ОДМ 218.2.086-2019
Методические рекомендации по геокриологическому прогнозированию устойчивости дорожных сооружений при проектировании, строительстве и эксплуатации автомобильных дорог

ОТРАСЛЕВОЙ ДОРОЖНЫЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ДОКУМЕНТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКОМУ ПРОГНОЗИРОВАНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ ДОРОЖНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ, СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ДОРОЖНОЕ АГЕНСТВО (РОСАВТОДОР)

МОСКВА 2019

Предисловие

1    РАЗРАБОТАН: ООО «Сибирский инновационный дорожный центр» (ООО «СибИНДОР»), с привлечением специалистов ФГБОУ ВПО СибАДИ и ОАО «Омский СоюзДорНИИ».

2    ВНЕСЕН:    Управлением    строительства    и    эксплуатации

автомобильных дорог Федерального дорожного агентства.

3    ИЗДАН на основании распоряжения Федерального дорожного

агентства от_№     .

4    ИМЕЕТ РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ ХАРАКТЕР.

5    ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ.

под нагрузкой грунтовых слоёв, в связи с уменьшением их пористости, при выдавливании воздуха (газов) и воды из пор грунта в условиях затруднённости (или невозможности, например, в чаше мерзлотного оттаивания и др.) бокового расширения, а также затруднён ности (или отсутствии) краевого выдавливания грунта вверх (выпора), по краям площади нагружения. При этом происходит боковое (в края площадки нагружения ) выдавливание отжимаемой воды, а также инфильтрация её в оседающую нижнюю часть насыпи (особенно при отсыпке её из дренирующего грунта).

Просадка грунта - это осадка грунта вызванная его замачиванием водой, как при оттаивании, так и при инфильтрации, напитывании водой и т.д. Грунт считается просадочным, при относительной деформации просадочности не менее >0,01.

Универсальный (экологический) принцип проектирования

комбинированный принцип проектирования с учётом (по прогнозному расчёту) природной тепловой устойчивости дорожной насыпи в условиях глобального потепления климата на основаниях из многолетнемерзлых грунтов по условию Карлсона-Кудрявцева.

Основные обозначения.

V - объём (количество) летних тёплых жидких осадков или сконденсировавшихся водяных паров, инфильтрирующихся в дренирующий грунт, мм/м² или кг/м²;

R - термическое сопротивление, равное Н/Х, (м²*°К)/Вт или (м²*ч*°С)/ккал;

Н - толщина материала, м;

Н,„ - толщина теплоизоляции, м;

До/ - степень засоления мёрзлого грунта. %;

IV критическая толщина снега, воды и др. при которой среднегодовая температура грунтовой поверхности становится равной (или более) 0 °С;

iiot- суммарная льдистость (определяемая по формуле А.30 ГОСТ 25100-2011), д.е.;

1 - климатический мерзлотный индекс (рассчитываемый с учётом текущего и прогнозируемого на ближайшие 50-100 лет глобального потепления, в среднем, на 3 °С);

Q_M - сумма годовых отрицательных градусо-часов температур воздуха (поверхности) или зимний тепловой импульс;

Q, - сумма годовых положительных градусо-часов температур воздуха (поверхности) или летний тепловой импульс;

а - коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности грунта или дорожного покрытия, в среднем равный 15-20 ккал/м² ч °С;

И_от - глубина сезонного оттаивания многослойной конструкции, м;

И_пр - глубина сезонного промерзания многослойной конструкции, м;

И

И_опм - расчётная глубина оттаивания нижнего слоя многослойной конструкции, м;

Х_т - коэффициент теплопроводности материала( грунта) в талом состоянии, Вт/(м*°С) или ккал/(мчас°С);

А* - средневзвешенный коэффициент теплопроводности слоев многослойной системы (дорожная одежда, насыпь и основание) в мёрзлом состоянии, Вт/(м °С) или ккал/(мчас°С);

Х_с„- коэффициент теплопроводности снега, Вт/(м*°С) или ккал/(м час °С); Cmi - объёмная теплоёмкость материала слоёв конструкции и деятельного слоя основания, кДж/(м^3оС) или ккап/(м^3оС);

С._и, - объёмная теплоёмкость материала слоёв конструкции и деятельного слоя основания в мёрзлом состоянии, кДж/(м^{3 о}С) или ккап/(м^{3 о}С);

L_v - количество скрытой теплоты фазовых переходов влаги в 1 м³;

L₀ -скрытая теплота льдообразования (равная 334 кДж/кг или 80ккап/кг); W,₀, - суммарная влажность грунта, д.е.;

W* - содержание незамёрзшей воды, д.е.;

Wop, - оптимальная влажность грунта (по ГОСТ 22733-2016), д.е.;

W_p- влажность грунта на границе раскатывания, д.е.; pd - плотность сухого (скелета) грунта, г/см³ или кг/м³; р - плотность грунта, кг/м³; рс„ - плотность снега, кг/м³;

Ттах - среднемесячная температура воздуха (или поверхности) за самый тёплый летний месяц, °С;

