"ОДМ 218.2.086-2019. Отраслевой дорожный методический документ. Методические рекомендации по геокриологическому прогнозированию устойчивости дорожных сооружений при проектировании, строительстве и эксплуатации автомобильных дорог"
(издан на основании Распоряжения Росавтодора от 21.08.2019 N 2215-р)

1 РАЗРАБОТАН обществом с ограниченной ответственностью "Сибирский инновационный дорожный центр" (ООО "СибИНДОР") совместно с ФГБОУ ВПО СибАДИ и ОАО "Омский СоюзДорНИИ".

2 ВНЕСЕН Управлением строительства и эксплуатации автомобильных дорог Федерального дорожного агентства.

3 ИЗДАН на основании распоряжения Федерального дорожного агентства от 21.08.2019 N 2215-р.

4 ИМЕЕТ РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ ХАРАКТЕР.

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ.

1.1 Настоящий отраслевой дорожный методический документ (далее - методический документ) разработан в развитие и дополнение к рекомендациям [1] и нормам [2].

1.2 Данный методический документ предназначен для опытно-экспериментального применения с дальнейшим развитием и дополнением необходимых расчетных методик. Предлагаются различные защитные конструктивно-технологические решения, повышающие тепловую и общую устойчивость как ранее возведенных, так и вновь строящихся дорожных насыпей. Учитывается отепляющее воздействие происходящего и прогнозируемого на ближайшие 50 - 100 лет глобального потепления климата [3, 4]. Для северных территорий Российской Федерации (характеризующихся наличием вечной мерзлоты) наблюдаемое глобальное потепление характеризуется постепенным увеличением объема выпадающих осадков (в среднем на 10% - 20% с 1980 по 2015 г.) и повышением зимних температур воздуха (от 1,5 °C - 2 °C до 2,5 °C - 3 °C и более).

1.3 Настоящий методический документ применяется при проектировании и реконструкции дорожных насыпей, на многолетнемерзлых грунтах (ММГ) с проверкой их тепловой устойчивости (по коэффициенту тепловой устойчивости). Также его отдельные положения используются при строительстве, эксплуатации, инженерно-геокриологических обследованиях и мониторинге дорожных сетей.

1.4 Данный методический документ предназначен для автомобильных дорог общего и другого назначения (промысловых, притрассовых, подъездных и др.), переводящихся затем по мере необходимости в общую группу пользования, сооружаемых в зоне вечной мерзлоты (в том числе и запроектированных по универсальному принципу проектирования независимо от категорийности).

1.5 В этом документе приводится общая методика прогноза тепловой устойчивости дорожных насыпей и решения по усилению природного (естественного) охлаждающего воздействия на их мерзлое основание со снижением различных отепляющих воздействий. Предлагаются мероприятия, уменьшающие неравномерные осадки дорожных сооружений при оттаивании грунтов насыпи и основания в период эксплуатации по универсальному (экологическому) принципу проектирования.

1.6 Настоящий методический документ предполагает реализацию решений, минимизирующих общие затраты за счет максимального использования местных природных теплоресурсов и материалов с преобразованием новых комплексов в направлении ускорения их сукцессии (природной стабилизации) в послестроительных и эксплуатационных условиях.

В настоящем методическом документе использованы нормативные ссылки на следующие документы:

ГОСТ 5180-2015 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик

ГОСТ 22733-2016 Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности

ГОСТ 25100-2011 Грунты. Классификация

ГОСТ 25607-2009 Смеси щебеночно-гравийно-песчаные для покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов

СП 22.13330.2016 Основания зданий и сооружений (актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*)

СП 34.13330.2021 Автомобильные дороги (актуализированная редакция СНиП 2.05.02-85*)

СП 121.13330.2012 Аэродромы (актуализированная редакция СНиП 32-03-96)

СП 131.13330.2020 Строительная климатология (актуализированная редакция СНиП 23-01-99*)

Примечание - При пользовании настоящим методическим документом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячным информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт (изменен), то при пользовании методическим документом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

В настоящем методическом документе применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 геотермический градиент: Изменение температуры в недрах Земли с глубиной, которое выражается в градусах на единицу глубины. Средний (нормальный) геотермический градиент равен примерно 15 °C/км.

3.2 геотермический тепловой поток: Произведение геотермического градиента на соответствующую удельную теплопроводность пород на глубине, который обеспечивает нижнее граничное условие практически для всех тепловых расчетов, связанных с температурным режимом грунтов. Средний (нормальный) геотермический тепловой поток составляет примерно 0,046 Вт/м², температурный градиент - примерно 1,5 °C - 3 °C на 100 м.

3.3 глубина сезонного оттаивания: Глубина оттаивания за теплый период при наличии ММГ (ММП) устанавливается замерами в конце теплого периода (с учетом или без учета тепловой инерции, когда нижнее оттаивание частично продолжается несмотря на начало промерзания талого слоя с поверхности). Полная ее величина равна толщине оттаявшего грунтового слоя плюс величина произошедшей осадки. Учет осадки наиболее существенен для оттаивающих льдонасыщенных грунтов, где величина осадки может составлять до 30% - 50% и более.

3.4 деградация вечной мерзлоты: Многолетний процесс постепенного повышения среднегодовой температуры вечномерзлого грунта, приводящий к понижению верхней и повышению нижней поверхности слоя вечной мерзлоты.

3.5 криогенная (мерзлотная) текстура: Особая форма и взаиморасположение основных составляющих мерзлых грунтов, содержащих минеральные частицы, воду, лед и воздух.

Примечание - В дорожном хозяйстве используют три обобщенных вида криогенной текстуры: массивную, слоистую, сетчатую (блоковую, ячеистую) (рисунок 1):

- массивная текстура (см. рисунок 1 а) характеризуется наличием в основном только порового льда, льда-цемента; представляет собой бесшлировую криогенную текстуру;

- слоистая текстура (см. рисунок 1 б) характеризуется чередованием включений в виде ледяных прослоек и линз с минеральными слоями, которые имеют массивную текстуру;

- сетчатая (блоковая, ячеистая) текстура (см. рисунок 1 в) формируется за счет ледяных включений - прослоек, располагающихся в виде сетки.

Косвенным показателем качественной градации сезонного промерзания в зоне вечной мерзлоты является криогенная текстура тонкодисперсных, неоторфованных в нижней половине сезонно-мерзлых грунтов. При однонаправленном прямом промерзании криогенная текстура в нижней части сезонно-мерзлых пород массивная (см. рисунок 1 а). При двунаправленном прямоупреждающем и синхронном промерзании она шлировая: слоистая или сетчато-слоистая (см. рисунки 1 б, 1 в). Различить эти две градации позволяет мощность нижнего шлирового горизонта сезонномерзлых грунтов деятельного слоя: менее 10 см при прямоупреждающем промерзании и более 10 см при синхронном. При возвратно-упреждающем промерзании грунтов в их нижнем горизонте формируется шлировая сетчатая, реже слоистая криогенная текстура и атакситовая ниже горизонта со шлировой криогенной текстурой.

3.6 глубина нулевых амплитуд: Глубина, на которой температура ММГ (ММП) является постоянной в течение всего годового периода независимо от сезонных колебаний температуры воздуха. Эта температура (в связи с отсутствием амплитуды А₀ = 0, рисунок 2) является основной характеристикой среднегодовой температуры многолетнемерзлых (вечномерзлых) грунтов.

3.7 криолитозона: Часть земной коры, которая характеризуется наличием отрицательных температур и возможностью существования подземных льдов, включает деятельный слой (оттаивающий летом и замерзающий зимой) и многолетнюю криолитозону. Нижняя граница криолитозоны - изотермическая поверхность с температурой 0 °C.

3.8 многолетнемерзлые грунты (вечная мерзлота, криолитозона): Районы распространения грунтовых толщ, имеющих отрицательную температуру в течение трехлетнего периода и более, вечной мерзлоты - не менее 100 лет. Вечную мерзлоту по температуре на границе нулевых годовых амплитуд подразделяют на высокотемпературную (до -2 °C, преимущественно -(0,5 - 1,5) °C и выше) и низкотемпературную (ниже -2 °C, преимущественно -(3 - 5) °C и ниже). По условиям распространения различают сплошную, прерывистую и островную вечную мерзлоту (криолитозону), ее мощность составляет от нескольких метров в умеренных широтах (южная подзона) до 1,5 км в высоких.

3.9 нулевая завеса: Промерзающий слой грунта, отдавая свою тепловую энергию (теплоту) на фазовые превращения воды в лед (80 кал/г), замедляет этим охлаждение нижележащих слоев, и их промерзание задерживается; оттаивающий слой, аналогично поглощая тепловую энергию на фазовые превращения льда в воду, замедляет отепление нижележащих слоев грунта, и их оттаивание также задерживается (в сильно переувлажненных и льдонасыщенных грунтах более 90% затрат тепла идет на фазовые переходы воды) [6].

3.10 перелетки: Слои грунта, замерзающие зимой и не оттаивающие в течение одного-трех лет.

3.11 сливающаяся или несливающаяся (деградирующая) мерзлота: Мерзлота, которая наблюдается, когда деятельный (сезоннооттаивающий) слой грунта при зимнем промерзании сливается с многолетнемерзлой толщей или не сливается.

3.12 сукцессия: Последовательная замена одних биоценозов (растительных сообществ) другими на определенном участке осваиваемой территории до формирования устойчивого (равновесного) типа биоценоза, характерного для конкретной физико-географической обстановки. Время естественного зарастания (восстановления) осваиваемых территорий.

3.13 транспирация: Испарение влаги растительным покровом (растениями). Вызывает охлаждение поверхности растительного покрова от радиационного нагрева (солнцем).

3.14 термокарст: Процесс вытаивания подземных льдов, сопровождающийся осадками протаявшего грунта и возникновением отрицательных форм рельефа (впадин), нередко заполненных водой. В том числе и в основаниях дорожных насыпей, отсыпаемых в нижней части из водопроницаемых, дренирующих грунтов.

3.15 тепловой импульс теплого и холодного периода: Соответственно количество градусо-часов (или градусо-месяцев) теплого или холодного периода. Равен произведению средней температуры воздуха за теплый или холодный период на их длительность в часах (или месяцах) в течение одного года.

3.16 тепловой диод: Деятельный водонасыщенный грунтовый слой (или другие водонасыщенные прослойки и устройства), воздействующий на теплообороты в нижележащем мерзлом грунтовом массиве за счет сезонных изменений плотности теплового потока в талом и мерзлом состоянии (с созданием повышенного охлаждающего воздействия) ввиду того, что кондуктивная теплопроводность льда в четыре раза больше, чем у воды, а температуропроводность больше в восемь раз.

3.17 температурная сдвижка: Повышение или понижение температуры определенного грунтового слоя (например, слоя сезонного оттаивания) за счет какого-либо дополнительного воздействия (к примеру, повышение температуры сезонно-талого слоя за счет инфильтрации в него теплых вод осадков, прогретых поверхностных вод или конденсации водяных паров и т.д.).

3.18 условия теплообмена на поверхности: Комплекс природных и техногенных факторов, влияющих на процесс тепло- и массообмена на поверхности с окружающей средой: температура воздуха, солнечная радиация, испарение, транспирация, альбедо поверхностей, их расположение (север, юг и т.д.) и угол наклона к лучам солнца, тип напочвенных покровов (растительность, снег, вода, торфяная, торфо-глинистая или скальная обсыпка и т.п.), рельеф местности, режим и характер обводненности, различные искусственные покрытия (теплоизолирующие, теплодиодные, солнцеосадкозащитные, дорожные и т.д.).

Примечание - При теплотехнических расчетах условия теплообмена на поверхности учитываются путем введения в расчетную схему обобщенных параметров в виде температуры воздуха, приведенной к температуре поверхности, с учетом поправочных данных (таблица 4).

3.19 осадка оттаивания мерзлого грунта основания насыпи: Процесс деформации уплотнения оттаивающего грунта под нагрузками (от веса насыпи и оттаявших слоев основания, а также веса и динамического воздействия подвижной нагрузки). Он обусловлен увеличением плотности оттаивающих под нагрузкой грунтовых слоев в связи с уменьшением их пористости, при выдавливании воздуха (газов) и воды из пор грунта в условиях затрудненности (или невозможности, например, в чаше мерзлотного оттаивания и др.) бокового расширения, а также затрудненности (или отсутствии) краевого выдавливания грунта вверх (выпора) по краям площади нагружения. При этом происходит боковое (в края площадки нагружения) выдавливание отжимаемой воды, а также инфильтрация ее в оседающую нижнюю часть насыпи (особенно при отсыпке из дренирующего грунта).

3.20 просадка грунта: Осадка грунта, вызванная замачиванием водой как при оттаивании, так и при инфильтрации, напитывании водой и т.д. Грунт считается просадочным при относительной деформации просадочности не менее .

3.21 универсальный (экологический) принцип проектирования: Комбинированный принцип проектирования с учетом (по прогнозному расчету) природной тепловой устойчивости дорожной насыпи в условиях глобального потепления климата на основаниях из многолетнемерзлых грунтов по условию Карлсона - Кудрявцева.

4.1 V: Объем (количество) летних теплых жидких осадков или сконденсировавшихся водяных паров, инфильтрирующихся в дренирующий грунт, мм/м² или кг/м².

4.2 R: Термическое сопротивление, равное (м²·°К)/Вт или (м²·ч·°C)/ккал.

4.3 H: Толщина материала, м.

4.4 H_из: Толщина теплоизоляции, м.

4.5 D_sal: Степень засоления мерзлого грунта, %.

4.6 H_кр: Критическая толщина снега, воды и другой среды, при которой среднегодовая температура грунтовой поверхности становится равной (или более) 0 °C.

4.7 i_tot: Суммарная льдистость (определяемая по формуле А.30 ГОСТ 25100-2011), доля единицы.

4.8 I: Климатический мерзлотный индекс (рассчитываемый с учетом текущего и прогнозируемого на ближайшие 50 - 100 лет глобального потепления в среднем на 3 °C).

4.9 : Сумма годовых отрицательных градусо-часов температур воздуха (поверхности) или зимний тепловой импульс.

4.10 : Сумма годовых положительных градусо-часов температур воздуха (поверхности) или летний тепловой импульс.

4.11 : Коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности грунта или дорожного покрытия, в среднем равный 15 - 20 ккал/(м²·ч·°C).

4.12 H_от: Глубина сезонного оттаивания многослойной конструкции, м.

4.13 H_пр: Глубина сезонного промерзания многослойной конструкции, м.

4.14 H_отн: Расчетная глубина оттаивания нижнего слоя многослойной конструкции, м.

4.15 : Коэффициент теплопроводности материала (грунта) в талом состоянии, Вт/(м·°C) или ккал/(м·ч·°C).

4.16 : Средневзвешенный коэффициент теплопроводности слоев многослойной системы (дорожная одежда, насыпь и основание) в мерзлом состоянии, Вт/(м·°C) или ккал/(м·ч·°C).

4.17 : Коэффициент теплопроводности снега, Вт/(м·°C) или ккал/(м·ч·°C).

4.18 C_тi: Объемная теплоемкость материала слоев конструкции и деятельного слоя основания, кДж/(м³·°C) или ккал/(м³·°C).

4.19 C_мi: Объемная теплоемкость материала слоев конструкции и деятельного слоя основания в мерзлом состоянии, кДж/(м³·°C) или ккал/(м³·°C).

4.20 L_v: Количество скрытой теплоты фазовых переходов влаги в 1 м³, кДж/м³ или ккал/м³.

4.21 L_o: Скрытая теплота льдообразования (равная 334 кДж/кг или 80 ккал/кг).

4.22 W_tot: Суммарная влажность грунта, доля единицы.

4.23 W_w: Содержание незамерзшей воды, доля единицы.

4.24 W_opt: Оптимальная влажность грунта (ГОСТ 22733-2016), доля единицы.

4.25 W_р: Влажность грунта на границе раскатывания, доля единицы.

4.26 : Плотность сухого (скелета) грунта, г/см³ или кг/м³.

4.27 : Плотность грунта, кг/м³.

4.28 : Плотность снега, кг/м³.

4.29 T_тах: Среднемесячная температура воздуха (или поверхности) за самый теплый летний месяц, °C.

4.30 T_з: Абсолютная средняя температура воздуха за период с отрицательными температурами воздуха (принимается по абсолютной величине со знаком плюс и уменьшается в среднем на 3 °C и более для учета происходящего и прогнозируемого длительного глобального потепления климата, происходящего на территории Российской Федерации, преимущественно за счет повышения зимних температур воздуха), °C.

4.31 t_ср: Среднегодовая температура земной поверхности (пород, покрытия и др.), °C.

4.32 t_д: Температура на подошве сезонно-талого (деятельного) слоя (СТС), °C.

4.33 t_в: Среднегодовая температура воздуха, °C.

4.34 t_ос: Температура летних теплых жидких осадков, °C.

4.35 t_о: Отрицательная температура многолетнемерзлых грунтов в точке нулевых амплитуд А₀, °C.

4.36 : Изменение среднегодовой температуры поверхности за счет изменения альбедо и (или) угла наклона, северной или южной экспозиции (условий инсоляции), °C.

4.37 : Изменение среднегодовой температуры поверхности за счет влияния снежного покрова, °C.

4.38 : Изменение среднегодовой температуры поверхности и на подошве слоя сезонного оттаивания за счет влияния теплых летних осадков, °C.

4.39 : Изменение среднегодовой температуры поверхности за счет влияния растительного покрова, °C.

4.40 : Изменение среднегодовой температуры на подошве слоя сезонного оттаивания за счет теплодиодного изменения теплопроводности пород, °C.

4.41 : Время в годах или часах.

4.42 : Продолжительность периода с отрицательными температурами воздуха (холодный период года), ч.

4.43 : Продолжительность периода с положительными температурами воздуха (теплый период года), ч.

4.44 : Время запаздывания начала прямого сезонного промерзания или оттаивания грунта, ч.

4.45 К_ту: Коэффициент тепловой устойчивости, равный H_пр/H_от >= 1,1 - 1,3.

4.46 с: Сцепление мерзлого грунта после его оттаивания, МПа (кгс/м²).

4.47 : Угол внутреннего трения оттаявшего мерзлого грунта, град.

4.48 P: Давление оттаявшего слоя грунта, МПа (кгс/м²).

4.49 : Острый угол, составляемый откосом с горизонтальной поверхностью, град.

4.50 : Сопротивление грунта сдвигу, соответствующее началу возникновения пластических деформаций, МПа (кгс/м²).

4.51 E_уа: Модуль упругости армированного геосинтетиками слоя, МПа.

4.52 E_оа: Модуль деформации армированного геосинтетиками слоя, МПа.

4.53 C_а: Коэффициент постели армированного геосинтетиками слоя.

4.54 E_у: Модуль упругости неармированного слоя, МПа.

4.55 E_о: Модуль деформации неармированного слоя, МПа.

4.56 C: Коэффициент постели неармированного слоя.

4.57 К_а: Коэффициент армирования.

4.58 S: Осадка, см или м.

4.59 : Общее напряжение (нагрузка) на сезоннооттаивающий (деятельный) слой основания от веса насыпи и подвижной нагрузки, МПа (кг/см²).

4.60 : Напряжение (нагрузка) от собственного веса насыпи, МПа (кг/см²).

4.61 : Напряжение от подвижной нагрузки, МПа (кг/см²).

4.62 : Величина нормального напряжения от воздействия (колеса) подвижной нагрузки на расчетной глубине, МПа (кг/см²).

4.63 P_п: Давление в пневматических шинах подвижной нагрузки (равное 0,6 - 0,8 МПа), МПа (кг/см²).

4.64 : Коэффициент динамичности от воздействия подвижной нагрузки (принимаемый в среднем 1,5).

4.65 S_f: Величина морозного пучения, см.

4.66 S_u: Величина допустимого морозного пучения, см.

4.67 k_f: Коэффициент морозного пучения, доля единицы.

4.68 или : Степень просадочности многолетнемерзлых пород при оттаивании, доля единицы.

5.1 Вечномерзлые грунты классифицируют по физическому состоянию (по температуре) - I, территориальному распространению - II, продолжительности существования - III.

