Возведение земляного полотна в районе вечной мерзлоты

Вечномерзлыми называют грунты и материковые породы с отрицательной температурой, не подверженные сезонным колебаниям.

Вечная мерзлота занимает более 50 % всей территории России, а на Дальнем Востоке она охватывает 80 % территории. Среднегодовая температура воздуха в этих районах отрицательная и на Крайнем Севере понижается до -16°С. В приморских тундрах часты ураганные ветры. Годовое количество осадков на большей части территории невелико и составляет 140...320 мм. Толщина снежного покрова, особенно в тундре, не превышает 30...40 см.

Большинство вечномерзлых грунтов насыщено льдом. В ряде случаев льдистость мерзлых грунтов достигает 80 %, а иногда он полностью замещен мощными ледяными включениями.

Мощность вечной мерзлоты по глубине весьма различна и составляет от нескольких метров в южных районах вечной мерзлоты до 500 м у берегов Северного Ледовитого океана. Температура верхнего слоя мерзлых горных пород обычно колеблется от -3 до -8°С, причем она на 4...10°С выше среднегодовой температуры воздуха. Вечная мерзлота сверху и снизу ограничена слоем грунта, имеющим температуру 0°С. Эти поверхности, с нулевой температурой, соответственно называются верхней и нижней границами вечной мерзлоты [18, 49, 51].

Грунты с отрицательной температурой, но не содержащие воды или включающие ее в небольшом количестве, а потому не смерзшиеся и оставшиеся сыпучим телом, называются сухой мерзлотой.

Существенное значение в условиях вечной мерзлоты имеет состояние подземных и грунтовых вод. В зависимости от расположения относительно слоя вечной мерзлоты они подразделяются на три взаимосвязанные категории:

а) надмерзлотные - залегающие над верхней границей многолетней мерзлоты;

б) межмерзлотные - расположенные в толще многолетней мерзлоты;

в) подмерзлотные - залегают под слоем многолетней мерзлоты.

По характеру залегания вечномерзлой толщи под деятельным слоем различают типы сливающейся, несливающейся и слоистой вечной мерзлоты.

Несливающаяся вечная мерзлота. Верхняя граница вечномерзлых грунтов не сливается с подошвой сезонного промерзания. Между ними остается пласт постоянно талого грунта. Несливающаяся вечная мерзлота встречается в южных районах мерзлотного региона, главным образом в котловинах, долинах и других отрицательных формах рельефа, где происходят мощные снеговые заносы, а летом протекает вода.

Сливающаяся вечная мерзлота. Верхняя граница вечномерзлых грунтов сливается с подошвой деятельного слоя. Имеет основное региональное распространение на севере Азии.

Слоистая вечная мерзлота. Слоистой вечной мерзлотой принято называть чередование нескольких слоев вечномерзлых горных пород с пластами талых пород. Она встречается в долинах мигрирующих водотоков. Талые пласты могут быть исчезающими или поддерживаться за счет фильтрационного потока.

От поверхности земли вечная мерзлота отделена слоем грунта с сезонным промерзанием - оттаиванием, который называют деятельным слоем.

При замерзании деятельного слоя происходит пучение, и поверхность грунта поднимается, при оттаивании наблюдается обратное явление - осадка. По данным П.И. Мельникова, деятельный слой промерзает с двух сторон одновременно - и от земной поверхности, и от своей подошвы, то есть от верхней границы вечномерзлых грунтов.

Мощность деятельного слоя колеблется в пределах 0,8...1,6 м в песчаных грунтах и 0,2...0,4 м в торфяно-болотистых почвах. На болотах и заболоченных склонах с толстым слоем мохового покрова верхняя граница вечной мерзлоты залегает непосредственно под слоем мха. Все склоны гор северных экспозиций имеют верхнюю границу многолетней мерзлоты на глубине 0,15...0,2 м. В районах пойм, русел средних и больших рек, с гравийно-галечными и песчаными грунтами, она достигает 10 м.

