СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОЖНОГО ОСНОВАНИЯ В АРКТИЧЕСКИХ РЕГИОНАХ: УПРАВЛЕНИЕ ВОДНО-ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ И КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

Дорожные основания в арктических регионах функционируют в условиях многолетнемерзлых грунтов, сезонного протаивания и ограниченного строительного сезона. Ключевой фактор долговечности таких сооружений - управление водно-тепловым режимом основания: предотвращение избыточного увлажнения, снижение теплопритока от покрытия и стабилизация мерзлоты в зоне влияния насыпи. В статье обобщены инженерные принципы «холодного» проектирования, рассмотрены типовые схемы устройства основания и земляного полотна с применением непучинистых материалов, геосинтетиков, теплоизоляции и пассивной термостабилизации термосифонами. Предложен типовой поперечный профиль и приведены варианты состава слоев для участков с различной льдистостью и гидрогеологическими условиями. Отдельное внимание уделено дренажу и водопропуску как основным элементам противодеформационной защиты, а также технологическим приемам строительства и инструментальному мониторингу температуры и влажности грунтов. Сформулированы практические рекомендации по выбору конструктивных решений, ориентированные на снижение риска неравномерных осадок, морозного пучения и термокарста в течение расчетного срока службы дороги.

ABSTRACT

Road bases in Arctic regions operate under permafrost conditions, seasonal thawing, and a short construction window. The key durability driver is water-thermal regime control within the subgrade: limiting moisture accumulation, reducing heat input from the pavement surface, and stabilizing permafrost in the embankment influence zone. This paper synthesizes cold-region design principles and reviews typical road base and embankment configurations that use non-frost-susceptible aggregates, geosynthetics, thermal insulation, and passive thermosyphon-based cooling. A typical cross-section is proposed and several layer build-up options are provided for sites with different ice content and hydrogeological settings. Special emphasis is placed on drainage and culvert design as primary anti-deformation measures, as well as on construction technology and instrumented monitoring of ground temperature and moisture. Practical recommendations are formulated to reduce the risk of differential settlement, frost heave, and thermokarst over the design service life of Arctic roads.

Ключевые слова: многолетнемерзлые грунты; дорожное основание; морозное пучение; дренаж; теплоизоляция; геосинтетика; термосифоны; мониторинг.

Keywords: permafrost; road base; frost heave; drainage; thermal insulation; geosynthetics; thermosyphons; monitoring.

Введение

Транспортная доступность арктических территорий в значительной степени определяется состоянием автомобильных дорог и технологических проездов, которые должны сохранять работоспособность при низких температурах, сезонной неустойчивости грунтов и повышенной чувствительности ландшафтов к нарушению теплового баланса. В отличие от районов сезонного промерзания, где основной угрозой является морозное пучение в пределах активной зоны, на территориях распространения многолетнемерзлых грунтов возможны долговременные деформации из-за деградации мерзлоты и оттаивания ледонасыщенных горизонтов. Поэтому дорожное основание в Арктике следует рассматривать как элемент инженерной системы, регулирующей тепло- и влагоперенос между покрытием, телом насыпи и грунтовым массивом.

Цель исследования

Сформировать типовую схему поперечного профиля и систематизировать варианты устройства слоев дорожного основания в арктических регионах с учетом требований к водно-тепловому режиму, устойчивости и ремонтопригодности.

Материалы и методы исследования

Материалом исследования послужили: (1) обобщенные данные инженерно-геокриологических изысканий, характерные для зон сплошного и островного распространения мерзлоты; (2) требования действующих нормативных документов по проектированию оснований на многолетнемерзлых грунтах; (3) результаты анализа зарубежных и отечественных публикаций о тепловом моделировании дорожных насыпей и применении термостабилизации. Использованы методы сравнительного анализа конструктивных решений (теплоизоляция, конвективное охлаждение, термосифоны), а также инженерного синтеза типового поперечного профиля, включающего расчетно значимые элементы: разделительные и фильтрующие прослойки, морозозащитные слои и дренаж. Для обоснования рекомендаций применен качественный анализ отказов (неравномерные осадки, колееобразование, разрушение откосов, подтопление и наледеобразование) с привязкой к физическим механизмам влагопереноса и теплопереноса.

