Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ ГРУНТОВ ТРАССЫ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ НА УЧАСТКЕ ЛЕДОВОГО КОМПЛЕКСА

Варламов С.П. 1 Скрябин П.Н. 1
1 ФГБУН Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук
Обобщены материалы инженерно-геокриологического мониторинга железнодорожной линии Томмот – Нижний Бестях на участке распространения пород ледового комплекса. Натурные исследования выявили, что высокая насыпь в годовом цикле оказывает более слабое охлаждающее влияние на грунты его основания, чем низкая. При отсыпке нулевой насыпи с заменой грунтов сезоннопротаивающего слоя в её основании формируется многолетняя чаша протаивания. Рекомендованы мероприятия обеспечивающие устойчивость земляного полотна железной дороги.
земляное полотно
ледовый комплекс
многолетнемерзлые грунты
температурный режим грунтов
1. Варламов С.П. Льдистость грунтов северного участка проектируемой железной дороги Томмот-Кердем (ст. Олень – ст. Кердем) // Теория и практика оценки состояния криосферы Земли и прогноз ее изменения: Материалы Международной конференции. □ Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. – Т. 2. – С. 212–214.
2. Обеспечение надежности строящихся сооружений железнодорожной линии Томмот-Кердем на участке «ледового комплекса»: Материалы семинара-совещания, Якутск, 2007. – 165 с.
3. Позин В.А., Королев А.А., Наумов М.С. «Ледовый комплекс» Центральной Якутии как опытный полигон железнодорожного строительства в экстремальных инженерно-геокриологических условиях // Инженерная геология. – 2009. – № 1. – С. 12–18.
4. Проектирование и строительство земляного полотна железной дороги Томмот-Кердем в сложных инженерно-геокриологических условиях (Итоги инженерных изысканий в 2005 г.): Материалы научно-технического совета. – Якутск, 2005. – 118 с.

Железнодорожная линия Томмот-Нижний Бестях на 692–734 км пересекает участок распространения пород ледового комплекса, где льдистость достигает 0,7–0,8 в долях единицы. Это наиболее сложный для строительства и эксплуатации железной дороги участок [1, 3].

Проблемы ледового комплекса рассматривались на научно-техническом совете и семинаре-совещании, проведенных в г. Якутске [2, 4]. По итогам обсуждений обоснована организация системы инженерно-геокриологического мониторинга на стадии строительства и эксплуатации железной дороги на этом участке, как опытного полигона в экстремальных условиях. После первых лет эксплуатации железной дороги предусматривается проектирование дополнительных мероприятий, обеспечивающих устойчивость земляного полотна. Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН с 2007 г. проводит на этом участке экспериментальные исследования за тепловым состоянием грунтов основания земляного полотна и прилегающей к трассе территории.

Оценка изменений теплового состояния грунтов в период строительства и эксплуатации железной дороги проводится по результатам мониторинговых исследований. В данной работе анализируется формирование температурного режима грунтов основания высоких, низких и нулевых насыпей различной конструкции.

Материалы и методы исследования

Исследования выполняются методом инженерно-геокриологического мониторинга. Для этого в системе железнодорожное полотно – окружающая среда в 2007–2010 гг. была организована в различных мерзлотных ландшафтах наблюдательная сеть, включающая 9 поперечных профилей, привязанных к пикетам (ПК) дороги: межаласья (ПК 7088, 7089, 7175 и 7179), ложбины стока (ПК 6926 и 7087), склоны (ПК 6924, 6932 и 6934). Бурение скважин и их оборудование для режимных температурных наблюдений под основания земляного полотна были проведены после вырубки просек трассы и до начала их отсыпки, в районе ПК 7179 – после возведения нулевой насыпи, а на окружающей территории (просека, лес) во время возведения насыпей. Для режимных термических наблюдений оборудовано 44 скважины. В устройстве обсадки скважин и отводов термогирлянд из-под будущих насыпей железнодорожного полотна использованы полипропиленовые трубы.

Вырубка просек трассы проведена в зимние месяцы 2006–2008 гг., возведение насыпей – с апреля 2009 г. по сентябрь 2010 г., укладка шпалорельсов в конце теплого периода 2010 г. Процессы отсыпки насыпей были произведены круглогодично.

