автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Сооружение земляного полотна автомобильных дорог с использованием в насыпи мерзлых грунтов

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ДОРОЖНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ИНСТИТУТ ( СОЮЗДОРНИИ) ДОЧЕРНЕЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ОМСКИЙ СОЮЗДОРНИИ

На правах рукописи

Лонский Владимир Николаевич

СООРУЖЕНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В НАСЫПИ МЕРЗЛЫХ

ГРУНТОВ

Специальность 05.23.11 - Строительство автомобильных дорог и аэродромов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук профессор И.Е.ЕВГЕНЬЕВ

Научный консультант-кандидат

технических наук

А.С.ПЛОПКИИ

Москва 1999

СООРУЖЕНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В НАСЫПИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования ...........5

1.1. Анализ существующих разработок по применению разрыхленных

твердомерзлых грунтов при строительстве дорожных насыпей в районах вечной мерзлоты..............................5

2. Теоретические предпосылки расчета глубины оттаивания переувлажненного мерзлого комковатого грунта ................... 14

2.1. Выбор расчетной схемы и рассмотрение теоретических положений по определению глубины оттаивания мерзлого комковатого грунта с учетом осадки............................14

2.2. Учет инфильтрации жидких осадков в расчете глубины оттаивания мерзлого комковатого грунта в насыпи .........22

2.3. Методика расчета глубины оттаивания мерзлого комковатого грунта в насыпи........................................2 9

2.3.1. Особенности определения теплофизических характеристик мерзлых комковатых грунтов и мерзлых грунтовых смесей ............................................29

2.3.2. Автоматизированный расчет глубины оттаивания насыпи из комковатых грунтов с учетом ее осадки........4 0

3. Экспериментальные исследования процессов оттаивания и уплотнения разрыхленных твердомерзлых грунтов ..................4 8

3.1. Экспериментальное исследование процесса оттаивания мерзлых комковатых грунтов ................................4 8

3.1.1. Цель, задачи и методика исследований .......... 48

3.1.2. Исследование процесса оттаивания твердомерзлых комковатых грунтов и связно-сыпучих смесей.........54

3.1.3. Характер изменения плотности, влажности и осадки во времени при оттаивании мерзлого комковатого грунта с различной пустотностью........................63

3.2. Определение деформативных характеристик различных видов

мерзлых комковатых грунтов при оттаивании под

нагрузкой...........................................71

3.2.1. Экспериментальное исследование осадки мерзлых связно-сыпучих грунтовых смесей при оттаивании под нагрузкой ........................................81

3.3. Экспериментальные исследования определения плотности мерзлого комковатого грунта по новому способу (патент

1691470).......................................... 99

3.3.1. Условия моделирования и методика исследований с

определением представительной пробы.........99

4. Конструктивно-технологические решения по сооружению земляного полотна с использованием мерзлых комковатых (разрыхленных)

грунтов и связно-сыпучих смесей .........................113

4.1. Основные принципы технических решений.............113

4.1.1. Конструкции земляного полотна (по а.с.№ 1081283 и № 1615285)................................... 116

4.1.2. Примерная технологическая схема и технико-экономические показатели .................125

4.2. Способ возведения насыпи с использованием предварительного морозного иссушения переувлажненного мерзлого комковатого грунта (по патенту № 1607463)......... 130

4.2.1. Способ морозного иссушения грунта в насыпи (по патенту № 2035535)..........................142

4.3. Способ определения плотности мерзлого комковатого грунта (по патенту № 1691470).......................... 149

4.3.1. Отработка способа определения плотности мерзлого комковатого грунта в производственных

условиях.....................................151

Выводы ......................................................157

Литература ..................................................161

Приложения

Приложение №1. а.с.№ 1462862 Способ возведения насыпи (из засоленных мерзлых грунтов) Приложение №2. Патент РФ № 1816391 Дорога на многолетнемерзлых грунтах

Приложение №3. Справка о внедрении

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ существующих разработок по применению мерзлых грунтов при строительстве порожных насыпей в районах вечной мерзлоты.

