Проектирование а/д в районах вечной мерзлоты. Виды и режимы вечномерзлых грунтов. Проложение трассы в районах мерзлоты

Вечномерзлыми (многолстнемерзлыми) называют грунты, содер­жащие замерзшую воду и имеющие температуру ниже 0° С в течение длительного периода времени, измеряемого десятками тысячелетий. Вечномерзлые грунты распространены на 47% территории СССР. Мощность слоя мерзлых грунтов возрастает к северу страны и у бе­регов Северного Ледовитого океана превышает 500 м.

В мерзлой толще грунтов всегда содержится лед—от кристаллов и тонких прослоек до толстых ледяных жил. При оттаивании содержащие лед мерзлые грунты оказываются избыточно увлажненными, а возведенные на них сооружения претерпевают значительную осадку.

Многолетние наблюдения за вечной мерзлотой показывают, что она постепенно, хотя и очень медленно, отступает к северу. Поэтому вечную мерзлоту около южной границы ее распространения иногда называют деградирующей.

Верхний слой грунта, который в теплое время года оттаивает, а зимой вновь замерзает, называют деятельным слоем. Если он соеди­няется с поверхностью вечной мерзлоты, последнюю называют сливаю­щейся.

Глубина оттаивания грунта определяется его теплопроводностью и количеством поступающего в него тепла. В каждом конкретном месте толщина деятельного слоя зависит от рельефа местности и экспозиции склонов, от состава и влажности грунтов, растительного покрова и климатических факторов. На южных склонах грунт оттаивает на большую глубину, чем на северных. Глинистые грунты имеют большую теп­лопроводность, чем, например, торфяники. Растительность, особенно моховой покров и кустарники, затеняя грунт, способствуют тому, что в таких местах вечная мерзлота расположена значительно ближе к поверхности грун­та, чем на открытых местах.

Мерзлые грунты водонепроницаемы. Поэтому в нижней части дея­тельного слоя происходит накопление воды от таяния льда, обра­зующегося в результате процессов зимней миграции влаги и от про­никания дождевых и талых вод. Избыток воды просачивается через толщу деятельного слоя, стекая от поверхности мерзлого грунта. В зоне, примыкающей к поверхности вечномерзлого грунта, грунт всег­да имеет повышенную влажность.

Постройка дороги вносит изменения в природный режим вечно-мерзлых грунтов. Влияние этих изменений нельзя недоучитывать, при­нимая те или иные проектные решения. Вырубка на придорожной по­лосе деревьев и кустарников и удаление или повреждение мохового покрова способствует увеличению мощности деятельного слоя. При оттаивании пылеватые льдонасыщенные вечномерзлые грунты из прак­тически твердого состояния переходят в разжиженное, растекаясь под действием собственного веса. Поэтому часто откосы выемок, устроенных в зимнее время, весной, оттаивая, сплывают на дорогу. Оттаивание мерзлых оснований под насыпями в зависимости от ко­личества льда, содержащегося в грунте, вызывает дополнительные осадки или полное расползание насыпей.

Разрушениям способствует то обстоятельство, что поверхность протаявшего под дорогой вечномерзлого грунта имеет вогну­тое очертание. Это вызывает скапливание грунтовой воды, ускоряю­щей дальнейшее оттаивание. На участках с близким к поверхности расположением мощных слоев льда при таянии могут возникать про­вальные озера (термокарстовые явления) В отдельных случаях возведение насыпей может вызвать поднятие вечной мерзлоты.

Трассу автомобильных дорог в зоне распространения вечномерзлых грунтов следует по возможности прокладывать по участкам с наиболее благоприятными условиями грунтов и рельефа, отдавая преимущество сухим местам, на которых изменение режима вечной мерзлоты и оттаивание грунтов не отражаются на устойчивости земляного по­лотна.

Дороги следует стремиться прокладывать в насыпях с рабочими отметками, гарантирующими снегонезаносимость. Выемки допустимы лишь в скальных породах и в сухих грунтах.

