CC BY
148
Информация об авторах
Волкова Елена Викторовна, кандидат географических наук, доцент кафедры «Автомобильные дороги», тел.: 89149275065; e-mail: volkova_elena13@mail.ru; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Солоненко Анатолий Иванович, студент кафедры «Автомобильные дороги»; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Information about the authors
Volkova E.V., candidate of geographical science, associate professor, Automobile Thoroughfares Department, tel.: 89149275065, е-mail.: volkova_elena13@mail.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Solonenko A.I., undergraduate, Automobile Thoroughfares Department, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
УДК 69.001.5
ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ И
МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ИХ ИНТЕНСИВНОСТИ С ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМ ТИПОМ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ В ОСНОВАНИЯХ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ПРИМЕРЕ СТРОИТЕЛЬСТВА АВТОМОБИЛЬНОЙ
ДОРОГИ АМУР «ЧИТА - ХАБАРОВСК»
© В.В. Дроздов, С.С. Шабуров
В статье рассматриваются причины возникновения деформаций автомобильных дорог и мероприятия по снижению их интенсивности с высокотемпературным типом вечной мерзлоты в основаниях земляного полотна. Приведен опыт ОАО «Труд» по внедрению мероприятий по снижению деформаций автомобильной дороги общего пользования федерального значения Р-297 Амур «Чита - Хабаровск» на территории Амурской области.
Ключевые слова: просадки; деформации; Амур; вечная мерзлота; приоткосные бермы; укрепление грунтов.
REASONS FOR AUTOMOBILE ROADS DEFORMATION AND MEASURES TAKEN TO DECREASE THEIR INTENSITY WITH THE HIGH-TEMPERATURE TYPE OF EVER-FROZEN GROUND IN THE FOUNDATION OF THE EARTH SURFACE AT THE EXAMPLE OF BUILDING AUTOMOBILE ROAD AMUR
«CHITA - KHABAROVSK»
© V.V. Drozdov, S.S. Shaburov
In the article we consider the reasons for automobile roads deformation and measures taken to decrease their intensity with the high-temperature type of ever-frozen ground in the foundation of the Earth surface. We have given the example of JSC «Trud» concerning the measurements to decrease the deformation of public federal automobile roads P-297 Amur «Chita - Khabarovsk» at the territory of Amur region.
Key words: collapse; deformation; Amur; ever-frozen ground; slope berm; soil stabilization.
С 2009 по 2010 годы была построена по II стадии строительства с устройством асфальтобетонного покрытия и сдана в эксплуатацию автомобильная дорога общего пользования федерального значения Р-297 Амур «Чита - Хабаровск» на территории Амурской области. Начиная с 2011 года, на участке дороги «Амур» км 794 - км 1811 в результате оттайки вечномерзлых грунтов возникают деформационные процессы земляного полотна, что приводит к образованию просадок покрытия проезжей части. По итогам мониторинга 2014 года выявлено 138 просадок общей площадью 210,318 тыс. м2
Таким образом, спустя пять лет после ввода в эксплуатацию автомобильной дороги «Амур» только в Амурской области уже насчитывается более ста так называемых невозвратных деформаций (просадок) дорожного полотна. Их протяженность колеблется местами от 10 до 40 метров. Строительство автомобильных дорог и искусственных сооружений на них в зонах распространения льдистых мерзлых и вечномерзлых грунтов, которые можно отнести к классу структурно неустойчивых, просадочных грунтов, требует нестандартного подхода и более тщательных инженерных проработок. При проектировании второй стадии строительства не были учтены проявившиеся деформации при эксплуатации дороги по первой стадии, а, соответственно, не намечены исчерпывающие меры по ликвидации причин их вызвавших, и не корректировалась система поверхностного и грунтового водоотвода. Устройство усовершенствованного типа покрытия изменило водно-тепловой режим всей конструкции дороги и привело к возникновению новых пластических деформаций.
