Устройство дорожного полотна в условиях вечной мерзлоты



В статье представлена история транспортной инфраструктуры Западно-Сибирского нефтегазового комплекса в прошлом веке и пути решения проблем дорожного строительства в XXI веке. Разработанные конструкции и технологии строительства насыпей в условиях вечной мерзлоты и в болотах с использованием геотехнических держателей, заполненных непригодными грунтами (талые и замерзшие заболоченные торфяные и глинистые почвы) позволяют сократить объем работ и стоимость строительства в полтора-два раза при одновременном увеличении срока службы конструкций. Новый искусственный каменный материал характеризуется высокой прочностью и долговечностью в зонах с температурным градиентом внешней среды более 100 (от +50 до -50 °С).

Ключевые слова: дорожное полотно, условия, мерзлота, устройство, дорога.

Транспортная составляющая в обустройстве территорий Сибири и Арктики определяет темпы развития и поэтому является одним из ключевых пунктов всей достаточно сложной системы промышленного освоения этих территорий. В этом случае важнейшим звеном транспортного обеспечения является автомобильный транспорт. Оценивая проделанную за последние годы работу по созданию транспортной инфраструктуры, прежде всего, необходимо остановиться на научно-технических проблемах 60-х годов прошлого века, с которыми столкнулись дорожники и решения которых открыли путь к решению всей проблемы транспортного обеспечения при освоении северных территорий.

Природные особенности местности предопределили эти проблемы. Сибирь и Арктика, расположенные в трех дорожно-климатических зонах, — один из немногих уголков земного шара, где наряду с арктическим и резко континентальным климатом вся ее территория занята вечной мерзлотой, торфяными болотами и увлажненными «некондиционными» почвами. Наиболее важными особенностями являются вечная мерзлота (рис. 1) и большое количество болот и озер.

Рис. 1. Карта вечной мерзлоты в России (65 % территории)

Зона распространения вечной мерзлоты на Земле занимает до 36 млн км ² или около 25 % поверхности суши. В Северном полушарии вечная мерзлота занимает более 22 млн км ² , из которых Российская Федерация составляет

11,45 млн км ² , что составляет 65 % территории Российской Федерации (рис. 1), в том числе 85 % территории Сибири, 95 % территории Республики Саха. Максимальная толщина замерзших пород достигает 1300–1500 м. Отрицательная среднегодовая температура пород на глубинах от 10 до 20 м минус 12–15 °С и ниже. Почти полное отсутствие дорог на большей части просторов Сибири и Крайнего Севера затрудняет развитие этих регионов и доставку любых товаров, даже самых необходимых, жизненно важных средств к существованию местного и приезжающего населения. Связь между населенными пунктами возможна только по зимним дорогам (зимой, на ледовых дорогах и на ледовых переходах). Для района исследований характерны широкое освоение озерно-болотных залежей торфа, чрезвычайно сильное заболоченность (до 80 %) и зернистость (до 30 %), исключительная монотонность рельефа. Он имеет плоскую, очень болотистую поверхность, с грядами и кольцеобразным микрорельефом. Озерно-болотные голоценовые отложения представлены торфом верхнего типа (рис. 2). Верхние болота характеризуются высокими и смешанными болотными отложениями с выпуклым и плоским выпуклым мезорельефом, состоящим из торфа низкого разложения и рыхлого состава. По глубине они относятся к средним (от 2.0 до 4.0 м), глубоким (4.0–6.0 м) и очень глубоким (более 6.0 м) болотам и характеризуются наихудшей проходимостью (непроходимые и непроходимые болота). Физико-механические свойства мягких почв варьируют в широком диапазоне, с влажностью до 1800 % и прочностью на сдвиг менее 0.005 МПа.

