1.7. Особенности содержания мостов и труб в условиях сурового климата

Процесс эксплуатации искусственных сооружений в условиях сурового климата является более сложным и затратным. К особенностям содержания искусственных сооружений в суровых климатических условиях относят следующее:

● проведение дополнительных мероприятий и сооружение специальных обустройств по поддержанию нормальной эксплуатации в условиях изменения режимов вечномерзлых грунтов оснований, наледеобразования, морозного пучения грунтов и других мерзлотных процессов;

● проведение более частых по сравнению с нормативной периодичностью ремонтно-восстановительных работ текущего содержания и капитального ремонта;

● отличие реальной модели поведения сооружений от проектной вследствие воздействия и изменения фактических природно-климати­чес­ких условий в процессе эксплуатации (геокриологических, гидрологических, климатических);

● снижение нормативных показателей долговечности конструкций, связанное с преждевременным износом и исчерпанием технического ресурса конструкций;

● возрастание эксплуатационных затрат.

Территории северной строительно-климатической зоны характеризуются природно-климатическими факторами, которые в определенной степени затрудняют эксплуатацию мостов и труб и требуют дополнительных специальных мероприятий текущего содержания. Из числа многочисленных природно-климатических факторов сурового климата, воздействующих на сооружения [13], можно выделить наиболее значимые, к которым относятся наличие вечномерзлых грунтов в основании сооружений, наледеобразования и мерзлотных процессов.

Наличие вечномерзлых грунтов в основании мостов и труб. В процессе эксплуатации содержание и ремонт мостов и труб во многом определяется основными решениями, принятыми при проектировании и строительстве. Обычно при проектировании фундаментов опор эксплуатируемых мостов и водопропускных труб на вечномерзлых грунтах в зависимости от их конструктивно-технологических особенностей и инженерно-геокриологических условий предусмотрен один из принципов использования этих грунтов в качестве основания:

• принцип I – вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в течение всего периода эксплуатации сооружения;

• принцип II – вечномерзлые грунты основания используются в оттаянном состоянии.

В процессе длительной эксплуатации мостов и труб в условиях распространения вечномерзлых грунтов оснований в целях обеспечения нормативных показателей долговечности необходимо контролировать и учитывать местные условия, к которым относятся [11]:

– характеристики вечномерзлых грунтов (глубина сезонного оттаивания, состав, тип, льдистость, особенности залегания, температурный режим и др.);

– принцип использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований;

– наличие подземных льдов и термокарста;

– наличие наледей, бугров пучения и их режимы;

– климатические условия района;

– мощность и характер снежных отложений;

– количество и периоды выпадения осадков;

– продолжительность летнего периода;

– уровни и продолжительность прохода паводковых и ливневых вод, характерных особенностей ледохода и карчехода.

Если сооружения запроектированы по принципу I использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований, то в процессе эксплуатации осуществляют мероприятия по сохранению проектного уровня и температуры вечной мерзлоты с учетом состояния их температурных полей (рис. 1.76) [11].

Согласно [11] учитывают три возможных вида изменения температур по глубине, которые можно описать эпюрами, указанными на рис. 1.76. Эпюра 1 характеризует распределение температур к концу теплого периода года, при котором образуется талая зона в пределах деятельного слоя с глубиной оттаивания d_th. Эпюра 2 характеризует распределение температур в грунте русловой части, где имеется талик. Эпюра 3 характеризует распределение температур, при которых может образовываться мерзлая зона в верхней части, а ниже до определенной глубины – талик.

В проектно-построечной документации мостов и труб прилагаются результаты расчета температурных полей в грунтах оснований, произведенных в процессе проектирования аналитическими или численными методами с применением специальных компьютерных технологий [11]. Если в проектно-построечной документации данные расчеты не представлены, то на основании натурных данных необходимо построить эпюру распределения температуры грунта по глубине (рис. 1.76).

