивных решений водопропускных труб во взаимодействии с основанием и земляным полотном в конкретных условиях при строительстве железных дорог в криолитозоне.

15-80"С

15-80"С

Температура на поверхности грубы равна среднемесячной температуре: воздуха; 2 -в летний период - воздуха, в зимний - грунта в теле насыпи на уровне центра трубы; 3 -грунта в теле насыпи на уровне центра трубы

а. о.

Слой теплоизоляции уложен: 1 -на глубине 0,5 м от гребня насыпи; 2 - над трубой и на глубине 0,5 м от гребня насыпи Рисунок 5. Температурное поле грунтов на участке расположения водопропускной трубы на 10-й год эксплуатации; под трубой уложен слой пенополистирола(А, В), щебня (Б)

В четвертой главе «Обоснование конструктивных и организационно-технологических решений с учетом инженерно-геокриологических условий района строительства при сооружении водопропускных труб в криолитозоне» разработана методика выбора конструктивных и организационно-технологических решений на этапах сооружения и эксплуатации водопропускных труб на многолетнемёрзлых основаниях, представленная в виде структурной схемы принятия обоснованных решений (рис. 6). Из схемы видно, что наиболее эффективные конструктивные решения и организация строительства возможны на основе теплотехнических расчетов только при комплексном учете и детальном анализе существующих типовых конструкций водопропускных сооружений, научной и изыскательской информации об инженерно-геокриологических условиях строительства.

Технологическая реализация результатов исследований представлена в виде технологической последовательности производства работ по возведению одноочковой металлической трубы диаметром 1,42 м, как наиболее распространенной на изучаемом участке (таблица 2).

Рисунок 6. Структурная схема обоснованного выбора конструктивных и организационно-технологических решений водопропускных труб на многолетнемёрзлых основаниях

Таблица 2. Технологическая последовательность производства работ по возведению одноочковой металлической трубы диаметром 1,42 м

Технологическая последовательность

производства рзбот

План потока

1) Планировка поверхности, выравнивание площадки.

®©©©€ ош© |П

2) Укладка слоя

геосегки.

3)Расклада пеяополнс-ткрольных плат.

4) Укладка на шалы ячеистой георешетки.

5) Заполнение георешетки щебнем с трамбованием.

6) Проливка щебня на входе труб горячей жидкой битумной мастикой, полностью заполняя ячейки георешетки на ширину ¡,0м.

?) Устройство на входе труб дополнительного противофнлыра-цновного экрана из песчано-цементной смеск

8) Устройство укрепления размером 0x9,0 м на входе н выходе из трубы у подошвы насыпи

9) Закатывание трубы на проектную ось.

10) Сооружение вентиляционных шахт.

11) Засыпка труб (сухомерзльш песчаным грунтом слоями не более 20 см).

12) Крепление русел у оголовков водопропускных трубжвядай георешеткой, заложенной шешеы с трамбованием по слою дренирующего геотекстиля

13) Крепление откосов земполотаа у оголовков водопропускных труб каменной наброской.

Данная технология позволяет избежать нежелательного теплового воздействия в первые 5-10 лет расчетного времени эксплуатации и пучения на основной площадке (за счет теплоизоляционного слоя), но она не предотвращает отепляющего воздействия снега, скапливающегося на откосах.

Изучение опыта строительства показало, что температурный режим грунтов насыпи и ее основания в местах заложения водопропускных труб определяется отепляющим влиянием снежного покрова и застойных вод, скапливающихся у подножия откосов. Для предотвращения этого опасного процесса рекомендуется укладка дополнительного теплоизоляционного слоя на откосах насыпи на строящемся или уже существующем земляном полотне.

Инженерно-геологические характеристики непрерывно меняются на стадиях проектирования, производства работ и эксплуатации. С целью определения их влияния на результирующие показатели, основные из которых - срок сдачи труб под отсыпку земляного полотна с последующей укладкой верхнего строения пути, открытие рабочего движения и временной эксплуатации, темпы и стоимость работ - в диссертации предлагается система геотехнического мониторинга водопропускных труб (рисунок 8).