Мощность деятельного слоя зависит от многих факторов. Остановимся на основных:

1. Радиационный баланс поверхности земли. Радиационный или лучистый баланс тепловой энергии слагается из трех компонентов: суммарная солнечная радиация, минус отраженная часть этой радиации в космос, минус длинноволновое эффективное излучение почвы. Теплоприход суммарной солнечной радиации слагается из тепла прямой солнечной радиации при ясном небе и тепла рассеянной солнечной радиации при облачном небе. Максимум прямой солнечной радиации наблюдается на экваторе, минимум - на полюсах. Естественно, что поступление рассеянной облаками радиации также убывает с юга на север.

Величина отраженной части радиации зависит от отражательной способности поверхности земли. Наибольшим поверхностным излучением обладает заснеженная поверхность земли, от которой больше 80 % солнечной энергии бесполезно отражается в атмосферу. Наименьшей способностью отражения обладает свежевспаханная темная влажная почва, которая усваивает более 90 % суммарной радиации.

2. Конвективный теплообмен. Конвективный теплообмен между поверхностью земли и воздухом равен произведению коэффициента теплообмена a на разность температур почвы и воздуха. Если летняя температура верхнего слоя грунта t_г больше температуры воздуха t_в, то земля теряет тепло. Если наоборот, t_г < t_в, например, при вторжении теплых масс воздуха с юга, то происходит нагрев грунта. Коэффициент теплообмена конвекцией определяют по формуле Вирца

(4.4.1)

где V - скорость ветра, м/с.

Если принять, что конвективный теплообмен в энергетическом отношении равен тепловому радиационному балансу r, то температура верхнего слоя грунта равна

t_г = t_в + r /a (4.4.2)

3. Испарение и конденсация. Наибольшие затраты тепла в общем тепловом балансе влажных грунтов приходятся на испарение. Особенно велики эти потери на моховых и болотистых тундрах, где грунт за целое лето оттаивает только на 30...40 см. При наличии сухих скелетных грунтов теплопотери на испарение незначительны.

Теплоприход от конденсации в естественных условиях невелик. Однако при послойной вскрыше грунтов по мере их оттаивания конденсация, а, следовательно, и выделение тепла, резко возрастают. В этом случае теплый воздух соприкасается с холодной, периодически обнаженной поверхностью мерзлых грунтов, и происходит обильное выпадение росы.

4. Снежный покров, его мощность и рыхлость. Теплопроводность рыхлого снега близка к теплопроводности такого теплоизолятора, как сухой торф, поэтому потери тепла из литосферы в атмосферу резко уменьшаются. Разница среднемесячных температур на поверхности снега и под снегом может достигнуть 40°С и более.

5. Растительный покров, характер растительности. На побережье арктических и северо-восточных морей преобладают мхи, лишайники и тундровые травы. Мхи, особенно сфагновые, в летнее время быстро подсыхают сверху и становятся отличным теплоизолятором. Кроме того, мхи испаряют большое количество влаги и этим резко понижают свою температуру. В зимний же период они быстро замерзают и по своим теплоизоляционным свойствам мало отличаются от обычного льдистого грунта. В результате такого различия в теплопроводности талого и мерзлого мхов, вечная мерзлота подо мхом и торфяником прослеживается даже в относительно южных районах, где под другой растительностью она не встречается.

А.И. Мамаев установил, что в безветренных районах под любым растительным покровом, экранирующим летом грунт от солнца, вечная мерзлота устойчивее, чем на оголенных участках. В районах с интенсивными зимними ветрами наблюдается обратный эффект в связи с переотложением снега с оголенных участков в залесенные.

Развитая высокоствольная древесная растительность по берегам северных рек и озер часто указывает на присутствие русловых таликов глубиной до 5 м.

6. Экспозиция склона и рельеф. Южная экспозиция горных склонов повышает среднегодовую температуру поверхности земли на 0,5...1,5°С относительно температуры на северной экспозиции.

Возвышенности хорошо обдуваются ветром, и снег переносится в низкие места. Поэтому мощность вечной мерзлоты под оголенными возвышенностями в большинстве случаев больше, чем под снегозаносимыми пониженными местами. Однако, даже при одинаковой льдонасыщенности грунтов, глубина сезонного оттаивания на возвышенностях больше, чем в долинах, за счет увеличения амплитуды сезонных колебаний температуры грунта.