Рис. 1.76. Температурное поле и эпюры изменения температуры на конец теплого периода года по глубине залегания грунтов в естественных условиях: d_th – глубина оттаивания грунта; t₁, t₂ – температура по глубине основания; УВ – расчетный уровень воды

К мероприятиям по сохранению проектного уровня и температуры вечной мерзлоты с учетом состояния температурных полей относят постоянные наблю­дения за температурой вечномерзлых грунтов, проводимые с использованием специально оборудованных термометриче­ских скважин, располагаемых вблизи сооруже­ния, или трубок, заделанных в сваи опор,

При увеличении температур выше расчетных или оттаивании вечномерзлых грунтов в основании сооружений проводят мероприятия по охлаждению, укреплению и консервации мерзлых оснований, восстановлению мерзлого состояния протаявших вечномерзлых грунтов.

Если при проектировании мостов и труб предусмотрен комплекс дополнительных охлаждающих мероприятий, то в процессе эксплуатации наряду с выполнением общего комплекса работ текущего содержания и капитального ремонта предусматривают дополнительные мероприятия по поддержанию их рабочих параметров.

С

Рис. 1.77. Схемы сезоннодействующих охлаждающих установок: а – системы Макарова; б – двухтрубная системы Гапеева

езоннодействующие охлаж­даю­­­­щие установки (СОУ), как пра­вило, устанавливают у опор мостов и во­до­пропускных труб в пределах пой­менной части, периодических и про­мерзающих до дна водотоков [11, 13]. Основными условиями сооружения СОУ являются (рис. 1.77) [11]:

– малоснежные районы со сред­негодовой температурой воздуха t_а ≤ –4 °С; районы с повышенным снегоотложением (при максимальной высоте слоя снега за зиму более 60 см и объеме снегопереноса свыше 200 м³/м) и t_а £ –7 °С;

– температуры вечномерзлых грунтов на глубине 10 м t £–0,5 °С;

– высота подходной насыпи до 10 м;

– отсутствие в основании опор таликов.

В процессе эксплуатации мостов и труб в районах сурового климата в целях восстановления мерзлого состояния протаявших вечномерзлых грунтов сооружают СОУ (рис. 1.78).

Рис. 1.78. Устройство СОУ в зоне береговых опор эксплуатируемого моста

В процессе эксплуатации железнодорожных мостов проводят мероприятия по поверхностному охлаждению грунтов для поддержания отрицательной температуры грунтов основания, соответствующей принятой в расчетах по несущей способности. При этом находят применение следующие способы поверхностного охлаждения грунтов путем устройства [11]:

а) местного уширения насыпей вблизи примыкания к береговым опорам (рис. 1.79);

б) покрытия конусов и подходных участков насыпи наброской из камня или пустотелых блоков (рис. 1.80).

Рис. 1.79. Схемы подходной насыпи длиной по 25 м от береговых опор моста: а, б – высотой до 6 м; в – более 6 м; В_нас – ширина основной площадки; Н_нас – высота насыпи

Рис. 1.80. Схема покрытия конусов подходной

насыпи в зоне береговой опоры каменной наброской:

1 – береговая опора; 2 – наброска из камня

В районах со среднегодовой температурой наружного воздуха выше минус 6 ^оС устраивают каменное покрытие на откосах всей подходной насыпи на длине, равной высоте насыпи, считая от задней грани береговой опоры [11].

В целях недопущения локального протаивания вечномерзлых грунтов в зоне мостов и труб необходимо предотвращать застои и подпоры воды, а также скопление снега толщиной более 50 см, обеспечивать безопасный пропуск паводковых вод, не нарушать естественный растительный покров.

Учитывая, что в районах распространения вечномерзлых грунтов оснований создаются затруднения из-за развития деформаций в результате просадок конструктивных элементов, происходящих вследствие оттаивания мерзлых оснований, то для обеспечения нормальной эксплуатации мостов и труб необходимо предусматривать дополнительный комплекс ремонтно-восстановительных работ.

Для мостов и труб, запроектированных по II принципу использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований, в процессе эксплуатации в составе работ по содержанию предусматривают мероприятия, регулирующие равномерный процесс протаивания мерзлых оснований.

