CC BY
116Особенности строительства автомобильных дорог на многолетнемерзлых грунтах
Преснов Олег Михайлович
кандидат технических наук, доцент, кафедра "Автомобильные дороги и городские сооружения", Сибирский федеральный университет, [email protected]
Киль Елизавета Андреевна
студент, Инженерно-строительного института, [email protected]
Овченков Вадим Витальевич
студент, Инженерно-строительного [email protected]
Филиппов Александр Геннадьевич
студент, Инженерно-строительного [email protected]
института, ovchen-
института, sanya-
Актуальность развития территории Крайнего Севера в России имеет особое значение, поскольку именно в этих районах сконцентрированы стратегический резерв и экономическая опора страны. Основной проблемой освоения таких областей с характерными климатическими особенностями является неразвитость инфраструктуры и транспортного сообщения. Строительство дорожных покрытий в условиях Крайнего Севера является первостепенной задачей, благодаря решению которой появится возможность беспрепятственной добычи минерального сырья и миграции населения на новые места обитания В статье исследуются особенности возведения автомобильных дорог и оснований земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах. Рассмотрены природные условия в выделенных районах первой дорожно-климатической зоны. Изучены основные характеристики грунтов для проектирования дорожной насыпи. Представлены патенты, в которых описаны изобретения и полезные модели, способствующие повышению долговечности и надежности оснований земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах.
Ключевые слова: дорожное строительство, многолетнемерз-лый грунт, автомобильная дорога, земляное полотно, дорожно-климатическая зона, солифлюкция, термокарст.
Актуальность развития территории Крайнего Севера в России имеет особое значение, поскольку именно в этих районах сконцентрированы стратегический резерв и экономическая опора страны. В северных регионах, охватывающих 65 % от всей площади государства, добывают титан, железо, золото, платину и многое другое, что способствует продвижению мировой промышленности и экономики.
Основной проблемой освоения таких областей с характерными климатическими особенностями является неразвитость инфраструктуры и транспортного сообщения. Строительство дорожных покрытий в условиях Крайнего Севера является первостепенной задачей, благодаря решению которой появится возможность беспрепятственной добычи минерального сырья и миграции населения на новые места обитания [1].
При проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений на вечномерзлых грунтах важно учитывать следующие факторы:
- климатические условия, ограничивающие строительные работы (летний период длится от 2,5 до 4,5 месяцев);
- наличие обширных переувлажненных территорий, представленных в виде озер, болот и т.п.;
- наличие мерзлотно-геоморфологических образований в виде пучения, наледи, подземных льдов, солифлюкции, термокарстов и др.;
- повсеместное распространение глинистых и пылеватых грунтов, которые малопригодны для дорожного строительства.
- слабая заселенность территорий, вследствие чего возрастает стоимость рабочей силы [2-4].
Дорожно-климатическая карта России поделена на 5 зон. Исследуя вечномерзлые грунты, берем во внимание первую дорожно-климатическую зону, которая в свою очередь делится на 3 района:
I - 1 - Арктический район;
I - 2 - Северный район;
I - 3 - Южный район.
Каждый из районов имеет своеобразные климатические условия, характеристики грунтов, растительность, а также разную плотность населения. В зависимости от этих особенностей выбираются грунты сезоннооттаивающего слоя в качестве основания земляного полотна по одному из следующих принципов:
1. Сохранение вечномерзлых грунтов в основании земляного полотна в течение всего периода эксплуатации дороги.
х
X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м м
сч сч о сч
РЭ
о ш Ш X
<
т о х
X
2. Частичное оттаивание мерзлых грунтов на величину обеспечивающую устойчивость земляного полотна с учетом допустимой осадки покрытия.
3. Оттаивание вечномерзлых грунтов до начала строительства дороги и осушение придорожной полосы [5].
Первый температурный режим мерзлого земляного полотна используется в Арктическом районе России. Его применяют при проектировании на особо сложных по мерзлотногрунтовым условиям участках с низкотемпературной вечной мерзлотой на глинистых сильнопросадочных грунтах, характеризующиеся переувлажнением. Обязательным является сохранение растительности и мохового покрова на протяжении всей дорожной полосы.
Возведение такого дорожного полотна начинается с отсыпки, которая состоит из грунтов, не подверженных пучению, к таким грунтам относится супесь, песчаные грунты, крупнообломочные горные породы. После возведения насыпи, уровень вечной мерзлоты достигает подошвы насыпи.
При строительстве земляного полотна с сохранением вечномерзлых грунтов важно полностью исключить оттаивание грунта основания, так как это может повлечь разрушительные деформации, как земляного полотна, так и дорожной одежды [67].
