Изыскания и проектирование автомобильных дорог на многолетнемерзлых грунтах (стр. 2 )

Как показывает многолетний опыт строительства железных и автомобильных дорог в СССР, США и Канаде, отмеченные факторы обусловили специфический подход к назначению дорожных конструкций, земляное полотно которых проектируют и строят преимущественно в насыпях (выемки составляют менее 2-3 %) из несцементированных обломочных грунтов.

Отечественная и зарубежная практика дала много примеров деформаций и разрушений на автомобильных дорогах в районах вечной мерзлоты, что указывает на недостаточную изученность и неполноту исследований вопросов проектирования прочного и устойчивого земляного полотна на вечномерзлых грунтах.

Применение несцементированных обломочных грунтов в качестве материала для земляного полотна еще не решает проблему его прочности и в то же время приводит к высокой стоимости строительства автомобильных дорог, превышающей в 3 - 5 раз их стоимость в обычных условиях.

Наиболее эффективными путями снижения стоимости строительства дорог в рассматриваемых районах следует считать:

во-первых, расширение объемов применения местных глинистых грунтов для сооружения земляного полотна;

во-вторых, учет специфических особенностей рассматриваемой зоны при проектировании дорожных конструкций с целью обеспечения их длительной прочности и устойчивости.

Естественно, рациональнее проектирование и строительство транспортных сооружений, в первую очередь земляного полотна, на вечномерзлых грунтах должны базироваться на тщательном изучении материалов детальных геокриологических исследований.

В последние годы значительно повысился технический уровень проектирования и строительства земляного полотна автомобильных дорог на вечномерзлых грунтах. Однако еще недостаточно технической, учебно-методической литературы, нормативных и научно-технических документов, обосновывающих рациональные конструкции, материалы и технологию строительства автомобильных дорог на вечномерзлых грунтах,

2.2. Основные понятия, термины

Грунты называются мерзлыми, если они имеют нулевую или отрицательную температуру и содержат в своем составе лед. Грунты называются вечномерзлыми, если они находятся в мерзлом состоянии в продолжение многих лет (от 3-х и более). В их состав входят минеральные частицы, лед, вода и воздух. Величина, форма и состав этих составляющих характеризуют особую криогенную (мерзлотную) текстуру. Различают массивную, слоистую и сетчатую текстуры (рис. 2.1). Массивная текстура (рис. 2.1,а) характеризуется наличием в основном порового льда. Слоистая текстура (рис. 2.1,б) представляет собой чередование ледяных включений в виде прослоек и линз с минеральными слоями, которые имеют массивную текстуру. Сетчатая текстура (рис. 2.1,в) формируется ледяными включениями, располагающимися в виде сетки.

Рис. 2.1 . Основные виды текстур мерзлых грунтов:

а - массивная; б - слоистая; в - сетчатая.

Вечномерзлые грунты классифицируются: I - по физическому состоянию (или температуре); II - по территориальному распространению; III - продолжительности существования мерзлых грунтов.

I. По физическому состоянию:

- низкотемпературные (твердомерзлые), то есть прочно спаянные льдом, практически несжимаемые грунты с температурой ниже границ замерзания грунтов (для песков пылеватых температура замерзания ниже минус 0,3°С, для супесей ниже минус 0,6°С, для суглинков ниже минус 1°С и для глин ниже минус 1,5°С);

- высокотемпературные (пластичномерзлые), то есть с большим содержанием незамерзшей воды, с температурой ниже 0°С и выше температуры замерзания грунтов, обладающие вязкими свойствами и характеризуемые способностью сжиматься под нагрузками от сооружения.

II. По территориальному распространению вечномерзлых грунтов;

- районы географически сплошной вечной мерзлоты, то есть обширные пространства, в пределах которых вечная мерзлота, как правило, наблюдается повсеместно;

- районы, в пределах которых обширные пространства с вечномерзлыми грунтами на более или менее значительном протяжении расчленены таликами. Талики представляют собой талые породы, ограниченные в своем распространении мерзлыми породами;

- острова и районы островов с вечномерзлыми грунтами вдали от общего вечномерзлого массива.

III. По продолжительности существования мерзлых грунтов;

- кратковременномерзлые грунты (в течение нескольких суток);

- сезонномерзлые грунты (в течение нескольких месяцев, менее года);

- многолетнемерзлые или вечномерзлые грунты (в течение более 3-х лет, до сотен, десятков сотен и даже нескольких тысяч лет), то есть существующие "вечно".

