CC BY
15
http://vestnik-nauki.ru
УДК 624.139
КОМПЛЕКСНЫЕ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА
АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГЕ «НАМ»
А.В. Литовко
COMPREHENSIVE ENGINEERING AND GEOCRYOLOGICAL STUDIES ON THE
NAM HIGHWAY
A.V. Litovko
Аннотация. В связи с последними тенденциями в увеличении потребности в природных ресурсах и дороговизной воздушного транспорта в северных регионах, активно происходит строительство и реконструкция транспортной сети в этих регионах. Одним из таких проектов является автомобильная дорога «Нам». Статья написана по результатам научно-методического геокриологического сопровождения работ ИМЗ СО РАН по инженерно-геологическим изысканиям, выполняемых на отдельных проблемных (ключевых) участках автомобильной дороги «НАМ» в Республики Саха (Якутия). В ходе комплексных исследований было выявлено, что основной причиной деформации автомобильной дороги, является деградация высокольдистых грунтов оснований в результате чего происходит деформация верхнего строения дороги с образованием провалов и трещин.
Ключевые слова: геотехнический мониторинг; дорожные деформации; опытно-методический полигон; криолитозона; многолетнемерзлые породы; наблюдательная площадка.
Abstract: Due to the recent trends in increasing demand for natural resources and the high cost of air transport in the northern regions, the construction and reconstruction of the transport network in these regions is actively underway. One of such projects is the Nam highway. This paper summarizes the results of scientific-methodological geocryological investigations conducted in support of engineering site explorations by the Melnikov Permafrost Institute at key problem sections of the Nam Highway in the Republic of Sakha (Yakutia). In the course of comprehensive studies, it was revealed that the main cause of the deformation of the highway is the degradation of high-acid soils of the foundations, as a result of which the deformation of the upper structure of the road occurs with the formation of dips and cracks.
Key words: geotechnical monitoring, road deformations, observation and monitoring sites, cryolithozone, permafrost.
Введение.
Многолетний опыт проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог в криолитозоне, к сожалению, не избавляет нас полностью от многочисленных случаев деформаций этих объектов, зачастую аварийного характера, связанных с криогенными процессами и явлениями. Дополнительную напряженность ситуации вызывает прогнозируемое на ближайший период времени многими учеными и специалистами глобальное изменение климата, что обязывает уже сейчас обеспечивать надежность сохранения мерзлого состояния грунтов оснований при наступлении подобных отрицательных воздействий. В этой связи, значительно повышается роль инженерно-геокриологического мониторинга как критерия надежности и безаварийной эксплуатации геотехнических систем в криолитозоне.
Важным для организации мониторинга состояния автомобильных дорог является выбор ключевых участков, на которых он должен проводиться. При этом выделение только
http://vestnik-
;-nauki.ru
ISSN 2413-9858
дефектных, неустойчивых и деформирующихся объектов не способствует правильному выбору всех потенциально опасных мест. В первую очередь это важно для потенциально опасных участков пути, которые проходят по территориям, где развиты неблагоприятные геологические процессы и явления. На них необходимо проводить мониторинг в первую очередь. Перспективным для такого геотехнического мониторинга являются аэрокосмические методы, охватывающие большие по площади прилегающие территории. При этом на такие протяженные участки пути должны составляться не паспорта, а карты, используя геоинформационные системы.
Методика выполнения инженерно-геокриологической съёмки ключевого участка
Инженерно-геокриологический мониторинг на наблюдательных участках автомобильной дороги «Нам» назначается в целях получения количественных данных по изменению состояния основных компонентов сезонной и многолетней мерзлоты в связи со строительством и эксплуатацией автомобильных дорог в 1 дорожно-климатической зоне. В зону наблюдений необходимо включать и прилегающие к объектам дороги участки, включая естественные ландшафты, что позволит выявить тенденции изменения в сезонно- и многолетнемерзлых грунтах основания дорожных конструкций в зависимости от изменений природно-климатических условий.
Данные, полученные в результате мониторинговых исследований на наблюдательных площадках (полигонах) необходимы для повышения достоверности геокриологического (мерзлотного) прогноза при проектировании, строительстве и эксплуатации автомобильных дорог в криолитозоне. Материалы и предложения, изложенные в данных разработках, находятся в соответствии с базовыми положениями действующих нормативных документов
Инженерно-геокриологическая (мерзлотная) съемка участка проводится для рационального размещения на ней объектов инженерно-геокриологического мониторинга.
Карта инженерно-геокриологического районирования площадки является основой для выбора ключевых участков, видов и объемов геокриологических исследований. На начальном этапе подготовки проведения инженерно-геокриологических исследований были выполнены рекогносцировочные маршруты на всей площади согласованных участков, что позволило уточнить выделенные на камеральном этапе границы ключевых участков для детального их изучения.
