Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние изученности вопросов влияния криогенного выветривания на железнодорожные насыпи 9
Выводы по главе 1 22
ГЛАВА 2. Природные условия территории строительства железнодорожной линии томмот-кердем 25
2.1. Климат 25
2.2. Рельеф и основные черты геологического строения 31
2.3. Особенности гидрогеологических и гидрологических условий 46
2.4. Инженерно-геологические и геокриологические условия 50
Выводы по главе 2 61
ГЛАВА 3. Методика исследования 62
3.1. Полевые работы в полосе железнодорожной линии 62
3.2. Лабораторные исследования изменчивости физико-механических свойств при криогенном выветривании 66
3.2.1. Общие положения 66
3.2.2. Содержание лабораторных работ 67
ГЛАВА 4. Криогенное выветривание горных пород, как фактор устойчивости железнодорожной насыпи 76
4.1. Факторы, определяющие интенсивность влияния криогенного выветривания на насыпь 76
4.2. Соотношение участков железной дороги по степени устойчивости насыпи 90
4.3. Изменение физико-механических свойств горных пород при криогенном выветривании 91
4.4. Статистическая обработка результатов лабораторного эксперимента 110
4.5. Распределения участков железнодорожной насыпи по степени интенсивности криогенного выветривания пород
Выводы по главе 4 115
Заключение 116
Список литературы
- Рельеф и основные черты геологического строения
- Инженерно-геологические и геокриологические условия
- Лабораторные исследования изменчивости физико-механических свойств при криогенном выветривании
- Статистическая обработка результатов лабораторного эксперимента
Рельеф и основные черты геологического строения
Необходимость развития железнодорожной системы определяется совокупностью целого ряда геополитических и экономических причин -обеспечение потребности граждан в перевозках, формирование транспортных коридоров к природным ресурсам с целью ускорения процесса их освоения, создание условий для выравнивания социально-экономического развития регионов и др. При этом особую важность сегодня приобретает транспортное освоение криолитозоны России - мощнейшей топливно-энергетической базы с неисчислимыми запасами нефти, природного газа, каменного угля, гидроэнергоресурсов, цветных металлов и пр. Все это обусловливает повышенное внимание научных центров и ученых сообществ к вопросам проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог на вечномерзлых грунтах.
Несмотря на более чем столетний опыт строительства и эксплуатации дорог на вечной мерзлоте, количество исследований, направленных на изучение вопросов устойчивости железнодорожного полотна в криолитозоне, только возрастает. Объяснить такую тенденцию можно следующим: специфические условия эксплуатации линейного сооружения на вечномерзлых грунтах приводят к тому, что характеристики деформаций существенно различаются в зависимости от их источника, а поступающие о деформациях сведения противоречивы, как по указанию причин их формирования, так и по их местонахождению. Многие факторы нарушения устойчивости железнодорожного пути на конкретных участках дороги, начиная с момента строительства, до сих пор до конца не проанализированы и не систематизированы.
Вопросы устойчивости полотна дорог на территориях распространения ММП нашли отражение в работах В.В. Еленевского и Г.А. Низовкина (1936), Н.А. Пузакова (1948), П.Д. Бондарева (1958), В.А. Дербаса (1984), П.Г. Ташлыкова (1984), А.А. Цернанта (1984, 1998), Н.А. Перетрухина и Т.В. Потатуевой (1987), Лю Цзянькунь (1994), В.Г. Кондратьева (1996, 2000), В.Я. Ткаченко (1988, 1995), Г.П. Минайлова (1996), СМ. Гончарука (1997), А.И. Белозерова (1998), С.С. Павлова (2001), В.Р. Алексеева (1997), И.П. Константинова (2005), А.В. Булдакова (2005), Н.Н. Гриба (2009), И.С. Васильева (2007), СП. Варламова (2011), Д.М. Шестернева (2011) и многих других. В данных трудах усилия авторов направлены на выявление и анализ факторов, вызывающих изменение температурного режима земляного полотна и грунтов в основании железной дороги, разработку мероприятий по поддержанию ее в заданных диапазонах. Накопленные за много лет теоретические и экспериментальные материалы позволили запроектировать и частично внедрить новые технологии строительства железных дорог на льдистых грунтах, направленные на заблаговременное предотвращение деградации мерзлоты. Технических решения, предусматривающие регулирование соотношения охлаждающих и отепляющих факторов с целью понижения среднегодовой температуры грунтов и сохранения их в мерзлом состоянии на протяжении всего времени эксплуатации линейных сооружений, предложены Н.Н. Романовским (1963), А.А. Опариным (1990), В.Г. Кондратьевым (2001), А.А. Королевым (1993), В.Г. Ткаченко (1995), Н.И. Сидняевым (2011) и другими.
