Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Влияние криогенного выветривания на развитие деформаций железнодорожной насыпи

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Влияние криогенного выветривания на развитие деформаций железнодорожной насыпи"

На правах рукописи

Мельников Андрей Евгеньевич

ВЛИЯНИЕ КРИОГЕННОГО ВЫВЕТРИВАНИЯ НА РАЗВИТИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ НАСЫПИ

(на примере участка Томмот-Кердем Амуро-Якутской магистрали)

Специальность:

25.00.08 - «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Нерюнгри-2015

Работа выполнена в Техническом институте (филиал) Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова» в городе Нерюнгри

Научный руководитель: Павлов Сергей Степанович,

кандидат геолого-минералогических наук, доцент

Официальные оппоненты: Ривкин Феликс Менделевич,

доктор геолого-минералогических наук, ОАО «Фундаментпроект» (г. Москва), начальник Отдела инженерно-геокриологической съемки и ГИС-технологий

Верхотуров Алексей Геннадьевич,

кандидат геолого-минералогических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный университет» (г. Чита), заведующий кафедрой «Гидрогеология и инженерная геология»

Ведущая организация: Институт горного дела Севера им. Н.В.

Черского СО РАН (г. Якутск)

Защита состоится «22» апреля 2015 г. в 9.00 ч. на заседании диссертационного совета Д003.025.01 при Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН по адресу: 677010, г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН - http://mpi.ysn.ru/.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 677010, г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36, ученому секретарю диссертационного совета Д003.025.01, электронная почта: mpi@ysn.ru.

Автореферат разослан «J-j » февраля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат геолого-минералогических наук /7р Н.А. Павлова

|'< I С .4', I 1 / I 1 г П(,71 ' l 1 11 АЯ

; in !

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. История строительства железных дорог в районах распространения многолетнемерзлых пород (ММП) насчитывает более века: Забайкальская, Аляскинская, Цинхай-Тибетская, Амуро-Якутская (АЯМ) и другие дороги в России, Канаде и Китае. Накопленные за это время теоретические и экспериментальные материалы позволили запроектировать и частично внедрить новые технологии строительства в суровых природно-климатических условиях. Тем не менее, на сегодняшний день все еще не удается предсказать и предотвратить отрицательное влияние различных криогенных процессов на линейное сооружение. Одна из причин этого -недостаточный учет действующими отраслевыми нормативными документами особенностей природных условий отдельных территорий. В частности, в технологических схемах проведения земляных работ слабо учитывается влияние на горные породы, используемые в качестве строительного материала, криогенного выветривания - их разрушения в результате воздействия знакопеременной температуры (с переходом через 0°С) и периодического замерзания-оттаивания поровой и трещинной воды. Вместе с тем, в регионах, относящихся к северной строительно-климатической зоне, этот процесс протекает весьма активно. Более того, нет ни общероссийской, ни ведомственной нормативно-технической документации, позволяющей оценить влияние криогенного выветривания на устойчивость насыпей железных дорог.

Таким образом, оценка влияния криогенного выветривания на развитие деформаций железнодорожной насыпи линии Томмот-Кердем АЯМа является актуальной научно-практической задачей. Ее решение послужит существенным дополнением к разработке универсальных норм и правил, регламентирующих принципы и аспекты возведения насыпей в непростых природных условиях Якутии.

Цель работы - изучить влияние изменчивости физико-механических свойств горных пород под воздействием криогенного выветривания на развитие деформаций насыпи железной дороги Томмот-Кердем.

Идея работы заключается в выявлении закономерностей пространственной и временной изменчивости физико-механических свойств пород при криогенном выветривании и их учете при проектировании и эксплуатации железнодорожных магистралей.

Поставленная цель требовала решения следующих задач:

•на основе анализа отечественных и зарубежных публикаций, оценить

состояние изученности вопросов влияния криогенного выветривания на устойчивость полотна железных дорог в области суровых климатических условий;

• выявить природно-климатические факторы, влияющие на устойчивость полотна железнодорожной линии Томмот-Кердем;

•установить особенности распределения деформаций насыпи, развитие которых обусловлено переходом крупнообломочных грунтов по гранулометрическому составу из одной классификационной градации в другую;

• определить количество переходов температуры через 0°С на поверхности и в теле железнодорожной насыпи;

•разработать методику лабораторных экспериментов моделирования криогенного выветривания пород;

• исследовать изменения физико-механических свойств крупнообломочных грунтов, слагающих насыпь железной дороги, при различных механизмах криогенного выветривания: аэральных, аквальных, нивальных;

•оценить влияние изменчивости физико-механических свойств горных пород под воздействием криогенного выветривания на устойчивость железнодорожной насыпи.

Методы исследования:

• аналитическое обобщение сведений, содержащихся в научно-технической и специальной литературе;

• полевые маршрутные наблюдения, сопровождающиеся бурением скважин в основании железнодорожного полотна;

• полевые измерения температуры на поверхности и в теле железнодорожной насыпи термоизмерительными комплектами;

•лабораторные исследования, основанные на известных методиках проведения петрографо-минералогического анализа и определении характеристик физико-механических свойств грунтов;

•методы математической статистики при аналитической обработке экспериментальных данных.

Основные научные положения:

1. Одной из основных причин деформаций на начальном этапе эксплуатации участка железной дороги Томмот-Кердем Амуро-Якутской магистрали является снижение морозостойкости крупнообломочных осадочно-метаморфизованных карбонатных грунтов, используемых в качестве строительного материала верхнего строения насыпи.