Кроме того, могут быть случаи, когда верхний слой грунта при замерзании не сливается с вечномерзлыми (несливающаяся мерзлота) и сливается (сплошная сливавшаяся мерзлота) (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Сливающаяся (а) и несливающаяся (б) вечная мерзлота

Полная глубина сезонного оттаивания h ОТ устанавливается замерами в конце осеннего периода ( X и XI месяцы). На некоторой глубине, называемой глубиной нулевых амплитуд, где не сказываются сезонные колебания температур, замеряют постоянную температуру вечномерзлого грунта. Эта температура с отсутствием амплитуд считается основной характеристикой среднегодовой температуры вечномерзлых грунтов. Однако она непостоянна даже для одного конкретного района, а изменяется в зависимости от состава пород, их льдистости, экспозиции, наличия грунтовых вод и т. п. (рис. 2.3). На рис. 2.3 обозначено:

A n - годовая амплитуда температур на поверхности земли, °С;

А 1 - годовая амплитуда температур почвы на глубине H 1, ° C;

А 2 - годовая амплитуда температур почвы, толщи пород на глубине Н2, °С; А 3 - то же на глубине Н3, °С и т. д.;

А 0 - нулевая амплитуда температур толщи пород, т. е. = 0°С;

Н 0 - глубина нулевой амплитуды пород, м;  - максимальная глубина оттаивающих летом грунтов м;

ВГВМГ - верхний горизонт вечномерзлых грунтов;

НГВМГ - нижний горизонт вечномерзлых грунтов; t 0 - отрицательная температура вечномерзлых грунтов в данной точке (пункте) поверхности земли, °С;

1 - кривая самых низких отрицательных температур толщи пород по глубине; 2- кривая самых высоких положительных и отрицательных температур толщи по глубине.

Рис. 2.3 . Изменение температуры по глубине сезонно-оттаивающего слоя грунта и вечномерзлой толщи пород

3. ДОРОЖНО-КЛИМАТИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ЗОНЫ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

Разнообразие природно-климатических условий СССР учитывают с помощью дорожно-климатического районирования, нашедшего отражение в нормативных документах ( СНиП 2.05.02-85, ВСН 46-83 и др.).

Многолетний опыт применения существующего дорожно-климатического районирования показал, что оно не в полной мере удовлетворяет практике проектирования дорог и требует дальнейшего уточнения и детализации.

Целесообразно территорию Советского Союза разделить на два примерно равных по площади региона: первый, основной особенностью которого является сезонное промерзание грунтов, и второй, в котором поверхностный слой грунтов протаивает на некоторую глубину летом, а остальную часть года находится в мерзлом состоянии (зона вечномерзлых грунтов). Линией раздела регионов следует принять границу распространения вечномерзлых грунтов на территории СССР.

Изучение природных условий зоны вечной мерзлоты показало, что на ее территории отчетливо выражено зональное изменение основных физико-географических факторов, что обусловливает необходимость деления территории зоны на подзоны.

На основе исследований [ 14, 16, 17, 22] проведенных Омским филиалом Союздорнии (, и др.), и результатов многолетних наблюдений за мерзлотным режимом на постах и опытных участках автомобильных дорог, зона вечной мерзлоты разделена на три характерные подзоны ( рис.3.1): первая I 1 - северная подзона низкотемпературных вечномерзлых грунтов (НТВМГ) сплошного распространения с высокой влажностью грунтов сезоннооттаивающего слоя (влажность грунтов выше предела текучести); вторая I 2 - центральная подзона НТВМГ сплошного распространения с умеренной влажностью грунтов сезоннооттаивающего слоя (W отн - 0,7 - 1); третья I 3 - южная подзона высокотемпературных вечномерзлых грунтов (ВТВМГ) сплошного и островного распространения с умеренной влажностью сезоннооттаивающего слоя ( W отн = 0,

В основу районирования положены факторы, оказывающие решающее влияние на устойчивость дорожных конструкций в этой зоне: вид грунта сезоннооттаивающего слоя и его влажность, характер распространения вечномерзлых грунтов и их температура, мощность слоя сезонного оттаивания. Совокупность этих признаков обусловлена сочетанием климатических, грунтово-гидрогеологических и мерзлотных особенностей и присуща в определенной степени природным ландшафтам земной поверхности. Действительно, каждый природный ландшафт является уникальным, обладающим неповторимой в целом совокупностью физико-географических условий, а также типичным и наиболее распространенным комплексом природных и территориальных особенностей.