Для наиболее типичных проявлений опасных инженерно-геологических процессов разработаны защитные мероприятия, приведенные в таблице 3.

Таблица 3. Предложения по применению защитных мероприятий для наиболее типичных проявлений опасных инженерно-геологических процессов в местах размещения

водопропускных труб

Опасные инженерно-геологические процессы Защитные мероприятия

Образование водоемов у входного и выходного оголовков водопропускной трубы Удлинение водопропускной трубы и уположение откосов насыпи;

Формирование водоемов на участках с нарушенными условиями вдоль железнодорожной линии, вызывающее развитие термокарста Засыпка образовавшихся выемок песком с устройством дренажной сети

Заиливание георешетки у входного и выходного оголовков водопропускной трубы (связано со сплывом грунта или с эрозионным выносом мелкозема со склона насыпи, из-за чего происходит снижение водопропускной функции сооружения) Укрепление склона от размыва в сочетании с его уположением

Деформации основной площадки земляного полотна в районе металлической водопропускной трубы Увеличение толщины защитного слоя надтеплоизолятором, чтобы предотвратить растепление твёрдомерзлого грунта в геотекстильной обойме

Геотехнический мониторинг

—

Инженерно-геокриологический: мониторинг геологической среды в зоне влияния водопропускных труб

Рисунок 8. Схема реализации системы геотехнического мониторинга водопропускных труб в криолитозоне

Кроме перечисленных, должны рассматриваться другие способы предотвращения образования застоя поверхностных вод в основании насыпи, вплоть до откачки застойных вод от основания насыпи или из выемки. В качестве одного из необходимых способов предотвращения деградации мерзлоты должно рассматриваться и удаление снега.

Выводы по диссертационной работе

1. На основе анализа нормативных документов, производственных и научно-технических отчетов, фондовых и литературных данных по строительству и эксплуатации водопропускных труб в сложных условиях криолитозоны установлено, что недостаточно исследованы вопросы, позволяющие перейти к выбору эффективных конструктивных и организационно-технологических решений в сочетании с теплотехническими расчетами.

2. Для выбора рационального варианта водопропускной трубы в условиях сложной геокриологической обстановки, такой как на п-ове Ямал, необходимы анализ и обобщение научной и изыскательской информации об инженерно-геокриологических условиях района строительства. Проведенный анализ этих условий для железной дороги в пределах п-ова Ямал позволяет перейти к моделированию и выполнению теплотехнических расчетов, являющихся обязательными при возведении транспортных объектов в районах распространения многолетнемерзлых фунтов.

3. В диссертации разработана методика решения задачи прогнозирования динамики температурного поля грунтов на участках размещения водопропускных труб на основе расчета температурного режима тела насыпи; по результатам расчета определены глубины сезонного оттаивания грунтов тела насыпи.

4. Предложен способ назначения граничных условий при моделировании теплового взаимодействия водопропускных труб с многолетнемерзлыми грунтами железнодорожной насыпи. Полученные результаты, несмотря на ряд допущений и упрощений, принятых при построении расчетной модели, позволяют осуществлять обоснованный выбор рациональных конструктивно-

технологических решений водопропускных труб в криолитозоне.

21

5. В ходе исследований получены результаты по формированию температурных полей в основаниях водопропускных труб. Показано, что при укладке слоя щебня под трубой происходит оттаивание многолетнемерзлых пород, а при укладке слоя теплоизолятора - охлаждение основания. Наименьшее тепловое влияние на грунты насыпи отмечается в случае, когда теплоизоляция уложена непосредственно над трубой и на глубине 0,5 м от поверхности насыпи.

6. С целью обеспечении эксплуатационной надежности и долговечности железных дорог в криолитозоне в диссертации даны предложения по реализации системы геотехнического мониторинга, которая позволяет своевременно обнаруживать и предотвращать дефекты и деформации металлических водопропускных труб. Для наиболее типичных проявлений опасных инженерно-геологических процессов предложены к реализации защитные мероприятия.