Ту - абсолютная средняя температура воздуха за период с отрицательными температурами воздуха (принимается по абсолютной величине, со знаком плюс и уменьшается в среднем на 3°С и более, для учёта происходящего и прогнозируемого длительного глобального потепления климата, происходящего на территории РФ преимущественно за счёт повышения зимних температур воздуха), °С;

/ср - среднегодовая температура земной поверхности (пород, покрытия и ДР-)> °С;

/_д - температура на подошве сезонно талого (деятельного) слоя (СТС), °С;

/* - среднегодовая температура воздуха, °С; toe - температура летних тёплых жидких осадков. °С; t₀- отрицательная температура многолетнемёрзлых грунтов в точке нулевых амплитуд Ао, °С;

Д/я - изменение среднегодовой температуры поверхности за счет изменения альбедо и/или угла наклона, северной или южной экспозиции (условий инсоляции), °С;

Д/_С1| - изменение среднегодовой температуры поверхности за счет влияния снежного покрова, °С;

Д/ос - изменение среднегодовой температуры поверхности и на подошве слоя сезонного оттаивания за счет влияния теплых летних осадков,°С;

Д/расг - изменение среднегодовой температуры поверхности за счет влияния растительного покрова, °С;

Д/). - изменение среднегодовой температуры на подошве слоя сезонного оттаивания за счет теплодиодного изменения теплопроводности пород, °С; г - время в годах или час;

т, - продолжительность периода с отрицательными температурами воздуха (холодный период года), час.

Тот - продолжительность периода с положительными температурами воздуха (тёплый период года), час;

т„, - время запаздывания начала прямого сезонного промерзания или оттаивания грунта, ч;

к ту - коэффициент тепловой устойчивости, равный Н_пр/Н₀т> 1,1-1,3; с - сцепление мерзлого грунта после его оттаивания, МПа или кгс/м²;

(р - угол внутреннего трения оттаявшего мерзлого грунта, в градусах;

Р - давление оттаявшего слоя грунта, МПа или кгс/м²;

Р - острый угол, составляемый откосом с горизонтальной поверхностью, в градусах;

т_сд - сопротивление грунта сдвигу, соответствующее началу возникновения пластических деформаций, МПа или (кгс/м²):

£уа- модуль упругости армированного геосинтетиками слоя, МПа;

Еол - модуль деформации армированного геосинтетиками слоя, МПа;

С_а - коэффициент постели армированного геосинтетиками слоя;

Е_у - модуль упругости неармированного слоя, МПа;

Е₀ - модуль деформации неармированного слоя, МПа;

С - коэффициент постели неармированного слоя;

К_а - коэффициент армирования;

S - осадка, в см или м;

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

8_СВ - напряжения (нагрузка) от собственного веса насыпи, МПа (кг/см²);

6„„ - напряжение от подвижной нагрузки, МПа (кг/см²);

5_а - величина нормального напряжения от воздействия (колеса) подвижной нагрузки на расчётной глубине. МПа (кг/см²);

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

у\ - коэффициент динамичности от воздействия подвижной нагрузки (принимаемый, в среднем 1,5);

5'( - величина морозного пучения, см;

S_u- величина допустимого морозного пучения, см; кf - коэффициент морозного пучения, д.е.;

5 или Cjj - степень просадочности многолстнемсрзлых пород (ММП) при оттаивании, д.е.;

Раздел 4. Общие положения

4.1 Требования практики хозяйственного освоения районов вечной мерзлоты обусловили развитие теоретического, регионального и инженерного мерзлотоведения - науки об общих закономерностях развития мерзлых пород, в том числе изменениях мерзлотных условий при строительстве на вечномерзлых грунтах. Комплексный подход к вопросам оценки изменений мерзлотных условий, которые произойдут в будущем, в том числе в связи с хозяйственным освоением территории развития вечномерзлых грунтов, изложен в фундаментальных работах [7-10]. Разработке теоретических основ мерзлотного прогноза и оценки изменений мерзлотных условий посвящены работы [11, 12], в которых обобщены накопленные в мерзлотоведении знания, охарактеризованы аспекты влияния природных факторов на формирование температурного режима мерзлых пород, определены основные теоретические и методические положения прогнозной оценки изменения мерзлотных условий при хозяйственной деятельности на замерзлоченных территориях.

Вопросы прогнозирования температурного режима вечномерзлых грунтов на застраиваемых территориях при освоении северных районов страны, разработки математических методов анализа влияния отдельных факторов на параметры мерзлотных процессов освещены в трудах [13-15].

Основные положения указанных работ, с учетом прогнозируемого на весь 21 век глобального потепления климата (Lachenbruch, Marshall, 1969; Величко, 1973; Будыко, 1989; Клименко, 2007 и др.) [3, 4 и др.] взяты, как базовые при разработке методик геокриологического прогноза устойчивости дорожных сооружений (см. разделы 5-8 Рекомендаций).

