Дорожно мерзлотная классификация вмг

Категория и название вечномерзлого грунта	Максимально возможно относительная осадка при оттаивании, δi	Основные виды и состояния грунтов основания земляного полотна
I Непросадочный	δi ≤ 0.03	Скальные породы, крупнообломочные и песчаные грунты без включений льда; грунты твердые и полутвердые
II Малопросадочный	0.03<δi ≤ 0.1	Глинистые грунты от туго- до текучепластичных. а также песчаные и крупнообломочные грунты с глинистым заполнителем при наличии в них просло­ев или линз льда суммарной толщиной до 0,1 м в слое мерзлоты мощностью 1 м
III Просадочный	0.1<δi ≤0.4	Глинистые и торфяные грунты текучепластичные и текучие, а также песчаные и крупнообломочные грунты при наличии в них линз или отдельных прослоев льда суммарной толщиной до 0.4 м в слое мерзлоты мощностью 1 м.
IV Сильнопросадочный	δi >0.4	Глинистые грунты текучие и торфяные отложения, и также грунты всех видов с наличием подземного льда суммарной толщиной более 0,4 м в слое мерзлоты мощностью 1 м

Рис. 3.3 Поперечные профили насыпей: а, б – автомобильные и железные дороги на грунтах, соответственно, I и II категорий; в – автомобильные дороги на грунтах III категории; г – железные дороги на грунтах III категории; д – автомобильные дороги на грунтах IV категории; е – железные дороги на грунтах IV категории: 1 – кювет; 2 – земляное полотно; 3 – упорная призма; 4 – водоотводный валик.

При выборе трассы всегда стремятся обеспечить ее минимальную протяженность и одновременно проложить в наилучших мерзлотно-грунтовых условиях. Если эти требования исключают друг друга, то задачу решают на основе технико-экономического сравнения вариантов. Расположение трассы считается наилучшим по мерзлотно-грунтовым условиям в следующих случаях:

1) большая ее часть проходит по участкам с грунтами I и II категорий;

2) трасса обходит места расположения наледей, термокарста, бугров пучения, солифлюкции и оползней;

3) протяженность трассы в пределах бессточных территорий и участков с подземными льдами минимальна.

Известны два принципа использования ММП в основании дороги: I - с сохранением мерзлого состояния, II - с оттаиванием в процессе эксплуатации.

Оттаивание грунтов основания может быть многолетним при T_st > T_bf и сезонным при T_st ≤ T_bf (T_st - среднегодовая температура грунта у подошвы земляного полотна, определяется расчетом: Т_bf - температура промерзания—оттаивания грунтов основания).

Многолетнее оттаивание допускается только в грунтах 1 категории, включая скальные; сезонное — в грунтах I—III категорий. В грунтах IV категории, а также на крутых косогорах (крутизна более 1:5) с грунтами III категории оттаивание не допускается. Выполнение перечисленных условий обеспечивается отсыпкой рабочего (защитного) слоя земляного полотна высотой h_wo (h_wo — толщина слоя, при котором осадка дорожной одежды или рельсошпальной клетки не будет превосходить допустимой величины). В некоторых случаях, особенно в пурговых районах, этого мероприятия оказывается недостаточно, тогда дополнительно применяют охлаждающие устройства (каменная наброска, вентилируемые короба, термосифоны).

Если по условиям продольного профиля земляное полотно не может иметь высоту h_wo, то заменяют грунт в основании насыпи. В этом случае высота насыпи меньше h_wo, и насыпь называется низкой в отличие от высокой (более h_wo). Кроме того, грунт заменяют на нулевых местах и в выемках. Глубина замены и высота надземной части всегда в сумме составляют h_wo.

Проектирование продольного профиля дороги начинают с разбивки трассы на участки, сложенные грунтами одной категории. Далее для каждого участка определяют h_wo и, откладывая ее вверх от отметок рельефа (линия черных отметок), получают профиль контрольных отметок. При этом аномальные возвышения или понижения не учитываются. Профиль дороги (линия красных отметок) на участках с грунтами III и IV категорий наносят по методу обертывающей проектировки так, чтобы красная линия прошла возможно ближе к контрольным отметкам. На участках с грунтами I и II категорий красную линию наносят по методу секущей проектировки, стремясь к тому, чтобы объемы срезки возвышений и объемы засыпки понижений были примерно равны.

Устойчивость насыпей на ровных участках и косогорах с крутизной менее 1:5 обеспечивается приданием им определенного профиля (рис. 3.5).

На участках с грунтами III и IV категорий железнодорожные насыпи имеют упорные призмы (ширина 3—4 м, высота 1—1,5 м), которые уменьшают глубину сезонного оттаивания грунта вблизи подошвы откоса, а автомобильные насыпи — уположенные вдвое откосы. Во избежание распространения оттаивания под кюветом в основание насыпи на участках с грунтами II и III категорий кюветы отодвигают от подошвы откоса на 3—5 м, на участках с грунтами IV категории они заменяются водоотводными валиками (ширина 3 м, высота 0,5—0,6 м), которые относят от подошвы откоса на расстояние 15—20 м. При расположении насыпи на косогоре кюветы и валики делают только с ее нагорной стороны. На марях и торфяниках насыпи возводят преимущественно из дренирующего материала.

Устойчивость дорожной одежды в выемке обеспечивается одним из двух способов: 1) выемка разделывается под насыпь (рис. 3.4, а, б); 2) на дне выемки заменяется грунт (рис. 3.4, в, г). Первый способ обычно применяется на участках с грунтами I и II категорий, второй — III и IV категорий.