С начала XXI века начался новый этап проектирования и строительства дорог на основе ресурсосберегающих материалов и технологий. Опыт, практические данные, корректировка на их основе теоретических высказываний в предыдущие годы являются основой для развития науки, а значит и повышения стандартов. В то же время сами нормы, конечно, в некоторых случаях не совершенны, тем более что они были созданы 30–50 лет назад, когда дорожные условия, строительные материалы и оборудование были совершенно разными. С точки зрения этого опыта и перспектив создания транспортной инфраструктуры в Сибири и Арктике, необходимо интенсифицировать научные исследования и сократить время, необходимое для воплощения их в жизнь при проектировании и строительстве. В данной статье обобщены результаты исследований в этой области за последние 40 лет. Общая методология научных исследований состояла в следующем: изучение состояния вопроса, разработка теоретических предпосылок, лабораторные и модельные исследования, опытно-промышленное строительство и мониторинг дорог, построенных по разработанным новым проектам и технологиям. Полученные математические и физические модели позволили обосновать новые материалы, конструкции и технологии строительства грунтов и дорожного покрытия для дорог в зонах вечной мерзлоты и в болотах. А верификация результатов исследований и оптимизация структурно-технологических решений проводилась путем анализа материалов мониторинга этих объектов.

Разработанный комплекс мероприятий был полностью реализован в Тюменской области в период с 1966 по 2017 год (рис. 2). Регион расположен в природных зонах арктических пустынь, тундры, лесотундры (север и центр Ямало-Ненецкого автономного округа), тайги (юг Ямало-Ненецкого автономного округа, Ханты-Мансийский автономный округ, север южной части Тюменской области), смешанных лесов и лесостепи (центр и юг южной части Тюменской области). Площадь Тюменской области (с автономными округами) составляет 1 435,2 тыс. км² с населением 3 млн 800 тыс. человек.

Рис. 2. Опытное производство в Тюменской области с 1966 по 2017 год: (1) Тюмень; (2) Уват; (3) Сургут, (4) Нижневартовск; (5) Белоярский; (6) Надым; (7) Уренгой

Опыт строительства дорожного полотна на торфяных болотах Западной Сибири показывает, что срок службы дорог значительно меньше нормативного, а затраты на ремонт и содержание значительно больше. Это связано с тем, что при проектировании земляных полотен значения проектных характеристик слабых грунтов берутся из нормативных документов, в большинстве случаев, не соответствующих реальным полевым параметрам. Причиной этого является низкий уровень организации инженерно-геологических изысканий или даже их отсутствие. В болотах к дорожным конструкциям, определяющим выбор проектно-технологических решений и проектных схем, в целом предъявляются три особых требования: основание полотна дороги должно быть устойчивым, т. е., подъем или выдавливание слабого грунта из основания земляного полотна (не считая случаев, когда выдавливание обеспечивается технологией работы) не допускается; отложения основания в период эксплуатации не должны вызывать недопустимых деформаций продольного и поперечного профилей; упругие прогибы и колебания конструкции от статического и динамического воздействия транспортной нагрузки должны быть ограничены по амплитуде и частоте условиями долговременной прочности дорожного покрытия.

Существует два принципиально разных подхода к решению проблемы строительства переходов через болота и другие залежи слабых почв. Первый метод предполагает разработку и удаление торфяного основания, и его замещение минеральным грунтом, второй — метод «плавающего заполнителя», позволяющий использовать слабый грунт у основания. Согласно первому способу, слабые почвы исключаются из работ, а нагрузка от структуры переносится на нижележащие, более прочные слои. В случаях, когда конструкция не допускает значительного проседания основания, такое решение кажется вполне разумным, но требует значительного количества грунта, а также увеличивает сроки и стоимость строительства.

Существующие методы строительства основания имеют следующие недостатки: для расчета используются однослойные конструкции; решаются одномерные задачи; учитываются только конечные осадки, не считая того, что они возникают во времени. В результате, недостаточно надежные расчеты. Нами разработана комплексная модель контроля формирования и функционирования грунтовой насыпью из «некондиционных» грунтов на стадии всего жизненного цикла дороги и проверка ее теоретических знаний в лабораторных и полевых условиях [5–7] показала ее применимость в качестве основы для создания нормативного проектного комплекса, строительства и эксплуатации дорог с вечной мерзлотой. Физическими основами математического моделирования были: закон сохранения энергии (теплового баланса) в виде уравнения теплоты с учетом теплоты фазовых переходов, уравнение баланса влажности в разных фазах, определяющее насыщенность влаги в разных частях рассматриваемой территории, а также уравнения, определяющие напряжение и деформацию .

