Таблица 1.2

Типы местности по характеру поверхностного стока, степени увлажнения и мерзлотно-грунтовым условиям

*) Грунты подразделяются по категориям просадочности:

I категория – условно непросадочные при относительной степени просадочно-

сти δ = 0–0,01;

II категория – малопросадочные при δ = 0,01–0,1; III категория – просадочные при δ = 0,1–0,4;

IV категория – сильнопросадочные при δ = 0,4–0,6;

V категория – чрезмерно просадочные при δ = 0,6–1,0.

1.5. Принципы проектирования и строительства дорог на многолетнемерзлых грунтах

Многолетний опыт строительства железных и автомобильных дорог на многолетнемерзлых грунтах в России, затем в СССР, а позднее в США и Канаде доказал целесообразность и правильность проектирования и строительства земляного полотна в насыпях (выемки составляют менее 2–3%) из несцементированных обломочных грунтов. Применение несцементированных обломочных грунтов в качестве материала для земляного полотна еще не решает проблему его прочности, но в то же время приводит к высокой стоимости строительства дорог.

15

Особенно неблагоприятной для дорожного строительства является первая Северная подзона, где широко распространены тундровые, переувлажненные (более предела текучести), глинистые, тонкодисперсные грунты с наличием жильных и погребенных льдов, близко залегающих к поверхности земли. Здесь в большинстве мест необходимо проектировать и строить дороги со строгим сохранением естественного режима

местности, используя, как правило, первый принцип проектирования и строительства дорог, предусматривающий поднятие верхней поверхности многолетнемерзлых грунтов в насыпь и сохранение их в мерзлом состоян в течен е всего периода эксплуатации дороги. Следует широко использовать естественные и различные искусственные теплоизоляционные матер алы. При проектировании, а затем и при строительстве автомоб льных дорог насыпь необходимо доводить до такой высоты, чтобы не было отта вания грунтов в ее основании, то есть при Нот = 0.

СибАДИций (осадок) поверхност покрытия, принимаемых по нормам [4] и по рекомендациям проф. Н.А. Пузакова. При этом высота насыпи для до-

Этого дост гают путем сохранения условия, при котором отрица-

тельная среднегодовая температура в основании насыпи (tсроснгод) будет

ниже температуры замерзания грунта (θзг) – условие для 1 принципа сохранен я мерзлоты [8]:

Природные условия второй Центральной подзоны создали меньшую влажность местности и позволяют проектировать земляное полотно по второму принципу, предусматривающему частичное оттаивание грунтов основания с учетом возникающих при этом деформаций. В этом случае возникает возможность значительного удешевления стоимости строительства за счет использования глинистых местных грунтов взамен дорогих привозных, несцементированных, обломочных (дренирую-

щих) грунтов.

При проектировании и строительстве дорог по второму принципу высота насыпи определяется [12, 13] с учетом возникающих деформа-

рог с цементобетонным покрытием должна быть выше, чем Нminц / б , при которой оттаявший слой основания НотI даст такую величину осадки земляного полотна, чтобы у покрытия была осадка меньше или равна допустимой величине (S pI ≤ 2 см) . Для дорог с асфальтовым покрытием

высота насыпи должна быть выше Нminц / б , при которой величина оттаявшего слоя основания НотII даст величину осадки поверхности покрытия, меньшую или равную допустимой величине ( S pа/б ≤ от 4 до 6 см в зависимости от типа асфальтового покрытия).

16

Таким же образом определяется высота насыпи Нminпер ≤ Нот , при которой фактическая осадка покрытия Sфпер ≤ Sдоппер = 10 см для переходных

типов покрытия. Аналогично для низших типов покрытия высота насыпи Нminниз ≤ Нот, при которой Sфниз ≤ Sдопниз = 15 см (рис. 1.5).

СибАДИНос Рис. 1.5. График зависимости осадки Sр глубины оттаивания основания от

от высоты насыпи

Однако при любом типе покрытия или вообще без покрытия высота насыпи не должна быть меньше определенной величины (Нminниз ), иначе зем-

ляное полотно разрушится в результате термокарстовых процессов. Условием сохранения многолетней мерзлоты в основании насыпи на опреде-

ленной глубине от поверхности, но не глубже чем НотIV , является сохранение отрицательной среднегодовой температуры грунтов основания насыпи:

Это условие сохранения температурного режима для обеспечения II принципа проектирования и строительства дорог в районах ММГ (ВМГ) 7,[ 8].

