768

2.2.Основные виды деформаций земляного полотна

2.2.1.Мерзлотные деформации земляного полотна

Земляное полотно автомобильных дорог в районах Сибири и Крайнего Севера наряду с деформациями, которые характерны и для других дорожно-климатических зон страны, претерпевает также деформации, обусловленные специфическими мерзлотными процессами.

Эти специфические процессы усугубляются целым рядом негативных особенностей, существующих при проектировании и строительстве автомобильных и железных дорог в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, среди которых [45, 46]:

1)наличие значительных территорий, занятых болотами, марями и многолетнемерзлыми грунтами;

2)переувлажнение в летнее время сезоннооттаивающего слоя грунта, подстилаемого водоупорным мерзлым горизонтом;

3)длительный зимний период с очень низкими температурами воздуха;

4)наличие сильнольдистых многолетнемерзлых грунтов и погребенных жильных льдов, оттаивание которых приводит к термокарстовым провалам;

5)широкое распространение негативных мерзлотногеологических процессов, таких как: бугры пучения, морозобойные трещины, солифлюкция, наледи и т.д.

Морозное пучение грунтов – неоднородное по площади проезжей части вспучивание дорожной одежды, обусловленное сочетанием неблагоприятных факторов: наличия пучинистых грунтов, условий, подходящих для влагонакопления и промерзания грунтов под дорожной одеждой на достаточную глубину. Физическая сущность пучинообразования состоит в перераспределении, накоплении и замерзании воды в верхней части земляного полотна.

Внешними признаками пучинообразования являются неравномерные поднятия участков покрытия, образования отдельных бугров или их группы, развитых по площади проезжей части с различной степенью интенсивности [24].

41

хода грунтовых и наледных вод, неодинаковая глубина промерзания грунтов земляного полотна в продольном и поперечном направлениях.

В геоморфологическом отношении более подвержены пучинообразованию равнинные участки с необеспеченным поверхностным стоком, наличием торфорастительной прослойки в основании насыпи или с высоко расположенным уровнем грунтовых вод.

По конструктивным признакам наиболее неблагоприятными факторами считаются [47]:

–выпуклые и вогнутые переломы продольного профиля;

–затяжные уклоны автомобильных дорог;

–места пересечения микрологов и узких складок местности;

–места примыкания съездов и пересечений дороги к подземным инженерным коммуникациям и т.д.

По грунтовым признакам наиболее опасными с позиций пучинообразования является наличие пылевато-глинистых грунтов.

Сезонные (однолетние) бугры пучения имеют высоту от 10– 20 см до 1–2 м и ширину от 1–2 до 5–6 м и образуются в пределах деятельного слоя при наличии грунтовых (надмерзлотных) вод в районах с пересеченным рельефом – у подножья склонов, в долинах малых рек, в руслах временных водотоков [26]. Причина их возникновения – промерзание замкнутых систем или потоков грунтовой воды, находящейся под гидростатическим напором в деятельном слое, в местах с неглубоким залеганием водоупора

[48].Чаще всего они являются следствием инъекционного и миграционного пучения при промерзании обводненных горизонтов несквозных таликов в основании земляного полотна. Лед таких бугров, как правило, оттаивает в летний сезон. Сезонные бугры пучения очень часто являются причиной деформаций автомобильных дорог, поэтому их предупреждение и борьба с ними являются одной из важнейших инженерных проблем.

Гидролакколиты – инъекционные бугры пучения, образующиеся в результате возникновения очагов разгрузки напорных подземных вод и внедрения ледяных тел в основание и само земляное полотно (рис. 4).

43

Рис. 4. Схема образования гидролакколита в основании насыпи

Причиной образования гидролакколитов является изменение гидродинамического напора подземных вод. Обычно мощность органо-минеральной породы в кровле под инъекционным льдом, слагающим ядро гидролакколитов, близка к мощности сезонноталого или сезонно-мерзлого слоя и редко превышает 1–1,5 м. В силу этого гидролакколиты быстро разрушаются, а затем возникают вновь.

Деформации, связанные с опусканием верхнего горизонта многолетней мерзлоты. Эти де-

формации связаны с широким распространением в зоне многолетней мерзлоты переувлажненных глинистых грунтов. При понижении верхнего горизонта многолетней мерзлоты под дорожным полотном образуется чаша протаивания, в которой собирается вода. Это

приводит к увеличению мощности сильносжимаемой талой прослойки в основании насыпи, переувлажнению грунтов основания, резкому снижению их несущей способности, быстрому развитию неравномерных осадок и, как следствие, к значительным деформациям земляного полотна и дорожной одежды (рис. 5).

44

Причиной понижения верхнего горизонта мерзлоты может служить недостаточная высота насыпи, нарушение мохоторфяного покрова в ее основании, сверхнормативная ширина просеки, наличие водоотводных канав или резервов у подошвы откосов [48, 49]. К таким же результатам зачастую приводит несоблюдение технологии производства работ по возведению земляного полотна: нарушение сроков строительства, устройство технологического проезда вблизи дороги, открытие в весеннелетний период движения по земляному полотну, не отсыпанному до проектных отметок, отсыпка насыпи при значительной глубине протаивания основания и т.д.