Наработок у инженеров и ученых много, однако на сегодняшний день все еще не удается предсказать и предотвратить отрицательное влияние криогенных процессов на протяженное сооружение. Как было отмечено выше, одной из причин этого является существенное отличие деформаций по характеристикам в зависимости от источников их вызывающих. В этой связи примечательно, что нарушение нормальной работы железнодорожного полотна в суровых природно-климатических условиях под воздействием выветривания практически не рассматривается. Вместе с тем, вопросы изучения выветривания горных пород, используемых в качестве строительного материала, относятся к весьма важным при изысканиях для обоснования проектов различных инженерных сооружений (Шестернев, 2001). В качестве примера можно привести результаты научных трудов Г.М. Шахунянца (1974, 1987) - одного из немногих ученых, изучавших влияние выветривания на устойчивость железнодорожного полотна. В своих исследованиях автор рассматривает вопросы обеспечения стабильности высоких насыпей, возведенных из легковыветривающихся скальных пород на участке железной дороги Краснодар - Туапсе (Шахунянц, 1974). Показано, что разрушение пород верхнего слоя насыпи под воздействием выветривания послужило причиной выпадения более стойких к выветриванию отдельных обломков пород из конструктивных элементов земляного полотна и формированию деформаций. В работе приводятся данные о ежегодной уборке продуктов разрушения бортов выемок и горных массивов в полосе дороги объемом до 125 тыс. м .
Следует отметить, что свои исследования Г.М. Шахунянц проводил в природных условиях, характеризующихся умеренным климатом с чертами субтропического типа. Вместе с тем, для регионов, относящихся к северной строительно-климатической зоне с холодным климатом и частыми переходами температуры воздуха через 0С за год, существенную роль в процессе дезинтеграции пород играет выветривание криогенное (морозное) (Верхотуров, 2008; Воскресенский, 1971; Гриб, 2009; Матвеев, 1972; Санников, 1980 и другие), причем его долевой вклад в деструкцию пород по сравнению с другими типами физического выветривания более весомее (Воронков, Ушакова, 1996). Таким образом, имеет смысл рассматривать криогенное выветривание как один из возможных факторов, оказывающих влияние на устойчивость железнодорожного полотна в экстремальных природно-климатических условиях.
В целом, по проблеме воздействия криогенного выветривания на горные породы накоплен значительный научный материал, однако эта многообразная проблема изучена с различной детальностью. Ситуация осложняется еще и тем, что на сегодняшний день нет ни общероссийских, ни ведомственных нормативно-технических документов, позволяющих оценить и спрогнозировать влияние криогенного выветривания на устойчивость железных дорог в суровых природно-климатических условиях.
Инженерно-геологические и геокриологические условия
Гидрогеологические условия трассы определяются геологоструктурными и мерзлотными особенностями территории, в частности, гидрогеологические структуры совпадают с геологическими структурами Алданской антеклизы, а области питания, транзита и разгрузки водоносных комплексов определяются в основном степенью их промороженности (Кондратьев, 2000).
Надмерзлотные воды на территории прохождения железной дороги распространены практически повсеместно в сезонно-талом слое четвертичных отложений. Питание преимущественно атмосферное, в меньшей степени - за счет вытаивания текстурообразующего льда и подтока из таликов трещинных вод. Воды гидрокарбонатные кальциево-магниевого или кальциевого-натриевого состава. Разгрузка происходит в виде источников у подножий склонов и в пониженных местах.
