Обеспечение устойчивости автомобильных дорог в криолитозоне
Фото: Доля Сергей/GeoPhoto
Вследствие глобального изменения климата отмечается ускорение процессов деформации автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты. Обеспечение устойчивости автомобильных и железных дорог в криолитозоне является одной из наиболее сложных задач, поставленных учёными – мерзлотоведами, инженерами транспорта и строителями. Ещё в 1889 г. Л.А. Ячевский в своём докладе «О вечно мерзлой почве Сибири» говорил о практическом значении исследования мерзлых пород при строительстве железных дорог и о необходимости расширения теоретических знаний по этому вопросу. Специфичность самого феномена вечной мерзлоты и опыт использования мёрзлых грунтов в качестве оснований определяет основные причины и некоторые факторы деформаций сооружений. Следует отметить быструю деградацию мерзлоты при снятии растительного покрова и переувлажнении поверхности грунтов.
Деформации, вызванные процессами тепловой осадки и пучения грунтов, в регионах распространения многолетнемерзлых пород (ММП) и глубокого сезонного промерзания, происходят существенно быстрее и имеют больший масштаб, чем в условиях распространения талых грунтов. Большую опасность для движения и устойчивости полотна создают наледи, в значительном количестве появляющиеся около земляного полотна [1].
Накопленные данные об эксплуатации автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты показали, что полученные в прошлом столетии общие технические наработки не позволяют учесть существующие геокриологические условия и спрогнозировать их динамику.
В 2012 году на Р-297 «Амур» было зарегистрировано 313 дефектов покрытия. Дорожники на следующий же год ликвидировали более 100 из них, ежегодно продолжали эту работу, но количество деформаций росло с угрожающей скоростью, к 2015 году их стало уже 504. Просадки земляного полотна появлялись ежегодно десятками. В основном — возле водопропускных труб, на подходах к мостам, на высоких насыпях, в нулевых точках, в местах устройства кюветов, на болотистой местности и в области распространения в подошве насыпи курумников («каменной россыпи»). То есть там, где поверхностные и грунтовые воды фильтруются через насыпь и нижележащий грунт.
Чтобы повысить безопасность дорожного движения и надежность дорожных конструкций, возводимых на мерзлых грунтах, Федеральное дорожное агентство Росавтодор Распоряжением № 1759-р от 30.04.2021 утвердил план мероприятий (дорожную карту) по организации мониторинга состояния участков автомобильных дорог общего пользования федерального значения, проходящих по территории распространения многолетнемерзлых грунтов криолитозоны для адаптации к изменениям климата.
На примере автодорог федерального значения А-331 «Вилюй», Р-504 «Колыма», А-360 «Лена», Р-297 «Амур» Росавтодор совместно с профильными научно-исследовательскими организациями разрабатывает систему мониторинга.
Новизна этой работы — в параллельной реализации геокриологического мониторинга и прогнозирования неблагоприятных процессов. Предполагается комбинировать возможности локального наземного мониторинга и дистанционного зондирования земли при контроле состояния грунтового основания автодорог в условиях вечной мерзлоты.
Основная задача - это разработка системы мониторинга инженерно-геокриологических условий для контроля состояния и эффективной эксплуатации автодорог. Система геотехнического мониторинга автодорог криолитозоны должна включать в себя мониторинговые стационарные посты и устройства для размещения на ключевых участках дорог в различных инженерных геокриологических условиях. Информация, получаемая с этих постов, — о параметрах водно-теплового режима, процессах в полосе отвода, микродеформации дорожной одежды — позволит контролировать состояние дорожной конструкции и прогнозировать динамику деформационных процессов уже на самой ранней стадии их развития. С помощью такого мониторинга следует разрабатывать и осуществлять превентивные мероприятия для корректировки и поддержания мерзлотно-грунтовых условий дороги.
Первый этап реализации дорожной карты предусматривает разработку и утверждение методических рекомендаций по организации инженерно-геокриологического мониторинга и оборудованию соответствующих постов в полосе отвода автомобильных дорог криолитозоны.
Основные задачи, которые придется решить при разработке рекомендаций:
- выявление причин образования деформаций дорожных конструкций;
- разработка подходов к контролю состояния грунтового основания автодорог и прогнозированию неблагоприятных процессов на сложных участках автодорожной сети криолитозоны;
- исследование влияния температурных условий эксплуатации на вязко-пластично-упругие свойства асфальтобетонных слоев в условиях криолитозоны;
- определение параметров напряженно-деформированного состояния дорожной одежды с его мониторингом в различные периоды года;
- отработка методики геокриологического и геотехнического мониторинга на отдельных ключевых участках, представляющих особый интерес либо в наибольшей степени затронутых неблагоприятными геокриологическими процессами, находящихся в пределах контрастно различающихся ландшафтов.