Согласно расчётам (М.И. Будыко и др., 1989) прогнозируется следующий темп повышения средней годовой температуры воздуха (°С) с 1900 по 2050гг (см. табл. 4.1):

Таблица 4.1 Повышение среднегодовой температуры воздуха, °С

Годы 1900 1975 2000 2025 2050 Теоретический расчёт 0 0,5 1,3 2,5 3,4 Экстраполяция эмпирических данных 0 0,5 1,25 2,0 2,8

4.2 При разработке методик учитываются следующие положения.

4.2.1 Многолетним протаиванием грунтов называется их протаивание, продолжительностью более одного года. Сезонным промерзанием

(протаиванием) грунтов называется промерзание (протаивание), длящееся менее одного года с сезонной ритмичностью проявления.

4.2.2    Деградация вечной мерзлоты развивается как многолетнее

оттаивание льдистых вечномёрзлых грунтов. Она, как правило, возникает из-за образования слоя сезонного    протай вания превышающего глубину

последующего промерзания (т.е. не сливающейся мерзлоты) в результате естественной динамики климата, эволюции ландшафтов, а также, наиболее часто, при техногенных воздействиях.

4.2.3    Одной из основных причин возникновения и развития термокарстовых просадок, является длительный поверхностный застой воды (особенно слоем критической толщины), а также её сравнительно длительное течение (или фильтрация) по просевшей поверхности.

4.2.4    Критической (для существования вечной мерзлоты) толщиной снегового или водяного слоя на поверхности многолетнемёрзлого грунта принимают такую толщину, при которой расчётная среднегодовая температура поверхности грунта становится равной 0°С. В результате перестает происходить необходимая «подзарядка» холодом вечной мерзлоты, через данный слой. При этом, сезонное оттаивание может смениться на многолетнее (из-за наличия теплого геотермального потока из недр Земли в среднем изменяющегося от 0,025 до 0,084 Вт/м² , с «нормальным» геотермическим градиентом, равным примерно 15^ЛС/км) с постепенной деградацией вечной мерзлоты. Развитие данного процесса наиболее характерно для центральной и особенно южной мерзлотной подзоны [1,2].

4.2.5    Водонасыщенные слои глинистого грунта, торфа, геотекстильных материалов, водоудерживающих гелей, криогелей и др. влияющие на теплообороты в нижележащем грунтовом массиве и создающие охлаждающую температурную сдвижку, за счёт сезонных (в талом и мёрзлом состоянии) изменений плотности теплового потока пропускаемого ими, выполняют функцию «тепловых диодов». В результате, обеспечивается повышенный пропуск холода в зимний период и пониженный пропуск тепла в летний период. Это обусловлено значительным (в 8 раз) изменением (увеличением) кондуктивной температуропроводности льда, по сравнению с кондуктивной (без конвективного теплооборота) температуропроводностью воды. Понижение среднегодовой температуры пород на подошве слоя сезонного оттаивания, за счёт данного изменения температуропроводности водонасыщенных пород (т.е. теплодиодный эффект) в среднем, составляет: 0,3°С в крупнообломочных грунтах с влажным глинистым заполнителем, 0,6-0,8°С в переувлажнённых (с влажностью более оптимальной при стандартном уплотнении по методу Союздорнии или Проктора) глинистых грунтах и 1,0-1,5°С в торфах. В несвязанной грунтом воде, тепло переносится преимущественно конвективно (путём турбулентного тепломассопереноса), а зимой, во льду, кондуктивно (путём молекулярной теплопроводности). При этом зимняя кондуктивная (молекулярная) теплопроводность льда, может быть в сотни и тысячи раз меньше отепляющего конвективного теплообмена воды, происходящего, как

правило, в турбулентном режиме (что представляет значительные сложности для замеров и теплотехнических расчётов) [28].

4.2.6    На основе анализа данных многолетних стационарных наблюдений

[16]    для южной подзоны (1₃ по ВСН 84-89) распространения вечной мерзлоты, температуру оголённой дневной поверхности рекомендуется принимать, в среднем, на 1,5°С ниже и на ГС выше температуры воздуха соответственно за холодный и тёплый периоды года. Влияние летней отсыпки грунта насыпи или других грунтовых площадок рекомендуется учитывать следующим образом

[17] : при высоте отсыпки до 1 м тепловым влиянием отсыпки допускается пренебрегать. При высоте отсыпки более 1 м среднюю (расчётную) температуру поверхности грунта в верхних 10 м, считая от естественной поверхности, допускается повышать на 0,2°С на каждый метр увеличения отсыпки свыше 1 м.

4.2.7    Теплотехническим регулированием называется целенаправленное изменение качественных и количественных показателей сезонного промерзания и протаивания грунтов, а также проведение других теплозащитных мероприятий (обеспечение снегонезаносимости, дренажа, водоотвода и др.). Цель теплотехнического регулирования - предотвращение или уменьшение отрицательного и усиление положительного (прямого или косвенного) влияния данных процессов на тепловую (термическую) и общую устойчивость искусственных инженерных сооружений. При этом должно обеспечиваться максимально возможное взаимодействие с естественными закономерностями и природными воздействиями (силами). Достигаться самостоятельное (с минимальным вмешательством человека), естественно-природное управление поддержания необходимого температурного режима в основаниях дорожных насыпей возводимых на вечной мерзлоте, что наиболее экологично и экономично.