Проблема просадок находится на стыке науки и отрасли дорожного строительства.
Ввод в эксплуатацию автомобильной дороги Амур «Чита - Хабаровск», пересекающей области распространения вечной мерзлоты, свидетельствует, что существующие научно-методические разработки и нормативная база, регулирующая строительство автодорог в суровых климатических условиях, не в полной мере отвечает современным требованиям, предусматривающим широкое внедрение инновационных технологий. Об этом свидетельствует пятилетний опыт эксплуатации автодороги «Амур». Отсутствие индивидуального проектирования и широкого внедрения инновационных методов в условиях распространения вечной мерзлоты обусловили формирование в её пределах участков деформации и пучения. На этих участках в настоящее время существенно снижается скоростной режим автомобильной дороги, и, кроме того, они потенциально аварийно опасны.
Динамика термовлажностного режима грунтов основания и грунтов земляного полотна и их взаимодействия в условиях глобального изменения климата и техногенной нагрузки практически не изучены. Физические, теплофизические и механические характеристики мёрзлых, промерзающих и оттаивающих грунтов, полученные при изысканиях, характеризуют их лишь на момент изысканий. Диапазон их различия, в связи с изменениями условий промерзания и структуры выпадения осадков, в зависимости от климатических ритмов, достаточно широк. Следует обратить внимание и на то, что изменение климата привело к перестройке структуры сезонных и годовых колебаний температур пород, следовательно, изменились кинетика и механика криогенных процессов, в первую очередь -наледей и деформаций пучения промерзающих и осадок оттаивающих грунтов.
Деформации дорог, построенных в зоне распространения вечной мерзлоты, в частности, на автодороге «Амур», связаны как с неучетом особенностей геокриологических условий, так и с нарушением технологии строительства. При возведении дорожного полотна изменяются условия теплообмена на поверхности. И здесь важно, что изменение теплового состояния грунтов приводит к изменению физико-механических свойств горных пород, а это, в свою очередь, связано с возможностью развития экзогенных процессов. Поэтому очень важно для проектировщиков дорог знать инженерно-
геокриологические условия и прогноз их возможного развития, а строителям выполнять проектные решения.
Рис. 1. Карта-схема автомобильной дороги Р-297 «Амур» Чита - Невер - Свободный - Архара - Биробиджан - Хабаровск в Амурской
области
Таблица 1
Протяженность автомобильной дороги
Наименование Протяженность
ВСЕГО автодорога «Амур» Чита - Хабаровск км 0 - км 2160,603: 2097км
Забайкальский край, км 0 - км 794 741,588 км
Амурская область, км 794 - км 1811 1 012,681 км
Еврейская автономная область, км 1811 - км 2165 346,422 км
В июне - июле 2012 г. ОАО Иркутскгипродорнии выполнило визуальное обследование участков автодороги «Амур». По итогам обследования уточнено местоположение и границы участков, определены: вид, характеристика и параметры деформаций, состояние и работа искусственных сооружений, выполнены фото и видео-съемка.
Так же в этот периодбыли выполнены полевые работы по измерению обратимого прогиба нежесткой дорожной одежды. Для измерения обратимого прогиба использовался ручной насос с манометром, домкрат, комплект насадок, жесткий штамп, телескопическая штанга и индикатор линейного перемещения, в качестве упора использовался груженый (15 тонн) автосамосвал.
В июле - сентябре 2012 г. ОАО Иркутскгипродорнии выполнило инженерно-геодезические и инженерно-геологические изыскания:
- топографическая съемка выполнена электронным тахеометром фирмы TOPCON (Япония) GTS - 235 R Сибирь на 154 участках;
- инженерно-геологические работы выполнялись буровой установкой УГБ-001 на базе КАМАЗ, пробурено 215 скважин глубиной -15м;
- на 154 участках выполнено профилирование методом георадиолокации в объеме 22345п.м. георадаром ОКО-2 с антенным блоком частотой 90МГц;
- камеральная обработка материалов выполнена в лаборатории Иркутскгипродор-нии с использованием приборов пресс гидравлический П-125, Динамометр сжатия эта-
лонный ДОСМ 3-1, Индикатор часового типа ИЧ 10мин, ТермогигрометрTesto-608-H1/H2, Гигрометр псирометрический ВИТ, Кондуктометр/Концентратомер АНИОН 4120 и др.