I По физическому состоянию мерзлые грунты подразделяют:

на низкотемпературные (твердомерзлые), т.е. прочно спаянные льдом, практически несжимаемые грунты с температурой ниже границ замерзания грунтов (температура замерзания ориентировочно составляет для песков пылеватых - ниже -0,3 °C, для супесей - ниже -0,6 °C, для суглинков - ниже -1 °C, для глин - ниже -1,5 °C);

высокотемпературные (пластичномерзлые), характеризующиеся содержанием незамерзшей воды, с температурой ниже 0 °C и выше температуры замерзания глинистых грунтов до -(1,5 - 2,0) °C, обладают вязкими свойствами и способностью ползучести и сжимаемости под весом от сооружения;

сыпучемерзлые, преимущественно песчаные и крупнообломочные грунты, не сцементированные льдом, вследствие их малой влажности в соответствии с ГОСТ 25100-2011;

засоленные мерзлые грунты - мерзлые грунты континентального засоления (сульфатный тип засоления), если отношение массы водорастворимых солей в грунте к массе сухого (скелета) грунта в них превышает по степени засоления D_sal, %:

- для песков >= 0,1,

- супесей >= 0,15,

- суглинков >= 0,20,

- глин >= 0,25.

Мерзлые грунты с морским типом засоления легкорастворимыми солями (хлоридный тип засоления) подразделяются на разновидности в соответствии с ГОСТ 25100-2011.

II По территориальному распространению многолетнемерзлые грунты делятся:

- на районы сплошной вечной мерзлоты, т.е. обширные пространства, в пределах которых многолетнемерзлые грунты, как правило, наблюдаются повсеместно;

- прерывистой и островной вечной мерзлоты с многолетнемерзлыми грунтами, разделенными участками сезонно-мерзлых грунтов.

III По продолжительности существования мерзлые грунты подразделяют:

- на сезонно-мерзлые грунты (СМГ) или породы (СМП), существующие в течение зимы (или нескольких месяцев), но менее года;

- многолетнемерзлые грунты (ММГ) или породы (ММП), существующие более трех лет.

5.2 Требования практики хозяйственного освоения районов вечной мерзлоты обусловили развитие теоретического, регионального и инженерного мерзлотоведения - науки об общих закономерностях развития мерзлых пород, в том числе изменениях мерзлотных условий при строительстве на вечномерзлых грунтах. Комплексный подход к вопросам оценки изменений мерзлотных условий, которые произойдут в будущем, в том числе в связи с хозяйственным освоением территории развития вечномерзлых грунтов, изложен в фундаментальных работах [7 - 10]. Разработке теоретических основ мерзлотного прогноза и оценке изменений мерзлотных условий посвящены работы [11, 12], в которых обобщены накопленные в мерзлотоведении знания, охарактеризованы аспекты влияния природных факторов на формирование температурного режима мерзлых пород, определены основные теоретические и методические положения прогнозной оценки изменения мерзлотных условий при хозяйственной деятельности на замерзлоченных территориях.

Вопросы прогнозирования температурного режима вечномерзлых грунтов на застраиваемых территориях при освоении северных районов страны, разработки математических методов анализа влияния отдельных факторов на параметры мерзлотных процессов освещены в трудах [13 - 15].

Основные положения указанных работ с учетом прогнозируемого на весь XXI век глобального потепления климата [3, 4] взяты как базовые при разработке методик геокриологического прогноза устойчивости дорожных сооружений (разделы 5 - 8).

Согласно расчетам, с 1900 по 2050 г. прогнозируется следующий темп повышения средней годовой температуры воздуха, приведенной в таблице 1.

5.3 При разработке методик учитываются следующие положения.

1 Многолетним протаиванием грунтов называется их протаивание продолжительностью более одного года. Сезонным промерзанием (протаиванием) грунтов считается промерзание (протаивание), длящееся менее одного года с сезонной ритмичностью проявления.

2 Деградация вечной мерзлоты развивается как многолетнее оттаивание льдистых вечномерзлых грунтов. Она, как правило, возникает из-за образования слоя сезонного протаивания, превышающего глубину последующего промерзания (т.е. несливающейся мерзлоты) в результате естественной динамики климата, эволюции ландшафтов, а также наиболее часто при техногенных воздействиях.

3 Одной из основных причин возникновения и развития термокарстовых просадок является длительный поверхностный застой воды (особенно слоем критической толщины), а также ее сравнительно длительное течение (или фильтрация) по просевшей поверхности.

4 Критической (для существования вечной мерзлоты) толщиной снегового или водяного слоя на поверхности многолетнемерзлого грунта принимают такую толщину, при которой расчетная среднегодовая температура поверхности грунта становится равной 0 °C. В результате перестает происходить необходимая "подзарядка" холодом вечной мерзлоты через данный слой. При этом сезонное оттаивание может смениться на многолетнее (из-за наличия теплого геотермального потока из недр Земли, в среднем изменяющегося от 0,025 до 0,084 Вт/м², с "нормальным" геотермическим градиентом, равным примерно 15 °C/км) с постепенной деградацией вечной мерзлоты. Развитие данного процесса наиболее характерно для центральной и особенно южной мерзлотной подзоны [1, 2].

5 Водонасыщенные слои глинистого грунта, торфа, геотекстиля, водоудерживающих гелей, криогелей и других материалов, влияющие на теплообороты в нижележащем грунтовом массиве и создающие охлаждающую температурную сдвижку, за счет сезонных (в талом и мерзлом состоянии) изменений плотности теплового потока, пропускаемого ими, выполняют функцию тепловых диодов. В результате обеспечивается повышенный пропуск холода в зимний период и пониженный пропуск тепла в летний. Это обусловлено значительным (в восемь раз) изменением (увеличением) кондуктивной температуропроводности льда по сравнению с кондуктивной (без конвективного теплооборота) температуропроводностью воды. Понижение среднегодовой температуры пород на подошве слоя сезонного оттаивания за счет данного изменения температуропроводности водонасыщенных пород (т.е. теплодиодный эффект) в среднем составляет: 0,3 °C в крупнообломочных грунтах с влажным глинистым заполнителем, 0,6 °C - 0,8 °C в переувлажненных (с влажностью более оптимальной при стандартном уплотнении по методу Союздорнии или Проктора) глинистых грунтах и 1,0 °C - 1,5 °C в торфах. В несвязанной грунтом воде тепло переносится преимущественно конвективно (путем турбулентного тепломассопереноса), а зимой, во льду, кондуктивно (путем молекулярной теплопроводности). При этом зимняя кондуктивная (молекулярная) теплопроводность льда может быть в сотни и тысячи раз меньше отепляющего конвективного теплообмена воды, происходящего, как правило, в турбулентном режиме (что представляет значительные сложности для замеров и теплотехнических расчетов) [16].

6 На основе анализа данных многолетних стационарных наблюдений [17] для южной подзоны (I₃ по нормам [2]) распространения вечной мерзлоты температуру оголенной дневной поверхности рекомендуется принимать в среднем на 1,5 °C ниже и на 1 °C выше температуры воздуха соответственно за холодный и теплый периоды года. Влияние летней отсыпки грунта насыпи или других грунтовых площадок рекомендуется учитывать следующим образом [18]: при высоте отсыпки до 1 м тепловым влиянием отсыпки допускается пренебрегать, при высоте отсыпки более 1 м среднюю (расчетную) температуру поверхности грунта в верхних 10 м, считая от естественной поверхности, допускается повышать на 0,2 °C на каждый метр увеличения отсыпки свыше 1 м.

7 Теплотехническим регулированием называется целенаправленное изменение качественных и количественных показателей сезонного промерзания и протаивания грунтов, а также проведение других теплозащитных мероприятий (обеспечение снегонезаносимости, дренажа, водоотвода и др.). Цель теплотехнического регулирования - предотвращение или уменьшение отрицательного и усиление положительного (прямого или косвенного) влияния данных процессов на тепловую (термическую) и общую устойчивость искусственных инженерных сооружений. При этом должно обеспечиваться максимально возможное взаимодействие с естественными закономерностями и природными воздействиями (силами), достигаться самостоятельное (с минимальным вмешательством человека) естественно-природное управление поддержания необходимого температурного режима в основаниях дорожных насыпей, возводимых на вечной мерзлоте, что наиболее экологично и экономично.

8 В соответствии с закономерностью совершенствования технических систем:

- несовершенные технические системы борются с природными силами (воздействиями);

- по мере усовершенствования, технические системы все более подстраиваются и взаимодействуют (сотрудничают) с природными силами;

- наиболее совершенные технические системы не только максимально возможно взаимодействуют с природными силами, но и в основном (в текущем режиме) находятся под природными регулирующими и управляющими воздействиями.

9 На участках внерасчетного проявления отрицательных термокарстовых, солифлюкционных и подобных процессов регулирование сезонного промерзания и протаивания грунтов, а также другие защитные мероприятия производятся локально (по возможности наименее затрагивая близлежащие, естественно функционирующие участки, например, сбросом на них отепляющих вод или снежных отложений с аварийных участков и т.д.).

10 В естественных и измененных строительством (нарушенных) условиях качественные и количественные показатели сезонного промерзания и протаивания грунтов переменны во времени и пространстве. Ввиду этого по имеющимся обобщенным исследованиям за репрезентативный (достаточно представительный) период усреднения условно можно принять период, равный 30 годам. Он достаточно (для точности инженерных расчетов) включает значимое природное многообразие зимних и летних погодных условий. Данный период температур воздуха предпочтительно берется в ближайший период с 1950 по 1980 г., когда уже велись достаточные метеонаблюдения и еще не начался процесс интенсивного глобального потепления климата, значимо стартовавший примерно с 80-х годов XX века. Прогнозное повышение среднегодовых температур воздуха учитывается по данным ближайших гидрометеостанций (ГМС) и агрометеостанций (АГМС).

11 При разработке методов регулирования процессов сезонного промерзания и протаивания грунтов с предотвращением послестроительного развития неблагоприятных мерзлотных процессов (термокарста, солифлюкции, наледей и др.) необходимо иметь в виду, что инженерно-геокриологические условия, формирующиеся к окончанию строительства, не соответствуют исходным, зафиксированным в момент производства инженерно-геологических изысканий. Поэтому теоретической основой регулирования процессов сезонного промерзания и протаивания должен являться прогноз изменения геокриологических условий при хозяйственном освоении (изменении) территории.

12 Вопрос о способах и методах регулирования опасных геокриологических процессов (термокарста, солифлюкции, наледей и др.) должен решаться для каждого "опасного" участка индивидуально. Разработке защитных мероприятий и регулированию сезонного промерзания и протаивания грунтовых оснований линейных насыпных сооружений (дорожных насыпей) и промышленных площадок должны предшествовать:

а) исследование этих процессов в естественных условиях, до строительства, с выявлением и учетом особенностей их появления и оконтуривания опасных участков их проявления;

б) изучение грунтовых слоев и льдистости верхней части вечномерзлых грунтов мощностью до 10 - 15 ми температуры вечномерзлых грунтов в зоне с нулевыми ее годовыми колебаниями (т.е. на глубине "нулевых амплитуд", находящейся обычно на расстоянии 8 - 12 м от дневной поверхности) на границах и в центральной части каждого опасного участка;

в) выполнение инженерно-геокриологической типизации опасных участков инженерных сооружений, подверженных деформациям;

г) расчет (проверка) эксплуатационной устойчивости запроектированной (существующей) конструкции насыпи по критерию (условию) Карлсона - Кудрявцева [1];

д) прогнозирование возможного изменения количественных и качественных характеристик (величины прогнозной осадки, увеличения плотности и уменьшения толщины и суммарной влажности оттаивающих под расчетной нагрузкой грунтовых слоев с изменением их теплофизических характеристик и др.) с проведением скорректированных расчетов по установлению средних и максимальных эксплуатационных глубин промерзания и оттаивания грунтов основания;

е) назначение вариантов защитных конструктивных и технологических мероприятий с прогнозным расчетом их эффективности для повышения (обеспечения) длительной тепловой и общей устойчивости насыпного инженерного сооружения на многолетнемерзлых грунтах.

5.4 В разделах 6 и 7 приведены общие мероприятия по регулированию процессов промерзания и протаивания грунтов [19 - 22]. В разделах 8 и 9 даны расчетные методики прогнозной тепловой и общей устойчивости дорожных сооружений для решения задач, описанных в пунктах 5.3 12 в - 5.3 12 е, которые составляют общий расчетный алгоритм прогнозирования устойчивости дорожных сооружений. Алгоритм позволяет определить эффективность проектных и строительных решений дорожных сооружений в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов от применения мероприятий по мерзлотной и строительно-эксплуатационной стабилизации грунтов основания и земляного полотна. Примеры методик прогнозной тепловой и общей устойчивости дорожных сооружений, а также справочные данные для расчетов приведены в приложениях А и Б.

6.1.1 Сезонное промерзание и протаивание грунтов - сложные литокриогенные процессы. По характеру проявления в многолетнем периоде сезонное промерзание (протаивание) подразделяется:

- на систематическое, проявляющееся ежегодно в течение многолетнего репрезентативного периода и прогнозируемое в дальнейшем;

- несистематическое, проявляющееся не ежегодно. Оно делится на: частое, если средняя длительность перерывов в проявлении процесса за репрезентативный или требуемый период соизмерима или меньше средней длительности периодов с его ежегодным проявлением, и редкое, если средняя длительность перерывов в проявлении процесса больше средней длительности периодов с ежегодным его проявлением за тот же период.

6.1.2 По устойчивости в течение холодного (теплого) периода года эти процессы бывают устойчивыми и неустойчивыми. Устойчивым называется сезонное промерзание (протаивание), в течение холодного (теплого) периода не сменяющееся полным протаиванием (промерзанием) промерзшего (протаявшего) горизонта грунтов. Неустойчивым называется сезонное промерзание (протаивание), в течение холодного (теплого) периода года сменяющееся полным протаиванием (промерзанием) промерзшего (протаявшего) горизонта грунтов.

6.1.3 По направленности относительно дневной поверхности выделяются две модификации сезонного промерзания и протаивания: прямое, направленное от дневной поверхности (или дна водоема, водотока) вглубь грунтов, и возвратное, направленное от поверхности грунтов, подстилающих сезонно-талые и сезонно-мерзлые, к дневной поверхности или дну водоема, водотока. В природе проявляются однонаправленное сезонное промерзание (протаивание) - прямое или возвратное и двунаправленное при совокупном проявлении прямого и возвратного промерзания (протаивания).

6.1.4 Двунаправленное сезонное промерзание (протаивание) бывает синхронным, если прямое и возвратное промерзание (протаивание) начинаются одновременно, и метахронным, если прямое и возвратное промерзание (протаивание) начинаются не одновременно. Метахронное сезонное промерзание (протаивание) разделяется на прямоупреждающее, если прямое промерзание (протаивание) начинается раньше возвратного, и возвратно-упреждающее, если раньше начинается возвратное сезонное промерзание (протаивание).

6.1.5 Регулируя качественные показатели этих процессов, можно:

- сделать их проявление несистематическим вместо систематического, и наоборот;

- изменить период проявления устойчивого и неустойчивого сезонного промерзания и протаивания;

- исключить или обусловить возвратное промерзание или протаивание; изменить соотношение дат начала прямого и возвратного промерзания или протаивания.

6.1.6 Изменение качественных показателей этих процессов позволяет:

- наиболее существенно воздействовать на их количественные показатели, льдистость и криогенные особенности среды их проявления;

- стимулировать или исключать проявление ряда других литокриогенных процессов (солифлюкцию, оплывы, термокарст, пучение и др.), изменять их динамику;

- воздействовать на ход почвообразовательных процессов, замедлять или ускорять заиливание, загрязнение грунтовых вод, заболачивание территории, способствовать или препятствовать сохранению природной среды и т.д.

В таблице 2 показано изменение льдистости тонкодисперсных сезонно-мерзлых грунтов и свойственного им комплекса литокриогенных процессов при изменении качественных градаций сезонного промерзания в области близко залегающих вечномерзлых грунтов.

В зависимости от значений температуры грунтов t_о в зоне с нулевыми годовыми ее колебаниями проявляются следующие градации сезонного промерзания и протаивания грунтов:

t_о > 15 - сезонное промерзание и протаивание грунтов несистематические за многолетний период и неустойчивые за год, промерзание однонаправленное прямое, протаивание двунаправленное возвратно-упреждающее или однонаправленное возвратное;

t_о < 15 - сочетание систематического и несистематического вследствие ежегодных колебаний глубины проявления, устойчивого и неустойчивого из-за различий погодных условий сезонного промерзания и протаивания грунтов;

15 >= t_о > 5 - сезонное промерзание однонаправленное прямое, сезонное протаивание двунаправленное возвратно-упреждающее;

5 >= t_о > 4 - промерзание прямое, протаивание двунаправленное синхронное;

4 >= t_о > 0,5 - промерзание прямое, протаивание двунаправленное прямоупреждающее;

0,5 >= t_о >= -0,5 - промерзание и протаивание однонаправленные прямые;

-0,5 > t_о >= -4 - промерзание двунаправленное прямоупреждающее, протаивание однонаправленное прямое;

-4 > t_о >= -5 - промерзание двунаправленное синхронное, протаивание прямое;

t_о < -5 - промерзание двунаправленное возвратно-упреждающее, протаивание прямое.

6.1.7 Косвенным показателем качественной градации сезонного промерзания в области вечномерзлых грунтов является криогенная текстура тонкодисперсных, неоторфованных в нижней половине сезонно-мерзлых грунтов. При однонаправленном прямом промерзании криогенная текстура в нижней части сезонно-мерзлых пород массивная. При двунаправленном прямоупреждающем и синхронном промерзании она шлировая: слоистая или сетчато-слоистая. Различить эти две градации позволяет мощность нижнего шлирового горизонта сезонно-мерзлых грунтов: менее 10 см при прямоупреждающем промерзании и более 10 см при синхронном. При возвратно-упреждающем промерзании грунтов в их нижнем горизонте формируется шлировая сетчатая, реже слоистая криогенная текстура и атакситовая ниже горизонта со шлировой криогенной текстурой.

6.1.8 Регулирование качественных показателей этих процессов сводится к требуемому изменению температуры грунтов (см. пункт 6.1.6).

Для обеспечения устойчивого проявления качественной градации сезонного промерзания или протаивания, наиболее благоприятной для данного вида освоения территории, необходимо учитывать не среднее многолетнее, а экстремальные значения температуры грунтов в зоне с нулевыми годовыми колебаниями за репрезентативный или требуемый многолетний период. Данная градация процесса устойчива, если экстремальные за этот период значения температуры грунтов не выходят за пределы, критические для ее проявления.

6.1.9 Имеются следующие методы регулирования качественных показателей сезонного промерзания и протаивания грунтов:

- изменение характера снегонакопления и термосопротивления (например, уплотнением, снег с опилками или растительным "очесом" и др.) снега;

- изменение растительного покрова: вырубка леса, кустарников, создание лесозащитных полос, изменение или уничтожение напочвенного покрова, зачернение или увеличение светоотражения (альбедо) поверхности и др.;

- применение искусственных теплоизоляционных покрытий;

- осушение (дренаж, водоотвод) или увлажнение грунтов верхнего горизонта литосферы с регулированием сезонных циклов промерзания-протаивания;

- изменение состава грунтов;

- повышение или понижение относительной отметки поверхности опасного участка.

6.1.10 Влияние естественных покровов и искусственных покрытий на качественные показатели сезонного промерзания и протаивания грунтов оценивается по их термосопротивлению, которое нужно изменить так, чтобы температура грунтов в зоне с нулевыми годовыми колебаниями за требуемый многолетний период не выходила за пределы значений, критических для той или иной качественной градации данных процессов.

6.1.11 Указанные в пункте 6.1.9 методы применимы как раздельно, так и в комплексе. Взаимосвязь разных составляющих природной среды нередко предопределяет комплексное их воздействие на особенности сезонного промерзания и протаивания даже в случае применения одного из них. Так, изменение мощности снега может привести к изменению напочвенного покрова, влажности грунтов и т.д., вырубка леса на локальном участке - к возрастанию мощности и изменению режима накопления снега, увеличению влажности грунтов и т.д. Применяя любой из методов, следует учитывать также вызванное его использованием изменение комплекса природных факторов, влияющих на температуру грунтов и сезонное промерзание и протаивание.

6.1.12 Прежде чем использовать тот или иной метод либо комплекс методов, следует оценить реальность изменения требуемых качественных показателей сезонного промерзания и протаивания грунтов при их применении.