Устойчивость откосов выемки достигается их уполаживанием или заменой грунта, а также устройством подпорных стенок. Для замены используют дренирующий грунт. Мощность слоя дренирующего грунта равна глубине его оттаивания. Рис. 3.4 Поперечные профили выемок: а, б – автомобильных и железных дорог на грунтах соответственно I и II категорий; в, г - автомобильных и железных дорог на грунтах соответственно III и IV категорий: 1 – кювет; 2 – земляное полотно; 3 – замененный грунт; 4 – водоотводный валик.

Способ выбирают на основе технико-экономического сравнения вариантов. Откосы выемки укрепляют так же, как откосы насыпи.

Для предотвращении сползания насыпи по крутому косогору (более 1:5) у ее низового откоса отсыпают каменную призму (рис. 3.5 а) врезают насыпь в косогор (рис. 3.5, б) или его террасируют (рис. 3.5, в).

Рис. 5.5 Поперечные профили насыпей и выемок на крутых косогорах: а – насыпь с низовой упорной призмой; б – насыпь, врезанная в косогор; в – полунасыпь – полувыемка: 1 – кювет; 2 – земляное полотно; 3 – каменная упорная призма; 4 – местный грунт; 5 – замененный грунт.

Последнее запрещается на грунтах IV категории. На крутых косогорах дополнительно устраивают еще один ряд нагорных водоотводных канав или валиков. Эти водоотводные сооружения располагают на расстоянии 50—60 м от подошвы верхового откоса насыпи или бровки выемки.

В последнее время для уменьшения высоты рабочего слоя и объема заменяемого грунта в основании дорожного полотна и в откосах выемки широко применяют теплоизоляцию из полистирольных или поливинилхлоридных пенопластов. Эти пенопласты представляют собой гидрофобный пористый материал со следующими свойствами: плотность — 50 кг/м³; предел прочности на сжатие — более 0,25 МПа; объемное водопоглощение за 24 ч — менее 3%. Высокая прочность материала позволяет располагать его непосредственно под основанием дорожного покрытия или балластной призмой, чем достигается наибольший эффект тепловой изоляции. При этом край теплоизоляции должен выступать за концы дорожной одежды или рельсошпальной клетки на 1,5 м (рис. 3.6). Рис. 3.6 Схема размещения тепловой изоляции в поперечном сечении железной дороги:

1 – рельсошпальная клетка; 2 – балластная призма толщиной 50 см; 3 – верхний защитный слой из крупнозернистого песка толщиной 5 см; 4 – пенополистирольный пенопласт толщиной 8 см; 5 – гравийно-галечная отсыпка толщиной 20 см; 6 – нижний защитный слой из крупнозернистого песка толщиной 10 см; 7 – защитный слой земляного полотна.

От механических повреждений теплоизоляция защищается сверху и снизу сдоями песка. Вместо песка иногда применяются асбестовые отходы. Плиты пенопласта в слое укладываются вплотную, зазор между ними допускаются не более 1 см. При многослойном теплоизоляционном покрытии они располагаются с перекрытием швов на 10—15 см. Часть дороги с теплоизоляционным покрытием сопрягают с основной магистралью переходным участком длиной 20 м, в пределах которого добиваются увеличения глубины сезонного промерзания грунта за счет создания заполняемых песком просветов между плитами теплоизоляции или изменения толщины теплоизоляционного слоя.

Откосы насыпей и выемок оказывают большое отепляющее воздействие на подстилающие грунты вследствие их повышенной инсоляции и скопления на них снега. Для уменьшения этого воздействия применяют охлаждающие

устройства. В морозных районах для охлаждения откосов используют каменную наброску на откос, в пурговых — вентилируемые короба. Наброску на откос выполняют из отборного камня размером не менее 30 см слабо-выветривающихся пород. Толщина наброски 0,8—1,2 м. Охлаждающий эффект достигается за счет циркуляции холодного воздуха в зимний период в порах наброски. В зависимости от конкретных условий наброски осуществляются в виде: каменной наброски на откосах, скальных берм, "клещевидной" обоймы (рис. 3.7). Рис. 3.7 Схемы конструкций из камня: а – каменная наброска на откос, б – скальная берма, в – клещевидная обойма.

В последнем случае одновременно с охлаждением преследуется цель создания механического препятствия выдавливанию слабого слоя грунта из-под земляного полотна.

Вентиляционные короба применяются для нейтрализации отепляющего воздействия на откос снежного покрова в зимнее время и теневой защиты откоса от прямой радиации летом. Короба изготовляют из легких пластиков, дерева и железобетона. Высота короба принимается равной двойной высоте снежного покрова в районе строительства, а ширина — тройной. На откосе

Отсыпка на откос камня

вентиляционные короба располагают с интервалом, равным их двойной высоте (рис. 3.8).

Рис. 3.8 Расположение вентиляционных коробов на откосе земляного полотна: а – без вентиляционных коллекторов, б – с вентиляционными коллекторами.

1 – вентиляционный короб; 2 – вентиляционный коллектор; 3 – вентиляционная шахта; 4 – земляное полотно; 5 – снежный покров.

Часто верхние и нижние части коробов объединяют коллекторами и устраивают вентиляционные стояки с заборными отверстиями на 0,5—1 м выше уровня снежных отложений(рис. 5.8, 6). Заборные отверстия стояков в летнее время закрывают.

В качестве охлаждающих устройств применяются также вертикальные и наклонные термосифоны. Наклонные термосифоны располагают у подошвы откоса, с двух сторон земляного полотна с шагом 3—5 м, а их подземные теплообменники — в основании земляного полотна (рис. 3.9, а). Вертикальные термосифоны обычно устанавливают на бортах насыпи с шагом 3-5 м и заглубляют в мерзлые грунты основания не менее, чем на 2 м (рис. 3.9, б).

