авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

Е. А. Бедрин, А. М. Завьялов, М. А. Завьялов

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Омск –

2012

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Сибирская государственная автомобильно-дорожная

академия (СибАДИ)»

Е.А. Бедрин, А.М. Завьялов, М.А. Завьялов

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ Монография Омск СибАДИ 2012 3 УДК 624.139:625.731.1 ББК 22.189+43.915з75 Б 31 Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. В.Н. Ефименко (Томский государственный архитектурно-строительный университет);

канд. техн. наук, старший научный сотрудник О.Г. Бабак (ОАО «Омский Союздорнии») Монография одобрена редакционно-издательским советом СибАДИ.

Бедрин Е.А.

Обеспечение термической устойчивости основания земляного полотна автомобильных дорог: монография / Е. А. Бедрин, А. М. Завьялов, М. А. Завьялов. – Омск: СибАДИ, 2012. – 178 с.

ISBN 978-5-93204-628- В монографии рассмотрены вопросы по проектированию, строительству и эксплуатации автомобильных дорог в I дорожно-климатической зоне. Особое внимание заслуживают методики, направленные на сохранение устойчивости земляного полотна на основании из многолетнемерзлых грунтов. Разработаны и предложены для практического использования методы геокриологического прогноза устойчивости многолетнемерзлых грунтов основания земляного полотна автомобильных дорог.

Монография предназначена для учащихся высших учебных заведений при подготовке аспирантов, магистров, специалистов и бакалавров по направлениям 270100, 270800 «Строительство», 653600 «Транспортное строительство», «Автомобильные дороги и аэродромы» и будет полезно инженерно-техническим работникам, выполняющим работы по проектированию, строительству и эксплуатации автомобильных дорог в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов.

Табл. 22. Ил. 39. Библиогр.: 61 назв.

ISBN 978-5-93204-628-9 © ФГБОУ ВПО «СибАДИ», ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ……………………………………………………………................ 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА…………………………..……….

1.1. Общие положения…………………………………..…….…….…….. 1.2. Схемы теплового взаимодействия насыпи и грунтов основания..... 1.3. Анализ состояния конструкций дорожных насыпей в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов……………..... 1.3.1. Обследование дорог Магаданской области…………………… 1.3.2. Обследование притрассовых автомобильных дорог БАМа….. 1.3.3. Опытное строительство и обследование опытных участков на притрассовой автомобильной дороге БАМа……….………. 1.3.4. Дренирующие и охлаждающие насыпи на вечной мерзлоте... 1.3.5. Наблюдения за осадкой частично оттаивающих мёрзлых оснований автомобильных дорог на севере Восточной Сибири……………………………………………..... 1.3.6. Обобщение первичного опыта строительства и эксплуатации земляного полотна железной дороги в районе распространения вечной мерзлоты по данным обследований линии БАМ – Тында…………….................................................. 1.3.7. Опыт строительства и эксплуатации железнодорожных насыпей на вечной мерзлоте…………………………………..... 1.3.8. Строительство дорожных насыпей на мерзлоте за рубежом… 1.3.9. Автомобильная дорога «Амур»

(Чита – Хабаровск)……………………........................................ 1.3.10. Обследование нефтепромысловых дорог в условиях севера Западной Сибири……………………………………….. 1.3.11. Обследование опытных участков земляного полотна с использованием в нижней части переувлажнённого промороженного суглинка в теплоизоляционной оболочке из торфа в регионе с глубоким сезонным промерзанием (II ДКЗ)…………………………………………………………… 1.

3.12. Опытно-экспериментальные работы по сооружению земляного полотна с использованием пенопласта на Уренгойском газовом месторождении………………………… 1.3.13. Обследование опытных участков на межпромысловой автомобильной дороге Медвежье – Ямбург………………….. 1.3.14. Обследование опытных конструкций земляного полотна промысловых автомобильных дорог на Бованенковском газовом месторождении (полуостров Ямал)…………………... 1.3.15. Основные выводы из материалов обследования дорожных насыпей в зоне многолетнемерзлых грунтов………………….. 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В ГРУНТАХ, НАХОДЯЩИХСЯ ПОД ЗЕМЛЯНЫМ ПОЛОТНОМ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ…………………...…...

2.1. Аппарат математического моделирования процессов промерзания–оттаивания грунтов………………………………….... 2.2. Моделирование температурного поля массива мёрзлых грунтов…. 2.3. Построение математической модели деятельного слоя грунта, находящегося под земляным полотном автомобильных дорог….... 2.4. Анализ устойчивости координаты границы фазовых переходов при промерзании–оттаивании грунтов деятельного слоя…………. 3. РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНЫХ МЕТОДИК С НЕОБХОДИМЫМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫМ ЭКСПЕРИМЕНТОМ……………………….

3.1. Методика расчёта промерзания – оттаивания грунта деятельного слоя и определение температуры на глубине годовых нулевых амплитуд мёрзлого грунта основания………………….…………… 3.1.1. Методика расчёта сезонного промерзания деятельного слоя грунта…………………………………........... 3.1.2. Методика расчёта охлаждения деятельного слоя грунта и мёрзлого грунта основания……………………………..……. 3.1.3. Методика расчёта температурного поля деятельного слоя грунта и мёрзлого грунта основания………………….………. 3.1.4. Методика расчёта оттаивания грунта деятельного слоя и мёрзлого грунта основания…………………………...…...…. 3.2. Вычислительный эксперимент……………………………………… 4. ПРОГНОЗНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ДЕЯТЕЛЬНОГО СЛОЯ ГРУНТА (ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ)………………………..… 4.1. Прогнозное моделирование температурного поля деятельного слоя грунта для первого варианта конструкции земляной насыпи... 4.2. Прогнозное моделирование температурного поля деятельного слоя грунта для второго варианта конструкции земляной насыпи... 5. ПРОВЕДЕНИЕ РАСЧЁТОВ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА……………………………………………… 5.1. Конструктивно-технологическое решение сооружения основания земляного полотна на вечной мерзлоте с использованием местных грунтов………………………………………………………. 5.2. Расчёт полного времени промерзания теплового диода и значений величин промерзания теплового диода сверху и снизу …………… 5.3. Расчёт температурных полей мёрзлых оснований дорожных насыпей при наличии теплового диода………………….....……….. 5.4. Расчёт влияния теплофизических и температурных параметров на период промерзания теплового диода…………………...……….. 5.5. Расчёт влияния теплового диода на мощность подстилающих мёрзлых грунтов……………………...…………….…………………. 6. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ (ТЕПЛОВОЙ) УСТОЙЧИВОСТИ ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ………………………………..………… 6.1. Оценка тепловой устойчивости слоя грунта………………..…….... 6.2. Разработка алгоритма для геокриологического прогнозирования устойчивости слоя грунта………………………………..………….. 7. РАСЧЁТНЫЙ АЛГОРИТМ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ДОРОЖНЫХ СООРУЖЕНИЙ………………… 7.1. Экспертная оценка геокриологической устойчивости дорожных сооружений в течение года……………………….……… 7.1.1. Глубина промерзания–оттаивания………………………….…. 7.1.2. Коэффициент тепловой устойчивости……………………….... 7.1.3. Условие существования коэффициента тепловой устойчивости………………………………………… 7.1.4. Условие тепловой устойчивости………………………………. 7.1.5. Экспресс-критерий…………………….………………………... 7.2. Прогнозирование динамичности теплового состояния и геокриологической устойчивости дорожных сооружений на перспективу……………………………..…………..……………… Математическая модель динамичности температурного поля слоя грунта…............................................ 7.3. Блок-схема расчетного алгоритма………………………………….... 7.4. Инструкция для пользователя………………………….....……..…… 7.5. Расчёт глубины и температуры нулевой годовой амплитуды температурного поля мёрзлого грунта………………………….….... 7.6. Графоаналитический метод определения круглогодичных значений температуры по глубине сезоннооттаивающего слоя грунта и вечномёрзлой толщи пород……………………...…… 7.7. Примеры расчёта и прогнозирования геокриологической устойчивости дорожных сооружений…………………….………..... Общие выводы…………………………………………………...…………..

Заключение…………………………...……………………………………… Библиографический список………………………………..……….….…... ВВЕДЕНИЕ При изысканиях, проектировании, строительстве и эксплуатации различных сооружений, возводимых на многолетнемерзлых грунтах, в частности земляном полотне, необходимо знать инженерно-геокриологические условия территории в естественной обстановке. Особое значение придается изменениям этих условий в процессе освоения территории в связи с необходимостью разработки специальных инженерных мероприятий по обеспечению устойчивости искусственных сооружений.

На сегодняшний день отсутствуют нормативные документы, позволяющие проводить геокриологический прогноз. По данной причине уже на стадии проектирования дорожных сооружений закладываются неправильные решения, что подтверждается состоянием автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты. Опять же отсутствие такого прогноза не дает эффекта от применения инновационных технологий. Данные обстоятельства указывают на своевременность и актуальность настоящей монографии.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 1.1. Общие положения Требования практики хозяйственного освоения районов вечной мерзлоты обусловили развитие теоретического, регионального и инженерного мерзлотоведения – науки об общих закономерностях развития мерзлых пород, в том числе изменениях мерзлотных условий пpи строительстве на вечномерзлых грунтах.

Комплексный подход к вопросам оценки изменений мерзлотных условий, которые произойдут в будущем, в том числе в связи с хозяйственным освоением территории развития вечномерзлых грунтов, изложен в фундаментальных работах [1–4]. Разработке теоретических основ мерзлотного прогноза и оценке изменений мерзлотных условий посвящена работа [5], в которой обобщены накопленные в мерзлотоведении знания, охарактеризованы все аспекты влияния природных факторов на формирование температурного режима мерзлых пород, определены основные теоретические и методические положения прогнозной оценки из менения мерзлотных условий при хозяйственной деятельности на замерзлоченных территориях.

