Стабилизация критических деформаций земляного полотна автомобильной дороги в криолитозоне

РАЗДЕЛ II

СТРОИТЕЛЬСТВО. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 691

СТАБИЛИЗАЦИЯ КРИТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ В КРИОЛИТОЗОНЕ

В. В. Воронцов, А. Н. Краев, М. Е. Игошин ФГБОУ ВПО Тюменский государственный архитектурно-строительный университет

«ТюмГАСУ», Россия, Тюмень

Аннотация. В статье приведены наиболее часто встречающиеся деформации земляного полотна и дорожной одежды автомобильных дорог севера Тюменской области. Для детального изучения причин разрушения проведено обследование участка автомобильной дороги «п. Пангоды - п. Правохеттинский» с выполнением комплекса инженерных изысканий. По результатам проведенных работ предложено конструктивное решение, позволяющее стабилизировать деформации автомобильной дороги.

Ключевые слова: многолетнемерзлые грунты, автомобильная дорога, геосинтетический материал, термостабилизатор.

Введение

Ямало-Ненецкий автономный округ характеризуется крайне малой плотностью автомобильных дорог, низким уровнем эксплуатационных характеристик,

перегруженностью основных магистралей, несвязностью отдельных сегментов дорожной сети и сезонным характером использования значительной ее части. Неразвитость транспортной инфраструктуры является важнейшим фактором, ограничивающим инвестиционную привлекательность региона, тормозящим реализацию большого числа проектов в различных отраслях и негативно влияющим на качество жизни.

В этой связи актуальной задачей является разработка конструктивных решений по укреплению оснований и насыпей при проектировании и строительстве автомобильных дорог с учетом сложных инженерно-геологических условий округа.

Строительство, реконструкция и модернизация участков автодорожных коридоров обеспечит круглогодичное автомобильное сообщение между территориями ЯНАО, ХМАО, юга Тюменской области, выход на опорную дорожную сеть страны и связь между крупнейшими региональными центрами Российской Федерации в составе российских и международных транспортных коридоров.

Автомобильная дорога «Сургут-Салехард» является участком автомобильной дороги «Салехард - Надым - Новый Уренгой -Сургут - Тюмень», которая «Государственной концепцией создания и развития автомобильных дорог в Российской Федерации» включена в число 18 важнейших автодорожных коридоров России. В Национальной программе

совершенствования и развития сети автомобильных дорог «Дороги России XXI века» эта дорога включена в число основных автодорожных коридоров - «Сибирский коридор» и в перечень важнейших инвестиционных проектов.

Обследование участка автомобильной дороги. Инженерно-геологические условия

На автомобильной дороге Сургут-Салехард выявлены участки, подверженные критическим циклическим деформациям, не смотря на выполнение ежегодных ремонтных работ по восстановлению ровности покрытия: проседание дорожной одежды с образованиями провалов глубиной до 0,4 м, появление продольных и поперечных трещин с раскрытием до 40 мм на покрытии дорожной одежды, оползневые образования отсыпки дороги в местах проседания асфальтобетонного покрытия, наличие длительностоящих вод у подошвы насыпи земляного полотна (рис. 1).

В№

а )Ш

Рис. 1. Деформации покрытия автомобильной дороги: а) продольные и поперечные трещины на покрытии; б) вертикальные перемещения бровки

Для установления причин развития вертикальных перемещений и трещин в покрытии при эксплуатации автомобильной дороги, а также для обоснования выполнения корректировки локальных участков, было выполнено обследование с комплексом инженерных изысканий.

Ширина земляного полотна на обследуемом участке составляет 12 -13,87 м, максимальная высота насыпи составляет 2,72 м по типу поперечного профиля: «Тип 5. Насыпь на вечномерзлых грунтах» [5]. Ширина проезжей части - 7,0 -8,85 м, обочин - 2,5 - 3,21 м. Обочина на ширину 0,5 м устроена по типу покрытия основной дороги. Основание дорожной одежды уширено на 0,6 м. Покрытие дорожной одежды до проведения ремонтно-восстановительных работ было покрыто сетью продольных и поперечных трещин. Участки с явно выраженной сетью трещин наблюдаются в местах деформации земляного полотна и обочин. Длина продольных трещин достигает 12 м с раскрытием трещины до 2,8 см.

