Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР
Сибирский ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожный институт им. В.В. Куйбышева
В.А. Давыдов, Э.Д. Бондарева
ИЗЫСКАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ
Учебное пособие
Омск ОмПИ 1989
Рецензенты:
начальник проектно-изыскательского отдела объединения Омскавтодор К.К. Еловских,
заведующий кафедрой строительства и эксплуатации автомобильных дорог А.В. Смирнов
Работа одобрена редакционно-издательским советом института в качестве учебного пособия для специальности 29.10 - строительство автомобильных дорог и аэродромов.
Изыскания и проектирование автомобильных дорог на многолетнемерзлых грунтах: Учеб. пособие / В.А. Давыдов, Э.Д. Бондарева; Под ред. В.А. Давыдова; ОмПИ. - Омск, 1989.
Изложены краткая историческая справка по развитию инженерного мерзлотоведения, основные понятия о многолетнемерзлых породах (ММП), их распространение на территории Земли.
Приведены особенности водно-мерзлотного режима земляного полотна и естественного основания с наличием ММП, дорожно-климатическое районирование, принципы проектирования и строительства дорог, особенности назначения геометрических размеров насыпи (ширины и высоты), основы теплотехнического расчета, особенности расчета дорожных конструкций на прочность, конструкции земляного полотна и требования к грунтам, особенности изысканий в зоне.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее учебное пособие рекомендуется студентам специальности 29.10 - строительство автомобильных дорог и аэродромов - для изучения особенностей изыскания и проектирования автомобильных дорог на многолетнемерзлых породах (ММП).
Пособие составлено с учетом последних достижений отечественной науки (Союздорнии и его Омского филиала, СибАДИ, ЛИСИ и др.) и обобщения передового опыта проектных и строительных организаций СССР (Союздорпроекта Минтрансстроя СССР, Гипродорнии Минавтодора РСФСР и др.).
Материал учебного пособия необходим при изучении курса «Изыскания и проектирование автомобильных дорог в сложных природных условиях» (лекции на 5 курсе для студентов дневной формы обучения - 9 семестр, на 6 курсе для студентов вечерней и заочной форм обучения - 11 семестр), а также при выполнении курсового проекта участка автомобильной дороги в сложных природных условиях (на многолетнемерзлых грунтах) и при дипломном проектировании.
Проектирование дорог в районах распространения ММП приобретает все более важное значение, т.к. происходит интенсивное освоение Сибири и Крайнего Севера, где в основном будут работать будущие инженеры-строители автомобильных дорог и аэродромов как СибАДИ, ЛИСИ, так и других вузов.
Введение, главы 1, 2, 3, 7 учебного пособия написаны канд. техн. наук, доц. В.А. Давыдовым (СибАДИ) совместно с канд. техн. наук, доц. Э.Д. Бондаревой (ЛИСИ); предисловие, главы 4, 5, 6, 8 - В.А. Давыдовым.
Общее редактирование выполнено заведующим кафедрой проектирования автомобильных дорог СибАДИ канд. техн. наук, доц. В.А. Давыдовым.
ВВЕДЕНИЕ
Мировая тенденция развития производительных сил все более отчетливо ориентируется на северные территории. Север играет важную роль и в жизни нашей страны. Это не случайно. Действительно, Север - это крупнейший и самый богатый фонд свободных земель. Но вместе с тем, Север - это весьма слабо изученные пространства, таящие в своих недрах уникальные месторождения ценнейших полезных ископаемых. Наконец, Север - это место обитания многих малых народов, чей быт, уклад жизни и дальнейшее процветание теснейшим образом связаны с его развитием. Вот почему промышленное освоение районов Сибири и Крайнего Севера - одна из крупнейших народнохозяйственных проблем.
Но не только на Севере, где-то за Полярным кругом, но и на всей громадной территории Сибири, от Урала на западе до побережья Чукотки на востоке, человек, осваивая новые районы, неизбежно сталкивается со своеобразием природных комплексов, вызванных наличием вечной мерзлоты, широким распространением мерзлых пород, подземных льдов и различных, неблагоприятных для строительства дорог, зданий и аэродромов, криогенных процессов (бугров пучения, курумов, термокарста, солифлюкционных образований, растрескивания верхних слоев почвы и т.д. и т.п.).
В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986 - 1990 гг. и на период до 2000 года» в разделе I сказано: «...продолжалось формирование и развитие крупных территориально-производственных комплексов. Ускоренно осваивались природные богатства восточных и северных районов страны. Две трети общесоюзной добычи нефти и свыше половины добычи газа теперь дает Западная Сибирь» [1]. В соответствии с решениями XXVII съезда КПСС на Крайнем Севере и в Сибири предстоит решать много сложных и ответственных задач. Поэтому очень важно «...заставить понять всех, что суровый этот край нужно не осваивать, а обживать. Обживать основательно, обживать умно, обживать предусмотрительно...».