В теплый сезон 2010 г. строителями сооружены из скального грунта насыпи разных конструкций в районе пикетов: ПК 6924 – насыпь на выемке; ПК 6926 – насыпь высотой 7 м с установкой на бермах сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ) до глубины 4 м; ПК 6932 – насыпь высотой до 2,5–3,0 м с установкой на бермах СОУ и укладкой на основании бермы и насыпи теплоизоляционного материала из пеноплекса толщиной 5 см и шириной 8 м; ПК 6934 – насыпь высотой 7 м; ПК 7087 – насыпь высотой 2,5 м с субвертикальными охлаждающими откосами; ПК 7088 – насыпь высотой 2,5–3,0 м с консольным солнцезащитным и снегоудерживающим навесом на откосах; ПК 7089 – насыпь высотой до 2,5 м с установкой на бермах СОУ и укладкой на основании бермы и насыпи теплоизоляционного слоя пеноплекса; на ПК 7175 сооружено земляное полотно сложной конструкции. Насыпь высотой 2–2,5 м отсыпана с частичным удалением грунта деятельного слоя. Слева насыпи отсыпана высокая берма высотой до 5 м, справа – берма высотой до 3 м. Под бермами и насыпью уложены гофрированные трубы для дренажа и охлаждения грунтов основания насыпи; на ПК 7179 сооружена нулевая насыпь из скального грунта мощностью 2,2 м с заменой грунта сезоннопротаивающего слоя.

Общепринятыми индикаторами изменения теплового режима верхних горизонтов криолитозоны считаются: глубина сезонного протаивания (ξ) и среднегодовая температура грунтов на глубине 10 м (t0). Натурные наблюдения проводятся за факторами, определяющими тепловое состояние верхних горизонтов криолитозоны: высота и плотность снежного покрова; строение, состав и влажность грунтов; криогенные процессы.

Объектами исследований являются грунты слоя годовых теплооборотов до глубины 10–15 м в естественных ландшафтах (в лесу и на мари) и на просеках, насыпи и грунты их основания до глубины 5–10 м. В качестве датчиков температуры грунтов использованы полупроводниковые терморезисторы ММТ-4 с точностью измерений ± 0,1 °С. Измерения температуры грунтов в скважинах в естественных ландшафтах и на просеках проводились на глубинах 0,3; 1,0; 2,5; 5,0; 7,5 и 10,0 м, под основания насыпей на глубинах 0,3; 1,5; 3,0 и 5,0 м. В режимных скважинах термогирлянды установлены стационарно и стволы их заполнены ранее извлеченным грунтом. Мощность сезонноталого слоя (СТС) определяется в конце теплого периода (середина сентября) с помощью металлического щупа и ручного бура. Снегомерные работы проводились в декабре и апреле. Комплексные наблюдения проводятся с периодичностью 4 раза в год.

Результаты исследования и их обсуждение

На основе анализа данных геокриологического мониторинга оценены изменения основных параметров термического состояния грунтов (таблица). Наибольшая мощность снежного покрова равная 64–65 см формируется на просеках под влиянием ветрового переноса в ложбинах стока (ПК 6926 и 7087). При вырубке лесов в межаласных участках (ПК 7088 и 7089) средняя влажность сезонноталого слоя сокращается до 27–42 %. Наиболее заметное повышение t0 на 0,7–1,2 °С отмечается на просеках, проложенных вдоль склонов (ПК 6934) и на водоразделах в межаласье (ПК 7088 и 7089). Максимальная мощность сезонноталого слоя равная 1,9–2,3 м установлена в ложбине стока (ПК 7087) и в межаласье (ПК 7088). Повышение t0 и увеличение ξ на сильнольдистых участках сопровождается тепловой просадкой грунтов, что не допускается при эксплуатации железной дороги.

Мощность сезоннопротаивающего слоя в лиственничном лесу с западной и восточной стороны от просеки за 7 летний период не выходила за пределы 0,72–1,00 м. Разность между максимальными и минимальными значениями ξ в лесу слева и справа от просеки составила 0,23 и 0,11 м соответственно (рис. 1). Таким образом, основными факторами влияющими на ξ являются затеняющая роль древостоя и теплоизолирующее воздействие мохово-брусничного покрова.