7. Результаты исследований показали, что наиболее эффективные конструктивные решения, рациональные технология и организация строительства водопропускных труб и надежная эксплуатация в условиях криолитозоны могут быть получены только на основе теплотехнических расчетов, являющихся обязательными для данной климатической зоны, при комплексном учете и детальном анализе научной и изыскательской информации об инженерно-геокриологических условиях строительства и реализации эффективных противодеформационных инженерных решений на основе результатов геотехнического мониторинга.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ: 1 .Алексеенко, Е.С. Математическое моделирование температурного режима грунтов на участке расположения водопропускных труб железнодорожной линии Бованенково - Карская [Текст] / Е.С. Алексеенко // Транспортное строительство. - 2012. - №9. -С. 18-20.

2. Алексеенко, Е. С. Математическое моделирование теплового взаимодействия водопропускных труб с грунтами основания в криолитозоне [Текст] / Е.С. Алексеенко // Инженерная геология. - 2012. - №5. - С. 54-59.

3. Алексеенко, Е.С. Математическое моделирование теплового воздействия на многолетнемерзлые грунты водопропускных труб с теплоизоляционным слоем в основании (на примере железнодорожной линии Бованенково — Карская) [Электронный ресурс] / Е.С. Алексеенко // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 3. - Режим доступа: www.science-education.ru/103-6J46.

Другие издания:

4.Алексеенко, Е.С., Кобызев A.A., Шепитько Т.В. Конструктивно-технологические решения по сооружению земляного полотна на экспериментальном участке разъезд Хралов-станция Сохонто железнодорожной линии Обская-Бованенково (ПК4000+50-ПК4247-Ю0) [Текст] / Е.С. Алексеенко, А.А Кобызев, Т.В. Шепитько // Неделя науки-2008 «Наука МИИТа - транспорту»: тр. научно-практ. конф.- М.: МИИТ, 2008. -4.2.-С. VI-1-VI-2.

5.Алексеенко, Е.С., Кобызев A.A., Шепитько Т.В. Технология сооружения земляного полотна на экспериментальном участке разъезд Хралов-станция Сохонто железнодорожной линии Обская-Бованенково (ПК4000+50 -ПК4247+00) [Текст] / Е.С. Алексеенко, А.А Кобызев, Т.В. Шепитько // Инженерные изыскания в строительстве: материалы научно-практ. конф. молодых специалистов. - М.: ПНИИИС, 2009. - С. 62-66.

6.Алексеенко, Е.С., Шепитько Т.В. Способы обеспечения круглогодичное™ производства земляных работ на экспериментальном участке разъезд Хралов-станция Сохонто железнодорожной линии Обская-Бованенково [Текст] / Е.С. Алексеенко, Т.В. Шепитько // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна железных дорог: тр. 6-ой научно-техн. конф. с международным участием, чтения, посвященные 105-летию профессора Г.М. Шахунянца. - М.: МИИТ, 2009. - С. 204-207.

7.Алексеенко, Е.С., Шепитько Т.В., Черкасов A.M. О способах сокращения сроков строительства железнодорожного земляного полотна в северных условиях [Текст] / Е.С. Алексеенко, Т.В. Шепитько, A.M. Черкасов // Искусственные сооружения на железнодорожном транспорте: тр. молодых ученых и студентов. - М.: МИИТ, 2010. - В.2. - С. 12-17.

8.Алексеенко, Е.С. О необходимости учета локальных тепловых возмущений в зоне водопропускной трубы и их влиянии на деформации основания при выборе конструктивно-технологических решений [Текст] / Е.С. Алексеенко // Безопасность движения поездов: тр. 11-ой научно-практ. конф. - М.: МИИТ, 2010.-С .XIV-42-XIV-44.

9.Алексеенко, Е.С., Шепитько Т.В., Черкасов A.M. Особенности конструктивно-технологических решений при возведении водопропускных труб в ходе строительства железных дорог в криолитозоне [Текст] / Е.С. Алексеенко, Т.В. Шепитько, A.M. Черкасов // Теория и методы замораживания грунтов: тр. двенадцатой научно-техн. конф. - С.-П.: СГТбГУНиПТ, 2010. - С. 13-17.