Исследование строительных свойств вечномерзлых оснований проводились с первых лет транспортного освоения Сибири и палее в годы индустриализации страны. Фундаментальной базой многих научных направлений послужили работы А.В.Ливеровского, М.И.Сумгина, Н.А.Цытовича, других крупных ученых. В военные и последующие годы важное значение для транспортного строительства на Севере имели труды М.Н.Гольдштейна, И.А.Золотаря,В.А.Кудрявцева П.И.Мельникова. В 60-80-е годы актуальность исследований северной специфики строительства особенно возросла в связи с экономическим развитием нефтегазоносных Сибирских регионов, а также в связи со строительством БАМа. К этому времени относятся крупные работы в железнодорожном строительстве (Г.С.Переселенков, Н.А.Перетрухин, В.П.Титов, А.А.Цернат и др), в автодорожном строительстве наиболее крупные исследования, послужившие для нормативных документов и типовых решений, выполнялись в Союздор-нии и его Омском филиале (В.Д.Казарновский, И.Е.Евгеньев, Ю.М.Львович, Э.К.Кузахметова, Е.С.Пшеничникова, В.А.Давыдов,

A.А.Малышев, Н.Ф.Савко, Б.И.Попов, А.С.Баранковский,

B.М.Бескровный, Б.В.Белоусов, А.С.Плоцкий, Н.К.Ланецкий и др.),а также в СибАДИ (Н.М.Тупицин, В.Н.Шестаков) , ТюмИСИ (В.А.Кретов, А.Н.Шуваев) и другие специалисты.

В 80-х годах в практике строительства уже был накоплен опре-

деленный опыт строительства дорожных насыпей из мерзлых грунтов. В этом отношении характерным примером является сооружение земляного полотна Байкало-Амурской железнодорожной магистрали, на 50% протяженности которой насыпи возводились из мерзлых грунтов и выемки разрабатывались в мерзлых грунтах. Однако, в отличие от тундровых и лесотундровых районов Севера Российской Федерации, на БАМе (аналогично и на Аляске, США) мерзлые и вечномерзлые грунты были, в основном, представлены дресвой, песчано-гравийной смесью и крупнообломочными (скальными) и, следовательно, характеризовались высокими прочностными показателями /1.2.3/. Конструкции и технологии возведения полотна, из таких грунтов не могут служить аналогами для природно-климатических условий и мерз-лотногрунтовой обстановки рассматриваемых районов вследствие того, что здесь сезонномерзлые и вечномерзлые грунты, преимущественно льдонасыщенные глинистые, торфоглинистые и пылеватые песчаные .

Распространение подземных льдов заставляет считаться с ними при строительстве линейных сооружений в рассматриваемых районах. При этом залежи различных видов льдов часто очень слабо или совершенно не отражаются в природном микрорельефе, поэтому их достаточно трудно полностью выявить при инженерно-геологической разведке местности /4, 5, 6, 7, 8/.

Имеющиеся научные данные /9, 10/ свидетельствуют о том, что местные грунты, в основном, переувлажнены и при оттаивании часто переходят в полужидкое состояние ( ЭДест>ЭДтек ) . Ввиду этого оттаивание их под полотном дороги в процессе ее эксплуатации крайне нежелательно. Как показывает мировой опыт (США, Канада и

т.д.)/' надежное строительство и качественная эксплуатация насыпей на таких грунтах возможны лишь при условии сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии, что при обычных технологиях увеличивает стоимость строительства в 1,5-2 раза. Чтобы избежать последнего, требуется применение новых специальных технологических и конструктивных решений, позволяющих максимально использовать местные грунты, в том числе и в разрыхленном мерзлом состоянии .

Наряду с суровыми климатическими и сложными геокриологическими условиями, особенностями дорожного строительства на рассматриваемой территории являются /10, II/:

отсутствие в осваиваемых районах дорожной сети (за исключением сезонных зимних дорог - автозимников) при отсутствии проходимости для транспорта и строительной техники в теплый период;

малая продолжительность теплого периода (когда температура воздуха устойчиво превышает ООС), не превышающая 85-14 0 дней;

практически сплошное распространение вечномерзлых грунтов мощностью до 150-300 м и незначительная (к концу теплого периода, в среднем от 0,6 по 1,2 м) мощность слоя сезонного оттаивания;

отсутствие крупнообломочных и дефицит дренирующих песчаных грунтов, пригодных для сооружения дорожных насыпей, при преобладающем распространении избыточно переувлажненных глинистых и торфоглинистых грунтов;

повсеместная заболоченность и заозеренность территории,

превышение осадков над испарением в теплый период года.