Результаты исследования и их обсуждение

1. Определяющие факторы работоспособности основания на многолетнемерзлых грунтах

Устойчивость основания в Арктике определяется сочетанием геокриологических и конструктивных факторов. К ключевым относятся: льдистость грунтов и мощность активного слоя, наличие таликов и фильтрационных потоков, степень переувлажнения и характер сезонных колебаний температуры. Для мелкодисперсных и водонасыщенных грунтов характерно развитие морозного пучения и образование ледяных линз; при последующем оттаивании возникает потеря несущей способности и неравномерные осадки. Для ледонасыщенных мерзлых грунтов наиболее опасен переход через температуру фазового превращения, поскольку оттаивание приводит к структурному разрушению массива и проявлению термокарста. Дополнительную сложность формирует снег: при регулярной расчистке проезжей части снег перемещается на откосы и работает как теплоизолятор, вызывая асимметрию температурного поля и «подогрев» обочин. Следовательно, дорожная конструкция должна быть рассчитана не только на прочность, но и на формирование благоприятного температурного градиента и надежный водоотвод.

2. Принцип «холодного» проектирования и типовые конструктивные решения

Практика проектирования дорог на мерзлоте опирается на принцип минимизации теплопритока в грунтовый массив. Наиболее распространены три группы решений. Первая - увеличение мощности непучинистых слоев (крупный песок, щебень, щебеночно-песчаные смеси) и формирование достаточной высоты насыпи, что снижает влияние сезонного протаивания на рабочую зону. Вторая - применение теплоизоляции (например, XPS) в верхней части земляного полотна для ограничения летнего прогрева и выравнивания температурного поля под покрытием. Третья - активизация зимнего охлаждения: вентилируемые насыпи из крупнообломочного материала, воздушные каналы в плечевых зонах, а также пассивные термостабилизаторы (термосифоны), отводящие тепло в холодный период. Выбор группы решений должен учитывать льдистость грунтов: чем выше содержание льда, тем более приоритетны методы сохранения мерзлоты и предотвращения оттаивания.

3. Типовой поперечный профиль

На рисунке 1 представлена схема типового поперечного профиля дорожного основания на многолетнемерзлых грунтах (вариант А - с теплоизоляцией). Схема носит иллюстративный характер и предназначена для компоновки слоев и инженерных элементов.

Рисунок 1. Типовой поперечный профиль дорожного основания на многолетнемерзлых грунтах (схема, не в масштабе; составлено автором).

Условные обозначения: 1 - асфальтобетонное покрытие; 2 - выравнивающий/сцепляющий слой; 3 - основание из щебеночно-песчаной смеси; 4 - морозозащитный слой (крупный песок); 5 - теплоизоляция (XPS, применяется при необходимости); 6 - геотекстиль (разделительный/фильтрующий); 7 - насыпь из крупнообломочного материала; 8 - естественный грунт (многолетнемерзлый); 9 - кювет.

Перечень слоев дорожного основания и варианты конструктивных решений

В арктических регионах дорожная одежда и земляное полотно подбираются как система, одновременно обеспечивающая несущую способность и устойчивый водно-тепловой режим. Ниже приведены типовые варианты состава слоев (толщины ориентировочные и уточняются расчетом).

Таблица 1

Типовые варианты состава слоев

Расшифровка вариантов: вариант А ориентирован на снижение летнего теплопритока (теплоизоляция, усиленный дренаж); вариант B - на зимнее охлаждение за счет конвекции в крупнообломочном материале; вариант C - на стабилизацию мерзлоты пассивными термосифонами на наиболее рискованных участках.

Примечание: выбор варианта определяется льдистостью грунтов, прогнозом теплового режима и требованиями к ремонтопригодности.

4. Дренаж и водопропуск как противодеформационная мера

В арктических условиях вода выступает одновременно фактором разупрочнения и переносчиком тепла; поэтому дренаж следует рассматривать как обязательную часть основания. На уровне поперечного профиля обеспечиваются: поперечные уклоны покрытия и обочин, устойчивые кюветы, дренирующие прослойки и исключение капиллярного подсоса воды к зоне промерзания. На уровне трассы важны нагорные канавы и перехватывающие водоотводы на склонах, а также корректное размещение водопропускных труб. При проектировании труб необходимо учитывать возможность наледеобразования и заиливания: рекомендуется обеспечивать доступ для очистки, предусматривать укрепление входных и выходных русел, а в потенциально опасных местах - инженерные решения по отводу грунтовых вод. Деструктивный сценарий обычно начинается с подтопления бровки и откоса: вода концентрирует теплоприток, формирует размыв и инициирует локальное оттаивание, что приводит к просадкам и трещинообразованию в покрытии.