Ограниченно распространены воды несквозных и сквозных подозерных и подрусловых таликов. Питание осуществляется водами сезонно-талого слоя, атмосферными осадками и напорными подземными водами.
Подземные воды в коренных пород на рассматриваемой территории отнесены к мезозойскому и кембрийскому комплексам. На северном склоне Алданской антеклизы, в пределах Амгинского артезианского бассейна (620-700 км), мезозойский комплекс полностью проморожен и исключен из водообмена.
Водоносный комплекс пород нижнего кембрия распространен в пределах трассы Томмот-Кердем на участке прохождения Амгинского артезианского бассейна (378-620 км). Водовмещающими породами являются трещиноватые и закарстованные известняки и доломиты. Верхняя часть комплекса проморожена до глубины 70 м. Разгрузка вод происходит по долинам рек. Дебиты источников достигают 100 л/сек. Химический состав вод гидрокарбонатный магниево-кальциевый или кальциево-натриевый с минерализацией до 0,5 г/л. 2.4. Инженерно-геологические и геокриологические условия
Краткое геокриологическое и инженерно-геологическое описание трассы железнодорожной линии Томмот-Кердем представляется следующим.
Геокриологические условия в полосе железнодорожной линии Томмот-Кердем характеризуются значительной сложностью и неоднородностью, обусловленными геологическим строением, тектоникой и неотектоникой, особенностями водо- и теплообмена, геотермическими условиями.
Мерзлота в пределах трассы представлена островным, прерывистым и сплошным распространением (Соловьев, 1959; Железняк, 2005).
Наиболее мягкие мерзлотные условия преимущественно с островным и массивно-островным распространением ММП мощностью до 50-100 м при среднегодовой температуре от 0С до -1,0С характерны для участка железной дороги в пределах 294-386 км (район ст. Томмот).
Прерывистое распространение ММП наблюдается на территории, где железная дорога проходит по Средне-Амгинскому плато. Начиная с 423 км мерзлые породы мощностью 50-650 м имеют в основном сплошное распространение. В целом температура пород в пределах Средне-Амгинского плато изменяется от +1,0С до -2,0С, глубина сезонного промерзания грунтов -от 2,0 до 3,5 м, а глубина сезонного протаивания - от 0,8 до 2,5 м. Льдистость пород составляет 0,2-0,6 относительных единиц (Васильев, 2007; Проектирование..., 2005).
До Усть-Майского плато (с 530 по 630 км) район представлен развитием сплошной криолитозоны мощностью от 650 до 720 м с температурой пород от +0,5С до -3,0С, глубинами сезонного промерзания грунтов 2,5-3,2 м и протаивания 0,8-2,5 м.
В пределах Усть-Майского плато мощность сплошной криолитозоны уменьшается до 600-620 м. На данном участке железной дороги температура пород изменяется от +0,2С до -4,0С, глубина сезонного протаивания составляет 0,7-2,3 м. На склонах и в днищах ложбин стока под сезоннопротаивающим слоем развит льдистый горизонт мощностью 0,5-2,0 м.
Далее железнодорожная магистраль проходит по району (700-734 км), представленному высокими надпойменными террасами р. Лены, отложения которых содержат существенный объем текстурообразующих льдов. Мощность ММП варьирует от 300 до 420 м. На четвертой и пятой надпойменных террас р. Лены (734-745 км) толща многолетнемерзлых пород имеет еще более сложное слоистое строение, обусловленное широким развитие над- и межмерзлотных водоносных таликов. Здесь мощность мерзлой толщи составляет 150-300 м. Величина температуры пород изменяется от +0,5Сдо -6,5С.
Сезонное промерзание и протаивание пород на трассе весьма различно. Наибольшая глубина сезонного промерзания (иногда свыше 5,0 м) отмечается в скальных породах на водораздельных поверхностях и песчано-галечниковых маловлажных отложениях, а минимальная (0,6-0,8 м) - в торфяниках.