Рис. 3.9 Использование термосифонов для охлаждения тела и основания земляного полотна: а – наклонные термосифоны; б – вертикальные термосифоны.

1 – земляное полотно; 2 – термосифон; 3 – теплоизоляция; 4 – положение верхней границы ВМГ до устройства земляного полотна; 5 - положение верхней границы ВМГ

В качестве охлаждающего устройства в последнее время пытаются применить теплоизоляторы, укладываемые на откос насыпи. Это мероприятие признано изобретением и на него получен патент. Рассмотрим его подробнее.

Основным отепляющим фактором, как отмечалось выше, является снежный

Вертикальные (вверху) и горизонтальные (внизу) термосифоны в основании и теле земляного полотна железной дороги.

покров на откосах насыпей, образующийся за счет перемещения снега с проезжей части дороги (основной площадки) и его переноса ветром. Наличие на откосе снега можно использовать для того, чтобы создать охлаждающий эффект. Чтобы понять за счет чего это происходит, обратимся к рис. 3.10.

кров на откосах насыпей, образующийся за счет перемещения снега с проезжей части дороги (основной площадки) и его переноса ветром. Наличие на откосе снега можно использовать для того, чтобы создать охлаждающий эффект. Чтобы понять за счет чего это происходит, обратимся к рис. 3.10.

Рис. 3.10 Зависимость глубин сезонного промерзания – оттаивания от термического сопротивления поверхности.

1 – сезонное промерзание, 2 – сезонное оттаивание.

В летнее время на поверхности откоса нет термического сопротивления, поэтому теплоизолятор, будучи уложенным на поверхность откоса, с термическим сопротивлением 2.8 м^{2 0}С/Вт уменьшит глубину летнего оттаивания с 2.5 м до 0.5 м. В зимнее время на поверхности откоса лежит снег с термическим сопротивлением 4 м^{2 0}С/Вт, поэтому тот же самый теплоизолятор, будучи уложенным на поверхность откоса, окажет значительно меньшее тепловое воздействие, а именно уменьшит глубину промерзания всего с 1.0 м до 0.7 м. Таким образом, без теплоизолятора глубина летнего оттаивания превосходила глубину зимнего промерзания (2.5 м > 1.0 м), т.е откос оказывает на грунты основания отепляющее воздействие. С теплоизолятором картина сменяется на обратную: глубина летнего оттаивания становится меньше глубины зимнего промерзания (0.5 м < 0.7 м), т.е. откос оказывает на грунты основания охлаждающее действие. Иными словами, снег стал бороться со снегом. И чем его больше на откосе, тем лучше. Этот парадоксальный факт хорошо иллюстрируется рис. 3.11.

Рис. 3.11 Схема, иллю-

стрирующая применение

теплоизолятора на откосе дороги.

М – отношение глубины

сезонного промерзания к глубине сезонного оттаивания откоса.

В разрезе земляное полотно новой конструкции дороги показано на рис. 3.12

Пропуск поверхностных вод через полотно дороги производится во всех естественных понижениях продольного профиля, но не реже, чем через 300—500 м но длине трассы при помощи водопропускных труб, мостов малых отверстий и фильтрующих насыпей (рис. 3.13). Водопропускные трубы обычно располагают на участках с грунтами I и II категорий. Хорошо зарекомендовали себя металлические гофрированные трубы диаметром 2—3 м, укладываемые в

Рис. 3.12 Разрез новой конструкции железной дороги.

основании насыпи в каменной призме толщиной не менее 1 м над и под трубой. Призма выступает за пределы насыпи на расстояние не менее 5 м (рис. 3.13, а).

Для устройства призмы применяют камень среднего размера не менее 30 см без мелкого заполнителя.

На переходах через постоянные водотоки устраивают мосты малых отверстий, они же сооружаются и на переходах через пе­риодические водотоки в пределах участков с грунтами III и IV категорий (рис. 3.13, б). Устоями мостов являются сквозные рамно-стоечные или столбчатые опоры, в которых во избежание многолетнего оттаивания ВМГ основания полость между

Рис. 3.13 Схемы водопропускных сооружений через земляное полотно: а – водопропускная труба , б – мост малых отверстий, в – фильтрующая насыпь.

1 – земляное полотно; 2 – каменная призма; 3 – водопропускная труба; 4 – прогон; 5 – вентиляционное отверстие; 6 – воздушная полость; 7 – опора моста; 8 – термосифон; 9 – геотекстиль; 10 – песчаная подготовка.

рандбалкой и дневной поверхностью грунта вентилируется наружным воздухом. При наличии подземных льдов подошву фундаментов устоя располагают выше их кровли или ниже их подошвы не менее чем на 4 м. Кроме того, в опору вставляют жидкостные или парожидкостные термосифоны. Насыпь на подходе к устою укрепляют каменной наброской.

Еще одно водопропускное устройство — фильтрующую насыпь (рис. 3.13, в) устраивают в тех же случаях, что и мосты малых отверстий. Материалом насыпи служит рваный камень диаметром не менее 30 см, который укладывают на галечно-гравийную подушку толщиной 20—30 см, отсыпаемую на растительный покров. Поверхность каменной наброски покрывают нетканым материалом (геотекстилем), выполняющим роль обратного фильтра. При расходах водотока более 10 м3/с сверху фильтрующей насыпи дополнительно укладывают металлическую или железобетонную трубу, которая работает в период паводка. Фильтрующие насыпи предпочтительнее мостов малых отверстий при высоте земляного полотна более 5 м, а также на марях.