Проблеме использования местных разрыхленных мерзлых грунтов при строительстве дорожных насыпей в тундровых и лесотундровых районах РФ еще в 80-е годы уделено значительное внимание в исследованиях Союздорнии и его Омского филиала, ЦНИИСа (Новосибирский филиал СибЦНИИС). В результате проведенных исследований были разработаны: ВСН 00-84 "Временная инструкция по проектированию и сооружению земляного полотна железнодорожной линии Ягель-ная-Ямбург" /12/; ВСН 201-85 "Проектирование и строительство автомобильных дорог для обустройства нефтяных и газовых месторождений на севере Тюменской области и других районах тундры с аналогичными условиями" /13/. "Методические рекомендации по сооружению земляного полотна автомобильных дорог в районах Ямбургско-го и Уренгойского газовых месторождений" "/14/; ВСН 204-88 "Специальные нормы и технические условия на проектирование и строительство автомобильных дорог на полуострове Ямал" /15/, ВСН 2038 9 "Нормы и технические условия на проектирование и строительство железных дорог на полуострове Ямал" /16/, ВСН 8 4-8 9 "Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах вечной мерзлоты /17/.

В конце 90-х годов значительный вклад в теоретическое обоснование применимости разрыхленных мерзлых грунтов при строитель-стне насыпей был сделан в ТюмИСИ (ГАСА) Шуваевым А.Н. /18/.

В то же время необходимо отметить, что при проектировании и строительстве дорог в районах распространения вечной мерзлоты действующими (но по отдельным вопросам устаревшими и требующими переработки) основными нормативными документами и в настоящее

время (1999г.) применение разрыхленных мерзлых грунтов сильно ограниченно. Например:

СНиП 2.05.02-85 "Автомобильные дороги" - в части норм проектирования земляного полотна, применение разрыхленных мерзлых грунтов не рассматривается /19/. Косвенно по допустимой осадке нестабильных слоев насыпи согласно п.б.54 табл.25 и табл.22 их можно использовать в ограниченных объемах (до 20-30%) со значительной выдержкой по времени (1-2 года) и применением специальных технологий, не отраженных в данном СНиПе.

СНиП 3.06.03-85 "Автомобильные дороги" - в части производства и приемки работ /20/ п.4.39 и 4.41 - размер мерзлых комьев не должен превышать 15см, а их общее количество не должно превышать 20% от объема при уплотнении укаткой.

"Руководство по сооружению земляного полотна автомобильных дорог" /21/ П.9.35 и П.9.36 - размер мерзлых комьев не должен превышать 2 0см при уплотнении грунтов катками массой более 25т. Объемное содержание мерзлых комков в насыпи не должно превышать более 2 0% при уплотнении укаткой и при работе трамбующих машин до 30%.

СНиП 3.02.01-8 7 "Земляные сооружения, основания и фундаменты" табл.7,стр.21 - содержание мерзлых комьев для насыпей, уплотняемых укаткой не должно превышать 20%.

ВСН 84-89, п.3.22 - в дорожно-климатической подзоне при остром дефиците качественных талых грунтов для земляного полотна допускается использовать мерзлые, песчаные, глинистые и торфяные грунты. Их уплотняют до норм, указанных в табл.8 (ВСН 8 4-89) или в табл.22 (СНиП 2.05.02-85), после оттаивания в летний период. В

пункте 3.22 допускается применять в полном объеме при соблюдении ранее закрытых, но с 1 июля 1991г. открытых и действующих в полном объеме авторских и патентных прав РФ на способы (технологии) , позволяющие использовать разрыхленные твердомерзлые грунты в дорожном строительстве на территории РФ /23, 24, 25. 26, 27, 28/.