В крайних северных районах, где температура грунтов с учетом ее колебаний за многолетний период не бывает выше минус -(4 - 5) °C, локальные изменения термосопротивления снежного и напочвенного покровов, изменения состава и влажности грунтов, рельефа поверхности, применение искусственных покрытий не могут изменить однонаправленное прямое сезонное протаивание грунтов на двунаправленное. Образование многолетних снежников, наледей и использование искусственных покрытий может привести к переходу систематического сезонного протаивания грунтов в несистематическое или полностью прекратить его проявление на определенный период. Таким образом, в этих районах можно изменить качественную градацию сезонного промерзания грунтов.

В крайних южных районах с температурой грунтов выше минус -(4 - 5) °C столь же затруднительно изменить однонаправленное прямое сезонное промерзание на двунаправленное, хотя можно изменить качественную градацию сезонного протаивания.

6.1.13 Для выбора эффективных методов регулирования качественных показателей сезонного промерзания и протаивания грунтов на том или ином опасном участке, наряду с общей природной обстановкой осваиваемой территории, требуется знать:

- естественные качественные градации промерзания и протаивания при ненарушенных природных условиях и их устойчивость за требуемый многолетний период, определить которые можно путем натурных наблюдений за ходом этих процессов или по экстремальным за требуемый многолетний период значениям средней годовой температуры грунта, фактическим или расчетным (см. пункт 6.1.6);

- качественные градации этих процессов после нарушения и стабилизации условий на данном участке, судить о которых можно по прогнозным экстремальным значениям средней годовой температуры грунтов;

- качественные градации этих процессов, требуемые при данном виде освоения, в целях повышения устойчивости сооружений;

- термическое сопротивление разных естественных покровов и искусственных покрытий и их влияние на температуру грунтов разного гранулометрического состава и влажности.

6.1.14 Термическое сопротивление снежного покрова R_сн рассчитывается по формуле

где H_сн - мощность снежного покрова;

- теплопроводность снежного покрова.

Зависимость R_сн от H_сн для Западной Сибири дана на рисунке 3.

Обобщенные значения коэффициентов теплопроводности и термосопротивление наиболее характерных напочвенных покровов приведены в таблице А.3 приложения А.

6.1.15 В настоящее время разработаны различные методы прогноза изменений среднегодовой температуры грунта на подошве слоя сезонного промерзания или протаивания.

При отсутствии сведений о температуре грунтов в зоне с нулевыми годовыми колебаниями t_о можно пользоваться этими данными.

Средняя годовая температура на подошве сезонно-талых и сезонно-мерзлых грунтов в любой год в основном мало отличается от t_о. Об этом свидетельствуют данные АГМС и ГМС. Поэтому для ориентировочной оценки качественных градаций сезонного промерзания и протаивания можно допустить, что каждая из них проявляется при тех же значениях средней годовой температуры на подошве сезонно-талых и сезонно-мерзлых грунтов, что и в зоне нулевых годовых ее колебаний. Применимы для этого сведения АГМС и ГМС о средней годовой температуре грунтов на 3,2 и даже 1,6 м. Зная влияние различных природных факторов и искусственных покрытий на температуру грунтов, можно определить пути изменения природной обстановки, чтобы обеспечить определенную среднюю годовую температуру грунтов, а значит, и качественную градацию их сезонного промерзания и протаивания.

6.1.16 Влияние естественных покровов и искусственных покрытий на качественные градации сезонного промерзания и протаивания зависит от их термического сопротивления, климатических условий исследуемого района, состава и влажности грунтов, периода существования (наличия) покровов и покрытий (холодный, теплый период года, весь год), а применительно к снежному покрову - также от режима снегонакопления.

Влияние покровов и покрытий на температуру грунтов оценивается по величине их термического сопротивления.

6.1.17 Путем уменьшения термического сопротивления снежного покрова до 1,72; 1,29; 0,86 (м²·°C)/Вт в северных районах Западной Сибири однонаправленное прямое сезонное промерзание безлесных торфяников можно изменить на двунаправленное соответственно прямоупреждающее, синхронное или возвратно-упреждающее.

6.1.18 В северной части Западной Сибири, на залесенных и незалесенных участках, сложенных суглинками с влажностью 25% - 35% при термическом сопротивлении снега менее 2,25 (м²·°C)/Вт, сезонное промерзание двунаправленное прямоупреждающее, а протаивание - однонаправленное прямое. Увеличение термического сопротивления до 2,25 - 3,0 (м²·°C)/Вт обусловливает изменение сезонного промерзания на прямое, а протаивания - на двунаправленное прямоупреждающее несистематическое. Уменьшая термическое сопротивление снега или зимнего покрытия до 0,43 (м²·°C)/Вт, можно изменить сезонное промерзание с прямоупреждающего на синхронное, а протаивание - с несистематического двунаправленного на однонаправленное прямое.

6.1.19 Супесчаным и песчаным участкам северной части Западной Сибири свойственна температура в зоне с нулевыми годовыми колебаниями от -1,5 °C до -1 °C при термическом сопротивлении снега от 3,0 до 1,6 (м²·°C)/Вт. Уменьшая величину термического сопротивления поверхностных покровов или покрытий, можно изменить однонаправленное прямое сезонное промерзание на двунаправленное прямоупреждающее или синхронное, а протаивание - с двунаправленного прямоупреждающего на прямое. Увеличение термического сопротивления до указанных значений обусловит обратные изменения.

6.1.20 Эффективность воздействия снежного покрова и зимних покрытий на среднюю годовую температуру грунтов и качественные показатели сезонного промерзания больше, если мероприятия по изменению их термического сопротивления проводятся в начале зимы.

В области вечномерзлых грунтов чем раньше с началом устойчивого сезонного промерзания устанавливается снежный покров и чем больше и равномернее скорость накопления снега зимой, тем больше его влияние на качественные особенности сезонного промерзания. Наименьшее влияние снег оказывает в том случае, когда часть зимы его высота незначительна и резко возрастает в конце зимнего сезона.

6.1.21 Одним из приемов регулирования качественных показателей сезонного промерзания и протаивания может служить изменение состава грунтов: торфа на песок, песка на суглинок и т.д. Это оказывает существенное влияние на температуру грунтов, особенно в сочетании с изменением термического сопротивления снежного покрова.

6.2.1 Основных, количественных показателей сезонного промерзания и протаивания грунтов три: длительность календарного T_к или фактического периода проявления промерзания или протаивания, их скорость протекания v и глубина h.

6.2.2 Целью регулирования количественных показателей сезонного промерзания и протаивания грунтов является изменение их значений до требуемых.

6.2.3 Регулирование количественных показателей сезонного промерзания и протаивания, как и качественных, сводится к увеличению или уменьшению теплоприхода в грунт или теплорасхода из грунта или разнонаправленному изменению летнего прогрева и зимнего охлаждения грунта одновременно, изменению сроков смены теплоприхода в грунт на теплорасход из него, и наоборот.

6.2.4 Следует учитывать, что любые мероприятия, проводимые в целях изменения только качественных особенностей сезонного промерзания и протаивания грунтов (см. подраздел 6.1), неизбежно приводят к изменению или отдельных количественных показателей данных процессов, или их комплекса. Чем существеннее качественные преобразования процессов, тем больше меняются их количественные показатели, что может оказаться нежелательным. Практически любые изменения прогрева и охлаждения грунта приводят к изменению тех или иных количественных показателей независимо от того, меняются или нет качественные градации данных процессов.

6.3.1 Регулировать даты начала прямого промерзания или протаивания грунтов можно путем увеличения или уменьшения термического сопротивления покровов или покрытий до полного их удаления в осенний или весенний период. В районах с несистематическим прямым сезонным промерзанием грунтов, где его начало приходится на разные месяцы холодного периода, теплоизоляционные покрытия применяются либо перед похолоданием, либо заранее с осени, если требуется сделать начало промерзания более поздним, или удаляются перед похолоданием, если необходимо ускорить его начало.

6.3.2 Время запаздывания дат начала сезонного промерзания и протаивания грунтов и эффективность поверхностной теплоизоляции в каждом конкретном случае определяются на основе теплотехнических расчетов, аналогового моделирования и численных методов.

6.3.3 В условиях естественного прогрева и охлаждения грунтов никакие методы регулирования не могут сделать начало прямого промерзания более ранним, чем начало устойчивых отрицательных значений минимальной за сутки температуры воздуха, а прямого протаивания более ранним, чем начало устойчивых положительных значений максимальной за сутки температуры воздуха (за исключением радиационных теплиц и др.). Своевременное применение осенью теплоизоляционных покрытий, увеличение термического сопротивления снежного покрова на локальном участке позволяют существенно задержать начало как неустойчивого, так и устойчивого прямого сезонного промерзания грунтов по сравнению с их естественным началом и с устойчивым переходом к отрицательным значениям не только среднесуточных, но и максимальных за сутки температур воздуха.

Для районов Крайнего Севера рассчитано термическое сопротивление R поверхностной теплоизоляции, при котором можно обеспечить время запаздывания начала прямого сезонного промерзания на 3 - 16 сут:

где H_сн и H_п соответственно мощность снега с коэффициентом теплопроводности 0,29 Вт/(м·°C) и толщина пенопласта с коэффициентом теплопроводности 0,004 Вт/(м·°C), обеспечивающая определенное термическое сопротивление.

Покрытие из полимерных пен в 3 - 6 раз дешевле пенопластового. Для обеспечения того же толщину покрытия из пены следует увеличить в 1,2 - 1,5 раза по сравнению с покрытием из пенопласта.

В более южных районах то же время достигается при меньшем R, а следовательно, при меньшей толщине поверхностной теплоизоляции.

Например, в районе г. Сургута естественные колебания высоты снежного покрова в конце октября - первой декаде ноября от 2 - 5 до 25 - 35 см приводят к смещению даты начала устойчивого сезонного промерзания грунтов на 20 - 25 дней.

В каждом конкретном случае необходимо рассчитать величину термического сопротивления покрова или покрытия, исключающего прямое промерзание грунтов при ожидаемой в октябре-ноябре данного года минимальной температуре воздуха или при минимальном ее значении в эти месяцы за требуемый многолетний период.

6.3.4 Задержать начало прямого сезонного протаивания грунтов на месяц и более можно теми же методами, что и начало прямого промерзания, но применяя покрытия или увеличивая термосопротивление снежного покрова в конце зимы - начале весны. Чем дольше сохраняется теплоизоляция и больше ее термосопротивление, тем позднее начинается прямое протаивание грунтов.

В районах Крайнего Севера время запаздывания начала прямого сезонного протаивания под поверхностной теплоизоляцией в зависимости от ее термического сопротивления R приближенно составляет:

Настил из бревен диаметром 15 - 20 см с заделкой щелей мхом задерживает начало прямого сезонного протаивания грунтов примерно на 20 сут. В более южных районах для того же времени требуется большее термическое сопротивление поверхностной теплоизоляции.

6.3.5 Начало возвратного сезонного промерзания и протаивания можно регулировать, изменяя температуру грунтов в зоне с нулевыми годовыми колебаниями t_о (или на подошве СТС t_д) теми же методами, которые применимы для изменения качественных градаций этих процессов (см. подраздел 6.1). Значения t_о, °C, критические для возвратного сезонного промерзания:

t_о < -5 - возвратное промерзание начинается раньше прямого;

-5 < t_о < -4 - одновременно с прямым;

t_о > -4 - позднее, чем прямое.

Значения t_о, °C, критические для возвратного протаивания:

t_о > 5 - возвратное протаивание начинается раньше прямого;

5 > t_о > 4 - одновременно с прямым;

t_о < 4 - позднее прямого.

Изменение начала возвратного сезонного промерзания по сравнению с началом прямого вызывает изменение особенностей льдообразования в сезонно-криогенных грунтах, их криогенного строения, а вместе с этим динамики комплекса криоградационных и криодеградационных процессов, обусловленных сезонным промерзанием и протаиванием грунтов.

6.3.6 Общим календарным периодом двунаправленного промерзания или протаивания грунтов называется период, ограниченный сроком (датой) начала наиболее ранней и окончания наиболее поздней качественной градации данного процесса.

6.3.7 Календарным периодом проявления любой качественной градации сезонного промерзания или протаивания называется период, ограниченный сроками (датами) ее начала и окончания. Это возможный период ее проявления, но возможность не всегда полностью реализуется.

6.3.8 Регулировать длительность календарного периода сезонного промерзания или протаивания грунтов можно путем изменения сроков начала и окончания данных процессов, увеличивая или уменьшая термическое сопротивление покровов и покрытий в начале и конце их проявления.

6.3.9 Для регулирования длительности периода фактического проявления прямого сезонного промерзания и протаивания, изменение которого более важно, чем календарного, необходимо изменять не только даты начала и окончания этих процессов, но и структуру календарного периода их проявления.

Сезонное промерзание (протаивание) грунтов не всегда идет непрерывно в течение календарных периодов его проявления. Под влиянием ряда причин (оттепели, снегопады или похолодания, заморозки) эти процессы могут временно не проявляться, останавливаться, а также на некоторое время промерзание сменяться протаиванием или наоборот. Эти особенности определяют структуру календарных периодов их проявления за каждый год и за многолетний период.

6.3.10 Структура календарного периода устойчивого сезонного промерзания (протаивания) грунтов называется простой при равенстве периодов календарного и фактического проявления этих процессов на протяжении 30 лет.

Структура календарного периода сезонного промерзания (протаивания) грунтов называется переходной, если за 30 лет она бывает не только простой однокомпонентной, но и двухкомпонентной из-за временных остановок процесса. Она разделяется на переходную северную и переходную южную с разными критериями для сезонного промерзания и протаивания. Если за 30 лет число сезонов с простой структурой календарного периода равно или больше числа сезонов с двухкомпонентной, структура сезонного промерзания называется переходной северной, а сезонного протаивания - переходной южной. При превышении за тот же период числа сезонов с двухкомпонентной структурой структура сезонного промерзания называется переходной южной, а сезонного протаивания - переходной северной.

6.3.11 Структура календарного периода сезонного промерзания (протаивания) грунтов называется сложной, если она на протяжении 30 лет двух- и трехкомпонентная.

6.3.12 Структура календарного периода данных процессов определяется по материалам ежедневных наблюдений за их ходом в течение репрезентативного или требуемого многолетнего периода. Раздельно изучается структура календарного периода прямого и возвратного сезонного промерзания и протаивания. Особенно сложно выявить структуру календарного периода возвратного промерзания грунтов; из-за малой в основном его скорости для этого не всегда пригоден мерзлотомер Данилина, не дают желаемого результата многоразовые замеры мощности протаявшего горизонта на маркированных участках. Более результативны ежедневные наблюдения за температурой грунта при частом (через 2 - 3 см) расположении датчиков в нижнем горизонте грунтов, подвергающихся сезонному промерзанию и протаиванию.

6.3.13 Проведение длительных ежедневных наблюдений за ходом сезонного промерзания и протаивания грунтов при освоении территории практически невозможно. Короткопериодные ежедневные в течение 3 - 5 лет наблюдения дают представления о структуре календарного периода этих процессов за данный период. Сопоставление ее особенностей за этот период на регулируемом участке и на участках АГМС, ГМС, болотных, мерзлотных станций, постов или стационаров (если они есть на исследуемой территории или по соседству и располагают многолетними данными о ходе сезонного промерзания и протаивания) позволяет приближенно судить о ее особенностях за требуемый многолетний или репрезентативный период на исследуемом участке.

6.3.14 Важно знать косвенные показатели, позволяющие приближенно судить о структуре календарного периода сезонного промерзания и протаивания грунтов. Косвенным показателем структуры этого периода можно считать температуру грунтов в зоне с нулевыми годовыми колебаниями t_о или среднегодовую температуру на подошве деятельного СТС слоя t_д, так как они практически одинаковы.

Ориентировочно критическими для структур календарных периодов можно считать следующие значения t_о или t_д, °C,

прямого сезонного промерзания:

t_о < -5 - простая,

-5 < t_о < -4 - переходная северная,

-4 < t_о < -1 - переходная южная,

-1 < t_о < 1 - двухкомпонентная,

1 < t_о < 4 - промежуточная северная,

4 < t_о < 5 - промежуточная южная,

t_о > 5 - трехкомпонентная;

возвратного сезонного промерзания:

t_о < -5 - трехкомпонентная,

-5 < t_о < -4 - промежуточная,

-4 < t_о < -1 - двухкомпонентная;

прямого сезонного протаивания:

t_о < -5 - трехкомпонентная,

-5 < t_о < -4 - промежуточная северная,

-4 < t_о < -1 - промежуточная южная,

-1 < t_о < 1 - двухкомпонентная,

1 < t_о < 4 - переходная северная,

4 < t_о < 5 - переходная южная,

t_о > 5 - простая;

возвратного сезонного протаивания:

t_о < 1 - трехкомпонентная,

1 < t_о < 4 - промежуточная,

t_о > 4 - двухкомпонентная.

6.3.15 Требуемую структуру календарного периода прямого или возвратного промерзания или протаивания можно обеспечить, изменив температуру грунта в зоне с нулевыми годовыми амплитудами до значений, критических для данной ее градации. Структуру можно считать устойчивой, если экстремальные значения t_о за требуемый период не выходят за пределы, критические для той или иной градации структуры календарного периода прямого или возвратного промерзания или протаивания (см. пункт 6.3.14).

Методы регулирования структуры календарного периода сезонного промерзания и протаивания те же, что и качественных градаций этих процессов: изменение термосопротивления поверхностных покровов и покрытий, влажности, состава сезонно-промерзающего и протаивающего грунта, создание затененных или открытых участков и т.д.

В тех случаях, когда требуется изменить структуру календарного периода сезонного промерзания грунтов, необходимо знать изменение температуры воздуха за холодный период года, а для изменения структуры календарного периода сезонного протаивания - изменение температуры воздуха за теплый период года. На регулируемом участке следует применять покровы и покрытия с таким термическим сопротивлением, которое может обеспечить проявление этих процессов лишь при определенной температуре воздуха. Например, увеличить их термосопротивление так, чтобы промерзание грунтов не проявлялось не только в дни глубоких оттепелей с положительной температурой воздуха, но и с определенной отрицательной.

6.4.1 Скорость прямого сезонного промерзания и протаивания грунтов можно регулировать, изменяя термосопротивление покровов и покрытий, уменьшая или увеличивая затенение поверхности, влажность-льдистость грунтов, их состав. Наибольший интерес представляет регулирование не средней календарной скорости, определяемой как частное от деления мощности протаивающих или промерзающих за сезон грунтов на календарный период прямого сезонного протаивания или промерзания, а фактической скорости этих процессов. Среднее за сезон значение фактической скорости протаивания (промерзания) находится как частное от деления мощности мерзлого (талого) грунта, протаивающего (промерзающего) за данный теплый (холодный) период, на длительность периода фактического проявления прямого сезонного протаивания (промерзания).

6.4.2 Наибольших значений фактическая скорость как прямого промерзания, так и протаивания в естественных условиях достигает в первую половину периода проявления этих процессов. Для уменьшения скорости необходимо применять дополнительную теплоизоляцию с начала холодного или теплого периода соответственно, а для увеличения скорости прямого сезонного промерзания грунтов следует с декабря по февраль включительно удалять снег или создавать на регулируемом участке условия, исключающие его накопление. Для увеличения скорости прямого протаивания рекомендуется уменьшать затененность поверхности, удалять напочвенный покров, особенно моховой или торфяной.

6.4.3 О влиянии этих мероприятий на скорость данных процессов можно судить по прогнозным расчетным значениям глубины прямого сезонного промерзания и протаивания при соответствующем нарушении природной обстановки.

Судя по глубине промерзания, удаление снежного покрова приводит к возрастанию средней календарной скорости промерзания суглинков с влажностью 15% в 2 раза по сравнению с ее значением при минимальном снегонакоплении и в 4 - 4,5 раза - при максимальном. Увеличение снегонакопления до максимального приведет к соответствующему уменьшению средней скорости прямого промерзания.

Скорость прямого сезонного протаивания при замене торфа на суглинок с влажностью 35% и при наличии мохового покрова возрастает в 1,5 - 2 раза, а при замене мохового покрова на дерновый и уменьшении влажности суглинка до 30% - в 2 - 2,5 раза. Противоположная замена напочвенного покрова и состава грунта вызовет соответствующее уменьшение скорости прямого протаивания грунтов.

6.4.4 Глубина прямого сезонного промерзания и протаивания грунтов - единственный количественный показатель этих процессов, более или менее детально изученный к настоящему времени. Разработаны расчетные методы определения и прогноза изменения этого показателя при нарушении природных условий. Они нередко называются методами расчета и прогноза не глубины прямого сезонного промерзания и протаивания грунтов, а мощности сезонно-талого и сезонно-мерзлого (СМС) слоев. Расчетные методы, применение гидроинтегратора и ЭВМ позволяют определить именно глубину прямого сезонного протаивания в области близко залегающих вечномерзлых грунтов, если при этом не учитывается осадка мерзлых грунтов при сезонном протаивании. Вне этой области данными методами определяют глубину прямого сезонного промерзания грунтов, а не мощность СМС, если не учитывается величина их пучения при промерзании.