2. Условия криогенного выветривания и количество циклов замерзания-

оттаивания в насыпях крупнообломочных осадочно-метаморфизованных карбонатных грунтов определяют региональные закономерности изменения их физико-механических свойств.

Научная новизна. В работе реализован современный подход к изучению региональных особенностей криогенного выветривания пород, основанный на анализе мерзлотно-климатических условий и изменении физико-механических свойств горных пород под воздействием циклов промерзания—протаивания.

Проведенные автором многолетние натурные наблюдения позволили впервые для исследуемой территории выявить особенности воздействия циклов замерзания-оттаивания на крупнообломочные карбонатные горные породы, используемые для строительства насыпей линейных сооружений, в зависимости от климатических, гидрологических и орографических условий.

Автором получены и проанализированы данные об изменении физико-механических свойств осадочно-метаморфизованных карбонатных горных пород (доломиты, известняки, мергели, песчаники) через 5 лет под воздействием криогенного выветривания в природно-климатических условиях Якутии.

Впервые дана количественная оценка влияния криогенного выветривания на устойчивость железной дороги в регионе, относящегося к северной строительно-климатической зоне. Получены данные о скорости криогенного выветривания крупнообломочных грунтов, используемые в качестве строительного материала верхнего строения насыпи.

Практическое значение работы состоит в том, что результаты исследования послужат для разработки мероприятий по снижению деформаций насыпей новых железнодорожных магистралей в суровых природно-климатических условиях.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается:

•результатами проведения многолетних полевых наблюдений вдоль всего полотна железной дороги Томмот-Кердем протяженностью 375 км;

•результатами проведения лабораторных испытаний на более чем 1000 образцах горных пород, изготовленных согласно требованиям ГОСТ, с отклонениями начальных значений физико-механических характеристик друг от друга в каждой серии не превышающими 1-2 %;

• обеспеченностью относительной погрешности результатов лабораторных испытаний не превышающей 10 % при надежности не ниже 0,95.

Личный вклад автора:

• на основании фондовых, литературных, картографических и прочих материалов, в совокупности с результатами полевых наблюдений, выполнен анализ природно-климатических условий территории строительства дороги Томмот-Кердем и определены факторы, влияющие на устойчивость железнодорожного полотна;

• выявлены отрезки железнодорожного пути с деформациями насыпи, обусловленные разрушением крупнообломочных пород до дресвяного состояния, и дана характеристика особенностям протекания криогенного выветривания на них;

• на основании натурных наблюдений в полосе железной дороги и полученных фактических данных о количестве переходов температуры через 0°С на поверхности и в теле железнодорожной насыпи разработана методика лабораторного моделирования криогенного выветривания пород;

• проведены лабораторные эксперименты моделирования различных механизмов криогенного выветривания карбонатных пород, слагающих насыпь железной дороги. На основе полученных данных определены региональные закономерности изменения их физико-механических свойств при циклическом замораживании-оттаивании и выполнена оценка влияния криогенного выветривания на устойчивость железной дороги Томмот-Кердем.

Апробация работы. Основные положения работы освещались на IX Международном симпозиуме «Проблемы инженерного мерзлотоведения» (г. Мирный, 2011 г.); Международной научно-практической конференции по инженерному мерзлотоведению (г. Тюмень, 2011 г.); ХЫХ Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 2011 г.); ХП, ХГП, XV Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (г. Нерюнгри, 2011, 2012, 2014 гг.); Международной конференции по мерзлотоведению «Ресурсы и риски регионов с вечной мерзлотой в меняющемся мире» (г. Салехард, 2012 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе три - в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка из 144 наименований. Общий объем работы включает 132 страницы машинописного текста, 53 рисунка и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение содержит обоснование актуальности, цель, идею работы, формулировку задач исследования, защищаемые положения, обоснованность и достоверность научных результатов.

В первой главе проведен аналитический обзор отечественных и зарубежных научных публикаций, отражающих состояние изученности вопросов влияния криогенного выветривания на железнодорожные насыпи и устойчивости полотна дорог на вечномерзлых грунтах.

В разное время вопросами устойчивости полотна дорог на территориях распространения ММП занимались В.В. Еленевский, Г.А. Низовкин, H.A. Пузаков, П.Д. Бондарев, В.А. Дербас, A.A. Опарин, Н.И. Сидняев, П.Г. Ташлыков, A.A. Цернант, H.A. Перетрухин, Т.В. Потатуева, Лю Цзянькунь,

B.Г. Кондратьев, В.Я. Ткаченко, Г.П. Минайлов, С.М. Гончарук, А.И. Белозеров, В.Р. Алексеев, И.П. Константинов, H.H. Гриб, И.С. Васильев, С.П. Варламов, Д.М. Шестернев и многие другие. Объем накопленного теоретического и экспериментального материала о1ромен, однако на сегодняшний день все еще не удается предсказать и предотвратить отрицательное влияние криогенных процессов на протяженное сооружение. Объяснить это можно следующим: специфические условия эксплуатации железных дорог в районах с суровых климатом 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. В этой связи примечательно, что нарушение нормальной работы железнодорожного полотна под воздействием выветривания практически не рассматривается. Среди научных трудов, посвященных изучению влияния выветривания на железнодорожные магистрали, можно отметить лишь работы Г.М. Шахунянца,

C.С. Павлова и P.E. Смоликовой.