По результатам инженерно-геодезических изысканий и обследованию участка была построена схема развития деформаций, приведенная на рисунке 2. На схеме стрелками показаны направления горизонтальных перемещений грунтов земляного полотна. На участке выделена наиболее разрушенная локальная зона: максимальное вертикальное перемещение покрытия составляет 19 см. На всем протяжении обследуемого участка выявлены деформации асфальтобетонного покрытия в виде волн длиной до 20 м и локальных просадок глубиной от 5 до 10 см.

Рис. 2. Схема развития деформаций на участке

Инженерно-геологический разрез

основания участка (рис. 3) представлен с правой стороны песком мелким, средней степени водонасыщения мощностью до 2,1 м и песком средним насыщенным водой. Многолетнемёрзлые грунты отсутствуют.

С левой стороны автомобильной дороги инженерно-геологический разрез основания состоит из торфа средней степени разложения, насыщенного водой мощностью до 4 м, торфа средней степени разложения, пластичномёрзлого мощностью до 3 м и песка насыщенного водой. Граница мнолетнемёрзлых грунтов находится на отметках 41,60 - 40,00 м, удалённая от дневной поверхности на 1,35 - 2,50 м.

Разрушения развиваются на левой полосе проезжей части. Деформации

конструкции земляного полотна и дорожной одежды обусловлены развитием деформаций основания в левой части конструкции земляного полотна в результате оттаивания

слоя пластичномерзлого торфа. Процесс оттаивания верхних слоёв основания усугублён наличием длительно-стоящих поверхностных вод у левого откоса.

44.0 43.0 42.0 41.0 40.0 39.0 38.0 37.0 36.0

Разрез по скважинам 261 - 259

47.0 46.0 45.0 44.0 43.0 42.0 41.9 40.0

Разрез по скважинам 236 - 237

Наименование и Ые№ выработок Скв.-261 Скв.-260 Скв.-259

Абс. отметка устья, (м) а 8 ™

Наименование и №с№ выработок Скв.-236 Скв.-246 Скв.-237

Абс. отметка устья, (м) 1 3 !

Рис. 3. Инженерно-геологический разрез

Лабораторные исследования выполнены исследований выполнена по ГОСТ [1] на

в соответствии с требованиями ПЭВМ. В таблице 1 приведены показатели

государственных стандартов и нормативных физико-механических свойств талых грунтов,

методических документов. Статистическая в таблице 2 для мерзлых грунтов. обработка результатов лабораторных

Таблица 1 - Показатели физико-механических характеристик грунтов

№ ИГЭ Н, м Показатели физико-механических свойств грунтов

Wtot, дед. Ф, град г/см3 р5, 3 г/см Р^ 3 г/см е, дед. Sr , дед. с, МПа Е, МПа

1. Техногенный грунт песок мелкий ср. водонасыщения 1.02.3 0.20 29 1.641.89 2.65 1.58 0.68 0.150.75 0.003 25

2. Песок средний, ср. степ. водонасыщения 3.44.5 0.29 34 1.682.00 2.65 1.60 0.66 0.200.85 0.000 30

3. Песок мелкий, ср. степ. водонасыщ 0.82.4 0.19 27 1.81 2.66 1.53 0.74 0.66 0.001 20

4. Песок мелкий, насыщенный водой 0.66.8 0.29 29 1.96 2.66 1.52 0.75 1.00 0.000 18

5. Песок средний насыщенный водой 0.65.6 0.28 36 2.04 2.65 1.62 0.66 1.00 0.001 30

6. Песок средний насыщенный водой с орг. включениями 1.04.2 0.36 35 2.18 2.65 1.60 0.66 1.46 0.001 30

7. Супесь легкая 0.51.5 0.23 18 1.95 2.65 1.59 0.68 0.91 0.009 7

Таблица 2 - Показатели физико-механических характеристик мерзлых грунтов

№ ИГЭ Н, м Показатели физико-механических свойств грунтов

Wtot, дед. Ф, град г/рм3 Р5, 3 г/см Р^ 3 г/см е, дед. Sr , дед. а№, дед. а, см2/кг

