30 апреля 2019
Зона вечной мерзлоты, как известно, имеет особенности, важные для строительства автомобильных дорог. Основными из них являются: потеря прочности и просадочность многолетнемерзлых грунтов при оттаивании; во многих регионах зоны вечной мерзлоты — дефицит грунтов, пригодных для сооружения насыпи. Для сохранения основания земляного полотна в мерзлом состоянии земляные работы проводят, как правило, в зимнее время. В зависимости от грунтовогидрологических условий высоту насыпи назначают таким образом, чтобы верхний горизонт вечной мерзлоты поднимался в тело насыпи либо находился на некоторой допустимой глубине, исходя из допускаемой осадки основания.
Применение геосинтетических материалов в зоне вечной мерзлоты направлено, главным образом, на решение двух основных задач:
- теплоизоляция основания и нижней части насыпи;
- армирование земляного полотна и конструктивных слоев дорожных одежд.
Впервые в России теплоизолятор нового поколения — экструзионный пенополистирол зарубежного производства styrofoam — был применен в опытном порядке в 1983 году в зоне сезонного промерзания, на автомобильной дороге Омск — Новосибирск. Целью было уменьшение глубины промерзания земляного полотна, отсыпанного из пучиноопасного грунта, и, соответственно, уменьшения морозного пучения. Результаты обследований, проведенных после 12 лет эксплуатации дороги, показали, что глубина промерзания грунта земляного полотна уменьшилась, морозное пучение не превышает допустимых значений, а прочностные и теплофизические характеристики материала за этот период практически не изменились. Однако применение пенополистирола увеличило общую стоимость строительства и по этой причине широкого распространения не нашло.
Вместе с тем следует учитывать, что для возведения насыпи в зоне вечной мерзлоты высотой, необходимой для сохранения основания в мерзлом состоянии (2,5–3,5 м), часто требуется перевозка грунтов на значительные расстояния, в результате чего общая стоимость строительства также возрастает. Применение теплоизоляторов позволит снизить высоту насыпи и назначать ее по условию снегонезаносимости (1,2–1,6 м).
Надо отметить, что увеличение высоты насыпи не исключает оттаивания основания откосов (а в регионах с большим снегопереносом увеличивает глубину оттаивания). Это может привести к сдвигам, разрушению откосов, а также к деформациям тела насыпи. Применение теплоизоляторов, например, путем устройства теплоизолирующих берм (рис. 1), позволит предотвратить оттаивание основания откосов, уменьшить поступление тепла со стороны поверхности тундры, прилегающей к насыпи. Результаты опытного строительства показали, что применение пенополистиролов в качестве теплоизоляторов во многих регионах зоны вечной мерзлоты экономически целесообразно.
В настоящее время экструзионные пенополистиролы отечественного производства используются при строительстве как автомобильных, так и железных дорог. Данные материалы обладают требуемой прочностью, низким водопоглощением и, в связи с этим, высокой морозоустойчивостью, не подвержены коррозии, имеют длительный срок службы, технологичны.
Однако, применяя пенополистиролы, следует учитывать простой факт: этот материал препятствует как поступлению тепла в мерзлые грунты в летнее время, так и поступлению холода — в зимнее. Поэтому в регионах с высокой отрицательной температурой грунтов (среднегодовая — выше минус 1,5 °С) использование пенополистиролов в отдельных случаях может привести к обратному результату — растеплению мерзлых грунтов, сопровождающемуся осадками и просадками оснований сооружений.
Оценить целесообразность применения пенополистирола позволяют теплофизические расчеты, которые должны включать прогноз температурного режима сооружения на срок, не меньший его срока службы с учетом изменения условий, вызванных строительством дороги, и учитывать совокупное влияние факторов, определяющих тепловой режим. Однако действующими нормативными документами (ВСН 8489) прогноз температурного режима не предусмотрен, расчет выполняется в одномерной постановке по оси дороги, и в конечном итоге не позволяет получить адекватные результаты. Так, в теплофизический расчет закладывают характеристики грунтов, получаемые в процессе изысканий, а требуемую высоту насыпи, исключающую оттаивание основания, определяют, исходя из глубины оттаивания деятельного слоя в районе строительства дороги. Однако грунт, уложенный в тело насыпи, изменяет свое состояние: увеличивается плотность, уменьшается влажность, соответственно, увеличивается теплопроводность. Условия теплообмена грунта в насыпи существенно отличаются от условий теплообмена деятельного слоя. Тепловой режим грунтов деятельного слоя, помимо температуры воздуха на его поверхности, определяется толщиной мохорастительного покрова, который является тепловым диодом (теплопроводность в зимнее время превышает теплопроводность в летнее время) и, следовательно, способствует охлаждению грунтов и сохранению мерзлоты, а также мощностью снежных отложений, которые, напротив, препятствуют охлаждению. На тепловой режим насыпи существенное влияние оказывают тепловые потоки, поступающие со стороны поверхности земли с нарушенным в процессе строительства мохорастительным покровом, прилегающей к подошве насыпи. Снежные отложения у откосов насыпи всегда превышают фоновые.