В начале XXI в. вопрос геокриологического прогноза, несмотря на его изученность, звучит все чаще и чаще. В первую очередь это связано с непрекращающимися осадками насыпей дорожных одежд на вечной мерзлоте, особенно ввиду наблюдаемого с 80-х гг. XX в.

долговременного (прогнозируемого на весь XXI в. с темпом 0,02 … 0,07 0С в год по различным территориям) глобального потепления климата. Во-вторых, несмотря на большое количество научных исследований в указанной области, в настоящее время отсутствуют нормативные документы, регламентирующие необходимость геокриологического прогноза.

Вопросы прогнозирования температурного режима вечномерзлых грунтов на застраиваемых территориях при освоении северных районов страны, разработки математических методов анализа влияния отдельных факторов на параметры мерзлотных процессов освещены в трудах [6–10], основные положения которых будут учтены при разработке математической модели геокриологического прогноза.

1.2. Схемы теплового взаимодействия насыпи и грунтов основания Обычно у поверхности земли находится слой, который ежегодно летом оттаивает, а зимой замерзает. Он называется деятельным (сезоннооттаивающим) слоем. Для инженерных целей важнейшим вопросом является изучение физических процессов в сезонно-талом (деятельном) слое и его толщины, поскольку инженерные сооружения главным образом возводятся на этом и в этом слое.

Постройка дороги вносит большие изменения в природный режим вечномерзлых грунтов. Влияние этих изменений необходимо иметь все время в виду, принимая те или иные проектные решения.

На рис. 1.1 показано изменение температур без воздействия сооружения на вечномерзлых грунтах. Температуру вечномерзлых грунтов на глубине нулевых годовых амплитуд принимают расчетной при определении глубины оттаивания грунтов под сооружениями, возводимыми на вечномёрзлых грунтах (ВМГ).

Основными параметрами, характеризующими температурный режим пород в слое годовых его колебаний, являются среднегодовая температура t и амплитуда годовых колебаний температур А на следующих четырех уровнях:

на поверхности земли, т.е. на поверхности покровов на границе с атмосферой ( t0 и A0 );

на поверхности почвы под снежным, растительным или водным покровом ( tпп и Апп );

на подошве слоя сезонного промерзания (оттаивания) пород ( t и A );

на подошве слоя годовых колебаний температур.

К качественным показателям взаимодействия земляного полотна и ВМГ относятся:

­ изменение естественных мерзлотно-грунтовых условий под влиянием внешних воздействий при строительстве дорог;

­ повышение температуры ВМГ и оттаивание верхних слоев мерзлой толщи;

­ изменение деформативных и прочностных свойств ВМГ при оттаивании;

­ возникновение и развитие деформаций земляного полотна вследствие изменения мерзлотно-грунтовых условий и свойств оттаивающих ВМГ.

Рис. 1.1. Схематический температурный разрез толщи ВМГ:

1 – изменение температуры грунта по глубине в зимний период;

2 – изменение температуры грунта по глубине в летний период;

3 – верхняя граница многолетнемерзлых грунтов;

4 – нижняя граница многолетнемерзлых грунтов;

hга – глубина нулевых годовых амплитуд;

hд – мощность деятельного слоя;

h – мощность толщи ВМГ Для прогноза результатов взаимодействия земляного полотна и ВМГ необходимо учитывать количественные характеристики происходящих процессов:

­ мощность деятельного слоя в естественных условиях;

­ мощность деятельного слоя в пределах конструкции земляного полотна с учетом предпостроечных мероприятий;

­ глубину залегания поверхности ВМГ в основании насыпей;

­ величину осадки насыпи вследствие уплотнения растительно мохового покрова и деформирования грунтов деятельного слоя;

­ величину осадки насыпи вследствие уплотнения оттаивающих ВМГ основания.

Совокупное влияние перечисленных факторов в свою очередь обусловливает тепловой режим поверхностного слоя толщи ВМГ, поэтому возможны как повышение, так и понижение среднегодовой температуры и глубины залегания поверхности толщи ВМГ под насыпями по сравнению с их значениями в естественных условиях.

Схема теплового взаимодействия насыпи и грунтов основания приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2 Схема теплового взаимодействия дорожной насыпи и грунтов основания:

1 – насыпь;

2 – деятельный, сезоннопромерзающий оттаивающий слой;

3 – ВМГ;

4 – поверхность бугра многолетнемёрзлого грунта (ММГ);

5 – поверхность ВМГ;

6 – ВМГ в естественных условиях до возведения насыпи;

7 – ММГ 1.3. Анализ состояния конструкций дорожных насыпей в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов Данный подраздел содержит результаты обследования дорожных конструкции в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов с целью изучения их деформации, анализа изменений температурного режима и сезонного оттаивания-промерзания. В подборке обследования дорожных конструкций использованы материалы ведущих научно-исследовательских институтов СССР и РФ.

1.3.1. Обследование дорог Магаданской области Большая часть территории Магаданской области расположена в зоне сплошного распространения вечномёрзлых грунтов. В 1979 г.

было проведено обследование эксплуатационного состояния земляного полотна автомобильных дорог, построенных в этой зоне [11]. Проводились визуальное и детальное обследования дорог Атка – Делянкир ( 650 км) и Кадыкчан – Куранах – Сала на участке 145км.

По грузонапряжённости эти дороги относят к III категории.

Визуальным обследованием устанавливали: тип местности по условиям увлажнения, отражающего в определённой степени грунтово-гидрологические условия;

наличие осадок и просадок земляного полотна;

состояние поверхностного водовода. Выявляли развитие неблагоприятных физико-геологических процессов и явлений. Устанавливали, соответствует ли система водовода притоку воды и справляется ли с её своевременным отводом.

Детальное обследование осуществляли на марях, где устанавливали бурением глубину залегания верхней границы вечномерзлых грунтов в поперечном профиле земляного полотна.

Отбирали пробы грунта для лабораторного анализа. Фиксировали размеры земляного полотна и нивелированием устанавливали его высоту. Земляное полотно обследованных дорог представлено преимущественно местными крупнообломочными и гравийно песчаными грунтами.

Автомобильная дорога Кадыкчан – Куранах – Сала на участке от рабочего посёлка Кадыкчан до границы с Республикой Саха (Якутия) с гравийным покрытием серповидного профиля проложена в пересечённой местности. На обследуемом участке отмечаются все типы местности по условиям увлажнения. Первый тип местности превалирует на перевальных участках. Здесь земляное полотно выполнено преимущественно в виде полки, реже врезанной в косогор.

Второй тип местности распространён на косогорах, местами замерзлоченных. Дорога на таких участках проложена у подножья склона. Земляное полотно выполнено преимущественно в виде полунасыпи-полувыемки в щебенистых или гравелистых грунтах.

Третий тип местности характерен для пониженных участков, которыми, как правило, являются замаренные долины рек. На таких участках земляное полотно находится в насыпях высотой 0,4 – 0,8 м, иногда в «нулях», что свидетельствует о его значительных и длительных по времени просадках.

На обследуемом участке дороги наибольшее количество деформаций земляного полотна отмечается на втором и третьем типах местности. На втором типе местности образование деформаций обусловлено преимущественно необеспеченным водоотводом.

Отмечаются застои воды на проезжей части, в результате чего ровность на таких участках неудовлетворительная.

На участках с замерзлоченными склонами, где встречаются сильнольдистые грунты, отмечается оползание грунтовых масс (солифлюкция). Оползание грунта часто нарушает работу водоотводных сооружений (канав, труб и т.д.) в такой степени, что вызывает перелив воды через насыпь. Переполнение кюветов вызвано и отсутствием соответствующих перепусков воды на другую сторону земляного полотна. Наличие застойных вод и сильнольдистых грунтов основания насыпи способствует развитию просадок.

На третьем типе местности, который преимущественно характеризуется распространением марей, отмечаются просадки земляного полотна. Просадки вызваны протаиванием грунтов основания из-за недостаточной высоты земляного полотна и близкого устройства водоотводных канав. Нулевые места являются результатом осадки насыпи. Установить фактическую величину осадки не представилось возможным ввиду отсутствия надлежащего бурового оборудования, пригодного для бурения крупнообломочного грунта. На третьем типе местности эксплуатационным организациям приходится ежегодно производить досыпку земляного полотна, чтобы ликвидировать возникающие локальные осадки. Наибольшее количество осадок проявляется на замаренной пойме р. Аркагала.

Определение верхней границы вечномерзлого грунта (ВГВМГ) показало, что глубина оттаивания грунтов местности, прилегающей к земляному полотну, неравномерная и объясняется нарушением естественных условий. Нарушение вызвано устройством траншеи для укладки кабеля и водоотводной канавы. В естественных условиях мерзлота располагается на глубине 0,4 м. Неравномерное оттаивание грунтов основания в поперечном профиле насыпи способствует развитию осадок, что и было зафиксировано при обследовании.

Учитывая, что маревые участки обычно имеют незначительный уклон, который способствует формированию застойных вод в кювете, следует в таких местах отказаться от устройства водоотводных канав и предусматривать такую конструкцию земляного полотна, которая обеспечивала бы перепуск воды с одной стороны насыпи на другую.

Автомобильная дорога на участке Атка – Делянкир проходит в пределах водосборов притоков р. Колымы, пересекая их водоразделы.

На пониженных участках и долинах рек развиты моховые мари (третий тип местности). Мари пересекаются трассой дороги иногда на протяжении более чем 3 км. Обычно земляное полотно на марях построено в насыпи высотой 1,8 – 2,2 м. Однако при обследовании нередко наблюдались участки, где земляное полотно проходит уже в «нулевых» отметках (например, 775 – 777 км).