4.2.7    В соответствии с закономерностью совершенствования технических систем:

-    несовершенные технические системы борются с природными силами (воздействиями);

-    по мере усовершенствования, технические системы всё более подстраиваются и взаимодействуют (сотрудничают) с природными силами;

-    наиболее совершенные технические системы не только максимально возможно взаимодействуют с природными силами, но и в основном (в текущем режиме) находятся под природными регулирующими и управляющими воздействиями.

4.2.8    На участках внерасчётного проявления отрицательных термокарстовых, солифлюкционных и т.д. процессов, регулирование сезонного промерзания и протаивания грунтов, а также другие защитные мероприятия производятся локально (по возможности наименее затрагивая близлежащие, естественно функционирующие участки, например, сбросом на них отепляющих вод или снежных отложений с аварийных участков и др.).

4.2.9    В естественных и изменённых строительством (нарушенных) условиях качественные и количественные показатели сезонного промерзания и

протаивания грунтов переменны во времени и пространстве. В виду этого, по имеющимся обобщённым исследованиям, за репрезентативный (достаточно представительный) период усреднения условно можно принять период, равный 30 годам. Он достаточно (для точности инженерных расчётов) включает значимое природное многообразие зимних и летних погодных условии. Данный период температур воздуха, предпочтительно берётся в ближайший период с 1950 по 1980гг, когда уже велись достаточные метеонаблюдения и ещё не начался процесс интенсивного глобального потепления климата, значимо стартовавший примерно с 80-х годов 20 века. Прогнозное повышение среднегодовых температур воздуха учитывается по данным ближайших гидрометеостанций (ГМС) и агрометеостанций (АГМС).

4.2.10    При разработке методов регулирования процессов сезонного промерзания и протаивания грунтов с предотвращением послестроительного развития неблагоприятных мерзлотных процессов (термокарста, солифлюкции, наледей и др.), необходимо иметь в виду, что инженерно-геокриологические условия, формирующиеся к окончанию строительства, не соответствуют исходным, зафиксированным в момент производства инженерно-геологических изысканий. Поэтому теоретической основой регулирования процессов сезонного промерзания и протаивания должен являться прогноз изменения геокриологических условий при хозяйственном освоении (изменении) территории.

4.2.11    Вопрос о способах и методах регулирования опасных геокриологических процессов (термокарста, солифлюкции, наледей и др.), должен решаться для каждого «опасного» участка индивидуально. Разработке защитных мероприятий и регулированию сезонного промерзания ипротаивания грунтовых оснований линейных насыпных сооружений (дорожных насыпей) и промышленных площадок должны предшествовать:

4.2.11.1    Исследование этих процессов в естественных условиях, до строительства, с выявлением и учётом особенностей их появления и оконтуривания опасных участков их проявления;

4.2.11.2    Изучение грунтовых слоёв и льдистости верхней части вечномёрзлых грунтов мощностью до 10 - 15 м и температуры вечномёрзлых грунтов в зоне с нулевыми её годовыми колебаниями (т.е. на глубине «нулевых амплитуд», находящейся обычно на расстоянии 8 - 12 м от дневной поверхности) на границах и в центральной части каждого опасного участка;

4.2.11.3    Выполнение инженерно-геокриологической типизации опасных участков инженерных сооружений подверженных деформациям;

4.2.11.4    Расчёт (проверка) эксплуатационной устойчивости запроектированной (существующей) конструкции насыпи по критерию (условию) Карлсона - Кудрявцева [1];

4.2.11.5    Прогнозирование возможного изменения количественных и качественных характеристик (величины прогнозной осадки, увеличение плотности и уменьшение толщины, и суммарной влажности, оттаивающих под расчётной нагрузкой грунтовых слоев, с изменением их теплофизических

характеристик и др.) с проведением скорректированных расчётов по установлению средних и максимальных эксплуатационных глубин промерзания и оттаивания грунтов основания;

4.2.11.6 Назначение    вариантов    защитных конструктивных и

технологических мероприятий с прогнозным расчётом их эффективности для повышения (обеспечения) длительной тепловой и общей устойчивости насыпного инженерного сооружения на многолетнемёрзлых грунтах.

4.3 В разделах 5 и 6 настоящего ОДМ приведены общие мероприятия по регулированию процессов промерзания и протаивания грунтов [ 18-21J. В разделах 7 и 8 приведены расчетные методики прогнозной тепловой и общей устойчивости дорожных сооружений для решения задач, описанных в п.п. 4.2.11.3-4.2.11.6, которые    составляют    общий расчетный алгоритм

прогнозирования устойчивости дорожных сооружений. Алгоритм позволяет определить эффективность проектных и строительных решений дорожных сооружений в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов, от применения мероприятий по мерзлотной и строительно-эксплуатационной стабилизации грунтов основания и земляного полотна. Примеры методик прогнозной тепловой и общей устойчивости дорожных сооружений, а также справочные данные для расчетов приведены в приложениях А и Б.

Раздел 5. Регулирование процессов сезонного промерзаниям протаивания грунтов

5.1. Регулирование качественных показателей сезонного промерзания и протаивания грунтов.