В полосе железной дороги скальные породы имеют трещинные и трещинно-жильные криотекстуры и минимальную льдистость. Льдистость рыхлых отложений изменяется в широком диапазоне: от слабольдистых до сильнольдистых. В курумах и осыпях на склонах нередко встречается гольцовый лед.
Таким образом, большинство экзогенных геологических процессов и явлений в полосе рассматриваемого линейного сооружения связаны в первую очередь с наличием и деградацией мерзлоты - крайне чувствительной к техногенному воздействию.
Так, ряд геокриогенных процессов на трассе железной дороги Томмот-Кердем обусловлены наличием подземного льда и сильнольдистых грунтов, определяющих теплофизические и физико-механические свойства подстилающих полотно горных пород (Втюрин, 1975; Варламов, 2011; Шестернев, 2011). Наиболее отчетливо их влияние на железную дорогу проявляется в возникновении многочисленных термокарстовых озер и просадок (Рис. 2.16).
Лабораторные исследования изменчивости физико-механических свойств при криогенном выветривании
Самый холодный месяц январь. Наиболее низкие январские температуры на рассматриваемой территории прослеживаются в долинах, где на общий циркуляционный и радиационный режим накладывается действие рельефа -застой воздуха в узких долинах. Перепад температуры на 100 м повышения местности составляет 1-2С. Средние суточные температуры воздуха в полосе сооружения падают до -50С. Однако количество дней с такой температурой составляет лишь около 1%. Преобладающими являются дни с температурой от -35С до -40С.
Самым теплым месяцем является июль. Средняя месячная температура воздуха в июле составляет +16...+18С. В разгар лета в ночные часы возможны заморозки, температура воздуха при этом падает до -2... -5С.
Таким образом, низкие среднегодовые температуры в сочетании с отрицательным радиационным балансом обусловливают глубокое промерзание земных недр в полосе железной дороги.
Осадки. На территории трассы выпадает за год около 250-300 мм осадков (Рис. 2.3, табл. 2.2). Небольшое их количество объясняется большой сухостью воздушных масс, поступающих с запада. Минимум осадков в рассматриваемом районе выпадает на холодный период года - октябрь-апрель (до 55 мм). Основная же доля их годового количества (75-80%) приходится на месяц май-сентябрь. Изменчивость осадков составляет в год от половины до полутора годовой нормы, в месяц - от нуля до трехмесячной.
Незначительный влагозапас маломощного сплошного покрова и короткий весенний период обусловливают быстрый сток талых вод, инфильтрации которых препятствуют ММП. Талые воды участвуют в питании подземных вод в основном в районах прерывистого распространения ММП, характеризующиеся более мощным снежным покровом и растянутым весенним периодом, а также в районах развития карста (Гидрогеология СССР..., 1970).
После схода снежного покрова начинается интенсивное испарение с почвы. Испарение в апреле повсеместно составляет менее 10 мм в месяц, в мае испаряется до 20 мм влаги. Годовые суммы испарения для рассматриваемой территории составляют от 100 до 200 мм. Таким образом, в полосе сооружения испаряется до 50-80% выпадающих осадков за год, остальное количество попадает в сток и инфильтрацию.
В орографическом отношении рассматриваемый участок железной дороги проходит по Приленскому плато, занимающему северную часть территории Южной Якутии и уходящему далее на север к Центрально-Якутской низменности (Рис. 2.5). В морфоструктурном отношении плато (иногда его еще называют Лено-Алданским плато или Средне-Сибирским плоскогорьем) соответствует северному склону Алданского щита, где кристаллический фундамент постепенно погружается к северу, а покрывающие его породы осадочного чехла имеют соответствующий пологий уклон. Плато наклонено на север и северо-восток и охватывает площадь, сложенную карбонатными породами кембрия, местами перекрытыми песчаниками юрского возраста (Геология СССР..., 1970; Геология СССР..., 1972; Геология Якутской АССР..., 1981).