Деформации земляного полотна в виде просадок основания становятся особенно заметными при высоте существующей насыпи до 0,8 – 1,0 м. Имеются просадки земляного полотна и разрушение полосы отвода, связанные с вытаиванием подземных льдов, что связано с уничтожением мохового покрова на мари пожаром.

Катастрофическое нарушение естественных условий лесными пожарами особенно проявляется на склоновых участках трассы.

Уничтожение растительности способствует более глубокому оттаиванию грунтов. При выпадении дождей формируются водные потоки, которые увлекают за собой грунт вниз по склону.

Грязекаменные потоки отмечались на склонах южной экспозиции, угол наклона которых по визуальной оценке не превышал 30. Сход грязекаменных потоков сопровождался отложением грунта на проезжей части дороги и нарушением водоотвода. На участках с застойными водами происходит оттайка мёрзлых грунтов с последующим образованием провальных ям.

На дорогах Магаданской области широко развиты наледные явления. В пределах прибрежной полосы в основном формируются наледи грунтовых вод. За пределами прибрежной полосы формируются наледи на водотоках. Формирование наледей вызвано преимущественно нарушением естественных условий. Обычно они наблюдаются при вскрытии водоносных слоев на косогорах устройством «полунасыпей – полувыемок», а также в выемках.

Наледи нередко образовываются при устройстве низких (до 0,5 м) насыпей, создающих благоприятные условия для интенсивного промерзания потоков подземных вод. Нередкая необеспеченность поверхностного водоотвода (выбоины, ямы, колейность и т.д.) и наличие дисперсных пучинистых грунтов в верхней части насыпи способствуют развитию пучения, например, 707 – 708 км [11].

В настоящее время схожая ситуация с состоянием автомобильных дорог сложилась в Чукотском автономном округе. До 60% автодорог, преимущественно построенных по второму принципу проектирования, нуждаются в реконструкции. Высота насыпей в среднем в два раза ниже, чем положено по теплотехническому расчёту, а 15% находятся уже в «нулевых» отметках и под нагрузкой автотранспортных средств продолжают погружаться в тундру. Такое положение требует проведения постоянных ремонтных подсыпок в тёплый период года. В длительный холодный период такие участки, как правило, заметаются снегом и требуют постоянной снегоочистки.

Всё это значительно увеличивает эксплуатационные расходы и ухудшает безопасность движения.

Особенно опасны дорожные насыпи, в которых по второму принципу используют в нижней части дренирующие грунты.

Объясняется это тем, что по допускаемой осадке погружающаяся в основание нижняя часть насыпи из дренирующего грунта нередко заполняется тёплыми водами «верховодки». При этом теплопроводность у дренирующих грунтов выше, чем у мохорастительного покрова и глинистых грунтов основания, а наличие воды в основании насыпи создаёт повышенный тепломассоперенос, сопровождающийся интенсивным развитием термокарстовых процессов. На участках с застоем воды у насыпи или в её основании, особенно с поперечной или продольной фильтрацией тёплой воды (в основании насыпи), запускаются механизмы образования термокарста. Образование и разрастание таликов (термокарста) в основании дорожных насыпей на мерзлоте сопровождается развитием длительных, неравномерных и слабозатухающих просадок многолетне протаивающего мёрзлого основания.

1.3.2. Обследование притрассовых автомобильных дорог БАМа Западный участок. Обследование проводили от ст. Ния до ст.

Киренга, от ст. Киренга до ст. Кунерма и от ст. Кунерма до ст.

Нижнеангарск-1.

Земляное полотно возведено преимущественно в насыпи, выемки составляют менее 1% от протяжённости дороги. Высота насыпи, как правило, 0,5 – 1,0 м, реже достигает 1,5 м. У водопропускных труб и малых мостов высота насыпи колеблется от 2,0 до 6,0 м. Крутизна откосов составляет от 1:1,0 до 1:1,5, ширина земляного полотна поверху 7,0 – 9,0 м, а понизу 8,5 – 13,5 м.

Как правило, насыпи возведены из грунтов сосредоточенных карьеров и выемок: гравийно-песчаной смеси, скального грунта, галечника, алевролита и аргиллита. Покрытие серповидного профиля толщиной 10 – 20 см устроено на всю ширину земляного полотна из гравийно-песчаной смеси только на участках, где насыпи возведены из неводостойких аргиллитов или алевролитов. В остальных случаях применён «совмещённый» поперечный профиль, т. е. земляное полотно и дорожное покрытие отсыпано из грунта одного вида:

скального, дресвяного или гравийно-песчаного.

Водоотвод обеспечивается следующим образом: поперечный – деревянными трубами и малыми мостами;

продольный – водоотводными канавами треугольного сечения и кюветами, которые устроены непосредственно около подошвы земляного полотна.

Обследование позволило выявить ряд характерных деформаций в виде просадки, осадки и расползания земляного полотна, колейности на проезжей части, разрушения обочин и откосов насыпей и водоотводных сооружений.

Осадка и расползание земляного полотна, как правило, зафиксированы на моховых и кочковатых маревых участках с вечномерзлыми грунтами. Причиной их возникновения является недостаточно полный учёт мерзлотных условий при проектировании дороги, а также несоблюдение правил и норм производства работ при её строительстве. Например, на участке автомобильной дороги п.

Магистральный – п. Улькан, расположенной на замерзлоченной моховой мари и отсыпанной в зимний период, летом была устроена водоотводная канава, непосредственно у подошвы земляного полотна.

Из-за скопления в ней воды нарушился температурный режим грунтов мёрзлого основания. Неравномерность оттаивания основания вызвала неравномерные просадки земляного полотна и частичное его расползание.

Просадочные деформации проявляются на участках с малой высотой насыпи (0,5 – 0,7 м). Под действием большегрузного технологического и транзитного автотранспорта происходит продавливание грунтов земляного полотна в грунты основания.

Подобные деформации в катастрофической форме проявляются в летний период на земляном полотне, отсыпанном на неустойчивых склонах, сложенных переувлажнёнными вечномёрзлыми глинистыми грунтами.

В значительной степени отмечаются размывы водоотводных канав, устроенных в глинистых грунтах, на местности с продольным уклоном более 2 – 3%. Развитие этих деформаций объясняется отсутствием укрепления откосов и дна канав. Как правило, размыв канав, устроенных в непосредственной близости от земляного полотна, влечёт за собой разрушение откосов, а иногда и обочин насыпи.

Центральный участок. Обследование проводили на участках Тында – Хорогочи и от п. Тында до п. Могот.

Так же, как и на западном участке, автомобильная дорога проходит параллельно оси главного пути с низовой или верховой стороны по горной местности и по долинам рек. Земляное полотно возведено преимущественно в насыпи. Высота насыпи в горной местности и на участке Тында – Могот составляет 0,5 – 0,7 м. На участках, где дорога проходит по долинам рек, высота насыпи достигает 1,0 – 1,5 м.

На маревых участках, сложенных слаборазложившимся торфом и не имеющих признаков развития термокарста, насыпь устраивалась высотой 1,0 – 1,5 м из дренирующего грунта. С верховой стороны на расстоянии от 2 – 3 до 10 м устраивалась водоотводная канава.

Состояние таких участков на момент обследования было хорошее. На участках местности ІІ – ІІІ типов по характеру увлажнения и сложенных слабыми просадочными грунтами в основании земляного полотна устраивается хворостяная выстилка толщиной 15 – 20 см из порубочных остатков с просеки дороги.

В целом все дефекты, имеющиеся на западном участке, имеются в наличии и на центральном.

Восточный участок. Участок автомобильной дороги Комсомольск – Хурмули запроектирован по IV технической категории с шириной земляного полотна поверху 10 м, шириной проезжей части 6 м и покрытием серповидного профиля из гравийных и щебёночных материалов. В качестве искусственных сооружений запроектированы железобетонные мосты и трубы.

Обследование показало, что наблюдаются похожие деформации, связанные с наличием вечномёрзлых и слабых грунтов в основании земляного полотна, как и на других участках. Наиболее распространёнными и характерными являются просадка насыпи, оползание обочин, колейность, выкрашивание гравия на проезжей части, сплошная ямочность с глубиной 10 см. Такое состояние земляного полотна вызывается оттаиванием и переувлажнением вечномёрзлых грунтов основания. Оттаивание происходит вследствие недостаточной высоты насыпи и воздействия поверхностных вод, что особенно характерно прослеживается на дороге Ургал – Могды. Так, на 102 км обследована насыпь высотой 1,2 м, возведённая из среднего и мелкого речного гравия на моховой мари с небольшим уклоном поверхности земли. На участке произошло скопление воды у насыпи с нагорной стороны. Это вызвало протаивание грунтов основания под откосом, составившее 1,1 м, в то время как на расстоянии 10 м от насыпи глубина оттаивания равна 0,3 м, а под низовым откосом 0,5 м.

Неравномерное оттаивание обусловило неравномерные осадки обочины и проезжей части насыпи. Необходимо отметить, что указанные выше деформации отмечаются практически на всех маревых участках, когда высота насыпей не превышает 1,0 м.

1.3.3. Опытное строительство и обследование опытных участков на притрассовой автомобильной дороге БАМа Опытный участок притрассовой автомобильной дороги протяжённостью 1000 м был построен на 174 – 175 км железнодорожной линии западного участка БАМа в районе п.

Магистральный (ст. Киренга). Дорога проходит по моховой мари, сложенной торфяником с влажностью от 300 до 1200%, мощностью 1,0 – 3,0 м, подстилаемым вечномёрзлой супесью и гравийно галечниковыми отложениями. Марь местами обводнена, в результате получил развитие термокарст.

Опытный участок представлен тремя конструкциями земляного полотна высотой от 1,3 до 1,6 м, отсыпанных из гравийно-песчаной смеси.

