Московский Государственный Университет им. М.В, Ломоносова

Основы геотехники в криолитозоне.

Часть III. Автомобильные и железные дороги.

(Курс лекций для магистрантов 1-го года обучения)

Москва, 2011.

Введение

Прокладка дорог в криолитозоне вызывает существенные изменения мерзлотной обстановки. Это обусловлено нарушением сложившихся в природе условий теплообмена поверхности земли с атмосферой в результате удаления растительного покрова, изменения альбедо поверхности и ее водопроницаемости, переформирования снежных отложений и ухудшения условий стока поверхностных вод. После этого происходит многолетнее оттаивание ВМГ в основании земляного полотна, а в некоторых случаях и многолетнее промерзание талых грунтов на участках с ВМГ не сливаюшегося типа.

Указанные процессы вызывают деформации земляного полотна и сопредельной территории. Основными видами деформаций являются: осадки и

расползание насыпей на оттаивающих вечномерзлых грунтах; термокарстовые понижения дневной поверхности на прилегающих к насыпи территориях; наледи на косогорах, в выемках и руслах водотоков; пучины в выемках и на

нулевых местах, в том числе наледного характера; просадки поверхности

д ороги в выемках и на нулевых местах; сплывы и оползание откосов насыпей и

выемок; заиливание водоотводов и нагорных канав в выемках и на косогорах.

Например, на Байкало -Амурской магистрали осадками и расползанием насыпей поражено свыше 1000 км пути. Осадки продолжаются в течение десятилетий практически с одинаковой интенсивностью — в среднем от 4 до 12 см/год (Дыдышко, 1991). Эти деформации носят локальный характер,

проявляясь на протяжении до 100—300 м, иногда до 1 км и более. Часто на общем фоне значительных по длине понижений (депрессий) наблюдаются места с большей интенсивностью осадок. С течением времени, если не производятся в достаточной мере компенсирующие подъемы пути, продольный профиль, особенно на подходах к искусственным сооружениям, искажается. В местах осадок

подъемы пути увеличивается до 1 м и более, концы шпал оголяются. Балластная призма не умещается на основной площадке и ее, откос переходит в откос насыпи. Бермы погружаются в основание и в отдельных местах опускаются под воду. Водоотводные канавы заплывают и способствуют образованию термокарстовых понижений, которые

заполняются водой и в дальнейшем превращаются в термокарстовые озера, расположенные вдоль насыпи.

В результате возникновения местных понижений профиля пути с недопустимыми уклонами, а также из-за быстрого протекания деформаций, скорость движения поездов ограничивают. На содержание пути в исправном состоянии тратятся значительные трудовые и материальные ресурсы: расходы на 1 км пути с осадками на порядок выше, чем на стабильных участках.

Наблюдениями установлен характер изменения температурного режима грунтов в результате сооружения насыпи. Часто насыпь взаимодействует с ВМГ как нагретый штамп и под ней происходит многолетнее оттаивание мерзлых грунтов. Однако черёз несколько лет после отсыпки насыпи температурный режим основания стабилизируется и оттаивание прекращается. Под насыпью устанавливается квазистационарное температурное поле. Например, на опытном участке, расположенном в пределах мари, стационарное положение верхней границы ВМГ зафиксировано на

глубинах 4—6 м (от верха насыпи). В основании насыпи отмечен слабый слой сильно обводненного талого грунта, находящегося в текучем и текучепластичном состоянии. Толщина этого слоя 10—30 см. Под действием веса насыпи и нагрузки от движущегося транспорта слабый слой постепенно выдавливался из-под насыпи. За счет выдавливания слабого слоя на одном из опытных участков за три года насыпь опустилась на 60 см. Одновременно с вертикальными перемещениями произошла раздвижка боковых частей насыпи и берм. Интенсивность раздвижки колеблется от 180 до 260 мм/год. Для обеспечения устойчивости насыпей на марях рекомендуется создавать преграды выдавливанию за счет промораживания грунтов основания или устройства механических препятствий.

Другой причиной деформации земляного полотна в пределах мари является скопление воды возле насыпи, а также отсыпка на дневной поверхности крупноскелетного грунта. Экспериментально установлено, что засыпка крупноскелетным грунтом местных понижений вызывает оттаивание ВМГ и последующую осадку дневной поверхности и ее вторичное обводнение. Оттаиванию ВМГ способствует также удаление или повреждение растительного покрова и отсутствие организованного стока поверхностных вод.

Как отмечалось выше, кроме осадок земляного полотна в результате оттаивания ВМГ наблюдаются и деформации пучения в результате промерзания талых грунтов земляного полотна и его основания.

К подверженным пучению грунтам земляного полотна и его основания относятся все виды глинистых грунтов, крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем при содержании частиц размером 0,1 мм и менее в количестве более 20% по весу, легковыветривающиеся породы (сланцы, алевролиты, аргиллиты, мергели), пылеватые пески при насыщении их водой, торф и заторфованные грунты.

Наиболее часто пучению подвержены участки земляного полотна в выемках, нулевых местах и низких насыпях (до 2 м) при залегании в пределах зоны сезонного промерзания—оттаивания пучинистых грунтов. Особую опасность представляют участки с неравномерным залеганием разнородных (пучинистых и непучинистых) грунтов, выемки и нулевые места в легко выветривающихся породах в условиях их избыточного увлажнения, полунасыпи и полувыемки на косогорах с уклоном круче 1:5 при наличии в пределах слоя сезонного промерзания—оттаивания потоков грунтовых вод в дренирующих грунтах (возможно образование наледных пучин).

Непроизводительные затраты по ремонтам дорог в указанных случаях, а также сокращение пропускной способности автомагистралей и железнодорожных путей в период ремонтов предъявляют особые требования к проектированию дорог в криолитозоне. Эти требования отражены в многочисленных нормативных и рекомендательных документах, основные положения которых освещаются в последующих разделах.