СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ НАСЫПИ ИЗ НЕКОНДИЦИОННЫХ ГРУНТОВ НА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ Российский патент 2018 года по МПК E02D17/18 

Изобретение относится к области транспортного строительства в районах распространения вечной мерзлоты. Преимущественно предназначено для строительства дорожных насыпей на неустойчивой, вечной мерзлоте (с учетом происходящего глобального потепления климата).

Известен способ (первый принцип проектирования) сооружения дорожных насыпей на участках залегания вечномерзлых грунтов [СП 34.13330.2012 п. 7.50; п. 7.52 и ВСН 84-89 п. 3.9; п. 3.11], при котором высоту насыпи назначают из условия обеспечения искусственного поднятия естественного, природного верхнего горизонта вечномерзлых грунтов (ВГВМГ) не ниже подошвы насыпи. С последующей, сохранностью его на этом уровне, в течение всего периода эксплуатации дороги.

Недостатком данного способа является то, что он не предназначен (и не учитывает в своих теплотехнических номограммах) для применения в условиях глобального потепления. Данное потепление в районах севера РФ уже сейчас сопровождается, значительным (на 3-5°C) повышением среднегодовых температур воздуха (преимущественно зимних), и увеличением количества (на 10-20%) выпадающих теплых осадков. Дополнительные дождевые осадки, а так же более раннее и интенсивное таяние снега, вызывают внерасчетное подтопление. Происходит затекание теплой воды в нижнюю часть насыпи, преимущественно отсыпаемую из водопроницаемых (скальных, крупнообломочных, дресвяно-песчаных) грунтов, а так же конденсация водяных паров (с выделением 539 калорий тепла от 1 грамма сконденсировавшейся воды). Эти факторы, отепляют мерзлое основание насыпей от 1,5 до 4,5°C. В совокупности с внерасчетным потеплением, все это приводит к началу оттаивания мерзлого основания с длительной потерей устойчивости дорожными насыпями. Дополнительными недостатками данного способа является необходимость сооружения по нему дорожных насыпей повышенной высоты и преимущественно, из нормативно рекомендуемых при строительстве, как правило, дефицитных (и дорогостоящих) скальных, крупнообломочных и песчаных дренирующих грунтов. Это удлиняет сроки строительства, затрудняет (из-за дальности доставки и частой сложности разработки) и удорожает его. При этом долговременная тепловая (мерзлотная) и соответственно общая устойчивость мерзлого основания с дорожными насыпями так и не обеспечивается.

Известен также способ (третий принцип проектирования) сооружения земляного полотна, преимущественно на участках распространения прерывистой и островной высокотемпературной (неустойчивой) вечной мерзлоты [СП 34.13330.2012 п. 7.50]. По данному способу, предварительно, оттаивают вечномерзлые грунты в основании насыпи и осушают дорожную полосу до возведения дорожной насыпи.

Недостатками данного способа, являются его длительность и ограниченная применимость (в основном около южной границы I_з - южной подзоны вечной мерзлоты с прерывистой и островной вечной мерзлотой, незначительной, преимущественно до 2,0-2,5 м, мощности). При этом возникают проблемы с обеспечением осушения и уплотнения оттаявшего и, как правило, переувлажненного слабого основания. Это требует осуществления дополнительных специальных мероприятий и длительного консолидационного периода, с наличием пороговых нагрузок в основаниях насыпей. Последнее осуществимо в основном для высоких насыпей. Все это, ограничивает применение данного способа и удлиняет сроки строительства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу, является способ (второй, основной, принцип проектирования) [СП 34.13330.2012 п. 7.49, п. 7.50 и п. 7.53 и ВСН 84-89 п. 3.9 и п. 3.12]. Он допускает частичное оттаивание грунта деятельного слоя в основании дорожной насыпи, в период эксплуатации, с ограничением эксплуатационной осадки допустимыми пределами (в зависимости от типа дорожной одежды и стадийности ее устройства).

Недостатками известного способа (прототипа), являются все вышеприведенные недостатки первого способа (принципа проектирования) и он так же не предназначен для применения в условиях глобального потепления. Это приводит к последующей массовой (насыпи ж/д БАМ, а/д «Амур» /Чита-Хабаровск/, «Лена», «Вилюй», «Колыма» и др.) и долговременной потере устойчивости, построенных по нему на вечной мерзлоте дорожных насыпей. Недостатком данного способа так же является ограниченная допустимость использования по нему, для отсыпки в насыпь, дающих значительную осадку, местных, временно некондиционных (переувлажненных и/или мерзлых), глинистых и др. грунтов, что резко сдерживает темпы и ухудшает экологичность (и соответственно экономичность) строительства. Это связано с недопущением в данном способе превышения пределов допустимой (нормативной) эксплуатационной осадки (назначаемой, по типу д/о и др.). При этом величина эксплуатационной осадки почти полностью используется (расходуется) при расчете допустимой глубины оттаивания (по нормативно допускаемой величине осадки) уплотняющегося деятельного (сезоннооттаиваивающего) слоя в основании насыпи. Дополнительным серьезным недостатком данного способа, является повышенное затекание дождевых, паводковых и др. теплых вод в образующуюся, при данном способе, в мерзлом основании, осадочную чашу. Особенно при отсыпке нижней части насыпи из дренирующих грунтов. Затекание теплых вод в основание насыпи на мерзлоте, при этом сопровождается массовым развитием термокарста, с долговременной потерей мерзлотной и общей устойчивости дорожными насыпями. [СП 34.13330.2012 п. 7.53 табл. 7.6].

Задачей (целью) изобретения является: Повышение темпов и экологичности (экономичности) строительства дорожных насыпей на вечной мерзлоте (составляющей 65% территории РФ) с усилением их мерзлотной (и общей) устойчивости в условиях происходящего глобального потепления климата.

Достигается это тем, что в способе возведения дорожной насыпи на вечной мерзлоте, включающем допущение оттаивания грунта деятельного слоя в основании насыпи (с запасом на осадку) в период эксплуатации, согласно изобретению в нижнюю часть насыпи укладывают слабоводопроницаемый грунт слоем толщиной, определяемой из соотношения:

где Н_пр и Н_от - глубина промерзания и оттаивания насыпи и деятельного слоя основания (с влажностью первично нестабильных слоев грунта, при коэффициенте уплотнения 0,90), м.

при этом, первично нестабильный слой, в нижней части насыпи, устраивают из временно некондиционного (переувлажненного и/или мерзлого) грунта, преимущественно, с использованием армирующих прослоек (из геосинтетиков, геомембран, геокомпозитов и др.), и при армировании соблюдают условие:

где S_доп и S - допустимая (по нормативам) осадка и осадка нестабильного слоя (переувлажненного и/или оттаявшего мерзлого) грунта под заданной нагрузкой, м;

- коэффициент армирования; |

где Е и Е_а - модули деформации нестабильного грунтового слоя до армирования и после армирования, МПа

после этого, отсыпают (на оттаявший переувлажненный грунт надвигают «с головы») и уплотняют верхний, стабильный (рабочий) слой из кондиционного или дренирующего грунта, а затем ускоренно консолидируют нестабильные слои динамическим воздействием движения транспортного потока.