В первой конструкции слой теплоизоляции представлен мохоторфом, отсыпанным по всей ширине земляного полотна понизу.

Его толщина после укладки составила в среднем 0,6 м. Общая высота насыпи равна 1,6 м.

Во второй конструкции под проезжей частью уложена хворостяная выстилка из порубочных остатков толщиной 15 – 20 см с просеки трассы, а слой теплоизоляции под откосными частями и бермы отсыпаны из мохоторфа с толщиной слоя после укладки 0,7 – 0,9 м. Общая высота насыпи равна 1,3 м.

Третья конструкция построена по проектному варианту. В основании на всю ширину насыпи устроена хворостяная выстилка из порубочных остатков толщиной 0,2 м с просеки трассы. Высота насыпи в среднем по длине участка составляет 1,3 м.

Для накопления фактических данных по температурному режиму и осадкам на опытных конструкциях были оборудованы наблюдательные посты с установкой датчиков температуры и осадочных марок.

Детальные обследования опытных конструкций и наблюдения на постах осуществлялись в течение двух лет (1975 – 1976 гг.) и позволили сделать следующие выводы:

1. На марях и мёрзлых торфяных основаниях наиболее рациональной является вторая конструкция, обеспечивающая наименьшее нарушение естественного температурного режима грунтов. Регулируя высоту насыпи и берм, а также отсыпая мохоторфяной слой на хворостяную выстилку, можно обеспечить устойчивость насыпи и оттаивание основания на глубину, не превышающую допустимую.

2. Устройство теплоизоляционного слоя из мохоторфа высотой 0,6 м в рыхлом состоянии, что имеет место в первой опытной конструкции, не достигает намеченной цели. Происходит глубокое протаивание основания под откосными частями насыпи, что нарушает её устойчивость. В этой конструкции мохоторфяной слой должен устраиваться на ширину, превышающую ширину земляного полотна понизу, образуя теплоизоляционные бермы шириной не менее 3 м.

Конструкцию без берм можно применять на слаборазложившихся торфяниках.

Третья конструкция на кочковатых и мелкобугристых марях может применяться при высоте насыпи более 1,5 м. При меньших высотах происходит деградация вечномёрзлых грунтов основания, что вызывает значительные осадки насыпи и потребность в постоянных досыпках погружающихся участков [12].

1.3.4. Дренирующие и охлаждающие насыпи на вечной мерзлоте На участках пересечения марей, где отмечаются полосы стока и отсутствуют сильнольдистые грунты и льды, рекомендуется устройство нижней части насыпи из крупнообломочных глыбовых грунтов [11, 12]. Для предохранения мохорастительного покрова от разрушения целесообразно этот слой отсыпать на прослойку, предварительно отсыпанную из грунтов мелких фракций (не крупнее 70 – 100 мм). Исследования, проведённые в 70-е гг., показали, что использование скальных грунтов позволяет регулировать положение верхнего горизонта вечной мерзлоты в основании насыпи [13] – [15].

При этом оптимальная высота насыпи из условия сохранения грунтов основания в мёрзлом состоянии оказывается в 1,5 – 2 раза меньше, чем из супесчаных или песчаных грунтов [16].

Проведёнными наблюдениями установлено, что на маревых участках с хорошо выраженным поперечным уклоном местности (без застоя воды) под насыпями высотой 1 – 2 м, отсыпанными из рваного камня и щебня (без мелкозёма), хорошо проветривающихся зимой при незначительном снежном покрове, фильтрационный поток не вызывал заметного понижения ВГВМГ. Даже при температуре фильтрующейся воды 5 – 10 0С глубина оттаивания грунтов основания насыпи не превышает глубины в естественных условиях. В отдельных случаях отмечается даже поднятие мерзлоты. При этом толщина слоя (не менее 1м) и состав скального грунта (желательно камни диаметром 20 – 40 см) должны обеспечивать свободный перепуск воды в низовую сторону земляного полотна и хорошую проветриваемость основания насыпи зимой (без забивания снегом) с необходимой подзарядкой его холодом.

Устройство дренирующих насыпей позволяет отказаться от устройства водоотводных канав, также их можно использовать на участках формирования наледей [17]. Анализ эффективности работы известных противоналедных мероприятий на ряде объектов Дальнего Востока и Сибири позволил установить, что наиболее успешно работают трубы большого диаметра, мосты больших пролётов, а также безнапорные фильтрующие насыпи. Технико-экономические показатели, учитывающие затраты на строительство, ремонт, эксплуатационные расходы и др., показывают, что стоимость фильтрующей насыпи на 30–35% ниже стоимости мостов и труб больших диаметров [18]. Если учесть, что в северной строительно климатической зоне затраты на инженерные работы почти в 2 – 2, раза больше, чем в обычных условиях, то экономический эффект выразится в значительной сумме.

Фильтрующие насыпи как временные сооружения применялись в нашей стране ещё с 80 – 90-х гг. позапрошлого XXI в. [19, 20]. Как постоянные сооружения они впервые были возведены в 1915 г. через Кандалакшскую губу Белого моря на Мурманской железной дороге. В настоящее время строительство и эксплуатация фильтрующих ж/д насыпей в районах вечной мерзлоты регламентируется обязательным Приложением 10 ВСН 61-89 (с использованием авт.св. № 1060761, 1983г. «Способ возведения насыпи»).

Недостатками фильтрующих насыпей являются их заиливаемость на водотоках, несущих глинистые или илистые (пылеватые) частицы, а также засорение их различным плавучим мусором. В зимний период откосы низких дренирующих насыпей не должны заноситься снегом, так как это лишает необходимой зимней подзарядки холодом мёрзлого основания. Основание дренирующих насыпей не должно проседать, так как это образует углубление, заполненное водой, и приводит к развитию термокарста с долговременной потерей устойчивости. Технологически также достаточно трудоёмко отбирать чистый камень (по условиям укладки и уплотнения в ВСН 61-89, рекомендуется использовать камень диаметром 0,3 – 0,5 м) без мелкозёма, что требует отдельной сортировки.

В результате дренирующие насыпи не нашли широкого применения при дорожном строительстве автомобильных дорог из-за дороговизны, значительной трудоёмкости и сложности эксплуатации при негарантированной надёжности их последующей работы. Однако охлаждающий эффект дренирующих (и дополнительно охлаждающих зимним проветриванием мёрзлое основание) насыпей нашёл широкое применение в проветриваемых подсыпках под зданиями на вечной мерзлоте [21]. Также широко используется устройство охлаждающих каменных обсыпок откосов ж/д насыпей слоем толщиной до 0,8 – 1,0 м. Это, по проведённым наблюдениям, позволяет снизить среднегодовую температуру на подошве слоя обсыпки до 2,5 – 3,0 0С [22].

В настоящее время за рубежом и в РФ одним из наиболее рациональных видов обеспечения быстрого, недорогого и надёжного водоотвода на вечной мерзлоте является устройство металлических гофрированных труб (МГТ). Будучи гибкими, эти трубы работают совместно с окружающим грунтом засыпки, что способствует облегчению конструкций. Укладка их производится бесфундаментно.

В результате возведение таких труб обеспечивает наименьшие нарушения естественных условий, требует минимальных транспортных расходов, относительно небольших затрат материалов и труда на строительной площадке, обеспечивает сокращение сроков строительства сооружений. В металлических гофрированных трубах практически исключается появление целого ряда деформаций, характерных для бетонных и железобетонных труб.

К настоящему времени в отечественной практике освоено производство круглых гофрированных труб диаметром 1,5 ;

2,0 и 3, м из стальных листов толщиной 2,0 и 2,5 мм с размером гофр 130 – 135 мм и расчётным периодом работы 50 – 70 и более лет.

Разработаны и производятся конструкции металлических гофрированных мостов-труб большого диаметра с поперечным сечением овального и овоидального очертания. Взамен мостов на мерзлоте предложены и построены металлические гофрированные трубы с самоохлаждающими системами для регулирования температурного режима мёрзлых грунтов в основании. В качестве охлаждающих систем используются сами водопропускные трубы – МГТ диаметром 2,0 м (увеличенного против расчётного по водопропускной способности отверстия) и трубы-продухи из МГТ диаметром 0,5 – 1,5 м, укладываемые на специальные каменные призмы высотой около 1,0 м по обеим сторонам водопропускной трубы (авт. св. №1358502, СССР). Сооружение проектируют исходя из условия использования вечномёрзлых грунтов основания по первому принципу.

Наблюдения показали, что в процессе пятилетней эксплуатации данной конструкции в основании сформировался более холодный температурный режим: температуры грунтов на уровне нулевых годовых амплитуд (на глубине примерно 10 м) понизились на 0,9 – 1,8 0С. Дополнительно произошло значительное повышение положения нулевой изотермы (т.е. уменьшилась глубина летнего оттаивания мёрзлого грунтового основания под водопропускной трубой), что повысило общую устойчивость вечномёрзлого основания. Исходя из практического опыта охлаждения вечномёрзлого основания под проветриваемыми (дренирующими) дорожными насыпями из крупнообломочного грунта в процессе технического и научного сопровождения строительства федеральной а/д Чита – Хабаровск ОАО «Омский Союздорнии» совместно с ОАО «Иркутскгипродорнии» была разработана и запатентована конструкция самоохлаждающейся насыпи на неустойчивой вечной мерзлоте (RU 2256030 С2 2003 г).

С 2010 г. к данному направлению совместно с Омским Союздорнии подключается Сибирская автомобильно-дорожная академия (СибАДИ). В результате ОАО «Омский Союздорнии»

совместно с СибАДИ и ООО «Сибиндор» в 2010 г. разрабатывает и подает заявку на изобретение по конструкциям и способам (технологиям) возведения на вечной мерзлоте высоких (более 3 м) дорожных насыпей с оптимальным тепловым диодом. Предлагаемые технические решения (изобретения) позволяют достаточно апробированно обеспечивать строительство и максимально возможное естественное сохранение (с дополнительной усиленной природной «подзарядкой холодом») неустойчивой высокотемпературной мерзлоты в основании инженерных сооружений во время глобального потепления.