10. Алексеенко, Е.С., Шепитько Т.В. Особенности теплотехнических расчетов земляного полотна в криолитозоне [Текст] / Е.С. Алексеенко, Т.В. Шепитько // Вопросы строительной механики и надежности машин и конструкций: сб. научных тр.-М.: МАДИ, 2012.-4.1.-С. 120-126.

Алексеенко Евгений Сергеевич

МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ВОДОПРОПУСКНЫМ ТРУБАМ В СЕВЕРНЫХ УСЛОВИЯХ С УЧЕТОМ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ

05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать Д С -1Ы Заказ№ Формат 60x80 1/16

Усл. печ.л. - 1,5 Тираж 80 экз.

УПЦ ГИ МИИТ, Москва, 127994, ул. Образцова, д. 9, стр. 9

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ» (МГУПС(МИИТ))

На правах рукописи

Алексеенко Евгений Сергеевич

МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ВОДОПРОПУСКНЫМ ТРУБАМ В СЕВЕРНЫХ УСЛОВИЯХ С УЧЕТОМ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ

05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Шепитько Т.В.

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ В СЛОЖНЫХ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ И ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ

УСЛОВИЯХ..................................................................................................................................................................14

1.1 Общие сведения..........................................................................................................................................14

1.2. Конструкции железобетонных труб на многолетнемерзлых и пучинистых грунтах..........................................................................................................................................20

1.3. Металлические гофрированные водопропускные трубы на многолетнемерзлых грунтах....................................................................................................................32

1.4. Металлические гладкостенные трубы................................................................................53

Выводы по первой главе..............................................................................................................................65

ГЛАВА 2. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕРРИТОРИИ СТРОИТЕЛЬСТВА УЧАСТКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ЛИНИИ НА

ПО-ВЕ ЯМАЛ............................................................................................................................................................66

2.1. Физико-географический очерк....................................................................................................66

2.1.1. Климат..................................................................................................................................................66

2.1.2. Гидрология......................................................................................................................................71

2.2. Геоморфологические условия......................................................................................................72

2.3. Стратиграфия и история геологического развития..................................................75

2.4. Гидрогеологические условия........................................................................................................78

2.5. Геокриологические условия..........................................................................................................78

2.6. Современные геологические процессы и явления......................................................81

2.7. Физико-механические свойства грунтов............................................................................84

2.8. Типизация участков возведения водопропускных труб........................................84

2.9. Характеристика грунтов для отсыпки насыпи..............................................................85

Выводы по второй главе..............................................................................................................................88

ГЛАВА 3. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ.................................. 90

3.1. Краткое описание программы «WARM» и постановка задачи.......... 92

3.1.1. Используемая физическая модель....................................... 92

3.1.2. Математическая формулировка задачи................................. 93

3.1.3. Численный метод расчета.................................................. 98

3.2. Математическое моделирование температурного режима грунтов на участке расположения водопропускных труб железнодорожной линии Бованенково - Карская................................................................. 104

3.2.1. Математическое моделирование температурного режима грунтов насыпи.................................................................................... 107

3.2.2. Математическое моделирование теплового взаимодействия водопропускных труб с многолетнемерзлыми грунтами................... 115

Выводы по третьей главе............................................................... 133

ГЛАВА 4. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ С УЧЕТОМ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РАЙОНА СТРОИТЕЛЬСТВА ПРИ СООРУЖЕНИИ ВОДОПРОПУСКНЫХ ТРУБ В КРИОЛИТОЗОНЕ....................................................................... 135

4.1. Общие положения.................................................................. 135

4.2. Конструктивные решения по возведению водопропускных труб на участке ст. Бованенково -ст. Карская............................................... 139

4.3. Организация строительства металлических водопропускных труб на участке ст. Бованенково - ст. Карская............................................... 141

4.4. Геотехнический мониторинг водопропускных труб в криолитозоне... 146 Выводы по четвертой главе............................................................ 157