7. Цитологические особенности грунта. Различие в теплопроводности разных грунтов не превышает 2...2,5 раз. Наибольшей теплопроводностью обладают подземные льды и крупноскелетные льдонасыщенные грунты, наименьшей - сухие пески. Глубина сезонного протаивания, прежде всего, зависит от общей льдонасыщенности грунта. Сухие насыпные грунты протаивают на глубину в 3...4 раза больше, чем льдистые.

4.4.1. Особенности приложения трассы в районе вечной мерзлоты

Сооружение автомобильной дороги вносит большие изменения в природный режим вечномерзлых грунтов. Вырубка на полосе отвода деревьев, кустарника и удаление мохового покрова способствуют увеличению толщины деятельного слоя. При оттаивании льдонасыщенные грунты вечной мерзлоты переходят в разжиженное состояние и растекаются под действием собственной массы.

Оттаивание льдонасыщенного вечномерзлого грунта под невысокой насыпью вызывает дополнительные осадки или полное расползание насыпей. При проектировании земляного полотна в районе вечной мерзлоты прокладку трассы по возможности следует производить на участках:

а) с близким залеганием коренных скальных пород;

б) сложенных на глубину 10 м и более каменистыми, гравелистыми и песчаными сухими грунтами;

в) с залеганием сухой вечной мерзлоты на глубине 5...6 м;

г) с обеспеченным водоотводом;

д) со слабопокатными склонами южной экспозиции.

Дорогу проектируют в насыпях с рабочими отметками, гарантирующими снегонезаносимость. Выемки допускаются лишь в случаях крайней необходимости и только в сухих грунтах.

Нежелательными для проложения трассы являются участки:

а) заболоченные, осушение которых по условиям рельефа затруднительно;

б) с пылеватыми грунтами, которые при оттаивании приходят в плывунное состояние;

в) с высоким уровнем стояния грунтовых подмерзлотных вод, понижение которых в условиях вечной мерзлоты сопряжено с большими трудностями;

г) с близким расположением линз ископаемого льда или с интенсивными наледными процессами.

В зависимости от состава и льдонасыщенности грунтов, режима деятельного слоя, глубины залегания погребенных льдов, возможны три принципа строительства:

1. Обеспечение поднятия верхнего горизонта вечной мерзлоты до подошвы насыпи и сохранения ее на этом уровне в течение всего периода эксплуатации дороги. Этот принцип применяют при наличии глинистых грунтов, с влажностью выше предела текучести, и при особо сложных мерзлотно-грунтовых условиях (мари, заболоченные тальвеги, замкнутые впадины с мохоторфяным покровом и мощностью деятельного слоя до 1,0 м). Земляное полотно по первому принципу возводят из привозных грунтов.

2. Ограничение глубины оттаивания грунтов основания. Этот принцип находит применение при проложении полотна дороги на плоских водоразделах, пологих склонах гор с мощностью деятельного слоя от 1,0 до 2,5 м. Земляное полотно проектируют в насыпях из несцементированных обломочных или глинистых грунтов.

3. Обеспечение оттаивания и осушения грунтов под дорожной конструкцией. Строительство по этому принципу ведут на легкоосушаемых просадочных грунтах. Третий принцип применяют чаще всего на сухих участках местности, с мощностью деятельного слоя более 2,5 м, когда предусматривается заблаговременное оттаивание вечномерзлых грунтов и осушение дорожной полосы.

Опыт показывает, что деформации земляного полотна происходят при оттаивании вечной мерзлоты, но вместе с этим грунты в мерзлом состоянии представляют вполне надежное основание, поскольку грунты как бы сцементированы мерзлотой.

Выбор конструкции земляного полотна в каждом конкретном случае решается на основе технико-экономического сравнения вариантов с учетом не только капитальных, но и эксплуатационных затрат.

Размеры и формы земляного полотна на различных участках зависят от рельефа местности, продольного профиля дороги, грунтовых, гидрологических и гидрогеологических условий, а также проектируемых на данном полотне дорожных одежд.

Поперечные профили земляного полотна, устраиваемые по первому принципу - обеспечение поднятия верхнего горизонта вечной мерзлоты до подошвы насыпи и сохранения ее на этом уровне в течение всего периода эксплуатации (сохранение вечной мерзлоты), даны на рис. 4.4.1...4.4.4.