8. Торф пластичномерзлый, льдистый 1.08.4 7.73 29 0.95 1.45 0.12 0.90 1.00 0.33 0.31

Деформации земляного полотна и покрытия дорожной одежды негативно сказываются на эксплуатационных качествах не только

исследуемого автомобильной проектировании сооружений в разработка и технологических

участка, но и всей дороги в целом. При и строительстве инженерных особых условиях требуется внедрение конструктивно-решений по укреплению

основания и насыпи автомобильной дороги с учетом инженерных условий района тяготения и ожидаемых воздействий процессов в сферах их взаимодействия с геологической средой. В связи с этим остро стоит вопрос о восстановлении эксплуатационных качеств данного участка дороги.

Разработка конструктивного решения по стабилизации земляного полотна На всем протяжении автомобильной дороги встречаются локальные участки с различными инженерно-геокриологическими особенностями (мощность и расположение

многолетнемерзлых пород относительно земляного полотна, температурно-влажностный режим грунтов, наличие геологических и геокриологических процессов). На данном участке предложено выполнить вертикальное армирование основания и земляного полотна левой части конструкции автомобильной дороги с формированием грунтового упорного валика обёрнутого по внешнему периметру армирующим материалом (рис. 4). Вертикальное армирование выполняется на глубину Н = 2 м в основание земляного полотна с формированием в откосной части упорного грунтового валика шириной 12=2 м высотой h2=0,75 м. Размер валика ^ выбирается таким образом, чтобы наклон валика соответствовал заложению откоса на существующем

поперечном профиле земляного полотна. Валик устраивается в откосной части земляного полотна на расстоянии от оси 11=8 м. Валик снизит величину горизонтальных деформаций, возникающих в конструкции земляного полотна и основании автомобильной дороги, и позволит уменьшить количество попадания

поверхностных вод в тело земляного полотна.

Армирование выполняется геотекстилем «Геоспан ТН 80». Геосинтетический материал «Геоспан» хорошо зарекомендовал себя в дорожном строительстве [2, 3, 4, 6]. В мире накоплен большой опыт по армированию оснований, который выявил высокую эффективность использования армирующих геосинтетических материалов [7, 8, 9]. Основными преимуществами являются возможность использования местного грунта в качестве основного строительного материала, невысокая стоимость при быстроте и простоте возведения.

Снижение увлажнения конструкции земляного полотна и основания поверхностными водами достигается путём уменьшения коэффициента фильтрации за счёт вертикального размещения

армирующего материала, препятствующего проникновению воды в тело земляного полотна и основания автомобильной дороги.

Оттаиванию многолетнемерзлого торфа способствует отепляющее действие грунтовых вод, которые мигрируют из правой части за счет естественного наклона рельефа основания автомобильной дороги. Для предотвращения оттайки слабого слоя грунта устраиваются термостабилизаторы ТК 32/10. Длина термостабилизатора - 10 м, диаметр 32 мм.

Рис.4. Конструктивное решение по стабилизации земляного полотна. 1 - верхняя граница многолетнемерзлых грунтов; 2 - торфяная подсыпка; 3 - термостабилизаторы ТК 32/10; 4 - земляное полотно; 5 - упорный валик; 6 многолетнемерзлый торф; 7 - пески мелкие, средние водонасыщенные; 8 - траншеи; 9 - анкерная труба

Защемление Геоспана в

многолетнемерзлом основании обеспечит требуемое натяжение материала, позволит удерживать упорный грунтовый валик в проектном положении. Замена торфяных грунтов в траншеях 8 на песчаные способствует более глубокому и широкому промораживанию основания автомобильной дороги, исключению влияния оттаивающего действия грунтовых и талых вод у подошвы откоса.

Термостабилизаторы устанавливаются с шагом 2 м с внешних сторон армированного валика. Установка термостабилизаторов позволит повысить уровень

многолетнемерзлых грунтов и уменьшить мощность легкодеформируемого слоя. Установка термостабилизатора позволяет сформировать вокруг него цилиндрический объём мерзлого грунта радиусом 1,3 м в течение 2 лет эксплуатации автомобильной дороги. Шаг в 2 метра между стабилизаторами позволяет сформировать вертикальный массив мёрзлого грунта вдоль армирующих элементов, что придаст дополнительную устойчивость основанию и конструкции автомобильной дороги.