Весьма обширен список трудов по изучению воздействия криогенного выветривания на горные породы. Анализ опубликованных работ позволяет выделить в исследованиях криогенного выветривания горных пород следующие основные направления:

1) Исследования, направленные на выявление закономерностей дезинтеграции горных пород в зависимости от геоморфологических, климатических и геолого-генетических факторов (С.П. Качурин, Е.А. Пресняков, Г.М. Эшптейн, С.С. Воскресенский, В.Л. Суходровский, Ю.Г. Симонов, В.К. Лапердин, Ю.Б. Тржцинский, В.Б. Выркин, Л.А. Пластинин,

С.Ю. Волченков, Д.М. Шестернев, Н.Ф. Григорьев, З.А. Мищенко, Н.И. Синицын, C.B. Кагермазова, E.H. Оспенников, В.Б. Выркин, В.Р. Алексеев, Ю.В. Шумилов, H.A. Шило, Э.Д. Ершов, В.П. Солоненко и другие).

2) Изучение изменения морозостойкости и физико-механических свойств горных пород при криогенном выветривании в натурных условиях или при его лабораторном моделировании. Исследованиями в данном направлении занимались O.K. Воронкова, Л.Ф. Ушаков, П.В. Овсянников, С.С. Павлов, Г.Е. Ядрищенский, A.B. Забелин, Д.М. Шестернев, В.М. Гуревич, Л.А. Ярг, В.П. Портнова, Ю.Д. Матвеев, Г.Д. Михайлов, A.A. Васильев, A.C. Курилко и многие другие.

Согласно анализу опубликованных работ, можно отметить: недостаточную изученность вопросов динамики изменения физико-механических свойств карбонатных пород при криогенном выветривании; недостаточную изученность криогенного выветривания на региональном уровне; практически во всех случаях горные породы при изучении воздействия на них процессов криогенного выветривания не рассматриваются как строительный материал с предъявляемыми к нему требованиями; отсутствие научной оценки влияния криогенного выветривания на устойчивость насыпей железных дорог.

Во второй главе на основе анализа фондовых, литературных, картографических и прочих материалов, в совокупности с результатами полевых работ, охарактеризованы природные условия территории строительства железнодорожной линии Томмот-Кердем.

Климат территории прохождения железнодорожной магистрали отличается резкой континентальностью, которая проявляется здесь в низких годовых и зимних температурах, больших сезонных и суточных их колебаниях, малом количестве выпадающих осадков. По данным ближайших метеостанций, среднегодовая температура воздуха варьирует от -6° до -8°С, разность средних температур между сезонами составляет более 50°С, а годовое количество осадков 250-300 мм. Длительный холодный сезон способствует часто полному промерзанию озер и рек в полосе линейного сооружения и формированию наледей.

Для грунтов в долинах рек за счет малой облачности и притока холодного воздуха в результате местной адвекции создаются благоприятные условия для их ночного выхолаживания. Поскольку трасса железной дороги имеет в основном долинный ход, насыпь подвержена интенсивному воздействию заморозков-оттепелей.

Геокриологические условия рассматриваемой территории характеризуются значительной сложностью и неоднородностью. Мерзлые толщи в пределах трассы представлены островным, прерывистым и сплошным характером распространения. Большинство отмеченных при полевых наблюдениях экзогенных геологических процессов связаны, в первую очередь, с динамикой многолетнемерзлых толщ, крайне чувствительных к техногенному воздействию.

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.

Поскольку в геокриологическом отношении дорога 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. Во-вторых, именно четвертичные отложения, развитые на всей территории трассы, являются основанием железнодорожного полотна и служат строительным материалом для возведения насыпи.

Согласно проведенному анализу, мощный комплекс четвертичных отложений на рассматриваемой территории характеризуется широким распространением льдистых, пучиноопасных, пылеватых супесей и суглинков с низкими значениями деформационно-прочностных характеристик (Рисунок 1), развитием морозобойного трещинообразования. К дисперсным супесчаным массивам приурочены карстовые формы (Рисунок 2). Грунт из выемок на большем протяжении железной дороги не пригоден для отсыпки в насыпь, а имеющийся скальный материал отличается сильной трещиноватостью и растворимостью.

При полевых исследованиях отмечено, что большинство искусственных сооружений железной дороги работают в сложных гидрологических условиях подпора рек. Почти повсеместное распространение легкоразмываемых пород обусловливает протекание сильного водоэрозионного процесса, что объясняется не только равнинным характером местности, но и наличием здесь большого числа разобщенных озерно-аласных понижений, аккумулирующих поверхностный сток (Рисунок 3).

Рисунок 1 - Деформации железнодорожного полотна, сложенного слабоустойчивыми грунтами, август 2012 г. (долина р. Сахамакит, ПК-4190)

Рисунок 2 - Провалы, просадки в полосе ж/д в карбонатном цоколе под делювиальным покровом (справа - фото В.Б. Спектора)

Проведенный во второй главе анализ природных условий рассматриваемой территории

позволяет говорить о формировании в полосе железной дороги весьма благоприятных условий для воздействия криогенного

выветривания на сооружение. Интенсивность его влияния на насыпь в значительной степени определяется структурой климата, орографическими условиями,

мерзлотными и гидрологическими характеристиками территории. В связи с чем, встает вопрос о необходимости избирательного использования местных скальных и полускальных горных пород для строительства линейного сооружения.

Третья глава содержит описание методического подхода по оценке влияния криогенного выветривания на развитие деформаций насыпи железной дороги, включающего в себя полевые наблюдения и лабораторные эксперименты.

Рисунок 3 - Скопление воды в основании насыпи ж/д и начало формирования просадки, август 2011 г. (надпойменная терраса р. Лена, км 724)

\ л

Изучение процесса криогенного выветривания пород в полосе железной дороги проводилось в течение полевых сезонов 2008-2014 гг. Одной из основных задач полевых исследований являлась дифференциация отрезков железнодорожного пути, просадки насыпи которых были бы связаны исключительно лишь с разрушением крупнообломочных пород до дресвяного состояния. Основным методом данного вида работ являлись маршрутные наблюдения.