5.1.1    Сезонное промерзание и протаивание грунтов - сложные литокриогенные процессы. По характеру проявления в многолетнем периоде сезонное промерзаниее (протаивание) разделяется на:

систематическое, проявляющееся ежегодно в течение многолетнего репрезентативного периода и прогнозируемое в дальнейшем;

несистематическое, проявляющееся не ежегодно. Оно делится на: частое, если средняя длительность перерывов в проявлении процесса за репрезентативный или требуемый период соизмерима или меньше средней длительности периодов с его ежегодным проявлением, и редкое, если средняя длительность перерывов в проявлении процесса больше средней длительности периодов с ежегодным его проявлением за тот же период.

5.1.2    По устойчивости в течение холодного (теплого) периода года эти процессы бывают: устойчивыми и неустойчивыми. Устойчивым называется сезонное промерзание (протаивание), в течение холодного (теплого) периода не сменяющееся полным протаиванием (промерзанием) промерзшего (протаявшего) горизонта грунтов. Неустойчивым называется сезонное промерзание (протаивание), в течение холодного (теплого) периода года сменяющееся полным протаиванием (промерзанием) промерзшего (протаявшего) горизонта грунтов.

5.1.3    По направленности относительно дневной поверхности выделяются две модификации сезонного промерзания и протаивания: прямое, направленное от дневной поверхности (или дна водоема, водотока) вглубь грунтов, и возвратное, направленное от поверхности грунтов, подстилающих сезонно-талые и сезонно-мерзлые, к дневной поверхности или дну водоема, водотока. В природе проявляется: однонаправленное сезонное промерзание (протаивание) - прямое или возвратное, и двунаправленное при совокупном проявлении прямого и возвратного промерзания (протаивания).

5.1.4    Двунаправленное сезонное промерзание (протаивание) бывает: синхронным, если прямое и возвратное промерзание (протаивание) начинаются одновременно, и метахронным, если прямое и возвратное промерзание (протаивание) начинаются не одновременно. Метахронное сезонное промерзание (протаивание) разделяется на:

прямоупреждающее, если прямое промерзание (протаивание) начинается раньше возвратного, и возвратноупреждающее, если раньше начинается возвратное сезонное промерзание (протаивание).

5.1.5    Регулируя качественные показатели этих процессов можно: сделать их проявление несистематическим вместо систематического и

наоборот;

изменить период проявления устойчивого и неустойчивого сезонного промерзания и протаивания;

исключить или обусловить возвратное промерзание или протаивание; изменить соотношение дат начала прямого и возвратного промерзания или протаивания.

5.1.6    Изменение качественных показателей этих процессов позволяет: наиболее существенно воздействовать на их количественные показатели,

льдистость и криогенные особенности среды их проявления;

стимулировать или исключать проявление ряда других литокриогенных процессов (солифлюкцию, оплывы, термокарст, пучение и др.), изменять их динамику;

воздействовать на ход почвообразовательных процессов, замедлять или ускорять заиливание, загрязнение грунтовых вод, заболачивание территории, способствовать или препятствовать сохранению природной среды и т.д.

В таблице 5.1 показано изменение льдистости тонкодисперсных сезонномерзлых грунтов и свойственного им комплекса литокриогенных процессов при изменении качественных градаций сезонного промерзания в области, близко залегающих вечномерзлых грунтов.

В зависимости от значений температуры грунтов t« в зоне с нулевыми годовыми се колебаниями проявляются следующие градации сезонного промерзания и протаивания грунтов:

t„ > 15 - сезонное промерзание и протаивание грунтов несистематические за многолетний период и неустойчивые за год, промерзание однонаправленное прямое, протаивание двунаправленное возвратно упреждающее или однонаправленное возвратное;

to < 15 - сочетание систематического и несистематического, вследствие ежегодных колебаний глубины проявления, устойчивого и неустойчивого из-за различий погодных условий сезонного промерзания и протаивания грунтов;

15 > to > 5 - сезонное промерзание однонаправленное, прямое, сезонное протаивание двунаправленное возвратноупреждающее;

5 > to > 4 - промерзание прямое, протаивание двунаправленное синхронное;

4 > to > 0,5 - промерзание прямое, протаивание двунаправленное прямоупреждающее;

+0,5 > t« > -0,5 - промерзание и протаивание однонаправленные прямые;

-0,5 > to > -4 - промерзание двунаправленное прямоупреждающее, протаивание однонаправленное прямое;

-4 > to > -5 - промерзание двунаправленное синхронное, протаивание прямое;

Содержание

Раздел 1. Область применения................................................4

Раздел 2. Нормативные ссылки................................................5

Раздел 3. Термины, определения    и    обозначения...........................6

Раздел 4. Общие положения...................................................14

Раздел 5. Регулирование процессов сезонного промерзания и

протаивания грунтов................................................19

Раздел 6. Регулирование многолетнего протаивания грунтов..........42

Раздел 7. Расчётные методики прогнозирования тепловой и общей

устойчивости дорожных сооружений............................51

Раздел 8. Инженерно-геокриологические условия и устойчивость многолетнемёрзлых пород к нарушениям естественной

природной обстановки............................................67

Приложение А.....................................................................74

Приложение Б......................................................................96

Приложение В......................................................................113

Библиография.......................................................................119

to < -5 - промерзание двунаправленное возвратноупреждающсе, протаи-вание прямое.