Заключение

При обследовании автомобильной дороги выявлены участки, подверженные ежегодным деформациям, которые негативно влияют на эксплуатационные качества сооружения.

В ходе проведения инженерно-геодезических изысканий установлены значения максимальных деформаций земляного полотна и покрытия автомобильной дороги. В результате выполнения инженерно-геологических

изысканий выявлены опасные геологические и геокриологические процессы

(заболачивание и заозеривание территории, пучение, механическая суффозия, солифлюкция), определены физико-механические характеристики талых и мерзлых грунтов основания.

Предложено новое конструктивное решение, которое позволить снизить деформации откосной части земляного полотна и дорожного покрытия за счет упорного грунтового валика, обернутого геосинтетическим материалом с

обеспечением движения по данному участку автомобильной дороги в течение всего периода производства работ. Применение термостабилизаторов исключит оттаивание многолетнемерзлого торфа мигрирующими грунтовыми водами, повысит прочность основания дорожной конструкции.

Библиографический список

1. ГОСТ 25100-2011 Грунты. Классификация. -М.: Минстрой, 2013.

2. Альбом типовых решений по применению геосинтетических материалов ООО «Гекса -нетканые материалы» в дорожном строительстве. М.: СОЮЗДОРНИИ, 2009. - 81 с.

3. Дмитриев, В.Н. Новые дорожные технологии и материалы / В.Н. Дмитриев, Н.А. Гриневич, Е.В. Кошкаров. - Екатеринбург: Изд-во УрГУ, 2008. -144 с.

4. Щербина, Е.В. Геосинтетические материалы в строительстве / Е.В. Щербина. - М.: Ассоциация строительных вузов, 2004. - 164 с.

5. Рабочий проект «Строительство автомобильной дороги «Сургут - Салехард, участок Новый Уренгой - Надым 1 пусковой комплекс: п. Пангоды (км 870) - п. Правохеттинский (км 936). Корректировка (Участок ПК 593+00 - ПК 600+50)» 2005г.

6. Воронцов, В. В. Расчетное обоснование конструктивного решения по укреплению основания и насыпи земляного полотна существующей автомобильной дороги на территории ЯНАО / В.В. Воронцов, Ал.Н. Краев, М.Е. Игошин // Научно-технический вестник Поволжья. - 2014. - №2 - С. 119-123.

7. Бай, В.Ф. Экспериментальные исследования работы площадных фундаментов на слабом глинистом основании, усиленном песчаной армированной подушкой / В.Ф. Бай, А.Н. Краев // Научно-технический вестник Поволжья. - Казань, 2011. - №1. - С.72-75.

8. Пономарев, А. Б. Полунатурные экспериментальные исследования грунтовых свай в оболочке из геосинтетических материалов / А. Б.Пономарев и др. // Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение: материалы междунар. науч.-технич. конф., посвященной 80-летию образования кафедры геотехники СПбГАСУ (механики грунтов, оснований и фундаментов ЛИСИ) и 290-летию российской науки. - Ч. 2. - СПбГАСУ. - СПб., 2014г. - С. 71-78.

9. Усманов, Р. А. Устройство армированных грунтовых подушек на слабых грунтах / Р. А. Усманов// Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение: материалы междунар. науч.-технич. конф., посвященной 80-летию образования кафедры геотехники СПбГАСУ (механики грунтов, оснований и фундаментов ЛИСИ) и 290-летию российской науки. - Ч. 1. - СПбГАСУ. - СПб., 2014. - С. 89-94.

STABILIZATION OF CRITICAL DEFORMATIONS OF A MOTOR ROAD BED IN THE CRYOLITHIC ZONE

V.V. Vorontsov, А1. N. Kraev, М.Е. Igoshin

Abstract. The article dwells on the most common deformations of a road bed and pavement of motor roads on the north of the Tyumen region. For the

detailed study of destruction's reasons there was examined a motor road section "n. Pangody - n. Pravohettinsky" with performance of a complex of engineering surveys. As a result of conducted works, there was proposed a constructive solution to stabilize the deformations of a motor road.