Температура грунтов на глубине 5 м в конце теплого сезона колеблется от – 2,3 до – 2,6 °С (рис. 2). Межгодовая изменчивость t0 составляет 0,1–0,3 °С, что свидетельствует о ее слабой реакции на современные изменения метеорологических условий.

В районе ПК 6934 грунты сезонноталого слоя находятся в более переувлажненных условиях, т.к. находятся на более низких гипсометрических отметках с относительно большими уклонами. Мощность сезонноталого слоя в первый сезон после вырубки просеки в 2007 г. составила 0,90–1,03 м, во второй сезон она увеличилась на 0,04–0,24 м. Температура грунтов на глубине 5 м к 23 сентября 2007 г. изменилась в пределах – 1,9…– 2,2 °С. К осени 2008 г. она повысились на 0,1–0,2 °С. После отсыпки насыпи высотой 3–4 м в грунтах ее основания в зимний период 2008/09 гг. отмечено заметное охлаждение. В сентябре 2009 г. под насыпью высотой 7 м по температурным данным верхняя граница многолетнемерзлых пород была приподнята более 1 м под осью насыпи, около 1 м – под правым нижним откосом и менее 0,5 м под левым откосом. Температура грунтов по оси насыпи на глубине 5 м за 6 лет изменялась в пределах от – 2,0 до – 2,6 °С.

Температура грунтов основания насыпи на этой глубине под основанием правого откоса в первый зимний сезон составила – 5,3 °С. Здесь наблюдается более интенсивное охлаждение грунтов, чем на оси трассы. Грунты основания насыпи на нижней части левого откоса, наоборот, охладились значительно меньше (– 1,5 °С). Это связано с повышением уровня надмерзлотных вод сезонноталого слоя у основания насыпи и потерей запаса холода на фазовые переходы при промерзании грунтов этого слоя. В сентябре 2010 г. отмечено понижение температуры грунтов основания по оси насыпи по сравнению с предыдущим сезоном на 0,1–0,3 °С, на нижней части правого откоса на 0,6–1,3 °С и повышение её на нижней части левого откоса на 0,1–0,2 °С. Зимой 2011 г. грунты на оси основания насыпи не аккумулировали холод. Здесь в температурном режиме наметилась тенденция к его повышению. Такая же картина наблюдается на нижней части левого откоса насыпи. На нижней части правого откоса насыпи, наоборот отмечена заметная аккумуляция холода, но с меньшей интенсивностью, чем в предыдущую зиму. К концу теплого сезона 2011 г. мощность сезонноталого слоя у правого основания насыпи почти не изменилась и составила 1,10 м, у левого основания достигла более 1,80 м. Температура грунтов на глубине 5 м по сравнению с предыдущим сезоном повысилась и составила соответственно на оси трассы – 2,1 °С, под правым откосом основания насыпи – – 3,1 °С, под левым – – 1,5 °С.

Основные параметры термического состояния грунтов

Ландшафты

Участок

Высота

снега, см

Влажность напочвенного покрова, %

Влажность сезонно-талого слоя, %

Мощность СТС, м

Температура на глубине

10 м, °С

Межаласье

Лес

30–60

16–32

46–177

0,68–1,75

– 2,0…– 2,5

(ПК: 7088, 7089, 7175)

Просека

40–64

22–152

23–42

0,90–2,28

– 1,0…– 2,1

Склоны

Лес

40–62

24–62

24–33

0,72–1,10

– 2,0…– 2,6

(ПК: 6932, 6934, 7179

Просека

37–63

23–197

26–68

1,10–1,87

– 1,8…– 3,2

Ложбина стока

Лес

30–60

21–355

19–52

0,77–0,87

– 1,6…– 2,2

(ПК: 6926, 7087

Просека

45–68

38–382

26–90

1,02–1,55

– 1,6…– 2,0

varl1.wmf

Рис. 1. Динамика мощности сезонноталого слоя в лесу и на просеках в районе ПК 6934

varl2.wmf

Рис. 2. Динамика температуры грунтов на разных глубинах в лесу и на просеке в районе ПК 6934

