Деформации и разрушения сооружений в наледных районах

В наледных районах широко распространены деформации пучения опор мостов. Зимой опоры поднимаются на несколько десятков сантиметров, изгибая и расстраивая пролетные строения, а летом происходит осадка опор, которая обычно не достигает первоначальной проектной отметки.

Причиной указанных деформаций не всегда являются наледные процессы. В большинстве случаев эти деформации вызваны морозным пучением грунта при его замерзании. В условиях Крайнего Севера и Северо-Востока морозному пучению подвержены не только мелкодисперсные грунты, но и крупноскелетные гравийно-галечниковые с песчаным заполнителем при сильном увлажнении, что бывает в руслах водотоков. Деформации опор мостов от морозного пучения не обусловлены наледным процессом, хотя часто происходят на водотоках с наледями, и может казаться, что причиной их являются наледи.

Образование наледи обычно происходит на некотором расстоянии выше моста, и наледная вода тонкими слоями натекает в отверстие моста, образуя при замерзании слои наледного льда. Такая натечная (наледь не вызывает никаких деформаций сооружения. Более того, увеличивая своей мощностью общую толщину льда, она увеличивает сопротивляемость деформации ледяного покрова при пучении.

Однако иногда причиной деформаций пучения опор мостов являются наледные процессы. Это бывает, когда в непосредственной близости от моста образуется наледный бугор. В данном случае при пучении купола бугра поднимаются и смерзшиеся с ним опоры. Как показано в S9, давление в наледных буграх может развиваться очень большое и поднимать тяжелые опоры моста. Купол наледных бугров может быть ледяной, когда замкнутая полость образуется из слоя поверхностной воды под ледяным покровом, и грунтовый, когда замкнутая полость образуется в грунтовом потоке под слоем мерзлого грунта.

До 1960 г. на автодороге Магадан — Усть-Нера через р. Левую Хету был деревянный балочный мост на рамных опорах. На реке ежегодно образовывалась большая наледь с буграми пучения. Некоторые из них возникали около моста, выпучивали опоры и деформировали пролетные строения моста (рис. 38). По специально закрепленным точкам в апреле 1957 г. была произведена нивелировка и составлены продольные профили проезжей части моста у правого и левого колесоотбоев (рис. 39). Как видно из рисунка, максимальное выпучивание произошло у опор №3 и 4 с верховой стороны на 81 см, а с низовой — на 52 см, т.е. в 1,5 раза меньше. У всех других опор верховая сторона также деформирована больше. Четкая закономерность большей деформации верховой стороны объясняется тем, что бугор наледного пучения находился в русле реки с верховой стороны на расстоянии 17 м и своим шлейфом распространялся под мост.

Рис. 39. Продольный профиль деформированного моста через р. Левую Хету

В конце зимы у деформационных опор были сделаны шурфы, которые показали, что под всеми опорами на глубине от 2,4 до 3 м залегают глинистые сланцы. Сверху они прикрыты небольшим слоем пылеватого суглинка со щебнем, над которым находятся гравийно-галечниковые отложения с песчаным заполнителем. На контакте между суглинком и гравийно-галечниковыми отложениями была выпуклая линза чистого льда толщиной от 55 до 90 см, которая простиралась от опоры №1 и 7. Поверхность русла реки над мостом в месте расположения линзы также имела вспучивание. Было видно, что водонасыщенный талик оказался в замкнутой полости и его дальнейшее промерзание происходило с пучением и образованием бугра.

В 1960 г. деревянный мост был заменен на железобетонный с пролетами по 8,5 м. Опоры сделаны на бурообсадных железобетонных сваях из сборных центрифугированных оболочек, погруженных на 2 м ниже поверхности глинистых сланцев и заделанных в них посредством арматурных каркасов. После этого деформации пучения опор не наблюдалось.

Примером деформации опор наледными буграми может также служить железобетонный балочный мост с пролетами по 8,5 м через р. Контрандья на той же дороге. Опоры этого моста сделаны на железобетонных бурообсадных сваях из сборных центрифугированных оболочек диаметром 45 см, заполненные бетоном. Сваи погружены на глубину 5 м (из них на 2 м в глинистые сланцы).