При этом, в качестве слабоводопроницаемых, некондиционных, преимущественно используют местные глинистые грунты, а глубину оттаивания и промерзания насыпи вместе с деятельным слоем мерзлого основания определяют по формулам:

где - продолжительность годового периода с плюсовыми температурами воздуха, час;

L_ν - количество скрытой теплоты фазовых переходов влаги в 1 м³, кДж/м³ или ккал/м³,

,

где L_o - скрытая теплота льдообразования (равная 334 кДж/кг или 80ккал/кг);

ρ - плотность грунта, кг/м³;

ρ_d - плотность сухого грунта, кг/м³;

W_w - содержание незамерзшей воды;

- суммарная влажность грунта, дол. ед.;

Суммарная влажность грунтов при коэффициенте уплотнения 0,90 ориентировочно составляет:

- супесь песчанистая и пылеватая - ;

- суглинок легкий песчанистый и пылеватый - ;

- суглинок тяжелый песчанистый и пылеватый, глина - ,

где - оптимальная влажность грунта;

λ_mi - коэффициент теплопроводности грунта в талом состоянии, Вт/(м⋅°С) или ккал/(м⋅час⋅°С);

Т_max - среднемесячная температура воздуха за самый теплый (июль) летний месяц (с учетом опытных температурных поправок), °C;

С_mi - объемная теплоемкость талого грунта, кДж/(м³⋅°С) или ккал/(м³⋅°С);

где - средневзвешенный коэффициент теплопроводности слоев многослойной конструкции (дорожная одежда, слои насыпи и основания) в мерзлом состоянии, Вт/(м⋅°С) или ккал/(м⋅час⋅°С);

λ₁,λ₂,…,λ_n - коэффициенты теплопроводности слоев в мерзлом состоянии, Вт/(м⋅°С) или ккал/(м⋅час⋅°С);

Т_з - средняя температура воздуха за период с отрицательными температурами воздуха (с учетом прогнозного зимнего потепления климата на 3-5°С на северных территориях РФ и опытных поправок), °С;

τ_з - продолжительность годового периода с отрицательными температурами воздуха, час;

H_от - глубина оттаивания многослойной конструкции, м;

- объемная теплоемкость слоев в мерзлом состоянии, кДж/(м³⋅°С) или ккал/(м³⋅°С).

Предлагаемый способ возведения дорожных насыпей на вечной мерзлоте отличается от аналогов, прототипа и др. тем, что расширенное и непосредственное, использование при строительстве некондиционных местных (переувлажненных и/или мерзлых) грунтов, а так же повышенную тепловую (мерзлотную) и общую устойчивость дорожной насыпи на вечномерзлом основании в нем обеспечивают следующим:

- В заявляемом способе, впервые в мерзлотном дорожном строительстве, предлагается использовать естественно-природные условия возникновения и сохранения природной вечной мерзлоты, теперь и для основания дорожной насыпи. В мерзлотоведении это формулируется следующим образом: тепловое состояние массива вечномерзлого грунта (а для насыпи - ее мерзлого основания) устойчиво, если оттаивающий летом (деятельный) слой грунта полностью промерзает зимой (т.е. Н_пр/Н_от≥1,0). При этом, по обобщенным данным многолетних мерзлотных наблюдений и исследований проф. В.А. Кудрявцевым и др. (кафедра мерзлотоведения МГУ) установлено, что исходя из имеющейся межгодовой изменчивости сезонного оттаивания и др., для обеспечения стабильного существования вечной мерзлоты, глубина сезонного промерзания должна быть, в среднем, на 20-30% больше глубины оттаивания. [Шур Ю.Л. Верхний горизонт толщи мерзлых пород и термокарст. - Новосибирск «Наука», 1988 г. - стр. 33.]. Этим так же учитывается и постоянное (круглогодичное) отепляющее воздействие снизу на вечную мерзлоту геотермального теплового потока (в среднем равного 0,046 Вт/м²) из горячих недр Земли. Данный тепловой поток представляет опасность для обширных территорий с неустойчивой мерзлотой, образующихся в результате глобального потепления, и не учитывается в аналогах и прототипе.

Необходимое, обобщенное условие природного обеспечения сохранности вечной мерзлоты в основании насыпи на мерзлоте, может быть представлено как:

При нарушении нижнего предела данного соотношения, мерзлота перестает образовываться и начинает деградировать (оттаивать). Превышение же верхнего предела, природно (а значит и экологически) уже избыточно, и приводит к выполнению (обеспечению) дополнительных технических охлаждающих мероприятии. Это удлиняет сроки строительства (снижая его темпы) и удорожает его, требуя больших затрат ресурсов, что технически, экономически и экологически не целесообразно. Как отмечалось Ньютоном: «Сама Природа ничего не делает напрасно и не достигает с помощью многого того, что может быть достигнуто с помощью немногого».

Данное оптимизированное природное условие, позволяет, с привлечением дополнительных, естественно-природные охлаждающих механизмов (эффектов), обеспечивать необходимое усиление устойчивости мерзлоты в основаниях дорожных насыпей. В результате повышается степень динамизации (приспособляемости) системы «насыпь-мерзлота» к естественно-природным условиям, что наиболее экологично и экономично.

Использованием слабоводопроницаемого глинистого грунта с регулированием толщины укладываемого из него нижнего слой насыпи, обеспечиваются следующие природные, охлаждающие эффекты: теплодиодный, капилляро-испарительный, анти теплофилътрационный, анти конденсатный и др. Это позволяет затем самими природными силами регулировать в мерзлом основании насыпи его необходимое и достаточное охлаждение. При этом, в теплотехнических расчетах заявляемого способа, влажность глинистого грунта, независимо от его влажности при строительной укладке, принимается при коэффициенте уплотнения 0,90. Последнее, по имеющимся мерзлотным наблюдениям в дорожных насыпях, наиболее соответствует последующей долговременной эксплуатационной влажности. Расчетным регулированием толщины верхнего слоя совместно с подбором необходимого коэффициента армирования (для соблюдения условия - 2 данного способа, по допустимой эксплуатационное осадке), одновременно обеспечивают непосредственное применение (без предварительного осушения и/или оттайки) местных, временно не кондиционных (переувлажненных и/или мерзлых) грунтов, дающих значительную осадку, для отсыпки нижнего слоя. Другими известными способами, быстро и в больших объемах (массово) осушить и одновременно уплотнить глинистые грунты на вечной мерзлоте, для нужд дорожного строительства, не удается. В теплотехнических формулах и расчетах предлагаемого способа, при регулировании и назначении толщины нижнего грунтового слоя, учитываются значимые (из опытных данных) поправки на теплодиодный, капилляро-испарительный, антитеплофильтрационный и антиконденсационный охлаждающие эффекты (не учитываемые в других способах). Усредненные величины данных поправок (определенных по натурным наблюдениям и замерам) приведены в разработанных авторами ОДМ «Методические рекомендации по геокриологическому прогнозированию устойчивости дорожных сооружений при проектировании, строительстве и эксплуатации автомобильных дорог» Росавтодор, 2016 (табл. 6.2 Естественные факторы, действующие на усиление или деградацию вечной мерзлоты и ориентировочная степень их воздействия). Использование работы самих природных механизмов в технических системах является экологичным, экономичным, и наиболее эксплуатационно надежно. Базовые законы экологии гласят: «Природа - знает лучше», «Все природное - экономично» [Евгеньев И.Е., Каримов Б.Б. Автомобильные дороги в окружающей среде. - М.: «Трансдорнаука», 1977 г. - 285 с.].

Использование природной закономерности - (1) для поддержания мерзлоты в основаниях дорожных насыпей и инженерных сооружений, в других известных технических решениях и источниках, по строительству на вечной мерзлоте, авторами не обнаружено.