В основании насыпи дополнительно проводилось бурение неглубоких скважин с целью получения данных о состоянии грунтов основания. Общий объем бурения составил 260 п.м. (37 скважин). Количество скважин соответствует числу отмеченных деформаций насыпи на участках пути, где отчетливо прослеживалось разрушение крупных обломков пород насыпи до более мелких фракций (Рисунок 4). С учетом информации об особенностях территории прохождения железной дороги, изученной на стадии подготовительных работ, выделялись отрезки пути с относительно благоприятными условиями строительства, в пределах которых для земляного полотна, тем не менее, было характерно изменение своих первоначальных форм.

На основе полученного материала определялись объем горных пород, необходимый для лабораторного исследования, и места их отбора.

Для определения количества циклов попеременного замораживания-оттаивания (ЦЗО), которые претерпевают породы за год на поверхности насыпи, полевые работы сопровождались установкой датчиков температуры. Устройства располагались таким образом, чтобы было возможным получить данные о количестве температурных

Рисунок 4 - Распределение деформаций насыпи ж/д Томмот-Кердем, развитие которых дополнительно или исключительно связано с дезинтеграцией пород под воздействием криогенного выветривания 1 - точка наблюдения, на которой выявлена деформация; 2 - реки; 3 - населенные пункты; 4 - трасса железной дороги

переходов через 0°С как на откосах, покрываемых в течение года снегом, так и в местах, защищенных от него: под мостовыми переходами, осадкозащитными навесами. Для оценки изменения интенсивности криогенного выветривания пород с глубиной в тело насыпи монтировалась термокоса.

На основе рекомендованных методик и методических схем исследования криогенного выветривания, обозначенные в ГОСТ и другой нормативно-технической документации, при лабораторных экспериментах моделировались различные механизмы разрушения пород: находящихся в естественных условиях без подтока воды (аэралъные); в водонасьпценном состоянии (аквальные); в условиях, характерных на контакте со снежниками и наледями в весенне-летний период (нивальные).

Отбору подвергались все разновидности горных пород, слагающих насыпь железной дороги. На месте отбора выбирались крупные нетрещиноватые обломки природного камня. Соблюдение этого условия реализовалось предварительным измерением прибором «Пульсар-1.0» времени распространения ультразвуковых волн при их поверхностном и сквозном прозвучивании. Дефекты в куске породы фиксировались по аномальному снижению скорости. Пробы упаковывались в ящики для их дальнейшего транспортирования в аккредитованную испытательную лабораторию «Нерюнтристрой» в г. Нерюнгри. Здесь изготавливалось максимально возможное количество образцов кубической формы - 4,0*4,0x4,0 см из отобранного материала.

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.

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 на сертифицированной высокоточной измерительной системе «Ультразвук».

Для определения потери массы обломков горных пород при попеременном замораживании-оттаивании 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. Практически на всем протяжении дороги обломки таких размеров служат укрепляющими элементами для откосов насыпи, водоотводных канав и водораздельных дамб (Рисунок 5).

Выравнивающий слой толщиной 0,90 м из скального грунта с заполнителем до 10 %

Рисунок 5 - Схема распределения скального грунта в насыпи железной дороги

Томмот-Кердем

Условно эталонные значения прочности исследуемых пород на одноосное сжатие определялись прямым методом на сертифицированной системе испытаний «Петромеханикс» не менее чем по 10 образцам для каждой группы.

Образцы пород из всех лабораторных серий помещались в металлические кассеты для циклического замораживания-оттаивания. Изменение их физико-механических свойств определялось после 500 ЦЗО, что примерно соответствует 5-тилетнему сроку эксплуатации линейного сооружения в природно-климатических условиях Якутии. Периодический контроль физико-механических параметров образца породы осуществлялся после 25, 50, 100, 200, 300, 400 и 500 ЦЗО.

Образцы, моделирующие аэральный механизм разрушения пород насыпи, подвергались ЦЗО в сухих условиях - морозились при 1= -20°С на протяжении 15 часов, затем оттаивали при 18... +20°С 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.. ,+20°С.

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 горных пород после определенного количества ЦЗО - коэффициента морозостойкости КиСт, среднего геометрического значения скорости распространения упругих продольных волн в образце v, плотности р, предела прочности на одноосное сжатие а^ и потери массы AM, а по завершении экспериментов - значения мощности слоя дезинтеграции породы, отнесенной к 1 ЦЗО Л, и скорости криогенного выветривания идая породы.

В четвертой главе представлены результаты полевых исследований и лабораторных работ, на основе которых установлены факторы, определяющие интенсивность влияния криогенного выветривания на насыпь, определены закономерности изменения физико-механических свойств горных пород и оценено влияние криогенного выветривания на устойчивость железнодорожной насыпи линии Томмот-Кердем.

/. Одной из основных причин деформаций на начальном этапе эксплуатации участка железной дороги Томмот-Кердем Амуро-Якутской магистрали является снижение морозостойкости крупнообломочных осадочно-метаморфизованных карбонатных грунтов, используемых в качестве строительного материала верхнего строения насыпи. Таблица 1 - Количество Одним из главный условий,

переходов температуры воздуха определяющих интенсивность

через 0°С на поверхности насыпи воздействия криогенного выветривания вдоль ж/д Томмот-Кердем в 2013 г. на горные породы, является число ЦЗО,

которые они претерпевают за год. Экспериментально определено, что на поверхности насыпи линейного сооружения, с учетом установившегося снежного покрова средней мощностью 40 см в зимний период, количество переходов через 0°С за год превосходит 115 (Таблица 1). На поверхностях, не покрываемых в течение года снегом, количество таких переходов увеличивается в 1,2 раза (Рисунок 6).