Величина понижения поверхности вечномерзлых грунтов в основании насыпи особенно велика в районах с залеганием высокотемпературных многолетнемерзлых грунтов. В основании насыпи она может в 2–4 раза превышать мощность естественного деятельного слоя, наблюдаемую до ее возведения. В этом случае насыпи необходимо проектировать с запасом по ширине и высо-

те [48, 50].

Термокарст. Там, где в основании насыпи на небольшой глубине от дневной поверхности залегают льдонасыщенные грунты и (или) прослойки линзы жильного льда, деформации земляного полотна при оттаивании этих грунтов могут принимать катастрофический характер в виде провалов части или всей насыпи. Признаком таких мест зачастую являются термо-

карстовые озера, расположенные у подошвы откосов (рис. 6). Причиной возникновения термокарста является изменение

теплообмена на поверхности, при котором глубина сезонного оттаивания начинает превышать глубину залегания подземного льда.

45

Нередки случаи, когда происходит нарушение устойчивости всего земляного полотна в поперечном направлении, сопровождающееся разрывом и расползанием насыпи по мерзлым поверхностям купола.

Сплывы откосов и оползание насыпей. Очень часто деформа-

ции такого типа происходят на косогорных участках из-за неполного учета наличия вечной мерзлоты. Типовое мероприятие в виде нарезания уступов в основании насыпи приводит к нарушению существовавшего водно-мерзлотного режима косогора, которое сопровождается понижением верхнего горизонта мерзлоты, оттаиванием грунтов, увеличением их влажности, что способствует возникновению идеальной плоскости скольжения (рис. 8). Эффективным методом повышения устойчивости насыпей на косогорных участках является рациональное конструирование поперечного профиля и формирование нужного очертания верхнего горизонта многолетнемерзлых грунтов.

Рис. 8. Сдвиг насыпи на косогоре по поверхности оттаивающего грунта

Деформации выемок в зоне вечномерзлых грунтов наблюдаются в виде сплывов откосов, нарушения конструкции водоотводных канав, просадок основной площадки настолько часто, что делают эту конструкцию весьма дорогой и трудоемкой в эксплуатации [49].

Оползни образуются в результате смещений сильно обводненных грунтов по подошве сезонно-талого слоя в бортах выемок. Глубина захвата бортов оползнями достигает нескольких метров и может выходить за пределы этого слоя.

Наледи возникают вследствие нарушения режима подземных вод и поверхностных водотоков. При промерзании в зимний период живое сечение потока сужается, он становится напорным, что приводит к прорыву воды на поверхность, загромождению льдом проезжей части, заполнению отверстий искусственных сооружений льдом, разрушению дорожных сооружений. Подтопление верха насыпи наледью приводит к нарушению прочности и

47

Процесс наледеобразования не является постоянным на протяжении зимы, часто прерываясь. Периоды затишья сменяются временем активизации, сопровождаемым прорывами и выбросом на поверхность наледного поля в разных его местах и с разной интенсивностью напорных подземных вод, их растеканием и последующим замерзанием [26].

Нередко развитие небольших наледей с ограниченными источниками питания приостанавливается в начале зимы. Возобновление наледных процессов происходит лишь во второй половине зимы. К этому времени криогенные напоры в системе питающих наледь таликов достигают максимума.

Деформации насыпей на марях чаще всего проявляются в ви-

де неравномерных осадок и просадок. Такие деформации зачастую носят локальный характер, проявляясь на протяжении до 100–300 м. В отдельных случаях протяженность нестабильных участков может достигать одного километра и более. Иногда на общем фоне значительных по длине оседаний наблюдаются отдельные места с большей интенсивностью деформаций. Особенно часто это имеет место на подходах к мостам и над водопропускными трубами.

Вместах развития таких деформаций очертания насыпи искажаются, обочины неравномерно оседают, термокарстовые образования на поверхности мари у подошвы откосов заполняются водой с последующим образованием вдоль насыпи озер, бермы опускаются и уходят под воду.

Одновременно с вертикальными осадками происходит горизонтальное смещение боковых частей насыпи и берм, которое иногда сопровождается отрывом боковых частей насыпи и уступом по высоте.

Основной причиной деформаций земляного полотна на марях является нарушение условий теплообмена после отсыпки насыпи. Исключаются затенение поверхности и испарение влаги растительностью. Грунты насыпи из-за низкой влажности быстрее промерзают и оттаивают. Поверхность дренирующего грунта в дневное время нагревается в несколько раз выше по сравнению с затененной марью. В целом насыпь взаимодействует с многолетнемерзлым грунтом как нагретый штамп.

Врезультате под насыпями образуется характерная чаша оттаивания, пониженная часть которой располагается под основной

49