В первую зиму после постройки 4-я опора была выпучена на 18 см. Летом эта опора села почти до проектной отметки. В следующую зиму, кроме 4-й опоры, были выпучены 5-я и 6-я опоры. У 4-й опоры на поверхности русла наблюдался грунтовый наледный бугор. В январе месяце 1964 г. у этой опоры выморожен котлован до глинистых сланцев. Под слоем промерзшего и выпученного гравийно-песчаного аллювия оказалась вода, замершая при вымораживании котлована, водоупором ее являются глинистые сланцы. Слой льда у верховой сваи был 46 см, а у низовой — 9 см (рис. 40). Выпуклая поверхность линзы льда примерно соответствовала внешней поверхности грунтового бугра. Можно было заключить, что при сезонном промерзании грунтовая вода оказалась в замкнутой полости. В ходе дальнейшего промерзания вода с периферийных участков отжималась к центру бугра и при вспучивании мерзлого слоя сезонного промерзания скапливалась на поверхности водоупора.

Рис. 40. Выпучивание наледным бугром опоры моста через р. Контрандья на автодороге Магадан — Усть-Нера. Январь 1963 г. 1 — гравийно-песчаные отложения; 2 — лед; 3— глинистые сланцы; 4 — железобетонные бурообсадные сваи

Оказалось, что сваи в глинистых сланцах хорошо не заделаны. При действии сил выпучивания они перемещаются вверх по скважинам в глинистых сланцах и также свободно опускаются вниз при летнем оттаивании и осадке грунтового бугра. А вода при этом отжимается в соседние слои -оттаявшего грунта.

При обследовании 12 июля 1971 г. выше моста в русле реки было три грунтовых бугра: на расстоянии 5 м выше 3-й опоры (рис. 41), на расстоянии 35—40 м и выше 5-й опоры и на расстоянии 10-12 м выше 6-й опоры.

Рис. 41. Грунтовый наледный бугор у моста через р. Контрандью на автодороге Магадан — Усть-Нера. 12 июля 1971 г.

Произведенные в буграх раскопки показали, что на глубине от 1 до 1,8 м под грунтом был лед. Бугры постепенно протаивали, и на их поверхности возникали провалы. Высота бугров в протаявшем состоянии была от 0,6 до 1,10 м.

Наледь у моста через р. Контрандья развивается во второй половине зимы, в первой половине она бывает незначительная только над главным руслом реки, вся остальная часть русла остается оголенной и интенсивно промерзает. Зима в этом районе суровая.. Так как мощность аллювия небольшая (1-2 м), то уже к декабрю в подрусловом талике образуются замкнутые полости и возникают наледные бугры, выпучивающие опоры моста.

Интересно отметить, что в период строительства железобетонного моста (1961 г.) на земляном полотне у моста стоял отапливаемый домик для жилья буровых рабочих. Высота его пола над руслом реки была более 2 м, а над уровнем грунтовой воды в русле после промерзания — более 3,5 м.

И все же под действием гидростатического давления в замкнутой полости грунтовая вода в марте поднялась по сухому гравийно-песчаному грунту насыпи до пола домика и стала растекаться по насыпи и с ее откосов, образуя наледь.

Зимой 1958—1959 гг. автор наблюдал вызванные наледными буграми деформации моста через р. Хениконджу на подъездной дороге к поселку Хениконджа в Магаданской области. Деревянный балочный мост через эту реку построен на рамных опорах, которые в гравийно-галечниковый грунт русла заглублены на 2,5-3 м. Два ледяных наледных бугра высотой 1-1,2, диаметром 12-15 м возникли непосредственно под мостом. По мере роста бугров вместе с ними поднимались вверх вмерзшие в ледяной покров две речные опоры. Пучение опор достигло 52 см с перекосами. После весеннего паводка опоры сели, но не до проектной отметки (оставалось 8—10 см). Около этих опор были глубокие промоины, и поверхностная вода была подо льдом всю зиму.

В феврале 1969 г. у моста через р. Палатка на автодороге Магадан - Усть-Нера произошел взрыв наледного бугра. Бугор высотой 2 м, диаметром 18 м образовался на расстоянии 50 м выше моста в устье небольшой протоки левого берега. При взрыве глыбы льда объемом до 1 м³ с брызгами воды разлетелись по воздуху на 35—40 м и затем, скользя по льду, откатились еще на 40—50 м. При этом из бугра было выброшено много воды, которая растеклась по поверхности льда. Взрыв сопровождался сильным грохотом, сходным с артиллерийским выстрелом. Однако мост при этом никаких повреждений не получил.