Институт мерзлотоведения СО РАН выполнил геокриологическое обследование автомобильной дороги «Амур», провел анализ полученной информации, разработал рекомендации по ликвидации деформаций и дальнейшему научному сопровождению автодороги.
Полевое обследование выполнено на восьми ключевых участках в период с последней декады августа по первую декаду октября 2012 г.:
- проведено маршрутное обследование полосы автомобильной дороги на ключевых участках вправо - влево от оси трассы по 100 м.;
- геофизические работы методом «Радиоимпедансного зондирования» по профилям и вдоль автомобильной дороги;
- оборудование термометрических пунктов и измерение температуры сезонно и многолетнемерзлых грунтов в скважинах и определение глубин сезонного оттаивания грунтов по профилям на территории ключевых участков;
- отбор проб грунтов ненарушенной и нарушенной структуры;
- определение физико-механических свойств грунтов с использование полевой лаборатории И.М. Литвинова.
Рис. 2. Трещины на покрытии Рис. 3. Проломы
Рис. 4. Просадки земляного полотна Рис. 5. Продольные трещины
Мерзлотно-геоморфологическоерайонирование трассы автодороги «Амур» Чита -Хабаровск выглядит следующим образом:
905-909
882-885
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Геоморфологические области
¡1 Пришилкинская '-' горно-долинная страна
| | Восточно-Забайкальская депрессия | | Амурская делрессия
|-1 Буреинско-Амурская складчато-
I-1 глыбовая горная область
Условная граница между мерзлотными зонами
Трасса автомобильной дороги ^
/ . / Транссиб
Административная граница /
Амурская область км км 794 - 1811
САРЫШЕВО 1
склтгриносллпт.чХ^;
1626 •1629 Ключевые участки на отдельные километры трассы
Хх;^
3-1629
Мерзлотные зоны
Зона сплошного распространения ггг
вечной мерзлоты I I I
Зона несплошного распространения
| Зона островного распространения I вечной мерзлоты
вечной мерзлоты с островами таликов
I Зона глубокого сезонного
4 1 промерзания грунтов
Рис. 6. Схема мерзлотно-геоморфологического районирования трассы автодороги
«Амур» Чита - Хабаровск
Итак, основными причинами формирования недопустимых деформаций земляного полотна и трещинообразования асфальтобетонного покрытия являются:неравномерная деградация многолетнемерзлых грунтов основания и их растепление, вызванные инфильтрацией поверхностных вод под насыпь при отсутствии их организованного поверхностного водоотведения, в результате чего происходит:
- формирование чаши протаивания в грунтах основания, которые находятся во влагонасыщенном состоянии;
- протаивание под основанием земполотнасильнольдистых грунтов и залежей подземного льда;
- обводненность сформировавшейся чаши протаивания во время строительства и эксплуатации автомобильной дороги.
Для предотвращения деформаций земляного полотна можно выделить 6 типов мероприятий, представленных в табл. 2.