Ключевые участки выбирались таким образом, чтобы с учетом сложности территории по геокриологическим условиям можно было оценить их оптимальное количество с учетом набора максимально неблагоприятных природных компонентов для эксплуатации автодороги.
В ходе маршрутных исследований интервалы основных и дополнительных точек наблюдения определялись конкретными условиями и сложностью того или иного участка автодороги. На поперечниках основные точки наблюдения обычно располагаются вне трассы через 20-25 м, на дорожной инфраструктуре площадки у подножья насыпи, оси автодороги и ограничивается внешними границами площадки.
Вспомогательные точки обычно намечаются на участках изменения ландшафтных и геокриологических условий, при фиксировании значимых геологических процессов и явлений (образований), в пунктах начала и окончания маршрутов.
В точках наблюдения проводятся следующие работы:
- точная привязка пункта наблюдения с помощью топографической основы, космоснимка системы GoogIe, аппаратом глобальной системы GPS с внесением информации в полевые журналы;
- описание ландшафтных условий в краткой форме (рельеф, растительность, дренированность поверхности, грунты и др.) с охватом расстояния, пройденного от
[1].
http://vestnik-
;-nauki.ru
ISSN 2413-9858
предыдущей точки и площади вокруг точки, доступную наблюдению (информация, необходимая для составления ландшафтно-криоиндикационной карты);
- подробное описание поверхностных условий и экзогенных (в первую очередь криогенных) геологических процессов или образований с указанием их основных параметров, интенсивности проявления и площади пораженности;
- измерения объектов (визуально и с использованием инструментов);
- фотографирование цифровой аппаратурой или записью видеокамерой объекта изучения и его фрагментов, а также выполнялись видовые снимки непосредственно по автодороге и рядом расположенных опасных природных объектов;
- фиксирование изменения в природных условиях (в характере растительности, в смене геоморфологических элементов, грунтов, в дренированности поверхности), а также выходы подземных вод, озера и водотоки (постоянные и временные);
- определение щупом (при технической возможности) глубина сезонно-талого слоя (СТС) или сезонно-мерзлого слоя (СМС);
- оценка по криоиндикаторам или другим признакам наличие или отсутствие многолетнемерзлых пород;
- непосредственно на автодороге (дорожных треках) должно фиксироваться: высота насыпи (верх-низ), ширина асфальтового покрытия, длина, угол и профиль насыпи, ширина обочины, состав грунтов, виды и размеры деформаций земляного полотна и асфальтового покрытия, наличие заболоченности и водных объектов у подножья насыпей и др.
-описание точек должно сопровождаться зарисовкой объекта наблюдения, составлением схематических ландшафтных, литологических и криолитологических разрезов поперечников из скважин, шурфов и закопушек, пересекающих объекты площадки, кроме того указывается место и глубина отбора проб.
Вся полученная в ходе маршрутных исследований информация исследователем заносит в полевой журнал, который после окончания полевых работ передается для окончательной обработки ответственному исполнителю камеральной группы или начальнику отряда.
В камерный период, на основе полученных материалов и ранее проведенных предварительных картографических построений, разрабатывается легенда инженерно-геокриологической карты и осуществляется по традиционной методике картографирование территории площадки. Масштаб карты площадки не должен быть мельче 1:2000 - 1:5000 и отражать основные компоненты инженерно-геологической среды.
Результаты и их обсуждение
Район работ расположен в центральной Якутии и в административном отношении охватывает территорию г. Якутска и Намского района республики Саха (Якутия). Район работ, согласно СП-11-105-97 (Часть IV) приложение Б, относится к 3-й категории сложности инженерно-геологических условий.
Исследуемая автомобильная дорога III технической категории относится к дорогам территориального значения c усовершенствованным покрытием. Участок проложен в I дорожно-климатическом районе зоны многолетней мерзлоты [2]. Данный по характеристике типа местности по увлажнению район проложения трассы относится ко 2-му типу.
По результатам рекогносцировочных инструментальных исследований по трассе автомобильной дороги «Нам» для создания опытно-экспериментальных полигонов были выбраны два ключевых участка под дальнейшие мониторинговые наблюдения за температуро-влажностным режимом грунтов оснований. Выбор этих участков определялся тем, что они характеризуют разные типы мерзлотных ландшафтов и имеют сложные инженерно-геокриологические условия с развитием криогенных процессов и их воздействием на автодорогу (рис.1).