Раздел I. Область применения

Настоящий отраслевой дорожный методический документ (далее -Рекомендации) разработан в развитие и дополнение ОДМ 218.000-2012 «Методические рекомендации по проектированию земляного полотна на вечной мерзлоте с использованием местных грунтов» [1] и ВСН 84-89 «Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах вечной мерзлоты»[2].

ОДМ носит рекомендательный характер и предназначен для опытно-экспериментального применения с дальнейшим развитием и дополнением необходимых расчётных методик. Предлагаются различные защитные конструктивно-технологические решения, повышающие тепловую и общую устойчивость, как ранее возведённых, так и вновь строящихся дорожных насыпей. Учитывается отепляющее воздействие происходящего и прогнозируемого на ближайшие 50-100 лет глобального потепления климата [3-4]. Для северных территорий РФ (характеризующихся наличием вечной мерзлоты), наблюдаемое глобальное потепление характеризуется постепенным увеличением объёма выпадающих осадков (в среднем на 10-20% от 1980 к 2015 году) и повышением зимних температур воздуха (от 1,5-2 до 2,5-3 °С и более).

Рекомендации применяются при проектировании и реконструкции дорожных насыпей, на многолетнемёрзлых грунтах с проверкой их тепловой устойчивости (по коэффициенту тепловой устойчивости). Также их отдельные положения применяются при строительстве, эксплуатации, инженерногеокриологических обследованиях и мониторинге дорожных сетей.

Данные Рекомендации предназначены для автомобильных дорог общего и не общего назначения (промысловых, притрассовых, подъездных и др.) переводящихся затем, по мере необходимости, в общую группу пользования, сооружаемых в зоне вечной мерзлоты (в том числе и запроектированных по универсальному принципу проектирования, независимо от категорийности).

В Рекомендациях приводится общая методика прогноза тепловой устойчивости дорожных насыпей и решения по усилению природного (естественного) охлаждающего воздействия на их мерзлое основание со снижением различных отепляющих воздействий. Предлагаются мероприятия, уменьшающие неравномерные осадки дорожных сооружений при оттаивании грунтов насыпи, и основания в период эксплуатации по универсальному (экологическому) принципу проектирования.

Рекомендации предполагают реализацию решений, минимизирующих общие затраты за счёт максимального использования местных природных тепло ресурсов и материалов с преобразованием новых комплексов в направлении ускорения их сукцессии (природной стабилизации) в после строительных и эксплуатационных условиях.

Раздел 2. Нормативные ссылки

В настоящих Рекомендациях использованы нормативные ссылки на следующие документы:

1.    ГОСТ 22733-2016 Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности

2.    ГОСТ 5180-2015 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.

3.    ГОСТ 25100-2011 Грунты. Классификация.

4.    ГОСТ 25607-2009 Смеси щебёночно-гравийно-песчаные для покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов.

Раздел 3. Термины, определения и обозначения

В настоящих Рекомендациях применены следующие термины с соответствующими определениями:

Геотермический градиент - представляет собой изменение температуры в недрах Земли с глубиной и выражается в градусах на единицу глубины. Средний (нормальный) геотермический градиент равен примерно 15°С/км.

Геотермический тепловой поток - является произведением геотермического градиента на соответствующую удельную теплопроводность пород на глубине и обеспечивает нижнее граничное условие практически для всех тепловых расчётов, связанных с температурным режимом грунтов. Средний (нормальный) геотермический тепловой поток составляет примерно 0,046 Вт/м². Температурный градиент составляет примерно 1,5-3°С на 100 м.

Глубина кулевых амплитуд - это глубина, на которой температура ММГ (ММГТ) является постоянной в течение всего годового периода, не зависимо от сезонных колебаний температуры воздуха. Эта температура (в связи с отсутствием амплитуды Ао=0, рисунок 3.1) является основной характеристикой среднегодовой температуры многолетнемёрзлых (вечномёрзлых) фунтов.

Рисунок 3.1- Изменения температуры в годовом периоде по глубине сезоннооттаивающего слоя грунта и вечномёрзлой толщи пород [5]

На рисунке 3.1 обозначено:

А,н А|, АгИ т.д. - годовые амплитуды температур на поверхности земли, на глубинахНьНз, ит.д.,в°С;

Н₀- глубина нулевой амплитуды пород, м;

Нот -глубина оттаивания грунтов за тёплый период, м;

Н,- потенциальная глубина замерзания талых грунтов за холодный период, м;

ВГММГ- верхний горизонт многолетнемёрзлых грунтов;

НГММГ- нижний горизонт многолетнемёрзлых фунтов;

t₀- отрицательная температура многолетнемёрзлых грунтов в точке нулевых амплитуд Ао, °С;

/ - обёртывающая линия самых низких отрицательных температур толщи пород по глубине в данной конкретной точке поверхности земли;

2 - обёртывающая линия самых высоких положительных и отрицательных температур толщи пород по глубине в данной конкретной точке поверхности земли.

