УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

DEVICE OF COOLING STRUCTURES IN THE CONSTRUCTION OF ROADS ON PERMAFROST SOILS

Sergey Bolotov

student, department of highways, Irkutsk National Research Technical University,

Russia, Irkutsk

Nadezhda Slobodchikova

scientific adviser, associate professor, Department of Automobile Roads, Irkutsk National Research Technical University,

Russia, Irkutsk

АННОТАЦИЯ

Главной проблемой при строительстве автомобильных дорог, является наличие многолетнемерзлых грунтов в основании будущей автомобильной дороги, которые при оттаивании резко снижают прочность и могут давать значительные тепловые осадки.

ABSTRACT

The main problem in the construction of roads is the presence of permafrost soils at the base of the future highway, which, when thawed, sharply reduce strength and can produce significant thermal precipitation.

Ключевые слова: автомобильные дороги; охлаждающие конструкции; многолетнемерзлые грунты.

Keywords: highways; cooling structures; permafrost soils.

Многолетняя мерзлота — часть криолитозоны, характеризующаяся отсутствием периодического протаивания. Общая площадь вечной мерзлоты на Земле — 35 млн км². Районы многолетней мерзлоты — верхняя часть земной коры, температура которой долгое время (от 2—3 лет до тысячелетий) не поднимается выше 0 °C. В зоне многолетней мерзлоты грунтовые воды находятся в виде льда, её глубина иногда превышает 1000 метров. Вечная мерзлота — явление глобального масштаба, она занимает не менее 25 % площади всей суши земного шара. По длительности существования мерзлого состояния пород принято подразделять «родовое» понятие «мерзлые породы» на три видовых понятия:

• кратковременномёрзлые породы (часы, сутки),
• сезонномёрзлые породы (месяцы),
• многолетнемёрзлые породы (годы, сотни и тысячи лет). Также, многолетнемёрзлые грунты классифицируют по структуре:
• массивные,
• слоистые,
• сетчатые.

При оттаивании многолетнемерзлые грунты резко снижают свою прочность и способны давать значительные тепловые осадки, достигающие 10-15% от мощности оттаявшей толщины. Подобные осадки неизбежно приведут к серьезным деформациям и даже разрушениям сооружений, возведенных без учета особенностей многолетнемерзлых грунтов. Строительство на многолетнемерзлых грунтах регламентируется специальными нормами и правилами. При проектировании автомобильных дорог учитывают не только их конструктивные и технологические особенности, но и характер теплового и механического взаимодействия с многолетнемерзлыми грунтами. Очень важен прогноз изменений мерзлотных условий в ходе строительства и при эксплуатации.

При проектировании земляного полотна автомобильных дорог необходимо руководствоваться СП 313.1325800.2017 и следующими принципами:

- 1-й принцип - обеспечение поднятия верхнего горизонта многолетнемерзлых грунтов не ниже подошвы насыпи и сохранение его на этом уровне в течение всего периода эксплуатации дороги. При этом надо иметь в виду, что поднятие верхнего горизонта до подошвы основания или выше, может происходить неравномерно по площади основания. Поэтому в данном случае необходимо решать вопрос сохранения в мерзлом состоянии части основания, расположенной под откосом;

- 2-й принцип - допущение оттаивания грунта деятельного слоя в основании насыпи в период эксплуатации дороги при условии ограничения величины осадок установленными пределами для конкретного типа покрытия.

Устройство охлаждающих и отжимных берм подразумевает собой проектирование земляного полотна по 2-му принципу, из вышеперечисленных. Устройство берм, подразумевает собой стабилизацию температуры и поднятие верхнего горизонта многолетнемерзлых грунтов.

Конструкция охлаждающей бермы представляет собой покрытие из камней фр. 150-300, уложенное на поверхности откоса земляного полотна. Каменная наброска выполнена из морозостойких сортированных камней неправильной формы, между которыми естественным образом в процессе укладки образуются воздушные поры в количестве, достаточном для теплообмена воздуха. Наброска укладывается на расчётную высоту. Высота наброска и фракция камня подбирается расчетом. Охлаждающая конструкция земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах работает следующим образом.

В летний период времени температура наружного воздуха выше температуры грунта откоса земляного полотна и приподошвенной зоны земляного полотна.

