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 сооружений земляного полотна;
во-вторых, учет специфических особенностей рассматриваемой зоны при проектировании дорожных конструкций с целью обеспечения их длительной прочности и устойчивости.
Естественно, рациональное 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 в 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 низкими свойствами и характеризуемые способностью сжиматься под нагрузкам 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 сливающаяся мерзлота) (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Сливающаяся (а) и несливающаяся (б) вечная мерзлота
Полная глубина сезонного оттаивания hог 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:
Аn - годовая амплитуда температур на поверхности земли, °С;
А1 - годовая амплитуда температур почвы на глубине Н1, °С;
А2 - годовая амплитуда температур почвы, толщи пород на глубине Н2, °С;
А3 - то же на глубине Н3, °С и т.д.;
А0 - нулевая амплитуда температур толщи пород, т.е. = 0 С;
Н0 - глубина нулевой амплитуды пород, м;
Нотмах - максимальная глубина оттаивающих летом грунтов, м;
ВГВМГ - верхний горизонт вечномерзлых грунтов;
НГВМГ - нижний горизонт вечномерзлых грунтов;
t0 - 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 2.05.03-85, 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 (Р.З. Порицкий, В.А. Давыдов 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 I1 - северная подзона низкотемпературных вечномерзлых грунтов (НТВМГ) сплошного распространения с высокой влажностью грунтов сезоннооттаивающего слоя (влажность грунтов выше предела текучести); вторая I2 - центральная подзона НТВМГ сплошного распространения с умеренной влажностью грунтов сезоннооттаивающего слоя (Wотн = 0,7 - 1); третья I3 - южная подзона высокотемпературных вечномерзлых грунтов (ВТВМГ) сплошного и островного распространения с умеренной влажностью сезоннооттаивающего слоя (Wотн = 0,7 - 1).
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 I1, I2, I3, 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 I1, 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 I3 более благоприятна для дорожного строительства. Здесь вечномерзлые грунты встречаются 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.
Рис. 3.1. Схема дорожно-климатических районов зоны вечной мерзлоты:
I1 - северный; I2 - центральный; I3 - южный; II - дорожно-климатическая зона
Таблица 3.1
Характеристика и границы подзон зоны вечной мерзлоты
|
Подзона вечной мерзлоты |
Характеристика природных мерзлотно-грунтовых условий |
Примерные границы районов |
|
1 |
2 |
3 |
|
I1 - северная подзона низкотемпературных вечномерзлых грунтов (НТВМГ) сплошного распространения |
Сплошное распространение вечномерзлых грунтов мощностью от 200 до 900 м и более. Среднегодовая температура вечномерзлых грунтов от -5 до -10 °С и ниже. Глубина сезонного оттаивания от 0,2 до 2 м (преимущественно менее 1 м). Высокое содержание в вечномерзлых грунтах льдов различных типов и их неглубокое залегание. Грунты глинистые, пылеватые, иловатые, тундровые и болотные со среднегодовой суммарной влажностью более предела текучести Рельеф - равнины и низменности. Интенсивное развитие криогенных процессов |
Включает зону тундры и лесотундры с пятнистым микрорельефом. Расположен севернее линии Нарьян-Мар - Салехард - Курейка - Трубка Удачная - Верхоянск - Дружино - Горный Мыс - Марково |
|
I2 - центральная подзона низкотемпературных вечномерзлых грунтов (НТВМГ) сплошного распространения |
Сплошное распространение вечномерзлых грунтов мощностью от 50 до 400 м. Среднегодовая температура вечномерзлых грунтов от -1 до -5 °С. Глубина сезонного оттаивания от 0,8 до 3 м. Грунты скальные, щебенистые, гравийно-галечниковые и глинистые со среднегодовой суммарной относительной влажностью от 0,7 до 1,0 относительно предела текучести. Рельеф в основном гористый, частично нагорья и сглаженный равнинный |
Включает таежную зону, зону смешанных лесов. Расположен восточнее линии устье реки Нижняя Тунгуска – Ербогачен - Ленск, Бодайбо - Богдарин; севернее линии Могоча – Сковородино – Зея – Охотск – Палатка - Слаугское. С севера ограничен I районом. |
|
I3 - южная подзона высокотемпературных вечномерзлых грунтов (ВТВМГ) островного и частично-сплошного распространения |
Преимущественно островное распространение вечномерзлых грунтов мощностью до 50 - 100 м. Среднегодовая температура вечномерзлых грунтов выше -1 С. Глубина сезонного оттаивания достигает 4 м и более. Грунты пылеватые, глинистые, песчаные, торфоглинистые в западной части района и щебенистые, галечниковые и глинистые в восточной части района со среднегодовой суммарной относительной влажностью от 0,7 до 1,0 относительно предела текучести. Рельеф равнинный в западной части района и горный или холмистый - в восточной |
Включает таежные, лесостепные и степные зоны, побережье Охотского моря. Расположен севернее южной географической границы вечной мерзлоты в европейской части СССР, на Дальнем Востоке и севернее южной государственной границы с Монголией и Китаем в Восточной Сибири. Включает северную и центральную части Камчатки |
Примечания:
1. Границы даны примерно, их следует корректировать в процессе проектно-изыскательских работ в соответствии с характеристикой условий местности (см. текст и настоящую таблицу).
2. В горных районах в связи с вертикальной зональностью необходимо учитывать изменения природно-климатических условий по мере увеличения высоты пояса.
3. В гористой местности вечномерзлые грунты обычно встречаются на заболоченных участках, на склонах северной экспозиции и в пониженных затененных местах.
4. Таблица разработана В.А. Давыдовым.
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. 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 мерзлоты с введением дополнений, отражающих специфические мерзлотно-грунтовые условия этой зоны (табл. 3.2), которые, в свою очередь, определяют выбор и расчет дорожных конструкций.