Защита земляного полотна от негативных мерзлотных процессов

Термокарст. Во избежание развития термокарста в пределах полосы отвода дороги все существующие термокарстовые понижения засыпаются торфом, заторфованным суглинком или древесными отходами (засыпка понижений дренирующими грунтами запрещается). Организуется отвод воды из мест, где она застаивается. По возможности сохраняется древесная и кустарниковая растительность, обязательно сохраняется моховой покров. На участках возможного проявления термокарста отсыпка насыпей ведется поверх растительного покрова.

Пучение. Особенно опасно пучение полотна дороги при многолетнем промерзании грунтов, которое может происходить при пересечении трассой участков с ММП несливающегося типа. При многолетнем промерзании водоносных горизонтов появляется криогенный напор, который инициирует

Пучение опор контактной сети на одном из участков БАМ

образование бугров пучения. Во избежание последних устраивают различного рода подземные дренажи для разгрузки напорных вод. Однако дренажи целесообразны лишь до глубины 3,5—4,0 м, кроме того, дренаж часто перемерзает и не выполняет своей функции. Поэтому более эффективным средством борьбы с пучением при многолетнем промерзании грунтов являются предзимние откачки грунтовых вод из буровых скважин, которые широко использовались на трассе БАМ и хорошо себя зарекомендовали как средство борьбы с пучинами инъекционного типа.

Наледи. В зимнее время водотоки, промерзая, могут образовывать наледи, которые представляют большую опасность для автомобильных и железных дорог. По условиям питания различают несколько видов наледей: наледи межмерзлотных и подмерзлотных вод (ключевые наледи), наледи грунтовых вод слоя сезонного промерзания-оттаивания (грунтовые наледи) и наледи речных вод (поверхностные наледи),

Ключевые наледи, объем льда в которых может достигать 5—10 км3, трасса дороги обычно обходит, так как борьба с ними обходится очень дорого. Борьба с грунтовыми и поверхностными наледями ведется путем предотвращения или регулирования их образования, а также организацией противоналедной защиты дорожного полотна.

Для предотвращения образования грунтовых наледей устраивают каптаж источников и дренаж грунтовых вод. Например, для перехвата верховодки могут служить обычные дренажные канавы, которые зимой закрывают щитами, поверх которых укладывают мох или снег. Будучи защищенной от сезонного промерзания теплоизоляцией, канава большую часть зимы отводит воду, поступающую в нее под действием морозного напора. Регулирование образования наледей осуществляется при помощи мерзлых грунтовых перемычек, располагаемых в водоносном горизонте с верховой стороны дороги (рис. 3.14).

Рис. 3.14 Схема мерзлотного пояса:

1 – граница промерзания в первую половину зимы; 2 – уровень грунтовых вод; 3 – слой снега; 4 – выход наледных вод; 5 – наледь; 6 – снеговой вал; 7 – поверхность ВМГ.

Зимой под действием морозного напора вода прорывается на дневную поверхность выше перемычки и, замерзая, образует наледь в стороне от полотна дороги. Для создания перемычки (мерзлотного пояса) в полосе шириной 10—20 м удаляют растительный покров, затем оголенную поверхность грунта зимой периодически очищают от снега, а летом прикрывают слоем мха или торфа. В бесснежных районах перемычка имеет вид траншей глубиной 1 м и шириной 3-5 м. Мерзлотный пояс располагают па расстоянии 50-100 м от дороги. В некоторых случаях сооружают несколько параллельных поясов с расстоянием между ними 50 м.

При малых дебитах источников и выходе их на большом расстоянии от дороги противоналедную защиту создают из снежных валов или временных заборов из шпал и досок, которые отделяют полотно дороги от наледного поля и которые наращиваются по мере роста наледи.

С поверхностными наледями борются, утепляя русло реки вблизи мостов льдом и снегом по ледяному покрову, а также увеличивая размеры отверстий мостов и высоту дорожной насыпи на подходе к мосту.

Расчет земляного полотна

Определение мощности рабочего (защитного) слоя

Основной конструктивный элемент автомобильных и железных дорог - земляное полотно и слой замененного грунта в его основании. Земляное полотно в свою очередь состоит из рабочего (защитного) слоя дренирующего грунта и насыпи. На нулевых отметках и в выемках насыпь отсутствует и ее часто заменяет слой дренирующего грунта, который укладывается на место слабых грунтов основания. Откосы выемки в грунтах IV категории также часто покрывают слоем дренирующего грунта. Для простоты будем называть слой дренирующего грунта подсыпкой. Подсыпка, являясь дополнительным термическим сопротивлением на поверхности грунта, изменяет условия ее теплообмена с атмосферой и приводит к изменению температуры подстилающих мерзлых пород и мощности слоя сезонного оттаивания. Тепловое воздействие подсыпки усиливается, если на ее поверхность укладывают дорожную одежду или балластную призму, которые существенно изменяют альбедо и водопроницаемость самой поверхности. Это обстоятельство надо учитывать при определении глубины сезонного оттаивания подсыпки и подстилающего ее основания. Подсыпка вместе с дорожной одеждой (балластной призмой) и основанием представляет многослойную систему, расчет которой возможен лишь численными методами. Однако при некоторых допущениях можно получить приближенные аналитические решения глубины оттаивания. Одним из таких приближенных решений является метод эквивалентности, который допускает линейную зависимость между глубиной оттаивания и временем. В силу этого использование метода эквивалентности дает завышение глубины оттаивания на 15-20%. С другой стороны, используемая в расчете линейная модель не учитывает тепловое влияние откоса земляного полотна и тем занижает глубину сезонного оттаивания. Два перечисленных недостатка расчетной модели взаимно компенсируются, в результате чего метод эквивалентности дает вполне приемлемые для практики результаты. Большим достоинством этого метода является возможность решения обратной задачи - по заданной величине оттаивания находить мощность подсыпки h_wo.