6.4.5 Глубина сезонного промерзания соответствует мощности горизонта талых грунтов, промерзающих за холодный период года. В настоящее время вне области вечномерзлых грунтов она неоправданно отождествляется с мощностью СМС, превосходящей глубину сезонного промерзания на величину пучения грунтов при промерзании.

Мощность СМС соответствует глубине сезонного протаивания в следующий теплый период года, если не сохраняется остаточный горизонт сезонно-мерзлых грунтов, называемый перелетком. Глубина сезонного промерзания талых грунтов в любой год равна разнице между мощностью СМС и величиной криогенного пучения слагающих его грунтов.

При освоении территории без вечномерзлых грунтов учитывается не глубина сезонного промерзания (СП 22.13330.2016), а мощность СМС.

6.4.6 Различают несколько видов глубины сезонного промерзания и протаивания грунтов, определяемых по-разному. Практически до сих пор в области вечномерзлых грунтов вместо любого вида глубины сезонного протаивания используются сведения о том же виде мощности сезонно-талого слоя, а вне этой области - данные о том же виде мощности СМС. Глубина сезонного промерзания (протаивания) - это полная глубина проявления данного процесса в грунтах за данный год. Понятия "максимальная", "средняя" и "минимальная" глубина применимы лишь при характеристике пространственно-временной вариации этого показателя, т.е. когда имеется или многолетний ряд данных о его значениях, или данные за один год либо другой сравнимый период по нескольким точкам.

6.4.7 Глубину сезонного промерзания и протаивания грунтов в ненарушенных природных условиях следует называть естественной, а в условиях, нарушенных в целях эксперимента или при освоении территории, - экспериментальной или экзогенной глубиной проявления этих процессов.

6.4.8 Нормативная глубина сезонного протаивания грунтов определяется как наибольшая его глубина за период не менее 10 лет на участках близко залегающих вечномерзлых грунтов, лишенных растительного и торфяного покрова, с которых весной удаляется снег.

6.4.9 Нормативная глубина сезонного промерзания грунта принимается равной средней из ежегодных максимальных глубин сезонного промерзания грунтов за период не менее 10 лет на открытой, оголенной от снега горизонтальной площадке при уровне подземных вод, расположенном ниже глубины сезонного промерзания грунтов (СП 22.13330.2016).

Разная организация наблюдений при определении нормативной глубины промерзания и протаивания и разные значения глубины этих процессов, принимаемые за нормативные, делают необходимым уточнение как определения этих понятий, так и методики определения.

Нормативной правильнее считать максимальную за репрезентативный (30 лет) или требуемый период глубину как сезонного протаивания, так и сезонного промерзания при одинаковых требованиях к организации опытных площадок: горизонтальные, лишенные снега, растительного и торфяного покрова.

За 30 лет практически проявляется все природное многообразие летних и зимних погодных условий, влияющих на глубину сезонного промерзания и протаивания грунтов.

6.4.10 Методы регулирования глубины прямого сезонного промерзания и протаивания грунтов те же, что и качественных градаций этих процессов, но регулирование разных видов этого показателя проводится разными методами. Практически нельзя регулировать естественную их глубину, поскольку любые нарушения природной обстановки делают ее не естественной, а экспериментальной. Нормативную глубину можно регулировать, лишь изменяя состав и влажность грунтов, поскольку отсутствие снежного покрова и растительности, включая напочвенный покров и торфяной горизонт, оговорено в определениях понятия "нормативная глубина" сезонного протаивания и промерзания.

6.4.11 Изменение затененности поверхности в зависимости от характера напочвенного покрова, влажности грунта, условий снегонакопления, особенностей теплого и холодного периода позволяет изменить глубину сезонного прямого протаивания грунтов на 10% - 90% и более. Влияние затененности возрастает с уменьшением сумм градусо-часов (теплового импульса) теплого периода и влажности грунтов и снижается с их увеличением.

6.4.12 Изменение снегонакопления от минимального до максимального и наоборот позволяет увеличивать или уменьшать глубину прямого сезонного протаивания в среднем на 10% - 70% в зависимости от теплового импульса теплого и холодного периода, характера напочвенного покрова, затененности и влажности грунта. Влияние снегонакопления возрастает с увеличением прогрева и охлаждения поверхности, уменьшением влажности грунтов, особенно при наличии мохового покрова. Согласно расчетам, наименьшее значение как регулятор глубины прямого сезонного протаивания снегонакопление имеет на оголенных от растительности поверхностях: изменение его от минимального до максимального обусловливает изменение глубины протаивания не более чем на 40%, в основном менее 20%.

6.4.13 Действенным регулятором глубины прямого сезонного протаивания грунтов является растительный покров. Изменяя его, можно изменить глубину проявления этого процесса в среднем на 30% - 55% в зависимости от прогрева поверхности, характера напочвенного покрова, снегонакопления, испарения (транспирации, т.е. испарения влаги растительностью) и влажности грунтов.

6.4.14 Существенное влияние на сезонное промерзание и протаивание оказывает увлажненность (льдистость) грунтов, изменяя которую можно регулировать глубину проявления этих процессов.

6.4.15 Применяя тот или иной метод изменения конкретного количественного показателя сезонного промерзания и протаивания грунтов, необходимо учитывать возможное его воздействие на другие показатели, включая качественные. Ограничиваться оценкой его влияния на один какой-либо показатель допустимо лишь в том случае, если изменения других показателей при этом не имеют значения. В остальных случаях должно определяться изменение всех основных показателей этих процессов начиная с качественных, изменение которых может привести к нежелательным последствиям.

6.4.16 При регулировании качественных и количественных показателей сезонного протаивания грунтов в области близкого залегания сильнольдистых вечномерзлых толщ необходимо следить за тем, чтобы глубина сезонного протаивания грунтов не превысила ее критическое значение, равное или превышающее глубину промерзания (с образованием "талика") у инженерных сооружений. Это может способствовать началу деградации вечной мерзлоты и развитию термокарста, что приводит к долговременной потере устойчивости инженерным сооружением. В частности, толщина критического слоя стоячей (нетекущей) воды H_кр под которым в природных условиях Севера еще может образовываться и поддерживаться вечная мерзлота, составляет в среднем:

0,4 - 0,6 м для северной подзоны практически сплошного распространения;

0,2 - 0,4 м для центральной подзоны в основном сплошного распространения;

0,1 - 0,2 м для южной подзоны сплошного, прерывистого и островного распространения [2, 19 - 21].

Примечание - значения границ интервала принимаются для северных границ подзон, меньшие - для южных.

6.4.17 Теплопроводность льда практически в 4 раза больше теплопроводности воды, при этом теплоемкость льда в 2 раза меньше теплоемкости воды. В результате кондуктивная температуропроводность льда в 8 раз больше кондуктивной температуропроводности воды. Поэтому изменения температуры во льду и льдонасыщенных мерзлых грунтах распространяются быстрее, чем в воде и немерзлых грунтах (при кондуктивной теплопроводности). Перенос тепловой энергии или тепла в грунтах может происходить путем кондукции, конвекции (массопереноса) и радиации. Из них лишь кондукция и конвекция имеют значение для большинства решаемых инженерных задач. Если вода, присутствующая в грунте (материале), полностью замерзает (или переводится в гелеобразное состояние), кондукция будет преобладающим механизмом, а возможностей для массопереноса и сопутствующего конвективного переноса тепла практически не будет. Если же грунт и вода являются незамерзшими, то существует возможность для конвективного переноса тепла в сочетании с массопереносом. Последнее может значительно превышать кондуктивную теплопроводность.

6.4.18 При назначении граничных условий для водной поверхности рекомендуется различать два случая в зависимости от глубины воды [18]:

1) при глубине воды H_кр и менее за граничное условие на ее поверхности следует принимать среднюю за расчетный период температуру воздуха (с необходимыми поправками на глобальное потепление и др.). При этом слой воды рассматривается как твердое тело. Коэффициент теплопроводности данного слоя воды принимается равным 3,0 ккал/(м²·ч·°C) вместо 0,60 Вт/(м·°К) или ккал/(м²·ч·°C), как у воды. Этим учитывается ветровое перемешивание воды и др. (тепломассоперенос), а также поглощение солнечной радиации толщей воды (для открытых водных поверхностей). Для слоя льда коэффициент теплопроводности принимается равным 2,0 ккал/(м²·ч·°C);

2) при водной толщине глубиной более H_кр до полного замерзания воды, до дна, за граничное условие для подстилающей поверхности грунта принимается придонная температура воды. При этом необходимо учитывать, что наибольшую плотность вода имеет при температуре 4 °C. После полного промерзания воды за граничное условие принимается средняя за расчетный период температура воздуха (с необходимыми поправками) на верхней поверхности льда. Замерзшая вода (лед) при этом рассматривается как наложенный на поверхность дна водоема слой материала с коэффициентом теплопроводности, равным 2,0 ккал/(м²·ч·°C).

7.1.1 Динамика техногенных таликовых зон и термокарстовых форм определяется инженерно-геокриологической обстановкой, видами техногенных нарушений, конкретными условиями строительства и сроком эксплуатации инженерных сооружений.

7.1.2 В районах распространения низкотемпературных вечномерзлых грунтов (среднегодовая температура грунтов на глубине нулевых годовых амплитуд ниже -2 °C) развитие многолетнего протаивания и термокарста в результате техногенных воздействий наблюдается преимущественно в зоне непосредственного теплового влияния инженерных сооружений. В районах распространения высокотемпературных вечномерзлых грунтов, где среднегодовая температура грунтов выше -2 °C, развитие техногенного термокарста происходит не только в зоне непосредственного теплового влияния сооружений, но и при нарушениях естественных условий теплообмена на поверхности и в грунтах, возникающих в процессе инженерной подготовки территории или строительства сооружений (снятие растительного и почвенно-растительного покровов, послойное удаление грунта, обводнение поверхности, увеличение мощности снега до критической и т.д.).

7.1.3 Интенсивное развитие техногенного термокарста наблюдается на участках распространения мономинеральных залежей льда и сильнольдистых (i_tot > 0,4) грунтов в верхней части вечномерзлой толщи. На участках, сложенных слабольдистыми (i_tot < 0,1) грунтами, их многолетнее протаивание до глубины 5 - 10 м не приводит к развитию термокарста.

7.1.4 На участках, где при освоении территории термокарст не развивается, через несколько лет или десятилетий после прекращения техногенных воздействий формируются инженерно-геокриологические условия, близкие к первоначальным. В случаях развития техногенного термокарста исходная природная обстановка не восстанавливается, процесс термокарста может быть стабилизирован с помощью проведения биологической рекультивации или мероприятий тепловой мелиорации, позволяющих регулировать развитие техногенных тепловых осадок.

7.1.5 При проведении подготовительных и строительных работ должен осуществляться геокриологический контроль, обеспечивающий максимально возможную сохранность естественных условий на трассах и промышленных площадках. Для предотвращения развития техногенного термокарста на участках, где в естественных условиях он не проявляется, необходимо сохранять растительный и почвенный слои. Строительные работы следует по возможности проводить в зимнее или осеннее время (при наличии снежного покрова), чтобы механизмы при передвижении не нарушали растительный покров и верхние слои грунта. Не следует допускать на трассах и строительных площадках накопления снега большой мощности, превышающей критическую. Рекомендуется также обеспечивать на строительных площадках организованный отвод поверхностных вод, способствующих развитию термокарста (на плоских участках) и термоэрозии (на участках, имеющих уклон).

7.1.6 Наиболее интенсивные изменения геокриологических условий, в том числе развитие техногенного термокарста, имеют место в первые годы после нарушения естественной геокриологической обстановки. Это необходимо учитывать при разработке мероприятий по регулированию термокарста.

При проектировании дорожных насыпей и промышленных площадок по основному, II принципу проектирования (СП 34.13330.2021), на участках, сложенных льдистыми грунтами, нижнюю часть дорожной насыпи отсыпают из плохо водопроницаемых (например, глинистых), в том числе и мерзлых (разрыхленных), грунтов. Ее желательно отсыпать без предварительной расчистки растительного покрова. Верхнюю часть насыпи (толщиной 0,6 - 1,2 м, желательно на геосинтетической прослойке) при этом отсыпают из дренирующих грунтов.

При I принципе проектирования первоначально рекомендуется осуществлять лишь частичную и даже летнюю (несмотря на требования норм [2]) отсыпку части тела дорожной насыпи. При этом необходимо, чтобы общая толщина частичной зимней или летней отсыпки совместно с временно (в первый год строительства) оттаивающим (и уплотняющимся) верхним слоем мерзлого основания составила не более 0,7 - 0,9 от глубины последующего промерзания данного совокупного (вместе с отсыпкой) талого слоя. Окончательную досыпку насыпи преимущественно проводят в холодный период, но можно осуществлять и летнюю досыпку. При летней досыпке мерзлое грунтовое основание насыпи может еще раз незначительно дополнительно оттаять с поверхности и дать несущественную осадку (как правило, в среднем до 6 - 8 см). После отсыпки насыпи на полную расчетную высоту по I принципу частично оттаявший с поверхности и уплотнившийся слой основания уже больше оттаивать в основном не будет. И даже если затем в экстремально теплый год основание вновь частично оттает с поверхности, большой и неравномерной осадки не произойдет, так как верхний слой мерзлого основания уже до этого оттаивал и уплотнился.

7.1.7 При проектировании инженерных сооружений необходимо учитывать не только потенциальную возможность возникновения техногенного термокарста, но и вероятность воздействия на сооружения мигрирующих термокарстовых форм, представляющих отдельную опасность. Миграция термокарстовых озер может постепенно происходить на местности (в сторону уклона) со скоростью до 3 - 4 м/год, вызывая деформации инженерных сооружений при приближении к ним (ввиду увеличения таликовых глубин оттаивания и развития озерного термокарста).

7.1.8 Во избежание длительного развития термокарста на льдонасыщенных грунтах нежелательно производить летнюю грунтовую отсыпку дорожных насыпей и промышленных площадок толщиной более глубины промерзания. Особенно это опасно делать в центральной и южной подзонах распространения неустойчивой (высокотемпературной, т.е. с t_о более -1,5 °C) вечной мерзлоты (подзоны I₂ и I₃ по нормам [2]) с использованием для отсыпки нижних частей насыпей водопроницаемых дренирующих грунтов.

7.2.1 Регулирование процесса многолетнего протаивания грунтов производится с помощью мероприятий водно-тепловой мелиорации. Выбор этих мероприятий, оценка их эффективности и экономичности в каждом конкретном случае выполняются с учетом типа инженерного сооружения на основе знания закономерностей развития сезонно- и вечномерзлых пород. При этом особое значение имеет изучение льдистости и криогенного строения грунтов, поскольку скорость развития термокарста во многом определяется количеством и характером распределения льда в грунте.

7.2.2 Для уменьшения скорости или полного прекращения многолетнего протаивания вечномерзлых грунтов рекомендуется проводить следующие мероприятия:

- уменьшение мощности, увеличение плотности снежного покрова или его удаление;

- затенение поверхности (высадка деревьев, кустарников, устройство навесов);

- создание теплодиодных (из водоудерживающих, водонасыщенных материалов и грунтов, например гелей, торфа, глинистых грунтов и т.д.) слоев, прослоек и покрытий оптимальной толщины;

- устройство теплоизоляционных покрытий из высокопористых материалов;

- создание насыпей и подсыпок;

- дренирование поверхности, устройство организованного водоотвода.

7.2.3 Обоснование целесообразности применения того или иного из перечисленных мероприятий и выбор количественных значений параметров, которые способствуют прекращению процесса многолетнего протаивания (оптимальной мощности и плотности снега, высоты подсыпок и насыпей, материала и толщины теплоизоляционных покрытий, времени их устройства и т.д.), производятся на основе теплофизических расчетов, выполняемых по аналитическим формулам, а также путем математического или аналогового моделирования.

7.2.4 Термическое сопротивление изоляции R определяется из соотношения

где h - средняя толщина теплоизоляции, м;

- коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/(м·°C).

В холодный период R_з складывается из термического сопротивления снега R_сн, напочвенной растительности в мерзлом состоянии R_м и искусственного покрытия в зимний период R_из.з, в теплый период - из термического сопротивления напочвенной растительности в талом состоянии R_л и искусственного покрытия в летний период R_из.л.

7.2.5 Коэффициент теплопроводности снега , необходимый для расчета его термического сопротивления, определяется в зависимости от плотности снега , кг/м³, по формуле

При отсутствии экспериментальных данных о плотности снега значение R может быть ориентировочно определено в зависимости от мощности снега H по рисунку 3.

7.2.6 Для прекращения многолетнего протаивания грунтов (преимущественно на низкотемпературной вечной мерзлоте) сравнительно эффективно постоянное глубинное применение покрытий из искусственных теплоизоляционных материалов (пенопласта, пеноплекса и др.). Эти покрытия дорогостоящие и требуют ручной укладки, поэтому целесообразно использовать их для локализации и приостановки термокарста только на участках, наиболее опасных для устойчивости сооружений. Пеноплекс характеризуется значительной механической прочностью, небольшой массой, высокой морозостойкостью, низкой теплопроводностью. Значения коэффициентов теплопроводности различных пенопластовых теплоизоляционных материалов в среднем составляют 0,02 - 0,04 Вт/(м·°C). Хороший эффект (на любой мерзлоте) достигается, когда данные теплоизоляционные покрытия используют только в теплый период, а перед установлением устойчивых отрицательных температур - теплоизоляцию, для обеспечения очередного подмораживания их удаляют с поверхности.

7.2.7 Покрытия из естественных материалов, применяемые для уменьшения глубины сезонного и многолетнего протаивания, также достаточно эффективны. В качестве теплоизолирующего материала могут быть использованы различные настилы, торф, дерн, мохово-лишайниковые покровы. Так, на севере Западной Сибири частично проветриваемый зимой бревенчатый настил с заделкой щелей мхом уменьшил глубину сезонного протаивания на нарушенных участках с 0,5 - 0,8 до 0,1 - 0,15 м.

В районе р. Пунги, близ южной границы распространения вечномерзлых грунтов, глубина сезонного протаивания на участке настила (спиленные стволы деревьев, дерн) в первый теплый сезон уменьшилась вдвое (с 0,8 до 0,4 м).

7.2.8 Отсыпку нижней части насыпи (1,0 - 1,5 м) следует производить зимой, с тем чтобы сохранить теплоизолирующий мохорастительный покров, а досыпку насыпи до проектной величины - летом. При строительстве насыпи в летний период отсыпку следует выполнять "пионерным" способом (т.е. с отсыпкой с "головы"). В нижней части дорожной насыпи рекомендуется применение слоя (экрана) из глинистого грунта вместо дренирующей подсыпки для уменьшения отепляющего воздействия теплых летних осадков и задействования охлаждающей температурной сдвижки в среднем от -0,6 °C до -1,4 °C (ввиду включения механизма природного теплового диода и предотвращения инфильтрационной тепловой сдвижки).

7.2.9 Особенно сложно предотвратить многолетнее протаивание на высокотемпературных (со среднегодовой отрицательной температурой более -1,5 °C) высокольдистых (i_tot >= 0,4) грунтах и торфяниках, где техногенный термокарст проявляется весьма активно. Для предотвращения или стабилизации техногенного термокарста и термоэрозии на этих участках необходимо проводить инженерную подготовку территории. Термокарстовые понижения, а также полигональные трещины следует засыпать дерном, мхом, торфом и водонепроницаемыми глинистыми грунтами. Регулируя толщину слоя такой отсыпки, можно предотвратить протаивание льдистых грунтов в летнее время.

7.3.1 Для увеличения скорости многолетнего протаивания грунтов (вплоть до полного протаивания льдистого горизонта) и интенсификации термокарста рекомендуются следующие мероприятия:

- увеличение мощности снега до критической, т.е. до величины, обеспечивающей переход сезонного протаивания в многолетнее;

- снятие растительного и почвенного покровов;

- уменьшение затененности поверхности;

- создание искусственных покрытий и пленок;

- создание искусственных водоемов, глубина которых превышает критическую, т.е. обеспечивающую формирование положительной температуры донных отложений;

- послойное удаление оттаявшего грунта;

- применение дополнительных источников тепла (электрогрелка, парооттайка, гидрооттайка и др.).