Широкое освоение Севера, Арктики и Космоса примерно началось в одно время - в 50-х годах XX столетия, т.е. совпало с началом научно-технической революции. Это не случайное совпадение: раньше уровень развития производительных сил не позволял осваивать эти огромные, труднодоступные и суровые по природным условиям пространства.
К настоящему времени накопилось большое количество фактов, подтверждающих, что осваивать Север такими же методами и техникой, как более южные зоны, НЕЛЬЗЯ, особенно, если учесть беспредельную уязвимость экологии Севера.
Хотелось бы, чтобы огромные вновь осваиваемые просторы Севера были одними из первых, где требования экологии станут важнейшими факторами при решении вопросов развития и размещения крупной промышленности, строительства городов, поселков, железных и автомобильных дорог и аэродромов. В этих районах с легко нарушаемой природной средой по-другому просто НЕЛЬЗЯ.
1. ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ НАУКИ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОКРИОЛОГИИ (МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЯ)
Дать правдивое и стройное описание этапов и путей становления геокриологии и отразить в этом описании действительные заслуги стран и лиц, способствовавших познанию многолетней криолитозоны как географического явления, - значит решить актуальную и весьма сложную задачу.
В истории развития инженерной геокриологии (мерзлотоведения) можно выделить два периода и несколько этапов.
1.1. Дореволюционный период
I этап. Сведения о многолетнемерзлых породах (ММП). Местным жителям района распространения многолетнемерзлых пород несомненно было известно об их существовании, т.к. им приходилось сталкиваться с мерзлыми породами при постройке своих жилищ, во время охоты и рыбной ловли, при хранении добычи (мяса, рыбы). В литературе первые сведения о мерзлых породах стали появляться, по-видимому, лишь с XVI века. В это время усилились поиски русскими людьми Северного морского пути из России в Китай, Индию и путешествия в северные страны стали более частыми. В 1598 г. составлено «Описание чего ради невозможно от Архангельского города морем проходити в Китайское государство и оттоле к Восточной Индии», в котором сказано, что на северо-востоке Новой Земли в середине июня «на берегах еще не таял снег и олени не могли себе пищу приобрести».
В XVII веке в связи с продвижением русских на восток и север Сибири в Москву стали поступать первые сведения о мерзлых породах севера Сибири. Так, якутские воеводы П. Головин и М. Глебов сообщали в Москву: «A в Якутском - де, государь, по сказам торговых и промышленных служилых людей, хлебной пашни не чаять; земля - де, государь, и среди лета вся не растаивает».
Первое обобщение данных о мерзлых породах принадлежит русскому историку и географу начала XVIII века В.Н. Татищеву. В своих трудах он пишет о наличии мерзлых пород.
II этап. Накопление фактов наличия ММП и первое научное объяснение их образования (вторая половина XVIII - первая половина XIX в.). Это было время накопления фактов и первых научных обобщений М.В. Ломоносова о «замерзлой земле». В 1757 г. В.М. Ломоносов высказывает ряд интересных научных положений о природе образования «замерзлой земли», о значении рельефа и суровых климатических условий в развитии толщ мерзлых пород и создании запасов холода и подземных льдов, о длительности этого процесса, о необходимости учитывать строение «внутренности земли» для понимания распределения тепла и холода в земных недрах. Им заложено начало учения о теплообороте между земной корой и атмосферой, между внутренним и внешним холодом. В этот период были получены материалы о мерзлых грунтах в Якутии, Забайкалье и других районах. Тогда же Майдлбтон подтвердил, что в Гудзоновом заливе породы на глубине никогда не оттаивают.
В первой половине XIX в. на севере европейской части России мерзлую зону изучал Шренк. На севере Сибири А.Е. Фигурин в 1820 - 23 гг. при исследовании залежей подземных льдов большую часть из них отнес к «трещинным жильным». В 1825 г. в Березове А. Эрман впервые измерил температуру мерзлых пород в пробуренной им скважине глубиной 18,2 м. В 1828 г. он же пробурил скважину в Обдорске, в которой он на глубине 6,4 м замерил отрицательную температуру.
В 1828 г. Ф. Шергин, служащий русско-американской компании, закончил проходку «колодца» в Якутске, он за 9 лет достиг глубины 116,4 м. Так была создана знаменитая Шергинская шахта, которая прошла часть толщи мерзлых пород. В апреле 1829 г. А. Эрман определил температуру мерзлых пород в Шергинской шахте на глубине 15,7 м. Она составила минус 6 °С. Большое значение для изучения мерзлых пород имела трехлетняя экспедиция академика А.Ф. Миддендорфа в 1843 - 1846 гг. Он измерил температуру мерзлых пород в Шергинской шахте до глубины 116 м и в ряде других мест Сибири.