Заданную величину оттаивания назначают, исходя из условия, что деформация дневной поверхности в результате оттаивания основания рабочего (защитного) слоя и его последующего промерзания не должна превышать допустимой величины, при которой обеспечиваются эксплуатационные качества дороги. Окончательные расчеты имеют вид:

, (3.1)

, (3.2)

, (3.3)

где Н_i- максимально возможная глубина сезонного оттаивания i-го слоя подсыпки в предположении, что он бесконечен, м; H_n, H_n+1 - соответственно максимально возможная глубина сезонного оттаивания последнего слоя подсыпки (i=n) и основания (i=n+1), м; h_i –мощность i-го слоя подсыпки, м; n - число слоев подсыпки, включая дорожную одежду или балластную призму и слой теплоизоляции; δ_i - максимально возможная относительная осадка грунтов при оттаивании (определяется по данным табл. 1.16); ƒс - модуль пучения промерзающих грунтов (определяется по данным табл. 3.3); s_u1 - предельно допустимая деформация поверхности дороги при оттаивании (определяется по данным табл. 3.4), м; h_u1 - предельно допустимая деформация поверхности дороги при пучении, м, принимается для дорог I и II категорий равной 0,02, III категории - 0,025, IV и V категорий - 0,35.

Таблица 3.3

Значение модуля пучения промерзающих грунтов ƒс, дол. ед.

Грунты	Характеристика участков
	Сухие*	Сырые**	Мокрые***		Насыпи
	Влажность глинистых грунтов
	wp= (0,1-0,25) x Ip	wp= (0,25-0,50) x Ip	wp= (0,50-0,75) x Ip ^	свыше wp= 0,5.xIp	wp= (0,25-0,5)x Ip
Суглинки
легкие пылеватые,	0,05	0,11	0,17	0,25	0,05
глины
Супеси пы-
леватые,
суглинки тяжелые,	0,04	0,09	0,15	0,22	0,04
глины
пылеуагые
Супеси, глины тя-	0,02	0,07	0,12	0,17	0,03
желые
Крупнооб-
ломичные
грунты с глинистым	0,02	0,05	0,08	0,12	0,03
заполните
лем более
50%
Крупнооб­
ломочные
грунты с глинистым	0,01	0,03	0,06	0,08	0,01
заполните­
лем от 20
до 50%
Пески пылеватые	0,01	0,03	0,07	—	0,0

Примечания: * — поверхностный сток обеспечен, грунтовые воды отсутствуют или залегают на глубине ниже границы промерзания более чем 1,5 м; ** — условия для поверхностного стока плохие, грунтовые воды отсутствуют или залегают на глубине ниже границы промерзания менее чем 1,5 м; *** — поверхностный сток отсутствует или не обеспечен, грунтовые воды залегают в пределах слоя промерзания, I_p - число пластичности: w_p — влажность грунта на границе пластичности (раскатывания).

Таблица 3.4

Предельно допустимая деформация поверхности

автомобильных и железных дорог

Характеристика дороги	Su1, м
Автодороги с различным покрытием: цементобетонным асфальтобетонным черным гравийным щебеночныи и гравийным	0.01 0.03 0.06 0.12
Железные дороги: магистральные пути подъездные пути промышленных предприятий	0.1 0.14

Величину, H_i рассчитывают по общеизвестной формуле Стефана:

, (3.4)

где То - температура ММП в районе строительства, °С; λ_th.i, - коэффициент теплопроводности талого грунта i-то слоя, Вт/(м °С); L_v,i - удельные затраты тепла на сезонное оттаивание—промерзание i-го слоя Вт∙ ч/м³ (определяется по формуле (3.5)); Ω_th - сумма градусочасов на дневной поверхности в летний период (определяется по формулам (3.6)—(3.10)).

, (3.5)

где L₀ - удельная теплота фазовых превращений воды при замерзании-оттаивании, L₀= 93 Вт-ч/кг; ρ_d,f - плотность сухого мерзлого грунта, кг/м³; w_tot - суммарная влажность мерзлого грунта (определяемая по данным изысканий); C_th и C_f - объемная теплоемкость талого и мерзлого грунта, Вт ч/(м³ С); T_air,s и T_air,w - среднелетняя и среднезимняя температура наружного воздуха в районе строительства, °С (принимается по климатическому справочнику).

, (3.6)

где т — число летних месяцев; T_s,j - средняя температура дневной поверхности дороги в j-м летнем месяце, °С, рассчитывается по формуле (3.7), заимствованной из СНиП П-47-80.

Таблица 3.5

Физические в теплофизические свойства некоторых материалов, используемых в дорожном строительстве

Материал	ρ, кг/м3	wtot,	λth, Вт/(м °С)	λf, Вт/(м °С)	Cth, Вт ч/(м3 °С)	Cf, Вт ч/(м3 °С)
Цементобетон	20110	0,02	1,28	1,28	464	464
Асфалтобетон	2120	0,01	0,74	0,74	978	978
Гравийнощебеночная смесь	2060	0,03	2,10	2.14	626	580
Балласт	1900	0.05	1.45	1.51	563	522
Экструдированный пенополистирол	40	0.01	0,035	0,035	100	100

Примечания: р - плотность материала; w_tot - суммарная влажность; λ_th, λ_f - теплопроводность в талом и мерзлом состоянии; C_th, C_f - объемная теплоемкость в талом мерзлом состояниях.