В результате совокупного воздействия указанных факторов глубина оттаивания грунта в дорожной конструкции по оси может превысить на 20–30% глубину оттаивания деятельного слоя. Под откосами насыпи сезонное оттаивание, как правило, превышает фоновое на 30–40%.
В настоящее время для выполнения теплофизических расчетов разработаны программы на основе численного анализа (метод элементарных балансов), применение которых позволяет осуществить прогноз температурного режима и на его основе решить ряд задач. В том числе, определить оптимальное положение теплоизолятора в теле насыпи и его толщину. Разработаны также методы назначения расчетных параметров — температуры воздуха на поверхности земляного полотна, приведенного коэффициента теплопередачи.
Однако при проектировании автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты в настоящее время эти методы практически не используется, что не позволяет осуществлять проектирование на должном уровне.
Применение геосинтетических материалов для армирования земляного полотна в зоне вечной мерзлоты началось в 80-х годах прошлого века. Поначалу использовали нетканый геотекстиль в виде обоймы и полуобоймы, а 2000-е стали применять ячеистые конструкции — пластиковые объемные (пространственные) георешетки, образованные путем соединения полос в шахматном порядке. Объемные георешетки позволили структурировать помещенный в них грунт и исключить его сдвиг, а также перераспределить нагрузку на нижележащие слои, уменьшая неравномерность осадки.
Объемные георешетки стали использовать для армирования земляного полотна — как тела насыпи, так и ее основания, — для устройства конструктивных слоев дорожных одежд, а также для укрепления поверхности откосов. Конструктивные решения в основном применяли те же, что и в зоне сезонного промерзания.
Наиболее эффективным в условиях вечной мерзлоты следует считать применение объемной георешетки в дорожной одежде (рис. 2). Как известно, дорожную одежду в зоне вечной мерзлоты часто устраивают в две стадии: временную, на период эксплуатации дороги до завершения осадки земляного полотна, и постоянную, после ее завершения. Объемная георешетка с заполнителем (песком, щебнем) используется на обеих стадиях: на первой — как покрытие переходного типа, а на второй — как основание под усовершенствованное покрытие.
Объемную георешетку с заполнителем так же, как и в зоне сезонного промерзания, используют для укрепления поверхности откосов. Объемная георешетка служит для удерживания на откосе того или иного материала, защищающего от размыва и выветривания (растительный грунт, щебень, торфо-песчаная смесь). Стоимость объемных георешеток достаточно высокая, но она оправдывается высокой прочностью. Однако в зоне вечной мерзлоты откосы устраивают пологими, и защищающие материалы удерживаются на откосе за счет силы трения, то есть выполняется условие:
где: α — угол откоса , φ — угол внутреннего трения грунта откоса.
Однако укрепление поверхности откоса одним только травопосевом во многих регионах зоны вечной мерзлоты неэффективно, поскольку в условиях короткого холодного лета за один теплый сезон растения не успевают укорениться и смываются дождевыми водами.
В этом случае могут быть использованы противоэрозионные геоматы — трехмерные водопроницаемые структуры из полимерных материалов, соединенных между собой термическим, механическим или другим способом. Геоматы изготавливают в виде регулярных или хаотичных волокнистых трехмерных структур, в виде сотовых или иных конструкций и полос геотекстиля. Геоматы укладывают, закрепляют на поверхности откоса после посева семян и засыпают растительным грунтом слоем толщиной 2,5–5 см, благодаря чему семена растений удерживаются на поверхности откоса до образования дерна.
Из новейших разработок для укрепления откосов известны Геостеп и Геоплет.
Геостеп представляет собой бесшовную георешетку, выполненную из листового полимерного материала, в котором выполнены разрезы в виде отрезков параллельных линий одинаковой длины. При растяжении листового материала образуются ячейки, в которые помещают заполнитель (рис. 3). Геостеп был применен на ряде объектов — на Московском центральном кольце, в Новороссийске, а также на ряде объектов Вьетнама.