Среди пересекаемой железной дорогой геолого-геоморфологических структур выделяются денудационная возвышенная равнина с волнистой слабо расчленённой поверхностью на карбонатных породах нижнего кембрия (378-630 км), структурно-наклонное низкое плато на терригенных породах юры (630-702 км) и аккумулятивная низменная равнина (702-745 км) (Якутия..., 1965). Абсолютные отметки варьируются в пределах 750-140 м (Рис. 2.6).
Основные особенности рельефа рассматриваемой территории обусловлены почти горизонтальным залеганием осадочных пород, довольно однообразным их литологическим составом и умеренным типом неотектонических движений (Тектоника..., 2001). В пределах трассы он характеризуется господством выровненных более или менее одновысотных плоских, пологоволнистых или ступенчатых поверхностей водоразделов. Склоны долин и водоразделов имеют разную крутизну и осложнены структурными уступами.
Поскольку в геокриологическом отношении железнодорожный путь проходит в области распространения ММП, особое внимание при характеристике геологических условий на участке Томмот-Кердем уделено анализу четвертичных отложений. Во-первых, различие состава, условий залегания и распространения пород, образовавшихся в антропогене, сказываются на условиях теплообмена на поверхности земли и определяют различный облик и характер мерзлых толщ (Достовалов, Кудрявцев, 1967). Во-вторых, именно четвертичные отложения, развитые на всей территории трассы (Рис. 2.7, 2.8), являются основанием железнодорожного полотна и служат строительным материалом для возведения насыпи. Значительная их мощность и малая несущая способность «концентрируют» в себе большинство неблагоприятных инженерно-геологических и геокриологических процессов в полосе линейного сооружения.
Средне-Амгинское плато Железная дорога Томмот-Кердем Амуро-Якутской магистрали берет свое начало от станции Томмот (км 378), расположенной на р. Алдан - правом притоке р. Лены, в 65 км от районного центра города Алдана. Первые 52 километра до руч. Болотный (км 430) трасса проходит по подножиям склонов и пересекает долины рек Алдан, Якутский Укулан, Сахамакит, Диринг. Участок отличается резко выраженной ступенчатостью рельефа, прерывистостью распространения ММП и относительной дренированностью останцовых поверхностей. Распространенные здесь высокотемпературные ММП (доломиты, мергели и известняки) различного генезиса: элювий, делювий, пролювий и другие, покрыты суглинками и супесями мощностью часто превышающей 2,0 м. Причем суглинки относятся к категории пылеватых грунтов с низкими значениями деформационно-прочностных характеристик.
Статистическая обработка результатов лабораторного эксперимента
Пробы упаковывались в ящики для дальнейшего транспортирования в аккредитованную испытательную лабораторию «Нерюнгристрой» Технического института (филиала) СВФУ в г. Нерюнгри. Здесь изготавливалось максимально возможное количество образцов кубической формы - 4,0x4,0x4,0 см из отобранного материала. Отклонения размеров образцов от заданных не превышало 1-2 мм, торцы кубика с неровностями и сколами пришлифовывались, чтобы выполнить условия параллельности противоположных граней.
Каждая разновидность горной породы формировалась в отдельную лабораторную группу. Затем образцы пород подготавливались для формирования лабораторных серий таким образом, чтобы в каждой серии были образцы с достаточно близкими характеристиками физико -механических свойств, отклонение значений которых друг от друга не превышало бы 1-2 %.Отметим, что достаточно объективный контроль над идентичностью групп образцов реализовывался с помощью ультразвукового просвечивания. Скорость распространения упругих продольных волн определялась на сертифицированной высокоточной измерительной системе «Ультразвук» (Рис. 3.4). Метод испытаний соответствовал ГОСТ 21153.7-75 «Породы горные. Метод определения скоростей распространения упругих продольных и поперечных волн».
Измерительная система «Ультразвук» и рабочее окно программы обработки информации, получаемой с нее Для получения полной информации об испытуемом материале, для каждого вида отобранных пород был произведен петрографо-минералогический анализ.
Аналитические исследования выполнялись в аккредитованной лаборатории ГП «Республиканский аналитический центр» в г. Улан-Удэ.
Для каждого образца горной породы перед испытаниями на основе макроскопических исследований определялись особенности структуры и текстуры, линейные размеры, объемный вес, скорость распространения упругих продольных волн в трех взаимно перпендикулярных направлениях.