Таблица 2
Мероприятия по предотвращению деформаций
Тип Мероприятия по предотвращению деформаций земляного полотна Дефекты земляного полотна и покрытия Инженерно-геологические, гидрогеологические, геокриологические условия
1 Приоткосные бермы из суглинистого грунта с каменным заполнителем Просадки на обочинах и откосной части, продольные трещины на покрытии и на обочине В основании насыпи льдона-сыщенные грунты, ВГММ поднялся после строительства дороги, поверхностный водоотвод обеспечен
Тип Мероприятия по предотвращению деформаций земляного полотна Дефекты земляного полотна и покрытия Инженерно-геологические, гидрогеологические, геокриологические условия
2 Приоткосные бермы из суглинистого грунта с каменным заполнителем с водоотводным лотком из геомембраны Просадки, продольные и поперечные трещины, сетка трещин В основании насыпи льдона-сыщенные грунты, ВГММ понизился после строительства дороги. При строительстве выполнена замена или осадка грунтов основания
3 Приоткосные бермы и водоотводные валики из суглинистого грунта с каменным заполнителем Просадки, продольные и поперечные трещины, сетка трещин на покрытии Насыпи на косогоре; фильтрация воды в откосную часть насыпи
4а Укрепление грунтов основания криогелем Просадки, волны, продольные и поперечные трещины на покрытии В основании насыпи переувлажненные, сильнольдистые, недренирующие грунты; нижние слои земполотна переувлажнены; наличие ММГ, наличие водотока на участке или вблизи от него
4б Укрепление грунтов основания сухобе-тонной смесью Просадки, волны, продольные и поперечные трещины на покрытии В основании насыпи переувлажненные, сильнольдистые, дренирующие грунты; нижние слои земполотна переувлажнены; наличие ММГ, наличие водотока на участке или вблизи от него
5 Сезонноохлаждаю-щие устройства (СОУ) Просадки, волны, продольные и поперечные трещины на покрытии Наличие льда в основании насыпи или просадочных-сильнольдистых грунтов
6 Солнцезащитные навесы Просадки, волны, поперечные и продольные трещины, сетка трещин на покрытии В основании насыпи переувлажненные и льдистые про-садочные грунты; наличие ММГ; солнечная экспозиция откоса
Для восстановления участков с деформациями предусмотрено 4 типа мероприятий по восстановлению участков с деформациями:
1. Замена грунтов рабочего слоя, устройство новой конструкции дорожной одежды.
2. Устройство гидромата в основании дорожной одежды, устройство новой конструкции дорожной одежды.
3. Замена основания и покрытия дорожной одежды.
4. Фрезерование верхнего слоя покрытия и укладка нового.
Схемы предотвращения деформаций земляного полотна
Рис. 7
Укрепление грунтоб оснобания криогелен
СкЬажины дм закачки Крдодаю
Обтспи стабилизации грцнтоб
План
Скйажш для закачки Криогет
Рис. 8
Рис. 9
Консщтияпернаяобтмтро ТКШН5(тпНФ №00000)
Лткферный Шдцх
ТшоШпаш
втошждаетга
грунта
'И
Зш испарений (испаритель)
Ребристый конденсааор
Рис. 10
Рис. 11
Рис. 12. Поперечные профили конструкции дорожной одежды
Присыпные обочины из шебешно-песчаной с»есиС 6
(увесайуняее оснобоние из щебеночно-песчднай снеси С 5
бырабниОваиии слои из шебеночно-песчаноО снеси СЬ по ГОСТ 25607-2009
Фракииониробвмыи щебень, уложенный по способу зак/ши по ГОСТ 25607-21'"
Асфа/шзбеяон пористый из горячей крупнозернистой снеси парки Й но ЬНЛ 90/130
тГОСТт-Ш ________
Ас фа лыпобевюн плотный из горячей мелкозернистой снеси шипа 6 норке/ В на ВИЦ 90/130 по ГОСТ9128-2009_
ТипЗ
Одног ленте покрытие аз горячего пятого петзертмного асфвльлюбвпсне порки Ншт В но ЬНЛ Ш130, тотиной 5 сн, не д&цл/тт осноЬонии. бергнуй слой из пористого кругшозернис/кго асфомаобетсна норки № на йляуче 6НЛ 90/130. толщиной бен. нижний слой из фрашощк&вшго шебня, уложенного способон зак/шяги. юслщими Пенна сущргчЛуашен основании из щебеночм-песчоноО снеси (5 (С1Ш