В 2013 г. температура грунтов основания насыпи на оси земляного полотна по сравнению с предыдущим годом заметно не изменилась. Однако, судя по температурным данным, верхняя кровля многолетней мерзлоты была существенно приподнята, чем на естественной поверхности и находилась выше основания тела земляного полотна (рис. 3). Температура грунтов основания насыпи на глубине 0,2 м составила в конце теплого периода 2013 г. – 0,9 °С. Грунты под правым откосам насыпи продолжают заметно охлаждаться, а под левым откосом не наблюдается заметных изменений, вследствие переувлажненности грунтов сезонноталого слоя. В 2014 г. в конце теплого сезона температуры грунтов под откосами основания на отметке 0,2 м составили справа – 0,1, а слева + 0,1 °С. Это подтверждает вывод, ранее высказанный нами, об отепляющем влиянии поверхностных вод на температурный режим земляного полотна.

В районе ПК 7088 в 2008 г. мощность сезонноталого слоя на просеке изменялась от 1,0 до 1,3 м, что на 0,2–0,5 м была больше чем в лесу. Здесь температура грунтов по сравнению лесным участком повысилась на 0,5–1,0 °С и на глубине 5 м составила – 1,2... – 1,3 °С. В апреле 2009 г. грунты аккумулировали холод только в верхнем 4-метровом слое. Температурный режим грунтов основания насыпей зимой 2009/2010 гг. после завершения сооружения земляного полотна с консольными деревянными навесами на откосах шириной более 1 м сформировался следующим образом. При промерзании талого слоя не происходило смыкания с многолетнемерзлыми породами. Сезоннопромерзающий слой на нижней части откоса насыпи сомкнулся с многолетнемерзлыми породами, но аккумуляция холода была незначительной и температура понизилась по сравнению осенними всего на 0,4–1,4 °С.

В первые две зимы консольные навесы на откосах насыпи не дали нужного охлаждающего эффекта в температурном режиме грунтов основания по краям насыпей. В 2013 г. температура грунтов основания насыпи по оси земляного полотна на отметках 0,2 и 1,5 м составила соответственно – 0,3 и – 0,4 °С. Верхняя кровля многолетнемерзлых пород отмечена почти на уровне естественной поверхности. Под правым откосом насыпи также отмечается слабое охлаждение грунтов (рис. 4). Верхняя кровля мерзлоты опустилась ниже на 0,3–0,5 м от уровня естественной поверхности. В 2012 и 2013 г.г. по температурным данным мощность СТС составила соответственно 2,7 м и 2,6 м, температура грунтов повысилась до – 1,1 °С. На каменной отсыпке слева у основания откоса насыпи мощность СТС составила 2,2–2,3 м и температура грунтов – 1,2 °С, следовательно, на этих участках начинается деградация мерзлоты.

varl3.tif

Рис. 3. Изменение термоизоплет грунтов и верхней границы многолетнемерзлых пород основаниями насыпей в районе ПК 6934: 1 – номер слоя грунтов: 1 – почвенно-растительный слой, льдистость (δ) – 0,10, 2 – суглинок мягкопластичный δ-0,10, 3 – суглинок текучий δ-0,27, 4 – суглинок текучий (льдистый) δ-0,62, 5 – суглинок мягкопластичный δ-0,13; верхняя граница многолетнемерзлых пород: 2 – в 2007 г., 3 – 2011 г., 4 – в 2013 г.; термоизоплеты грунтов: 5 – 23.09.2007 г., 6 – в 17.09.2011 г., 7 – 30.08.2013 г.; 8 – скальный грунт с заполнителем до 10 %; 9 – термометрическая скважина