- По соотношению (2) Наиболее распространенные в мерзлотных районах Севера глинистые грунты (супеси, суглинки, глины) преимущественно находятся в сильно переувлажненном (с влажностью близкой или превышающей предел текучести) и/или мерзлом состоянии. [ВСН 84-89 «Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты». - М: «Союздорнии», 1990 г, с. 7, табл. 1]. В мерзлом и/или избыточно переувлажненном состоянии данные грунты, для строительства малопригодны (и нормативно запрещены). На практике, так и не удается в больших (необходимых для обеспечения массового дорожного строительства) объемах быстро их оттаять и/или осушить до нормативных требований. Это объясняется коротким теплым периодом и не редким превышением осадков над испарением в мерзлотных районах. А так же, при средней глубине сезонного оттаивания 1,5-1,8 м близким уровнем надмерзлотных вод, при высоте капиллярного поднятия воды в глинистых грунтах до 1,6-1,8 м. В результате, постепенно оттаивающие переувлажненные глинистые грунты на мерзлоте находятся постоянно в капиллярно-подпертом состоянии. Любое испарение (осушение) влаги с их поверхности тут же компенсируется дополнительным капиллярным поднятием (подсосом) воды по капиллярам. При этом переувлажненные глинистые грунты сильно налипают и выдавливаются при нагрузке, не имея необходимой несущей способности. Проезд по ним в переувлажненном состоянии (или слою их оттаявшей зимней отсыпки) колесной и даже гусеничной строительной техники крайне затруднен или невозможен (т.к. она в них проваливается и садится на днище). Механически уплотнить данные грунты или отжать из них воду обычной строительной техникой не удается. Ввиду вышеизложенного, применять их непосредственно (без оттаивания и/или осушения) при сооружении дорожных насыпей не представлялось возможным. Однако в талом и осушенном (до требуемой влажности) состоянии они пригодны для строительства дорожных насыпей. При этом, глинистые грунты обеспечивают наиболее простую, технологически доступную и надежную (природную) эксплуатационную защиту оснований насыпей на мерзлоте от затекания туда, через нижнюю часть насыпи, (при применении крупноскелетных грунтов) теплых поверхностных дождевых и паводковых вод. В результате они обеспечивают антитеплофильтрационный и антиконденсационный охлаждающие эффекты. Так же, дополнительно они создают природные охлаждающие теплодиодный и капиляро-испарительный эффекты, что так же необходимо для самостоятельного (природного) усиления сохранения естественной мерзлоты в основаниях дорожных насыпей. Более широко применять данные грунты без их предварительной оттайки и/или осушения, при строительстве (например, в разрыхленном мерзлом состоянии или частично оттаявшими из боковых резервов) дорожных насыпей, стало возможным, в том числе и при их армировании различными геосинтетиками. При этом значительную (не нормативную) величину строительной осадки, можно понижать до требуемой величины, подбором необходимых геосинтетиков по опытным коэффициентам армирования - К_а и соотношению (2). В результате этого и достигается непосредственное (без оттаивания и/или осушения) использование в данном способе местных глинистых грунтов, временно находящихся в некондиционном состоянии. В условиях вечной мерзлоты, оттаять, осушить и уплотнить в массовом объеме глинистые грунты, другими способами пока не удается. При этом армированные насыпи по предлагаемому способу, изначально рассчитываемые на гашение значительных строительных осадок, при обычном возникновении в дальнейшем внерасчетных осадок (от внерасчетного потепления, подтоплений, недоучетов по геологии, просчетов при прогнозном проектировании и др.) так же будут сглаживать их неравномерности и уменьшать их величину. В результате, возведенные по данному новому способу насыпи, будут дополнительно срабатывать так же, как и насыпи, изначально рассчитанные на снижение и сглаживание (т.е. гашение) неравномерных эксплуатационных осадок на слабом основании (по четвертому принципу проектирования). Это так же обеспечивает им последующую повышенную общую устойчивость. В условиях протекающего глобального потепления, это достаточно важно, в виду, значительнее и быстро меняющихся, после проектных изысканий, мерзлотно-грунтовых и гидрологических условий в районах вечной мерзлоты.

- По ускорению консолидации, динамическим (микросотрясающим) воздействием транспортным потоком (приводящим одновременно и к снижению величины необходимой, пороговой нагрузки - Р_о). Переувлажненные (преимущественно глинистые и др.) грунты в невысоких (до 3 м) насыпях (составляющих до 98% всех дорожных насыпей) практически не консолидируются (т.е. не самоуплотняется под действием собственного веса). Это происходит из-за отсутствия необходимой, предельной пороговой нагрузки Р_о на грунт, с которой и начинается процесс консолидации, обусловленный структурной прочностью грунта. [См. «Руководство по сооружению земляного полотна автомобильных дорог». - М. «Транспорт», 1982 г. п. 8.13, табл. 8.3].

Известен способ возведения насыпи из мерзлых разрыхленных (комковатых) переувлажненных глинистых грунтов, с внесением в межкомковые пустоты, в оптимальном (по водоотводу и устойчивости) количестве, сыпучего дренирующего материала (например, песка и др.) и динамическим (вибрационным) уплотняющим воздействием на насыпь после оттаивания движением виброкатками и технологическим транспортом. [Авторское свидетельство (патент) №1615285 E02D 17/18 Способ возведения насыпи на вечной мерзлоте].

Из уровня техники так же известен способ возведения насыпи, в котором при возведении насыпи, после отсыпки верхнего, рабочего слоя из кондиционных или дренирующих грунтов, с геосинтетическими прослойками, его уплотняют движением технологического транспорта, и так же работой грунтоуплотняющих средств [Патент RU 2148125 С1, E02D 17/20, 27.04.2000 г., 9 с.].

В заявляемом новом способе, грунт механически не уплотняется движением технологического транспорта или работой грунтоуплотняющих машин и механизмов. Это (как пояснялось выше) либо невозможно, либо потребует 1-2 года, технологического движения, что длительно (т.е. резко снизит темпы строительства), и не технологично. В предлагаемом способе, используя условие армирования (2), снижают неравномерность строительной осадки насыпи, до величины неравномерности допустимой эксплуатационной осадки, и сразу открывают по верхнему, рабочему слою насыпи обычное (нормативное) эксплуатационное движение. Необходимая поверхностная эксплуатационная прочность (модуль деформации, сцепление и угол внутреннего трения) насыпи обеспечивается ее верхним, стабильным (рабочим) слоем из нормативно уплотненного кондиционного или дренирующего грунта. Остаточная же (сверхнормативная) строительная осадка, нижних, нестабильных грунтовых слоев, за счет армирования по условию (2) и прочного верхнего слоя, приобретает неравномерность, как от нормативно допустимой (при обычной эксплуатации) осадки. Это и позволяет сразу открывать по насыпи обычное эксплуатационное движение транспорта. Ускоренный процесс консолидации до плотности, необходимой для достижения нормативной устойчивости нижних, нестабильных, грунтовых слоев от существующей эксплуатационной нагрузки, постепенно происходит уже в процессе самой (обычной) эксплуатации дорожной насыпи. При этом, за счет эксплуатационного динамического воздействия (сотрясения и др.) от транспортного потока, требуемая консолидация (доуплотнение) нижних, нестабильных слоев грунта (насыпи и основания) обеспечивается и в низких (до 3 м) дорожных насыпях (составляющих 98% всех насыпей), в которых без этого не возникает необходимая для начала консолидации пороговая нагрузка - Р_o.

