CC BY
41Современные способы возведения автомобильных дорог на Крайнем Севере
Преснов Олег Михайлович
кандидат технических наук, доцент, Сибирский Федеральный
Университет,
Горьков Максим Викторович
студент, Сибирский Федеральный Университет, [email protected]
Стонт Наталия Валерьевна
студент, Сибирский Федеральный Университет, [email protected]
Цапикова Елизавета Алексеевна
студент, Сибирский Федеральный Университет, [email protected]
В настоящее время на Крайнем Севере открыты большие запасы нефти и газа, а также богатые месторождения драгоценных камней и минералов, поэтому тема строительства автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты особенна актуальна. Особенностью регионов Севера является глубинное промерзание грунтов - так называемая вечная мерзлота. Для дальнейшего освоения и добычи полезных ископаемых, и усовершенствования инфраструктуры данной местности, необходимо разрабатывать транспортную систему в этом регионе. В результате эксплуатации, возведенные автомагистрали вызывают нагревание грунта, что влечет за собой оттаивание основания земляного полотна. Критические участки автомобильной дороги, такие, как переувлажнение верхней толщи грунтов, понижают эксплуатационный показатель. Так же стоит отметить, что глобальное потепление вносит свои коррективы в строительство в северных районах и крайне неблагоприятно сказывается на несущей способности грунтов в зоне вечной мерзлоты.
Целью данной статьи является изучение способов сохранения грунта основания в мерзлом состоянии, которые обеспечивают несущую способность с применением теплоизоляционной конструкции в основании дорожного полотна. Ключевые слова: дорожное полотно, автомобильная дорога, основание насыпи, вечная мерзлота, отрицательная температура, промерзание грунтов, тепловые потери, несущая способность.
Введение
Территория Крайнего Севера является значительной составляющей частью России, на ней сосредоточен стратегический резерв страны. В связи с этим устройство дорожного полотна в этих районах играют ведущую роль. Низкие температуры и связанные с этим значительные потери тепла, а также глубинное промерзание грунтов осложняют строительный процесс. Поэтому здесь строительство объектов требует применения особых способов и технологий.
Площадь Российской Федерации подразделяется на 5 дорожно-климатических зон [1]. Исследуя вечно мерзлые грунты, особое внимание уделяется I зоне, которая в свою очередь по суровости климата и отдаленности от промышленных центров и растительности подразделяется еще на 3 района [2]. Каждый из этих районов в свою очередь характеризуется своими особенностями грунтовых условий и климата. Особые требования к строительству в районах Крайнего Севера обусловлены наличием вечномёрзлых грунтов, которые в условиях низких температур являются хорошим основаниями для сооружений, однако, при повышении температуры и оттаивания они, как правило, снижают свою прочность, становятся просадочными, малопригодными для целей строительства грунтами.
Такое явление повсеместно распространено в третьем районе, так как он характеризуется более мягким климатом, в отличии от двух других. Учитывая особенности рассматриваемого района, дорожное полотно, как правило, проектируется по принципу сохранения вечно-мерзлых грунтов. В данной работе систематизировано и рассмотрено несколько вариантов устройства дорожного полотна с использованием: системы воздушно-конверторного охлаждения, теплоизоляционных плит, армирующего теплоизоляционного материала, водонепроницаемого геотекстиля и др.
При выборе того или иного способа строительства проект должен включать обоснованное техническое решение и регламентирующие мероприятия, которые обеспечивали бы стабильные условия: чтобы грунты под инженерным объектом всегда находились в оптимальном состоянии.
X X
о
го А с.
Способы возведения дорожного полотна
При возведении земляного полотна необходимо учитывать конкретные мерзлотно-грунтовые и климатические условия, принципы проектирования и соответствующие им дорожные конструкции. Так как дорожное полотно подвержено разрушительным деформациям, то при строительстве важно полностью исключить оттаивание грунта основания.
На участках с большим насыщением грунтов подземным льдом, а также в тех случаях, когда оттаивание мерзлых грунтов может вызывать появление оврагов или водоемов вблизи земляного полотна, резервы для
X
го т
о
м о м
Сл>
м см о см
о ш т
X
<
т О X X
отсыпки насыпей не закладывают. В таких местах, а также при пересечении выемки торфяных бугров, на крутых неустойчивых косогорах и на участках со слабыми грунтами в основании земляное полотно проектируют и возводят по индивидуальным решениям с учетом местных условий.
В данном случае рационально использовать модульные теплоизоляционные слои из полых теплоизоляционных плит заводского изготовления. Для сохранения мерзлости грунта используется охладитель, циркулирующий в полости плиты. За счет этого достигается стабилизация вечномерзлого грунта под дорожным полотном.