Глубина сезонного оттаивания - это глубина оттаивания за тёплый период при наличии ММГ (ММП). Она устанавливается замерами в конце тёплого периода (с учётом или без учёта тепловой инерции, когда нижнее оттаивание частично продолжается, не смотря на начало промерзания талого слоя с поверхности). Полная её величина равна толщине оттаявшего грунтового слоя плюс величина произошедшей осадки. Учет осадки наиболее существенен для оггаивающих льдонасыщенных фунтов, где величина осадки может составлять до 30-50% и более.

Деградация вечной мерзлоты- многолетний процесс постепенного повышения среднегодовой температуры вечномёрзлого грунта, приводящий к понижению верхней и повышению нижней поверхности слоя вечной мерзлоты.

Криогенная (мерзлотная) текстура - это особая форма и взаиморасположение основных составляющих мёрзлых грунтов, содержащих минеральные частицы, воду, лёд и воздух. В дорожной отрасли используют 3 обобщённых видакриогенной текстуры:    массивную,    слоистую,    сетчатую    (блоковую,

ячеистую) (рисунок 3.2):

-массивная текстура (рисунок 3.2 - А) характеризуется наличием в основном только норового льда, льда-цемента; представляет собой бесшлировую криогенную текстуру;

А    Б    В

Рисунок 3.2 Обобщённые виды текстур мёрзлых фунтов: А - массивная; Б - слоистая; В — сетчатая (блоковая, ячеистая)

-    слоистая текстура (рисунок 3.2 - Б) характеризуется чередованием включений в виде ледяных прослоек и линз с минеральными слоями, которые имеют массивную текстуру;

-    сетчатая (блоковая, ячеистая) текстура(рисунок 3.2 - В)формирустся за счёт ледяных включений - прослоек, располагающихся в виде сетки.

Косвенным показателем качественной градации сезонного промерзания в зоне вечной мерзлоты является криогенная текстура тонкодисперсных, неоторфованных в нижней половине сезонно-мёрзлых грунтов. При однонаправленном прямом промерзании криогенная текстура в нижней части сезонно-мёрзлых пород массивная (рисунок 3.2 А). При двунаправленном прямоупреждающем и синхронном промерзании она шлировая: слоистая или сетчато-слоистая (рисунок 3.2 Б и В). Различить эти две градации позволяет мощность нижнего шлирового горизонта сезонномёрзлых грунтов деятельного слоя: менее 10 см при прямоупреждающем промерзании и более 10 см, при синхронном. При возвратноупреждающем промерзании грунтов в их нижнем горизонте формируется шлировая сетчатая, реже слоистая криогенная текстура и атакситовая ниже горизонта со шлпровой криогенной текстурой.

Криолитозона часть земной коры, которая характеризуется наличием отрицательных температур и возможностью существования подземных льдов. Включает деятельный слой (оттаивающий летом и замерзающий зимой) и многолетнюю криолитозону. Нижняя граница криолитозоны -изотермическая поверхность с температурой 0°С.

Классификация мёрзлых грунтов.

Вечномёрзлые грунты классифицируют:

I- по физическому состоянию (по температуре);

II - по территориальному распространению;

III- по продолжительности существования.

I.По физическому состоянию мёрзлые грунты подразделяют на:

-    низкотемпературные (твёрдомёрзлые), т.е. прочно спаянные льдом, практически несжимаемые фунты с температурой ниже границ замерзания фунтов (температура замерзания, ориентировочно, составляет для песков пылеватых - ниже минус 0,3 °С, для супесей - ниже минус 0,6 °С, для суглинков -ниже минус 1°С, для глин - ниже минус 1,5 °С);

-    высокотемперату рные (пластичномёрзлые), характеризуются большим содержанием незамерзшей воды, с температурой ниже 0°С и выше температуры замерзания глинистых грунтов (до -1,5 + -2,0°С). Обладают вязкими свойствами и характеризуются способностью ползучести и сжимаемости под весом от сооружения;

-    сыпучемёрзлыми называются, преимущественно песчаные и крупнообломочные грунты, несцементированные льдом, вследствие их малой влажности в соответствии с таблицами Б.28 и Б.32 ГОСТ 25100-2011;

-    засолёнными мёрзлыми грунтами называются мёрзлые фунты континентального засоления (сульфатный тип засоления), если отношение массы водорастворимых солей в грунте к массе сухого(скелета) грунта в них превышает по степени засоления D^, %:

-    для песков > 0,1 %;

-    для супесей > 0,15%;

-    для суглинков > 0,20%;

-    для глин > 0,25%.

Мёрзлые грунты с морским типом засоления легкорастворимыми солями (хлоридный тип засоления) подразделяются на разновидности в соответствии с таблицей Б.ЗЗ ГОСТ 25100-2011.