Поэтому за основу для выделения границ подзон взяты границы зональных типов ландшафтов. В схеме деления территории зоны вечной мерзлоты на дорожно-климатические подзоны (см. рис.3.1) принята нумерация подзон I 1, I 2, I 3, обозначающая: первая подзона I дорожно-климатической зоны; вторая подзона I дорожно-климатической зоны и т. д. Такая нумерация подзон позволяет не изменять общепринятых названий дорожно-климатических зон (см. ВСН 46-83).

Характеристика природных условий и примерные географические границы районов приведены в табл. 2.1. Наиболее неблагоприятной для дорожного строительства является первая подзона 1 1, где широко распространены жильные и подземные льды, близко залегающие к поверхности земли. Здесь в большинстве мест необходимо проектировать и строить дороги с минимальным нарушением естественного режима местности, используя, как правило, первый принцип проектирования.

Природно-климатические условия второй подзоны I2 позволяют проектировать земляное полотно по второму принципу с оттаиванием грунтов основания с учетом возникающих при этом деформаций. Третья подзона I 3 - более благоприятна для дорожного строительства. Здесь вечномерзлые грунты встречается или в виде сплошной высокотемпературной вечной мерзлоты, или в виде отдельных мерзлых островов среди талой толщи грунта. В горных районах в связи с вертикальной зональностью необходимо учитывать изменение природно-климатических условий, по мере увеличения высоты пояса. В гористой местности вечномерзлые грунты обычно встречаются на заболоченных участках, склонах северной экспозиции и в пониженных затененных местах.

Земляное полотно на участках островной мерзлоты следует проектировать и строить по третьему принципу, то есть с обеспечением предварительного оттаивания грунтов основания и осушения дорожной полосы до возведения земляного полотна.

Рис. 3.1 . Схема дорожно-климатических районов зоны вечной мерзлоты: I 1 - северный; I 2 - центральный; I 3 - южный; II - дорожно-климатическая зона

Таблица 3.1

Характеристика и границы подзон зоны вечной мерзлоты

Для более детальной характеристики условий района проложения трассы автомобильной дороги принято делить на участки (типы местности) по характеру поверхностного стока и степени увлажнения. Такое деление на типы местности возможно также для зоны вечной мерзлоте с введением дополнений, отражающих специфические мерзлотно-грунтовые условия этой зоны (табл. 3.2), которые, в свою очередь, определяют выбор и расчет дорожных конструкций.

Таблица 3.2

Типы местности по характеру поверхностного стока, степени увлажнения и мерзлотно-грунтовым условиям

Х) Грунты считаются условно непросадочными при относительной степени просадочности δ < 0,03, просадочными - п p и 0,03 ≤ δ ≤ 0,1 и сильнопросадочными - при δ > 0,1. Степень просадочности определяется по формуле ,

где  - объемный вес скелета в мерзлом состоянии, г/см3;

 - объемный вес скелета грунта, оттаявшего под нагрузкой 9,80665×10 4 н/м2. = 0,1 мПа.

4. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В РАЙОНАХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

Обычно у поверхности земли находятся слой, который ежегодно летом оттаивает, а зимой замерзает. Он называемся деятельным (сезоннооттаивающим) слоем (см. рис.

Для инженерных целей важнейшим вопросом является изучение физических процессов в сезонноталом (деятельном) слое и определение 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 все время иметь в виду, принимая те или иные проектные решения. Вырубка деревьев и кустарников на придорожной полосе и удаление мохового покрова способствует увеличении толщины деятельного слоя. При оттаивании пылеватые льдонасыщенные вечномерзлые грунты из твердого состояния переходят в разжиженное, растекаясь под действием собственного веса.

Оттаивание вечномерзлого грунта под невысокими насыпями в зависимости от количества льда, содержащегося в грунте, вызывает дополнительные осадки или полное расползание насыпей. На участках с близким к поверхности залеганием погребенного льда при таянии на полосе отвода могут возникать провальные озера (термокарстовые явления).

Откосы выемок, разработанных в вечномерзлых грунтах и содержащих прослойки льда при оттаивании, подвержены оплывам.