Keywords: permafrost soils, motor road, geosynthetic material, heat stabilizer.

References

1. GOST 25100-2011 Grunty. Klassifikatsiya. [State Standard Soils. Classification]. Moscow, Minstroi, 2013.

2. Al'bom tipovykh reshenii po primeneniyu geosinteticheskikh materialov OOO «Geksa -netkanye materialy» v dorozhnom stroitel'stve. [Album of standard decisions on using geosynthetic materials of OOO "Geksa-non-woven materials" in road construction]. Moscow, SOYuZDORNII, 2009. 81 p.

3. Dmitriev V.N., Grinevich N.A., Koshkarov E.V. [New road technologies and materials] Novye dorozhnye tekhnologii i materialy Ekaterinburg: Izd-vo UrGU, 2008. 144 p.

4. Shcherbina E.V. Geosinteticheskie materialy v stroitel'stve [Geosynthetic materials in construction]. Moscow, Assotsiatsiya stroitel'nykh vuzov, 2004. 164 p.

5. Rabochii proekt Stroitel'stvo avtomobil'noi dorogi «Surgut - Salekhard, uchastok Novyi Urengoi -Nadym 1 puskovoi kompleks: p. Pangody (km 870) -p. Pravokhettinskii (km 936). Korrektirovka (Uchastok PK 593+00 - PK 600+50) 2005g.

6. Vorontsov V.V., Kraev Al. N., Igoshin M. E. Raschetnoe obosnovanie konstruktivnogo resheniya po ukrepleniyu osnovaniya i nasypi zemlyanogo polotna sushchestvuyushchei avtomobil'noi dorogi na territorii YaNAO [Calculated justification of the constructive decision on strengthening the base and embankment of a road bed of the existing motor road on the territory of the Yamalo-Nenets Autonomous Area]. Nauchno-tekhnicheskii vestnik Povolzh'ya, 2014, no. pp. 119-123.

7. Bai V.F., Kraev A. N. Eksperimental'nye issledovaniya raboty ploshchadnykh fundamentov na slabom glinistom osnovanii, usilennom peschanoi armirovannoi podushkoi [Pilot researches of the work of areal bases on the weak clay bases strengthened by the sandy reinforced pillow]. Nauchno-tekhnicheskii vestnik Povolzh'ya, 2011, no1. pp.72-75.

8. Ponomarev A. B. Polunaturnye eksperimental'nye issledovaniya gruntovykh svai v obolochke iz geosinteticheskikh materialov. [Semi-natural pilot reserches of ground piles in a covering of geosynthetic materials]. Sovremennye geotekhnologii v stroitel'stve i ikh nauchno-tekhnicheskoe soprovozhdenie: materialy mezhdunar. nauch.-

tekhnich. konf., posvyashchennoi 80-letiyu obrazovaniya kafedry geotekhniki SPbGASu (mekhaniki gruntov, osnovanii i fundamentov LISI) i 290-letiyu rossiiskoi nauki. Ch. 2., SPbGASU. SPb., 2014. pp. 71-78.

9. Usmanov R.A. Ustroistvo armirovannykh gruntovykh podushek na slabykh gruntakh. [Arrangement of the reinforced ground pillows on soft grounds]. Sovremennye geotekhnologii v stroitel'stve i ikh nauchno-tekhnicheskoe soprovozhdenie: materialy mezhdunar. nauch.-tekhnich. konf., posvyashchennoi 80-letiyu obrazovaniya kafedry geotekhniki SPbGASU (mekhaniki gruntov, osnovanii i fundamentov LISI) i 290-letiyu rossiiskoi nauki. Ch. 1. SPbGASU. SPb., 2014. pp. 89-94.

Воронцов Вячеслав Викторович

Краев Алексей Николаевич

Игошин Михаил Евгеньевич

Vorontsov Vyacheslav Viktorovich

Kraev Alexey Nikolaevich

Igoshin Mikhail Evgenievich