Реферат. реферат. Устойчивость дорожных откосов на высокольдистых тонкодисперсных грунтах, применительно к строительству в Арктической зоне
 Скачать 72.26 Kb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тверской государственный технический университет» (ФГБОУ ВО «ТвГТУ») РЕФЕРАТ на тему: «Устойчивость дорожных откосов на высоко-льдистых тонкодисперсных грунтах, применительно к строительству в Арктической зоне» Выполнил: магистрант 1го курса Группы М.СТ.ПАД-22.05 Захаров В.С. Тверь 2022 Оглавление1.Вечномерзлые грунты. 3 1.1.Распространение вечномерзлых грунтов. 3 1.2. Основные понятия, термины. 5 2. Принципы проектирования автомобильных дорог в районах вечной мерзлоты. 8 Список используемых источников. 17 Вечномерзлые грунты. Распространение вечномерзлых грунтов. Вечномерзлые грунты распространены на одной пятой части суши Земного шара и встречаются на половине территории РФ, большей части Аляски и одной трети территории Канады. Мировая тенденция развития производительных сил все более отчетливо ориентируется на северные территории. И это не случайно. Действительно, Север - крупнейший и самый богатый фонд свободных земель. Но вместе с тем, весьма слабо изученные пространства, таящие в своих недрах уникальные месторождения ценнейших полезных ископаемых. Наконец, это место обитания многих малых народов, чей быт, уклад жизни и дальнейшее процветание теснейшим образом связаны с его развитием. Вот почему промышленное освоение Севера - одна из крупнейших народнохозяйственных проблем. Но не только на Севере, где-то за Полярным кругом, но и на всей громадной территории Сибири, от Урала на западе до побережья Чукотки на востоке, человек, осваивая новые районы, неизбежно сталкивается со своеобразием природных комплексов, вызванных наличием мерзлой зоны, широким распространением мерзлых пород, подземных льдов. Промышленное освоение новых районов немыслимо без развитой сети автомобильных дорог. Площадь распространения мерзлых пород в РФ составляет 10 млн. 700 тыс. км, превышая на I млн. 400 тыс. км территорию США, включая Аляску. На территории средних и высоких широт обоих полушарий верхние слои литосферы на относительно долгий срок охлаждаются до отрицательной температуры. Грунты, почвы, породы, содержащие включения льда, называются мерзлыми; не содержащие в своем составе кристаллов льда - талыми. Тяжелые природные условия рассматриваемой зоны: низкие отрицательные температуры (до -60°), суровые и длинные зимы (7 - 9 месяцев), близко залегающие к поверхности вечномерзлые грунты, а также отдаленность от экономически развитых районов страны и слабое развитие транспортной сети (0,16 км на 1000 кв. км) - приводят к тому, что стоимость строительства дорог в несколько раз превышает стоимость их строительства в средней полосе. Высокий уровень промышленно-энергетического потенциала нашей страны позволил перейти к интенсивному освоению богатейших природных ископаемых, разведанных в районах распространения вечномерзлых грунтов (в Западной и Восточной Сибири, Якутии и Забайкалье): - Тюменской и Томской областях - запасов нефти, газа и леса; - Красноярском крае и Иркутской области - редких и цветных металлов, леса и энергетических ресурсов рек; - Якутии - алмазов, золота, угля; - Забайкалье - редких и цветных металлов, минерального сырья и др. Однако строительство автомобильных дорог в районах вечной мерзлоты связано с преодолением специфических особенностей природно-климатического характера; наличием вечномерзлых грунтов, преобладанием пылеватых грунтов в деятельном (сезоннооттаивающем) слое и избыточным увлажнением местности. Как показывает многолетний опыт строительства железных и автомобильных дорог в СССР, США и Канаде, отмеченные факторы обусловили специфический подход к назначению дорожных конструкций, земляное полотно которых проектируют и строят преимущественно в насыпях (выемки составляют менее 2 - 3%) из несцементированных обломочных грунтов. Однако отечественная и зарубежная практика дала много примеров деформаций и разрушений на автомобильных дорогах в районах вечной мерзлоты, что указывает на недостаточную изученность и неполноту исследований вопросов проектировании прочного и устойчивого земляного полотна на вечномерзлых грунтах. Применение несцементированных обломочных грунтов в качестве материала для земляного полотна