, (3.7)

где T_air,j - среднемесячная температура наружного воздуха, °С (определяется по данным метеостанций); ΔТ_R,j - поправка к T_air,j на инсоляцию поверхности земляного полотна, определяется по формуле (3.8), °С; - поправка к T_air,j на инфильтрацию атмосферных осадков в тело земляного полотна, определяется по формуле В.А. Кудрявцева (3.9), °С.

, (3.8)

где -эмпирический коэффициент, учитывающий экспозицию откоса земляного полотна, для проезжей части и обочин автодороги и основной площадки железной дороги принимается равным = 1, для откоса – по данным табл. 3.6 (при расчете мощности рабочего слоя принимается = 1); R_j — радиационный баланс дневной поверхности j-й месяц, определяется по формуле (3.10), Вт/м²; P_j - тепловой поток., учитывающий теплосодержание покрытия и подстилающих грунтов, а также процессы испарения в j-й месяц, определяется по формуле (3.11), Вт/м²; α_a,j - коэффициент теплообмена между атмосферным воздухом и дневной поверхностью, определяется по формуле (3.12), Вт/(м² °С).

Таблица 3.6^*

Значения коэффициента

Широта местности, град.	Месяцы
	IV	V	VI	VII	VIII	IX
Северная экспозиция
56	0.72	0.86	0.88	0.88	0.79	0.58
58	0.70	0.85	0.88	0.87	0.78	0.57
60	0.69	0.85	0.87	0.86	0.77	0.55
62	0.68	0.84	0.86	0.86	0.76	0.53
64	0.67	0.84	0.86	0.85	0.74	0.52
66	0.65	0.83	0.85	0.84	0.73	0.50
68	0.64	0.83	0.84	0.83	0.72	0.48
Южная экспозиция
56	1.26	1.11	1.06	1.08	1.17	1.40
58	1.27	1.11	1.06	1.09	1.17	1.41
60	1.28	1.12	1.07	1.09	1.18	1.42
62	1.30	1.12	1.07	1.10	1.19	1.43
64	1.31	1.13	1.08	1.10	1.19	1.44
66	1.33	1.13	1.08	1.11	1.20	1.45
68	1.34	1.14	1.09	1.11	1.21	1.46

Примечание: Для Западной и Восточной экспозиции откоса значение коэффициента равно полусумме его значений для северной и южной экспозиции.

^*Данные таблицы заимствованы из монографии Кудрявцев и др., 1974.

, (3.9)

где 1.59 – размерный коэффициент, Вт/м³; W_j – количество осадков в j-ом летнем месяце, м; _j – глубина сезонного оттаивания рабочего (защитного слоя) на конец j – го месяца, определяется по формуле (5.4) при _th = = (m1- номер первого летнего месяца) и T₀ = 0 ⁰C, м; _th – коэффициент теплопроводности грунта рабочего (защитного) слоя в талом состоянии, Вт/(м °С).

(3.10)

где q_s,j - суммарная солнечная радиация в j-й месяц, Вт/м² (определяется по данным табл. 3.7, а); А_R - альбедо поверхности (определяется по данным табл. 3.7, б).

. (3.11)

(5.12)

где υ_a,j - средняя скорость ветра в j-м месяце, м/с.

Таблица 3.7, а

Суммарная солнечная радиация в различных широтах

Месяцы	qs (Вт/м2) для разных широт
	60° с.ш.	65° c.ш.	70° с.ш.	75° с.ш.	80° с.ш.
IV	183,В	174,5	162,8	150,0	133,7
V	241,9	244,2	246,6	248,9	250,0
VI	241,9	244,2	246,6	248,9	250,11
VII	224,9	216,3	207,0	197,7	193,1
VIII	162,8	145,4	127,9	114,0	104,7
IX	101,2	81,4	58,1	44,2	32,6
Х	53,3	34,9	20,0	10,5	2,3

Таблица 3.7, б

Альбедо поверхности А_R

Характеристика поверхности и АR		Характеристика поверхности и АR
Асфальтобетон	0,10	Щебеночное покрытие	0,14
Бетон в новом покрытии старом покрытии	0,20 0,27	Песок кварцевый желтый	0,35
Гравийное покрытие	0,12	Песчано-галечный грунт	0,23

5.4.2. Проверка устойчивости откоса насыпи и выемки

Крутизну откосов в криолитозоне всегда стремятся назначать максимальной, во-первых, для уменьшения объема земляных работ, во-вторых, для снижения интенсивности теплового воздействия откоса на подстилающие мерзлые грунты. В то же время крутой откос не должен потерять механическую устойчивость. Расчет его механической устойчивости производят методом кругло-цилиндрических поверхностей скольжения. Эти расчеты чрезвычайно трудоемки и обычно производятся на ЭВМ, однако для ориентировочных оценок можно использовать простую аналитическую зависимость, которую предпослать численным методам расчета.

Считается, что крутизна откоса обеспечивает неподвижность расположенного на нем оттаявшего слоя грунта, если соблюдается условие (Справочник, 1977):

, (3.13)

где - острый угол, составляемый откосом с горизонтальной поверхностью; ρ_de - плотность талого грунта, слагающего откос, кг/м³; d_th,de - глубина сезонного оттаивания откоса, м (определяется по формуле (3.4)); φ и c - угол внутреннего трения, рад, и сцепление, Па, оттаявшего грунта откоса.

Если условие (3.13) не соблюдается, то откос уполаживают для повышения его механической устойчивости или засыпают крупноскелетным грунтом с целью упрочнения слоя сезонного оттаивания или укладывают на поверхность откоса теплоизолятор, чтобы уменьшить глубину сезонного оттаивания.

