Материал: 2316

В настоящее время ведутся исследования, направленные как на поиск новых конструктивных решений земляного полотна с применением местных материалов, так и методов их расчета на устойчивость в определенных условиях эксплуатации.

Научные исследования в данной области связаны с определенными понятиями, которые приведены в справочной и нормативной литературе [44,102,127]. К категории «мерзлых» относят грунты, которые имеют нулевую или отрицательную температуру и содержат в своем составе лед.

Грунты называют многолетнемёрзлыми («вечная мерзлота»), если они имеют отрицательную температуру в течение трехлетнего периода и более (вечная мерзлота – не менее ста лет). Многолетнемерзлые грунты по физическому состоянию (или температуре) разделяют:

− на низкотемпературные (твердомерзлые), с температурой ниже границ замерзания грунтов (для песков пылеватых температура замерза-

ния − 0,3°С, для супесей − 0,6°С, для суглинков −1°С и для глин − 1,5°C);

−высокотемпературные (пластичномерзлые), с большим содержанием незамерзшей воды, с температурой ниже 0 °С и выше температуры замерзания грунтов.

Для инженерных целей важнейшим вопросом является изучение физических процессов в сезонно-талом (деятельном) слое, так как инженерные сооружения в основном возводятся на этом и в этом слое. Основной характеристикой вечномерзлых грунтов является среднегодовая температура на той глубине, на которой не отмечаются сезонные колебания температур (глубина нулевых амплитуд). На рис. 1.5 [44] показано изменение температур по глубине без воздействия сооружения на вечномерзлых грунтах.

К качественным показателям взаимодействия земляного полотна и ММГ относятся [8, 102]:

−изменение естественных мерзлотно-грунтовых условий под влиянием внешних воздействий при строительстве дорог;

−повышение температуры ММГ и оттаивание верхних слоев мерзлой толщи;

−изменение деформационных и прочностных свойств ММГ при оттаивании;

−возникновение и развитие деформаций земляного полотна вследствие изменения мерзлотно-грунтовых условий и свойств оттаивающих ММГ.

15

Рис. 1.5. Изменение температуры по глубине сезонно-оттаивающего слоя грунта и вечномерзлой толщи пород [44]:

1 − кривая самых низких отрицательных температур толщи пород по глубине; 2− кривая самых высоких положительных и отрицательных температур толщи по глубине. An − годовая амплитуда температур на поверхности земли, °С; А1 − годовая амплитуда температур почвы на глубине H1, °C; 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. равна 0°С; Н0 − глубина нулевой амплитуды пород, м; − 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

Для прогноза результатов взаимодействия земляного полотна и ММГ при моделировании необходимо знать количественные характеристики ряда параметров [8], в том числе:

−мощность деятельного слоя в естественных условиях;

16

−то же в пределах конструкции земляного полотна с учетом предпостроечных мероприятий;

−глубину залегания поверхности ММГ в основании насыпей;

−величины осадки насыпи вследствие уплотнения растительномохового покрова и деформирования грунтов деятельного слоя;

−величины осадки насыпи вследствие уплотнения оттаивающих ММГ основания.

Совместное влияние перечисленных факторов формирует тепловой режим поверхностного слоя толщи ММГ и возможные изменения среднегодовой температуры на глубине под насыпями. Схема теплового взаимодействия насыпи и грунтов основания приведена на рис. 1.6 [102].

Рис. 1.6. Схема вариантов теплового взаимодействия дорожной насыпи и грунтов основания [102]:

1− насыпь; 2 − деятельный, сезоннопромерзающий, сезоннооттаивающий слой; 3 – многолетнемерзлый грунт (ММГ); 4 − поверхность бугра ММГ; 5 − поверхность ММГ в естественных условиях до возведения насыпи; 6 − пониженная поверхность ММГ; 7− массив ММГ

При конструировании земляного полотна необходимо соблюдать определенные условия, соответствующие выбранным принципам проектирования. Для первого принципа проектирования это условие определяется следующим соотношением:

негодовая температура в основании насыпи, °С.