17

Третья Южная подзона на первый взгляд более благоприятна для дорожного строительства. Здесь многолетнемерзлые грунты встречаются или в виде сплошной высокотемпературной мерзлоты, или в виде отдельных мерзлых островов среди талой толщи грунта. Эта подзона изобилует холмистым, гористым и горным рельефами с широким распространением щебенистых, дресвяных, галечниковых и иногда глинистых грунтов. При этом земляное полотно на участках островного распро-

СибАДИстранения многолетнемерзлых грунтов следует сооружать из местных дренирующ х грунтов по третьему принципу, предусматривающему обеспечен е предвар тельного оттаивание грунтов основания и осушения дорожной полосы до возведения насыпи.

В окончательном в де принципы проектирования и строительства автомоб льных дорог на многолетнемерзлых грунтах по [6, 9] и работам В.А. Давыдова [7, 8] можно сформулировать следующим образом:

первый пр нц п – это сохранение многолетнемерзлых грунтов в основан земляного полотна в течение всего периода эксплуатации дороги (р с. 1.6);

Рис. 1.6. Конструкция автомобильной дороги в особо сложных условиях при проектировании по первому принципу проектирования последующему строительству с сохранением мерзлоты в основании насыпи:

1 – дорожная одежда; 2 – насыпь; 3 – мохорастительный покров; 4 – ВГММГ после строительства дороги; 5 – ВГММГ

до строительства; 6 – новообразованная мерзлота под насыпью

второй принцип – допущение частичного оттаивания многолетнемерзлых грунтов в основании земляного полотна на величину, определяемую расчетом по допустимым деформациям дорожных покрытий

(рис. 1.7).

18

СибАДИРис. 1.7. Конструкция автомобильной дороги в сложных условиях при проектировании по второму принципу проектирования

последующему строительству с допущением оттаивания мерзлоты в основан насыпи и учетом деформаций дорожных покрытий:

1 – дорожная одежда; 2 – насыпь; 3 – ВГММГ после постройки насыпи; 4 – ВГММГ до постройки насыпи; 5 – новообразованная мерзлота

1.6. Требован я к высоте насыпи в зоне вечной мерзлоты

Известно, что макс мальная высота насыпей и глубина выемок назначаются при проект ровании продольного профиля и связаны с рельефом местности, с туацией и предельно допустимыми продольными уклонами. Как х-л о ограничений при этом нет, кроме экономических (технико-эконом ческ х).

Минимальная высота насыпи (руководящая отметка при проектировании продольного профиля) в зоне вечной мерзлоты должна обеспечить:

• снегонезаносимость дороги согласно [2];

• требуемое возвышение верха дорожной одежды над расчетным уровнем поверхностных (2-й тип местности) и надмерзлотных (грунтовых) вод – 3-й тип местности [2];

• расчетное состояние грунтов основания (мерзлое или талое) исходя из принятого принципа проектирования земляного полотна.

За расчетную следует принимать наибольшую высоту насыпи, полученную по трем условиям.

Первые два расчета хорошо известны по опыту проектирования во II–V ДКЗ выполняются согласно [2]. В [1] имеется специальное приложение, рекомендующее расчет насыпи на снегонезаносимость. Однако расчеты по методике [1] достаточно сложные,но дают тот же результат, что и [2].

Опыт проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог в I ДКЗ, расчеты и наблю дения убедительно показали, что решающим при назначении высоты насыпей является обеспечение расчетного состояния грунтов основания (мерзлое или талое), т.е. минимальная высота насыпи в I ДКЗ в основном определяется в результате теплотехнических расчетов. В I ДКЗ иногда возникает необходимость на наледных участках выполнить дополнительный расчет и уточнить высоту насыпи с учетом мощности наледи. Методика таких расчетов известна и приведена в [1].

19

1.7.Особенности водно-теплового режима естественных грунтов

иземляного полотна автомобильных дорог

в районах вечной мерзлоты

воеобразные гидрогеологические условия в сочетании с суровыми природно-климатическими факторами зоны вечной мерзлоты предопределяют особый водно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог [7, 8].

СибАДИПромерзание в зоне вечной мерзлоты происходит с двух сторон: сверху – за счет отр цательных температур воздуха, снизу – за счет охлажден я от толщи многолетнемерзлых грунтов.

Так м образом, в зоне вечной мерзлоты в течение всего теплого времени года в земляном полотне или в его основании находится мерзлый, практ чески несж маемый слой грунта на незначительной глубине оттаиван я (до 1,5–2,5 м). Процесс промерзания земляного полотна и основан я в зоне вечной мерзлоты (рис. 1.8) подобен схеме процесса оттаиван я в средней полосе страны. В обоих случаях имеет место двустороннее направлен е потоков: холода – в зоне вечной мерзлоты, тепла

– в средней полосе страны.