7.3.2 Различные мероприятия оказывают на регулируемый процесс не только прямое, но и косвенное воздействие. Снятие растительного и почвенного покровов, являющихся теплоизоляционным или теплодиодным слоем, вызывает повышение температуры грунтов вследствие не только увеличения теплоприхода через поверхность в летний период, но и часто вследствие повышения в выемке высоты снежного покрова; создание насыпей, помимо воздействия на температуру грунтов, уменьшает высоту снежного покрова и т.д.

Эффективность влияния различных мероприятий на сезонное и многолетнее протаивание грунтов неодинакова в геокриологических зонах, характеризующихся различными среднегодовыми температурами вечномерзлых грунтов. Например, снятие растительного покрова вызывает увеличение глубины сезонного протаивания в северной подзоне в среднем на 10% (по сравнению с естественными условиями), а в южной подзоне эта величина возрастает до 40%.

7.3.3 Мероприятия, предусматривающие использование дополнительных источников тепла, являются наиболее быстродействующими, но дорогостоящими. Эффективность применения существующих методов оттаивания вечномерзлых грунтов в каждом конкретном случае определяется инженерно-геокриологическими условиями участка и климатическими особенностями. В районах, характеризующихся континентальным климатом, с высоким уровнем солнечной радиации в летнее время, целесообразно для оттаивания вечномерзлых грунтов применять методы, основанные на использовании тепла солнечной радиации. В районах, где верхние горизонты вечномерзлых грунтов сложены преимущественно крупнодисперсными грунтами, наиболее эффективны методы оттаивания, связанные с использованием тепла поверхностных теплых фильтрующихся вод (но нехолодных, подземных надмерзлотных) и т.д.

7.3.4 Технология проведения работ при послойном удалении грунта, тепло- и энергозатраты при использовании дополнительных источников тепла (электрогрелки, паровое иглооттаивание, гидрооттаивание и др.) определяются специальными теплотехническими расчетами.

7.3.5 Для приближенных оценок целесообразности удаления растительного и почвенного слоев, уменьшения затененности поверхности, определения критических мощностей снежного покрова, глубины искусственных водоемов, термического сопротивления искусственных покрытий используются различные методики теплотехнических расчетов для определения возникающих при этом глубин оттаивания.

7.3.6 Техногенные нарушения поверхности ведут к изменениям свойств элементов, составляющих биогеоценоз, или к изъятию отдельных его элементов из системы взаимодействия. Основные виды техногенных нарушений поверхности в области вечной мерзлоты и наиболее частые причины, их вызывающие, приводятся в таблицах 3, 4.

Примечание - Таблица составлена по обобщенным данным А.В. Кудрявцева, Н.А. Перетрухина, А.А. Цернанта, А.В. Павлова, Ю.Л. Шура, В.П. Чернядьева, Н.И. Шендера, В.Г. Кондратьева, О.Д. Андерсленда и др., а также согласно натурным наблюдениям Тындинской мерзлотной станции (ТМС), Института мерзлотоведения СО АН СССР и др.

Устойчивость (механическая) дорожной насыпи обеспечивается ее высотой, при которой верхний горизонт вечномерзлых грунтов (ВГВМ) будет сохраняться на расчетный период в критические по балансу тепла годы (один раз в 11 и (или) 30 лет) на требуемой (допустимой) глубине. Общая (многолетняя) прогнозная эксплуатационная осадка (за вычетом морозного поднятия) дорожной насыпи при этом в оттаявшие грунты основания не должна превосходить допустимой нормативной величины [1, 2], СП 34.13330.2021.

Механическая устойчивость насыпного сооружения на многолетнемерзлых грунтах в первую очередь зависит от долговременной тепловой устойчивости мерзлого грунтового основания, которую необходимо проверять (рассчитывать) на прогнозный период работы (эксплуатации) проектируемого инженерного сооружения в условиях происходящего и прогнозируемого на ближайшие 50 - 100 лет глобального потепления климата.

Экспресс-критерий позволяет предварительно сравнить естественное условие тепловой устойчивости вечной мерзлоты в природных условиях с послестроительными условиями существования мерзлого основания под насыпными инженерными сооружениями (дорожными насыпями, промышленными площадками, дамбами и т.д.) на ММП по зависимости

где I - климатический мерзлотный индекс (рассчитываемый с учетом текущего и прогнозируемого глобального потепления);

- сумма годовых отрицательных градусо-часов температур воздуха (или поверхности);

- сумма годовых положительных градусо-часов температур воздуха (или поверхности);

и - общие (суммарные) температуропроводные сопротивления конструктивных и оттаивающих грунтовых слоев соответственно в талом и мерзлом состояниях

h₁, h₂, ..., h_n - толщины слоев многослойной конструкции с соответствующими коэффициентами температуропроводности a₁, a₂, ..., a_n;

- коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности грунта или дорожного покрытия, в среднем равный 20 - 23 Вт/(м²·°C) или 17 - 20 ккал/(м²·ч·°C).

Сопротивлением теплопередачи поверхности в холодный и теплый периоды можно пренебречь ввиду практически близких значений в числителе и знаменателе формулы (3), а также их незначительности. Для учета протекающего глобального потепления, происходящего на территории Севера Российской Федерации, преимущественно за счет потепления зимних периодов в среднем на 3 °C - 5 °C прогнозную среднезимнюю отрицательную температуру воздуха необходимо повышать (вычитанием из среднезимней) на 3 °C - 5 °C.

Пример расчета тепловой устойчивости дорожных сооружений приведен в приложении Б.

Детальная оценка дорожных сооружений на тепловую устойчивость выполняется по условию (12) с последовательным расчетом необходимых составляющих.

Глубины промерзания и оттаивания H_от, м, слоев конструкции дорожной насыпи и ее основания могут определяться по формулам (5) и (8)

где - продолжительность периода оттаивания, ч;

- коэффициент теплопроводности материала (грунта) в талом состоянии, Вт/(м·°C) или ккал/(м·ч·°C);

C_тi - объемная теплоемкость талого грунта, кДж/(м³·°C) или ккал/(м³·°C);

T_тах - среднемесячная температура воздуха за самый теплый летний месяц, °C;

L_v - количество скрытой теплоты фазовых переходов влаги в 1 м³, кДж/м³ или ккал/м³,

L_o - скрытая теплота льдообразования (равная 334 кДж/кг или 80 ккал/кг);

W_tot - суммарная влажность грунта, доля единицы;

W_w - содержание незамерзшей воды (в данном случае W_w для упрощения принимается равной нулю как при оттаивании, так и при промерзании, что уравновешивает затраты на фазовые превращения воды), доля единицы;

- плотность сухого (скелета) грунта, кг/м³;

- плотность (объемная) грунта, кг/м³.

Расчетная суммарная влажность грунтов W_tot при минимальном коэффициенте уплотнения 0,90 (СП 34.13330.2021) составляет:

- пески пылеватые, супесь песчанистая и пылеватая - W_tot = 1,6W_opt;

- суглинок легкий песчанистый и пылеватый - W_tot = 1,5W_opt;

- суглинок тяжелый песчанистый и пылеватый, глина - w_tot = 1,3W_opt,

где W_opt - оптимальная влажность грунта (ГОСТ 22733-2016).

Глубина оттаивания нижнего (последнего) слоя h_н многослойной системы (грунтовые слои насыпи и основания) определяется по формуле

где H_отн - расчетная глубина оттаивания нижнего слоя многослойной конструкции, м;

h₁, h₂, ..., h_n-1 - толщины однородных слоев дорожной конструкции, м;

H_от1, H_от2, ..., H_n-1 - расчетные глубины оттаивания однородных слоев многослойной конструкции, м.

Глубина сезонного промерзания многослойной дорожной конструкции H_пр вычисляется по формуле

где - средневзвешенный коэффициент теплопроводности слоев многослойной системы (дорожная одежда, насыпь и основание) в мерзлом состоянии, Вт/(м·°C) или ккал/(м·ч·°C);

, , ..., - коэффициенты теплопроводности слоев в мерзлом состоянии, Вт/(м·°C) или ккал/(м·ч·°C);

C_мi - объемная теплоемкость материала слоев в мерзлом состоянии, кДж/(м³·°C) или ккал/(м³·°C);

T_з - абсолютная средняя температура воздуха за период с отрицательными температурами воздуха (принимается по абсолютной величине со знаком плюс и уменьшается на 3 °C, для учета происходящего и прогнозируемого длительного глобального потепления климата, происходящего на территории Российской Федерации, преимущественно за счет повышения зимних температур воздуха), °C;

Примечание - T_тах и T - летние и зимние расчетные температуры воздуха при необходимости (для уточнения расчетов) могут приводиться к температуре поверхности насыпи путем прибавления или вычитания из них повышающих или понижающих температуру поверхности поправок в соответствии с данными таблицы 4.

- продолжительность периода с отрицательными температурами воздуха (зимний период), ч.

Среднегодовая температура поверхности пород t_ср, а также на подошве слоя сезонного оттаивания t_д с учетом природных факторов, обусловливающих существование многолетнемерзлых пород, может ориентировочно уточняться по данным таблицы 4 как

где t_в - среднегодовая температура воздуха, °C;

- изменение среднегодовой температуры поверхности за счет изменения альбедо, угла наклона и экспозиции поверхности (откоса) и др., °C;

- изменение температуры поверхности за счет влияния снежного покрова, °C;

- изменение среднегодовой температуры на подошве слоя сезонного оттаивания за счет влияния теплых летних осадков (температурная сдвижка по В.А. Кудрявцеву), °C;

- изменение среднегодовой температуры поверхности за счет влияния растительного покрова, °C;

- изменение среднегодовой температуры на подошве слоя сезонного оттаивания за счет сезонных изменений теплопроводности пород деятельного слоя в мерзлом и талом состоянии (теплодиодная сдвижка по А.А. Цернанту), °C.

Температурная сдвижка за счет инфильтрации в дорожную насыпь (отсыпанную из дренирующих грунтов) теплых летних осадков упрощенно может определяться по формуле В.А. Кудрявцева

где V - объем (количество) летних теплых жидких осадков, инфильтрирующихся в дренирующий грунт, кг/м² или мм/м²;

t_ос - температура летних теплых жидких осадков, °C;

t_гр - температура оттаивающего мерзлого дренирующего грунта, принимаемая равной 0 °C для случая сезонного протаивания, °C;

c - теплоемкость воды (принимаемая за единицу);

- коэффициент теплопроводности талого дренирующего грунта, Вт/(м·°C) или ккал/(м·ч·°C);

- время, год в часах (365 сут x 24 ч) = 8760 ч.

Примеры влияния отдельных компонентов природной среды на температурный режим многолетнемерзлых пород с проверкой тепловой устойчивости дорожных сооружений приведены в приложении Б.

Коэффициент тепловой устойчивости К_ту определяется по формуле

Для устойчивого существования многолетнемерзлых грунтов в основании насыпи глубина промерзания H_пр в среднем должна превышать глубину оттаивания H_от на 10% - 30% и более (при обязательном наличии сливающейся мерзлоты). Данное условие устойчивости природной вечной мерзлоты в основании насыпи можно представить в следующем виде:

где значение 1,1 применяется к подзоне I₁, а 1,2 к подзоне I₂ и 1,3 к подзоне I₃ распространения вечной мерзлоты (в которой 1,2 используется на марях, торфяниках, северных склонах и других местах с устойчивой вечной мерзлотой).

При выполнении данного условия глубина оттаивания под сооружаемой дорожной насыпью (при отсутствии инфильтрации в ее основании теплой воды) не возрастает и естественная мерзлота, как правило, не деградирует под ней в период эксплуатации.

Примеры расчетов тепловой устойчивости дорожных сооружений приведены в приложении Б.

Дорожные конструкции, кроме требований по тепловой устойчивости, должны соответствовать требованиям на устойчивость к оползанию (на косогорах, а также при солифлюкции) и по допустимой осадке.

Крутизна и теплоизоляция откосов (насыпей и выемок) назначается такой, чтобы оттаявший за теплый период года мерзлый грунт не сползал по откосу. Для этого необходимо соблюдение условия

где - острый угол, составляемый откосом с горизонтальной поверхностью, град.;

- плотность (объемный вес) мерзлого грунта, слагающего откос, кг/м³;

- сопротивление грунта сдвигу, соответствующее началу возникновения пластических деформаций, МПа или кгс/м²,

с - сцепление мерзлого грунта после его оттаивания, кгс/м²;

- угол внутреннего трения оттаявшего мерзлого грунта, град.;

P - давление оттаявшего слоя грунта, кгс/м²,

H_от - глубина сезонного оттаивания грунта откоса выемки, м.

Значения с и получают при мерзлотно-грунтовых испытаниях. Для ориентировочных расчетов можно пользоваться данными таблицы 5.

При откосах круче расчетного их следует теплоизолировать торфом, укрываемым от размыва геосеткой или торфо-глинистой смесью (создаваемой совместным зимним взрыванием слоя торфа с нижележащим слоем суглинка на мари, например в соотношении 50/50, и др.) в геовебах (талую) или без них и т.д. Толщина теплоизоляции H_из определяется по формуле

где , - коэффициент теплопроводности соответственно мерзлого грунта откоса выемки и материала теплоизоляции, Вт/(м·°К) или ккал/(м·ч·°C).

Устойчивость косогоров, сложенных мерзлыми грунтами, проверяется на подвижность верхних слоев грунта при их оттаивании.

Примеры расчетов приведены в приложении Б.

Для проведения инженерных расчетов рекомендуется использовать следующие опытные (эмпирические) зависимости, учитывающие коэффициент армирования (упрочнения) при применении различных геоматериалов (и их комбинаций) в дорожных конструкциях:

где E_уа, E_оа, C_а - соответственно модуль упругости, модуль деформации и коэффициент постели армированного геосинтетиками слоя;

E_у, E_о, C - соответственно модуль упругости, модуль деформации и коэффициент постели неармированного слоя;

К_а - коэффициент армирования.

В соответствии с расчетной моделью Фусса - Винклера коэффициент постели C является коэффициентом пропорциональности между нагрузкой (действующим напряжением) и деформацией (осадкой) S сжимающейся толщи основания H. При этом модуль деформации E_о равен отношению напряжения к относительной осадке , равной H/S,

Исходя из этого, в расчетной схеме линейно-деформируемого полупространства определение осадки S производится в соответствии с рекомендациями [23], СП 22.13330.2016 по формуле

где H - толщина сжимающейся грунтовой толщи основания, см;

- общее напряжение (нагрузка) на сезоннооттаивающий (деятельный) слой основания от веса насыпи и подвижной нагрузки, МПа (кг/см²),

- напряжения (нагрузка) от собственного веса насыпи, МПа (кг/см²),

- напряжение (нагрузка) от подвижной нагрузки, МПа (кг/см²),

- плотность (вес) слоев грунта и дорожной одежды насыпи, кг/см³;

h - толщина слоев грунта и дорожной одежды насыпи, см;

- величина нормального напряжения от воздействия (колеса) подвижной нагрузки на расчетной глубине (принимают по таблице А.9 приложения А), МПа (кг/см²);

P_п - давление в пневматических шинах подвижной нагрузки (равное 0,6 - 0,8 МПа), МПа (кг/см²);

- коэффициент динамичности от воздействия подвижной нагрузки (принимаемый в среднем 1,5).

Величину общей осадки S_a армированной геосинтетическими материалами (и их комбинациями) насыпи определяют по формуле

В действительности (на практике) снижения осадки за счет армирования полностью на величину К_а не происходит, однако при этом вместе с относительно близким к К_а средним снижением величины осадки значительно снижается и ее неравномерность. Последнее наиболее важно, так как любая осадка в основном наиболее губительна именно своей неравномерностью. Равномерная же осадка легко компенсируется технологически, например созданием необходимого строительного запаса на последующую равномерную прогнозную осадку сооружения.

Примеры оценки снижения величины осадки насыпи (с повышением ее равномерности) путем армирования геосинтетическими материалами (и их комбинациями) приведены в приложении Б.

Расчет заключается в определении толщины стабильного слоя (верхней части дорожной насыпи), обеспечивающего снижение деформации пучения S_f до допустимого значения S_u.

Толщину стабильного слоя определяют в следующей последовательности.

1 Назначается расчетная толщина искусственного основания (слоев дорожной одежды и верхней части земляного полотна из непучинистых грунтов).

2 С учетом толщины слоев дорожной одежды и ее основания рассчитывается высота последнего (n-го) пучащего слоя грунта H_n по формуле

где , - коэффициенты теплопроводности соответственно последнего (n-го) пучащего слоя грунта и i-го слоя дорожной или аэродромной одежды и основания, Вт/(м·°C);

- абсолютная средняя температура на поверхности покрытия за период промерзания, °C, принимаемая равной средней температуре воздуха t_ma;

t₀ - температура начала пучения грунта, °C, принимаемая по таблице 6;

- продолжительность периода отрицательных температур на поверхности покрытия, ч;

- продолжительность j-го месяца с отрицательной среднемесячной температурой воздуха, ч;

i - номер слоя дорожной одежды и основания;

m - число слоев дорожной одежды и основания;

t_i - толщина i-го слоя дорожной одежды и основания, м;

- количество тепла, выделяемое при фазовых переходах и охлаждении n-го слоя грунта, кДж/м³,

- количество тепла, выделяемое при фазовых переходах и охлаждении i-го слоя дорожной одежды и основания, кДж/м³,

- количество тепла, выделяемое при фазовых переходах и охлаждении грунта, расположенного ниже изотермы начала пучения, кДж/м³,

C_f, C_fi - теплоемкость в мерзлом состоянии, кДж/(м³·°C);

, - плотность сухого (скелета) грунта или материала, кг/м³;

W, W_i - суммарная влажность, доля единицы;

W_w, W_wi - влажность грунта или материала за счет содержания в них незамерзшей воды, соответственно последнего (n-го) пучащего слоя грунта и i-го слоя дорожной одежды и основания, доля единицы.

Значения , , C_fi, W_i - для материалов аэродромной и дорожной одежды и основания - принимают табличные значения и C_f(i) для грунтов естественного основания, значения , W_(i) и W_w(i) - по данным инженерно-геологических изысканий.

Значение W_w допускается определять по формуле

где k_w - коэффициент, принимаемый по таблице 7;

W_р - влажность грунта на границе раскатывания, принимаемая по данным инженерно-геологических изысканий, доля единицы.

3 Определяется расчетное значение деформации пучения основания S_f, м, согласно расчетной схеме на рисунке 4 по формуле

где H_i - высота промерзающего слоя основания за вычетом слоев, лежащих выше i-го слоя, м;

m_zi - коэффициент, учитывающий снижение интенсивности пучения по глубине и определяемый по графику на рисунке 5 в зависимости от отношения H_i/H_f;

H_f - высота промороженной толщи дорожной одежды и основания до изотермы начала пучения, м;

k_fi - коэффициент морозного пучения i-го слоя, принимаемый по таблице 8.

Примечания

1 Значения расчетного коэффициента пучения для крупнообломочных грунтов принимают в зависимости от вида заполнителя (песок, супесь и т.д.), вводя понижающий коэффициент, равный 0,5 - при содержании заполнителя от 10% до 30% по массе грунта; 0,7 - при содержании заполнителя от 30% до 50% по массе грунта.

2 Наличие в грунтах минералов группы каолинита, а также прослоек оглеенных и глинистых грунтов в песках повышает коэффициент пучения на 0,01 для гидрогеологических условий 1-го и 2-го типов и на 0,02 для гидрогеологических условий 3-го типа. Наличие в грунтах новообразований в виде карбонатов, а также доуплотнение грунтов естественного основания до плотности, близкой к максимальной при стандартном уплотнении, снижает коэффициент пучения на 0,01 для гидрогеологических условий 1-го и 2-го типов и на 0,02 для гидрогеологических условий 3-го типа.

4 Если при I и II принципах (проектирования) использования грунтов в качестве естественных оснований глубина сезонного оттаивания H_от, вычисленная по формуле (5), меньше H_f, то в расчетах деформации пучения H_f следует принимать равным H_от, а высоту последнего (n-го) пучащего слоя определять по формуле

5 Расчетная величина пучения сравнивается с допускаемым значением деформации пучения. В случае невыполнения условия производится корректировка толщины искусственного основания (верхней части насыпи из непучинистого грунта) и расчет повторяется.

Пример расчета по методике приведен в приложении Б.