5.4.3. Оценка возможности многолетнего оттаивания ВМГ в основании земляного полотна

Как отмечалось выше, дорога приводит к существенному изменению температурного режима ВМГ. При этом проезжая часть, которая очищается от снега, способствует понижению температуры ВМГ, а откосы, на которых скапливается снег, - повышению температуры. При большой высоте откоса (большой высоте насыпи) суммарный эффект может оказаться положительным и под насыпью будет происходить многолетнее оттаивание ВМГ, что повлечет за собой массу негативных последствий. Во избежание этих последствий откосы охлаждают каменной наброской, вентиляционными коробами, термосифонами или укладывая на откос теплоизолятор. Необходимость указанных мероприятий устанавливается расчетом, который исходит из того, что стационарная температура Т_st в основании насыпи у кромки проезжей части должна быть отрицательной. Если эта температура положительная, то следует проектировать охлаждающие устройства,

Расчет стационарной температуры мы рекомендуем осуществлять но формуле И.С. Моисеева, выведенной для мерзлых грунтовых плотин (Моисеев, 1969). В наших обозначениях формула И.С. Моисеева имеет вид:

, (3.14)

, (3.15)

, (3.16)

, (3.17)

, (3.18)

где T_ro, T_de расчетные температуры поверхности, соответственно, проезжей части и наиболее прогреваемого откоса дороги, °С (определяются по формулам (3.19) и (3.20)); B_ro - ширина земляного полотна или основной площадки без обочин, м; b_ro - ширина обочины, м; h_dam - высота земляного полотна, включая дорожную одежду или верхнее строение пути, м; n - заложение откоса насыпи; - коэффициент, принимаемый равным , если T_de > 0, и = 1, если T_de < 0; λ_th, λ_f - теплопроводность грунтов тела насыпи в талом и мерзлом состояниях, Вт/(м °С).

За расчетную температуру поверхности принимается среднегодовая температура грунта на подошве слоя сезонного оттаивания в предположении, что ширина проезжей части и длина откоса дороги стремятся к бесконечности. Определение расчетной температуры производится по формулам:

, (3.19)

,(3.20)

где t_y -продолжительность года, 87б0 ч; Ω_f - сумма градусо-часов на дневной поверхности в зимний период, принимается равной сумме градусо-часов температуры воздуха; _th – то же, что и в формуле (3.6); λ_th, λ_f – то же, что и в формуле (3.14); L_v - то же, что и в формуле (3.5); k_v - коэффициент, учитывающий увеличение снежных отложений на откосах за счет ветровою переноса снега и очистки проезжей части, определяется по данным наблюдений; R_s - среднее за зимний период термическое сопротивление снежного покрова на ближайшей метеостанции, (м² ºС)/Вт; d_th,de – глубина сезонного оттаивания откоса земляного полотна, определяется по формуле (3.4) при подстановки в нее средних значений теплофизических параметров; d_f,de - глубина сезонного промерзания откоса земляного полотна, определяется по формуле (3.21),м.

, (3.21)

где S = λ_f k_v R_s.

Среднее за зимний период термическое сопротивление снежного покрова вычисляется через высоту и плотность снега:

, (3.22)

где h_s,j - средняя высота снега в j-и месяц, м; ρ_s,j - средняя плотность снега j-й месяц, кг/м³; m - число летних месяцев.

4. Расчет охлаждения откоса

Охлаждение откоса осуществляется каменной наброской на откос, установкой на откосе вентиляционных коробов, прокладкой в основании откоса термосифонов и укладкой на откос теплоизолятора.

Охлаждающее влияние каменной наброски учитывается заменой температуры воздуха на расчетную температуру на подошве наброски (Технические указания…, 1993):

, (3.23)

где - среднемесячная температура атмосферного воздуха, ⁰С; - эмпирический коэффициент, принимаемый по данным табл. 3.8; - коэффициент принимаемый равным = в летние месяцы и =1 в зимние месяцы.

Таблица 3.8

Значения коэффициента

Материал наброски	Месяцы												Ср . год
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XI
Фракцион камень	1.05	1.01	0.99	0.98	0.98	0.98	0.98	0.99	1.00	1.04	1.05	1.06	1.01
Камень с мелкозем.	1.07	1.05	1.02	1.00	0.98	0.98	0.99	0.99	1.01	1.05	1.08	1.09	1.03

Охлаждающее влияние вентиляционных коробов учитывается введением средней температуры поверхности откоса:

, (3.24)

где - температура поверхности грунта под вентиляционным коробом, ⁰С, определяется по формуле (3.19), в которой под _th понимается сумма градусочасов температуры атмосферного воздуха за летний период; - температура поверхности грунта вне вентиляционного короба, ⁰С, определяется по формуле (3.20); b₁ – ширина вентиляционного короба, м; b₂ – расстояние между вентиляционными коробами, м.

Охлаждающее влияние термосифонов учитывается с помощью

математического моделирования теплового взаимодействия термосифонов с

грунтами земляного полотна. Моделирование проводится на ЭВМ по

специальной программе.

Охлаждающее влияние теплоизолятора учитывается введением расчетной температуры поверхности откоса, которая определяется по полученной нами с помощью математического моделирования корреляционной зависимости (3.25).

, (3.25)

где эмпирические коэффициенты, определяемые по табл. 3.9; ; - глубина сезонного промерзания откоса, вычисляeтся по формуле (3.26), м; - глубина его сезонного оттаивания, вычисляется по формуле (3.27), м.

Таблица 3.9

Значение эмпирических коэффициентов

Эмпирические коэффициенты	Средняя за зимний период скорость ветра ( ), м/c
	5 (морозные районы)	>5 (пурговые районы)
	-7.76	-5.51
	7.68	6.64

, (3.26)

где ; термическое сопротивление положенной на откос теплоизоляции, м^{2 0}С/Вт; остальные обозначения даны выше.