Проведенные авторами и другими исследователями Омского Союздорнии в 80-90е года многолетние полевые наблюдения и лабораторные (на одометрах и стабилометре) исследования, выявили данный эффект. Переувлажненный глинистый грунт, уложенный в нижнюю часть насыпи, даже без наличия в нем прослоек из дренирующего материала и отсутствия необходимого порогового уплотняющего давления - Р_o, начинал ускоренно консолидироваться (доуплотняться с отжатием избыточной воды) при наличии незначительной (намного ниже Р_o) статической нагрузки и постоянного незначительного динамического (микро сотрясающего) воздействия. Например, от движения транспортных средств, при полевых испытаниях или от воздействия моделирующего его, вращающегося, эксцентрика на стабилометр (прибор трехостного сжатия грунта) в лабораторных условиях. Это объясняется возникновением периодических микросотрясений переувлажненного грунта. Микросотрясения при нагрузке вызывают микротиксотропию (микровиброразжижение) способствующее при давлении сверху, постоянной переупаковке частиц грунта (так например, известно, что в 10-20 раз снижается сопротивление движению плуга, если лемех вибрирует с определенной частотой). В результате постоянного динамического воздействия возникает и ускоренное консолиционное уплотнение (1-2 теплых периода, вместо обычных 6-8 лет). Причем при нагрузке Р_o ниже, чем необходимо для обеспечения обычной (статической) консолидации. На практике, последнее происходит при статическом давлении даже незначительного по толщине (с давлением от собственного веса, ниже порогового Р_o, необходимого для начала консолидации), верхнего слоя грунта (толщиной в 0,60-0,80 м вместо 2,5-3 м). Наблюдения за дорожными насыпями с нестабильными слоями показали, что первоначально переувлажненный и мерзлый (неуплотненный) глинистый грунт в нижней части насыпи (обычно зимней отсыпки), через 1-2 теплых периода обычной эксплуатации насыпи, достигает коэффициента уплотнения (К_у) близкого или равного 0,90-0,92 (в среднем - 0,91), даже в низких (до 3 м) насыпях. [Заключительный отчет по НИР к ОДМ: «Методические рекомендации по проектированию земляного полотна на вечной мерзлоте с использованием местных (некондиционных - переувлажненных и мерзлых) грунтов», Омск, 2011 г., УДК 624.139:625.731.1, № гос. регистрации 01201155351, - 319 с.]. Данной степени уплотнения (по требуемому нормативному коэф. уплотнения К_у) уже достаточно для нормативной (обычной) эксплуатации ранее некондиционного (непригодного по влажности) глинистого грунта в нижней части дорожных насыпей [Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты. ВСН 84-89. Союздорнии. М.: 1990 г. - 271 с. табл. 8].

Установленный эффект уменьшения динамическим воздействием величины необходимой для начала консолидации пороговой нагрузки - Р_o и ускорения консолидации, не известен и не указывается в других известных (в том числе, вышеприведенных) способах.

В новом способе достигается ускоренное с допустимой эксплуатационной осадкой, динамическо-консолидационное доуплотнение (при статической нагрузке, от верхнего слоя насыпи, менее величины пороговой нагрузки - Р_o, необходимой для обычной консолидации) армированного геосинтетическими прослойками переувлажненного глинистого грунта, в нижней части насыпи, в период эксплуатации. Этим, сразу после постройки (отсыпки), обеспечивается нормативное движение по насыпи эксплуатационного транспортного потока. Оттаявший летом и временно избыточно переувлажненный глинистый грунт нижней части дорожной насыпи на вечной мерзлоте, при повторном быстром двухстороннем зимнем промерзании, как правило, характеризуется незначительным (в среднем до 2-3 см), равномерным морозным поднятием, без образования пучин. Данная величина временного морозного поднятия и последующего летнего опускания не превышает величин допустимых нормативных осадок. При этом, слабоводопроницаемый глинистый грунт, выполняет важные полезные функции. Не допускает затекания теплых вод (дождевых и паводковых) в основание насыпи в летний период, а в зимний, подзаряжает (подмораживает) дополнительным холодом мерзлое основание, в качестве «теплового диода». В результате достигается повышенное поступление холода в мерзлое основание насыпи зимой (в виду того, что кондуктивная температуропроводность льда в грунте, в 8 раз выше, чем у грунтовой воды) и недопущение его летнего отепления, от затекания в чашу осадки в основании насыпи теплых вод. Последнее наиболее характерно при обычном, нормативном, применении в нижней части насыпи дренирующих (водопроницаемых) грунтов, с допущением их осадки в основание насыпи, при 2-м (основном) принципе/способе (прототип) проектирования и строительства дорожных насыпей на мерзлоте.

В предлагаемом способе совмещаются три известные из уровня техники эффекта:

- обеспечение оптимально-достаточного естественно-природного условия возникновения и поддержания (сохранения) вечной мерзлоты:

- обеспечение снижения величины и неравномерности осадки нестабильных грунтовых слоев насыпи и основания - S, до требуемого эксплуатационного уровня, путем армирования, с регулированием ее по опытным коэффициентам армирования К_а, и соблюдением соотношения:

- обеспечение (особенно для насыпей ниже 3 м, составляющих 98% от всех дорожных насыпей) снижения пороговой нагрузки - Р_o (без которой в них не начинается процесс консолидации) и ускорение консолидации (с 6-8 лет до 1-2 года). За счет динамического воздействия уже непосредственно самого эксплуатационного транспортного потока на грунт в нестабильных слоях насыпи и основания (при снижении величины осадки, и соответственно ее неравномерности, до требуемых нормативных значений).

Данное неизвестное ранее совмещение (сочетание), является не просто суммой, а необходимой совокупностью взаимосвязанных и взаимодополняющих эффектов, без любого из которых цель изобретения, не обеспечивается. Такое сочетание, создает новую совокупность полезных эффектов, и не известно в других способах и технических решениях (т.е. соответствует критерию «новизна»). Так же оно не очевидно (т.е. имеет «существенные отличия» от других и отвечает критерию «изобретательский уровень») и обеспечивает цель изобретения:

1. Повышение темпов и экологичности (экономичности) строительства дорожных насыпей на вечной мерзлоте.

2. Обеспечение расширенного и непосредственного (прямого), применения при строительстве временно не кондиционных (переувлажненных и/или мерзлых) местных слабоводопроницаемых грунтов, наиболее распространенных в мерзлотных районах Севера РФ.

3. Усиление (обеспечение) мерзлотной и общей устойчивости дорожных насыпей в районах распространения вечной мерзлоты (в том числе, с учетом наблюдающегося и прогнозного хода глобального потепления климата).

В предлагаемом новом техническом решении, используется изобретательский закон увеличения степени идеальности технических систем (ТС). Согласно ему техническая система при приближении к идеалу, вначале борется (противодействует) с силами природы, затем она технически приспосабливается к ним и, наконец, она сама использует силы природы. При этом она «автоматически» сама и управляет ими, для нужд человека, но без его непосредственного вмешательства (по системе «сделал и забыл»). Данный закон наиболее эффективно применяется к тому элементу (например, насыпи на мерзлоте), который непосредственно расположен в зоне возникновения конфликта (технического противоречия) или сам порождает нежелательные явления. Например, частое возникновение процессов деградации (оттайки) вечной мерзлоты после сооружения дорожных насыпей. При этом повышение степени идеальности ТС, как правило, осуществляется применением незадействованных ранее ресурсов (веществ, полей, физических эффектов и т.д.) имеющихся в зоне возникновения проблемы (технического противоречия). Согласно данному закону, чем дальше от зоны конфликта берутся ресурсы, тем в меньшей степени удается продвинуться к идеальному решению. Ввиду этого, обеспечение в новом способе, непосредственного использования при строительстве местных, некондиционных (мерзлых и/или переувлажненных) слабоводопроницаемых (глинистых) грунтов, с привлечением и запуском дополнительных (не используемых ранее) естественно-природных, само охлаждающих механизмов (физических эффектов), наиболее оптимально при продвижении к идеальному техническому решению.