Назначение мероприятий по стабилизации дорожных сооружений (основания, насыпи, дорожной одежды и покрытия) рекомендуется производить в зависимости от выявленных причин возникновения и развития осадочных деформаций и их типизации.

В приложении В представлена типизация деформирующихся (аварийных) участков на высокотемпературных (со среднегодовой температурой выше -1,5 °C) термопросадочных (с относительной осадкой при оттаивании более 0,10) многолетнемерзлых грунтах основания.

Учитывается скачкообразное изменение температуры на поверхности исследуемого слоя грунта, которое описывается следующими краевыми условиями:

Такое изменение может произойти в результате реализации новых конструкторско-технологических решений по обеспечению геокриологической устойчивости дорожных сооружений.

Динамичность теплового состояния, характеризуемого изменением температурного поля рассматриваемого слоя грунта, определяется математической моделью

где T₁ и T₂ - соответственно прежнее и новое значения температуры на поверхности слоя грунта;

T₃ - прогнозируемое значение температуры в основании слоя грунта.

В выражении (32) первые два слагаемых - стационарные величины, т.е. они не зависят от времени, последнее же слагаемое со временем убывает, приводя к стабилизации отличающегося от исходного температурного поля, значения которого будут определяться стационарными величинами.

В том случае, когда промерзающий и оттаивающий массив грунта мощностью h представляет собой многослойную конструкцию с толщинами слоев h₁, h₂, ..., h_n и соответствующими коэффициентами температуропроводности a₁, a₂, ..., a_n, в формуле (32) коэффициент температуропроводности a рассматривается как средневзвешенная величина, определяемая по формуле

или в компактной записи

где - произведение (n - 1) сомножителя.

Пример прогнозирования, основанный на моделировании выражений (31) и (32), на несколько лет при заданных, фиксированных значениях величин представлен в приложении Б.

Постройка дороги вносит большие изменения в природный режим вечномерзлых грунтов. Влияние этих изменений необходимо иметь в виду, принимая те или иные проектные решения.

Основными параметрами, характеризующими температурный режим пород в слое его годовых колебаний, являются среднегодовая температура воздуха и среднегодовые температуры пород (грунтов) на трех характерных уровнях:

- на поверхности земли (с учетом растительного, водного и снежного покровов на границе с атмосферой) t_п;

- подошве деятельного слоя, сезонного оттаивания пород t_д;

- границе нулевых годовых колебаний температур (или нулевых амплитуд) t₀.

В районах распространения низкотемпературных вечномерзлых грунтов со среднегодовой температурой грунтов на глубине нулевых годовых амплитуд ниже -2 °C) развитие многолетнего протаивания и термокарста в результате техногенных воздействий наблюдается преимущественно в зоне непосредственного теплового влияния инженерных сооружений. В районах распространения высокотемпературных вечномерзлых грунтов (со среднегодовой температурой грунтов на глубине нулевых годовых амплитуд выше -(1,5 - 2) °C развитие техногенного термокарста происходит не только в зоне непосредственного теплового влияния сооружения, но и при нарушениях естественных условий теплообмена на поверхности и в грунтах. Они возникают в процессе инженерной подготовки территории или строительства сооружений (снятие растительного и почвенно-растительного покровов, послойное удаление грунта, обводнение поверхности, увеличение мощности снега до критической и др.). Наиболее интенсивные изменения геокриологических условий, в том числе развитие техногенного термокарста, имеют место в первые три года после нарушения естественной геокриологической обстановки. Это необходимо учитывать при разработке мероприятий по предотвращению или регулированию термокарста.

Для прогноза среднегодовой температуры грунтов в полосе определенной ширины необходимо знать среднегодовую температуру поверхности грунтов в естественных t_п и нарушенных t₁ условиях и ширину зоны нарушения (рисунок 6). Зависимость между разностью среднегодовых температур на поверхности нарушенного участка t_п и на любой глубине под его центром t_ср от разности t₁ и t_п носит линейный характер. Это позволяет определить среднегодовую температуру грунтов под центром нарушения из соотношения

где k - коэффициент, зависящий от ширины полосы нарушения и глубины h, на которой определяется t_ср.

В таблице 9 приведены значения коэффициента k для некоторых фиксированных глубин h под центром нарушенного участка в зависимости от ширины полосы нарушения [21].

В зависимости от размеров полосы нарушения и соотношения температур на поверхности нарушенного участка и в естественных условиях можно выделить три типа нарушений (рисунок 7).

I Нарушения не сказываются на изменении среднегодовой температуры грунта, т.е. среднегодовая температура грунта на глубине 10 м под центром нарушения отличается от среднегодовой температуры грунта в естественных условиях не более чем на +/- 0,2 °C (точность полевого определения температуры грунтов). Для этих нарушений среднегодовая температура грунтов принимается равной ее значению в естественных условиях.

II Среднегодовая температура грунтов на глубине 10 м под центром нарушенного участка лежит в диапазоне от ее значения в естественных условиях до температуры на поверхности нарушенного участка (с точностью +/- 0,2 °C). Для этого типа нарушений значение среднегодовой температуры грунтов определяется по формуле (35) при известном значении t_п и рассчитанной для конкретного типа нарушения (удаления растительного покрова, изменения условий снегонакопления и т.д.) величине t₁.

III Среднегодовая температура грунтов на глубине 10 м под центром нарушенного участка отличается от ее значения на поверхности нарушения не более чем на +/- 0,2 °C, т.е. температура грунтов в естественных условиях не оказывает влияния на среднегодовую температуру грунта под центром нарушения. Расчет среднегодовой температуры грунтов производится без учета влияния естественного фона температур t_п.

Тип I возможен при небольших площадях нарушенных участков и малом отличии температур грунтов в естественных и нарушенных условиях. Тип III - при большой площади нарушений и также при незначительном перепаде температур в естественных и нарушенных условиях. В том случае, когда t_п и t₁ имеют разные знаки (т.е. когда при техногенных нарушениях началось многолетнее промерзание или оттаивание грунтов), определяется область, в пределах которой начавшийся процесс сказывается на изменении температурного поля грунтов.

Степень термопросадочности ММП при оттаивании определяется по формуле

где - плотность сухого (скелета) талого грунта, оттаявшего под расчетной нагрузкой, г/см³;

- плотность сухого (скелета) грунта в мерзлом состоянии, г/см³.

В дорожно-мерзлотной классификации вечномерзлых грунтов они делятся на четыре категории в зависимости от степени термопросадочности (т.е. величины относительной осадки при оттаивании) в основании:

1 - грунты непросадочные, прочные ;

2 - грунты малопросадочные, недостаточно прочные ;

3 - грунты просадочные, слабые ;

4 - грунты сильнопросадочные , а также содержащие в верхних горизонтах подземный лед.

Прогнозная толщина оттаивания основания дорожных насыпей H_от высотой до 1 - 3 м на расчетный год (при образовании "талика" в основании) для наиболее неустойчивой (в условиях глобального потепления) I₃ южной мерзлотной подзоны [2] после трех лет эксплуатации может определяться по эмпирической формуле [24]

где - период времени от момента возведения насыпи после трех лет эксплуатации.

Прогнозную осадку S в случае образования в основании участка насыпи "талика" (не сливающейся в зимний период, т.е. деградирующей вечной мерзлоты) для невысоких (до 3 м) дорожных насыпей из дренирующих грунтов (песчаных, гравийных, крупнообломочных и др.), расположенных на грунтах 3 и 4 категории термопросадочности, после трех лет эксплуатации в наиболее неустойчивой (опасной) южной подзоне I₃ можно ориентировочно вычислять по формуле

Время стабилизации дорожных насыпей, запроектированных по II принципу проектирования и, как правило (по действующим техническим нормативам [2, 25, 26]), отсыпанных в нижней части из дренирующих грунтов, в наиболее неустойчивой I₃ южной и частично в I₂ центральной подзоне вечной мерзлоты, состоит из трех основных этапов:

1 - строительное нарушение существовавшего природного термодинамического равновесия с созданием неустойчивой геотехнической системы "земляное полотно - вечномерзлое основание" (до 7 - 10 лет);

2 - формирование псевдо- или квазитермодинамического равновесия за счет нарастания непромерзающей таликовой зоны, все более по мере своего нарастания сглаживающей своей уплотнившейся толщей неравномерности осадки оттаивания нижележащих грунтовых слоев. В результате дальнейшая осадка становится более равномерной и не так заметной. Кроме того, основная неравномерная льдонасыщенность вечномерзлых грунтов, как правило, тяготеет к активной зоне промерзания-оттаивания. В более нижних, мерзлых грунтовых слоях, особенно ниже глубины "нулевых амплитуд", обычно расположенной на 8 - 12 м от поверхности, льдонасыщенность мерзлых пород и ее неравномерность обычно снижаются. Ввиду этого оттаивание нижележащих мерзлотных слоев принято называть псевдо-, квазистационарным, т.е. относительно устойчивым состоянием оттаивающего мерзлого основания (этот период длится ориентировочно 11 - 25 лет);

3 - установление псевдотермодинамического равновесия и устойчивого квазистационарного состояния с относительной стабилизацией (уменьшением по величине и увеличением по равномерности) происходящей осадки. В этот период деформации происходят преимущественно за счет пластических подвижек оттаявших слабых грунтов основания (как правило, через 25 лет и более).

При глубине сезонного оттаивания торфяных и глинистых грунтов (на марях и др.) в естественных условиях 0,8 - 1,7 м верхняя граница "талика" через 20 - 25 лет устанавливается примерно на глубине 5 м от поверхности насыпи, а нижняя - на глубине 10 - 12 м. Ежегодно неравномерные осадки насыпей, в зависимости от категории термопросадочности оттаивающих грунтов оснований, в начальный период 10 - 15 лет после строительства в среднем составляют от 4 - 8 до 12 - 18 см и более, особенно в первые годы эксплуатации. Векторы перемещений направлены вниз и в стороны от оси земляного полотна [24].

По степени мерзлотной деформативности (опасности) земляное полотно автомобильных и железных дорог условно может быть разделено на следующие категории деформативности [24]:

1 - устойчивые участки, осадка до 20 мм/год;

2 - деформирующиеся участки, осадка от 20 до 50 мм/год;

3 - опасные участки, осадка от 50 до 150 мм/год;

4 - аварийные участки, осадка более 150 мм/год.

Наличие трех длительных (десятки лет) этапов стабилизации дорожных насыпей на просадочных мерзлотных участках при II основном (СП 34.13330.2021) принципе проектирования вызывает необходимость применять более надежный, комбинированный (обобщенный) универсальный (экологический) принцип проектирования. Универсальный принцип является модернизированным II принципом проектирования. При этом устраняются его основные недостатки (наличие затекания теплых вод в осевшее основание насыпи и отсутствие подмораживающего теплодиодного эффекта). Дополнительно он (в преимущественном исполнении) усиливается элементами IV принципа. Это обеспечивается приспособлением насыпи сначала к гашению неравномерностей и кратковременной строительной величины (в основном в первый строительный период оттаивания) расчетным армированием геосинтетическими материалами, а затем (в качестве подстраховки) возможной эксплуатационной осадки (при внепрогнозном глобальном потеплении климата), а также для гашения неравномерности ежегодного морозного поднятия (пучения) [27].

При универсальном (экологическом) принципе проектирования отсыпка нижней части дорожной насыпи осуществляется с расширенным использованием наиболее распространенных местных временно некондиционных (мерзлых и (или) переувлажненных), но пригодных при допустимой влажности глинистых и торфяных грунтов, а также искусственных торфо-глинистых и глинисто-песчаных смесей. Применение данных грунтов и грунтовых смесей в нижней части насыпи при универсальном принципе возможно без начального нормативного их уплотнения. Требуемое нормативное уплотнение, как правило, технически невозможно при строительстве с применением местных льдонасыщенных песчаных или переувлажненных крупнообломочных с глинистым заполнителем, глинистых и торфяных грунтов, а также их смесей (особенно в длительный холодный период или при круглогодичном строительстве). Временно некондиционные местные грунты в нижней части преимущественно невысоких (до 3 м) дорожных насыпей затем уплотняются при уплотнении кондиционного или дренирующего грунта верхней части насыпи (как правило, на геосинтетической прослойке, сглаживающей неравномерности осадки), затем дополнительно движением технологического и транзитного транспорта до стабилизации осадки (не более 4 - 6 см за теплый период) или достижения коэффициента уплотнения не менее 0,90 - 0,92. При проектировании по универсальному принципу теплотехническим расчетом обязательно проверяется тепловая (и соответственно общая) устойчивость дорожных насыпей на вечной мерзлоте (с учетом происходящего и прогнозируемого на ближайшие 50 - 100 лет глобального потепления климата). Нормативные общие положения универсального принципа проектирования приведены в рекомендациях [1].

А.1 В таблицах А.1 - А.10 приведены справочные данные.

Примечание - В скобках приведены наиболее характерные интервалы среднегодовых температур основания СТС.

Примечание - В скобках даны названия грунтов по ГОСТ 25100-2011.

Примечание - Относительная осадка (или просадка при замачивании) определяется расчетом по формуле (36) или по данным инженерно-геологических исследований (испытаний) грунтов.

Примечание - W_tot - суммарная влажность мерзлого песчаного грунта.

Примечание - Дорожные насыпи запроектированы и построены по II основному (СП 34.13330.2012) принципу проектирования. Меньшие значения осадок наблюдаются при отсыпке насыпей в зимний период (ноябрь-апрель), - в летне-осенний (май-октябрь). При этом осадки зимней отсыпки длятся дольше и сравниваются по величине с летне-осенней отсыпкой через 4 - 5 лет.

Примечания

1 Тканая геосинтетическая прослойка прочностью (на растяжение) не менее 300 кН/м.

2 Схемы армирования и значения полученных опытных коэффициентов армирования K_а для различных вариантов конструкций дорожных одежд и их оснований геосинтетиками приведены в руководстве [29] и др.

Примечание - Знак (-) означает понижение температуры и уменьшение мощности СТС за счет влияния данного фактора, отсутствие знака (-) - повышение температуры и увеличение мощности СТС.

А.2 Справочно-информационные данные приведены ниже.

Крупнозернистые грунты, такие как гравий и песок, обычно устойчивы при оттаивании (при незначительной льдистости), пылеватые глинистые и илистые грунты, часто содержащие избыток льда, весьма неустойчивы. Если оттаивание происходит медленно, вода, образующаяся при оттаивании (в открытой системе), будет мигрировать от фронта оттаивания практически с такой же скоростью, с какой она образуется. В этом случае избыточное поровое давление не будет поддерживаться и осадка станет протекать одновременно с оттаиванием грунтов. Если оттаивание происходит быстро, могут образовываться избыточные поровые давления вследствие собственного веса грунта или сочетания собственного веса и приложенной нагрузки. При этом восходящее перераспределение холодной, надмерзлотной воды во время осадки оттаивания обычно снижает скорость оттаивания. В итоге, если влияние восходящей миграции воды во время осадки оттаивания игнорируется ввиду незначительности (в среднем до 3%), полученные погрешности приводят к несколько завышенной оценке скорости оттаивания. Кроме того, поскольку скорость восходящей фильтрации обычно уменьшается по мере увеличения глубины протаивания, конвективный перенос тепла со временем уменьшается. При протаивании крупнодисперсных льдонасыщенных пород в слое между изотермами 4 °C и 0 °C создаются условия для термоградиентной конвекции воды. Она протекает тем интенсивнее, чем грубее (крупнее) скелет породы (т.е. чем выше ее проницаемость) и больше температурный градиент. Другие факторы - внешнее давление (например, от дорожной насыпи и др.), толщина зоны между изотермами 4 °C и 0 °C - также влияют на интенсивность конвекции, но в меньшей мере. Теплообмен в протаивающих породах, имеющих коэффициент фильтрации больше 50 см/сут, в случаях затекания теплых вод может увеличиваться в несколько раз. Однако методы расчета свободной конвекции в протаивающих породах построены на значительных допущениях и дают разноречивые результаты.

Известно несколько случаев, когда температура фильтрующейся воды имеет решающее значение для температурного режима грунтов. В этих случаях наблюдаемые изменения температур во время или после инфильтрации (а также конденсации) обусловливаются следующими воздействиями:

1) отепляющими, при инфильтрации теплых летних осадков, теплых поверхностных паводковых вод, а также конденсации (при которой в грунт привносится 539 калорий тепла от каждого сконденсировавшегося из пара грамма воды);

2) охлаждающими, из-за повышения объема и интенсивности испарения с поверхности грунтов (при которой с поверхности грунта удаляются 539 калорий тепла на каждый грамм испарившейся воды, в том числе и опосредованно, при транспирации - т.е. испарении влаги растениями);

3) охлаждающими, из-за повышения удельной теплоемкости и понижения температуропроводности грунта вследствие повышения содержания влаги. Фильтрация холодной (недавно оттаявшей) надмерзлотной воды в талой зоне также охлаждает ее (в отличие от инфильтрации в оттаявший дренирующий грунт теплых поверхностных вод). Это необходимо различать при назначении теплозащитных мероприятий.

Инфильтрация холодных талых или надмерзлотных вод с повышением в итоге содержания влаги в грунте приводит к увеличению теплоемкости грунта и повышенной охлаждающей его испаряемости. В результате влажные грунты нагреваются весной и прогреваются летом меньше и медленнее, чем сухие. Скрытая теплота фазовых переходов также оказывает большое влияние на сохранение температур грунта около 0 °C в начале холодного период и вызывает значительное запаздывание оттаивания по времени весной при начале нагревания поверхности грунта. Это запаздывание по времени промерзания и оттаивания водонасыщенных грунтов называется эффектом нулевой завесы. В талых породах за счет миграционного потока влаги переносится не более 10% - 15% от всего теплопотока, поэтому чаще всего при математическом описании процессов распространения тепла миграцию влаги не учитывают (ввиду незначительности и из-за большой сложности корректного математического описания всей совокупности происходящих при этом процессов).

В промерзающих грунтах миграция воды к фронту замерзания и в итоге морозное поднятие (пучение) оказывают непосредственное влияние на тепловой режим грунтов, в частности, на скорость проникновения фронта промерзания. Миграция воды к фронту промерзания увеличивает количество тепла, выделяемого при замерзании, которое должно устраняться для того, чтобы фронт промерзания продвигался. Чем интенсивнее происходит миграция воды к фронту промерзания (что наиболее характерно для пылеватых и глинистых грунтов), тем больше тепла должно быть удалено от этого фронта. Образование ледяных линз и явления морозного пучения могут существенно задерживать более глубокое промерзание. Ввиду этого дополнительный вклад от скрытой теплоты фазовых переходов миграционного потока влаги следует учитывать в тех случаях, когда капиллярное поднятие воды и наличие близкого уровня воды достаточны для поддержания значительного потока влаги. При сравнительно быстром наступлении значительных отрицательных температур капиллярный подток (миграция) и соответствующие повышенные затраты тепла на фазовые переходы воды не успевают оказать существенного влияния на снижение скорости промерзания (и соответственно значительное увеличение льдонакопления) в быстро промерзающем слое до его смыкания с верхней границей мерзлоты. Наибольшая скорость миграции влаги и наибольшее влагонакопление в промерзающем грунте происходит при некоторых оптимальных, зависящих от дисперсности грунта значениях температуры и температурного градиента. В частности, по экспериментальным данным В.П. Пузакова и В.О. Орлова, процесс миграции влаги в мелкодисперсных грунтах (глинистых и пылеватых) происходит наиболее интенсивно при температурах до -(3 - 3,5) °C, при более низких температурах миграция влаги практически прекращается. В результате морозное пучение при быстром промерзании деятельного слоя (без дополнительного подтока влаги) в северной и центральной подзонах вечной мерзлоты, как правило, незначительно и сравнительно равномерно.

Выражает повышение температуры единицы объема материала (грунта) в талом или мерзлом состоянии, вызванное переданным количеством тепла. Температуропроводность пропорциональна теплопроводности и обратно пропорциональна объемной теплоемкости C, , м²/ч. Температуропроводность характеризует скорость, с которой материал (грунт) может изменять свою температуру в ответ на внешние изменения температур.

