Таблица 3.2
Типы местности по характеру поверхностного стока, степени увлажнения и мерзлотно-грунтовым условиям
|
Тип местности |
Условия увлажнения |
Характерные признаки |
|
1 |
2 |
3 |
|
1-й (сухие места) |
Без избыточного увлажнения. Поверхностный сток обеспечен. Естественная относительная влажность грунтов менее 0,8 от предела текучести |
Каменистые возвышенности, крутые склоны сопок, песчаные и гравийно-галечниковые косы с мощностью сезоннооттаивающего слоя более 2,5 м. Грунты гравийно-галечниковые, песчаные, а также супесчаные, глинистые непросадочныех) |
|
2-й (сырые места) |
Избыточное увлажнение в отдельные периоды года. Поверхностный сток не обеспечен. Естественная относительная влажность грунтов от 0,8 до предела текучести |
Плоские водоразделы, пологие склоны гор и их шлейфы с мощностью сезоннооттаивающего слоя от 1,0 до 2,5 м. Грунты глинистые просадочныех) |
|
3-й (мокрые места) |
Постоянное избыточное увлажнение. Водоотвод не обеспечен. Надмерзлотные и длительно стоящие (более 20 суток) поверхностные воды. Естественная относительная влажность грунтов выше предела текучести |
Мари, заболоченные тальвеги, замкнутые впадины с развитым мохоторфяным покровом и малой мощностью (до 1 м) сезоннооттаивающего слоя. Грунты глинистые сильно просадочные, содержащие в пределах двойной мощности сезоннооттаивающего слоя линзы льда толщиной более 10 м |
х) Грунты считаются условно непросадочными при относительной степени просадочности δ < 0,03, просадочными - при 0,03 ?? δ ?? 0,1 и сильнопросадочными - при δ > 0,1. Степень просадочности определяется по формуле δ = (γтн - γм)/γтн,
где γм - объемный вес скелета в мерзлом состоянии, г/см3;
γтн - объемный вес скелета грунта, оттаявшего под нагрузкой 0,1 МПа.
4. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В РАЙОНАХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ
Обычно у поверхности земли находится слой, который ежегодно летом оттаивает, а зимой замерзает. Он называется деятельным (сезоннооттаивающим) слоем (см. рис. 2.3 - 1).
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 увеличению 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, подвержена сплывам. 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 растирания воды в связном грунте, при этом наибольшее пучение вызвано дополнительным поступлением воды, перемещающейся в промерзающий грунт из нижележащих талях 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 вечномерзлую 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 дороги 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, B). 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 (Н.А. Цытович 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; Нот - мощность слоя оттаивания (промерзания); Но - 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: Еу = 2 102 - 25 103 кгс/см2, а Ед = 0,4 103 - 5 103 кгс/см2. При глубине оттаивания 4 - 5 см модуль упругости составлял уже 1800 - 2190 кгс/см2, а деформация - 629 - 347 кгс/см2.
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 (О.Я. Шехтер, К.Е. Егоров, М.И. Горбунов-Посадов и др.). Получены аналитические решения и разработаны приемы численного определения напряжений и деформаций.
Согласно этим решениям, а также опытным данным О.Ф. Никитина в ХАДИ, В.А. Давыдова в Омском филиале Союздорнии и др. установлено, что величина осадки в системе с несжимаемым основанием меньше, чем в однородном полупространстве. Была получена картина распределения сжимающих 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 К.Е. Егорова, основанное на формуле Маргерра:
(5.1)
где R - радиус штампа, см; r - расстояние от центра круглого штампа до точки, перемещения которой определяют, см; J0 - функция Бесселя нулевого порядка первого рода; J1 - функция Бесселя нулевого порядка второго рода; sh, ch - 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, J0 = 1,0, коэффициент влияния жесткого несжимаемого слоя на величину модуля упругости является обратной величиной коэффициента ??:
(5.2)
Таким образом, влияние мерзлого слоя на прочность оттаивающего грунта может быть определено по формуле (5.2) или по графику (рис. 5.2).
В грунтах земляного полотна и основания, как правило, влажность по глубине неоднородна (в верхних слоях меньше, а в нижних больше) и в течение всего периода оттаивания имеет непостоянные значения (см. рис. 5.5). Указанную закономерность для естественных условий зоны вечной мерзлоты отмечали проф. Н.А. Пузаков и мерзлотоведы, однако практических рекомендаций по ее учету при оценке прочности грунтов не было сделано.
Рис. 5.2. График для определения коэффициента влияния мерзлого слоя А на величину модуля упругости (деформации) в зависимости от относительной глубины залегания мерзлого слоя Нот/Д
Рис. 5.3. Изменение влажности грунтов по мере оттаивания слоя насыпи в течение весенне-летнего периода:
I - влажность грунта в весенний период (начало оттаивания); II - влажность грунта в начале летнего периода; III - влажность грунта в конце летнего периода; ГМ - горизонт мерзлоты
Характерные эпюры распределения влажности по глубине оттаявшего слоя в расчетный период (весна - лето) были установлены автором в процессе обследования автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты [14, 16, 22]. В начале оттаивания земляного полотна происходит увлажнение верхнего активного слоя грунта (весенний период), затем, по мере опускания границы оттаивания вниз, вслед за горизонтом мерзлоты опускается свободная влага под действием гравитационных сил.
В летний период за счет испарения с поверхности и инфильтрации просыхают верхние слои земляного полотна, а в нижних слоях на границе с мерзлым грунтом наблюдается максимальная влажность, нередко достигающая предела текучести. Также распределение влажности обусловливает неравнопрочность грунтов по глубине, что следует учитывать в расчетах прочности дорожных конструкций.
