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; t ₁, t ₂ – 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.

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

Сезоннодействующие 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.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие нормы проектирования и расчетные нагрузки были использованы при проектировании мостов и труб, эксплуатируемых на железных дорогах России?

2. Назовите основные конструктивные особенности, достоинства и недостатки металлических пролетных строений, запроектированных по нормам 1907, 1931 и 1962 гг.

3. Назовите основные конструктивные особенности, достоинства и недостатки железобетонных пролетных строений, запроектированных по нормам 1931 и 1962 гг.

4. Назовите основные конструктивные особенности, достоинства и недостатки опор мостов, запроектированных по нормам 1907, 1931 и 1962 гг.

5. Назовите основные конструктивные особенности, достоинства и недостатки водопропускных труб, запроектированных по нормам 1907, 1931 и 1962 гг.

6. Назовите основные дефекты и повреждения металлических пролетных строений эксплуатируемых мостов.

7. Назовите основные дефекты и повреждения железобетонных пролетных строений эксплуатируемых мостов.

8. Назовите основные дефекты и повреждения промежуточных и береговых опор эксплуатируемых мостов.

9. Назовите основные дефекты и повреждения эксплуатируемых водопропускных труб.

10. Перечислите подразделения ОАО «РЖД» по управлению эксплуатацией искусственных сооружений (ИССО).

11. Дайте краткую характеристику системы надзора за состоянием эксплуатируемых ИССО, принятую на железных дорогах России.

12. Дайте краткое содержание системы балльной оценки технического состояния и содержания ИССО.

13. Как определяются классы пролетных строений и временных нагрузок при расчетах грузоподъемности мостов?

14. Как устанавливаются режимы безопасной эксплуатации мостов после расчета их грузоподъемности?

15. Что включает в себя техническая диагностика эксплуатируемых мостов?

16. Назовите основные оценочные показатели надежности эксплуатируемых мостов.

17. Перечислите методики для оценки и прогноза показателей надежности эксплуатируемых мостов.

18. В чем заключаются особенности содержания ИССО в процессе их эксплуатации в зоне распространения вечномерзлых грунтов осно­ваний?

19. В чем заключаются особенности содержания ИССО в процессе их эксплуатации при развитии наледеобразования?