Методы при конструировании автодорог с использованием геосинтетических материалов в полосе вечной мерзлоты.

Конструирование автодорог в полосе вечной мерзлоты связано с рядом проблем: необходимость сооружения отвала на слабых водонасыщенных почвах деятельного слоя; осадок и просадок оттаивающих вечномерзлых грунтов оснований; необходимость использования мерзлокомковатых грунтов, стабилизация которых продолжается на протяжении нескольких лет.
К настоящему времени накоплен значительный опыт конструирования и построения автодорог в полосе вечной мерзлоты, существуют конструктивные решения, направленные на стабилизацию грунта, в том числе путем использования геосинтетических спецматериалов. Конструкции с такими материалами и расчетные методы достаточно апробированы, чтобы их можно было рекомендовать для широкого применения. Однако на практике геосинтетики часто применяют без должного расчетного обоснования, в следствии чего ожидаемый эффект от их применения не достигается.

В сегодняшние дни конструирование автодорог в полосе вечной мерзлоты регламентировано ВСН 8489. Изложенный в нем метод расчета позволяет определить высоту отвала для двух вариантов проек¬тирования: по первому принципу, то есть при условии сохранения основания насыпи в замерзшем виде, и по второму принципу проектирования, при котором таяние основания насыпи на расчетную глубину.
Расчетную глубину таяния конструктива определяют исходя из некоторых максимальных фиксированных для какого-либо района глубин таяния почвы и материалов. Расчитывают по оси дороги.
Указанный метод был разработан около 50 лет назад, когда расчеты выполнялись на логарифмической линейке и «столбик». Сегодня, при наличии метода численно¬го анализа, использование на практике метода изложенного в ВСН, выглядит странно.

Рис. 1. Схема дорожной конструкции с теплоизолирующим слоем под проезжей частью. 1 дорожная одежда; 2 теплоизолирующий материал; 3, 4 положение ВГВМ соответственно до и после сооружения насыпи; 5 поверхность тундры.

Обратимся к примеру проектирования дорожной конструкции с теплоизолирующим материалом. На¬значаем размер теплоизоляционного слоя по оси до¬роги таким образом, чтобы самый высокий горизонт вечной мерзлоты (ВГВМ) приподнялся в низкую часть отвала. С точки зрения ВСН отвал запроектирован правильно: осадка основания под проезжей частью дороги исключена. Однако через поверхность откосов, а также поверхность тундры вдоль насыпи в основание сооружения поступают тепловые потоки. В процессе строительства на полосе шириной 5—10 м неизбежно происходит уничтожение естественного теплоизолятора — мохорастительного покрова, по этой причине тепло беспрепятственно поступает в грунтовую толщу.

Рис. 2. Схема дорожной конструкции с теплоизоляционным слоем под проезжей частью дороги и откосом. 1 дорожная одежда; 2 теплоизоляционный материал; 3, 4 положение ВГВМ соответственно до и уже после постройки насыпи; 5 поверхность тундры.

Возможны следующие типы деформаций: движение части откоса с вращением, выпор грунта основания, отседание. Поскольку деформации затрагивают большую долю откоса, вплоть до верха, следует ожидать последующего разрушения тела насыпи.
Рассмотрим вариант строительства насыпи, с теплоизоляцией откосов.

Рис. 3. Схема дорожной конструкции, запроектированной по второму принципу, с использованием армирующего геосинтетического материала. 1 армирующий материал; 2, 3 ВГВМ соответственно до и уже после постройки насыпи.