Участки Н-1 на 36,5-38,5 км и Н-2 на 49,5-51,5 км (рис.2а, 2б) автодороги «Нам» расположены в пределах приводораздельной поверхности с абсолютными отметками в среднем 200-230 м на денудационно-аккумулятивной равнине левобережья р. Лена. Представлен межаласным и аласным типом местности. На межаласьях в основном произрастают березово-лиственничные леса с кустарничково-моховой растительностью. А аласы здесь не столь полно выражены, с относительной глубиной, не превышающей 3-4 м, как в других районах Центральной Якутии, однако в целом ландшафтоформирующие процессы тех или других являются идентичными. В их днищах часто встречаются многолетние бугры пучения (булгунняхи). Термокарстовые котловины, образованные при локальном вытаивании пород ледового комплекса, представлены озерными, озерно-болотными отложениями в сочетании со специфическими аласными осадками, представляющими самостоятельный тип осадков голоценового возраста [3]. Данный комплекс четвертичных отложений имеет небольшую мощность. На аласах произрастают разнотравно-злаковые луга.
1 Л йшшк тл-гг»- ■ % л
f lill 1 Ъ рч® щШ .. у.« уа % Гч Т Г \ L к Л
) fly 11 f f ^---^
I :500 ООО
Условные 'Ик> ¡магн ит;
К':': 1'.' 1[х' II г (:С лпдИ нjiluCI [wx I II ' 111. 111
CoCHOEblC IV>">|1 "; '<4;. (Ц ^ 'IIIIH
- Лртолпррщ "HftSt"
Тимы iirtiiiariu
■.'■..'.■' Нщ№террвпояыП Лнпкнннчные леса хустдрнинкоиие II кустарничкопс^млчсщие
(деОШКЫЬН^ЖМЛПНШПКЫЙ * КяЮЧСаЫС учсстюн
СккношЛ дел юиь|алы[оччзлифч ii>h i li шн н ul\
' V,\*i V
Рисунок 1 - Мерзлотно-ландшафтная карта автодороги «НАМ»
http://vestnik
;-nauki.ru
ISSN 2413-9858
а)
б)
Рисунок 2 - Фотографии ключевых участков автодороги «НАМ»: а - участок на 36,5-38,5 км; б - участок на 49,5-51,5 км
Полигональный бугристо-западинный термокарстовый микрорельеф встречается на поверхности межаласной равнины, на участках сведения лесного покрова. Особенно он характерен по периферии термокарстовых котловин. Полигонально-трещинный микрорельеф локально отмечается в увлажненных местоположениях днищ долин ручьев, межгрядовых низин и аласов. В лесах широко распространен мелкобугристый микрорельеф. Солифлюкционные формы характерны в основном для пологих склонов, особенно в их нижней части. Эрозионные формы представлены ложбинами стока. На склонах вдоль дорог имеют место процессы образования оврагов. Криогенные процессы (термокарст и морозное пучение) широко развиты на нарушенных участках вдоль автодороги.
Во время проведения инженерных изысканий автодороги «Нам» подземные льды были вскрыты на ключевом участке, который расположен на 50+950 км автодороги.
В результате рекогносцировочного маршрута этот участок был выбран в качестве ключевого по внешним признакам проявления пород ледового комплекса. Основные признаки развития ледового комплекса, которые наблюдаются на этой территории: полигональный рельеф, термокарстовые озера, морозобойные трещины, просадочные формы рельефа, заболачивание территории.
На момент проведения буровых работ мощность сезонно-талого слоя в теле насыпи автодороги составила около 1 м. По данным лабораторных испытаний суммарная влажность грунтов сезонно-талого слоя варьируется от 0,26 до 0,39 долей единицы.
Таким образом, в результате сопоставления буровых данных и полученных раннее данных геофизики, включая глубинных геоэлектрических интерпретационных разрезов можно сделать вывод о том, что подземные льды здесь распространены на межаласных мерзлотных ландшафтах, где развиты сообщества березово-лиственничных лесов. А на ландшафтах с аласными лугами и термокарстовыми понижениями подземные льды не сохранились. Также по анализу амплитуды, фазы и формы отраженных сигналов от границы СТС можно характеризовать тело автомобильной дороги до глубины 2.5 метра. Кровля многолетнемерзлых грунтов залегает на глубине 1,9 м, подошва при бурении не подсечена. На глубине 10 м температура грунта -1,5 °С. Характер кривой показывает, что глубже 10 м, температура грунтов понижается.
Основной причиной деформации земляного полотна и твердого дорожного покрытия на участке, можно считать деградацию линз подземного льда в его основании при неравномерном залегании кровли многолетнемерзлых грунтов. И в качестве рекомендаций предлагается устранить растепление слабольдистых грунтов в основании, путём использования вяжущих материалов для организации укрепления приподошвенной зоны земляного полотна.
http://vestnik-
;-nauki.ru
ISSN 2413-9858
Участок Н-2 расположен на 49,5-51,5 км автодороги «Нам» в аналогичных условиях, что и участок Н-1. Этот участок находится на границе межаласного и склонового делювиально-солифлюкционного типов местности. Здесь преобладают сообщества лиственничных и березово-лиственничных лесов с кустарничково-моховым покровом. На территории ключевого участка распространены термокарстовые озера вблизи автодороги, активно развиваются процессы заболачивания и обводнения территории. На участке отмечаются деформации (просадки) поверхности дорожного полотна.