Районы вечной мерзлоты согласно СНиП 2.05.02-85 относится к I ДКЗ. Различают 3 ДК подЗОНЫ по следующим признакам:

1. климатические условия

2. влажность грунта деятельного слоя и его мощность

3. характер распространения и температура вечно-мерзлых грунтов

I₁ – самая северная подзона вдоль северного ледовитого океана, это тундровые и лесотундровые территории. Распространение вечно мерзлых грунтов сплошное мощность слоя от 100 до 500м и более, температура вечно мерзлых грунтов от -1, 5; -3 до -12 градусов на глубине 10-12м, это низко температурная вечная мерзлота (НТВМГ) мощность деятельного слоя (сезонно оттаивающего) от 0, 4-2м преимущественно до 1м.

Преобладают глинистые пылеватые, торфоглинистые грунты. Средне годовая относительная влажность грунтов больше предела текучести W> W_т

Эта зона характеризуется высоким содержанием льдов различных типов с не глубоким залеганием, с широким распространением термокарстовых образований, интенсивным развитием морозного пучения морозобойного растрескивания грунтов и целым рядом других негативных процессов.

I₂ – это таежная территория, характеризующаяся горным рельефом местности (Якутск, Мирный, и др.).

Распространение вечно-мерзлых грунтов сплошное, мощность слоя от 100 до 500м, температура вечно мерзлых грунтов от -1, 5; -3 до -7 градусов, мощность деятельного слоя 0, 6-3м.

Преобладающие грунты: скальные, щебеночно-гравелистые, песчаные, глинистые и др.

Средне годовая относительная влажность грунтов W=(0, 7-1, 0)W_т

В зоне распространены подземные льды разных типов, с развитым термокарстом

I₃ – к этой зоне относятся таежные, степные, лесостепные районы, побережье Баренцево и Охотского морей. Рельеф холмистый и равнинный в западной части и горно-холмистый в восточной. Распространение мерзлоты островное мощность слоя от 25 до 200м

Температура вечно мерзлых грунтов от 0 до -1, 5; -3 градусов это так называемая высоко температурная вечная мерзлота (ВТВМГ) мощность деятельного слоя более 3м. Преобладающие грунты скальные, песчаные, щебенистые, галечниковые и др.

Средне годовая относительная влажность грунтов W=(0, 7-1, 0)W_т

Встречаются подземные льды сезонные и многолетние преимущественно в долинах рек, единично термокарстовые образования, наледи образования и морозное пучение

Различают три типа местности по условиям увлажнения

1. сухие места – поверхностный сток обеспечен, над мерзлотные воды не оказывают существенного влияния на увлажнение верхней толщи грунтов к таким грунтам относятся: каменистые возвышенности, сопки с крутыми склонами, гравийно-галечниковые и песчаные посы мощность деятельного слоя более 2, 5м. Грунты крупнообломочные, гравийно-галечниковые, песчаные, супесчаные (с массивной текстурой), не просадочные, с относительной влажностью W< 0, 77W_т

Мерзлотные процессы в таких местах отсутствуют

2. сырые места – поверхностный сток не обеспечен, в летний период возможно избыточное увлажнение грунтов деятельного слоя поверхностными и над мерзлотными водами.

К таким местам относятся плоские водоразделы, горы с пологими склонами и шлейфами мощность деятельного слоя 1-2, 5м.

Тип грунтов песчаные, глинистые с массивной и слоистой текстурой, мало просадочные

С относительной влажностью W=(0, 77-1, 0)W_т

Характерно заболачивание, сезонные бугры пучения

3. мокрые места – поверхностный сток не обеспечен в летний период постоянное избыточное увлажнение грунтов поверхностных и над мерзлотными водами к таким местам относятся заболоченные тальвеги, замкнутые впадины с развитым моховым покровом и торфом, мощность деятельного слоя до 1м

Распространены глинистые, торфяные группы, наличие подземных льдов группы со сплошной и сетчатой текстурой, просадочные и сильно просадочные с относительной влажностью более предела текучести

Происходит заболачивание, много летние бугры пучения, торфяники термокарст, солефлюкция

Проектирование ЗП по принципу сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии и предварительного или постепенного оттаивания вечномерзлых грунтов. Расчёт глубины оттаивания и промерзания

1. проектирование ЗП как правило в насыпях

2. возведение ЗП из скальных крупнообломочных и песчаных грунтов и только при их дефиците из глинистых

3. применение естественных и искусственных теплоизоляционных материалов в основания ЗП, в теле насыпи и ДО

4. применение не тканых синтетических (геотекстильных материалов) в основании и теле ЗП и в основании ДО