5 Теплопроводность 

Характеризует способность материала передавать тепло кондуктивным путем и представляет собой количество тепла, которое будет распространяться (проходить) в единицу времени через единицу площади материала при единичном температурном градиенте. Теплопроводность грунта, как и кондукция, не зависит от того, находятся ли в движении какие-либо жидкости, содержащиеся в порах данного грунта. С ростом температуры выше 0 °C теплопроводность грунтов (и материалов) имеет тенденцию незначительно увеличиваться (очень слабо), и в инженерной практике этим можно пренебречь без особой погрешности. При замерзании теплопроводность грунта сильно зависит от суммарного содержания воды и ее фазового состава. Почти не наблюдается изменения теплопроводности при промерзании воздушно-сухих грунтов. При постоянном содержании влаги увеличение плотности сухого грунта приводит к некоторому повышению теплопроводности. При постоянной плотности сухого грунта увеличение содержания в нем влаги приводит к росту теплопроводности. Эта зависимость справедлива как для мерзлых, так и немерзлых грунтов, вплоть до полного водонасыщения. В целом теплопроводность грунтов зависит от их плотности, содержания влаги, температуры, соотношения жидкости, пара и состояния поровой воды (прочно и рыхло связанная, засоленная и т.д.). В работе [31] М. Керстен определил средние значения теплопроводности для мерзлых и немерзлых песчаных, илистых (пылеватых) и глинистых грунтов и торфа в виде функций содержания влаги (влажности и коэффициента водонасыщения S_r) и плотности сухого (скелета) грунта, которые приведены на рисунках А.1 - А.6.

Степень водонасыщения (насыщения) S_r, %, определяется по графикам или по формуле

где W - природная влажность грунта, доля единицы (ГОСТ 5180-2015);

- плотность частиц грунта, г/см³ (ГОСТ 5180-2015);

e - коэффициент пористости грунта, доля единицы;

- плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³.

В таблице А.11 приводятся теплопроводность и объемная теплоемкость для ряда часто встречающихся материалов, имеющих непосредственное значение для инженерной деятельности в северных районах.

Примечание - Для перевода в ккал/(м·ч·°C) коэффициенты теплопроводности следует делить на 1,16, а для перевода в ккал/(м³·°C) значения объемной теплоемкости - на 4,19.

Представляет собой количество тепла, необходимое для повышения температуры данного материала на 1 °C. В пересчете на единицу массы это количество называется удельной теплоемкостью C_у, а при выражении на единицу объема - объемной теплоемкостью.

Для сухих грунтов объемная теплоемкость грунта C равна произведению удельной теплоемкости C_у на плотность сухого (скелета) грунта , т.е. .

Для немерзлых грунтов теплоемкость можно хорошо аппроксимировать суммой произведений теплоемкостей каждой отдельной составляющей грунта, т.е. частиц грунта, воды и воздуха, на составляющие величины весового содержания компонентов. Однако когда существует сложное изменение фазового состава в промерзающих грунтах, содержащее скрытую теплоту фазовых переходов лед-вода, термин "теплоемкость" теряет свой прямой смысл. В этом случае используется термин "кажущаяся теплоемкость".

Удельная теплоемкость частиц грунта изменяется обычно от 0,17 до 0,2, или используется ее среднее значение 0,185.

Объемная теплоемкость для большинства немерзлых грунтов выражается соотношением

где - плотность сухого (скелета) грунта, г/см³;

C_w - объемная теплоемкость воды, равная 4180 кДж/(м³·К).

Для большинства мерзлых грунтов объемная теплоемкость выражается соотношением

где W_tot - суммарная влажность грунта, доля единицы.

Среднее значение объемной теплоемкости для частично (со значительным содержанием незамерзшей воды) мерзлых грунтов выражается

Среднее значение объемной теплоемкости следует применять для высокотемпературных (до -(1,5 - 2,0) °C) мерзлых грунтов.

Наземные покровы, как и любая теплоизоляция (например, пенопласт и пр.), уложенная на поверхность почвы, уменьшают глубину промерзания. В 1943 г. английские ученые Лондон и Себан [32] предложили способ учета теплоизоляции с помощью эквивалентного слоя S, определяемого выражением (см. формулу (16))

где H_из - толщина теплоизоляции, м;

, ^_ коэффициент теплопроводности соответственно мерзлого грунта и материала теплоизоляции, Вт/(м·К) или ккал/(м·ч·°C).

С введением понятия об эквивалентном слое изоляции S формула Стефана применительно к расчету глубины промерзания грунта H под слоем теплоизоляции преобразовывается как [33]

Недостатком этой формулы является то, что нередко промерзание (или оттаивание) грунта под теплоизоляционными покрытиями запаздывает по сравнению со временем установления отрицательных температур воздуха. Причем под слоем мощной или малотеплопроводной теплоизоляции время запаздывания промерзания (или оттаивания) может измеряться неделями и месяцами (см. пункты 6.3.3 и 6.3.4). Для устранения этого недостатка вышеприведенная формула корректируется как

По вышеприведенным приближенным формулам можно рассчитывать как прогнозную (ориентировочную) глубину промерзания грунта, так и глубину протаивания. При этом заменяют в них время промерзания на время протаивания, среднюю за период отрицательную (по модулю) температуру поверхности на среднелетнюю температуру поверхности, а также коэффициент теплопроводности грунта в мерзлом состоянии на аналогичный, но в талом состоянии.

Из опытных наблюдений и экспериментальных мерзлотных исследований по влиянию теплоизоляции (пенопласта, шлаков и др.) установлено [24, 32], что любая постоянная во времени теплоизоляция, уложенная на поверхность почвы, оказывает отепляющее воздействие в районах с отрицательной средней температурой воздуха и охлаждающее - при положительных среднегодовых температурах воздуха. Интенсивность охлаждения-нагревания зависит от толщины эквивалентного слоя изоляции, а также от совокупности метеорологических, геокриологических и других факторов природной обстановки и, как правило, не превышает 2 °C. Например, в стадии устойчивого равновесия разница между температурой поверхности почвы в естественных условиях и под покровом из пенопласта толщиной 0,1 - 0,2 м для условий Якутска составляет 1,2 °C - 1,3 °C. При этом на низкотемпературной вечной мерзлоте глубина протаивания почвы под слоем пенопласта толщиной 0,2 м может уменьшиться в 2 - 3 раза и более [32].

Расчетные формулы не могут дать точность , чем точность задания основных исходных параметров, с учетом степени их влияния на процесс промерзания-протаивания. В результате ошибка определения данного процесса (глубины промерзания-протаивания грунта) может в среднем составлять 15% - 20% [32, 33].

Требуется выполнить проект участка автомобильной дороги III категории в районе г. Надыма при наличии в основании вечномерзлых грунтов. По расчету высота снегонезаносимой насыпи составляет 1,46 м. Округленно принимается минимальная высота насыпи, равная 1,50 м. Толщина верхней части из песка h_в на прослойке из геотекстиля по универсальному принципу проектирования принимается равной 0,60 м. Нижняя часть из глинистого грунта составит при этом 1,50 - 0,60 = 0,90 м.

Рассчитаем глубину оттаивания и промерзания данной конструкции в условиях протекающего глобального потепления.

Исходные данные:

средняя продолжительность теплого (с температурой воздуха выше 0 °C) периода в районе г. Надыма составляет 3264 ч, холодного - 5496 ч;

среднемесячная температура за самый теплый летний месяц (июль) равна 14,7 °C;

средняя отрицательная температура за холодный период -14,9 °C (с учетом прогнозного потепления, т.е. с вычетом 3 °C, округленно составит -12 °C);

высота насыпи из условия снегонезаносимости - 1,5 м;

толщина верхнего слоя насыпи из песка - 0,6 м, нижнего слоя насыпи из суглинка - 0,9 м, мохорастительного покрова (МРП) в основании - 0,15 м, грунт основания - суглинок;

объемная плотность сухого грунта: песка - 1720 кг/м³, суглинка нижней части насыпи - 1480 кг/м³, суглинка основания - 1420 кг/м³, МРП или торфа в основании - 270 кг/м³;

расчетная влажность песка - 8%, суглинка насыпи - 24%, суглинка основания - 30%, МРП или торфа - 320%;

коэффициенты теплопроводности, Вт/(м·°C), и объемной теплоемкости, кДж/(м³·°C), грунтов в талом и мерзлом состоянии:

- песок - ; ; C_т = 2155; C_м = 1800;

- суглинок насыпи - ; ; C_т = 2765; C_м = 2050;

- суглинок основания - ; ; C_т = 3015; C_м = 2175;

- МРП или торф - ; ; C_т = 4145; C_м = 2380;

количество скрытой теплоты фазовых переходов влаги в 1 м³, кДж/м³:

- песок - 45960;

- суглинок насыпи - 118640;

- суглинок основания - 142280;

- МРП или торф - 288580;

для соблюдения размерности при теплотехнических расчетах необходимо значения теплофизических характеристик грунтов перевести: коэффициент теплопроводности из Вт/(м·°C) в ккал/(м·ч·°C); объемную теплоемкость из кДж/(м³·°C) в ккал/(м³·°C); скрытую теплоту льдообразования из кДж/м³ в ккал/м³ в соответствии с примечанием к таблице 1 приложения Д СП 121.13330.2012, что составит:

- песок - ; ; C_т = 518; C_м = 430;

- суглинок насыпи - ; ; C_т = 660; C_м = 489;

- суглинок основания - ; ; C_т = 720; C_м = 520;

- МРП и торф - ; ; C_т = 989; C_м = 568;

количество скрытой теплоты фазовых переходов влаги при промерзании грунта в 1 м³, ккал/м³:

- песок - 11008;

- суглинок насыпи - 28416;

- МРП и торф - 69120.

Глубину сезонного оттаивания грунтовых слоев дорожной насыпи и ее основания определяют по формуле (5):

- для песка:

- суглинка в нижней части насыпи:

- МРП или торфа:

- суглинка основания насыпи:

Толщина оттаивания глинистого основания под насыпью по формуле (7) составит

Полная глубина оттаивания многослойной системы с МРП и глинистым грунтом в основании будет равна

Глубину сезонного промерзания многослойной системы из слоев дорожной насыпи и грунтового основания определяют по формуле (8).

Подставляя значения характеристик в числитель подкоренного выражения, получим

для знаменателя получим

Глубина промерзания в результате составит

Проверка тепловой устойчивости конструкции дорожной насыпи с сохранением слоя мохорастительного покрова (МРП или торфа) и суглинком в основании осуществляется по условию (12)

Расчетная эксплуатационная тепловая устойчивость данной конструкции дорожной насыпи на вечной мерзлоте в районе г. Надыма обеспечивается.

Проверка (расчет) тепловой устойчивости дорожной насыпи в районе г. Надыма проводится по условию экспресс-критерия по зависимости (3):

- сумма отрицательных градусо-часов поверхности грунта

- сумма положительных градусо-часов поверхности грунта

Климатический мерзлотный индекс для г. Надыма

Температуропроводность конструктивных слоев дорожной насыпи и грунтового основания в талом состоянии составит:

- для песка a_т = 1,25/518 = 0,0024;

- суглинка насыпи a_т = 1,16/660 = 0,0018;

- суглинка основания a_т = 1,25/720 = 0,0017;

- мохорастительного покрова или торфа a_т = 0,82/989 = 0,0008.

Температуропроводность конструктивных слоев дорожной насыпи и грунтового основания в мерзлом состоянии будет равна:

- песка a_м = 1,42/430 = 0,0033;

- суглинка насыпи a_м = 1,29/489 = 0,0026;

- суглинка основания a_м = 1,34/520 = 0,0014;

- мохорастительного покрова или торфа a_м = 1,21/568 = 0,0021.

Суммарное температуропроводное сопротивление конструктивных слоев дорожной насыпи и грунтового основания в талом состоянии составит

Суммарное температуропроводное сопротивление конструктивных слоев дорожной насыпи и грунтового основания в мерзлом состоянии составит

Тепловая устойчивость запроектированной конструкции дорожной насыпи в существующих условиях (без учета прогнозного потепления) обеспечивается. Для учета протекающего глобального потепления, происходящего на территории Севера Российской Федерации, преимущественно за счет потепления зимних периодов, в среднем на 3 °C - 5 °C, прогнозную среднезимнюю отрицательную температуру воздуха необходимо повышать (вычитанием из среднезимней) на 3 °C - 5 °C.

В результате сумма прогнозных годовых отрицательных градусо-часов поверхности грунта с учетом глобального потепления (на ближайшие 50 лет) составит

Климатический мерзлотный индекс для района г. Надыма с учетом прогнозного глобального потепления в итоге будет равен

Таким образом, тепловая устойчивость проверяемой конструкции дорожной насыпи с учетом прогнозируемого глобального потепления также обеспечивается по критерию (см. зависимость (3)).

Проводится учет температурной сдвижки за счет инфильтрации в насыпь, отсыпанную из дренирующих (крупнообломочных, скальных или песчаных) грунтов теплых летних осадков, с проверкой тепловой устойчивости для района г. Надыма, где объем жидких осадков за лето составляет 240 мм (с учетом прогнозного 15%-ного повышения - 276 мм или 276 кг/м²); температура осадков 15 °C; сезонная глубина оттаивания песчаного грунта - 1,8 м, а его коэффициент теплопроводности в талом состоянии - 1,25.

Определяем температурную сдвижку по формуле (10)

Климатический мерзлотный индекс для района г. Надыма с учетом температурной сдвижки в итоге составит

Тепловая устойчивость проверяемой (запроектированной) конструкции дорожной насыпи с учетом повышенной поверхностной инфильтрации теплых летних осадков в дренирующий песчаный грунт ее верхней части в районе г. Надыма обеспечивается.

Тепловую устойчивость конструкции насыпи от выпадающих теплых осадков дополнительно (в случае непрохождения по расчету) можно повысить устройством укрепленных, водонепроницаемых обочин и укреплением (с уположением) откосов насыпи торфо-глинистой смесью, хорошо зарастающей, устойчивой к размывам и эффективно работающей в режиме теплового диода. От инфильтрации теплых жидких осадков в нижнюю часть насыпи и весеннего подтопления эффективно защищает отсыпка (устройство) ее из практически маловодонепроницаемого глинистого грунта, срабатывающего одновременно и в качестве теплового диода, что дополнительно повышает тепловую и общую устойчивость дорожной конструкции.

Б.2 Влияние отдельных компонентов природной среды на температурный режим многолетнемерзлых пород в наиболее неустойчивой южной подзоне вечной мерзлоты Российской Федерации (подзона I₃ по нормам [2])

За счет изменения условий инсоляции среднегодовая температура t_ср земной поверхности повышается на 1,0 °C - 2,5 °C , и физическое значение амплитуды годовых колебаний этой температуры A_п увеличивается на 3 °C - 4 °C на склонах южной экспозиции по сравнению со значениями этих характеристик на горизонтальной поверхности и склонах северной экспозиции. Эта закономерность наиболее четко выражена в низкогорьях и менее четко прослеживается в долинах.

Снежный покров на равнинах повышает среднегодовую температуру поверхности пород t_ср на 2 °C - 5 °C и на столько же сокращает A_п; в логах и долинах за счет снега t_ср растет, а амплитуда A_п снижается на 3 °C - 4,5 °C. На склонах низкогорий снежный покров приводит к увеличению среднегодовой температуры пород на 1 °C - 3 °C и соответственно к уменьшению амплитуды.

Отепляющее влияние теплых летних дождей на среднегодовую температуру пород может достигать 1,0 °C - 1,7 °C на плоских и слабонаклонных открытых участках, сложенных с поверхности крупнообломочными отложениями.

Факторы, приводящие к понижению значений t_ср, - это растительный покров и теплопроводность мерзлых пород, превышающая теплопроводность талых, при сезонных изменениях их теплового состояния. Лесной покров способствует понижению среднегодовой температуры поверхности почвы (из-за уменьшения поступающей солнечной радиации) на 0,6 °C - 1,4 °C, мохово-кустарниковый покров (в качестве термического сопротивления) - на 0,1 °C - 0,7 °C, сфагновые мхи - до 2 °C. Уменьшение амплитуды годовых колебаний температуры соответствует этим значениям.

Понижение среднегодовой температуры пород на подошве слоя сезонного оттаивания или сезонного промерзания за счет изменения теплопроводности пород (соответственно их тепловому состоянию), так называемая теплодиодная сдвижка, составляет 0,5 °C - 0,6 °C в крупнообломочных образованиях, 0,8 °C - 1,5 °C - в глинистых отложениях и 1,5 °C - 2,5 °C в торфах.

Суммарное влияние всех природных факторов обусловливает существование многолетнемерзлых или немерзлых (в том числе талых) горных пород. Так, например, при среднегодовой температуре воздуха t_в = -2,9 °C в южной мерзлотной подзоне I₃ на склонах южной экспозиции с редким разнородным лесом и крупнообломочным составом покровных образований t_ср может составить

а на подошве слоя сезонного оттаивания

Приведенные факторы и осуществляемые по ним поправки к среднегодовым температурам пород (а также к средней температуре их поверхностей за холодный и теплые периоды) позволяют назначать уточненные расчетные температуры. Последнее, как правило, более близко к реальным натурным условиям.

Необходимо найти крутизну откоса, обеспечивающую его устойчивость. Грунт - суглинок с плотностью 1800 кг/м² и влажностью 27%. По данным таблицы 5 имеем: ; ; c = 500 кгс/м².

Глубина сезонного оттаивания откоса H_т = 2,37 м.

По формуле (15) получаем P = 2,37 x 1800 = 4266 кгс/м².

По формуле (14) вычисляем сопротивление грунта сдвигу

По условию (13) находим

Отсюда . Требуемая крутизна откоса

Округленно следует принять крутизну откоса 1:3.

Устойчивость косогоров, сложенных мерзлыми грунтами, проверяется на подвижность верхних слоев грунта при их оттаивании. Косогор не будет подвержен движению земляных масс (солифлюкции), если угол падения склона будет удовлетворять неравенству (13).

Например, склон южной ориентации крутизной 1:5 сложен льдистыми супесчаными грунтами с суммарной влажностью 35% - 40%. Необходимо проверить расчетом, будет ли склон подвержен солифлюкции.

Так как , то угол падения склона . Глубина сезонного оттаивания грунта в данном районе с учетом поправок на ориентацию склона и влажность равна H_от = 1,10 x 0,80 x 1,5 = 1,32 м. Плотность грунта по данным мерзлотно-грунтовых изысканий составила 1600 кг/м³.

По таблице 5 для такого грунта и c = 0. Сопротивление грунта сдвигу по формуле (14)

По зависимости (13) находим

Неравенство (13) не соблюдено: 11°19' > 8°05', и, следовательно, косогор будет подвержен движению земляных масс.

На мерзлотных участках местности с преимущественно льдонасыщенными (переувлажненными, просадочными при оттаивании) грунтами необходимо запроектировать насыпь с руководящей отметкой (высотой) 1,8 м с максимальным использованием местных, находящихся в некондиционном состоянии (мерзлых и (или) переувлажненных) грунтов.

Дорожная насыпь проектируется по универсальному (экологическому) принципу проектирования [1]. Верхняя часть насыпи толщиной 0,8 м отсыпается из качественных (кондиционных) непучинистых скальных, крупнообломочных или песчаных грунтов, нижняя часть - из наиболее распространенных местных мерзлых глинистых грунтов. Первоначальная (на первые 1 - 2 года и более) дорожная одежда переходного типа из ЩПС (ГОСТ 25607-2009) по нормативно допустимой суммарной осадке (нестабильных слоев насыпи и оттаивающего слоя основания) принимается в соответствии с СП 34.13330.2021 в зависимости от начальной толщины нестабильных слоев насыпи.

По данным инженерно-геологических изысканий грунтов, залегающих по трассе проектируемой дороги, модуль деформации оттаивающих льдонасыщенных глинистых грунтов деятельного (сезоннооттаивающего) слоя в талом состоянии составил E_о = 0,62 МПа, или 6,2 кг/см².

Модуль деформации разрыхленного мерзлого льдонасыщенного глинистого грунта, отсыпаемого на мохорастительный покров в нижнюю часть строящейся дорожной насыпи со средней пустотностью слоя отсыпки в 20%, в первом приближении (ввиду его прямой пропорциональности осадке) составит

Глубина сезонного оттаивания (рассчитываемая без насыпи, на случай летней отсыпки) по теплотехническому расчету в переувлажненном глинистом грунте совместно с мохорастительным покровом составила 117 см.