Рис. 3. Дорожное полотно с использованием «нестандартных» грунтов в держателе из теплоизолятора в нижней части засыпки грунта

Рис. 4. Строительство дорожного покрытия из армированного грунта на нефтепромысловой дороге в Мурманской области К-В-ПП «Лотта

Отсутствие морозостойкости РС для жестких условий эксплуатации в настоящее время решается введением в ее состав полимерных добавок, активизирующих процессы образования цементного камня и снижающих сложность технологических операций. Кроме того, оптимизация минеральной составляющей и процессов формирования структуры материала на стадии уплотнения цементно-грунтовых смесей значительно повышает прочность конструкционных слоев дорожной одежды.

За последние пятнадцать лет зарубежными учеными получен ряд поверхностно-активных добавок (ПАВ), активно влияющих на формирование дорожно-строительных материалов. На базе Тюменского индустриального университета были проведены научно-практические исследования по изучению влияния добавок и стабилизаторов зарубежного производства на упрочнение грунтов . Получены обнадеживающие результаты по улучшению физико-механических свойств армированных грунтов. Наибольший интерес представляют присадки «Nano Terra Soil» (Германия) и стабилизатор LBS (США). Но стоимость присадки, стоимость транспортировки и таможенные пошлины значительно снижают экономическую составляющую. Апробация отечественных присадок «Дортем» и «АНТ» (Волгоград) показала высокую эффективность второй.

Анализируя вышеизложенное, необходимо сделать вывод о продолжении и расширении научно-технических исследований в области разработки и внедрения ресурсосберегающих материалов, конструкций и технологий в транспортном строительстве в Сибири и Арктике по следующим направлениям:

— Проведение экспериментальных и инновационных работ по строительству дорожного полотна и тротуаров в болотах и на территориях, занятых вечной мерзлотой, с использованием местных «некондиционных» дорожно-строительных материалов;

— Разработка методов проектирования конструкций и технологий строительства дорожного полотна, тротуаров и искусственных сооружений;

— Проведение опытно-конструкторских работ и разработка методов контроля качества проектирования, строительства и эксплуатации транспортных конструкций и сооружений и их мониторинга на период жизненного цикла;

— Проведение экспериментальных и инновационных работ по устройству дорожных покрытий с использованием искусственных каменных материалов.

Литература:

1. Шуваев, Анатолий Н., «Физико-математическое моделирование набережных из мерзлого грунта». Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета 5 (2016): 167–173.
2. Шуваев, Анатолий Н., Марина В. Панова, Людмила А. Пульдас. «Информационные технологии инженерного обеспечения надежности дорожного строительства в условиях Севера». Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, Энергетика 3, нет. 3 (2017): 110–124. doi:10.21684/2411–7978–2017–3-3–110–124.
3. Шуваев, Анатолий Н., Марина В. Панова «Повышение эффективности использования армированных грунтов при строительстве объектов автомобильного транспорта». Международный журнал строительства и технологий 9(7) (2018): 507–512.
4. Журавлев, Н.И. «Обоснование рационального строительства придорожных укреплений из сборных элементов нефтепромысловых дорог в условиях Западной Сибири». Аннотация диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Канады. М.: 19.
5. Иванов Н. Н., Линцер А. В. и др. «Оптимальное использование строительных материалов в дорожном строительстве». Свердловск: Среднеуральское книжное издательство (1977): 168.
6. Линцер А. В. «Пути повышения качества и эффективности дорожного строительства в нефтепромысловых районах Западной Сибири». Строительство нефтепромысла 7 (1977): 3–5.
7. Матейкович С. И. «Исследование путей укрепления откосов пойменных частей из сборных и монолитных цементно-грунтовых конструкций при строительстве дорог в Западной Сибири» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Канады. Тюмень (1981): 239.
8. Кретов, В.А. «Автодороги нефтегазового комплекса Западной Сибири из местных материалов». Москва: Информавтодор (1999): 160.