Как установлено (Н.А. Цытович и др. [12, 13, 14], модули деформации и упругости мерзлых глинистых грунтов имеют высокие значения, а талых – в несколько раз (иногда в десятки раз) меньше. В переходном состоянии от мерзлого к талому величина модуля упругости может иметь различные промежуточные значения, которые уменьшаются как за счет перехода мерзлого состояния грунта в талое, так и за счет более глубокого расположения мерзлого слоя грунта. Это положение имеет большое практическое значение для проектирования и строительства дорог в указанных районах, так как регулированием глубины расположения многолетнемерзлого слоя грунта можно повышать величину эквивалентного модуля упругости грунта земляного полотна, увеличивая, таким образом, прочность всей дорожной конструкции.

Оттаивание земляного полотна основания в зоне вечной мерзлоты протекает по схеме (см. рис. 1.8, ), подобной схеме промерзания в районах сезонного промерзания, например, во II дорожно-климатической зоне (рис. 1.8, в). При этом имеет место одинаковое направление потоков тепла (в зоне вечной мерзлоты) и потоков холода (в районах сезонного промерзания). В рассматриваемой зоне оттаивание происходит сверху и продолжается в течение всего теплого периода года, пока не будет установлено динамическое равновесие между потоками тепла сверху от атмосферы и потоками холода снизу от многолетнемерзлых грунтов.

Многолетние исследования на дорогах Республики Саха (Якутия) и Бурятии позволили проследить за изменением модулей деформации и упругости в процессе оттаивания, которые определяли с помощью пресса

20

и жестких металлических штампов диаметрами 20, 25 и 34 см [6, 7, 8, 9]. При Нот = 0, то есть когда грунт был мерзлым, модули упругости, по

данным наших опытов, имели огромную величину: Еу = 2×102 – 25×102

МПа, а Ед = 0,4×102 – 5×102 МПа. При глубине оттаивания 4–5 см модуль упругости составлял уже 180–219 МПа, а деформации – 63–35 МПа.

Затем, по мере увеличения глубины оттаивания грунта, величина его эквивалентного модуля упругости быстро уменьшалась. Это происСибАДИходило вследствие перехода грунта из мерзлого состояния в талое (за счет разрушен я в нем льдоцементирующих связей) и удаления от по-

верхности более прочного мерзлого грунта.

При глуб не отта вания, равной 3–4 диаметрам штампа, модули упругости дост гали м нимальных значений, близких по абсолютной величине к модулям упругости талого грунтового полупространства. Таким образом, при глу ине оттаивания более 4 диаметров штампа влиян е мерзлого слоя практически прекращается (составляет менее

4–5%).

Это явлен е нео ходимо учитывать при расчетах прочности дорожных конструкц й. На величину модулей деформации и упругости кроме влажности плотности глинистого грунта значительное влияние оказывает положение мерзлого слоя при оттаивании, ограничивающего зону обжатия грунта. Вопрос о распределении напряжений и деформаций до настоящего времени наи олее полно разработан только применительно к упругому изотропному полупространству при действии статических нагрузок. Величины сжимающих напряжений, возникающих на контакте грунтового слоя и жесткого основания, исследовались за рубежом (Мелан, Био, Маргерр и др.) и в нашей стране (О.Я. Шехтер, К.Е. Ег оров, М.И. Горбунов-Посадов и др.). Получены аналитические решения и разработаны приемы численного определения напряжений и деформаций.

Согласно этим решениям, а также опытным данным О.Ф. Никитина в ХАДИ, В. . Давыдова в Омском филиале СоюзДорНИИ (1964–1976 гг.) и др. установлено, что величина осадки в системе с несжимаемым основанием меньше, чем в однородном полупространстве. Была получена картина распределения сжимающих напряжений в слое грунта ограниченной толщины на несжимаемом основании. При этом установлено, что наличие практически жесткого несжимаемого слоя вызывает концентрацию напряжений по оси нагрузки. Оттаивание грунта создает сложную многослойную систему, которую с некоторыми допущениями можно принять как двухслойную.