1.3.5. Наблюдения за осадкой частично оттаивающих мёрзлых оснований автомобильных дорог на севере Восточной Сибири Вечная мерзлота и наличие в деятельном сезоннопротаивающем слое глинистых пылеватых грунтов, переходящих при оттаивании в текучее состояние, предъявляют особые требования к проектированию и строительству транспортных магистралей.

Наблюдения проводились три летних периода на опытных участках и постах. Одновременно каждый месяц регистрировалась температура и определялась влажность грунтов земляного полотна и оснований. Посты №3, 4, 5 были оборудованы в процессе опытного строительства в июле 1963 г. на трех различных по разновидности материала и расположению слоев конструкциях земляного полотна.

Опытная насыпь высотою 1 м на посту №3 отсыпана из взорванного скального грунта с примесью суглинка на маревом участке, расположенном рядом со скальной выемкой. Земляное полотно возводили частично бульдозером и доводили до проектной отметки автомобильной возкой. Мохорастительный покров в основании после взрыва выемки был продавлен и практически уничтожен бульдозером. Деятельный слой сложен суглинком с примесью гравия до 16% и естественной влажностью грунта в пределах 28 – 39%.

На посту №4 насыпь высотою 0,8 м отсыпана из песчано гравийной смеси на сравнительно устойчивом основании, грунты которого представлены суглинками тяжелыми с примесью гравия до 35%, а их естественная влажность равна 24 – 25%. Земляное полотно возведено на возвышенном участке местности. С левой стороны от подошвы насыпи имеется просека шириной 13 м, а с правой вплотную к дороге подступает густой смешанный лес, представленный березой и лиственницей. Мохорастительный покров слоем 12 – 15 см в основании был сохранен и дополнительно еще уложены остаточные порубки.

В процессе опытного строительства на посту №5 была осуществлена конструкция земляного полотна из легкой супеси ( Wест = 14,8%) с обсыпкой откосов и устройством проезжей части из гравийно-песчаной смеси слоем 40 см. Высота насыпи 0,8 м.

Земляное полотно возводилось автосамосвалами ЗИЛ-585 и тракторными тележками с тягачами С-100. Грунты основания сложены пылеватыми глинами и суглинками с естественной влажностью около 37% или 0,8 от влажности на границе текучести.

Мохорастительный покров слоем 13 – 15 см сохранен. В основании земляного полотна уложены остаточные порубки. С правой стороны к участку подходит смешанный лес с подлеском, а с левой имеется просека шириной 9 м. Наибольшая по своим значениям осадка грунтов основания зафиксирована на посту №3.

Наличие переувлажненных суглинистых грунтов в основании, отсыпка насыпи автомобильной возкой несцементированными обломочными грунтами с суглинистым заполнителем (40%) на талые грунты деятельного слоя (мощность талого прослойка к моменту производства работ составила 1,0 м) обусловили значительные деформации грунтов основания (табл. 1.1).

Таблица 1. Значения деформации грунтов основания Дата измерения Местополож ение 13.08.1963 28.02.1964 25.06.1964 28.09. нивелировоч осадка, осадка, осадка, осадка, отм. отм. отм. отм.

ных марок мм мм мм мм – Под левой 97,778 97,600 178 97,523 255 97,511 обочиной По оси – 98,368 98,149 219 97,904 464 97,889 дороги Под правой – 97,384 97,313 71 97,009 375 97,001 обочиной Осадки протекали особенно активно в первый год строительства дороги, а ко времени сдачи ее в эксплуатацию (1965 г.) они почти прекратились (рис. 1.3). После окончания строительных работ глубина протаивания под метровой насыпью по оси дороги в 1964 г.

достигла 2,10 м, а под обочиной – 2,30 м. Именно в этом году, если проследить ход осадки грунтов естественного основания, деформации протекали особенно интенсивно. Хотя в 1965 г. осадки продолжались, они имели тенденцию к затуханию. Основным путём снижения стоимости и повышения темпов строительства автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты является сооружение земляного полотна из местных, преимущественно глинистых грунтов. Однако сооружение земляного полотна из глинистых грунтов, сильно и избыточно переувлажнённых после оттаивания в районах распространения вечной мерзлоты, обычно возможно только при проведении специальных мероприятий. Проведённые рядом ученых (И.А.

Золотарем, А.С. Плоцким и др.) исследования показали, что достаточно прочное и устойчивое земляное полотно из местных глинистых грунтов можно получить при соблюдении следующих правил производства работ:

1) резервы для возведения земляного полотна желательно устраивать на участках, имеющих уклон не менее 0,5%;

2) просеку под земляное полотно и резервы, удаление мохорастительного покрова с полосы резервов, водоотводные и нагорные канавы желательно устраивать за год до возведения земляного полотна. Это позволяет значительно осушить грунты к моменту их разработки;

3) грунт в резервах для возведения насыпи рекомендуется разрабатывать послойно, весной – по мере оттаивания, летом – по мере просыхания с поверхности.

Рис. 1.3. Осадка грунтов естественного основания насыпи на наблюдательном посту №3:

1 – под левой обочиной;

2 – по оси дороги;

3 – под правой обочиной Верхняя часть насыпи из глинистых грунтов по расчёту на прочность (но не менее чем на 0,5 м) должна отсыпаться несцементированными обломочными грунтами. По технико экономическим расчётам, стоимость 1 м3 земляного полотна из местных глинистых грунтов боковых резервов в среднем в 3 и более раза меньше, чем доставляемого автовозкой крупнообломочного грунта при значительном возрастании темпов строительства [23].

Анализируя характер протекания осадок на посту №3, можно отметить, что в строительный период они проявлялись неравномерно по площади основания. Деформации грунтов основания по оси дороги были больше, чем под левой и правой обочинами. Эта разница в размерах осадки достигала 200 мм. Объясняется она неравномерной отсыпкой земляного полотна по ширине насыпи и проведением работ в летний период. В момент отсыпки земляного полотна с левой стороны имелся невырубленный лес, величина протаивания там составила 0,7 м, а по оси дороги (на просеке) мощность талого прослойка составляла 1 м. Кроме того, щебенистый материал земляного полотна, обладающий высокими теплопроводными свойствами, способствовал интенсивному прониканию тепла в летний период в грунты деятельного слоя. В первый год строительства это привело к протаиванию вечномерзлых грунтов под насыпью, понижению границы вечной мерзлоты, которое сопровождалось отжатием воды из верхних горизонтов основания, и увеличению влажности с глубиной (табл. 1.2). Такое перераспределение влаги в деятельном слое возникло из-за уплотнения и осадки грунтов основания насыпи.

Таблица 1. Значения влажности Относительная влажность в осенний период Wотн = Wест / Wтек Глубина 1963 г. 1964 г. 1965 г.

отбора проб, в в в м основании основании основании в поле в поле в поле земляного земляного земляного полотна полотна полотна 0,4 0,64 0,78 0,61 0,81 0,59 0, – – – 0,95 0,66 0,63 0, – – – 1,5 0,66 0,85 0, В период стабилизировавшегося водно-мерзлотного режима грунтов деятельного слоя и земляного полотна (1965 г.) осадка естественного основания протекала относительно равномерно. Для этого периода характерно определенное постоянство максимальной глубины протаивания грунтов основания. По данным температурных наблюдений 1965 г., мощность талого прослойка по оси дороги и под обочинами по сравнению с данными 1964 г. не имела значительных отклонений.

Осадки во времени на посту №4 (1963 – 1966 гг.) имеют более плавный характер (рис. 1.4), чем на посту №3. Грунты основания по оси дороги просели больше, чем под обочинами. Способствовало этому то, что движение транспорта осуществлялось в основном по оси дороги (однополосное движение), т.е. здесь при низкой насыпи влияние подвижной нагрузки сказывалось в большей степени, чем на обочинах.

Рис. 1.4. Осадка грунтов естественного основания насыпи на наблюдательном посту №4:

1 – под левой обочиной;

2 – по оси дороги;

3 – под правой обочиной В период проведения опытных работ величина талого прослойка по оси дороги составляла 84 см. По данным наблюдений 1964 г., глубина протаивания грунтов основания достигла 1,7 м. В 1965 г. ее резкого колебания не было отмечено. Таким образом, при высоте насыпи 0,8 м, отсыпанной из гравийно-песчаного материала на устойчивых грунтах деятельного слоя, некоторое увеличение глубины протаивания вечномерзлых грунтов не приводило к опасным для дорог V категории деформациям дорожных конструкций. Осадка грунтов основания (особенно по оси дороги) на посту №5 гораздо больше (138 мм), чем на посту №4 (табл. 1.3). Объясняется это наличием в деятельном слое грунтов с невысокой несущей способностью (суглинок пылеватый с естественной влажностью 37%).

В зимние периоды 1964 и 1965 гг. на посту было отмечено пучение грунтов основания. Как показывают наблюдения (рис. 1.5), влажность грунтов основания в течение всего периода осталась выше, чем земляного полотна. Поэтому промерзание деятельного слоя сопровождалось накоплением линз льда, что в свою очередь приводило к пучению.


Распученные зимой основания при оттаивании под действием веса насыпи проседали чрезвычайно неравномерно. Под правой обочиной, вплотную к которой подступает смешанный лес, осадка достигла 38 мм, а под левой, со стороны которой лес вырублен, – мм (табл. 1.3).