Для дороги, имеющей общую направленность на север - северо-восток, максимальная разница в количестве ЦЗО на противоположных откосах насыпи составляет 7 циклов.

Месяц Станции

г. Томмот пос. Амга с. Кердем

март 1 2 -

апрель 42 35 35

май 24 20 16

июнь - - 1

сентябрь 27 31 26

октябрь 29 26 24

ноябрь 3 2 2

декабрь - - -

За весь год 126 116 104

поверхности пс покрываемые в 1сченне года епеюм а поверхности с установившимся смежным покроят«

руч Каютный От и ни р

>км 4}0> К&нкн-Юотао Iдси Я4>

Мто установки имиериуримк т тиков

Рисунокб -Количество — переходов температуры через 0°С в 2012 г. на повепхности насыпи

у=3,9677е-°«3'

4 7 8 10 22 31 126 .V

у=2,2606е"

III

4 13 17 18 23 30 116 V

с. Кердгм

1.40 1.20 1.00 0.80 0,60 0.40 0.20 0.00

йу=2,7165е~

11 I,

25 29 33 101 У

Рисунок 7 - Изменение числа переходов температуры через 0°С

в насыпи с глубиной N - количество температурных переходов; Л - глубина от поверхности

Наибольшим числом ЦЗО характеризуются месяцы: апрель-май -52 % и сентябрь-октябрь - 44 %. При этом воздействие весенних и осенних ЦЗО на породы различно. Выветривание в весенний период более интенсивно за счет дополнительного увлажнения породы при оттепелях.

Криогенное выветривание активно протекает в верхнем слое насыпи мощностью до 30 см, состоящем из крупнообломочного скального грунта (Рисунок 7). Поскольку влияние криогенного выветривания на сооружение проявляется в

дезинтеграции крупнообломочных

грунтов, его слагающих, большинство отмеченных деформаций насыпи: вывалы, осыпание, сползание и прочие -связаны с нарушением целостности именно этого слоя. Отметим, что криогенное выветривание оказывает влияние не только на насыпь, но и на другие элементы железнодорожного пути (Рисунок 8).

Распределение по трассе дороги деформаций насыпи, на возникновение которых существенное влияние оказывает растрескивание и измельчение крупных обломков фунтов при криогенном выветривании, не равномерно. Наиболее интенсивная дезинтеграция пород характерна для отрезков пути, проходящих в пределах долин рек и ручьев. Здесь разрушение карбонатных пород идет путем раскалывания, а на относительно

Рисунок 8 — Разрушение бортов выемки железной дороги через 6 лет под воздействием криогенного выветривания (км 388)

«сухих» участках, проходящих через водораздельные поверхности, - путем шелушения (Рисунок 9).

Рисунок 9 - Степень разрушенности пород в зависимости от гидрологических

условий, июль 2012 г. А - выветривание доломита без подтока воды (верхняя часть склона, 490 км ж/д), Б -разрушение этого же доломита в сильновлажной среде (днище долины р. Курум-Кюнкю); В - выветривание доломита с тонкодисперсной примесью окислов железа без подтока воды (средняя часть склона, 385 км ж/д), Г - разрушение этого же доломита с тонкодисперсной примесью окислов железа в сильновлажной среде (долина р. Якутский Укулан).

Из всех отмеченных деформаций, связанных с влиянием знакопеременных температур на горные породы, 75% приходится на отрезки пути, характеризующиеся повышенным влажностным режимом (Рисунок 4).

2. Условия криогенного выветривания и количество циклов замерзания-оттаивания в насыпях крупнообломочных осадочно-метаморфизованных карбонатных грунтов определяют региональные закономерности изменения их физико-механических свойств.

Насыпь железной дороги Томмот-Кердем слагают следующие преобладающие разновидности горных пород: известняк с доломитовой примесью, доломит, доломит с тонкодисперсной примесью окислов железа и песчаник мелкозернистый (Таблица 2). Согласно результатам лабораторного эксперимента величина изменений прочностных и других свойств изначально близких по характеристикам различных видов горных пород не одинакова.

Таблица 2 - Минеральный состав карбонатных пород, слагающих насыпь железной дороги

Порода Структура Текстура Минеральный состав

Главные Акцессор. Второстеп.

Известняк с доломит, примесью, микротрещин. Пелитоморфн., микро, -тонкоэерн. Массивная Кальцит 97% Циркон ед. зн. Кварц 1% Доломит 2% Пирит р. зн. Пирротин ед. зн. Окислы Ре ед. зн. Серицит ед. эн.

Доломит Микроэсрн., мозаичная Массивная Доломит 98% Пирит р. эн. Кварц ед. зн. Калишпат ед. зн. Окислы Ре до 2% Хлорит ед. зн.

Доломит с тонкодисп. примесью окислов железа, с плитчатой отдельностью Микро зерн. Слоистая, тонкослоистая Доломит 96% Окислы Ре до 3% Кварц ед. зн. Калишпат 1% Рутил р. зн. Серицит р. зн. Стронцианит <1 %

Значительная дезинтеграция всех образцов пород наблюдалась в ахвальных и еще в большей степени нивальных условиях эксперимента (Рисунок 10).