При более холодной поверхности откоса земляного сооружения по сравнению с наружным воздухом, теплообмен происходит с гораздо меньшей скоростью. Теплообмен воздуха в каменном наброске происходит только за счет ветрового воздействия, когда ветер задувает наружный теплый воздух в поры каменной наброски. Такой воздух в порах каменной наброски охлаждается от грунта откоса земляного полотна, становится более плотным, спускается вниз по откосу. Прогрев каменной наброски осуществляется, в основном, за счет теплообмена между нагретыми камнями верхнего слоя и более холодными камнями нижнего слоя. Интенсивность летнего теплообмена гораздо ниже теплообмена в зимний период, что приводит к сохранению отрицательной температуры в грунте откоса земляного полотна и приподошвенной зоны. Помимо этого, охлаждающая конструкция играет роль теневого экрана, защищая откос от прямых солнечных лучей.

В зимний период времени температура наружного воздуха ниже температуры грунта откоса и приподошвенной зоны земляного полотна. При открытой от снежного покрова поверхности охлаждающей конструкции более теплый воздух в нижних воздушных порах каменной наброски, расположенных у откоса и приподошвенной зоны, через воздушные поры выходит наружу. Холодный воздух опускается по воздушным порам внутрь наброски к откосу и приподошвенной зоне земляного полотна и вытесняет теплый воздух. Попадая в нижние воздушные поры каменной наброски, холодный воздух охлаждает грунт откоса и приподошвенной зоны земляного полотна, при этом сам воздух нагревается от них. За счет теплообмена, нагретый и более теплый воздух поднимается вверх и выходит через воздушные поры каменной наброски наружу. Интенсивный воздухообмен осуществляется за счет естественной конвекции, что приводит к высокой степени охлаждения основания и приподошвенной зоны земляного полотна.

В зимний период времени при закрытой снежным покровом поверхности охлаждающей бермы, воздухообмен между холодным наружным воздухом и теплым воздухом, находящемся в порах каменной наброски, замедляется. Теплый воздух поднимается по откосу земляного сооружения вверх и формирует в снежном покрове отверстия - «продухи», которые обеспечивают доступ холодного наружного воздуха и выхода теплого воздуха в воздушные поры в охлаждающей конструкции.

У подошвы насыпи устраивают отжимные бермы, с целью предотвращения возможного размыва, а также попадания влаги в тело насыпи и дальнейшего капиллярного подъема.

Технология устройства конструкции: перед отсыпкой каменной наброски на поверхность откоса стелется нетканый синтетический материал «Дорнит-200». Этот материал способствует сохранению основания насыпи за счет предупреждения вымывания грунта осадками. Для укрепления кюветов и нижней части откосов укладывается геомембрана. Затем, соружается охлаждающая берма из фракционного камня.

С двух сторон, у подошвы насыпи устраивается отжимная берма из глинистого грунта шириной по низу от 2 до 4 м и заложением откоса 1:10. На ранее устроенную отжимную берму, укладывается слой геомембраны. По откосу насыпи расстилается геотекстиль, препятствующий смешению каменной наброски с грунтом земляного полотна.  Затем, осуществляется устройство охлаждающей бермы толщиной 0,6 м., с заложением откоса 1:4 из камня фр. 150-300. С нагорной стороны устраивается водоотводной кювет, укрепленный щебеночной наброской из щебня фр. 40-70 толщиной 0,2 м. по слою геомембраны.

Способ возведения отжимной бермы заключается в доставке глинистого грунта к подошве насыпи и распределении его на заранее спланированную поверхность. Ширина распределения глинистого грунта составляет 2-4м, поверх грунта укладывается геомембрана. Распределение глинистого грунта производится экскаватором, затем происходит уплотнение гладковальцовым катком самоходного типа.

Способ возведения охлаждающей бермы заключается в доставке морозостойкого сортированного камня к месту возведения конструкции с последующим сооружением покрытия из каменных набросков на спланированную заранее поверхность откоса, а также, на заранее уложенный на откос геотекстиль.

В качестве каменной наброски используют морозостойкий сортированный камень неправильной формы для образования естественным образом воздушных пор в количестве, достаточном для воздухообмена сквозь набросок.