varl4.tif

Рис. 4. Изменения термоизоплет грунтов и верхней границы многолетнемерзлых пород под основаниями насыпей в районе ПК 7088: 1 – номер слоя грунтов: 1 – почвенно-растительный слой насыщенный водой δ-0,35, 2 – супесь текучая δ-0,35, 3 – супесь пластичная δ-0,10, 4 – супесь твердая δ-0,01, 5 – супесь текучая δ-0,22, 6 – суглинок текучепластичный δ-0,15, 7 – супесь текучая δ-0,22, 8 – суглинок текучепластичный δ-0,15, 9 – суглинок текучий δ-0,33, 10 – лёд δ-0,95, 11 – ледогрунт δ-0,66, 12 – суглинок текучий льдистый δ-0,50, 13 – супесь текучая δ-0,27; верхняя граница многолетнемерзлых пород: 2 – в 2008 г., 3 – в 2011 г., 4 – в 2013 г.; термоизоплеты грунтов: 5 – в 26.08.2008 г., 6 – 17.09.2011 г., 7 – в 30.08.2013 г.; 8 – скальный грунт с заполнителем до 10 %; 9 – солнцезащитный и снегоудерживающий навес; 10 – термометрическая скважина

varl5.tif

Рис. 5. Изменение термоизоплет грунтов и верхней границы многолетнемерзлых пород под основаниями насыпей в районе ПК 7179: 1 – номер слоя грунтов: 1 – почвенно-растительный слой, 2 – суглинок льдистый текучий δ-0,24, 3 – лёд; верхняя граница многолетнемерзлых пород: 2 – в 2011 г., 3 – в 2013 г.; термоизоплеты грунтов: 4 – в 17.09.2011 г., 5 – в 31.08.2013 г.; 6 – скальный грунт с заполнителем 10 %; 7 – термометрическая скважина

В районе пикета 7179 бурение и оборудование термических скважин произведено в конце августа 2009 г. после выемки грунтов сезоннопротаивающего слоя и возведения земляного полотна. При бурении скважин глубина протаивания от поверхности насыпи составляла 2,5–3,0 м при мощности скального грунта 2,2 м. Итак, здесь были созданы условия формирования чаши протаивания грунтов в основании насыпи. Это подтверждают и температурные данные. Так, в зимний сезон в теле насыпи на глубине 1,5 м температура понижается до – 5,0 °С, а в летний сезон она повышается до 4,3–7,1 °С, и грунты на глубине 5 м остаются стабильно высокотемпературными (– 08…– 1,5 °С). По расчётам нулевая изотерма находится на глубине 2,8–3,2 м и, по-видимому, здесь промерзающий слой не смыкается с многолетнемерзлыми породами. В 2013 г. в конце теплого сезона температура грунтов на глубине 5 м составила – 0,8 и – 1,5 °С (рис. 5).

Выводы

Результаты исследований заключаются в следующем.

1. Период наблюдений характеризуется повышенными среднегодовыми температурами воздуха, многоснежными зимами. Межгодовая изменчивость теплового режима грунтов в естественных условиях свидетельствует о ее слабой реакции на современные колебания метеорологических условий.

2. Глубина сезонного протаивания грунтов на просеках увеличивается ежегодно, местами достигает верхнюю кровлю подземных льдов, начинается оттаивание многолетнемерзлых пород.

3. Высокая насыпь в годовом цикле оказывает слабое охлаждающее влияние на грунты его основания, а низкая насыпь – наоборот, сильное. При отсыпке нулевой насыпи с удалением грунтов сезоннопротаивающего слоя в её основании формируется многолетняя чаша протаивания.

4. Рекомендуется установить у более открытого основания левой части земляного полотна дополнительные сезонные охлаждающие устройства (СОУ) – термостабилизаторы, использовать метод тепловой мелиорации: регулярное удаление снежного покрова или его уплотнение.

5. Инструментальное и визуальное обследования земляного полотна в период временной эксплуатации выявили участки подверженные опасным деформациям, поэтому рекомендуется ежегодное обследование земляного полотна всей трассы.

Авторы благодарны Министерству транспорта и дорожного хозяйства и Госкомитету по инновационной политике и науки Республики Саха (Якутия) за финансовые поддержки в организации наблюдательной сети и проведении инженерно-геокриологического мониторинга в 2007–2013 гг.


Библиографическая ссылка

Варламов С.П., Скрябин П.Н. ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ ГРУНТОВ ТРАССЫ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ НА УЧАСТКЕ ЛЕДОВОГО КОМПЛЕКСА // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 10-3. – С. 517-522;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=7534 (дата обращения: 28.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674