Развитие наледеобразования в зоне мостов и труб. Система технического надзора, принятая при контроле качества состояния и содержания искусственных сооружений, эксплуатируемых на железных дорогах России, предусматривает специальные наблюдения за развитием наледей в местах их расположения. В состав ремонтных работ текущего содержания также включены мероприятия по поддержанию и обеспечению нормального режима эксплуатации противоналедных устройств [3]. Противоналедные мероприятия должны соответствовать выбранному принципу регулирования наледных явлений: безналедному пропуску водотока; свободному пропуску водотока через сооружение; задержанию наледи у мостов и труб [13, 14].

Если при проектировании и строительстве мостов и труб не было учтено развитие наледей в зоне сооружений, то в процессе эксплуатации при необходимости решают вопросы по выбору способа предотвращения влияния наледей и устройства комплекса противоналедных конструкций в соответствии с положениями [13, 14]. Кроме того, в процессе эксплуатации необходимо проводить специальные наблюдения за развитием наледей у мостов и труб, контролировать состояние и осуществлять работы по текущему содержанию и ремонту противоналедных средств.

Отрицательное воздействие наледей приводит к нарушению нормального пропуска водотока вследствие уменьшения или закупорки отверстия моста и трубы, а также обводнению земляного полотна и грунтов основания сооружения.

Наледи оказывают различное воздействие на элементы мостов и труб – главным образом в виде горизонтального и вертикального давления льда. Вследствие горизонтального давления при замерзании наледных вод происходят деформации с образованием кренов опор мостов, оголовков и фундаментов водопропускных труб, расстройство швов между их звеньями и продольная растяжка секций.

Кроме того, наледи оказывают физико-химическое и теплофизическое воздействие на искусственные сооружения. Наледные воды, смерзаясь с бетоном, вызывают размораживание и последующее выщелачивание поверхностного слоя. Теплофизическое воздействие наледей связано с тем, что скопление воды с верховой стороны сооружений может приводить к деградации вечной мерзлоты [16].

Мероприятия, направленные на уменьшение опасности наледеобразования, выбирают с учетом вида воздействия, а также в соответствии с условиями пропуска каждого водотока.

Дополнительными задачами дистанций пути, непосредственно занимающихся вопросами содержания и ремонта искусственных сооружений на водотоках с наледями, являются следующие [14]:

1) учет всех наледей и составление технической документации на них;

2) разработка ежегодных планов борьбы с наледями;

3) выполнение летне-осенних работ по подготовке к борьбе с наледями;

4) систематическое наблюдение за развитием наледей у сооружений и работой противоналедных устройств;

5) выполнение работ по борьбе с наледями в периоды их развития;

6) выполнение весенних работ по предотвращению вредного влияния наледей при пропуске паводка.

На все наледи составляют документацию, которую отражают в Карточке моста или трубы. В Карточку заносят данные о местонахождении наледи, ее развитии за каждую зиму, вредном влиянии на сооружение, применявшихся способах борьбы. При подготовке к зиме дистанция пути составляет план борьбы с наледями.

Летом и осенью производят ремонт существующих и строительство дополнительных противоналедных устройств, заготовку теплоизоляционных материалов и др.

К числу мерзлотных процессов, развивающихся в зоне эксплуатируемых мостов и труб, относят воздействие сил морозного пучения грунтов, образование термокарста и др. [13, 15]. При этом в процессе эксплуатации искусственных сооружений работы, связанные с мониторингом и текущим содержанием при развитии указанных мерзлотных процессов, дополняют общепринятый ремонтно-восстановительный комплекс.

Таким образом, в состав периодических осмотров, работ текущего содержания и ремонта мостов и труб, эксплуатируемых в северной строительно-климатической зоне, предусматривают дополнительный комплекс мероприятий, включающий:

• постоянные наблю­дения за температурой вечномерзлых грунтов;

• сооружение охлаждающих устройств по восстановлению и консервации мерзлого состояния протаявших вечномерзлых грунтов;

• сооружение обустройств по поверхностному охлаждению грунтов для поддержания отрицательной температуры грунтов основания;

• специальные наблюдения за развитием наледей у мостов и труб;

• устройство противоналедных сооружений;

• контроль состояния и производство работ по текущему содержанию и ремонту охлаждающих устройств противоналедных средств, противопучинных конструкций и др.