Итак, в первой половине XIX в. были получены данные о температуре мерзлой зоны и ее мощности, условиях залегания и распространения на больших площадях Сибири.
III этап. Широкие исследования ММП (вторая половина XIX - начало XX в.). Этот этап отмечен широкой волной исследований вечной мерзлоты как в пределах Евразии, так и в Северной Америке и на островах Северного Ледовитого океана. Эти исследования связаны с именами Лопатина, Майделя, Ячевского, Толля, Богданова, Обручева, Подъякова, Львова, Поля, Сумгина и многих других инженеров-географов и геологов. Потребность всестороннего глубокого изучения подземной криосферы Сибири была в этот период вызвана усилением сельскохозяйственного и промышленного освоения ее территории, строительством Великой Транссибирской железнодорожной магистрали, развитием горного дела. Незнание законов развития вечной мерзлоты повлекло за собой деформацию и разрушения некоторых инженерных сооружений и в связи с этим большие убытки. Возникли крупные затруднения в деле водоснабжения Забайкальской и Амурской железных дорог. С началом строительства в 90-х годах XIX в. Великого Сибирского железнодорожного пути, который в пределах Восточной Сибири, Забайкалья и далее на восток пролегал по мерзлым грунтам, строители непосредственно столкнулись с большими затруднениями при проходке выемок в мерзлых породах, при организации водоснабжения железнодорожных станций, строительства железнодорожного полотна и различных других сооружений. Поэтому по просьбе Управления строительства Сибирской железной дороги была создана специальная комиссия Русского географического общества под председательством профессора Петербургского горного института И.В. Мушкетова, которая разработала и опубликовала в 1895 году первую «Инструкцию для изучения мерзлоты почвы в Сибири». Членами комиссии были А.И. Воейков, В.А. Обручев, М.А. Дыкачев, К.И. Богданович.
Созданием этой инструкции было положено начало комплексному изучению подземной криосферы. В 1889 г. А.И. Воейков опубликовал первую сводку о мерзлых породах по линии строительства железной дороги в Сибири. Он увязал развитие промерзания земной коры с изменением климатических условий.
В первой четверти XX в. исследования мерзлых пород начали развиваться более широким фронтом. Н.С. Богданов в 1912 г. в книге «Вечная мерзлота и сооружения на ней» осветил приемы строительства сооружений в условиях вечной мерзлоты Забайкалья и внес значительный вклад в развитие инженерного мерзлотоведения. В 1916 г. была опубликована капитальная работа А.В. Львова «Поиски и испытания водоисточников водоснабжения на Западной части Амурской железной дороги в условиях вечной мерзлоты почвы».
1.2. Послереволюционный период
I этап (1917 - 1945 гг.) - оформление мерзлотоведения как науки (школа М.И. Сумгина). В Москве создается научный центр по изучению подземной криосферы.
После Великой Октябрьской социалистической революции начался новый период развития мерзлотоведения как самостоятельной науки, созданной трудами советских мерзлотоведов. Было положено начало планомерным и целенаправленным исследованиям вечной мерзлоты и организованы научные органы для проведения этих исследований.
В 1927 г. по инициативе академика В.И. Вернадского было создано в системе Академии наук СССР первое научное учреждение по изучению подземной криосферы, а для координации всех мерзлотоведческих работ в стране - Комиссия по изучению вечной мерзлоты (КИВМ), во главе которой стал академик В.А. Обручев. Необходимость основания такого учреждения была обусловлена задачами широкого освоения районов Севера и Востока СССР.
В период с 1930 по 1936 гг. Комиссией было созвано пять совещаний по вечной мерзлоте, на которых обсуждались научные и практические достижения, координировались работы по мерзлотоведению в СССР. Начиная с 1927 г., последовательно приступают к работе научно-исследовательские мерзлотные станции в Сковородине, Петровск-Забайкальском, Анадыре, Игарке, Якутске, Воркуте, Норильске, Забайкалье, Братске.
В 1936 г. КИВМ была реорганизована АН СССР в Комитет по вечной мерзлоте, созвавший в 1939 г. VI Всесоюзную конференцию по мерзлотоведению. Работы Комитета непосредственно в районах вечной мерзлоты носили преимущественно стационарный характер, что позволило еще глубже проникнуть в механизм формирования и развития мерзлых пород. В 1939 г. Комитет был реорганизован в Институт мерзлотоведения им. В.А. Обручева АН СССР (ИНМЕРО), который имел специальную мерзлотную лабораторию в Москве, научно-исследовательские мерзлотные станции в Воркуте, Игарке, Якутске, Анадыре, Чульмане (на Алдане) и стационар в районе Загорска (Подмосковье).