Кроме вышеприведенного закона, жизнеспособность любой системы, определяется и другим основным изобретательским показателем: степенью динамизации. То есть повышением способности ТС быть боле подвижной, гибкой и само приспосабливаемой к внешней среде.

Надежность и стабильность системы «насыпь-мерзлота» в динамичном (изменяющемся) природном мерзлотном окружении, непосредственно зависят так же от ее способности изменяться (подстраиваться). Степень динамизации (т.е. самоприспосабливаемости к потеплению в мерзлотной среде и неравномерной осадке) технической системы, в виде «дорожная насыпь - мерзлота», по данному способу значительно возрастает (по сравнению с аналогами и прототипом). Это достигается подключением дополнительных, охлаждающих природных эффектов, а так же эффекта ускоренной динамической консолидации и обеспечением уменьшения и сглаживания неравномерности (гашения) данными насыпями, затем и других, возможных, при потеплении непредвиденных и внерасчетных просадок.

По п. 2 формулы изобретения:

Лабораторией глобальных проблем энергетики профессора В. Клименко на основе сбора и обработки климатических, геологических, гляциологических, антропогенных и других данных, построены модельные эмпирические графики глобального изменения климата и его прогнозных изменений, хорошо (адекватно) совпадающие с данными прошлых и текущих практических инструментальных температурных наблюдений. В соответствии с данной эмпирической (опытной) моделью глобальных изменений температуры воздуха и климата, в период 2000-2100 гг. в районах Севера РФ, прогнозируется повышение среднегодовых температур воздуха ΔT, в среднем, на 3-5°C (с одновременным увеличением количества осадков, в среднем, на 15-20% и более). При этом основное потепление будет приходиться на зимний период. [Никонов А.П. История отмороженных в контексте глобального потепления. - М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2007 г. - 296 с. - (по естественнонаучным данным Лаборатории глобальных проблем энергетики под руководством д.т.н. профессора В. Клименко)].

Дополнительно, средние расчетные температуры воздуха за летний и зимний периоды могут приводиться непосредственно к температурам поверхности насыпи путем введения эмпирических (опытных) поправок [табл. 6.2 Естественные факторы, действующие на усиление или деградацию вечной мерзлоты и ориентировочная степень их воздействия. ОДМ Методические рекомендации по геокриологическому прогнозированию устойчивости дорожных сооружений при проектировании, строительстве и эксплуатации автомобильных дорог. М.: Росавтодор, 2016 г.].

В прототипе, для недопущения превышения величины допустимой осадки, при втором принципе (основном способе) проектирования дорожных насыпей на вечной мерзлоте, для отсыпки тела насыпи рекомендуется преимущественно (без ограничения) применять, не редко (особенно на обширных тундровых и лесотундровых территориях), дефицитные дренирующие грунты [Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты. ВСН 84-89. Союздорнии. М.: 1990 г. - 271 с. п. 3.18].

При этом не только значительно снижаются темпы строительства, и резко возрастает его стоимость, но и после прохождения расчетной (допустимой по 2-му принципу) осадки основания, и погружения в образовывающуюся осадочную чашу дренирующего грунта, в основание, практически неизбежно, затекает теплая дождевая вода с откосов и др. (т.к. Природа не терпит пустоты). В результате, оттаивание мерзлого грунта основания насыпи, контактирующего с затекающей и фильтрующейся теплой водой, значительно (в несколько раз) и внерасчетно возрастает [Шур Ю.Л. Верхний горизонт толщи мерзлых пород и термокарст. - Новосибирск «Наука», 1988 г. - стр. 101].

Внерасчетное оттаивание мерзлого основания, затем приводит к возникновению многолетних неравномерных осадок и долговременной потере устойчивости дорожными насыпями. Например, по отчету дорожного департамента «Чукотавтодора», дорожные насыпи, на Чукотке преимущественно были запроектированы и построены по второму принципу (прототип) из кондиционных и дренирующих грунтов. К 2000 году, такие насыпи уже имели высоту в 2 раза ниже, чем положено по проекту и теплотехническому расчету, а 15-20% таких насыпей практически полностью погрузились в тундру. Это потребовало проведения ежегодных летних досыпок и текущих ремонтов, а также постоянных зимних расчисток от заносов снегом. Значительно возросли внеплановые эксплуатационные расходы, при отсутствии в реальности нормального проезда и повышении транспортных расходов (сверхнормативный перерасход дорогостоящих на Севере привозных ГСМ, повышенный износ и поломка транспортных средств, значительная задержка и снижение скорости доставки необходимых грузов и т.д.). Характерным примером являются и построенные по 2-му принципу (прототипу), постоянно внерасчетно оседающие насыпи ж/д БАМ, а/д «Амур» (Чита-Хабаровск), а/д «Лена» (БАМ-Якутск), «Колыма» (Якутск-Магадан) и многих других, из-за последующего развития термокарстовой деградации мерзлоты под ними. Все это еще более усугубляется в условиях происходящего потепления и подтопления (от увеличения количества осадков) мерзлотных территорий. Это наносит многомиллиардный ущерб, только от потребности в постоянных ремонтах дорожных насыпей (с досыпкой откосов и балластных призм с подъемом ж/д путей или замене д/о). Значительный ущерб происходит и от эксплуатационно-транспортных убытков. Например, снижения средней скорости движения, вплоть до его остановок, перерасхода ГСМ и электроэнергии, повышенного износа транспортных средств, замедления сроков доставки и транзита необходимых грузов и т.д. [Кондратьев В.Г. Опыт организации инженерно-геологического обследования и мониторинга земляного полотна Байкало-Амурской железной дороги. // ж.д. транспорт. Сер. «Путь и путевое хозяйство»: ЭИ/ЦНИИТЭИ МПС. - 1992: - Вып. 5-6. - с. 28-44].

Обеспечение расширенного и непосредственного применения некондиционных местных грунтов, является наиболее экологичным, экономичным и технологичным. Это следует из обобщенного отечественного и зарубежного опыта дорожного строительства, а также из дорожных научных мерзлотных исследований. Обширный опыт экономичного, массового и скоростного строительства необходимой (опорной) сети дорог на мерзлоте имеется в Канаде. Там 11 тыс. км дорог были построены всего за 5 лет, еще в 1960-1965 годы (по программе «Лицом к Северу» и ее разделу «Дороги к ресурсам»), преимущественно из некондиционных местных глинистых грунтов (вместо применяемых ранее там, крупноскелетных грунтов). Местные грунты на Севере Канады, так же в основном, были представлены сильно переувлажненными глинами и суглинками (с естественной влажностью 35-40%) [К.К. Крупица Изыскания и строительство автомобильных дорог в северной Канаде. Труды 4-го совещания-семинара по обмену опытом строительства в суровых климатических условиях. Секция дорожно-транспортного строительства. Воркута, 1966]. В дореволюционной России мерзлотные участки ж/д насыпей «Транссиба» были отсыпаны тачками из глинистых грунтов боковых резервов. В процессе отсыпки глинистые грунты послойно, вручную, уплотнялись «толкушками» и затем, окончательно, доуплотнялись уже под эксплуатационным ж/д движением. При этом дорожных насыпей строилось в несколько раз больше, чем со всей современной техникой в советское время (например, строительство БАМа и др.), и при этом намного быстрее и дешевле. Мерзлотная и общая устойчивость дореволюционных ж/д насыпей «Транссиба» из глинистых грунтов, на практике, оказалась намного большей. В несколько раз дольше и дороже (затратней) возводимые дорожные насыпи БАМа, «Амура», «Лены» и др. (запроектированные по 2-му принципу проектирования) полностью отсыпанные из дорогостоящих крупнообломочных и скальных грунтов, внерасчетно, десятилетиями проседают до сих пор (с постепенным затуханием осадки).