В качестве охладителя используют холодный атмосферный воздух [3]. Это становится возможным и удобным за счет применения уже готовой заводской плиты основания с закрытыми полостями. Между полостями воздух циркулирует по соединительным трубкам, а в крайних плитах теплоизоляционного слоя установлены соединительные трубки, сообщающиеся внутренним концом с полостью плиты, а наружным концом с атмосферным воздухом. При этом наружный конец соединительной трубки, предназначенный для сообщения с атмосферным воздухом, выполняется с резьбой и заглушкой, которую используют в теплое время года для аккумулирования в плитах холодного воздуха и осуществления термоизоляции подстилающего слоя и вечномерз-лого грунта.
Вместо воздуха так же могут быть использованы теплоизоляционные насыпные материалы [4]. Тогда в полостях теплоизоляционных плит устраивают внутреннюю сотовую структуру, ячейки которых заполняются насыпным материалом. За счет этого повышается эффективность охладителя, а соответственно и обеспечение надежности и несущей способности теплоизоляционной конструкции в основании дорожного полотна.
В настоящее время одними из важных аспектов является экологичность и экономическая целесообразность строительства. Такое решение представлено в работе [5]. Данный способ направлен на усиление мерзлого грунта в основании насыпи в период эксплуатации. Первично нестабильный слой выполнен из временно некондиционного грунта с использованием армирующих прослоек. Благодаря этому, под воздействием движения транспортного потока нестабильные слои будут ускоренно консолидироваться. За счет данного процесса повышается устойчивость к нестабильности температур и возможному потеплению.
Для сохранения устойчивости земляного полотна, а также сдерживания вертикальных и горизонтальных деформаций покрытия в откосных частях используют армирующий водонепроницаемый геосинтетический и теплоизоляционный материал [6]. Это позволяет стабилизировать водно-тепловой режим основания автомобильной дороги.
Автор работы [7] представил нам способ решения проблемы локализированных участков переувлажнения грунтов путем стабилизации водно-теплового режима основания при разработке траншеи с покрытием из водонепроницаемого рулона из геотекстиля с произведением ее обратной засыпки и последующим уплотнением. Предлагаемое решение позволяет повысить устойчивость земляного полотна автомобильной дороги, сохранить грунт основания в мерзлом состоянии, что в значительной степени способствует повышению транспортно-эксплуатационных показателей.
Еще один надежный способ поддержки грунтов основания сооружения в мерзлом состоянии и стабилизации водно-теплового режима представлен в работе [8]. В разработанных по двум сторонам основания продольных траншеях, глубиной ниже деятельного слоя, вертикально размещен армирующий водонепроницаемый геосинтетический материал, ограничивающий проникновение воды в основание автомобильной дороги и в земляное полотно. А в откосной части земляного полотна, выше уровня кратковременно стоящих вод, размещены биг-бэги с теплоизоляционным гранулированным материалом. Данное решение позволяет уменьшить вертикальные и горизонтальные деформации покрытия, стабилизировать водно-тепловой режим основания и земляного полотна автомобильной дороги.
Выводы
При строительстве дорожных полотен разработано множество проектных решений, при этом часто используются простые типовые решения без анализа их эффективности. Небольшие проблемные и критические участки должны детально исследоваться во избежание потери устойчивости и деформации дорожного полотна.
Для решения данных проблем повсеместно появляются различные изобретения и модели, соответствующие уменьшению деформации дорожного покрытия, которые возникают при оттаивании деятельного слоя вечномерзлого грунта. Технологии строительства дорожного полотна совершенствуются, способов сохранения мерзлоты становится все больше, а значит происходит повышение долговечности дорог и их устойчивости.
Таким образом, в рассматриваемом третьем районе проблемного характера требуется проводить мероприятия по сохранению вечной мерзлоты с помощью теплоизоляционных и водонепроницаемых геосинтетических материалов для предотвращения деградации свойств и устойчивости грунта. В зависимости от геологических условий, если невозможно сохранить стабильность мерзлого грунта, рекомендуется использовать армирующие теплоизоляционные материалы. Так же распространено активное использование современных комплексных подходов сохранения мерзлоты в зависимости от строения грунтов.
Литература
1. СП 34.13330.2012. Автомобильные дороги Актуализированная редакция СНиП 2.05.02-85: дата введения 2013-07-01. - Москва: Минрегион России, 2013. - 112 с.
2. Юрков, Ф. Х. Особенности проектирования земляного полотна в сложных мерзлотно-грунтовых условиях: учебное пособие / Ф. Х. Юрков; редактор С. Н. Козлова. - Красноярск: КПИ, 1979. -124 с.