Основные деформации на автодорогах в зоне вечной мерзлоты — неконтролируемые просадки и неравномерные осадки оттаивания, расползание насыпи земляного полотна, оползание обочин и откосов, разрушение откосов под влиянием термоэрозии, морозного пучения и процессов наледеобразования, солифлюкция на пологих склонах вдоль дороги. Кроме того, в процессе эксплуатации, в дорожных одеждах возникают собственные деформации и дефекты, обусловленные климатическими и геокриологическими условиями.
Необходимость разработки методического руководства вызвана значительным пробелом в действующей нормативной базе, связанной с эксплуатацией автомобильных дорог на территории криолитозоны России. Этот пробел выражен в отсутствии комплексного подхода к получению и обработке данных изысканий и мониторинга. За рубежом ситуация выглядит более благополучной, но зарубежный опыт не может быть применён в России без существенной переработки. Все существующие документы нацелены на изыскания, что не пригодно для целей мониторинга.
В существующей системе нормативных документов требования к проведению изысканий, проектирования и строительства автомобильных дорог в районах вечной мерзлоты регламентируются положениями свода правил СП 313.1325800.2017. В меньшей степени это сопутствующие документы: ОДН 218.046-01, ПНСТ 542-2021, ОДМ 218.8.001-2009 «Методические рекомендации по специализированному гидрометеорологическому обеспечению дорожного хозяйства», ОДМ 218.8.002-2010 «Методические рекомендации по зимнему содержанию автомобильных дорог с использованием специализированной гидрометеорологической информации (для опытного применения)», ОДМ 218.6.2.001-2020 «Методические рекомендации по оснащению искусственных сооружений на автомобильных дорогах системами обеспечения противогололёдной обстановки».
В результате проведения инженерно-геологические изысканий, в том числе в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов для строительства автомобильных дорог, должна быть получена полная комплексная характеристика инженерно-геологических условий района изысканий. Такая характеристика должна включать оценку геологического, геоморфологического, гидрогеологического строения района, инженерно-геологических, геокриологических условий, развития природных и техногенных инженерно-геологических процессов и явлений, криогенных процессов, строения и свойств грунтовой толщи района изысканий. Наряду с этим, важнейшей задачей инженерно-геологических изысканий является прогноз изменения строения и свойств грунтов, геокриологических условий и развития инженерно-геологических и криогенных процессов, необходимость которого определяется во всех рассмотренных нормативных документах, регламентирующих проведение изысканий. Такая оценка может быть получена по результатам комплексных исследований, включающих анализ ранее выполненных исследований, климатических, геокриологических, гидрологических и гидрогеологических условий, дешифрирование материалов дистанционных съемок, полевых наблюдений, полевых и лабораторных определений строения и свойств грунтов, районирования территории по условиям залегания и возможности развития инженерно-геологических процессов различной природы и других видов и методов исследований.
Важнейшее место среди таких исследований занимают лабораторные исследования строения и свойств грунтов, результаты которых должны служить основой для обоснования прогноза изменения инженерно-геологических условий и развития природных и техногенных процессов, влияющих на устойчивость и безопасность инженерных сооружений и объектов, в том числе автомобильных дорог и дорожной инфраструктуры. Виды и методики лабораторных исследований грунтов регламентируются нормативами ГОСТ, и эти требования должны быть специально рассмотрены более подробно.
В итоге методические рекомендации будут содержать:
- перечень контролируемых при мониторинге параметров;
- рекомендации по оборудованию режимных наблюдательных постов на ключевых участках автодорог в криолитозоне;
- рекомендации по выбору мест их размещения в полосе отвода автодороги;
- рекомендации по использованию дистанционного зондирования земли;
- рекомендации по сбору, накоплению и анализу поступающей при мониторинге информации с целью ее использования в инженерных расчетах и прогнозе эксплуатационного состояния автомобильных дорог.
Автор: Дернова Е.О.
Список литературы
1. Чекотилло А.М. Наледи и борьба с ними. — М.: Дорожное издательство ГУШОСДОРа НКВД СССР, 1940. — 133 с.
2. А. Копотилов Дорожное строительство в криолитозоне// Дороги России. 2021. № 5 (125). С. 10-22.