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ................................ 158

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

160

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................ 173

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Климатическая характеристика изучаемого района.... 174 ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Карта фактического материала железнодорожной

линии ст. Бованенково-ст. Карская км523-км548 масштаба 1:50000........ 179

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Инженерно-геологический разрез на участке

км 541-км 544........................................................................... 180

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Сводная ведомость лабораторных испытаний грунтов

ПК14665 - ПК14680..................................................................... 181

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Таблица замера температуры в скважинах по малым

ИССО ПК14665 - ПК14680............................................................ 182

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Схема расположения месторождений местных

строительных материалов на участке км 540 - км 547........................... 183

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Физические характеристики грунтов карьеров.......... 184

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Температурное поле грунтов на участке расположения

водопропускной трубы ПК 14673 на 10-й год эксплуатации......................... 189

ПРИЛОЖЕНИЕ И. Варианты конструктивных решений малых

водопропускных сооружений (типизация).......................................... 197

ПРИЛОЖЕНИЕ К. Ведомость искусственных сооружений, привязка к гидрологическим условиям............................................................. 202

ВВЕДЕНИЕ

Железнодорожный транспорт - основа транспортной инфраструктуры России - обеспечивает свыше 40% грузовых и пассажирских перевозок в стране, более 20% грузооборота и 15% пассажирооборота всех железных дорог мира. Его эффективное функционирование играет исключительную роль в создании условий для модернизации национальной экономики, ее перехода на инновационный путь развития и дальнейшего устойчивого роста, то есть напрямую способствует обеспечению лидерства России в мировой экономике.

Актуализированная Стратегия развития железнодорожного транспорта Российской Федерации до 2030 года (Стратегия-2030) предусматривает формирование эффективного и многофункционального транспортного кластера, основным звеном которого станет железнодорожный комплекс. Масштабная модернизация железнодорожной инфраструктуры послужит фундаментом для интенсивного развития отрасли и, как следствие, ускорения экономического роста и социального развития России, повышения ее макроэкономических показателей, развития конкурентоспособности национальной экономики. Полномасштабное выполнение мероприятий Стратегии-2030 обеспечит социально-экономическое развитие России по инновационному сценарию, предложенному Минэкономразвития в Концепции долгосрочного развития Российской Федерации на период до 2020 года. В соответствии с этим сценарием к 2020 году ВВП вырастет в 4,4 раза, промышленное производство - в 3,3 раза [34].

Согласно Стратегии-2030 развитие железнодорожного транспорта основано на инновационном сценарии развития экономики России, что должно обеспечить создание инфраструктурного базиса для развития новых точек экономического роста (включая транспортное обеспечение разведанных месторождений) при полной ликвидации ограничений провозной способности российских железных дорог.

Согласно Стратегии-2030 три категории железнодорожных линий, относящихся к новому строительству, напрямую относятся к развитию рынка грузовых перевозок:

- стратегические, предназначенные для укрепления транспортной целостности России;

- грузообразующие, предназначенные для транспортного обеспечения развития новых месторождений полезных ископаемых и промышленных зон;

- технологические, предназначенные для оптимизации железнодорожной сети с точки зрения ускорения хозяйственных и межрегиональных связей [34].

В соответствии с максимальным вариантом реализации Стратегии-2030 всего предполагается построить 20 тыс. 550 км новых железнодорожных линий, в том числе: стратегических - 4 тыс. 452 км, грузообразующих - 4 тыс. 660 км; технологических - 8 тыс. 648 км. При этом высшими приоритетами обладают реконструкция действующих и строительство технологических линий. Очередность строительства грузообразующих линий определяется сроками промышленного освоения новых месторождений полезных ископаемых и развития промышленных зон. Приоритеты строительства стратегических линий определяются государством, исходя из геополитических и геоэкономических интересов [34].