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На фиг. 1 изображен поперечный профиль (разрез) дорожной насыпи на вечной мерзлоте. Насыпь включает верхний слой 1 из кондиционного или дренирующего грунта, отсыпанный на слой некондиционного (переувлажненного и/или мерзлого) глинистого и др. грунта 2 предпочтительно с прослойками 3, (из геосинтетического материала) на грунтовом основании 4 и на поверхности слоя 2, естественное грунтовое основание 4 может иметь мохорастительный покров (МРП) 5 и деятельный (сезоннооттаивающий) слой 6.

Способ осуществляют следующим образом. В тундровых и лесотундровых районах Севера, глинистые грунты наиболее распространены, но сильно переувлажнены (W_ест≥W_{текучести}), и летом, по сезонно-талому слою, проходимость по ним строительной техники отсутствует. Поэтому в более длительный (7-8 месяцев) холодный период, на ближайшем к участку строительства расположении местных, временно некондиционных глинистых (переувлажненных и/или мерзлых) грунтов, производят рыхление мерзлого грунта (буровзрывным или механическим способом). Затем его буртуют бульдозером в штабель. После этого, экскаватором или погрузчиком, осуществляют погрузку разрыхленного мерзлого глинистого грунта из штабеля в автосамосвалы и его транспортировку в насыпь. Предварительно назначают (по условию обеспечения снегонезаносимости, объемам имеющихся дефицитных кондиционных или дренирующих грунтов и др.) толщину верхнего и нижнего слоя. Расчетом по условию (1) данного способа определяют пригодность (допустимость) назначенной толщины верхнего 1 и нижнего 2 слоя. В случае не выполнения условия (1) данного способа, регулируют (изменяют) толщины слоев 1 и 2 (в основном слоя 2). Регулированием толщин слоев, достигают выполнения условия (1) данного способа. На расчищенное (от снега, кустарника и т.д.) основание 4 и 5, отсыпают слой 2, на установленную по условию (1) толщину. Поверхность слоя 2 разравнивают бульдозером и устраивают на нем назначаемую, по условию (2) данного способа, армирующую прослойку 3 из геосинтетического материала. На прослойку 3 отсыпают верхний, слой 1 из кондиционного или дренирующего грунта и уплотняют его до требуемой (по техническим нормативам) плотности. После этого, по поверхности насыпи пускают технологическое и/или эксплуатационное движение транспорта (последнее, преимущественно, после устройства дорожной одежды).

Пример подбора и назначения толщины верхнего 1 и нижнего слоя 2 дорожной насыпи, с проверкой соблюдения соотношения (1) данного способа:

Требуется выполнить строительство насыпи автомобильной дороги в районе г. Надым, при наличии в основании вечномерзлых грунтов, I1 мерзлотная подзона. Высота снегонезаносимой насыпи в районе Надыма, по расчету составляет 1,46 м. Принимают руководящую (основную) высоту насыпи, равную 1,50 м. Толщину верхней части (слоя) насыпи 1, на прослойке из геосинтетика - 3, принимают из экономии дефицитного дренирующего грунта (песка), по прочностному минимуму, равной 0,6 м. Предварительно назначаемая (подбираемая) толщина нижней части насыпи - 2, отсыпаемой из местного некондиционного (мерзлого и переувлажненного) глинистого грунта составит при этом 1,50-0,60=0,90 м (в уплотнившемся, эксплуатационном состоянии).

После этого рассчитывают глубину оттаивания и промерзания данной конструкции насыпи в эксплуатационном (установившемся и стабилизированном) состоянии, т.е. при влажности, уплотнившегося до коэффициента уплотнения, не менее 0,90, первоначально переувлажненного глинистого грунта, в нижней части насыпи. При этом расчетную влажность глинистого грунта, (независимо от его начальной влажности при строительной укладке), принимают, в среднем равной 1,3-1,5 от его оптимальной влажности, в зависимости от вида глинистого грунта (по опытным данным из табл. В. 12 обязательного Приложения Б, СП 34.13330.2012 Automobile roads).

Исходные данные для расчета (проверки и назначения) толщины слоев 1 и 2 по соотношению (1) данного способа:

- средняя продолжительность теплого (с температурой воздуха выше 0°C) периода в районе г. Надыма составляет 3264 часа, холодного 5496 часов;

- среднемесячная температура за самый теплый летний месяц (июль) +14,7°C;

- средняя отрицательная температура за холодный период - 12°C (с учетом прогнозного потепления ΔT, т.е. с вычетом 3°C);

- высота насыпи из условия снегонезаносимости - 1,46 м, принимают равной 1,5 м;

- толщина верхнего слоя насыпи из песка - 0,6 м., нижнего слоя насыпи из суглинка - 0,9 м., мохорастительного покрова (МРП) в основании - 0,15 м, грунт основания - суглинок;

- объемная плотность сухого грунта: песка - 1720 кг/м³, суглинка нижней части насыпи - 1480 кг/м³, суглинка основания - 1420 кг/м³, МРП или торфа в основании - 270 кг/м³;

- расчетная влажность песка - 8%, суглинка насыпи - 24%, суглинка основания - 30%, МРП или торфа - 320%;

- коэффициенты теплопроводности Вт/(м⋅°C) и объемной теплоемкости кДж/(м⋅°C) грунтов в талом и мерзлом состоянии:

- песок - λ_m =1,45; λ_м=1,65; C_m=2155; C_m=1800;

- суглинок насыпи - λ_m=1,35; λ_м=1,50; C_m=2765; C_m=2050;

- суглинок основания - λ_m =1,45; λ_м=1,55; C_m=3015; C_m=2175:

- МРП или торф -λ_m =0,95; λ_м=1,40; C_m=4145; C_m=2380;

- количество скрытой теплоты фазовых переходов влаги в 1 м³, кДж/м³:

- песок - 45960;

- суглинок насыпи - 118640;

- суглинок основания - 142280;

- МРП или торф - 288580.

Для соблюдения размерности при теплотехнических расчетах необходимо значения теплофизических характеристик грунтов перевести: коэффициент теплопроводности из Вт/(м⋅°C) в ккал/(м⋅час⋅°C) делением представленных данных на 1,16; объемную теплоемкость из кДж/(м³⋅°C) в ккал/(м³⋅°C) делением вышеприведенных данных на 4,19; скрытую теплоту льдообразования из кДж/м в ккал/м делением на 4,19, что составит:

- песок - λ_m=1,25; λ_м=1,42; C_m=518; C_m=430;

- суглинок насыпи - λ_m=1,16; λ_м=1,29; C_m=660; C_m=489;

- суглинок основания - λ_m=1,25; λ_м=1,34; C_m=720; C_m=520;

- МРП и торф - λ_m=0,82; λ_м=1,21; C_m=989; C_m=568;

- количество скрытой теплоты фазовых переходов влаги при промерзании грунта в 1 м³, ккал/м³:

- песок - 11008;

- суглинок насыпи - 28416;

- МРП и торф - 69120;

Глубину сезонного оттаивания грунтовых слоев дорожной насыпи и ее основания определяют как:

.

- Глубина оттаивания песка:

.

- Глубина оттаивания суглинка нижней части насыпи:

.

- Глубина оттаивания МРП или торфа:

- Глубина оттаивания суглинка основания насыпи:

.

Толщина оттаивания глинистого основания под насыпью составит:

Полная глубина оттаивания многослойной системы с МРП и глинистым грунтом в основании составит:

.

Глубину сезонного промерзания многослойной системы из слоев дорожной насыпи и грунтового основания определяют как:

,

Подставляя значения характеристик в числитель подкоренного выражения получим:

;

для знаменателя получим:

.