Один из вариантов повышения долговечности дорожных насыпей, которые возводятся в особо сложных мерзлотногрунтовых условиях, содержится в патенте [8]. Идея заключается в охлаждении тела насыпи при помощи системы воздушно-конверторного охлаждения.
Второй принцип может быть использован в Северных районах первой дорожно-климатической зоны. Рассматриваемый температурный режим характеризуется сырыми участками с низкотемпературной вечной мерзлотой на просадочных грунтах. Дорожное полотно проектируется с расчетной глубиной оттаивания, при этом граница мерзлых грунтов должна быть выпуклой. При возведении дорожного полотна, как и в первом режиме, нужно сохранить в неразрушенный растительный и моховой слой, при этом сооружение насыпи возможно из местных глинистых грунтов.
Для сохранения устойчивости земляного полотна, а также сдерживания вертикальных и горизонтальных деформаций покрытия авторы патента [9] предлагают разместить армирующий водонепроницаемый геосинтетический и теплоизоляционный материал в откосных частях, что позволит стабилизировать водно-тепловой режим основания и земляного полотна автомобильной дороги.
В Южных районах первой дорожно-климатиче-ской зоны используют третий температурный режим. Он применяется на малопросадочных грунтах с высокотемпературной сплошной и островной мерзлотой.
Подготовка к строительству автомобильной дороги начинается за год. В отличие от двух предыдущих режимов, мохорастительный слой удаляется с полосы отвода, и обеспечивают поверхностный водоотвод, что позволяется опуститься уровню вечной мерзлоты. Для возведения насыпей использую местные песчаные, супесчаные и обломочные грунты. Также разрешается использовать глинитные грунты, с оптимальной степенью влажности, в средней части насыпи.
В изобретении [10] рассмотрена конструкция устойчивого дорожного полотна, в основании которого в течение последующей эксплуатации будет исключено возникновение гидростатического давления поровой воды за счет обеспечения постоянного отрицательного температурного режима.
Строительство, реконструкция и правильная эксплуатация зданий и сооружений на многолетне-мерзлых грунтах имеет свои особенности. К северным районам относят первую дорожно-климатиче-скую зону, которая делиться на 3 территориальные области с разными природными и климатическими условиями. Для каждой области определены принципы проектирования земельного полотна. Первый принцип справедлив для сильно-просадочных грунтов, второй температурный режим - для просадочных и третий используется на малопросадочных грунтах.
Ежегодно появляется все больше изобретений и моделей, способствующих уменьшению деформаций дорожного покрытия, возникающих при оттаивании деятельного слоя вечномерзлых грунтов, а также усовершенствованию технологий строительства и повышению долговечности дорожных полотен.
Литература
1. Давыдов, В. А. Изыскания и проектирование автомобильных дорог на многолетнемерзлых грунтах: учебное пособие / В.А. Давыдов, Э.Д. Бондарева: под ред. В.А. Давыдова; Омский Политехнический институт. - Омск : ОмПИ, 1989. - 81 с.
2. Боброва, Т. В. Прогнозирование эффективности дорожных конструкций на многолетнемерзлых грунтах / Т. В. Боброва, Е. А. Бедрин, А. А. Ду-бенков // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. - 2011. - № 4 (22). - С. 11-16.
3. Скрыльников, И. Г. Проектирование и эксплуатация земляного полотна автомобильных дорог в районах распространения многолетнемерзлых грунтов: с использованием теории риска : специальность 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей» : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Скрыльников Илья Геннадьевич ; Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. - Волгоград, 2012. - 167.
4. Особенности строительства и эксплуатации дорог в районах распространения вечной мерзлоты // lektsia.com : [сайт]. - 2022. - 5 марта. - URL: https://lektsia.com/1x3a29.html (дата обращения: 05.03.2022).
5. СП 34.13330.2012. Автомобильные дороги Актуализированная редакция СНиП 2.05.02-85 : дата введения 2013-07-01. - Москва : Минрегион России, 2013. - 112 с.
6. Юрков, Ф. Х. Особенности проектирования земляного полотна в сложных мерзлотно-грунто-вых условиях : учебное пособие / Ф. Х. Юрков ; редактор С. Н. Козлова. - Красноярск : КПИ, 1979. -124 с.
7. . Кудрявцев, В. А. Общее мерзлотоведение (геокриология) : учебник / В. А. Кудрявцев. -Москва : МГУ, 1978. - 464 с.
8. Патент № 70269 Российская Федерация МПК E02D 17/18 (2006.01). Дорожная насыпь на вечномерзлых грунтах : № 2006135761 : заявл. 10.10.2006, опубл. 20.01.2008 / Пассек В. В., Цер-нант А. А., Цуканов Н. А., Дацковский А. Х., Герасимов В. А., Пассек В. В. ; заявитель ООО ИЦ «Ямал». - 5 с.