еще не решает проблему его прочности и в то же время приводит к высокой стоимости строительства автомобильных дорог, превышающей в 3 - 5 раз их стоимость в обычных условиях. Наиболее эффективными путями снижения стоимости строительства дорог в рассматриваемых районах следует считать: - расширение объемов применения местных глинистых грунтов для сооружения земляного полотна; - учет специфически особенностей рассматриваемой зоны при проектировании дорожных конструкций с целью обеспечения их длительной прочности и устойчивости. Естественно, рациональное проектирование и строительство транспортных сооружений, в первую очередь земляного полотна, на вечномерзлых грунтах должны базироваться на тщательном изучении материалов детальных геокриологических исследований. В последние годы значительно повысился технический уровень проектирования и строительства земляного полотна автомобильных дорог на вечномерзлых грунтах. Однако еще недостаточно технической, учебно-методической литературы, нормативных и научно-технических документов, обосновывающих рациональные конструкции, материалы и технологию строительства автомобильных дорог на вечномерзлых грунтах. 1.2. Основные понятия, термины.Грунты называются мерзлыми, если они имеют нулевую или отрицательную температуру и содержат в своем составе лед. Грунты называются вечномерзлыми, если они находятся в мерзлом состоянии в продолжении многих лет (от 3-х и более). В их состав входят минеральные частицы, лед, вода и воздух. Величина, форма и состав этих составляющих характеризуют особую криогенную (мерзлотную) текстуру. Различают массивную, слоистую и сетчатую текстуры (рис. 1.1.). Массивная текстура (рис. 1.1., а) характеризуется наличием в основном порового льда. Слоистая текстура (рис. 1.1., б) представляет собой чередование ледяных включений в виде прослоек и линз с минеральными слоями, которые имеют массивную текстуру. Сетчатая текстура (рис. 1.1., в) формируется ледяными включениями, располагающимися в виде сетки.  Вечномерзлые грунты классифицируются: I - по физическому состоянию (или температуре); II - по территориальному распространению; III - по продолжительности существования. I. По физическому состоянию: - низкотемпературные (твердомерзлые), то есть прочно спаянные льдом, практически несжимаемые грунты с температурой ниже границ замерзания грунтов (для песков пылеватых температура замерзания ниже -0,3°С, для супесей ниже -0,6°С, для суглинков ниже -1°С и для глин -1,5° C); - высокотемпературные (пластичномерзлые), то есть с большим содержанием незамерзшей воды, с температурой ниже 0°С и выше температуры замерзания грунтов, обладающие вязкими свойствами и характеризуемые способностью сжиматься под нагрузками oт вооружения. II. По территориальному распространению вечномерзлых грунтов: - районы географически сплошной вечной мерзлоты, то есть обширные пространства, в пределах которых вечная мерзлота, как правило, наблюдается повсеместно; - районы, в пределах которых обширные пространства с вечномерзлыми грунтами на более или менее значительном протяжении расчленены таликами. Талики представляют собой талые породы, ограниченные в своем распространении мерзлыми породами; - острова и районы островов с вечномерзлыми грунтами вдали от общего вечномерзлого массива. III. По продолжительности существования: - кратковременномерзлые грунты (в течение нескольких суток); - сезонномерзлые грунты (в течение нескольких месяцев, менее года); - многолетнемерзлые или вечномерзлые грунты (в течение более 3-х лет до сотен, десятков сотен и даже нескольких тысяч лет), то есть существующие "вечно". Кроме того, могут быть случаи, когда верхний слой грунта при замерзании не сливается с вечномерзлыми (несливающаяся мерзлота) и сливается (сплошная сливающаяся мерзлота) (рис. 1.2.).  Полная глубина сезонного оттаивания h OT устанавливается замерами в конце осеннего периода (X и XI месяцы). На некоторой глубине, называемой глубиной нулевых амплитуд, где не сказываются сезонные колебания температур, замеряют постоянную температуру вечномерзлого грунта. Эта температура с отсутствием амплитуд считается основной характеристикой среднегодовой температуры вечномерзлых грунтов. Однако она непостоянна даже для одного конкретного района, а изменяется в зависимости от состава пород, их льдистости, экспозиции склона, наличия грунтовых вод и т.