II. По территориальному распространению многолетнемёрзлые грунты подразделяют на:

-    районы сплошной вечной мерзлоты, т.е. обширные пространства, в пределах которых многолетнемёрзлые грунты, как правило, наблюдаются повсеместно;

- районы прерывистой и островной    вечной    мерзлоты с

многолетнемёрзлыми грунтами разделёнными участками сезонно мёрзлых грунтов.

III. По    продолжительности существования мёрзлые грунты

подразделяют на:

-    сезонномёрзлые грунты (СМГ) или породы (СМП), существующие в течение зимы (или нескольких месяцев), но менее года;

-    многолетнемёрзлые грунты (ММГ) или породы (ММП), существующие более трёх лет.

Многолетнемёрзлые грунты («вечная мерзлота», криолитозона) -

районы распространения фунтовых толщ, имеющих отрицательную температуру в течение трехлетнего периода и более, вечная мерзлота - не менее ста лет. Вечную мерзлоту по температуре на границе нулевых годовых амплитуд подразделяют на высокотемпературную (до минус 2 °С, преимущественно минус 0,5 + 1,5°С и выше) и низкотемпературную (ниже минус 2°С, преимущественно минус 3 + 5°С и ниже).

По условиям распространения различают сплошную, прерывистую и островную вечную мерзлоту (криолитозону). Мощность вечной мерзлоты составляет от нескольких метров в умеренных широтах (южная подзона), до 1,5 км в высоких.

Нулевая завеса - промерзающий слой грунта, отдавая свою тепловую энергию (теплоту), на фазовые превращения воды в лёд (80 кал/г), замедляет этим охлаждение нижележащих слоёв и их промерзание задерживается; оттаивающий слой, аналогично поглощая тепловую энергию на фазовые превращения льда в воду, замедляет отепление нижележащих слоев грунта и их оттаивание также задерживается (в сильно переувлажнённых и льдонасыщенных грунтах более 90% затрат тепла идёт на фазовые переходы воды) [б).

Перелетки - слои грунта, замерзающие зимой и не оттаивающие в течение одного-трёх лет.

Сливающаяся или не сливающаяся (деградирующая) мерзлота

наблюдаются в том случае, когда деятельный (сезоннооттаивающий) слой фунта при зимнем промерзании сливается с многолетнемёрзлой толщей или не сливается.

Сукцессия - последовательная замена одних биоценозов (растительных сообществ) другими на определённом участке осваиваемой территории до

формирования устойчивого (равновесного) типа биоценоза, характерного для конкретной физико-географической обстановки. Время естественного зарастания (восстановления) осваиваемых территорий.

Транспирация - испарение влаги растительным покровом (растениями). Вызывает охлаждение поверхности растительного покрова от радиационного нагрева (солнцем).

Термокарст процесс вытаивания подземных льдов, сопровождающийся осадками протаявшего грунта и возникновением отрицательных форм рельефа (впадин), не редко, заполненных водой. В том числе и в основаниях дорожных насыпей, отсыпаемых в нижней части из водопроницаемых, дренирующих грунтов.

Тепловой импульс теплого и холодного периода соответственно количество градусо-часов (или градусо-месяцев)тёплого или холодного периода. Равен произведению средней температуры воздуха за тёплый или холодный период на их длительность в часах (или месяцах), в течение одного года.

Тепловой диод - деятельный водонасыщенный грунтовый слой (или др. водонасыщенные прослойки и устройства) воздействующий на тсплообороты в нижележащем мёрзлом грунтовом массиве, за счет сезонных изменений плотности теплового потока в талом и мёрзлом состоянии (с созданием повышенного охлаждающего воздействия). Ввиду того, что кондуктивная теплопроводность льда в 4 раза больше чем у воды, а температуропроводность больше в 8 раз.

Температурная сдвижка - повышение или понижение температуры определённого грунтового слоя (например, слоя сезонного оттаивания) за счёт какого - либо дополнительного воздействия (например, повышение температуры сезонноталого слоя за счёт инфильтрации в него тёплых вод осадков, прогретых поверхностных вод или конденсации водяных паров и т.д.).

Условия теплообмена на поверхности - комплекс природных и техногенных факторов, влияющих на процесс тепло- и массообмена на поверхности с окружающей средой: температура воздуха, солнечная радиация, испарение, транспирация, альбедо поверхностей, их расположение (север, юг и т.д.) и угол наклона к лучам солнца, тип напочвенных покровов (растительность, снег, вода, торфяная, торфо-глинистая или скальная обсыпка и т.п.), рельеф местности, режим и характер обводнённости, различные искусственные покрытия (теплоизолирующие, теплодиодные, солнцеосадкозащитные, дорожные и т.д.).

При теплотехнических расчётах условия теплообмена на поверхности учитываются путём введения в расчётную схему обобщённых параметров в виде температуры воздуха приведённой к температуре поверхности с учётом поправочных данных (по табл. 6.2).

Осадка оттаивания мёрзлого грунта основания насыпи - это процесс деформации уплотнения оттаивающего грунта под нагрузками (от веса насыпи и оттаявших слоёв основания, а также веса и динамического воздействия подвижной нагрузки). Он обусловлен увеличением плотности оттаивающих