Но иногда взрывы наледных бугров имеют катастрофический характер и вызывают, значительные разрушения. Такой случай произошел в 1928 г. у моста через р. Онон на Амуро-Якутской магистрали и описан В. Г. Петровым ''...Вдоль оси магистрали выстроились шесть наледных курганов; второй из них (считая с юга) еще накануне взрыва сильно трещал и вздрагивал, а в 5 часов утра 28 марта взорвался, разбросав в стороны грандиозные глыбы льда длиной до 19 м, шириной до 5 м и толщиной до 2 м. Некоторые глыбы льда (самые массивные) отнесло потоком хлынувшей из кургана воды более чем на 120 м по длине р. Онон, ниже магистрали; ледяные глыбы в несколько секунд ''сострогали'' небольшой мост, против которого был расположен второй курган, оставив на месте моста жалкие обрывки вмерзших в землю нескольких бревен и надвинув на его место большую глыбу льда. Момент взрыва сопровождался сильный звуком, напоминавшим пушечный выстрел, массы льда неслись в потоке воды с грохотом железнодорожного поезда. Вода разлилась полосой длиной 5 км и шириной 75 м. Если бы в этот момент проходил через упомянутый мостик транспорт с грузом, он неминуемо погиб бы, будучи затерт льдами.

Катастрофическое событие на р. Онон продолжалось недолго, через час- два все стихло'/вода спала, льдины осели на долине, и о бывшей наледной катастрофе свидетельствовали только глыбы льда, обрывки моста, приутюженные кусты по долине и царапины на коре больших деревьев, мимо которых неслись льдины''.

Судя по описанию В. Г. Петрова, масса отдельных ледяных глыб достигала 200 т, а объем выброшенного льда превышал 500 м³.

Взрывы наледных бугров наблюдались также около дорожных зданий. По сообщению Н. Шпакштейна, в начале марта 1932 г. на станции Уруша Забайкальской железной дороги около оборотного депо с грохотом взлетело кверху намороженное ледохранилище вместе с подстилающим грунтом. При этом возник водяной фонтан, который функционировал 30 минут. Куски льда отлетели на расстояние 80 м, масса некоторых из них была несколько тонн. Буровые скважины показали, что под территорией станции Уруша находится замкнутый сильно водоносный талик. Зимой 1931—1932 гг. снега было мало, а морозы сильные. От интенсивного промерзания грунта в полости талика возникло высокое давление, которое и явилось причиной взрыва.

Наледные бугры могут взрываться не только зимой, но и летом. 27 июля 1938 г., в жаркий день, на террасе р. Бырца в Читинской области произошел взрыв гидролакколита. При взрыве образовалась воронка диаметром 4,5 м и глубиной около 4 м. Из воронки выброшен грунт, состоящий из песка и галечника с кусками льда. Все это было поднято на высоту 8—12 м и разбросано в радиусе 15 м. Сразу после взрыва образовался фонтан высотой до 2 м, сила напора которого быстро убывала, а через 2 ч фонтан прекратил свое действие, вода установилась на уровне краев воронки.

В большинстве случаев взрывы больших наледных бугров происходят в конце зимы или начале весны, так как к этому времени сезонное промерзание достигает наибольшей глубины, что вызывает наибольшие напряжения в их оболочках.

Кроме взрывов наледных бугров, разрушающее воздействие наледей на искусственные сооружения может проявляться путем увеличения ими мощности ледохода. Наледи наиболее широко распространены на малых и средних реках, В северо-восточных районах СССР малые реки зимой промерзают до дна и ледохода на них не бывает. Средние реки в среднем течении и ниже в некоторые зимы до дна не промерзают, в такие годы на них бывает ледоход.. Слои наледного льда, намерзая на речном ледяном покрове, увеличивают общую толщину льда и, следовательно, мощность ледохода. Иногда за счет наледного льда ледоход бывает настолько мощный, что приводит к катастрофическим последствиям.

Зимой 1955-1956 гг. на расстоянии 4-6 км выше моста через р. Нелькобу образовалась большие площади наледей. Вместе с речным общая толщина льда достигала 2—2,2 м. Такой лед весенними водами раньше не поднимало, и он таял на месте. Но в 1956 г. весна оказалась запоздалой. Весь май не было тепла, часто были мокрые снегопады. А в начале июня наступило резкое потепление. Днем температура поднималась до +20°С, происходило бурное снеготаяние. Уровень воды в реке поднялся высоко, подняло наледные поля и на реке возник необыкновенно мощный ледоход. У двух опор моста льдом сломало и унесло мощные ледорезы, затем у этих опор поломало все сваи, и пролетные строения трех пролетов длиной по 22 м обрушились в воду.

На р. Средникан в 1942 г. толщина льда вместе с наледью достигала 1,9 м. При интенсивном ледоходе был разрушен мощный ряжевый ледорез, совмещенный с опорой, обшитый листовой сталью и загруженный камнем.