п. 2. Принципы проектирования автомобильных дорог в районах вечной мерзлоты.Обычно у поверхности земли находится слой, который ежегодно летом оттаивает, а зимой замерзает. Он называется деятельным (сезоннооттаивающим) слоем. Для инженерных целей важнейшим вопросом является изучение физических процессов в сезонноталом (деятельном) слое и его толщины, поскольку инженерные сооружения главным образом возводятся на этом и в этом слое. Постройка дороги вносит большие изменения в природный режим вечномерзлых грунтов. Влияние этих изменений необходимо иметь все время в виду, принимая те или иные проектные решения. Вырубка деревьев и кустарников на придорожной полосе и удаление мохового покрова способствуют увеличению толщины деятельного слоя. При оттаивании пылеватые льдонасыщенные вечномерзлые грунты из твердого состояния переходят в разжиженное, растекаясь под действием собственного веса. Оттаивание вечномерзлого грунта под невысокими насыпями в зависимости от количества льда, содержащегося в грунте, вызывает дополнительные осадки или полное расползание насыпей. На участках с близким к поверхности расположением погребенного льда при таянии на полосе отвода могут возникать провальные озера (термокарстовые явления). Откосы выемок, разработанных в вечномерзлых грунтах и содержащих прослойки льда при оттаивании, подвержены оплывам. Наоборот, средние и высокие насыпи создавая теплоизоляцию, способствуют поднятию уровня вечной мерзлоты, которая может входить в тело насыпи. Наиболее распространенный во всех зонах вид деформации - пучение земляного полотна. Оно происходит вследствие объемного расширения воды в связном грунте, при этом наибольшее пучение вызвано дополнительным поступлением воды, перемещающейся в мерзлый грунт из нижележащих талых слоев грунта. Пучение интенсивно проявляется в южной части зоны вечной мерзлоты. Здесь же наблюдаются значительные деформации земляного полотна, возникающие из-за затопления его наледями. Изменение режима подземных вод и водотоков зимой при промерзании грунта часто приводит к прорыву их на поверхности и затоплению окружающей местности и дорожных сооружений, сопровождающееся полным разрушением проезжей части. На Крайнем Севере, наоборот, значительные деформации (термокарстовые образования, просадки и осадки) возникают в результате протаивания грунтов деятельного слоя. Различные мерзлотно-грунтовые условия, характеризующиеся разными типами местности, обусловливают дифференцированный подход к проектированию и строительству земляного полотна автомобильных дорог. Гидротехнические, промышленные и жилые сооружения в большинстве случаев своими фундаментами опираются на вечномерзлую толщу, мало или почти не меняющую своих свойств во времени. Основной элемент автомобильной дороги - земляное полотно, которое возводится на грунтовом слое, изменяющем в годовом периоде свои свойства от воздействия природных факторов, и, в первую очередь, температуры воздуха. Из этого следует, что устойчивость дорожной конструкции в период эксплуатации зависит главным образом от состояния грунта основания (мерзлое или талое), его вида и влажности. В настоящее время рекомендуется использовать грунты сезоннооттаивающего слоя в качестве основания земляного полотна по одному из следующих принципов. Первый - сохранение вечномерзлых грунтов в основании земляного полотна в течение всего периода эксплуатации дороги. Второй - частичное оттаивание мерзлых грунтов основания на величину, определяемую расчетом. Третий - оттаивание вечномерзлых грунтов до начала строительства дороги и осушения придорожной полосы. В настоящее время действующим нормативным документом, регламентирующим проектирование и строительство автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты, является ВСН 84-89 [1]. Документ предусматривает следующий порядок проектирования: - исходя из грунтово-гидрологических и природно-климатических условий назначают принцип проектирования: первый, в соответствии с которым основание насыпи сохраняется в мерзлом состоянии и верхний горизонт вечной мерзлоты (ВГВМ) поднимается не ниже подошвы насыпи, или второй, допускающий оттаивание основания на расчетную глубину, исходя из его допустимой осадки (по СНиП 2.02.05-85, [2]); - выполняют расчет требуемой высоты насыпи (по ее оси), сооружаемой в