Глубина промерзания в результате составит:

Проверка тепловой устойчивости конструкции насыпи со слоями 1 и 2, слоем мохорастительного покрова (МРП) 5 и сезоннооттаивающим (деятельным) слоем 6 из суглинка в основании 4 по соблюдению условия (1):

Эксплуатационная мерзлотная устойчивость насыпи с подобранной минимальной (по снегонезаносимости и экологичности) высотой и использованием при строительстве местных, первоначально некондиционных (мерзлых и/или переувлажненных) глинистых грунтов в нижней части, на частично сезоннооттаивающем мерзлом основании, находится в оптимальном интервале. Это экологично, экономично и обеспечивает долговременную (с учетом прогнозного глобального потепления на 50-100 лет) тепловую (мерзлотную), и соответственно, общую устойчивость данной дорожной насыпи, в виду соблюдения условия (1) для последующего природного сохранения и поддержания мерзлоты в основании насыпи.

Пример расчета снижения величины осадки насыпи (и повышения ее равномерности) путем армирования геосинтетическими материалами, с соблюдением соотношения (2) данного способа:

Из примера расчета (1) верхнюю часть насыпи, толщиной 0,6 м, отсыпают из песка. Нижняя часть из наиболее распространенных местных мерзлых глинистых грунтов. Модули деформации нестабильного грунтового слоя до армирования и после армирования принимаются по ранее проведенным опытным определениям модулей деформации или по непосредственным испытаниям применяемого слабого грунта под стабильным слоем при расчетной нагрузке, с армирующей прослойкой и без нее.

По данным инженерно-геологических изысканий и компрессионных испытаний образцов грунтов залегающих по трассе проектируемой дороги, модуль деформации оттаивающих льдонасыщенных глинистых грунтов деятельного (сезоннооттаивающего) слоя, в талом состоянии составил Е_о=0,62 МПа или 6,2 кг/см².

Модуль деформации разрыхленного мерзлого льдонасыщенного глинистого грунта, отсыпаемого на мохорастительный покров (МРП) в нижнюю часть дорожной насыпи, со средней пустотностью слоя отыпки в 20%, в первом приближении (в виду его прямой пропорциональности осадке), составит:

или 5,0 кг/см².

1. Расчетную осадку S_осн оттаивающего льдонасыщенного, грунтового основания насыпи в сезоннооттаивающем под насыпью слое определяют по формуле:

где Н - глубина оттаивания мерзлого грунта в основании насыпи (по теплотехническому расчету), см;

Е_o - модуль деформации слабого грунта основания под расчетной нагрузкой, МПа (кг/см²);

δ_o - общее напряжение (нагрузка) на сезоннооттаивающий (деятельный) слой основания от веса насыпи и подвижной нагрузки, МПа (кг/см²).

где δ_св - напряжения (нагрузка) от собственного веса насыпи, МПа (кг/см²);

δ_пн - напряжение (нагрузка) от подвижной нагрузки, МПа (кг/см²).

где ρ - плотность (вес) слоев грунта насыпи, кг/см³;

h - толщина слоев грунта насыпи, см.

где δ_а - величина нормального напряжения от воздействия (колеса) подвижной нагрузки на расчетной глубине (принимают по табл. 3), МПа (кг/см²);

Р_п - давление в пневматических шинах подвижной нагрузки (равное 0,6-0,8 МПа), в МПа (кг/см²);

η - коэффициент динамичности от воздействия подвижной нагрузки (принимаемый, в среднем 1,5).

Давление (нормальное напряжение) от колеса автосамосвала (с радиусом отпечатка колеса, составляющим обычно 16-18 см) на грунтовое основание дорожной насыпи, по опытным данным (Таблица 1) будет равно:

Ψ=150/16=9,4 по табл. 1, δ_а=0,025 кг/см²

тогда

δ_пн=δ_а*Р_п*η=0,025 кг/см²*6 кг/см²*1,5=0,23 г/см²

δ_св=0,002 кг/см³*60 см + 0,0018 кг/см³*90 см=0,28 кг/см²

δ_о=δ_св+δ_пн=0,28 кг/см² + 0,23 кг/см²=0,51 кг/см²

S_осн=δ_о*Н/Е_о=0,51*18/6,2=1,48 см

2. Расчетная осадка нижней части дорожной насыпи отсыпанной из разрыхленных мерзлых (и переувлажненных) глинистых грунтов аналогично составит:

Ψ=60/16=3,75 по табл. 1, δ_а=0,15 кг/см²

тогда

δ_пн=δ_а*Р_п*η=0,15 кг/см²*6 кг/см²*1,5=1,35 кг/см²

δ_св=0,002 кг/см³*60 см = 0,12 кг/см²

δ_о=δ_св+δ_пн=0,12 кг/см² + 1,35 кг/см²=1,47 кг/см²

3. Строительную осадку оттаивающего под нагрузкой МРП или торфяного слоя в основании насыпи определяют по формуле:

где е - относительная осадка МРП или торфяного грунта основания при оттаивании под расчетной нагрузкой; устанавливают при инженерных изысканиях (отборе образцов) по трассе дороги и данным их лабораторных компрессионных испытаний (или принимается по табл. 1 Приложения 7 Расчет строительной осадки грунтов основания и тела насыпи, ВСН 84-89).

В рассматриваемом примере, для плотности сухого МРП или торфа 270 кг/м³ и его суммарной влажности 320%, при вышеприведенном (расчетном) уплотняющем давлении 0,51 кг/см² при интерполяции табл. 1, е=0,32,

тогда:

Примечание: Строительную осадку оттаивающего мерзлого мохорастительного покрова (МРП) или слаборазложившегося торфа, допустимо без расчета, по опыту принимать равной 40-50% первоначальной толщины слоя (согласно Прим. 2 к табл. 16, ВСН 84-89).

Для обеспечения эксплуатационной (после строительной) высоты насыпи со столь значительной осадкой, при строительстве необходимо сразу отсыпать нижнюю часть насыпи с запасом на общую осадку.

Для данного примера она составит: .

При досыпке данного запаса на осадку в 35 см, из мерзлого разрыхленного (переувлажненного) глинистого грунта, данный слой досыпки также даст осадку. Величина ее составит: 35 см*26,5 см/90 см=10,3 см.

Общая величина строительной досыпки нижней части насыпи (с запасом на последующую общую осадку) составит: 35 см + 10,3 см=45,3 см. Общая толщина нижнего нестабильного слоя в насыпи с учетом запаса на строительно-эксплуатационную осадку, составит 45,3+90=135,3 см или округленно 1,4 м.

Величина общей осадки в 45,3 см не позволяет, по условиям допустимой суммарной осадки (в соответствии с требованиями табл. 7.6 СП 34.13330.2012 [1]), устройство на поверхности данной насыпи дорожной одежды, необходимой для обеспечения эксплуатационного движения. Не допускается устраивать дорожную одежду даже низшего (переходного типа). Она допускает суммарную осадку основания и нестабильного слоя насыпи толщиной до 1,5 м, на величину не более 24 см. Для снижения величины осадки (и соответственно ее неравномерности) на поверхности нижней части дорожной насыпи, закладывают устройство армирующей прослойки из тканого геосинтетического материала марки 300 в соответствии с табл. 2

В соответствии с условием (2) и таблицей 2, снижение величины осадки, в результате данного армирования составит:

или

Пониженная величина осадки, так же не является приемлемой (по СП 34.13330.2012 таб. 7.6). Для дополнительного снижения величины общей осадки, увеличивают величину коэффициента армирования К_а с 1,4 до 1,90 (по таблице 2) путем дополнительной укладки на поверхность геотекстильной прослойки объемной георешетки, тогда:

Достигнутая величина снижения (по неравномерности) общей осадки в соответствии с табл. 7.6 СП 34.13330.2012, теперь менее допустимых 24 см. Это является уже приемлемым для устройства переходных дорожных одежд и осуществления консолидирующего (ускоренно доуплотняющего при допустимой осадке) эксплуатационного движения.