3. Патент РФ № 2777801 МПК E01C 3/06 (2006.01). Способ устройства основания при возведении термостойкого дорожного полотна на вечномерзлых грунтах и теплоизоляционная плита основания: № 2022104104: заявл. 16.02.2022, опубл. 10.08.2022 / Преснов О.М.; То-лочко О.Р.
4. Патент РФ № 2780999 МПК E01C 3/06 (2006.01). Способ возведения автомобильной дороги на вечно-мерзлых грунтах: № 2022107630: заявл. 22.03.2022, опубл. 04.10.2022 / Преснов О.М.; Матросова Н.В.
5. Патент РФ № 2647517 МПК E02D 17/18 (2006.01). Способ возведения насыпи из некондиционных грунтов
на вечной мерзлоте: № 2016130643: заявл. 25.07.2016, опубл. 16.03.2018 / Бедрин Е.А.; Лонский В.Н.
6. Патент РФ № 2732774 МПК E01C 3/06 (2006.01). Автомобильная дорога на многолетнемерзлых грунтах: № 2019135385: заявл. 05.11.2019, опубл. 22.09.2020/ Краев А.Н.; Шанхоев З.Ш.; Макаров А.С.
7. Патент РФ № 2744541 МПК E02D 17/18 (2006.01). Автомобильная дорога на многолетнемерзлых грунтах: № 2019135385: заявл. 05.11.2019, опубл. 22.09.2020/ Пассек В.В.; Воробьёв С.С.; Поз Г.М.
8. Патент РФ № 2 732 774 МПК E01C 3/06 (2006.01). Дорожная насыпь на вечной мерзлоте: № 2020129027: заявл. 02.09.2020, опубл. 11.03.2021/ Краев А. Н.; Шанхоев З. Ш.; Макаров А. С.
Modern ways of constructing highways in the Far North Presnov O.M., Gorkov M.V., Stont N.V., Tsapikova E.A.
Siberian Federal University JEL classification: L61, L74, R53
Currently, large reserves of oil and gas are discovered in the Far North, as well as rich deposits of precious stones and minerals, so the topic of construction of highways in the permafrost zone is especially relevant. The peculiarity of the regions of the North is the deep freezing of soils -the so-called permafrost.
For further development and extraction of minerals, and improvement of the infrastructure of this area, it is necessary to develop a transport system in this region. As a result of operation, the constructed highways cause heating of the ground, which entails thawing of the foundation of the roadbed. Critical sections of the highway, such as waterlogging of the upper soil layer, reduce the operational performance. It is also worth noting that global warming is making its own adjustments to construction in the northern regions and has an extremely unfavorable effect on the bearing capacity of soils in the permafrost zone.
The purpose of this article is to study ways to preserve the ground of the base in a frozen state, which ensure load-bearing capacity using a thermal insulation structure at the base of the roadway.
Keywords and phrases: roadbed, highway, embankment base, permafrost, negative temperature, soil freezing, heat loss, bearing capacity.
References
1. SP 34.13330.2012. Highways Updated version of SNiP 2.05.02-85: date of introduction 2013-07-01. - Moscow: Ministry of Regional Development of Russia, 2013. - 112 p.
2. 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.
3. Patent of the Russian Federation No. 2777801 IPC E01C 3/06 (2006.01). Method of foundation device for the construction of a heat-resistant roadbed on permafrost soils and a thermal insulation base plate: No. 2022104104: application 16.02.2022, publ. 10.08.2022 / Presnov O.M.; Tolochko O.R.
4. Patent of the Russian Federation No. 2780999 IPC E01C 3/06 (2006.01). Method of constructing a highway on permafrost soils: No. 2022107630: application 22.03.2022, publ. 04.10.2022 / Presnov O.M.; Matrosova N.V.
5. RF Patent No. 2647517 IPC E02D 17/18 (2006.01). Method of constructing an embankment from substandard soils on permafrost: No. 2016130643: application 25.07.2016, publ. 16.03.2018 / Bedrin E.A.; Lonsky V.N.
6. RF Patent No. 2732774 IPC E01C 3/06 (2006.01). Automobile road on permafrost soils: No. 2019135385: application 05.11.2019, publ. 22.09.2020/ Kraev A.N.; Shankhoev Z.Sh; Makarov A.S.
7. RF Patent No. 2744541 IPC E02D 17/18 (2006.01). Road embankment on permafrost: No. 2020129027: application 02.09.2020, publ. 11.03.2021/ Passek V.V.; Vorobyev S.S.; Pos G.M.
8. RF Patent No. 2732774 IPC E01C 3/06 (2006.01). Road embankment on permafrost: No. 2020129027: application 02.09.2020, publ. 11.03.2021/ Kraev A. N.; Shankhoev Z. Sh.; Makarov A. S.
X X
о
го А с.
X
го m
о
м о м
CJ