5. замена переувлажненых грунтов деятельного слоя и льдо насыщенных подстилающих вечномерзлых грунтов, соответственно крупнообломочными и песчаными

При проектировании ЗП могут быть использовании следующие принципы использования грунтов основания:

1. сохранение вечномерзлых грунтов в основании насыпи в течение всего периода эксплуатации дороги

2. частичное оттаивания вечномерзлых грунтов под подошвой насыпи на величину определяемую расчетом

3. оттаивание мерзлого грунта до начала строительства а/д на глубину на которой он уже не влияет на работу ЗП и осушение придорожной полосы

Проектирование ЗП по принципу сохранения мерзлых грунтов в основании насыпи

Как правило используется в I₁ и I₂дорожно-климатических под зонах, относящихся к III типу местности по условиям увлажнения – мокрые места, с характерной среднегодовой температурой вечномерзлых грунтов ниже -1, 5 градусов

В I₃ дорожно-климатической подзоне проектирование по этому принципу допускается при условии понижения среднегодовой температуры грунта ниже -1, 5 градуса

Применяют, когда оттаивание может привести к просадке и разрушению насыпей

На всей придорожной полосе сохраняют моховой и растительный покров, лесные просеки ограничивают шириной насыпи понизу.

Дорогу проектируют в насыпях, сооружаемых из не подверженных пучению песчаных, супесчаных, крупнообломочных грунтов. После постройки насыпи уровень вечной мерзлоты повышается и она достигает подошвы насыпи.

При сохранении под насыпью мохового покрова нижний слой толщиной 0, 3-0, 5м, целесообразно устраивать из грунтов с камнями крупностью не более 10см, глинистые грунты с влажностью не более чем 0, 2 раза превышающих оптимальную, разрешают использовать только в средней части насыпи при качественном уплотнении, верхней части насыпи не менее 0, 5м отсыпают из дренирующих грунтов щебнем или гравием.

Насыпь должна оттаивать на полную высоту только к наступлению морозного периода. Высота насыпи должна быть равна толщине слоя промерзания с введением поправок на условия оттаивания: Н_нас=Н_р*m_t*К_г*К_w

Н_р – нормативная глубина оттаивания в грунте из которого отсыпают насыпь

m_t – коэффициент учитывающий поглощения тепла покрытием

К_г – коэф. дополнительного притока тепла в основании учитывающем влияние откосов насыпи и вырубки деревьев К_г=1, 16-1, 22

К_w – коэффициент учитывающий влияние влажности грунта на глубину протаивания основания К_w=1/a+bw₀

w₀ – влажность грунта в %

a=0, 9; b=0, 018 – для песчано-гравийных

a=0, 9; b=0, 007 – для глинистых

1 – торфяная присыпка на откос для теплоизоляции

2 – мохорастительный покров

3 – грунт основания

4 – верхняя граница вечномерзлых грунтов в естественных условиях

5 - верхняя граница вечномерзлых грунтов после постройки насыпи

6 – грунт насыпи

7 – берма

Откос назначается не круче 1: 2

Проектирование по принципу частичного оттаивания вечномерзлых грунтов под подошвой насыпи

По второму принципу ЗП проектируют во всех дорожно-климатических под зонах на участках относящихся ко второму и третьему типом местности – сырые и мокрые места.

Под ЗП допускается частичное оттаивание грунта на глубину контролируемую расчетом. При этом граница мерзлых грунтов должна иметь под насыпью выпуклое очертание. Учитывают уплотнение оттаявшего грунта, а также зимнее вспучивание и последующую осадку, которые могут быть причиной разрушения ДО.

При осадке насыпи на величину S до I-I и при поднятии на величину δ до II-II мощность деятельного слоя уменьшится до значения H^I_д.с.

Глубину протаивания под насыпью необходимо ограничить величиной при которой сезонное уплотнение и вспучивание основания не превысят f_доп

l – модуль осадки мерзлого грунта основания при оттаивании

Проектирование ЗП по способу оттаивание мерзлого грунта до начала строительства а/д

Применяют: первый тип местности по условиям увлажнения – сухие участки; территории с глубоким сезонным промерзанием и наличием остравной вечной мерзлоты; I₃ ДКЗ. За год до возведения ЗП на полосе отвода удаляют растительный слой и мохо-торфяной слой, обеспечивают поверхностный водоотвод.