Для возведения охлаждающей конструкции вначале выполняют подготовительные работы, например, сооружают подъездные пути, необходимые для укладки морозостойкого сортированного камня на поверхность откоса. Завоз морозостойкого сортированного камня к месту возведения конструкции и выгрузка его на месте работ выполняется автомобилями-самосвалами по временным автодорогам.

Сооружение покрытия осуществляют путем отсыпки каменной наброски и послойного наращивания покрытия на поверхности откоса земляного полотна. Отсыпку каменной наброски на откос земляного полотна осуществляют экскаватором.

 До устройства берм необходимо:

- восстановить и закрепить ось трассы дороги;

- произвести плановую и высотную разбивку земляного полотна;

- устроить временные дороги, съезды.

После подготовительных работ завозится камень из карьера, предварительно раздробленный гидромолотом и сортированный, который укладывается в берму до начала оттаивания грунтов. Берма планируется, затем устраивается лоток из геомембраны по подошве бермы.

Слой геотекстиля укладывается внахлест на геомембрану на 0,5м, образовывая так называемый замок.

Рисунок 1. Схема устройства отжимных берм с нагорной стороны

Рисунок 2. Схема устройства охлаждающих берм

Требования к геомембране применяемой на ремонтируемом объекте.

Геомембрана должна соответствовать требованиям ГОСТ Р 56586-2015 “Геомембраны гидроизоляционные полиэтиленовые рулонные”.

Предусмотрена геомембрана из линейного полиэтилена низкой плотности, имеющая гладкую поверхность. Толщина геомембраны – 2,5мм. Геомембрана не должна иметь трещин, складок, разрывов, отверстий и других видимых дефектов. Показатели качества должны соответствовать требованиям и нормам, указанным в таблице 1.

Таблица 1.

Требования предъявляемые к геомембране

Сырье, применяемое для изготовления геомембран, должно соответствовать требованиям действующих нормативных документов и иметь паспорта качества предприятия-изготовителя. Для изготовления геомембран применяют гранулированный полиэтилен с добавлением антиоксидантов и технического углерода, которого должно быть не менее 2%, индекс расплава полиэтилена должен быть 1,0г/10мин.

Требования к геотекстилю применяемому на объекте.

Нетканый геотекстильный материал должен иметь коэффициент фильтрации не менее 10м/сут и прочность при растяжении не менее 12кН/м.

Вывод

Применение данной конструкции на участках распространения многолетнемерзлых грунтов позволяет со временем эксплуатации поднять границу верхнего горизонта многолетнемерзлых грунтов и стабилизировать их температуру. Данный метод не исключает возникновения деформаций и ограничивает величину осадок для конкретного типа покрытия, применяемого на участке.

Список литературы:

1. В.Ф. Бабков, О.В. Андреев Проектирование автомобильных дорог. Ч. 1: Учебник для вузов. — Изд. 2-е, перераб. и доп.  — М.: Транспорт. 1987. — 368 с.
2. ГОСТ Р 55028-2012 – «Материалы геосинтетические для дорожного строительства». М.: Стандартинформ, 2019.
3. ГОСТ Р 56586-2015 – «Геомембраны гидроизоляционные полиэтиленовые рулонные». М.: Стандартинформ, 2019.
4. ОДМ 218.2.095–2019 – «Методические рекомендации по проектированию земляного полотна на вечной мерзлоте с использованием местных грунтов»
5. СП 34.13330.2021 – «Автомобильные Дороги». Минстрой России, 2021.
6. СП 131.13330.2020 – «Строительная климатология». Минстрой России, 2020.
7. СП 313.1325800.2017 – «Дороги автомобильные в районах вечной мерзлоты». М.: Стандартинформ, 2018.
8. СТО НОСТРОЙ 2.25.28-2011 Автомобильные дороги. Строительство земляного полотна автомобильных дорог. Часть 6. Возведение земляного полотна в зоне вечной мерзлоты (с Изменением N 1, с Поправкой). М.: Национальное объединение строителей; НП "МОД "Союздорстрой", 2012 год официальное издание
9. Шабуров С.С., Дроздов В.В. Причины возникновения деформаций автомобильных дорог и мероприятия по снижению их интенсивности с высокотемпературным типом вечной мерзлоты в основаниях земляного полотна на примере строительства автомобильной дороги Амур «Чита - Хабаровск» // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость № 2 (13) 2015.