Более дешевой также является скрепленная объемная георешетка «Геоплет» (рис. 4). Она отличается тем, что полосы не сваривают, а скрепляют, что несколько снижает стоимость изделия.
Тип соединения гибких полос — скрепление «паз в паз» с переплетением полос. Пазы выполнены поочередно, сверху и снизу от продольной оси полосы, а расстояние между полосами равно расстоянию между пазами. Благодаря тому, что полосы гибкие, операция переплетения полос легко осуществима. Так же, как и сварная, скрепленная объемная георешетка может выпускаться с перфорированными либо сплошными стенками различной высоты, обладает прочностью, достаточной для удерживания заполнителя в ячейках при уклоне откоса 1:1,5.
Объемную георешетку обычно используют для армирования тела насыпи, когда насыпь нестабильна (коэффициент уплотнения грунта ниже требуемого), но стабильно основание. Если основание не стабильно, но стабильна насыпь, объемную георешетку укладывают в основание насыпи, чтобы снизить неравномерность осадки и уменьшить ее величину. Если же не стабильны и насыпь, и основание, возникает необходимость структурировать и закрепить большие объемы грунта, в связи с чем в 2005–2006 гг. были предложены грунтовый модуль и геоматрица.
Грунтовый модуль ГП представляет собой ячеистую трехмерную конструкцию, образованную скрепленными между собой в шахматном порядке ячейками, выполненными из полотна технических тканей. Высота полотна составляет 375–1500 мм, а длина диагонали квадрата ячейки — 420–2100 мм (рис. 5). На внешних сторонах модуля к ячейкам пришиты проушины для связи грунтовых модулей между собой.
Геоматрица (ГМ) представляет собой текстильную пространственную ячеистую конструкцию с линейно расположенными ячейками квадратной формы с гибким основанием дном. Геоматрица изготавливается в большом диапазоне геометрических размеров: сторона ячейки 0,05–1,5 м, высота ячейки 0,05–1,25 м.
Если запроектирована высокая насыпь, ячейки с грунтом могут быть установлены в 2 яруса. Конструкции, включающие грунтовый модуль или геоматрицу, могут укладываться на дно водоема без предварительной подготовки дна.
Конструкции с грунтовым модулем или геоматрицей могут быть использованы как при строительстве временных дорог, так и постоянных. Во втором случае после завершения осадки насыпи (через 3–5 лет, в зависимости от состава грунта), насыпь досыпают, выравнивают, планируют, а затем устраивают постоянное покрытие.
Отдельным, малоисследованным вопросом является укрепление русел малых водотоков. При применении типовых конструкций укрепления, используемых в зоне сезонного промерзания, неизбежно происходит растепление мерзлоты, сопровождающееся просадкой дна, разрушением конструкции укрепления и дальнейшим неуправляемым размывом русла водотока. Это происходит по следующим причинам: уничтожается мохорастительный покров, увеличивается мощность снежных отложений (канавы обычно полностью заносятся снегом). Процесс деградации мерзлоты под руслом водотока, заканчивающийся установлением соответствия глубины сезонного оттаивания условиям теплообмена, длится, как правило, не менее 15–25 лет, проведение ремонтных работ в течение этого периода не имеет смысла: дно продолжает проседать, укрепление разрушается.
Для предотвращения растепления мерзлоты конструирование должно осуществляться на основе теплофизических расчетов и идти в двух направлениях: выбор оптимального профиля сечения водотока и использования в конструкции укрепления теплоизоляторов. Для того чтобы выемка меньше заносилась снегом, она должна иметь обтекаемый профиль, пологие откосы и, по возможности, минимальную глубину. В качестве теплоизолятора могут быть использованы, например, пенополистирольные плиты либо армирующий материал (георешетки) с теплоизолирующим заполнителем.
Следует отметить, что, в связи с изменчивостью грунтово-гидрологических и природно-климатических условий зоны вечной мерзлоты, какая-либо конструкция не может быть рекомендована для повсеместного применения: в каждом конкретном случае должен выполняться теплофизический расчет.
Е. С. Пшеничникова, к. т. н., ведущий научный сотрудник ООО «ЦЛИТ»
Журнал «ДОРОГИ. Инновации в строительстве» № 67, январь-февраль 2018 г.