Затем образцы высушивались до абсолютного сухого состояния при температуре 105-110С для повторного определения физико-механических свойств.
Таким образом, из первоначально изготовленных более чем 1350 образцов кубической формы всех видов горных пород, в соответствии с указанными требованиями лабораторные серии формировались из 1005 образцов.
Так как условия лабораторного эксперимента были различны (аэральные, аквальные, нивальные), каждую серию делили еще на три группы. В результате такого разделения в каждой группе оставалось порядка 80 образцов.
Для определения потери массы обломков горных пород в результате попеременного замораживания-оттаивания формировались лабораторные серии из образцов скального грунта 0 20-50 см. Размер фракции в данном случае выбран на основе анализа вещественного состава поперечных профилей рассматриваемой железнодорожной линии (Рис. 3.5.). Практически на всем
Схема распределения скального грунта в железнодорожной насыпи протяжении дороги Томмот-Кердем обломки таких размеров служат укрепляющими элементами для откосов насыпи, водоотводных канав и водораздельных дамб.
Условно эталонные значения прочности исследуемых пород на одноосное сжатие определялись прямым методом на сертифицированной системе трехосных испытаний «Петромеханикс» (Рис. 3.6) не менее чем по 10 образцам для каждой группы.
Образцы пород из всех лабораторных серий помещались в металлические кассеты для циклического замораживания и оттаивания. С целью прогнозирования возможных деформаций насыпи в результате разрушения пород, ее слагающих, изменение их физико-механических свойств под воздействием криогенного выветривания определялось после 500 ЦЗО, что примерно соответствует 5-тилетнему сроку эксплуатации линейного сооружения в природно-климатических условиях Якутии (см. разд. 4.1). Периодический контроль физико-механических параметров образца породы осуществлялся после 25, 50, 100, 200, 300, 400 и 500 ЦЗО.
Условия замораживания для всех образцов были одинаковыми —20С в морозильной камере с точностью поддержания температуры до 2С. Время выдержки образцов в морозильной камере, при котором в образце кубической формы стабилизировалась температура, определялось экспериментально до начала опытов путем установки терморезисторов (Рис. 3.7). Таким образом, время замораживания образцов всех групп составило не менее 15 часов.
Образцы, моделирующие аэральный механизм разрушения пород насыпи, подвергались ЦЗО в сухих условиях - морозились при t= -20С на протяжении 15 часов, затем оттаивали при t=+18... +20С не менее 10 часов.
Для аквальных условий замораживание металлических кассет с образцами происходило при заливании их полностью водой на уровень выше верхней грани кубиков не менее чем на 2,0 см, оттаивание осуществлялось в ванне с водой в течение 10 часов при температуре окружающей среды +18...+20С.
Для моделирования нивального механизма разрушения пород образцы промораживались в сухом состоянии, а оттаивали при погружении в воду.
Обработка результатов лабораторного эксперимента заключалась в вычислении изменений показателей простейших свойств пород после определенного количества ЦЗО - коэффициента морозостойкости Кмст, среднего геометрического значения скорости распространения упругих продольных волн в образце D, плотности р, предела прочности на одноосное сжатие асж и потери массы AM по формулам: где осж.н.и осж.к- предел прочности образца на одноосное сжатие до начала эксперимента и после заданного количества ЦЗО соответственно, МПа. где Dpx, Dpy, DPZ - скорость распространения упругих продольных волн в образце в трех взаимно перпендикулярных направлениях, км/с. где Р - разрушающая образец сила, кН; S - площадь поперечного сечения образца, см ; Кв - безразмерный коэффициент высоты образца. Помимо указанной выше системы «Петромеханикс» для определения прочности пород в случае изменения шероховатости или параллельности граней образца, обусловленных дезинтеграцией породы в ходе эксперимента, применялся прибор по определению индекса прочности Is методом действия сосредоточенной силы - PLT-100 (США) (Рис. 3.8), связанный с пределом прочности на одноосное сжатие соотношением