В результате проведения буровых работ было выявлено, что на ключевом участке Н-2 распространены породы ледового комплекса, которые представлены толщей суглинков серо-коричневого цвета с повторно-жильными льдами. По данным бурения мощность этих отложений варьирует от 5 до 7,3 м. Ниже толщи ледового комплекса залегает пачка переслаивания песков разной крупности (от мелкозернистого до гравелистого). Пески находятся в твердомерзлом состоянии, криогенная текстура массивная.
Заключение
Таким образом, основной причиной деформации автомобильной дороги, является деградация высокольдистых грунтов оснований в результате чего происходит деформация верхнего строения дороги с образованием провалов и трещин. Представляется необходимым принять следующий комплекс мер для устранения сложной ситуации, вызванной наличием высокольдистых грунтов в основании:
1. Для охлаждения грунтов основания применить бермы и оборудовать СОУ по нижним границам откосов для стабилизации мерзлого состояния грунтов основания насыпи.
2. Использовать вяжущие материалы для организации укрепления приподошвенной зоны земляного полотна.
Приведенные результаты инженерно-геокриологических исследований на ключевых участках автомобильных дорогах «Нам» по выявлению причин деформаций и предложенные группы мероприятий, несомненно, позволит выбрать оптимальные на данном этапе исследований. Однако следует учесть и то, что полученные результаты исследований о состоянии автомобильной дороги в зимний период могут существенно повлиять на окончательное обоснование их применения.
Считаем, что предложенные мероприятия должны пройти проверку на ключевых участках в течение двухлетнего цикла. В этот период, для наблюдения за поведением предложенных проектных решений в конкретных природных условиях на ключевых участках необходимо проводить инженерно-геокриологический мониторинг.
В результате из опытно-экспериментальных они могут быть переведены в ранг типовых для природных условий, в которых функционируют автодороги в зоне сплошного развития криолитозоны в Дальневосточном округе РФ.
1. СП-11-105-97 (Часть IV) приложение Б. Свод правил по инженерно-геологическим изысканиям для строительства (Часть IV. Правила производства работ в районах распространения многолетнемерзлых грунтов). Принят и введен в действие с 1 января 2000 г. Одобрен управлением научно-исследовательских и проектно-изыскательских работ Госстроя России (письмо от 3 ноября 1999 г. N 5-11/140).
2. ВСН 84-89. Изыскания, проектирование и строительство железных дорог в районах распространения вечной мерзлоты. М.: Минтрансстрой СССР, 1989. 112 с.
3. Катасонов Е.М. Криолитогенные отложения, их мерзлотно-формационные комплексы // Проблемы геокриологии. М.: Наука, 1983. С. 162-169.
ЛИТЕРАТУРА
http://vestnik-nauki.ru
REFERENCES
1. SP-11-105-97 (CHast' IV) prilozhenie B. Svod pravil po inzhenerno-geologicheskim izyskaniyam dlya stroitel'stva (CHast' IV. Pravila proizvodstva rabot v rajonah rasprostraneniya mnogoletnemerzlyh gruntov). [SP-11-105-97 (Part IV) Appendix B. Set of Rules for Engineering and Geological Surveys for Construction (Part IV. Rules of work in areas of permafrost distribution)]. Adopted and put into effect on January 1, 2000. Approved by the Department of Research and Design and Survey works of Gosstroy of Russia (letter dated November 3, 1999 N 511/140).
2. VSN 84-89. Surveys, design and construction of railways in permafrost distribution areas [Surveys, design and construction of railways in permafrost distribution areas]. Moscow: Mintransstroy of the USSR, 1989. 112 p.
3. Katasonov E. M. Kriolitogennye otlozheniya, ih merzlotno-formacionnye kompleksy [Cryolithogenic deposits, their permafrost-formation complexes]. Problemy geokriologii. Moscow: Nauka, 1983, pp. 162-169.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Литовко Андрей Владимирович Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук (ИМЗ СО РАН) г. Якутск, Россия, и.о. заведующего лаборатории инженерной геокриологии,
E-mail: Lav_84@mail.ru
Litovko Andrey Vladimirovich Federal State Research Institution. Melnikov Permafrost Institute SB RAS, Yakutsk, Russia. Head of laboratory permafrost engineering, E-mail: Lav_84@mail.ru