9. Патент № 2732774 Российская Федерация МПК E01C 3/06 (2006.01). Автомобильная дорога на многолетнемерзлых грунтах : № 2019135385 : заявл. 05.11.2019, опубл. 22.09.2020 / Краев А. Н., Краев А. Н., Шанхоев З. Ш., Макаров А. С. ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тюменский индустриальный университет». -11 с.
10. Патент № 2160336 Российская Федерация МПК E01C 3/06(2006.01). Земляное полотно на вечномерзлом основании : № 99104110/03 : заявл. 01.03.1999, опубл. 10.12.2000 / Жданова С.М. ; заявитель Дальневосточный государственный университет путей сообщения. - 8 с.
Features of the construction of roads on permafrost soils
Presnov O.M., Kiel E.A., Ovchenkov V.V., Filippov A.G.
Siberian Federal University, Civil Engineering Institute
JEL classification: L61, L74, R53
The relevance of the development of the Far North in Russia is of particular importance, since it is in these areas that the strategic reserve and economic support of the country are concentrated. The main problem in the development of such areas with characteristic climatic features is the underdevelopment of infrastructure and transport links. The construction of road surfaces in the conditions of the Far North is a paramount task, thanks to the solution of which it will be possible to unhindered the extraction of mineral raw materials and the migration of the population to new habitats. The article examines the features of the construction of roads and subgrade foundations on permafrost soils. The natural conditions in the selected areas of the first road-climatic zone are considered. The main characteristics of soils for designing a road embankment have been studied. Patents are presented that describe inventions and utility models that improve the durability and reliability of subgrade foundations on permafrost soils.
Keywords: road construction, permafrost, highway, roadbed, road-climate zone, solifluction, thermokarst.
References
1. Davydov, V. A. Surveys and design of highways on permafrost soils: a textbook / V.A. Davydov, E.D. Bondareva: edited by V.A. Davydov; Omsk Polytechnic Institute. - Omsk : OmPI, 1989. - 81 p.
2. Bobrova, T. V. Forecasting the effectiveness of road structures on permafrost soils / T. V. Bobrova, E. A. Bedrin, A. A. Dubenkov // Bulletin of the Siberian State Automobile and Road Academy. - 2011. - № 4 (22). - p. 11-16.
3. Skrylnikov, I. G. Design and operation of the roadbed in areas of permafrost distribution: using the theory of risk : specialty 05.23.11 "Design and construction of roads, subways, airfields, bridges and transport tunnels" : abstract of the dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences Skrylnikov Ilya Gennadievich ; Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. - Volgograd, 2012 - 167.
4. Features of construction and operation of roads in permafrost distribution areas // lektsia.com : [website]. - 2022. - March 5. - URL: https://lektsia.com/1x3a29.html (accessed: 03/05/2022).
5. Set of rules 34.13330.2012. Highways Updated version of SNiP 2.05.0285 : date of introduction 2013-07-01. - Moscow : Ministry of Regional Development of Russia, 2013. - 112 p.
6. Yurkov, F. H. Features of the design of the roadbed in difficult permafrost-soil conditions : textbook / F. H. Yurkov ; editor S. N. Kozlova. -Krasnoyarsk : KPI, 1979. - 124 p.
7. Kudryavtsev, V. A. General permafrost studies (geocryology) : textbook / V. A. Kudryavtsev. - Moscow : Moscow State University, 1978 - 464 p.
8. Patent No. 70269 Russian Federation IPC E02D 17/18 (2006.01). Road embankment on permafrost soils : No. 2006135761 : application 10.10.2006, publ. 20.01.2008 / Passek V. V., Cernant A. A., Tsukanov N. A., Datskovsky A. H., Gerasimov V. A., Passek V. V. ; applicant LLC IC "Yamal". - 5 p .
9. Patent No. 2732774 Russian Federation IPC E01C 3/06 (2006.01). Automobile road on permafrost soils : No. 2019135385 : application 05.11.2019, publ. 22.09.2020 / Kraev A. N., Kraev A. N., Shankhoev Z. Sh., Makarov A. S. ; applicant Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Tyumen Industrial University". - 11 p .
10. Patent No. 2160336 Russian Federation IPC E01C 3/06 (2006.01). Earthwork on a permafrost foundation : No. 99104110/03 : application 01.03.1999, publ. 10.12.2000 / Zhdanova S.M. ; applicant Far Eastern State University of Railways. - 8 p .
X X
о го А с.
X
го m
о
2 О M
to