соответствии с 1 или 2 принципом. В основу расчетных зависимостей для определения требуемой высоты насыпи положена нормативная глубина оттаивания грунта, из которого отсыпана насыпь, определяемая по справочным данным для района строительства дороги. Влияние материалов дорожной одежды, имеющих иные теплофизические характеристики, на глубину оттаивания дорожной конструкции, учитывают путем введения эквивалентных слоев, заменяя один материал другим, исходя из пропорциональной зависимости между толщиной слоя в конструкции и нормативной глубиной оттаивания материала этого слоя. Это справедливо при условии, когда глубина оттаивания зависит от времени линейно, что имеет место в первой половине теплого периода. В расчете высоты насыпи, запроектированной по 2-му принципу, учитывается допускаемая осадка для используемого типа покрытия. Обычно высота насыпи, сооружаемой по 1-му принципу, составляет не менее 2,5 – 3,5 м для различных регионов зоны вечной мерзлоты. В случае использования 2-го принципа при строительстве на непросадочных и малопросадочных при оттаивании грунтах, высоту насыпи назначают не ниже, чем по условию снегонезаносимости, что составляет от 1,3 м до 1,5 м в зависимости от региона и категории дороги. Как правило, ВГВМ поднимается под центральной частью насыпи на некоторую высоту, не достигая подошвы насыпи и опускается под ее откосом. Оттаивание многолетнемерзлых грунтов под откосами насыпи происходит потому, что мохоторфяной покров, являющийся естественным теплоизолятором, сжимается, а толщина слоя грунта над ним недостаточна, чтобы компенсировать термическое сопротивление мохоторфа. Торф может быть теплоизолятором только в неуплотненном состоянии, когда содержит большое количество воздуха и воды. Пузырьки воздуха одинаково препятствуют теплопередаче в летнее и зимнее время, вода же способствует понижению температуры грунтов основания, поскольку теплопроводность льда в 4 раза выше теплопроводности воды: в зимнее время лед, имея высокую теплопроводность, способствует охлаждению грунтов, а в летнее время вода с более низкой теплопроводностью препятствует их растеплению. В силу этих причин основание под откосом насыпи является ее «слабым местом» независимо от высоты насыпи. Так, при увеличении ее высоты ВГВМ поднимается в тело насыпи, образуя в ее центральной части мерзлое ядро, которое, однако, не может препятствовать оттаиванию под откосами. При этом чем выше насыпь, тем больше снега скапливается у подножия ее откосов. Как известно, снег является мощным природным теплоизолятором, оказывающим значительное влияние на процессы теплообмена между атмосферой и дневной поверхностью. При достижении снежным покровом определенной для данных природных условий мощности температура поверхности грунта под ним повышается, что может привести к деградации мерзлоты [3]. На устойчивость насыпи также влияет нарушение в процессе строительства мохорастительного покрова вдоль насыпи в зоне, примыкающей к ее подошве: тепловые потоки беспрепятственно перемещаются к основанию насыпи, способствуя повышению температуры многолетнемерзлых грунтов. Кроме того, в результате деградации мерзлоты происходит вытаивание льда, что может привести к обводнению сооружения. Если влага, присутствующая в торфе, способствует сохранению мерзлоты, то вода, стоящая около насыпи, вызывает обратный эффект: в летнее время под воздействием солнечной радиации вода нагревается и отепляет грунт. Если же вдоль насыпи рельеф имеет уклон, то достаточно часто наблюдается размыв с образованием канав, разрушающих откосы. Следовательно, в регионах со значительным снегопереносом, например, в некоторых районах Крайнего Севера, следует ожидать оттаивания мерзлых грунтов под откосами насыпи независимо от ее высоты. Так, результаты компьютерного моделирования, выполненные в Центральной лаборатории инженерной теплофизики ОАО ЦНИИС, показали следующее [4]. Основание насыпи автомобильной дороги высотой 1,20 м в условиях г. Новый Порт оттаяло на глубину 1,30 м при фоновом оттаивании деятельного слоя на глубину 1 м. В процессе реконструкции дороги предполагалось увеличить высоту насыпи до 3 м. Следует отметить, что рекультивация земель по окончании строительства приобретает в зоне вечной мерзлоты особое значение. Если на территории средней полосы после уничтожения растительного