(3.27)

где

Ключевые слова. дорога, дорожная одежда (верхнее строение пути), земляное полотно, рабочий слой, насыпь, выемка, откос, принцип использования ММГ, охлаждающие устройства, основание, водоотвод, борьба с мерзлотными процессами.

Дорога. Категории дорог. Автомобильные имеют 5 категорий (по количеству проходящих машин в сутки). Железные – 4 категории (по количеству перевозок в год, в ткм.).

Дорога в плане имеет: полосы движения, разделительную полосу, обочины, откосы, кюветы = полоса отвода дороги; полосы движения + разделительная полоса + обочины = ширина земляного полотна (основная площадка).

Дорога в разрезе состоит: дорожная одежда (верхнее строение пути), рабочий слой, насыпь (может и не быть) и основание; рабочий слой + насыпь = земляное полотно.

Дорожная одежда. Одежда состоит из покрытия (жесткое, гибкое), подготовки под покрытие, дренажного слоя. Верхнее строение пути состоит из рельсо-шпальной клетки, балластной призмы.

Земляное полотно включает рабочий слой (присутствует всегда) и насыпь (на нулевых местах и в выемках насыпь отсутствует).

Рабочий слой – основной конструктивный элемент, обеспечивающий устойчивость дороги. Рабочий слой выполняется из крупноскелетного грунта, неподверженного деформациям при промерзании-оттаивании. Требования к материалу: коэффициент фильтрации более 0.5 м/сут, пылеватых частиц менее 15 %, глинистых менее 2 %.

Насыпь. Насыпь выполняется из крупноскелетных и глинисты грунтов в талом состоянии. Глинистые грунты должны иметь консистенцию не более 0.5 и содержать пылеватых частиц не более 50%. В глинистых грунтах устраивается капиллярный прерыватель через каждые 3 м по высоте. Грунты насыпи послойно уплотняются до / = 0.9-0.95.

Допускается насыпь возводить из мерзлых грунтов в обойме из геотекстиля. При этом просадочных мерзлых грунтов при оттаивании должна быть менее 0.1

Выемка. Два вида конструкции: выемка разделывается под насыпь или в основании выемки производится замена глинистого грунта на песчаный на величину рабочего слоя. На грунтах IV категории замена производится и на откосах выемки.

Откос. Заложение откоса принимается в крупноскелетных грунтах 1:1.5, в глинистых – 1:3. При высоте откоса более 6 м откос уполаживают (автодорога) или устраивают бермы (железная дорога). Поверхность откоса укрепляют гравийно-галечниковой отсыпкой слоем 20 см или одерновкой или посевом многолетних трав.

Принцип строительства. Первый принцип допускает сезонное оттаивание грунта только в пределах рабочего слоя, второй – сезонное и многолетнее оттаивание ниже подошвы рабочего слоя.

Охлаждающие устройства. Охлаждающие устройства подразделяются на поверхностные (каменная наброска на откос, вентиляционные короба, теплоизолятор) и глубинные (вертикальные и горизонтальные термосифоны). Поверхностные охлаждают только откос, глубинные – откос и основание земляного полотна.

Основание. Грунты основания подразделяются на 4 категории. Классификационным параметром является их просадочность при оттаивании .

( - первая категория, 0.03-0.1 – вторая, 0.1-0.4 – третья, >0.4 – четвертая). Выбор трассы и конструкции земляного полотна зависит от категории.

Водоотвод. Продольный (кюветы, лотки, валики, нагорные канавы) и поперечный (трубы, фильтрующие насыпи, мосты малых отверстий). На бессточных территориях – подземные дренажы. Продольный водоотвод располагается на грунтах первой и второй категории на расстоянии 3-5 м от подошвы насыпи, на грунтах третей и четвертой категории – 5-10 м, при этом на грунтах четвертой категории поверхностные воды отводятся валиками. На косогорах продольный водоотвод устраивается только с верховой стороны. На крутых косогорах с заложением больше 5 устраивается два ряда нагорных канав или валиков с расстоянием между ними 30-40 м. Поперечный водоотвод устраивается в местах естественных водотоков, но с шагом не менее 400 м.

Борьба с мерзлотными процессами.

Термокарст – отвод воды и засыпка понижений торфом или глинистым грунтом.

Пучение – устройство капиллярных прерывателей, замена грунта в основании земляного полотна, укладка теплоизолятора в теле земляного полотна.

Наледи – устройство мерзлотных дренажей и мерзлотных поясов, предзимние откачки грунтовых вод.

Контрольные вопросы

1. По какому параметру классифицируются автомобильные (железные) дороги?

2. Что включает полоса отвода дороги?

3. Из каких элементов состоит дорога в разрезе?

4. Что называется дорожной одеждой (верхним строением пути) и из чего она состоит?

5. Для чего служит рабочий (защитный) слой и из каких грунтов он возводится?

6. Сколько выделяют категорий грунтов при трассировании дорог и выборе способа обеспечения их устойчивости?

7. Какие бывают поперечные профили насыпей и выемок на вечномерзлых грунтах различной категории?

8. Какое тепловое влияние оказывает дорога на вечномерзлые грунты основания?

9. С какой целью в тело дороги укладывается теплоизолятор и геотекстиль?

10. Из каких условий определяется толщина рабочего (защитного) слоя?

11. По какому критерию определяется возможность многолетнего оттаивания грунтов в основании дороги?

12. Какие существуют охлаждающие устройства для предотвращения многолетнег оттаивания грунтов в основании дороги и как они рассчитываются?