При недостаточности такого снижения осадки, дополнительно, в основание д/о, например, из ПГС, закладывают устройство плоской георешетки с геосинтетической прослойкой, с К_а=1,75. Это обеспечивает дополнительное снижение величины (и неравномерности) осадки с возможностью устройства более высоко категорийной д/о, требующей меньшей величины допустимой эксплуатационной осадки (например, до 12 или 18 см) в соответствии с табл. 7.6 СП 34.13330.2012:

Обобщенные опытные значения коэффициентов армирования различными геосинтетическими материалами конструктивных слоев дорожных одежд их основания и слоев земляного полотна по [ВРДС 32-12-08 МО РФ. Руководство по устройству аэродромных оснований и дорожной одежды с армирующими прослойками из геосинтетических материалов]

Снижение осадки за счет армирования полностью на величину К_а не происходит. Однако при этом, вместе с относительно близким к К_а средним снижением величины осадки, значительно снижается и ее неравномерность. Это важно, так как любая осадка, в основном, наиболее опасна своей неравномерностью. Равномерная же осадка, легко компенсируется технологически, отсыпкой насыпей сразу с запасом на осадку, при наблюдающемся глобальном потеплении, сопровождающимся массовой деградацией вечной мерзлоты на обширных (65% территории РФ) мерзлотных территориях. Дорожные насыпи на мерзлоте, изначально возводимые вначале с приспособлением для гашения строительно-эксплуатационных осадок, затем аналогично будут сглаживать, и гасить неравномерности, различных внерасчетных и непредвиденных просадок в результате глобального потепления. Армирование геосинтетиками так же обеспечивает дорожным насыпям последующую повышенную общую (по устойчивости откосов и т.д.) эксплуатационную устойчивость, позволяющую (по обобщенному опыту эксплуатации) в 1,5-2 раза увеличить межремонтные сроки дорогостоящего дорожного покрытия, дорожной одежды или железнодорожных путей.

Изобретение относится к области транспортного строительства и может быть преимущественно использовано для ускорения строительства дорожных насыпей, устойчивых на вечной мерзлоте в условиях происходящего глобального потепления климата. Способ возведения дорожной насыпи на вечной мерзлоте с усилением мерзлотной и общей устойчивости включает допущение оттаивания грунта деятельного слоя в основании насыпи (с запасом на осадку) в период эксплуатации. В нижнюю часть насыпи укладывают слабоводопроницаемый грунт слоем толщиной, определяемой из соотношения:

где Н_пр и Н_от - глубина промерзания и оттаивания насыпи и деятельного слоя основания (с влажностью первично нестабильных слоев грунта, при коэффициенте уплотнения 0,90), м. Первично нестабильный слой, в нижней части насыпи, устраивают из временно некондиционного (переувлажненного и/или мерзлого) грунта, преимущественно, с использованием армирующих прослоек (из геосинтетиков, геомембран, геокомпозитов и др.), и при армировании соблюдают приведенное условие. После этого отсыпают (на оттаявший переувлажненный грунт надвигают «с головы») и уплотняют верхний стабильный (рабочий) слой из кондиционного или дренирующего грунта. Затем ускоренно консолидируют нестабильные слои динамическим воздействием движения транспортного потока. Технический результат состоит в повышении темпов и экологичности (экономичности) строительства дорожных насыпей на вечной мерзлоте с усилением их мерзлотной (и общей) устойчивости в условиях глобального потепления климата. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

1. Способ возведения дорожной насыпи на вечной мерзлоте с усилением мерзлотной и общей устойчивости, включающий допущение оттаивания грунта деятельного слоя в основании насыпи (с запасом на осадку) в период эксплуатации, отличающийся тем, что в нижнюю часть насыпи укладывают слабоводопроницаемый грунт слоем толщиной, определяемой из соотношения:

где Н_пр и Н_от - глубина промерзания и оттаивания насыпи и деятельного слоя основания (с влажностью первично нестабильных слоев грунта, при коэффициенте уплотнения 0,90), м,

при этом первично нестабильный слой, в нижней части насыпи, устраивают из временно некондиционного (переувлажненного и/или мерзлого) грунта, преимущественно, с использованием армирующих прослоек (из геосинтетиков, геомембран, геокомпозитов и др.), и при армировании соблюдают условие:

где S_доп и S - допустимая (по нормативам) осадка и осадка нестабильного слоя (переувлажненного и/или оттаявшего мерзлого) грунта под заданной нагрузкой, м;

К_а=Е_а/Е - коэффициент армирования;

где Е и Е_а - модули деформации нестабильного грунтового слоя до армирования и после армирования, МПа;

после этого отсыпают (на оттаявший переувлажненный грунт надвигают «с головы») и уплотняют верхний стабильный (рабочий) слой из кондиционного или дренирующего грунта, а затем ускоренно консолидируют нестабильные слои динамическим воздействием движения транспортного потока.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве слабоводопроницаемых, некондиционных, преимущественно используют местные глинистые грунты, а глубину оттаивания и промерзания насыпи вместе с деятельным слоем мерзлого основания определяют по формулам:

где - продолжительность годового периода с плюсовыми температурами воздуха, ч;

- количество скрытой теплоты фазовых переходов влаги в 1 м³, кДж/м³ или ккал/м³,

где L_o - скрытая теплота льдообразования (равная 334 кДж/кг или 80 ккал/кг);

ρ - плотность грунта, кг/м³;

ρ_d - плотность сухого грунта, кг/м³;

W_w - содержание незамерзшей воды;

W_tot - суммарная влажность грунта, дол. ед.

Суммарная влажность грунтов W_tot при коэффициенте уплотнения 0,90 ориентировочно составляет:

супесь песчанистая и пылеватая W_tot=1,6W_opt суглинок легкий песчанистый и пылеватый W_tot=1,5W_opt суглинок тяжелый песчанистый и пылеватый, глина W_tot=1,3W_opt,

где W_opt - оптимальная влажность грунта;

λ_mi - коэффициент теплопроводности грунта в талом состоянии, Вт/(м⋅°C) или ккал/(м⋅ч⋅°C);

T_max - среднемесячная температура воздуха за самый теплый (июль) летний месяц (с учетом опытных температурных поправок), °C;

C_mi - объемная теплоемкость талого грунта, кДж/(м³⋅°C) или ккал/(м³⋅°C);

где - средневзвешенный коэффициент теплопроводности слоев многослойной конструкции (дорожная одежда, слои насыпи и основания) в мерзлом состоянии, Вт/(м⋅°C) или ккал/(м⋅ч⋅°C);

λ₁, λ₂, …, λ_n - коэффициенты теплопроводности слоев в мерзлом состоянии, Вт/(м⋅°C) или ккал/(м⋅ч⋅°C);

Т_з - средняя температура воздуха за период с отрицательными температурами воздуха (с учетом прогнозного зимнего потепления климата на 3-5°C на северных территориях РФ и опытных поправок), °C;

τ_з - продолжительность годового периода с отрицательными температурами воздуха, ч;

- глубина оттаивания многослойной конструкции, м;

С_мi - объемная теплоемкость слоев в мерзлом состоянии, кДж/(м³⋅°C) или ккал/(м³⋅°C).