Наоборот, средние и высокие насыпи, создавая теплоизоляцию, способствуют поднятию уровня вечной мерзлоты, которая может входить в тело насыпи.

Наиболее распространенный во всех зонах вид деформации - пучение земляного полотна. Оно происходит вследствие объемного расширения воды в связном грунте, при этом наибольшее пучение вызвано дополнительным поступлением воды, перемещающейся в промерзающий грунт из нижележащих талых слоев грунта. Пучение интенсивно проявляется в южной части зоны вечной мерзлоты. Здесь же наблюдаются значительные деформации земляного полотна, возникающие из-за затопления его наледями. Изменение режима подземных вод и водотоков зимой при промерзании грунта часто приводит к прорыву их на поверхности и затоплению окружающей местности и дорожных сооружений, сопровождающемуся полным разрушением проезжей части.

На Крайнем Севере, наоборот, значительные деформации (термокарстовые образования, просадки и осадки) возникают в результате протаивания грунтов деятельного слоя.

Различные мерзлотно-грунтовые условия, характеризующиеся разными типами местности, обусловливают дифференцированный подход к проектированию и строительству земляного полотна автомобильных дорог.

Гидротехнические, промышленные и жилые сооружения в большинстве случаев своими фундаментами опираются на вечномёрзлую толщу, почти не меняющую своих свойств во времени. Основной элемент автомобильной дороги - земляное полотно, которое возводится на грунтовом слое, изменяющем в годовом периоде свои свойства от воздействия природных факторов, в первую очередь, температуры воздуха и влажности грунта. Из этого следует, что устойчивость дорожной конструкции в период эксплуатации зависит главным образом от состояния грунта основания (мерзлое или талое), его вида и влажности.

В настоящее время рекомендуется использовать грунты сезоннооттаивающего слоя в качестве основания земляного полотна по одному из следующих принципов:

первый - сохранение вечномерзлых грунтов в основании земляного полотна в течение всего периода эксплуатации дороги;

второй - частичное оттаивание мерзлых грунтов основания на величину, определяемую расчетом;

третий - оттаивание вечномерзлых грунтов до начала строительства дорога и осушение придорожной полосы.

5. ОСОБЕННОСТИ ВОДНО-ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НЕЖЕСТКОГО ТИПА

Своеобразные гидрогеологические условия в сочетании с суровыми природно-климатическими факторами зоны вечной мерзлоты предопределяют особый водно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог.

Оттаивание земляного полотна и основания в зоне вечной мерзлоты протекает по схеме (рис. 5.1,Б), подобной схеме промерзания, например, во II дорожно-климатической зоне СССР (рис. 5.1,В), так как имеет место одинаковое направление потоков тепла (в зоне вечной мерзлоты) и потоков холода (в районах сезонного промерзания). В рассматриваемой зоне оттаивание происходит сверху и продолжается в течение всего теплого периода года, пока не установится динамическое равновесие между потоками тепла сверху от атмосферы и потоками холода снизу от вечномерзлых грунтов.

Процесс промерзания земляного полотна и основания в зоне вечной мерзлоты (см. рис. 5.1,Б) подобен схеме процесса оттаивания в средней полосе страны (см. рис. 5.1,В). В обоих случаях имеет место двустороннее направление потоков: холода - в зоне вечной мерзлоты, тепла - в средней полосе страны.

Промерзание в зоне вечной мерзлоты происходит с двух сторон: сверху - за счет отрицательных температур воздуха, снизу - за счет охлаждения от вечномерзлых грунтов.

Таким образом, в зоне вечной мерзлоты, в течение всего теплого времени года в земляном полотне или в основании находится мерзлый (вечномерзлый), практически несжимаемый слой грунта на незначительной глубине оттаивания (до 1,5 м).

Как установлено ( и др.), модули упругости (деформации) мерзлых глинистых грунтов имеют высокие значения, а талых - в несколько раз (иногда в десятки раз) меньше. В переходном состоянии от мерзлого к талому величина; модуля упругости может иметь различные промежуточные значения, которые уменьшаются как за счет перехода мерзлого состояния грунта в талое, так и более глубокого расположения мерзлого слоя грунта. Это положение имеет большое практическое значение для проектирования и строительства дорог в указанных районах, так как регулированием глубины расположения вечномерзлого слоя грунта можно повышать величину эквивалентного модуля упругости грунта земляного полотна, увеличивая таким образом прочность всей дорожной конструкции.