5. Технологические особенности строительства и контроль качества

Ограниченный строительный сезон и удаленность объектов требуют технологической дисциплины. Укладка материалов должна сопровождаться послойным уплотнением с контролем плотности и модуля деформации, а также оперативной организацией водоотвода уже на стадии земляных работ. Геосинтетические материалы (геотекстили, георешетки, геокомпозиты) эффективны при соблюдении правил укладки: достаточные нахлесты, отсутствие складок, защита от повреждений и исключение засорения фильтрующей структуры мелкими частицами. Теплоизоляционные плиты требуют защиты от механического воздействия и корректной привязки к дренажу: недопустимо образование водных «карманов» на контакте изоляции и грунта. Для сложных участков целесообразны измерения температуры и влажности в контрольных точках, что позволяет подтвердить расчетный водно-тепловой режим и своевременно корректировать эксплуатационные мероприятия.

6. Эксплуатация и мониторинг

Даже при корректном проектировании конструкция основания в Арктике нуждается в системном мониторинге. Практически значимы: контроль ровности и колейности, наблюдение за продольными волнами, фиксация локальных просадок в переходных зонах (подходы к трубам и мостам), проверка работоспособности кюветов и водопропускных сооружений. Инструментальный мониторинг (термоскважины, датчики влажности) позволяет диагностировать деградацию мерзлоты до появления видимых дефектов покрытия. Рекомендуется применять превентивные меры: восстановление профиля водоотвода, локальное усиление обочин и откосов, расчистка и профилактика наледей, а также корректировка схем снегоуправления, поскольку снег способен существенно менять температурное поле основания.

Выводы

1. В арктических регионах долговечность дорожного основания определяется управлением водно-тепловым режимом: снижением теплопритока, исключением переувлажнения и предотвращением оттаивания ледонасыщенных грунтов.

2. Наиболее универсальными являются решения «холодного» проектирования: увеличение мощности непучинистых слоев и высоты насыпи, применение геосинтетиков для разделения и фильтрации, а также надежный поверхностный и глубинный дренаж.

3. Теплоизоляция и вентилируемые насыпи целесообразны при наличии рисков деградации мерзлоты и при соответствующей доступности материалов; термосифоны оправданы на наиболее опасных участках и в переходных зонах.

4. Типовой поперечный профиль должен включать не только слои дорожной одежды, но и элементы регулирования водоотвода и снегонакопления; игнорирование этих факторов приводит к ускоренному развитию осадок и деформаций.

5. Сочетание проектных мер и мониторинга (температура, влажность, состояние водопропуска) обеспечивает наилучшее соотношение стоимости жизненного цикла и надежности для арктических дорог.

Список литературы:

1. СП 25.13330.2012. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88. М.: Минрегион России, 2012.
2. Andersland O.B., Ladanyi B. An Introduction to Frozen Ground Engineering. Springer, 1994.
3. Darrow M.M., Streletskiy D.A., Shiklomanov N.I. Thermal modeling of roadway embankments over permafrost // Cold Regions Science and Technology. 2011. Vol. 65(3). P. 353-365.
4. Phukan A. Design Considerations for Roadways on Permafrost: Final Report. U.S. Department of Transportation, 1982.
5. Alaska Department of Transportation and Public Facilities. Roads and Airfields Constructed on Permafrost. Technical Bulletin, 2022.
6. Alaska DOT&PF. Road Embankment Design Alternatives over Permafrost. Research Report (мониторинг вариантов утепления и воздушных каналов), 1978.
7. Goering D.J. Improved Permafrost Protection Using Air Convection and Thermosyphons. Alaska DOT&PF Research Report, 2022.
8. Batenipour H. Understanding the Performance of Highway Embankments on Permafrost. PhD Thesis. University of Manitoba, 2012.
9. ASCE. Case Study of Degrading Permafrost beneath a Road Embankment in Northern Manitoba, Canada // Journal of Cold Regions Engineering. 2009. Vol. 23(3). P. 93-109.
10. Sha A. et al. Highway constructions on the Qinghai-Tibet Plateau: Experience and lessons // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2022. Vol. 14. P. 1-18.
11. Qin Y. et al. A review of technology, applications, and future development of thermosyphons // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2025. Vol. 194. 114351.
12. ТрБ (TRB). NCHRP Report 529: Guidelines and Recommended Standard for Geofoam Applications in Highway Embankments. Transportation Research Board, 2004.
13. Кудрявцев В.А. Инженерное мерзлотоведение. М.: Издательство МГУ, 2004.