Расширение современной железнодорожной сети грузовых перевозок напрямую связано с экономическим освоением перспективных регионов. К прогнозируемым общенациональным проектам по созданию новых промышленных центров уже сегодня можно отнести:

- развитие промышленного потенциала Кузбасса;

- освоение нефтегазовых месторождений Ямала (Харасавэйское и Крузенштерновское газоконденсатные месторождения на п-ове Ямал относятся к числу наиболее крупных и перспективных месторождений углеводородов в Западной Сибири);

- освоение месторождений полезных ископаемых в Якутии;

- развитие торгово-экономических отношений со странами Азиатско-Тихоокеанского региона, в том числе Китаем и Японией;

- формирование на Северо-Западе страны экспортно-ориентированной промышленной инфраструктуры с выходом на порты Балтийского моря;

- постепенное развитие промышленно-сырьевой базы Полярного Урала;

- хозяйственное освоение Северо-Востока страны (до Магадана) [34].

Одним из важнейших проектов является строительство железнодорожной

линии Обская - Бованенково с доведением ее до ст. Харасавэй, для которой особенно важны эффективные технология, организация и управление строительным комплексом. Суровые природно-климатические условия, сложная геокриологическая обстановка региона требуют разработки адекватных этим условиям научно-технических, проектных и организационных решений, базирующихся на анализе и обобщении научной и изыскательской информации об инженерно-геокриологических условиях западного побережья Ямала и прибрежно-мелко-водной зоны шельфа Карского моря.

Этим районам присущи неблагоприятные инженерно-геологические условия и именно в этих районах сосредоточены основные разведанные и прогнозные стратегические запасы минерально-сырьевых и энергетических ресурсов страны. Транспортная же сеть железных и автомобильных дорог, необходимая для их разработки, развита недостаточно. Отсутствие дорог является основной причиной высокой стоимости как добываемых и транспортируемых природных ресурсов, так и привозных товаров и материалов, значительной трудоемкости и стоимости капитального строительства. В этих районах необходимо опережающее по отношению к промышленным объектам развитие транспортных коммуникаций. К ним, в первую очередь, относится железнодорожный транспорт - наиболее универсальный и экологически чистый вид всесезонного транспорта. Строительство железных дорог в этих условиях должно вестись круглогодично, начиная с железных дорог пионерного типа с их поэтапным, по мере возрастания объёмов перевозок, усилением.

Специфичность условий строительства в районах Заполярной тундры вызвана малой протяжённостью безморозного периода; высокой льдистостью грунтов (пылеватых песков и супесей) и низкой их несущей способностью при оттаивании; дефицитом талых и мёрзлых грунтов, пригодных к укладке в тело земляного полотна; отсутствием скальных, гравийно-галечниковых и крупных

песчаных грунтов [34].

В таких условиях предстоит построить много километров железных дорог и, вместе с тем - большое количество искусственных сооружений, подавляющее большинство которых представляют водопропускные трубы.

Водопропускные трубы являются одним из самых массовых видов искусственных сооружений. Стоимость таких конструкций значительна и достигает в некоторых случаях до 60% сметной стоимости строительства железной дороги, поэтому возникает необходимость тщательного рассмотрения технологии их сооружения и разработки новых конструктивных решений. Устройство переправ и других водопропускных сооружений всегда представляет собой ряд сложных инженерных задач, которые решаются по-разному на протяжении многих лет [94].

В современное время, занимаясь вопросами проектирования, возведения и эксплуатации малых искусственных сооружений на многолетнемерзлых грунтах, а также их взаимодействия с основаниями, столкнулись с целым рядом проблем, среди которых: снегозаносимость, вопросы экологии, борьба с наледными явлениями и т.д. Их решению посвятили свои работы С.Р.Владимирский [19,20,21,22], Г.Я.Волченков [25], В.В.Гулецкий [48], М.И.Иванов [12,27], Г.П.Минайлов [27,48,49,51,56], Ю.С.Палькин [18,28,57,58], В.В.Пассек [7,27,61,63,87,102,109], Н.А.Перетрухин [25,27,38,51,65,66,67,68,87,95], Р.Е.Подвальный [25,51,73,74,80], А.С.Потапов [25,51,73,74,76,77,78,79,80], О.М.Скоморохова [93,94], А.А.Топеха [51,110], А.А.Цернант [7,26,27,42,87,91,112,115,116,118], О.А.Янковский [23,25,74] и другие ученые.