У доломита с тонкодисперсной примесью окислов железа в аквалъных условиях по достижении 400 ЦЗО значение величины р снизилось на 16%, и -77%, о« - 79% (Таблица 3). После 400 ЦЗО порода практически полностью потеряла свою несущую способность, разрушившись до дресвяного состояния. В нивальных условиях дезинтеграция данной породы происходила еще более интенсивно: снижение значений р к 200 ЦЗО составило 19%, и - 83%, -78%. В аэральных условиях эксперимента изменение значений аеж, и, р после 500 ЦЗО также велико: снижение р на 5%, и - 47%, ася - 79%.

а б в г

Рисунок 10 - Дезинтеграция пород под воздействием криогенного выветривания через 500 ЦЗО в зависимости от условий замораживания-

оттаивания

по горизонтали: 1 - доломит, 2 - известняк с доломитовой примесью, 3 - доломит с тонкодисперсной примесью окислов железа, 4 - песчаник; по вертикали: а - до начала эксперимента, б - в аэральных условиях, в - в аквальных условиях, г - в нивальных условиях.

Известняк с доломитовой примесью после 500 ЦЗО характеризуется снижением показателя р-на 3% в аэральных, 4% и 5% соответственно в аквальных и нивальных условиях. Существенное изменение прочности известняк претерпевает в первые 50 ЦЗО. Так, через 50 ЦЗО в нивальных условиях известняк с доломитовой примесью потерял более 30% от своей начальной прочности.

Песчаник в ходе эксперимента существенно теряет свои прочностные характеристики даже в аэральных условиях. Предел прочности на одноосное сжатие после 500 ЦЗО уменьшился на 65%. Для аквальных и нивальных условий эксперимента еще больше - на 70% и 82% соответственно.

Таблица 3 - Изменение показателей простейших свойств пород после определенного количества ЦЗО в различных условия замораживания -

оттаивания

II а в i 1 Количество ЦЗО

и >В 2 О В В Ii Iii X 0 25 50 100 200 300 400 500

S Аэральные 2,66 2,66 2,65 2,64 2,62 2,61 2,58 2,53

| р. г/см3 Аквальвые 2,66 2,63 2,57 2,51 2,43 2,41 2,23 -

- в-1 Hl Зой Нивальные 2,66 2,60 2,54 2,38 2,15 - - -

Аэральные 3,54 3,29 3,09 2,78 2,61 2,41 2,33 1,87

и, км/с Аквальные 3.54 3,00 2,46 2,25 1,88 1,33 0,81 -

1Н Нивальные 3,54 1,98 1,48 1,13 0,61 - - -

асж, МПа Аэральные 42,25 37,18 31,11 21,25 18,75 15,77 12,01 8,92

§ й Аквальные 42,25 36,99 28,05 18,75 13,32 10,45 8,89 -

1 Нивальные 42,25 31,55 25,15 17,68 9,33 - - -

•я Р. г/см3 Аэральные 2,69 2,68 2,67 2,66 2,65 2,64 2,61 2,60

1 Аквальные 2,69 2,68 2,66 2,64 2,63 2,62 2,61 2,58

Й Нивальные 2,69 2,66 2,654 2,63 2,62 2,60 2,59 2,56

Аэральные 4,79 4,67 4,44 3,91 3,41 3,35 3,26 2,63

и. км/с Аквальные 4,79 4,47 3,94 3,26 2,77 2,58 2,36 1,88

~ к 1 & Нивальные 4,79 4,05 3,83 2,70 2,16 1,94 1,21 0,88

асж, МПа Аэральные 67,79 62,51 49,81 48,50 47,64 44,29 42,62 35,15

1 Аквальные 67,79 59,87 47,25 45,00 41,00 39,67 37,91 31,88

К Нивальные 67,79 55,12 46,15 41,27 39,89 38,52 36,50 30,78

Аэральные 2,71 2,71 2,68 2,67 2,67 2,66 2,65 2,63

Р. г/см3 Аквальные 2,71 2,70 2,69 2,68 2,65 2,64 2,63 2,61

Нивальные 2,71 2,69 2,68 2,67 2,64 2,61 2,60 2,58

i км/с Аэральные 5,00 4,89 4,82 4,62 4,54 3,69 3,50 3,24

1 Аквальные 5,00 4,26 4,04 3,63 3,51 3,30 2,74 2,13

Нивальные 5,00 4,14 3,96 3,04 2,54 2,11 1,88 1.54

асж, МПа Аэральные 54,32 53,02 52,77 48,00 46,33 40,87 37,15 34,01

Аквальные 54,32 49,99 48,64 46,11 45,39 40,00 35,74 30,20

Нивальные 54,32 47,07 45,98 44,18 43,55 39,71 33,12 27,68

Аэральные 2,65 2,64 2,63 2,61 2,60 2,59 2,57 2,55

Р. г/см3 Аквальные 2,65 2,64 2,61 2,59 2,58 2,57 2,55 2,53

Нивальные 2,65 2,63 2,60 2,58 2,56 2,54 2,51 2,49

1 Аэральные 4,48 4,41 4,35 4,20 3,73 3.41 3,27 3,16

1 км/с Аквальные 4,48 4,19 3,88 3,67 3,48 2,99 2,70 2,46

в Нивальные 4,48 3,87 3,59 3,34 2,76 2,40 2,31 1,80

Аэральные 63,92 54,45 38,99 31,68 26,73 25,42 23,19 22,33

асж, МПа Аквальные 63,92 44,86 37,28 29,95 24,66 24,00 21,87 18,91

Нивальные 63,92 45,14 36,41 27,00 21,55 19,92 14,53 11,40

Доломит в авральных условиях попеременного замораживания-оттаивания по достижении S00 циклов потерял в прочности 37%, в аквальных -44%, в нивальных - 49%. Уменьшение расчетных значений р в аэральных, аквальных и нивальных условиях составило на конец лабораторного эксперимента 3%, 4% и 5% соответственно, и - в аэральных условиях 35%, в аквальных - 57% и нивальных - 69%.