Таблица 1. Данные по осадке Даты измерения 13.08.63 г. 28.02.64 г. 02.10.64 г. 10.03.65 г. 17.06.66 г.

Местополо- (+) (+) (+) (+) (+) жение марок пуч. пуч. пуч. пуч. пуч.

отм. отм. отм. отм. отм.

(-) (-) (-) (-) (-) осад. осад. осад. осад. осад.

Под левой 199,23 – 199,22 -8 199,16 -60 199,2 +34 199,13 - обочиной По оси 199,41 – 199,42 +8 199,32 -97 199,36 +42 199,27 - дороги Под правой 199,20 – 199,21 +11 199,16 -55 199,18 +18 199,13 - обочиной Значительное зимнее влагонакопление, сопровождающееся пучением, снижает несущую способность грунтов деятельного слоя и в период оттаивания придает им неустойчивость. Из года в год осадки все продолжаются. На слабых основаниях, по данным наших наблюдений во II дорожно-климатическом районе зоны вечной мерзлоты, высота насыпи должна назначаться не менее 1,5 м.

Отсыпка земляного полотна на таких основаниях в зимний период снижает величину строительных осадок, переводя их в эксплуатационные растягивающиеся на 4 – 5 лет. На наблюдательных постах №18 и 20 в течение 1964 – 1966 гг. зафиксированы значительные послепостроечные осадки грунтов основания (рис. 1.6, 1.7). Опытное строительство на этих участках осуществлялось в чрезвычайно сложный по метеорологическим условиям летний период 1964 г., когда повторяемость атмосферных осадков была очень велика.

Рис.1.5. Распределение относительной влажности в грунтах земляного полотна и основания на посту № 5:

1 – в поле;

2 – в земляном полотне;

3 – в основании земляного полотна Количество дней с осадками с июня по сентябрь составляло ежемесячно в среднем около 12, что привело к дополнительному увлажнению глинистых грунтов в резервах и в основании насыпи.

Участок дороги проходит по пологому склону долины ручья.

Экспозиция рельефа южная. Продольный уклон местности незначительный, равен 2,2 – 2,4%. Грунты деятельного слоя на всем протяжении опытного участка достаточно однообразные и представлены пылеватой глиной с числом пластичности 18, оптимальной влажностью 20,4 – 25,6%, максимальной плотностью 1,53 – 1,7 г/см3, влажностью предела текучести 38,4 – 42,3%.

Земляное полотно на опытном участке возводилось бульдозерами. Грунт разрабатывался в притрассовых (боковых) резервах, перемещался и укладывался в насыпь слоями по 30 см.

Естественная влажность грунта резервов в период земляных работ достигала 44 – 60%, или 1,16 – 1,48 от Wтек. Передвижение технологических машин (бульдозеров) осуществлялось со срезкой талого по мерзлому грунту, а при глубоком протаивании было чрезвычайно затруднительным. При глубоком протаивании приходилось срезать талый слой не полностью, а частично.

Оставшуюся часть талого слоя толщиной, равной просвету от грунтового основания до днища бульдозера (около 30 – 35 см), срезали следующим проходом также с транспортировкой в тело насыпи слоем толщиной до 1 м в «прижим». Растительный слой на таких участках в основании насыпи и в основании защитных метровых берм был практически уничтожен и перемешан с разрабатываемым в боковых резервах переувлажнённым глинистым грунтом. Защитные бермы при этом были заменены более пологими откосами 1:3 и 1:4.

Рис. 1.6. Осадка грунтов естественного основания на наблюдательном посту № 18:

1 – под левой обочиной;

2 – по оси дороги;

3 – под правой обочиной В процессе строительства на посту №18 была сооружена опытная конструкция без сохранения мохорастительного покрова в основании и без грунтовых берм, а на посту №20 с его сохранением как в основании, так и на 3-метровых бермах. Мощность мохорастительного покрова была до 20 см. Анализируя ход осадки во времени (см. рис. 1.6), можно отметить некоторые общие черты в протекании деформаций. На обоих постах осадка протекала особенно интенсивно во время земляных работ. На посту №18 в основании мохорастительный покров был снят, и деформации были в 1,5 раза больше, чем зафиксированные в то же время на посту №20, где мохорастительный покров был сохранен. Между тем гидрологические и грунтовые условия и высота насыпи (1 м) на обоих участках одинаковые, условия производства работ также аналогичны.

Проведенные наблюдения показали, что сохранение мохорастительного покрова на поверхности естественных оснований способствует уменьшению осадки. На опытных участках также было исследовано влияние берм на устойчивость земляного полотна.

Рассматривая результаты хода осадки во времени, можно констатировать, что на посту №18 деформации под обочинами несколько выше, чем на посту №20. Это подтверждает мнение, что бермы в условиях зоны вечной мерзлоты оказывают благоприятное влияние на устойчивость грунтовых оснований, а следовательно, и насыпей. В 1965 г. осадки на постах стали затухать в связи с начавшейся стабилизацией водно-мерзлотного режима грунтов деятельного слоя и земляного полотна. По данным температурных наблюдений 1965 – 1966 гг., глубина протаивания грунта по оси дороги оставалась на одинаковом уровне (1,8 – 1,9 м).

Наблюдения за водным режимом на постах показывают, что прослеживается заметное уменьшение влажности грунтов основания во времени (с 1964 до 1966 гг.) и по глубине (см. рис. 1.7). При резервном профиле происходит некоторое осушение грунтов деятельного слоя под земляным полотном (Wотн 0,8 Wтек ).

Следовательно, резервы дополнительно исполняют роль как наружного водоотвода (сбор поверхностной воды), так и внутреннего (сбор грунтовых и надмерзлотных вод).

На всех наблюдательных постах осадки естественных оснований в процессе строительства достаточно однообразны и сводятся главным образом к уплотнению оттаивающих глинистых грунтов деятельного слоя под действием веса возводимой насыпи и работающих дорожно-строительных машин. Это подтверждается нашими наблюдениями за изменением плотности грунтов основания на посту №8. До возведения земляного полотна плотность естественного основания на глубине 0,18 м по оси дороги составляла =1,44 г/см3, а после отсыпки насыпи она увеличилась до =1,69 г/см3.

Выпирание грунтов деятельного слоя в стороны от земляного полотна на постах не было зафиксировано.

Анализ результатов наблюдений за устойчивостью грунтовых оснований позволяет отметить, что при строительстве автомобильных дорог во II дорожно-климатическом районе [24] зоны вечной мерзлоты часто наблюдаются главным образом строительные осадки, протекающие в основном при проведении земляных работ.

Спецификой этого вида осадок является их интенсивное протекание в первый год строительства. В последующие годы по мере стабилизации водно-мерзлотного режима грунтового основания они затухают и, как правило, через 1 – 2 года после окончания строительства практически прекращаются полностью, иногда переходя в эксплуатационные (термокарстовые или пучинные).

Наблюдения показали, что при проведении земляных работ отмечаются значительные потери грунта за счет осадки отсыпаемой насыпи в грунты деятельного слоя. Особенно велики такие потери при сооружении дорожных конструкций в весенне-летний период, когда земляное полотно возводится на протаявшем основании. В этом случае величина осадки находится в прямой зависимости от вида грунтов деятельного слоя, их влажности и плотности, а также способов ведения работ.

Рис. 1.7. Распределение относительной влажности в грунтах основания по глубине слоя на посту № 20:

1 – в течение 1964 г.;

2 – в течение 1966 г.

Для более точного определения величины строительной осадки в случае отсыпки земляного полотна на переувлажненных грунтах основания была разработана методика расчета [25], учитывающая воздействие динамических и статических нагрузок на грунты деятельного слоя, возникающих при производстве земляных работ, нашедшая своё отражение в обязательном приложении №7 ВСН 84 89.

1.3.6. Обобщение первичного опыта строительства и эксплуатации земляного полотна железной дороги в районе распространения вечной мерзлоты по данным обследований линии БАМ – Тында Район прохождения трассы БАМ – Тында расположен в северо западной части Амурской области. Общая протяжённость трассы составляет 177,5 км. Расстояние между крайними пунктами трассы на севере и юге, по прямой, не превышает 90 км. Климат рассматриваемого района резко-континентальный, имеющий в то же время некоторые черты муссонного климата умеренных широт.

Среднегодовая температура воздуха вдоль трассы отрицательна и колеблется от –4,5°С на юге трассы в Крестовке, до –6°С на севере в Тынде.

Годовая амплитуда по среднемесячным значениям температур не превышает 50°С. Максимально возможная величина температурной амплитуды достигает 90°С (+35°С в июле и –55°С в январе). Значительны также и суточные колебания температур.

Характерно, что наиболее низкие температуры наблюдаются в первую четверть суток. В полуденное время даже в самые суровые зимы температура воздуха повышается на 10–15°С. Наиболее продолжительная здесь зима – около 6,5 месяцев, лето примерно в два раза короче зимы. Минимальную продолжительность имеют переходные сезоны года весна и осень. Лето в описываемом районе короткое и очень жаркое.

Количество атмосферных осадков в рассматриваемом районе невелико, в среднем около 550 мм. Наиболее влажным местом на трассе является Перевал, наименьшее количество осадков выпадает в Крестовке. До 80 – 95% годовой нормы осадков выпадает в тёплое время года, причём почти три четверти из них приходится на июль и август. В самые холодные месяцы зимы осадков выпадает очень мало – всего 2 – 4% от годовой нормы Высота снежного покрова вдоль трассы не превышает 30 см. Суровость и длительность зимы, незначительная мощность снегового покрова способствуют глубокому промерзанию грунтов. По имеющимся сведениям, глубина сезонного промерзания мелкодисперсных грунтов достигает 3,5 – 4,0 м. Сезонное промерзание крупнообломочных и скальных пород превышает 5 м.