21

СибАДИРис. 1.8. Схема годового цикла водно-теплового режима земляного полотна основания в районах вечной мерзлоты и сезонного оттаивания грунтов:

А – изменение модуля упругости грунта земляного полотна в годовом периоде; Б и В – схемы протаивания, промерзания и увлажнения соответственно в I и во II ДКЗ;

1 – сухой талый грунт; 2 – влажный талый грунт; 3 – талый грунт повышенной влажности; 4 – переувлажненный талый грунт; 5 – надмерзлотная вода; 6 – твердомерзлый грунт; 7 – прослойки и линзы льда; Нн – высота насыпи; Нот – мощность слоя оттаивания (промерзания); Но – глубина расположения границы нулевых амплитуд; ГГВ – горизонт грунтовых вод

Величину эквивалентного модуля упругости системы – талый (верхний) плюс мерзлый (нижний) слой – можно определить, условно

22

принимая мерзлый слой грунта несжимаемым. В этом случае влияние нижнего, более прочного и жесткого слоя уменьшает осадку под грузом верхнего талого грунта, повышая, таким образом, прочность системы: упругопластичный слой грунта плюс жесткое несжимаемое основание. Это явление можно учесть, используя решение К.Е. Егорова, основанное на формуле Маргерра

СибАДИгде R – рад ус штампа0 , см; r – расстояние от центра круглого штампа до

точки, перемещен я которой определяют, см; I0 – функция Бесселя нулевого порядка первого рода; I1 – функция Бесселя нулевого порядка второго рода; Sh, Ch – соответственно гиперболические синус и косинус; Н – мощность талого слоя грунта, см; t – произвольный параметр интегр рован я.

Для точек, расположенных под центром нагруженной площадки,

Таким образом, влияние мерзлого слоя на прочность оттаивающего грунта может быть определено по формуле (1.6).

В грунтах земляного полотна и основания, как правило, влажность по глубине неоднородна (в верхних слоях меньше, а в нижних больше) и в течение всего периода оттаивания имеет непостоянные значения (см. рис. 1.8, б). Указанную закономерность для естественных условий зоны вечной мерзлоты отмечали многие мерзлотоведы, а также проф. Н.А. Пузаков, однако практических рекомендаций по ее учету при оценке прочности грунтов не было сделано.

Характерные эпюры распределения влажности по глубине оттаявшего слоя в расчетный период (весна – лето) были установлены В. . Давыдовым [6] в процессе обследования автомобильных дорог в районах с многолетнемерзлыми грунтами. В начале оттаивания земляного полотна происходит увлажнение активного верхнего слоя грунта (весенний период), затем, по мере опускания границы оттаивания вниз, вслед за горизонтом мерзлоты опускается свободная влага под действием гравитационных сил.

В летний период за счет испарения с поверхности и инфильтрации просыхают верхние слои земляного полотна, а в нижних слоях на границе с мерзлым грунтом наблюдается максимальная влажность, нередко достигающая предела текучести. Такое распределение влажности обу-

23

словливает неравнопрочность грунтов по глубине, что необходимо учитывать в расчетах прочности дорожных конструкций. По фактическим данным натурных исследований (В.А. Давыдов, 1966) было установлено, что при глубине оттаивания более величины, равной 3 диаметрам штампа, влажность грунта распределяется по экспоненциальной зависимости. ледовательно, зная влажность верхнего и нижнего слоев,

можно по зависимости Е = f(W) определить соответствующие значения модулей упругости или деформации любого слоя грунта. При этом це-

СибАДИпо глубине у, Ад; Е0 , Е0 – модуль упругости или деформации одно-

лесообразно спользовать метод вычисления осадок и напряжений отдельных слоев, основанный на решении задач по законам теории упру-

гости. Многослойную систему дорожной конструкции можно рассматривать как упругое неоднородное полупространство, состоящее из однородных слоев, связанных между собой условием непрерывности на-

пряжен й перемещен й. Каждый из слоев характеризуют определен-

ной толщ ной, модулем упругости (деформации) и коэффициентом Пуассона. Вел ч ну экв валентного модуля упругости на поверхности не-

однородного по глу не земляного полотна можно получить, используя решен е Б.И. Когана, разра отанное для конструирования дорожных одежд.

В общем виде графики изменения модуля упругости грунта (Еуобщ )

или модуля деформации (Едо щ ) от глубины оттаивания с учетом мерзло-

го слоя и неоднородного увлажнения по глубине могут быть описаны уравнением В.А. Давыдова

у д

родного массива грунта при определенных значениях его оптимальной влажности и максимальной стандартной плотности; ву, вд, су, сд – коэффициенты, зависящие от типа грунта, величины относительной деформации и других факторов (табл. 1.3 для вд, сд);

24