Из пород, слагающих насыпь, доломит является более устойчивым к механизмам разрушения под воздействием криогенного выветривания по сравнению с другими. Так, например, по мнению ряда исследователей (Fahey B.D., Gowan R.J.; Fakuda M as ami), породы, масса которых уменьшается до 10% при N - 200 ЦЗО, являются морозоустойчивыми. Для доломита в нивальных, более «жестких» условиях, по достижении 200 ЦЗО потеря массы составила всего 9,89% (Таблица 4).

Таблица 4 - Потеря массы образцов, испытанных на ЦЗО, %

Порода Условия ЦЗО Количество ЦЗО

25 50 100 200 300 400 500

Доломит с тошсодисперсной примесью окислов железа Аэральные 4,11 10,32 18,94 22,47 29,18 32,10 39,68

Аквальные 6,00 15,61 23,85 27,41 40,73 52,64 57,95

Нивалыше 8,93 21,32 28,20 35,55 49,95 57,00 58,00

Известняк с доломитовой примесью Аэральные 1,54 3,88 5,95 11,55 14,07 17,00 19,89

Аквальные 2,30 3,23 8,85 13,52 15,41 21,00 23,60

Нивалыше 3,50 5,95 9,37 15,50 18,86 23,50 27,00

Песчаник Аэральные 1,60 4,00 8,89 10,32 14,44 16,03 18,00

Аквальные 3,00 6,20 13,00 14,72 17,48 20,77 25,00

Нивальные 4,20 8,90 16,80 22,60 21,00 24,50 28,00

Доломит Аэральные 0,90 2,00 2,94 6,30 9,00 12,50 11,00

Аквальные 1,40 2,30 3,50 8,00 9,86 14,50 16,80

Нивальные 2,00 3,33 5,10 9,89 12,47 15,68 19,65

Полученные в результате эксперимента значения толщины слоя дезинтеграции породы за 1 ЦЗО, в совокупности с результатами полевых работ по определению количества ЦЗО на дневной поверхности и в теле насыпи, позволяют количественно оценить скорость криогенного выветривания ищи» пород, слагающих насыпь железной дороги Томмот-Кердем (Таблица 5).

Определенные значения коэффициентов морозостойкости указывают на необходимость избирательного подхода при вынесении заключения о возможности использования горной породы в качестве строительного материала в определенной природно-климатической обстановке (Таблица 6).

Таблица 5 - Скорость дезинтеграции пород при криогенном выветривании

Порода Условия ЦЗО Ь, мм 1>МВР, см/год Величина слоя дезинтеграции за 5 лет, см

Доломит с тонкодисперсной примесью окислов железа Аэральные 0,5291 6,08 30,42

Аквальные 0,7727 8,89 44,43

Нивальные 0,7733 8,89 44,47

Известняк с доломитовой примесью Аэральные 0,2652 3,05 15,25

Аквальные 0,3147 3,62 18,09

Нивальные 0,3600 4,14 20,70

Песчаник Аэральные 0,2400 2,76 13,80

Аквальные 0,3333 3,83 19,17

Нивальные 0,3733 4,29 21,47

Доломит Аэральные 0,1467 1,69 8,43

Аквальные 0,2240 2,58 12,88

Нивальные 0,2620 3,01 15,07

Таблица б - Коэффициент морозостойкости пород, слагающих насыпь дороги Томмот-Кердем, в зависимости от условий замораживания-оттаивания

Горная порода Условия эксперимента Количество ЦЗО

25 50 100 200 300 400 500

Доломит с тонкодисперсной примесью окислов железа Аэральные 0,88 0,74 0,50 0,44 0,37 0,28 0,21

Аквальные 0,87 0,66 0,44 0,32 0,25 0,21 -

Нивальные 0,75 0,60 0,42 0,22 - - -

Известиях с доломитовой примесью Аэральные 0,92 0,73 0,72 0,70 0,65 0,63 0,52

Аквальные 0,88 0,70 0,66 0,60 0,59 0,56 0,47

Нивальные 0,81 0,68 0,61 0,59 0,57 0,54 0,45

Доломит Аэральные 0,98 0,97 0,88 0,85 0,75 0,68 0,63

Аквальные 0Р92 0,90 0,85 0,84 0,74 0,66 0,56

Нивальные 0,87 0,85 0,81 0,80 0,73 0,61 0,51

Песчаник Аэральные 0,85 0,61 0,50 0,42 0,40 0,36 0,35

Аквальные 0,70 0,58 0,47 0,39 0,38 0,34 0,30

Нивальные 0,71 0,57 0,42 0,34 0,31 0,23 0,18

Выводы

На основании натурных и лабораторных исследований воздействия криогенного выветривания на изменения физико-механических свойств горных пород, слагающих насыпь железной дороги Томмот-Кердем, показано, что в суровых климатических условиях, криогенное выветривание является важным фактором, определяющим устойчивость железнодорожного полотна.

Основные результаты представленной работы состоят в следующем:

1. Важным показателем интенсивности воздействия криогенного выветривания на линейное сооружение является количество переходов температуры воздуха через 0°С на ее поверхности и влажностный режим прилегающей территории. Экспериментально определено, что для

рассматриваемой территории количество ЦЗО, которое претерпевают породы насыпи за год, составляет более 115. На поверхностях, где снежный покров практически отсутствует, это значение увеличивается в 1,2 раза.