финеняшя на учасш/ где материалы дорожной одежды не соотбепсюдцт норнапыЬнын требованиям
6,0 1. 6.0
Присыпные обочины из шебеночно-песчанои снеси С 6 2,5 | 3.5 35 2,5
, ю рД5] ..... [йЯ 1,0 и
тШгШгшяш, ИДИ
СушеилЬутая дорожная одежда Тип* Однослойное покрытие из горячего плавного мелкозернистого асфальтобетона парки И та В но ЬНЛ 90/130. яолшмой5снт йыраШОатеп слое из мелкозернистого асфальтобетона парки !на БМВ 90/130по ГОСТ 9128-97'исущестбцюцей дорожной одежде
Вырабнибавщий слой из мелкозернистого асфальтобетона норки ¡но БИЛ 90/130по ГОСТ 9128-2009 п переменно я
Асфальтобетон плотный из горячей мелкозернистой снеси типа В норки 11 на ВИН 90/130 по ГОСТ 9128-2009 М,05н
Применяемся для ремонта Ьергчего слоя покрытия
Рис. 13. Поперечные профили конструкции дорожной одежды
Устранение просадок на трубах выполняется по двум вариантам:
1. Устройство противофильтрационного экрана раствором криогеля. Применяется на обводненных, просадочных руслах при наличии слабых и сильнольдистых грунтов с целью исключения проникновения воды в котлован и основание земляного полотна, а также для стабилизации грунтов. При необходимости в русле и на прилегающей территории выполняется заделка просадок суглинистым грунтом с каменным заполнителем.
2. Заделка просадок у входного и выходного оголовков суглинком с каменным заполнителем, устройством гидроизолирующей прослойки из смеси БИРСС-35 и укреплением каменной наброской. Применяется на обводненных, просадочных руслах с малольдистыми грунтами с целью исключения проникновения воды в котлован и основание земляного полотна, а также для исключения размыва русла.
Строительные работы по мероприятиям, описанным выше, выполняются в два этапа:
• выполнение мероприятий по предотвращению деформаций земляного полотна;
• выполнение мероприятий по восстановлению участков с деформациями.
Первый этап работ выполняется в период отрицательных температур на не растепленное основание.
Второй этап выполняется после стабилизации земляного полотна.
Организация движения транзитного транспорта предусмотренапо половине ширины проезжей части.
Накопление необходимой информации о причинах возникновения деформаций автомобильных дорог и эффективности мероприятий по снижению их интенсивности с высокотемпературным типом вечной мерзлоты в основаниях земляного полотна позволит ставить вопрос о широком применении вышеописанных технологий на всех территориях распространения вечной мерзлоты.
Сегодня с большой долей вероятности можно выделить три составляющих недопущения просадок на вновь строящихся автомобильных дорогах.
Рис. 14. Восстановление работы водопропускных труб с использованием
криогеля
Ч
Укрепление шенной наброской, ЬШи Укрепление каменной наброской, /1=30см
Г'цдроишщщм прослойка из смеси БИРСС-35, А= Ю см Гидроизолирувщая прослойка из смеси 1№СС-35, Р= Ю см
Ыыш суглинком с хитины» тошше». к сыпки суглинком с каменным затмипеяен, Ь=20см
Рис. 15. Восстановление работы водопропускных труб с использованием смеси
БИРСС-35
Во-первых, строительство автомобильных дорог необходимо осуществлять не такими темпами, как в случае с трассой Чита — Хабаровск, где сроки строительства были сжаты, земполотнунужнодатьстабилизироваться, посмотреть, какие происходят изменения, дать произойти затуханию осадки, стабилизации слоя основания и стабилизации водоотводной системы с точки зрения поверхностных, грунтовых вод, а только потом производить укладкуусовершенствованного типа покрытия — асфальтобетона.