1 Расчетную осадку S₁ оттаивающего льдонасыщенного грунтового основания насыпи в сезоннооттаивающем под насыпью слое определяют по формуле (21)

где H - глубина оттаивания мерзлого грунта в основании насыпи (по теплотехническому расчету), см;

E_о - модуль деформации слабого грунта основания под расчетной нагрузкой, МПа (кг/см²);

- общее напряжение (нагрузка) на сезоннооттаивающий (деятельный) слой основания от веса насыпи и подвижной нагрузки, МПа (кг/см²),

- напряжения (нагрузка) от собственного веса насыпи, МПа (кг/см²),

- напряжение (нагрузка) от подвижной нагрузки, МПа (кг/см²),

- плотность (вес) слоев грунта и дорожной одежды насыпи, кг/см³;

h - толщина слоев грунта и дорожной одежды насыпи, см;

- величина нормального напряжения от воздействия (колеса) подвижной нагрузки на расчетной глубине, МПа (кг/см²);

P_п - давление в пневматических шинах подвижной нагрузки (равное 0,6 - 0,8 МПа), МПа (кг/см²);

- коэффициент динамичности от воздействия подвижной нагрузки (принимаемый в среднем 1,5).

Давление (нормальное напряжение) от колеса тяжелой подвижной нагрузки (с радиусом отпечатка колеса, составляющим обычно от 15 до 18 см) на грунтовое основание дорожной насыпи по таблице Б.1 для данной насыпи будет равно

Примечание - Относительная глубина равна отношению расстояния от поверхности насыпи до расчетного сечения (места расположения армирующей прослойки) h_а к радиусу R круга, равновеликого площади отпечатка одиночного колеса тяжелой подвижной нагрузки, т.е. .

2 Расчетная осадка нижней части дорожной насыпи S₂, отсыпанной из разрыхленных мерзлых (и переувлажненных) глинистых грунтов, соответственно составит

Для обеспечения эксплуатационной (послестроительной) высоты насыпи в 1,80 м при строительстве необходимо сразу отсыпать нижнюю часть насыпи с запасом на общую осадку.

Для данного примера она составляет S₁ + S₂ = 10,8 + 21,2 = 32 см.

При досыпке данного запаса на осадку в 32 см из мерзлого разрыхленного (переувлажненного) глинистого грунта данный слой досыпки также даст осадку.

Ее величина составит: 32 x 21,2/100 = 6,8 см.

Общая величина строительной досыпки нижней части насыпи с запасом на последующую общую осадку дорожной насыпи в результате будет равна 32 + 6,8 = 38,8 см или округленно 39 см.

Расчетная величина общей осадки в 39 см не позволяет по условиям допустимой суммарной осадки (в соответствии с требованиями СП 34.13330.2021) устройство на поверхности данной насыпи дорожной одежды даже низшего (переходного) типа, допускающего суммарную осадку основания и нестабильного слоя насыпи толщиной до 1,5 м не более 24 см.

Для снижения величины осадки (и ее неравномерности) на поверхности нижней части дорожной насыпи закладывают устройство армирующей прослойки из тканого геосинтетического материала марки 300.

Тогда в соответствии с формулой (25) и таблицей А.9 снижение величины осадки в результате армирования составит

Данная величина общей осадки также не является приемлемой (допустимой по СП 34.13330.2021). Для дополнительного снижения величины общей осадки увеличиваем величину коэффициента армирования K_а с 1,4 до 1,75 (см. таблицу А.9) путем дополнительной укладки на поверхность геотекстильной прослойки плоской георешетки или геосетки, тогда

Данная величина общей осадки в соответствии СП 34.13330.2021 менее допустимых 24 см и является приемлемой для устройства переходных дорожных одежд.

При недостаточности данного армирования дополнительно может быть заложено устройство прослойки из геосинтетического материала либо плоской геосетки или геокомпозита (геосетки с подложкой из геосинтетического материала, например ГЕО ДСК, ГЕО СТП и др.) и в основание переходной дорожной одежды из ЩПС (ГОСТ 25607-2009). Также возможно и устройство геотекстильной прослойки в основании насыпи с соответствующим расчетом снижения величины (и неравномерности) осадки.

Армирование насыпи геосинтетиками обеспечивает дорожной конструкции повышенную эксплуатационную устойчивость, позволяющую значительно (в 1,5 раза и более) увеличить ее межремонтные сроки. В условиях протекающего глобального потепления климата, сопровождающегося деградацией и длительной неравномерной просадкой вечномерзлых оснований, армированные насыпи, приспособленные для гашения неравномерных строительных осадок, будут также эффективно гасить и неравномерности возможных эксплуатационных осадок.

Наличие в грунтовом основании дорожной насыпи различной степени морозоопасности глинистых грунтов (от слабо- до сильнопучинистых) подтверждено результатами проведенных изысканий и обследований.

Исходные данные:

дорожная насыпь расположена в I₃ дорожно-климатической подзоне. Природные гидрогеологические условия местности соответствуют II типу;

конструкция дорожной одежды (рисунок Б.1):

- асфальтобетон h₁ = 0,15 м;

- песок (желательно на геосинтетической прослойке) h₃ = 0,35 м;

- грунт насыпи - суглинок пылеватый тугопластичный, грунт естественного основания - суглинок пылеватый мягкопластичный. Естественная влажность суглинка основания W = 0,330, число пластичности I_p = 0,156. Плотность сухого суглинка ;

климатические условия:

- абсолютная средняя температура поверхности покрытия за период промерзания (СП 131.13330.2020) с учетом потепления ;

- продолжительность периода отрицательных температур на поверхности покрытия ;

теплофизические характеристики материалов слоев конструкции дорожного покрытия, насыпи и естественного основания в мерзлом состоянии приведены в таблице Б.2.

Расчет оснований:

1 Определяется высота последнего (n-го) пучинистого слоя грунта H_n по формуле (27)

где m - число слоев дорожной одежды, насыпи и основания;

t₀ - температура начала пучения принимается в запас прочности для мягкопластичных суглинков по таблице 6, t₀ = -0,6 °C;

- количество тепла, выделяемого при фазовых переходах и охлаждении последнего (нижнего) слоя естественного основания, кДж/м³;

- количество тепла, выделяемого при фазовых переходах и охлаждении грунта, расположенного ниже изотермы начала пучения, кДж/м³;

.

Для четвертого слоя - суглинка

для первого слоя - асфальтобетона

для второго слоя - щебня

для третьего слоя - песка

Определяем расчетное значение деформации пучения по формуле (29)

где k_f - коэффициент морозного пучения, который принимается по СП 121.13330.2012 для суглинков пылеватых II типа географических условий, k_f = 0,06, k_f-1 = 0;

Таким образом, по результатам выполненного расчета дорожная конструкция является пучиностойкой, так как определенная деформация пучения не превышает допустимой, равной 0,04 - 0,06 м, согласно типовым решениям [25] для дорожных одежд с асфальтобетонным покрытием. Также по этим типовым решениям при применении геосинтетической прослойки (М300 и более) под верхней частью из непучинистых материалов допускается использование усредненного коэффициента снижения пучения 0,8 к величине полученной расчетной величины пучения.

Зададим следующие значения величин: T₁ = -1 °C; T₂ = -10 °C; T₃ = -5 °C; h = 1 м; a = 2,8 x 10^-3 м²/ч; t₁ = 0 ч; t₂ = 8760 ч; t₃ = 17520 ч; t₄ = 26280 ч; t₅ = 35040 ч; t₆ = 43800 ч (соответственно время в текущий момент, через год, два, три, четыре, пять лет).

Реализуя формулу (32), получим прогноз изменения температурного поля рассматриваемого слоя грунта на пять лет в фиксированное зимнее время года.

Прогнозируемые значения температурного поля даны ниже.

Примечание - По вертикали дано распределение по глубине от 0 до 1 м с шагом 0,1 м; по горизонтали - во времени от 0 до 5 лет.

Результаты расчетов приведены на рисунках Б.2 - Б.4.

Б.7 Прогнозирование глубины оттаивания и осадки основания дорожных насыпей в наиболее опасной (неустойчивой при глобальном потеплении) I₃ южной мерзлотной подзоне высокотемпературной прерывистой и островной мерзлоты

Например, необходимо подсчитать (спрогнозировать) потребные объемы ремонтных досыпок на проседающих (аварийных) мерзлотных участках земляного полотна автомобильной дороги "Амур" Чита - Хабаровск. Данные участки запроектированы и построены (как и долговременно, десятки лет проседающие в I₃ южной мерзлотной подзоне насыпи БАМа и др.) по наиболее применяемому (основному по СП 34.13330.2021) II принципу проектирования. Земляное полотно (как и на БАМе) преимущественно отсыпано в нижней части из дренирующих (крупнообломочных, песчано-гравийных и др.) грунтов (с последующим отепляющим мерзлоту затеканием теплой воды в осевшую в основание дренирующую нижнюю часть). Необходимо определить прогнозную толщину оттаивания льдонасыщенного основания и соответствующие им величины осадок (для расчета объемов ремонтных досыпок) на 5-й, 10-й, 15-й год и т.д. их эксплуатации. По эмпирической (опытной) формуле (37) получим следующие прогнозные величины толщин оттаивания мерзлого основания (в талом грунтовом слое без учета осадки):

на 5-й год H_от = 1,13 x (5 - 3)^1/2 = 1,60 м;

на 10-й год H_от = 1,13 x (10 - 3)^1/2 = 2,99 м;

на 15-й год H_от = 1,13 x (15 - 3)^1/2 = 3,91 м.

Им будут соответствовать следующие величины осадок по формуле (38):

на 5-й год S = 0,37 x (5 - 3)^1/2 + 0,32 = 0,84 м;

на 10-й год S = 0,37 x (10 - 3)^1/2 + 0,32 = 1,30 м;

на 15-й год S = 0,37 x (15 - 3)^1/2 + 0,32 = 1,60 м.

Общая глубина протаивания мерзлого основания под дорожной насыпью будет складываться из образовавшейся толщины оттаявшего и уплотнившегося (осевшего) грунта основания и величины его осадки. Например, на 5-й год она составит (1,60 + 0,84) = 2,64 м, на 10-й (2,99 + 1,30) = 4,29 м и т.д.

Типизация деформирующихся (аварийных) участков преимущественно для высокотемпературных (со среднегодовой температурой выше -1,5 °C) термопросадочных (с относительной осадкой при оттаивании более 0,10) многолетнемерзлых грунтов основания может быть представлена по следующим видам и типам.

1 Совокупно по наиболее влияющим факторам, виду (динамике и характеру) протекания общих (основания, насыпи и покрытия) деформаций совместно со способами (технологиями) строительства дорожных конструкций на мерзлотных участках можно выделить следующие виды.

Первый вид (круглогодичная отсыпка нижней части дорожной насыпи из недренирующих, обычно мерзлых и (или) переувлажненных местных суглинков) характеризуется первоначальной (один-два теплых периода года после отсыпки насыпи), значительной (30 - 40 см и более в первый год и до 8 - 12 см во второй), быстро затухающей до относительно незначительных величин (3 - 5 см/год) эксплуатационной осадкой сезоннооттаивающего слоя грунтового основания под насыпью. Последующие сравнительно незначительные (2 - 3 см) и равномерные сезонные осадки оттаивания таких насыпей, как правило, соответствуют величине их зимнего поднятия (пучения). При этом происходит ежегодное сравнительно равномерное морозное поднятие (пучение) под нагрузкой от верхней непучинистой части дорожной насыпи и дорожной одежды, сезоннопромерзающих грунтов нижней части насыпи и основания. Эксплуатационные, практически равномерные, морозное поднятие и осадка оттаивания в таких дорожных насыпях в среднем составляют около 2 - 4 см/год. Это практически не влияет на изменение ровности покрытия и не повреждает ни капитальные, ни облегченные дорожные одежды (СП 34.13330.2021).

Данный вид после строительных и эксплуатационных осадок наиболее характерен для невысоких (до 3 м) дорожных насыпей, запроектированных по II принципу проектирования и отсыпанных (возведенных) в нижней части из водонепроницаемых, глинистых (в основном суглинков) грунтов. Отсыпка осуществляется круглогодично как в холодный, так и в теплый период года (в том числе и на частично оттаявшее грунтовое основание) при высотах насыпей преимущественно до 1,5 - 2,0 м. При этом весь талый слой насыпи и основания за холодный период должен полностью промерзать. В результате несливающаяся мерзлота (или "талик") с последующей затяжной деградацией подстилающей мерзлоты в основании таких насыпей после строительства не образовывается, а теплые воды жидких летних осадков (дополнительно отепляющие грунт основания на 1,5 °C - 3,0 °C) затечь в просевшее, но водонепроницаемое основание не могут. При этом допускать летнего скопления воды у насыпи нежелательно, так как последнее грозит как местной потерей устойчивости откосов, так в последующем и всей насыпи. Возникает опасность солифлюкционного оползания откоса насыпи при ее расположении на склонах и стекании вдоль откоса насыпи теплой дождевой воды (при отсутствии водоотводной канавы).

Для предотвращения вышеприведенного вида одним из наиболее оптимальных (по конструктивной простоте, технической эффективности, технологичности, а также экономичности и экологии) мероприятий является устройство пологих (с заложением 1:4 - 1:6 и более) глинистых или торфо-глинистых водонепроницаемых откосов. Также эффективно устройство водоотжимных и одновременно охлаждающих берм из глинистых (суглинков) грунтов и торфо-глинистых грунтовых смесей толщиной 1,5 - 2 м и шириной 3 - 4 м с аналогичными пологими откосами. Можно также при наличии возможности отвода воды устраивать приоткосные водоотводные канавы с водонепроницаемыми и неразмывающимися бортами и дном (путем укрепления их укладкой соответствующих геосинтетиков типа "Карбофоль" или светостойкого тканого геотекстиля ТН 33 "ГЕОСПАН" и др.), но это более трудоемко и может быть менее эффективным (надежнее это делать совместно).

Второй вид целесообразно разделить на два подвида.

Подвид 2а (летняя отсыпка дренирующей нижней части дорожной насыпи на льдонасыщенных, просадочных грунтах) характеризуется первоначальной (1 - 2 года) значительной (до 20 - 30 см/год и более) послестроительной осадкой с последующей многолетней (6 - 10 лет и более) слабозатухающей эксплуатационной осадкой (со средней величиной 8 - 12 см/год).

Данный подвид послестроительных и эксплуатационных осадок характерен для дорожных насыпей, запроектированных по II принципу и отсыпанных в нижней части из водопроницаемых (скальных, крупнообломочных, песчано-гравийных, песчаных и др.) грунтов с последующим затеканием (попаданием) теплых летних жидких осадков через них к мерзлому грунтовому основанию. При этом отсыпка или основная досыпка таких насыпей осуществлялась преимущественно в теплый период года, а также при частичной (преимущественно на толщину до 0,5 - 1,0 м) замене просадочных льдонасыщенных грунтов основания на прочный непросадочный (но водопроницаемый) скальный, крупнообломочный, песчаный и другой дренирующий грунт, часто в теплый период. В основании их после строительства зачастую сразу происходит образование несливающейся вечной мерзлоты (особенно в I₃ подзоне по нормам [2]) с постепенным, постоянным деградационным нарастанием величины (толщины) не промерзающего полностью зимой "талика" в основании и его просадочным уплотнением. Дополнительно происходит реологическое течение и сжатие высокотемпературных (с отрицательными температурами, близкими к 0 °C) просадочных при оттаивании (с относительной осадкой более 0,1) подстилающих многолетнемерзлых пород.

Подвид 2б (зимняя отсыпка дренирующей нижней части дорожной насыпи на просадочных, льдонасыщенных грунтах) характеризуется отсутствием первоначальной значительной послестроительной осадки, с последующим развитием многолетней (8 - 16 лет и более) слабозатухающей эксплуатационной осадки (со средней величиной 6 - 12 см/год), особенно характерной для высокотемпературных (со среднегодовой температурой выше -(1,5 - 2,0) °C) льдонасыщенных (с суммарной влажностью более 30%) мерзлых грунтов основания.

Данный вид эксплуатационных осадок характерен для дорожных насыпей, запроектированных по II принципу и отсыпанных в нижней части из водопроницаемых (скальных, крупнообломочных, песчано-гравийных, песчаных и др.) грунтов. При этом их отсыпка преимущественно осуществлялась полностью или частично (нижняя часть) в холодный зимний период с последующей летней досыпкой верхней части, а также при частичной (преимущественно на толщину до 0,5 - 1,0 м) замене просадочных льдонасыщенных грунтов основания на прочный, непросадочный (но водопроницаемый) скальный, крупнообломочный и другой грунт в зимний период. В основании их после строительства постепенно (за счет ежегодного затекания теплых летних вод в осадочную чашу в основании из водопроницаемых грунтов) происходит образование несливающейся вечной мерзлоты с постепенным деградационным нарастанием величины (толщины) полностью не промерзающего зимой "талика" в основании (особенно на высокотемпературной мерзлоте) и его просадочным сжатием. Дополнительно также происходит и реологическое сжатие высокотемпературных (с отрицательными температурами, близкими к 0 °C) просадочных при оттаивании (с относительной осадкой более 0,1) подстилающих многолетнемерзлых пород.

При прохождении по склонам деформирующиеся участки второго вида могут дополнительно иметь продольные трещины со значительным (до 3 - 8 см и более) и постепенным, нарастающим летним раскрытием к концу очередного теплого сезона. Последнее объясняется возникновением солифлюкционных склоновых процессов, характеризующихся постепенным (со скоростью 6 - 12 см за лето) сползанием сезоннооттаивающих грунтовых масс с участков дорожных насыпей или их частей вниз, по пологому мерзлому склону. Данный процесс продолжается до тех пор, пока насыпь и ее частично сезоннооттаивающее основание не приобретают очередного равновесного состояния.

Третий вид характеризуется наличием значительных (15 - 20 см/год и более) послестроительных и эксплуатационных осадок, нередко с неравномерной просадкой отдельных частей насыпи и оползанием ее откосных частей, с образованием продольных и поперечных трещин со значительным их раскрытием (6 - 14 см и более за теплый период).

Данный вид послестроительных эксплуатационных осадок наиболее характерен для высоких (H >= 3,0 м) дорожных насыпей, запроектированных по I или II принципу и отсыпанных в нижней части из водопроницаемых (скальных, крупнообломочных, песчано-гравийных, песчаных и др.) грунтов, с последующим затеканием теплых летних жидких осадков через них к мерзлому грунтовому основанию. При этом отсыпка или основная досыпка данных насыпей осуществлялась преимущественно в теплый период года. Толщина (высота) летней отсыпки превышала последующую максимальную глубину промерзания грунта данной отсыпки (т.е. для скальных, крупнообломочных, песчано-гравийных и других подобных водопроницаемых местных грунтов более 4,5 м). Например, долговременные и значительные просадки участка (протяженностью около 300 м) высокой (более 10 м) насыпи возле ручья Чичон, насыпи "Малого Чичона" и другие на автомобильной дороге "Амур" Чита - Хабаровск.

2 По условиям (типам) увлажнения и сопутствующим им причинам возникновения просадочных деформаций можно выделить следующие характерные типы.

Первый тип:

- наличие высокотемпературной мерзлоты (со среднегодовой температурой на подошве слоя сезонного оттаивания или глубине нулевых амплитуд (8 - 12 м от поверхности) выше -(1,5 - 2,0) °C или к середине теплого периода выше -0,5 °C на глубине подошвы слоя сезонного оттаивания);

- наличие в основании дорожной насыпи просадочных при оттаивании, слабых грунтов, преимущественно третьей и четвертой категории просадочности (с относительной осадкой при оттаивании и более);

- наличие или послестроительное возникновение у дорожной насыпи 2-го типа местности по условиям увлажнения с кратковременным (до 30 сут) застоем теплых вод от жидких осадков и др. (нормы [2], СП 34.13330.2021) с наличием водопроницаемых грунтов в нижней части насыпи при II принципе проектирования (без защиты ее от попадания и поверхностного (через откосы и основание откосов) затекания теплых жидких осадков).

Второй тип - все признаки I типа, но с наличием 3-го типа местности по условиям увлажнения при строительстве или после строительства. Дополнительно наличие кроме II также и I принципа проектирования дорожных насыпей (с отсыпкой их нижней части из водопроницаемых грунтов, без защиты от фильтрации и поверхностного (через откосы) затекания теплых поверхностных вод).

Примерная сводная ведомость (по участкам) визуальной оценки с анализом инструментальных инженерных, геодезических и буровых обследований совместно с данными технической документации, с типизацией аварийных участков по характерным видам деформаций и причинам, их вызвавшим, и назначением оптимальных (по эффективности, технологичности и экономичности) стабилизационных мероприятий приведена в таблице В.1.

Данные карточки (образующие общую сводную ведомость) составляются по всем деформирующимся (аварийным) участкам дорожных насыпей.