2. Установлено, что в существующих природно-климатических условиях территории, криогенное выветривание активно воздействует на насыпь железной дороги до глубины 30 см. Большинство выявленных при полевых наблюдениях деформаций насыпи, обусловлены нарушением целостности именно этого слоя.

3. Горные породы, слагающие насыпь полотна железной дороги, имеет большую разрушенность на участках пути, проходящих в пределах долин рек и ручьев, меньшую - на водоразделах.

4. Впервые для рассматриваемой территории получены коэффициенты морозостойкости осадочно-метаморфизованных карбонатных пород при различных условиях криогенного выветривания после 25, 50, 100, 200, 300, 400 и 500 циклов попеременного замораживания-оттаивания.

5. Горные породы, изначально обладающие пределом прочности на одноосное сжатие в пределах 60-70 МПа, через 5 лет после отсыпки верхнего строения насыпи снижают свои прочностные показатели более чем наполовину. Интенсивная дезинтеграция песчаников под воздействием криогенного выветривания в значительной мере определяется наличием зон структурного ослабления породы: микрослоистости и слоистости, известняка -трещиноватости. Напротив, доломит, характеризующийся отсутствием микродефектов в структуре породы, отличается наибольшей устойчивостью к криогенному выветриванию.

6. Процесс разрушения горных пород в зависимости от условий замораживания-оттаивания неравномерен. Выявлено, что наиболее сильная дезинтеграция горных пород характерна для нивальных условий. В этих условиях величина слоя дезинтеграции карбонатных пород может достигать 10 см в год.

7. На основании комплексных полевых (в том числе режимных), камеральных и лабораторных исследований впервые дана количественная оценка влияния криогенного выветривания на состояние полотна железной дороги, построенной в суровых природно-климатических условиях. Определено, что 30% длины насыпи от общей протяженности железной дороги Томмот-Кердем подвержены наиболее интенсивному воздействию криогенного выветривания.

Список основных работ, опубликованных автором:

В научных рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК:

Мельников А.Е. Отличительные геолого-гидрологические черты территории строительства Амуро-Якутской железнодорожной магистрали (участок Томмот-Кердем-Нижний Вестях) / А.Е. Мельников, С.С. Павлов //

Вопросы современной науки и практики. Университет В.И. им. Вернадского. Тамбов, 2013, № 4(48)/2013. - С. 12-20.

Мельников А.Е. Криогенное выветривание как фактор устойчивости новой железнодорожной линии Томмот-Кердем Амуро-Якутской магистрали / А.Е. Мельников, С.С. Павлов // Научное мнение: научный журнал. Санкт-Петербургский университетский консорциум. - СПб., 2013, № 12. - С. 391-396.

Мельников А.Е., Павлов С.С., Колодезников И.И. Разрушение пород насыпи новой железнодорожной линии Томмот-Кердем Амуро-Якутской магистрали под воздействием криогенного выветривания // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 2; URL: www.science-education.ni/116-12945 (дата обращения: 03.05.2014).

Публикации в других изданиях:

Мельников А.Е. Сооружение железнодорожного полотна линии Томмот-Кердем в зависимости от геологических особенностей территории / А.Е. Мельников, С.С. Павлов // Материалы ХП Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов: Секция 1-2. -Нерюнгри, 2011. - С.36-38.

Мельников А.Е. Разрушение грунтов, слагающих земляную насыпь, под воздействием выветривания. На примере Амуро-Якутской железнодорожной магистрали. (Участок Томмот-Кердем) // Материалы XLEX Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»: Геология / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2011. - С. 78.

Мельников А.Е. Проблема оценки интенсивности разрушения грунтов, слагающих земляную насыпь, под воздействием выветривания (на примере Амуро-Якутской железнодорожной магистрали, участок Томмот-Кердем) / А.Е. Мельников, С.С. Павлов // Проблемы инженерного мерзлотоведения: материалы IX Междунар. симпозиума, 3-7 сентября 2011 г., г. Мирный, Россия / [отв. ред. Р. В. Чжан] ; СО РАН, Ин-т мерзлотоведения им. П. И. Мельникова. -Якутск : Изд-во Ин-та мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, 2011. -С. 243-245.

Мельников А.Е. Постановка вопроса о роли криогенного выветривания в устойчивости железнодорожного полотна Амуро-Якутской магистрали (на примере участка Томмот-Кердем) / А.Е. Мельников, С.С. Павлов // Материалы Международной научно-практической конференции по инженерному мерзлотоведению, посвященной ХХ-летию создания ООО НПО «Фундаментстройаркос» - Тюмень: «Сити-Пресс», 2011. - С. 257-259.

Melnikov А.Е. On the Need to Develop Criteria for Consideration of the Intensity of Grounds Weathering in Time During the Construction of Linear Structures (the Case of the Amur-Yakutsk Mainline) печ. Tenth International Conference on Permafrost: Resources and Risks of Permafrost Areas in a Changing World. Vol. 4/2. - Fort Dialog-Iset: Yekaterinburg, Russia, 2012. - P. 374-375.

,5-~2бвг

Мельников Андрей Евгеньевич

ВЛИЯНИЕ КРИОГЕННОГО ВЫВЕТРИВАНИЯ НА РАЗВИТИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ НАСЫПИ (на примере участка Томмот-Кердем Амуро-Якутской магистрали)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата гсолого-минералогических наук

Подписано в печать 16.02.2015. Формат 60*84/16. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-иэд. л. 1,9. Тираж 100 экз. Заказ № 240. Издательство и типография Технического института (филиала) СВФУ. 678960, г. Нерюнгри, ул. Кравченко, 16.

2014270552