В данном случае теплоизолятор расположен по пери метру поперечного профиля, тепло поступает в основу насыпи только со стороны поверхности тундры. Понижение ВГВМ совершается в самой нижней части откоса, а кроме того насыпи. В данном случае возможны следующие деформации: просадка оттаявшего грунта около подошвы насыпи, при наличии продольного, уклона, превышающего критический — размыв грун¬та вдоль насыпи (фото 1), при наличии поперечного и отсутствии продольного уклонов — застаивание воды около подошвы насыпи.
Проектирование мероприятий по защите мерзлоты под откосами насыпи куда сложнее. Снег препятствует охлаждению мерзлоты в зимний период, объем отложений зависит от геометрических параметров насыпи, а кроме того от снегопереноса в данном районе. Следует, что требования к проектирванию откосов не будут одинаковыми по всей полосе вечной мерзлоты: при прочих равных параметрах в Якутии могут допускаться более крутые откосы, чем на Ямале.
Мероприятия по сохранению мерзлоты возможно заменить мероприятиями по стабилизации талой полосы посредством использования геосинтетических армирующих материалов (рис. 3). В случае если теплоизоляторы в дорожной конструкции уменьшают габариты талой зоны, сложенной слабым грунтом, то армирующие материалы перераспределяют нагрузку на большую площадь, уменьшают неравномерность осадки, препятствуют сдвигам. Требуемые характеристики используемых армирующих материалов определяют на основании расчетов на прочность. В настоящей работе в качестве примера используемого армирующего материала приводятся пространственные геосинтетики (геоматрицы, грунтовые модули, объемные георешетки), однако на практике могут быть применены и другие геосинтетики.
Чтобы выбрать наиболее экономичное конструк¬тивное решение целесообразно рассмотреть методы, которые направлены на стабилизацию земляного полотна, как с теплоизолирующими, так и с использованием армирующих материалов, и сравнить варианты.

Фото 1. Овраг, который образовался вдоль автомобильной дороги на терри¬тории месторождения газа «Заполярное»

Если нестабильно основание, целесообразно использование армирующего материала в основе насыпи (рис. 3). В случае если насыпь нестабильна (отсыпка из мёрзлокомковатой почвы), следует армировать дорожную одежду. Выполняют расчет дорожной одежды, включающей объемную георешетку, по прочно¬сти.
Если в зоне с сезонным промерзанием полоса с нарушенной растительностью рано или поздно зарастет, то в полосе вечной мерзлоты этого не произойдет!
Рекультивация при строи¬тельстве в полосе вечной мерзлоты считается вопросом стабильности построек и надежности их эксплу¬атации. Исходя из этого обстоятельства мероприятия по укреплению полосы вдоль дороги необходимо заложить в проект.
Прежде всего должны быть выяснены следующие вопросы: на какую глубину произойдет оттаивание мерзлоты в следствие разрушения мохорастительного покрова? Какова величина осадки протаявшего грунта под действием собственного веса? Превышает ли продольный уклон вдоль насыпи некоторый критический, при котором возможен размыв грунта? Имеется поперечный уклон и связанная с этим возможность застоя воды около насыпи и растепления мерзлых грунтов? В зависимости от ответов на эти вопросы должны быть назначены мероприятия по укреплению придорожной полосы.

Фото 2. Овраг, образовавшийся вдоль автомобильной дороги на терри¬тории газового месторождения «Заполярное»

Общие выводы

При строительстве автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты достаточно часто возникает ситуа¬ция, когда нестабильно основание земляного полотна, либо нестабильно земляное полотно, либо нестабильно и то и другое. Решать проблемы строительства и эксплуатации дорог возможно в том числе путем применения геосинтетических материалов. Использование теплоизоляторов позволяет уменьшить толщину сжимаемого слоя слабого грунта, а использование армирующих материалов — уменьшить величину осадки и предотвратить выпор грунта.
Для успешного использования геосинтетики в дорожных конструкциях необходимо осуществление теплофизических расчетов и расчетов согласно прочности. Независимо от направления меропри¬ятий по стабилизации земляного полотна (теплоизоляция или армирование) расчет должен начинаться с решения теплофизической задачи. Для этой цели в наибольшей степени подходит метод численного анализа.
В следствие уничтожения мохорастительного по¬крова вдоль насыпи происходит понижение ВГВМ„ просадки и размыв оттаявшей почвы, и это свою очередь способно послужить причиной к разрушению насыпи и откосов. Самостоятельно растительность не восстанавливается в полосе вечной мерзлоты , полосу с нарушенной растительностью необходимо укрепить. В отличие от условий среднего климата на самовосстановление растительного покрова рассчитывать не стоит. Тип укрепления следует определять на основании теплофизического расчета с учетом влияния поверхностных вод.
Автор статьи компания Претор менеджмент
Дорожное строительство и ремонт дорог от профессионалов .