С точки зрения топографии район прохождения трассы представляет собой горное плато, расчленённое эрозионной деятельностью рек на отдельные сопки. В целом вдоль трассы преобладают горно-долинные элементы рельефа.

В геологическом отношении в южной половине трассы преобладают метаморфические породы, представленные кварцитами, песчанистыми мергелями, глинисто-мергелистыми сланцами и очень редко известняками. На севере трассы доминирующее распространение имеют кристаллические сланцы и изверженные породы – граниты, гранодиориты, гнейсы и другие аналоги гранита.

Подножья сопок и склоны речных долин, тальвеги логов и межсопочные понижения выполнены делювием. Литологически это неоднородные пески, супеси и суглинки, содержащие большое количество щебня. Там, где трасса пересекает террасы речных долин и поймы, основанием земляного полотна служат аллювиальные накопления. В нижней части геологического разреза отложения аллювия представлены галечником. Выше залегают пески, перекрываемые в свою очередь супесями или суглинками. Сверху отложения покрыты слоем торфа, мощность которого в отдельных случаях достигает 5 м.

В мерзлотно-литологическом отношении отложения делювия и элювия характеризуются незначительным содержанием льда и имеют мелкокристаллическую криогенную текстуру. При оттаивании такие грунты слабо просадочны. Что же касается аллювиальных отложений, то такие литологические разности аллювия, как торф, ил, иловатый песок, суглинок и супесь, содержат крупные кристаллы, линзы и гнёзда льда. При оттаивании указанных разновидностей аллювиальных грунтов с мощными пластами погребённого льда они дают осадку, достигающую до 70% мощности оттаявшего слоя.

С позиций мерзлотно-температурного районирования прохождение трассы БАМ – Тында характеризуется прерывистым и сплошным распространением вечной мерзлоты, различной мощностью с высокой и низкой (в среднем от –1,0 до –3°С) температурой мёрзлых пород. Глубина залегания верхней границы вечномёрзлых грунтов здесь очень разнообразна. На маревых участках с развитым моховым покровом величина деятельного слоя не превышает 0,5 – 0,7 м. На марях с травяными кочками проникновение положительных температур в грунт ограничивается глубиной 1,2 – 1,5 м. На открытых, свободных от мха и торфа участках местности, с развитым травяным и кустарниковым покровом, мощность деятельного слоя составляет: для супесей, суглинков и мелкозернистых песков 1,8 – 2,2 м;

для крупнозернистых песков 2,5 – 3,0 м;

для галечнико-гравийных и крупнообломочных грунтов 3,5 – 5,0 м.

Из грунтовых вод в рассматриваемом районе наибольшее распространение имеют надмерзлотные воды. В летнее время, в особенности в период дождей, надмерзлотные воды очень обильны.

Зимой воды надмерзлотного горизонта, как правило, перемерзают.

Встречаются здесь и трещинные воды, питаемые водоносными горизонтами подмерзлотной толщи. На дневную поверхность трещинные воды выходят в виде постоянно действующих ключей, образующих в зимнее время огромные наледи.

Строительство трассы БАМ – Тында было начато в 1933 г. В это время имелись лишь самые общие представления о специфике строительства дорог в районах вечной мерзлоты, не вскрывающие, по существу, всей сложности взаимодействия инженерных сооружений с вечномёрзлыми грунтами, принципиально новых решений при проектировании земляного полотна трассы БАМ – Тында принято не было. Вся трасса проектировалась и строилась по обычным нормам и правилам, и лишь в процессе строительства отдельные объекты земляного полотна в опытном порядке были решены индивидуально – по принципу сохранения грунтов основания насыпей и откосов выемок в мёрзлом состоянии.

В качестве материала для отсыпки насыпей строители трассы использовали местные грунты: мелкозернистые пылеватые пески с галькой, щебенистую дресву с мелкозернистым заполнителем и очень редко суглинки, супеси, глину. Протяжённость земляного полотна трассы, отсыпанного несвязными грунтами, составляет 85% от всей протяжённости насыпей. Глинистыми грунтами отсыпано всего 10 км насыпей. Указанные разновидности грунтов большей частью добывались в притрассовых карьерах, реже в выемках при разработке выемок в насыпи. Резервы у насыпей закладывались в исключительных случаях и только там, где, по данным геологических обследований трассы, не было встречено льдонасыщенных грунтов.

Транспортировка грунта к месту отсыпки насыпей осуществлялась конной и тачечной возкой. Крутизна откосов насыпей, отсыпаемых щебенистыми грунтами и крупнообломочными породами, принималась 1:1,5 и 1:1,75. У насыпей из суглинков и мелкозернистых песков откосы уполаживались до 1:2 и в некоторых случаях укреплялись плетневым креплением. Встречаются здесь и такие насыпи, откосы которых имеют крутизну 1:3 и даже 1:5.

Для отвода поверхностных вод от земляного полотна на трассе применены те же сооружения, что и в обычных условиях (кюветы, водоотводные и нагорные канавы, деревянные лотки), с той, однако, разницей, что на маревых участках водоотводные канавы были удалены от земляного полотна на расстояние 15 – 25 м.

Специальные работы по подготовке основания под насыпи (срезка кочек, мха, дёрна) выполнялись так же, как и при строительстве дорог в обычных условиях. Кочки и мох срезались на «нулевых» местах и в основаниях насыпей высотой до 0,5 м.

Выторфовывание в силу мёрзлого состояния торфа независимо от мощности торфяного слоя и высоты насыпей при строительстве не производилось. Следует отметить, что недобросовестное отношение строителей к подготовке оснований насыпей, отсыпаемых в зимнее время, привело к тому, что некоторые насыпи отсыпались на наледный лёд, снег, лёд пересекаемых трассой замёрзших озёр.

Показательна в этом отношении шестиметровая насыпь на км 76, ПК 56. Отсыпка этой насыпи (материал тела насыпи песок с галькой) производилась в зимний период. Спустя год после возведения насыпи при производстве работ по прокладке водопровода в основании насыпи был обнаружен наледный лёд мощностью до 35 см, а на высоте 2 м от основания – слой снега толщиной 10 см.

Однако из-за сохранения зимнего мёрзлого ядра в теле высокой насыпи и через год после зимней отсыпки она тогда сохраняла устойчивость, и лёд в основании не растаял. Верхняя граница мёрзлого грунта по оси насыпи зафиксирована через год на глубине 3,5 м. Незначительную деформацию откоса южной экспозиции можно объяснить большим оттаиванием погребённого в насыпи и под насыпью снега и льда.

Наибольшие затруднения строители дороги встречали при разработке выемок в льдонасыщенных грунтах. Были случаи, когда уже готовые выемки по причине чрезмерной деформации откосов и основной площадки оставлялись строителями. Таким примером может служить выемка на 54 км трассы. Глубина выемки 2 м, протяжённость 220 м. Разработанная зимой 1934 г., летом того же года описываемая выемка подверглась значительным деформациям.

Откосы выемки сплыли, а рельсошпальная решётка погрузилась в оттаявший грунт основной площадки. Для пропуска рабочих поездов решено было на утонувшие шпалы положить второй ряд шпал.

Спустя некоторое время был уложен третий ряд шпал, затем четвёртый, пятый. После укладки седьмого ряда шпал от выемки отказались, произведя перетрассировку линии невысокой насыпью. В настоящее время на месте брошенной выемки образовалось узкое вытянутое в длину озеро. Расположенная в десяти метрах от озера невысокая насыпь деформаций не имеет.

Грамотное решение по предотвращению деформации откоса выемки, сложенного льдонасыщенным, текучим при оттаивании грунтом, было принято строителями при разработке выемки на км. Вскрытая в зимний период 1938 г. с наступлением лета эта выемка начала заплывать сползающим по нагорному откосу оттаявшим грунтом. К концу лета состояние выемки было столь неудовлетворительным, что возник вопрос о перетрассировке линии.

Было предложено предотвратить дальнейшее протаивание и деформацию откоса путём покрытия его термоизоляционным слоем торфа. Осенью 1938 г. сползающий откос выемки был уположен до крутизны 1:2, а затем покрыт слоем торфа мощностью 0,6 м. Слабый грунт основной площадки на глубину до 1 м заменён дренирующим, а на месте кювета с нагорной стороны заложен деревянный лоток.

После осуществления указанных мероприятий деформации откоса и основной площадки прекратились.

На момент обследования в 1968 г. состояние выемки на 164 км трассы в целом было удовлетворительное. По данным обследования, верхняя граница вечномёрзлого грунта находится на глубине 1,1 м.

Имеются сведения о деформациях нулевых мест и низких насыпей, отсыпанных на оголённую от мохорастительного слоя поверхность льдонасыщенных грунтов. Процесс деформирования таких насыпей отличается следующей закономерностью: в первый год существования насыпей – катастрофические просадки, в последующие два-три года – стабилизирующиеся во времени осадки.

Осадкам подвергаются также и те насыпи, которые не были защищены от фильтрации поверхностных вод. С целью предотвращения фильтрации воды с нагорной стороны насыпей отсыпаются водоотжимные бермы из слабодренирующих грунтов, что сопровождается поднятием верхней границы вечномёрзлых грунтов.

На 92 км данной трассе в конце 1937 г. был построен опытный участок насыпи. Цель опыта заключалась в выявлении возможности сохранения льдонасыщенных грунтов основания в мёрзлом состоянии при помощи укладки в нижней части насыпи прослойки из торфа.

Грунты в основании насыпи представлены до глубины 0,9 м слаборазложившимся торфом. Под торфом залегают льдонасыщенные суглинки с дресвой мощностью около 2 м, подстилаемые слоем чистого льда мощностью 0,9 м. Весь комплекс перечисленных пород покоится на грубообломочных отложениях элювиального происхождения. Перед отсыпкой насыпи на спланированной поверхности мари была устроена суглинистая призма с уклоном в обе стороны от оси пути. По призме был уложен слой уплотнённого торфа толщиной 0,5 м, а затем тело насыпи из тяжёлого суглинка.