При возведении насыпи по первому принципу обязательным условием является сохранение в неразрушенном состоянии растительного покрова не только в основании насыпи, но и на всей дорожной полосе (рис. 4.4.1, тип I). Для предохранения мохорастительного покрова от разрушения в нижней части насыпи устраивают прослойки из дренирующих грунтов мелких фракций (не крупнее 50...100 мм) толщиной 0,3...0,5 м (рис. 4.4.1, тип II).

При необходимости уменьшения высоты насыпи или при наличии дешевых местных теплоизоляционных материалов в основании земляного полотна укладывают теплоизоляционные прослойки (мох, торф, нестроевая древесина, шлак) различной толщины (рис. 4.4.1, тип III).

Рис. 4.4.1. Поперечные профили насыпи на льдонасыщенном основании:
1 - мохорастительный покров; 2 - защитный слой из дренирующего грунта мелких фракций; 3 - несцементированный обломочный грунт; 4 - термоизоляция изо мха (по расчету); 5 - верхний горизонт вечной мерзлоты (ВГВМ) до постройки насыпи; 6 - ВГВМ после постройки насыпи

Если высокие насыпи сооружают в две стадии, то на первой (зимней) стадии применяют только несцементированные обломочные грунты (рис. 4.4.2, типы IV и V), а на второй (летней) допускаются глинистые грунты. В таких случаях верхняя часть насыпи отсыпается из щебеночного или гравийного материала слоем не менее 0,5 м (рис. 4.4.2, тип IV).

Рис. 4.4.2. Поперечные профили насыпи на льдонасыщенном основании, отсыпаемой в две стадии:
1 - щебень или гравий по расчету на прочность (но не менее 0,5 м); 2 - несцементированный обломочный грунт; 3 - мохорастительныйпокров; 4 - глинистый грунт; 5 - ВГВМ до постройки насыпи; 6 - ВГВМ после постройки насыпи

На косогорных участках (не круче 1:5) земляное полотно проектируют в насыпи. Во избежание нарушения мерзлотного режима местности, увеличения глубины оттаивания и снижения устойчивости сооружения уступы на косогоре не устраивают. В низовой части откоса насыпи защищают от теплового воздействия присыпкой из мохоторфа (рис. 4.4.3).

Рис. 4.4.3. Поперечный профиль насыпи на льдонасыщенном косогоре крутизной меньше 1:5:
1 - несцементированный обломочный грунт; 2 - теплоизоляция изо мха или торфа толщиной не менее 0,5 м; 3 - глинистый грунт толщиной 15 см; 4 - дренирующая присыпка; 5 - мохорастительный покров; 6 - ВГВМ до постройки насыпи; 7 - ВГВМ после постройки насыпи; 8 - каменное мощение; 9 - нагорный валик; d - величина поднятия ВГВМ по оси насыпи

На участках автомобильных дорог, где в основании залегают подземные льды или супеси с льдистостью около 80 %, а также в сильно заболоченных местах под насыпью ранее устраивали так называемую cлань, а в последние годы прослойки из геотекстиля (рис. 4.4.4), что уменьшает удельное давление на грунт от подвижной нагрузки и служит теплоизоляционной прокладкой под насыпью.

Рис. 4.4.4. Поперечный профиль насыпи с прослойкой из синтетического нетканого материала по типу замкнутой обоймы:
1 - насыпь земляного полотна; 2 - синтетический нетканый материал «Дорниит Ф-2»; 3 - слабое основание; 0,3 - ширина перекрытия полос геотекстиля

При проектировании автомобильных дорог, по принципу ограничения глубины оттаивания грунтов основания, земляное полотно конструируют в соответствии с поперечными профилями, приведенными на рис. 4.4.5 (типы VIII, IX). Если при понижении уровня вечной мерзлоты обеспечивается устойчивость земляного полотна и дорожной одежды, то допускают возведение насыпи из местных глинистых грунтов с закладкой боковых резервов. При этом запрещается убирать или разрушать мохорастительный покров в основании насыпи.