Во-вторых, на пучиноопасных участках, где технически невозможны традиционные мероприятия по обеспечению морозоустойчивости конструкции, следует предусматривать теплоизоляционные слои из специальных материалов для частичного или полного предотвращения промерзания земляного полотна. Для устройства теплоизоляционных слоев в особо неблагоприятных грунтово-гидрологических условиях следует рассматривать вариант применения пенопластов.
И наконец, в-третьих, совершенствование нормативной базы ввиду изменения климата и как следствие перестройки структуры сезонных и годовых колебаний температур пород должно стать сегодня приоритетным в государственной политике и нормативно-правовом регулировании в сфере дорожного строительства, а это возможно путем проведения изыскательских и грунтово-геологических работ.
Таким образом, учитывая опыт ОАО «Труд» по устранению просадок в зонах вечной мерзлоты, целесообразно расширить выполнение опытно-исследовательских мероприятий с обязательным обеспечением научного и лабораторного сопровождения как технологических процессов, так и системного мониторинга опасных участков.
Статья поступила 02.06.2015 г.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ВСН 84-89. Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты.
2. ОДМ 218.000-2012. Методические рекомендации по проектированию земляного полотна на вечной мерзлоте с использованием местных грунтов.
3. ГОСТ 25100-2011 Грунты. Классификация.
Информация об авторах
Дроздов Вячеслав Валерьевич, магистрант кафедры автомобильных дорог; тел.: +7(9021)719-918; e-mail: drozdov@zaotrud.ru, Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Шабуров Сергей Семёнович, кандидат технических наук, доцент; профессор кафедры автомобильных дорог, тел.: +7(3952) 625-889, E-mail: gling@zaotrud.ru, Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Information about the authors
Drozdov V.V., candidate for a master's degree, tel.: +7(9021)719-918; E-mail: e-mail: drozdov@zaotrud.ru, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Shaburov S.S., Candidate of Technical Sciences, associate professor, Automobile Thoroughfares Department, tel.: +7(3952) 625-889, e-mail: gling@zaotrud.ru, Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
УДК 624.131+626/627
УЧЕТ НЕСТАБИЛИЗИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВ ПРИ ОЦЕНКЕ ПРОСТРАНСТВННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ НАСЫПЕЙ
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
© И.А. Иванов, Е.В. Волкова, Е.И. Иванов, Д.Н. Нечаев
Приведены результаты численных исследований устойчивости откосов насыпей автомобильных дорог и оснований сооружений, сложенных медленно уплотняющимися водонасыщенными грунтами в условиях пространственной задачи различными методами. Для расчёта коэффициента запаса устойчивости используются формулы К. Терцаги, Г. Крея и способ наклонных сил А.Л. Можевитинова («в = const»). Давления в поровой воде определяются исходя из «основной расчётной модели» В.А.Флорина. Установлено что, учёт пространственности приводит к повышению коэффициента запаса устойчивости.
Ключевые слова: нестабилизированное состояние грунтов; пространственная устойчивость откосов; коэффициент запаса устойчивости.
CONSIDERATION OF NONSTABILIZED CONDITION OF GROUND DURING THE ASSESSMENT OF SPATIAL SLOPE STABILITY OF BANKED GROUND OF
AUTOMOBILE ROADS
© I.A. Ivanov, E.V.Volkova, E.I. Ivanov, D.N. Nechaev
We presented the results of numeric researches of slope stability of banked ground of automobile roads and construction basements, that are slowly put by the firming wet ground in the conditions of spatial aim using various methods. Formulas of K. Tertsaga, G. Krei and the way of inclined forces of A.L. Mozhevitinova («в = const») are used to calculate the index of stability factor. Pressures in pore water are defined by the «main calculating model» of B.A. Florin. It is stated that measurement of spatiality causes increase in the index of stability factor.
