Рекомендации по применению противопучинных устройств для металлических завинчиваемых фундаментов опор контактной сети на вечномерзлых грунтах

ОАО "Российские железные дороги"

Департамент электрификации и энергоснабжения

     
"Утверждаю"
Первый заместитель начальника
Департамента электрификации
и электроснабжения ОАО "РЖД"
В.В.Хананов
7 ноября 2005 г.

     
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ПРОТИВОПУЧИННЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАВИНЧИВАЕМЫХ ФУНДАМЕНТОВ ОПОР КОНТАКТНОЙ СЕТИ НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Рекомендации по проектированию, строительству и эксплуатации противопучинных устройств для металлических завинчиваемых опор контактной сети на вечномерзлых грунтах разработаны ООО "ТрансИГЭМ" на основе патента на изобретение N 2209269 и цикла научно-исследовательских работ ТрансИГЭМ, проводившихся в 2003-2005 гг. в соответствии с заданиями МПС России и ОАО "РЖД".

Рекомендации подготовлены д.г.-м.н., проф. Кондратьевым В.Г.

Отзывы, критические замечания, вопросы и предложения следует посылать по электронной почте: v_kondratiev@mail.ru

Введение

Содержание и эффективное использование опорного хозяйства железных дорог в области вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания грунтов сопряжено со значительными трудностями, связанными с выпучиванием опор контактной сети и воздушных линий электроснабжения.

Для снижения воздействия сил морозного пучения грунтов на опоры контактной сети и воздушных линий в районах вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания грунтов обычно рекомендуется (Методические рекомендации …, 1975; Установка опор …, 1996; Нормы проектирования …, 2001) применять для нераздельных опор деревянные короба с дренирующим грунтом, геотекстиль с дренирующим грунтом и каменной наброской, противопучинную полиэтиленовую обмотку, анкерные плиты, а для раздельных опор - специальные фундаменты, в частности, свайные со сборными стаканными оголовками.

Все эти технические решения имеют весьма существенные ограничения и не решают проблемы обеспечения устойчивости опор в пучинистых грунтах.

Так, на Забайкальской железной дороге за 10 лет после завершения электрификации главного хода по Транссибу было выправлено и закреплено 14676 и заменено 3294 опоры контактной сети - 16,5% всех опор на дороге. Только в 2004 г. выправлено и закреплено 2415 и заменено 335 опор контактной сети, на что потребовалось 1196 окон в движении поездов общей продолжительностью 2631,2 часа - 30% от продолжительности года. В 2005 г. количество неустойчивых опор снова существенно увеличилось.

Аналогичные проблемы с опорами контактной сети и воздушных линий имеются на Восточно-Сибирской, Дальневосточной, Северной и Свердловской железных дорогах.

Изложенные в настоящей работе рекомендации позволяют в значительной степени решить указанные проблемы.

Глава 1. Механизм деформирования опор контактной сети на участках пучинистых грунтов и пути закрепления их

Известно (Сумгин и др., 1940; Достовалов и Кудрявцев, 1967; Орлов и др., 1977), что влажные рыхлые грунты сезонно-талого (СТС) или сезонно-мерзлого (СМС) слоев* при осенне-зимнем промерзании увеличиваются в объеме, т.е. пучатся. При весенне-летнем оттаивании объем их уменьшается, происходит осадка пород СТС и СМС. Именно эти сезонные процессы пучения и осадки грунтов, повторяющиеся из года в год, выпучивают (вымораживают) опоры контактной сети (рис.1), как и столбы, или любые другие твердые тела из пучинистых грунтов СТС и СМС.

________________

* Сезонно-талый слой подстилается вечномерзлыми породами, а сезонно-мерзлый - талыми (немерзлыми) породами.

Рис.1. Деформации опор контактной сети Забайкальской железной дороги на участке Сегачама-Б.Омутная, август 2001 г.

Годовой цикл выпучивания столба (опоры), заглубленной в грунты СТС в соответствии с (Достовалов и Кудрявцев, 1967) представляется следующим (рис.2). При осенне-зимнем промерзании грунтов происходит смерзание их с боковой поверхностью столба (рис.2, стадии I и II), причем силы смерзания прямо пропорциональны понижению температуры и мощности смерзшейся со столбом части СТС. Развитие касательных сил пучения, превышающих суммарное значение веса столба и сил бокового трения, приводит к "выдергиванию" столба из непромерзшей части СТС, образованию под ним полости, заполняющейся постепенно водой или разжиженным грунтом (рис.2, стадия II). При полном промерзании СТС в полости образуется лед или сильнольдистый грунт (рис.2, стадия III). При весенне-летнем оттаивании СТС силы смерзания постепенно исчезают сверху по мере протаивания грунта, однако более глубокие непротаявшие слои грунта остаются примороженными к поверхности столба, вследствие чего столб сохраняет приподнятое положение, достигнутое зимой, до тех пор, пока фронт оттаивания не достигнет подошвы столба, а когда под ним произойдет вытаивание льда или льдистого грунта, то столб частично осядет. Однако в годовом цикле столб оказывается выпученным на некоторую высоту - h (рис.2, стадия IV), так как полость под ним частично заполняется грунтом, а кроме того, оседанию его мешают силы трения боковой поверхности с грунтом. При многократном ежегодном повторении такого процесса столб, в конечном счете, оказывается настолько выпученным вверх, что теряет устойчивость, наклоняется и падает (рис.2, стадия VI).

Рис.2. Схема выпучивания (вымораживания) столба из сезонно-талого слоя (СТС), сложенного влажными дисперсными породами:

     
1 - промерзшая часть СТС; 2 - талая часть СТС; 3 - многолетнемерзлая порода; 4 - вода или разжиженный грунт в полости; 5 - лед или сильнольдистый грунт в полости; 6 - талый грунт, заполняющий полость; 7 - кровля многолетнемерзлых пород; 8 - граница промерзших пород СТС. I-V - стадии выпучивания столба в годовом цикле (пояснения в тексте); VI - обрушение столба, выпученного из пород СТС в течение ряда лет

Опоры на откосах, склонах и косогорах под воздействием сил пучения испытывают не только вертикальные, но и значительные горизонтальные смещения (боковые отклонения). По отношению к боковой поверхности опоры эти силы действуют под некоторым углом, величина которого равна углу заложения откоса (Орлов и др., 1977).

На опоры контактной сети при этом действуют также эксплуатационные нагрузки, особенно на кривых малого радиуса, ускоряющие потерю устойчивости опор.

Если опора заглублена в многолетнемерзлую толщу, то ее выпучиванию, кроме силы трения боковой поверхности опоры с талыми (непромерзшими) грунтами и веса опоры, противодействуют силы смерзания боковой поверхности опоры с многолетнемерзлыми породами. Если эти удерживающие силы превышают суммарное воздействие сил выпучивания и эксплуатационных нагрузок, то опора сохраняет устойчивость, не выпучивается и не деформируется (не отклоняется на величину большую, чем допустимая по эксплуатационным требованиям).