Рис. 4.4.5. Поперечные профили насыпи из местных глинистых грунтов:
1 - щебень или гравий по расчету на прочность (но не менее 0,5 м); 2 - глинистый грунт; 3 - земляная берма; 4 - мохорастительный покров; 5 - ВГВМ до постройки насыпи; 6 - ВГВМ после постройки насыпи; 7 - боковой резерв; 8 - водоотводная канава; d - величина поднятия ВГВМ по оси насыпи

Резервы можно располагать непосредственно у подошвы насыпи (рис. 4.4.5, тип VIII), если высота насыпи не превышает 1,5 м, или предусмотреть между подошвой насыпи и внутренней бровкой резерва земляные бермы шириной 3...5 м (рис. 4.4.5, тип IX).

При проектировании автомобильных дорог по принципу обеспечения оттаивания и осушения грунтов основания (третий принцип), исходя из допускаемых деформаций, земляное полотно конструируют в насыпях (рис. 4.4.6, типы X, XI). При этом расчищать дорожную полосу от леса и кустарника, сплошь снимать мохорастительный покров в пределах дорожной полосы, устраивать водоотводные канавы необходимо не менее чем за год до начала основных работ.

Рис. 4.4.6. Поперечные профили земляного полотна на легкоосушаемых грунтах:
1 - глинистый легкоосушаемый грунт с примесью крупного песка, щебня или гравия; 2 - супесчаный грунт; 3 - мохорастительный покров; 4 - ВГВМ до постройки насыпи; 5 - ВГВМ после постройки насыпи; 6 - боковой резерв; 7 - водоотводная канава

На косогорных участках (круче 1:5) земляное полотно в низовой части нужно поддерживать специальными подпорными стенками, предусматривая их заглубления в вечномерзлый грунт по расчету на выпучивание (рис. 4.4.7).

Рис. 4.4.7. Поперечный профиль насыпи на косогоре крутизной более 1:5:
1 - подпорная стенка; 2 - несцементированный обломочный грунт; 3 - мохорастительный покров; 4 - мерзлотный валик; 5 - каменное мощение; 6 - ВГВМ до постройки насыпи; 7 - ВГВМ после постройки насыпи

На затапливаемых участках и на подходах к мостам земляное полотно возводят из несцементированных обломочных грунтов. Бровка земляного полотна должна быть выше расчетного горизонта воды на высоту волны с набегом на откос, но не менее 0,5 м. В случае низкого расчетного горизонта воды верхнюю часть насыпи можно отсыпать из глинистых грунтов. При этом нижняя часть насыпи, отсыпаемая из несцементированных обломочных грунтов, должна быть выше расчетного горизонта воды более чем на 0,5 м (рис. 4.4.8, тип XIII).

Высокие насыпи на затапливаемых участках конструируют в соответствии с рис. 4.4.8 (типы XIV, XV).

Рис. 4.4.8. Поперечные профили высокой насыпи на затопляемом участке или пойме:
1 - щебень или гравий по расчету на прочность; 2 - глинистый грунт; 3 - несцементированный обломочный грунт; 4 - ВГВМ до постройки насыпи; 5 - ВГВМ после постройки насыпи; РПВ - расчетный уровень поверхностных вод

Выемки в зоне вечной мерзлоты допускается проектировать главным образом на участках местности с благоприятными грунто-гидрогеологическими условиями (скальные, щебенистые грунты) при отсутствии линз и прослоек льда (рис. 4.4.9).

Рис 4.4.9. Поперечный профиль выемки в скальных грунтах:
1 - нагорная водоотводная канава; 2 - легковыветривающаяся скальная порода; 3 - рыхлый грунт

В сырых местах выемки нужно проектировать с соответствующим обеспечением теплоизоляции откосов, заменой переувлажненных пылеватых глинистых грунтов песчаным или другим качественным материалом с устройством в основании дорожной одежды морозозащитных слоев (рис. 4.4.10, тип XVII). Мелкие выемки раскрывают под насыпь для повышения их устойчивости (рис. 4.4.10, тип XVIII). Толщину совмещаемого в выемках грунта определяют по теплотехническому расчету из условия обеспечения требуемой устойчивости дорожной одежды. Крутизну откосов выемок назначают в каждом случае исходя из устойчивости.

Рис. 4.4.10. Поперечные профили выемок в слабольдонасыщенных грунтах:
1 - щебень или гравий; 2 - глинистый грунт; 3 - каменное мощение; 4 - теплоизоляция изо мха по расчету; 5 - ВГВМ до устройства выемки, 6 - ВГВМ после устройства выемки; 7 - водоотводная канава