Рис. 5.1 . Схема годового цикла водно-теплового режима земляного полотна и основания в районах вечной мерзлоты и сезонного оттаивания грунтов:

А - изменение модуля упругости грунта земляного полотна в годовом периоде; Б и В - схемы протаивания, промерзания и увлажнения; 1 - сухой талый грунт; 2 - влажный талый грунт; 3 - талый грунт повышенной влажности; 4 - переувлажненный талый грунт; 5 - надмерзлотная вода; 6 - твердомерзлый грунт; 7 - прослойки и линзы льда; Нн - высота насыпи; Н от - мощность слоя оттаивания (промерзания); Н 0 - глубина расположения границы нулевых амплитуд

Многолетние исследования на дорогах Якутской и Бурятской АССР позволили проследить за изменением модулей упругости и деформации в процессе оттаивания, которые определяли с помощью пресса и жестких металлических штампов диаметрами 20, 25 и 34 см. При НОТ = 0, то есть, когда грунт был мерзлым, модули упругости, по данным наших опытов, имели огромную величину: Е у = 2×10 2 - 25×103 кгс/см2, а ЕД = 0,4×103 - 5×103 кгс/см2. При глубине оттаивания 4 - 5 см модуль упругости составлял уже 1кгс/см2, а деформации - кгс/см 2.

Затем по мере увеличения глубины оттаивания грунта величина его эквивалентного модуля упругости быстро уменьшалась. Это происходило вследствие перехода грунта из мерзлого состояния в талое (за счет разрушения в нем льдоцементирующих связей) и удаления от поверхности более прочного мерзлого слоя грунта.

При глубине оттаивания, равной 3 - 4 диаметрам штампа, модули упругости достигали минимальных значений, близких по абсолютной величине к модулям плотности талого грунтового полупространства. Таким образом, при глубине оттаивания более 4 диаметров штампа влияние мерзлого слоя практически прекращается (составляет менее 4 - 5 %). Это явление необходимо учитывать при расчетах прочности дорожных конструкций. На величину модуля упругости кроме влажности и плотности глинистого грунта значительное влияние оказывает положение мерзлого слоя при оттаивании, ограничивающего зону обжатия грунта. Вопрос о распределении напряжений и деформаций до настоящего времени наиболее полно разработан только применительно к упругому изотропному полупространству при действии статических нагрузок. Величины сжимающих напряжений, возникающих на контакте грунтового слоя и жесткого основания, исследовались за рубежом (Мелан, Био, Маргерр и др.) и в нашей стране (, , -Посадов и др.). Получены аналитические решения и разработаны приемы численного определения напряжении и деформаций.

Согласно этим решениям, а также опытным данным в ХАДИ, в Омском филиале Союздорнии и др. установлено, что величина осадки в системе с несжимаемым основанием меньше, чем в однородном полупространстве. Была получена картина распределения ожидающих напряжений в слое грунта ограниченной толщины на несжимаемом основании. При этом установлено, что наличие жесткого несжимаемого слоя вызывает концентрацию напряжений по оси нагрузки. Оттаивание грунта создает сложную многослойную систему, которую с некоторыми допущениями можно принять за двухслойную.

Величину эквивалентного модуля упругости системы - талый (верхний) плюс мерзлый (нижний) слои можно определить, принимая мерзлый слой грунта абсолютно несжимаемым. В этом случае влияние нижнего более прочного и жесткого слоя уменьшает осадку под нагрузкой верхнего талого однородного грунта, повышая таким образом, прочность системы - упругопластичный слой грунта плюс жесткое несжимаемое основание. Это явление можно учесть, используя решение , основанное на формуле Маргерра:

  (5.1)

где R - радиус штампа, см; r - расстояние от центра круглого штампа до точки, перемещения которой определяют, см; J 0 - функция Бесселя нулевого порядка первого рода; J 1 - функция Бесселя нулевого порядка второго рода; Sh,с h - соответственно гиперболические синус и косинус; t - произвольный параметр интегрирования; Н - мощность талого слоя грунта, см.

Для точек, расположенных под центром нагруженной площадки, то есть при r = 0, J 0 = 1,0, коэффициент влияния жесткого несжимаемого слоя на величину модуля упругости является обратной величиной коэффициента β ;

  (5.2)

Таким образом, влияние мерзлоте слоя на прочность оттаивающего грунта может быть определено по формуле (5.2) или по графику (рис. 5.2).

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4