ВСН 204-38, 4.2-3 - для полуострова Ямал допускается применять твердомерзлые песчаные и глинистые, а также пластичномерз-лые торфяные грунты, используя при этом естественные и искусственные теплоизолирующие (в том числе и нетканые) геотекстильные материалы в основании и теле земляного полотна. Мерзлые песчаные грунты допускается использовать в объемах и в соответствии с требованиями, изложенными в табл.9, 10 ВСН 84-89, и табл.2 ВСН 204-88, т.е. песчаные сыпучемерзлые (с влажностью менее 3%) без ограничений по техногенным правилам, установленным для талых грунтов. Для сухомерзлых (с влажностью от 3 до 7%) и твердомерз-лых (с влажностью от 7 до 22%) - размер мерзлых комьев не должен превышать 30см, а содержание мерзлых песчаных комьев обязательно в смеси с сыпучемерзлым песком не должно превышать 50% применимо только для нижней части насыпи. Мерзлые комья различных (песчаных, глинистых, торфяных) твердомерзлых грунтов, в том числе с повышенной влажностью (льдистостью) размерами 30см и более, уложенные в тело насыпи в соответствии с П.3.22 ВСН 8489, а также связносыпучие грунтовые смеси, содержащие более 50% мерзлых комьев, по действующему законодательству РФ /29/ допускается применять при проектировании и строительстве после приобретения лицензии от Союздорнии (через Роспатент РФ) на право

расширенного использования данных грунтов с предоставлением необходимых технологий и обеспечением по ним квалифицированного авторского технического надзора.

Применение разрыхленных глинистых мерзлых грунтов, как с допущением оттаивания, так и с сохранением в многолетнемерзлом состоянии, в теле дорожной насыпи, возводимой в условиях вечной мерзлоты, на начальном этапе внедрения рассматривалось еще в 198 8г. Данные рекомендации были разработаны Омским филиалом Со-юздорнии совместно с Союздорнии при участии производственных трестов "Надымдорстрой" и "Уренгойдорстрой". Однако они не имеют нормативного характера и рекомендованы были только для промысловых дорог. Тем не менее резкое повышение темпов строительства земляного полотна (в 3-4 раза) на отдельных участках строительства со значительным экономическим эффектом (см. Справки внедрения) свидетельствовали о достаточной перспективности этого направления, которое, как и другие, было приостановлено в 19911992 годах из-за резкого снижения объемов строительства и отсутствия государственного финансирования науки, вызванных общим кризисом и перестройкой государственной системы Российской Федерации. С 1992г. внедрение данного направления осуществлялось на основании требований нового законодательства, путем предоставления заинтересованным строительным и проектным организациям не исключительных лицензий.

В настоящее время для обеспечения круглогодичного строительства дорожных насыпей из местных талых грунтов в тундровых и лесотундровых районах Севера необходимо естественное или искусственное оттаивание мерзлого грунта, его осушение и защита от

промерзания в длительный зимний период. Применяемые в настоящее время способы термовлажностной мелиорации (оттаивание и осушение) наиболее распространенных связных грунтов характеризуются низкой эффективностью и на практике малопригодны для климатических условий районов Севера, где теплый период непродолжителен, а осадки обычно преобладают над испарением /II, 30, 31, 32/. В то же время строительство дорожных насыпей можно значительно упростить и в ряде случаев удешевить, используя для отсыпки насыпей непосредственно местные мерзлые грунты. Однако обеспечить достаточную плотность и устойчивость дорожной насыпи, возведенной из комковатого (разрыхленного) мерзлого льдистого связного грунта, сразу весьма сложно, так как при вытаивании ледяных включений его объем уменьшается, а прочность резко снижается. При этом вопросы определения начальной плотности (пустотности) слоев мерзлого комковатого (разрыхленного) грунта, отсыпаемого в насыпь, и расчеты глубины протаивания с учетом осадки и инфильтрации талой воды, прогнозирования происходящих при оттаивании осадок, а также возможности использования повсеместно распространенных в тундровых районах мерзлых переувлажненных глинистых грунтов в имеющихся нормативных документах практически не отражены. Не нашли отражения в данных документах имеющиеся наработки и новые конструктивно-технологические решения с использованием связно-сыпучих смесей (комков мерзлого суглинка, торфа и т.п. с сыпучим дренирующим заполнителем) - наиболее перспективные, по нашему мнению, в настоящее время.

Целью исследований является расширение применения для строительства дорожных насыпей и площадок различных местных

мерзлых грунтов путем использования их в разрыхленном состоянии при строительстве в районах со значительной (более 1,5м) глубиной про