покрова через некоторое время (2 – 5 лет) происходит его естественное восстановление, то в зоне вечной мерзлоты, в особенности в районах Крайнего Севера, вследствие короткого вегетационного периода для самопроизвольного восстановления растительности требуются десятки лет. Достаточно часто происходит размыв и унос частиц грунта совместно с не успевшими укоренится растениями. То, что разрушение растительного покрова в зоне вечной мерзлоты вызывает термокарст и эрозию, хорошо известный факт: так, в XVII веке русские поселенцы в Якутии уничтожали леса и устраивали пашни, на месте же пашен вследствие деградации мерзлоты и вытаивания льда постепенно образовывались понижения рельефа, заполненные водой. Однако это обстоятельство достаточно часто не принимается во внимание, и вдоль насыпей, а также на других участках с разрушенным в процессе строительства растительным покровом возникают термокарстовые новообразования, создающие опасность нарушения устойчивости расположенных рядом сооружений. Накопленный опыт строительства в зоне вечной мерзлоты показывает, что оттаивание многолетнемерзлых грунтов в основаниях насыпей происходит в течение ряда лет, при этом в первые два – три года после отсыпки насыпи глубина оттаивания может составить 10-15% от конечной, которая достигается через 20 – 30 лет. Следовательно, при строительстве дорог с коротким сроком службы следует ориентироваться не на максимально возможное (потенциальное) протаивание основания, а на соответствующее сроку эксплуатации. Так, срок службы временных дорог составляет 3 года, дорог низких категорий – 8 лет. Очевидно, что расчетные методы, разработанные более 40 лет назад (в ВСН 84-89 они были введены из Инструкции ВСН 84-75 [5]), морально устарели. Поскольку в настоящее время существует возможность компьютерного моделирования процессов теплопередачи, позволяющая прогнозировать температурный режим с учетом воздействия ряда погодно-климатических факторов, целесообразно изменить общий порядок проектирования земляного полотна в зоне вечной мерзлоты. Как известно, во многих регионах зоны вечной мерзлоты широко распространены пылеватые, а также засоленые грунты, малопригодные для сооружения насыпи. Поэтому, учитывая наличие широкого разнообразия геосинтетических материалов, проектировать земляное полотно следует, если позволяет рельеф, в низких насыпях (т.е. по условию снегонезаносимости), применяя геосинтетики для обеспечения его устойчивости. Исходя из этого проектирование автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты на участках с наличием просадочных при оттаивании грунтов предлагается осуществлять следующим образом: - выполнение теплофизического расчета, и на его основании оценка размеров талой зоны под насыпью в двухмерной постановке на конец срока службы сооружения, с учетом теплового влияния зоны с нарушенным мохорастительным покровом, примыкающей к насыпи; - оценка устойчивости оттаявшего основания на сдвиг и прогноз его осадки; - если сдвигоустойчивость не обеспечена, и/или осадка оттаявшего грунта превышает допустимую, назначение мероприятий (несколько вариантов), направленных на повышение устойчивости сооружения: Уменьшение талой зоны путем применения теплоизоляторов; Применение армирующих материалов для повышения несущей способности оттаявшего грунта; Комплексный метод, сочетающий теплоизоляцию и армирование; - сравнение вариантов по трудозатратам и себестоимости. Например, для низкой насыпи в качестве первого варианта на основе теплофизических расчетов назначают требуемую толщину теплоизолятора и его оптимальное размещение в конструкции. Если грунты основания относятся к малопросадочным (относительная осадка 0,01 - 0,1), то возможно допустить протаивание основания на некоторую глубину, исходя из допустимой осадки основания, теплоизолирующий слой следует устраивать только под откосами. Если грунты основания относятся к чрезмерно просадочным (относительная осадка 0,6 – 1,0 [1]), то следует уменьшить талую зону до минимально возможных размеров. Существенную роль в назначении толщины теплоизолирующего слоя также играет тип дорожной одежда и грунт насыпи (степень его уплотнения), поскольку допустимая суммарная осадка нестабильных слоев насыпи и основания зависит от типа покрытия. Так, при сборном покрытии, устраиваемом в одну стадию, и при нестабильной