Условие второго принципа проектирования следующее:

17

(1.2)

По ВСН 84-89 [65] эти условия регулируются высотой насыпи при теплотехнических расчетах. При проектировании и строительстве по второму принципу высота насыпи должна быть больше определенной величины Нmin , определяемой с учетом допустимой осадки для разных типов покрытия по ОДН 218.046-01 [106].

Деформации приводят к полному или частичному нарушению работоспособности земляного полотна, которые проявляются в виде повреждений или разрушений [79]. К повреждениям относятся местные нарушения в элементах земляного полотна, а к разрушениям – нарушение его целостности (оползни, размывы, провалы). Основная причина повреждений и разрушений – недопустимое накопление остаточных деформаций из-за дефектов проектирования, строительства и эксплуатации. Деформации разделяют на допускаемые и недопускаемые, равномерные и неравномерные, упругие, вязкопластичные и просадочные. Опасность для состояния дорожных покрытий представляют неравномерные остаточные деформации.

Дорожное земляное полотно является линейным сооружением большой протяженности, поэтому при проектировании необходимо учитывать не только различие конструктивных решений по длине дороги, связанных с высотными отметками (насыпи, выемки), но и разнообразие геоморфологических и гидрогеологических условий, теплового режима ММГ по длине трассы. Н.А. Перетрухин и Т.В. Потатуева [102], указывая на и з- менчивость мерзлотных условий в естественных условиях (особенно в зонах с высокотемпературной мерзлотой), делают вывод, что «ММГ фактически используются в качестве основания дорожных насыпей одновременно по I и II принципам» проектирования.

Одной из самых частых причин деформаций земляного полотна на ММГ является нарушение температурно-влажностного режима под воздействием различных факторов техногенного и природного характера.

В работе С.М. Ждановой [60] по результатам обследований выявлены проявления характерного вида деформаций земляного полотна в определенных природно-климатических районах Северного хода ДВЖД в процессе эксплуатации железной дороги. Были проанализированы две зоны, каждая протяженностью порядка 200 км. Диаграммы, приведенные на рис. 1.7, показывают, что для 281-й зоны характерным является 4-й тип деформации (осадки основания земляного полотна), а для 290-й зоны преобладающими являются пучинно-просадочные деформации основной площадки земляного полотна (1-й тип). Первый и пятый виды деформаций составляют соответственно 25,4 % и 39,6 % от всех видов деформаций на

18

данной дороге. Остальные деформации в этих зонах (2 – сплывы, 3 – заужение основной площадки, 5 – наледи, 6 – водоразмывы) имеют незначительные проявления.

Рис. 1.7. Диаграммы суммарных деформаций для 281-й зоны (а) и 290-й зоны (б) Северного хода ДВЖД [60]

Сопоставление характерных видов деформаций (см. рис. 1.7) и данных о климатических и мерзлотных условиях на этих участках позволили С.М. Ждановой сделать вывод, что для определенной природноклиматической зоны можно прогнозировать характерные деформации

технической системы «земляное полотно − основание» в условиях ММГ. Этот вывод имеет важное значение для моделирования конструктивных решений земляного полотна на различных участках дороги в процессе проектирования в зависимости от комплекса природно-климатических и геокриологических факторов, характерных для определенного участка.

Авторы [8], используя материалы обследований СоюздорНИИ и Иркутского филиала ГипродорНИИ 70-х годов прошлого века, проанализировали данные о состоянии конструкций дорожных насыпей в зоне распространения ММГ на достаточно обширной территории, в которую вошли следующие объекты: притрассовые автомобильные дороги БАМа,

железная дорога по линии БАМ − Тында, дороги Магаданской области, дороги севера Восточной Сибири, промысловые дороги Западной Сибири, автомобильная дорога «Амур» (Чита – Хабаровск).

Значительные объемы разрушений на обследованных дорогах авторы [8] связывают с разрушительной деятельностью поверхностных, надмерз-

19