Вопросам проектирования водопропускных труб, выбора типа основания, разработки терморегуляционных комплексов, организации и совершенствованию технологии возведения водопропускных сооружений посвятили свои исследования С.Н.Бакулин, Н.Н.Банова, В.Б.Бобриков, В.П.Горшков, И.В.Грачев, Г.Н.Жинкин, В.И.Казаркина, Г.Г.Орлов, Г.С.Переселенков, Н.А.Перетрухин, С.П.Першин, С.В.Саморядов, С.А.Челобитченко и др. [12,15,16,17,30,35,36,69, 70,71,72,91,92,108]. Результаты их работы нашли применение в нормативных документах: Строительно-технических нормах (СТН), Ведомственных строительных нормах (ВСН), Сводах правил (СП), Стандартах организаций,

Методических указаниях, рекомендациях, учебных пособиях и др.

Учет мерзлотных условий и их изменения привели к необходимости проведения теплотехнических расчетов. В разное время теплотехническими расчетами занимались Л.В.Емельянова, Э.Д.Ершов, С.Ю.Пармузин, В.В.Пассек, Л.Н.Хрусталев, А.А.Цернант и др. [10,33,42,59,60,61,62,86,89,109,111,113, 114,115,117].

Проблемами выбора конструктивных решений при строительстве водопропускных сооружений, а также системотехническими подходами к оценке надежности организационно-технологических решений, разработке вопросов геотехнического мониторинга занимались Е.С.Ашпиз, В.В.Виноградов, Г.Г.Коншин, Г.Г.Коншин, В.М.Круглов, С.Я.Луцкий, А.В.Полянский, Э.С.Спиридонов, П.М.Токарев, А.М.Черкасов, Г.М.Шахунянц, Т.В.Шепитько, Т.Г.Яковлева и др. ученые [8,9,10,36,44,45,46,64,84,85,104,105,106,107,119,121, 122].

Но до настоящего времени отсутствует комплексное решение вопросов обоснованного выбора организационно-технологических решений по возведению водопропускных сооружений в сочетании с теплотехническими расчетами.

Поэтому тема настоящей диссертации является актуальной.

Актуальность темы.

Ускоренное развитие Российского Севера, обладающего богатейшими месторождениями, укрепление межрегиональных связей, использование транзитных возможностей России требуют развития существующей транспортной сети, модернизации существующих и организации новых железнодорожных сообщений. Стратегия-2030, направленная на незамедлительное решение этих и других задач, предусматривает комплексное освоение новых территорий и разработку месторождений полезных ископаемых, прежде всего, в районах распространения многолетнемёрзлых грунтов.

В сложной геокриологической обстановке северных регионов современные железнодорожные строительные проекты характеризуются сложными взаимосвязями различных комплексов работ, сжатыми сроками строительства, суровыми природно-климатическими условиями, отдаленностью и труднодоступностью баз снабжения, дефицитом трудовых ресурсов. В такой

ситуации требуется разработка адекватных местным условиям проектных, конструкторских и организационно-технологических решений, базирующихся на анализе и обобщении научной и изыскательской информации об инженерно-геокриологических условиях территорий.

Одной из наиболее ресурсоемких подсистем в системе «Железная дорога» является подсистема «Водопропускные трубы». В связи с этим необходимыми являются разработка и выбор обоснованных конструктивных и организационно-технологических решений по возведению водопропускных труб в сочетании с теплотехническими расчетами, обеспечивающих надежную эксплуатацию железнодорожного пути. Их целью является предотвращение деградации многолетнемерзлых пород, увеличение надежности земляного полотна железных дорог в местах размещения водопропускных труб, как следствие - повышение безопасности перевозок пассажиров и грузов по железнодорожным линиям в криолитозоне.

Целью исследования является разработка методики выбора научно обоснованных, взаимо