насыпи, отсыпанной из мерзлокомковатого грунта, суммарная осадка грунтов земляного полотна не должна быть более 2 см. Если в качестве покрытия применена объемная георешетка с заполнителем (покрытие переходного типа), то допустимая осадка основания не должна быть более 8 см [2]. Если же насыпь отсыпана из талого грунта и уплотнена до требуемой плотности, то допускается осадка основания 20 см. Для предотвращения размывов вдоль насыпи предлагается закрепление растительного грунта при помощи геосинтетического материала в виде бермы и посев трав. Если вместо растительного грунта использовать неуплотненный торф толщиной не менее 0,3 м, то он может служить теплоизолятором, тогда берма будет выполнять две функции: теплоизоляция и закрепление грунта. В качестве второго варианта можно предложить конструктивное решение с применением армирующего материала* (объемной георешетки**, либо грунтового модуля, либо геоматрицы), позволяющего перераспределить нагрузку от насыпи на слабый грунт основания. Параметры армирующего материала (размеры ячеек, прочность ленты) назначают по расчету исходя из действующей нагрузки. Георешетки и грунтовые модули как правило применяют совместно с подстилающим слоем нетканого геотекстиля. Армирование не исключает осадку полностью, однако уменьшает ее величину, а также снижает ее неравномерность. Уменьшить величину осадки можно путем уменьшения глубины оттаивания. Для этого ячейки армирующего материала вне насыпи следует заполнить торфом. Необходимую для уменьшения оттаивания толщину слоя торфа назначают на основе теплофизических расчетов. Следует отметить, что теплоизолятор в данном случае не исключает оттаивание основания, а только уменьшает его величину. Необходимо учитывать, что применение практически любого конструктивного решения следует выполнять только в соответствующих ему условиях. Например, если водоотвод не обеспечен и имеет место обводнение насыпи, то теплоизолирующие слои из пенополистирольных плит практически не дают эффекта, а армирование в этом случае должно выполняться с учетом пониженной прочности грунтов в водонасыщенном состоянии. Общие выводы: У высоких насыпей, запроектированных исходя из условия недопущения оттаивания основания, устойчивость откосов не всегда обеспечена. При строительстве дорог на льдистых, просадочных при оттаивании грунтах в условиях дефицита грунтов, пригодных для сооружения насыпи, целесообразно снижать по возможности высоту насыпи, применяя для обеспечения устойчивости геосинтетические материалы: теплоизолирующие и/или армирующие. В связи с наличием возможности прогнозирования тепловых процессов путем компьютерного моделирования следует изменить порядок проектирования насыпей, начиная с мерзлотного прогноза. В связи с разнообразием природно-климатических и грунтово-гидрологических условий в зоне вечной мерзлоты, не может быть универсальных конструктивных решений. При применении каждого из них необходимо оценить воздействие факторов, влияющих на условия эксплуатации сооружения. Действующий нормативный документ ВСН 84-89 нуждается в актуализации. Документ должен включать методические рекомендации по применению геосинтетических материалов при строительстве автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты. Список используемых источников.1.Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты. ВСН 84 – 89. Минтрансстрой, М.: 1989. 2. СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги». Госстрой СССР, 1986 3. Кузнецова И.Л., Пармузин С.Ю. Региональные закономерности развития процессов многолетнего промерзания и протаивания грунтов при хозяйственном освоении севера западной Сибири. – В кн.: Формирование мерзлых пород и прогноз криогенных процессов. М., Наука, 1986, с. 176 – 183. 4. Отчет о научно-исследовательской работе «Анализ температурного режима вечномерзлых грунтов оснований мостовых опор в условиях полигона на разъезде 15 и на мостах ж.д.линии Обская-Бованенково с проведением теоретических исследований и разработкой рекомендаций по конструкции и технологии возведения опор. Этап 1. Исследование охлаждающего влияния термоопор. ОАО ЦНИИС, Центральная лаборатория инженерной теплофизики. Москва 2010. 5. Инструкция по изысканию, проектированию и строительству автомобильных дорог в районах вечной мерзлоты. ВСН 84 – 75, Минтрансстрой, М.: 1976 |