Высота насыпи составляет около 1,7 – 2,0 м.

Спустя два года после окончания строительства было выполнено обследование как опытной части насыпи, так и прилегающих к ней участков земляного полотна, запроектированных по обычным нормам. Оказалось, что верхняя граница вечномёрзлого грунта в центре опытной конструкции при высоте насыпи 1,9 м поднялась до уровня нижней поверхности торфяного покрытия.

Таким образом, казалось бы, что желаемый эффект достигнут. Однако вызывает сомнение тот факт, что эффект поднятия верхней границы мерзлоты в рассматриваемом случае достигнут только благодаря наличию в основании опытной насыпи торфяного покрытия. Дело в том, что под насыпью, также из тяжелого суглинка, высотой 1,5 м, примыкающей к опытному участку, тоже отмечается поднятие верхней границы залегания вечномёрзлого грунта, несмотря на то, что эта насыпь имеет меньшую высоту и её проектирование выполнялось по обычным нормам.

Учитывая вышеизложенное, можно полагать, что поднятие верхней границы залегания вечномёрзлого грунта в основании опытной насыпи также произошло бы и без устройства теплоизолирующего торфяного слоя в самой насыпи из суглинка, самостоятельно срабатывающей в нижней, более водонасыщеннной, части как тепловой диод.

Общее состояние земляного полотна трассы БАМ – Тында отсыпанного преимущественно из дренирующих грунтов с 1933 по 1938 гг., на время обследования (1968 г.) было крайне неудовлетворительное. Примерно 25% земляного полотна имели значительные деформации. Характерно, что около половины всех деформаций (наиболее значительных) приходилось на осадки насыпей, пересекающих маревые участки.

Широкое распространение здесь имеют также пучины, наблюдаемые преимущественно на нулевых местах, низких насыпях и в обводнённых выемках. Сильно деформированы или полностью вышли из строя (заплыли грунтом, заросли травой и кочками, образовался термокарст) водоотводные канавы, кюветы, деревянные лотки.

В южной зоне распространения вечной мерзлоты, в том числе и в пределах трассы БАМ – Тында, протаивание мерзлоты в основаниях насыпей происходило в следующих случаях:

а) высота насыпи была недостаточна для сохранения естественного положения верхней границы вечномёрзлых грунтов;

б) с нагорной стороны непосредственно у насыпи скапливались атмосферные воды;

в) после отсыпки насыпи в основании её образовывались фильтрационные потоки.

Полученные фактические материалы позволили установить следующие положения верхней границы мерзлоты в основании насыпи в зависимости от высоты насыпи:

1. На маревых участках трассы, характеризующихся наличием довольно мощного мохоторфяного покрова и незначительной величиной деятельного слоя, верхняя граница вечномёрзлого грунта под насыпями, отсыпанными преимущественно из местных мелкозернистых пылеватых песков с галькой, дресвы, щебенисто галечнымых с мелкозернистым заполнителем и крупнообломочных пород с глинистым заполнителем (в основном до 40%) высотой до 1, м, понижается. При этом протаивание вечномёрзлых грунтов в основании насыпи тем больше, чем меньше высота насыпи и чем меньше слой торфа в основании её. Наиболее значительное понижение уровня залегания вечномёрзлых грунтов наблюдается на нулевых местах и в основаниях низких (высотой до 1м) насыпей, отсыпанных с предварительным удалением мохоторфяного покрова.

2. Под насыпями высотой 1,5 – 2,0 м, отсыпанными на мохоторфяной покров, независимо от мощности последнего естественный уровень верхней границы мерзлоты существенно не изменялся.

3. Под насыпями выше 2 м верхняя граница вечномёрзлого грунта поднимается и при высоте насыпи 2,5 – 3,0 м достигает поверхности грунта. При дальнейшем увеличении высоты насыпи мерзлота может входить в тело насыпи, особенно при возведении нижней части насыпи из переувлажнённых суглинков, глин и торфа, и преимущественно на участках с низкотемпературной вечной мерзлотой.

4. На участках трассы, сложенных с поверхности минеральными грунтами с мощностью деятельного слоя 2 – 3 м, понижение естественного уровня залегания вечномёрзлых грунтов наблюдается в основаниях насыпей до 1,0 м. При высоте насыпей 1,5 м поверхность вечномёрзлых грунтов в основании остаётся на уровне естественного залегания. При дальнейшем увеличении высоты насыпей верхний горизонт мерзлоты поднимается, достигая естественной поверхности при высоте насыпи 3,0 – 3,5 м. Эта высота близка к глубине оттаивания грунта насыпи, но меньше, чем глубина её зимнего промерзания.

Примерно аналогичная взаимосвязь глубины залегания вечномёрзлых грунтов от высоты насыпи отмечается и на Забайкальской железной дороге. Естественно предположить, что эта зависимость останется действительной и для других районов, мерзлотно-грунтовые и климатические условия которых аналогичны условиям трассы Забайкальской железной дороги.

Приведённые выше зависимости получены для насыпей, отсыпанных мелкодисперсными грунтами: песками, супесями, суглинками. С некоторой долей погрешности эти зависимости можно распространить и на насыпи, отсыпанные щебенистыми грунтами с супесчаным и суглинистым заполнителями. Для насыпей, выполненных галечно-гравийным и крупнообломочными грунтами, взаимосвязь глубины залегания мерзлоты с высотой насыпи в некоторой степени изменяется. Поднятие верхней границы мерзлоты до уровня, например, поверхности грунта под насыпями из крупнообломочных грунтов происходит лишь при высоте их 4,0 – 5, м.

Анализ материалов обследования показывает также, что вода, наряду с высотой насыпи, является основным фактором, определяющим температурный режим основания дорожных насыпей.

Подавляющее большинство обследованных на трассе осадок насыпей обусловлено фильтрацией поверхностных вод, скапливающихся с нагорной стороны насыпей. Скопление воды в основном происходит вследствие отсутствия, недостаточной работоспособности или запущенности водоотводных сооружений часто из-за недостаточного количества водопропускных труб. Насыпи же на трассе в большинстве случаев отсыпаны относительно дренирующими грунтами, в том числе и в нижней части. Естественно, что подпор воды с нагорной стороны такой насыпи вызывает фильтрационные потоки в её основании (продольные или поперечные – в зависимости от рельефа местности) или застой воды в её основании при низинном подтоплении. Затекание воды в основание насыпи и её фильтрация способствуют интенсивному протаиванию мерзлоты в основании насыпи любой высоты.

Менее энергичное, хотя и достаточно сильное, влияние на температурный режим оснований насыпей оказывает застойная вода.

В местах скопления поверхностных вод верхняя граница мерзлоты, как правило, понижается. Если значительное скопление воды происходит непосредственно у насыпи, то мерзлота в основании насыпи деградирует в местах скопления, даже при отсутствии фильтрационных потоков. Подобное протаивание приводит к оползанию откоса или к односторонней просадке насыпи. Но если эти застойные озерки удалены от насыпи даже на 3 – 5 м и не являются при этом источником фильтрационных потоков, то они не оказывают существенного влияния на положение верхней границы мерзлоты под насыпью.

Представляется весьма целесообразным на марях отсыпку, по крайней мере, нижней части насыпи производить слабодренирующими грунтами, лучше всего повсеместно распространёнными в данном районе строительства щебенистыми суглинками и супесями. Во-первых, эти грунты менее теплопроводны. Во-вторых, при отсыпке насыпей мелкодисперсными грунтами сохраняется целостность мохорастительного покрова. И, в третьих, эти грунты обладают малой фильтрационной способностью.

Заполняя образующееся под насыпью углубление, обусловленное уплотнением мохоторфяного слоя, они препятствуют проникновению под насыпь поверхностных вод и образованию там сосредоточенных фильтрационных потоков. Одновременно предотвращается попадание в чашу осевшего основания насыпи дождевых вод, выпадающих на земполотно (особенно отсыпанное из хорошо дренирующих скальных грунтов с коэффициентом фильтрации более 0,5 – 1,0 м/сут).

Значительное влияние на формирование температурного режима в основании насыпей оказывает и ориентация откосов. Разница в инсоляции (прогреве солнцем) откосов различной экспозиции приводит к тому, что под откосами, ориентированными на юг, уровень залегания вечномёрзлых грунтов понижается, а под откосами северной экспозиции повышается (глубина сезонного оттаивания на них нередко отличается в 1,5 – 2 раза). Понижение поверхности вечномёрзлых грунтов у откосов южной экспозиции является одной из причин односторонней осадки или оползания откосов насыпей.

В основании же насыпей меридионального направления положение поверхности вечномёрзлых грунтов имеет обычно симметричное относительно оси земполотна очертание, повторяя до некоторой степени профиль насыпи.

В отношении водоотводных канав и кюветов на уровень мерзлоты под насыпями можно отметить следующее. Поверхность вечномёрзлых грунтов под водоотводными канавами имеет локальное понижение, повторяющее до некоторой степени форму канавы как на маревых участках трассы, так и на участках, сложенных с поверхности минеральными грунтами. Поэтому канавы, удалённые от земполотна уже на расстояние 2,5 – 3 м, практически мало влияют на формирование мерзлоты в основании насыпи. При более близком расположении канавы чаша протаивания, образующаяся под ней, частично захватывает и основание насыпи, что может повлечь за собой оползание откоса или одностороннюю осадку насыпи. При значительной льдонасыщенности грунтов основания или близком залегании подземных льдов водоотводные канавы и кюветы могут стать одной из причин возникновения термокарста, развитие которого представляет большую опасность для земполотна.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.