В связи со сложными и особо сложными грунтово-гидрологическими условиями сооружать насыпи целесообразно в соответствии с первым принципом проектирования, который заключается в поднятии верхнего горизонта многолетней мерзлоты (ВГММ) не ниже подошвы насыпи и сохранением его на этом уровне на весь период эксплуатации сооружения.

Второй принцип проектирования состоит в допущении частичного оттаивания грунтов основания исходя из допустимости осадок насыпи в зависимости от типа покрытия.

Снизить стоимость строительства дорог и сократить его сроки позволяет снижение высоты насыпи, при этом сохранение основания в мерзлом состоянии обеспечивается теплоизолирующими материалами, в качестве которых наиболее часто применяют экструдированные пенополистиролы. Обычно пенополистирольные плиты используют как дополнительный слой основания дорожной одежды, иногда помимо проезжей части плиты укладывают под обочинами, а также по откосам, устраивая ступени из плит в теле насыпи. Очень редко плиты укладывают под нижней частью откоса насыпи и вдоль подошвы, тогда как на этом участке обычно наблюдается максимальная глубина сезонного оттаивания, превышающая фоновое.

Непосредственно под пенополистиролом происходит сезонное оттаивание грунта на некоторую глубину. Если плита была уложена на неуплотненное основание, например, на мерзло-комковатый грунт насыпи, возможно ее разрушение из-за неравномерных осадок грунта при оттаивании.

В некоторых случаях для укрепления оттаявших грунтов применяют армирующие ячеистые материалы — пространственные пластиковые решетки, а также геооболочки, выполненные из тканого геотекстиля. Ячеистые конструкции структурируют инертный материал либо грунт, помещенный в ячейки, работают, как гибкие пластины, снижают неравномерность осадки основания, препятствуют сдвигам.

Однако эти конструкции не могут предотвратить оттаивания грунтовых массивов оснований, что иногда приводит к просадкам и потере устойчивости сооружений. Так, в процессе строительства обычно нарушается мохорастительный покров вдоль дороги. Поскольку он является природным теплоизолятором, вследствие его уничтожения происходит понижение ВГММ на участке, включающем в себя насыпь и прилегающую к ней полосу шириной 2–4 м, и в отдельных случаях проседание всего участка. При этом процесс становления теплового режима, соответствующего новым граничными условиям, длится 10–20 лет, увеличение мощности сжимаемого слабого грунта основания и его осадка происходят в течение того же периода, что сопровождается деформациями дорожной одежды и тела насыпи.

При значительной глубине сезонного оттаивания армирование основания насыпи тем или иным материалом не повлияет на ситуацию. В связи с этим представляется целесообразным объединить геосинтетические материалы, выполняющие две функции — армирование и теплоизоляцию, и создать таким образом термоармирующую конструкцию. Ранее подобные решения предлагались другими авторами, однако по разным причинам они не нашли применения.

В настоящее время проходит испытания опытный образец термоармирующей конструкции (положительное решение по заявке на изобретение № 2021100283 от 12.01.2021), представляющий собой многосекционную геоооболочку с размером ячейки 30х30х30 см, выполненную с дном из рулонного теплоизолирующего материала. Многосекционная геооболочка — это конструкция с линейно расположенными ячейками квадратной формы, с гибким основанием-дном, изготовленная методом сшивания из геополос в перпендикулярном направлении друг к другу и к основанию.

Для усиления теплоизоляции в ячейки могут быть уложены пенополистирольные плитки с защитным слоем из песка сверху. В результате уменьшения размеров пенополистирольной плиты, помещенной в ячейку геооболочки, от 60х120 см до 30х30 см, уменьшаются изгибающие моменты, вызванные неравномерной осадкой основания, также уменьшается неравномерность осадки благодаря натяжению тканевого дна геооболочки, что улучшает условия работы плиты.

Термоармирующая геооболочка, уложенная в основании насыпи, позволит уменьшить глубину оттаивания основания насыпи и прилегающей к ней зоны, снизить неравномерность осадки основания, если она запроектирована по второму принципу, а также предотвратить размыв грунта вдоль откоса насыпи. Для осуществления этого геооболочку целесообразно вывести за пределы насыпи, устраивая таким образом бермы.

Термоармирующая конструкция может применяться при укреплении малых водотоков. Вследствие выемки грунта под русло канавы происходит оттаивание вечномерзлых грунтов, их поверхность опускается, повторяя очертание русла. Оттаявшие грунты проседают, дно канавы опускается ниже проектной отметки. Конструкция укрепления должна быть гибкой и плотно прилегать к дну канавы, чтобы исключить размыв. В этом случае следует применять термоармирующую геооболочку с пологом, плотно закрывающим ячейки и препятствующим вымывание песка. Теплоизоляция позволит уменьшить глубину оттаивания.

Для практического применения термоармирующих конструкций требуется проведение теплофизических и геотехнических расчетов, на основе которых должны назначаться характеристики теплоизолирующего слоя, прочность и параметры армирующего элемента.

В настоящее время действующими нормативными документами, регламентирующими проектирование и строительство автомобильных дорог в зоне распространения многолетнемерзлых грунтов, являются ОДМ 218.2.094-2018 и СП 313.1325800.2017.

В расчетных методах, изложенных в документах, максимальную глубину оттаивания основания предлагается определять исходя из условий, сложившихся до сооружения насыпи. Однако в зоне многолетней мерзлоты сооружение и эксплуатация автомобильной дороги сопровождается существенным изменением водно-теплового режима.

До начала строительства в регионе существует устоявшийся тепловой режим, отличающийся постоянной мощностью деятельного слоя и характеризуемый определенными граничными условиями, в частности, особенностями теплоотдачи с поверхности грунта.

Формирование теплового режима насыпи определяется такими факторами, как: температура воздуха, снежный и растительный покровы на территории, прилегающей к насыпи, температурный режим грунтового массива основания, приход солнечной радиации, затраты тепла на испарение, поверхностные и надмерзлотные воды. Учесть влияние указанных факторов при выполнении мерзлотного прогноза возможно, используя численный анализ ― метод элементарных балансов.

Задача теплопроводности описывается тремя дифференциальными уравнениями: законом распределения тепла в мерзлой зоне, законом распределения тепла в талой зоне и законом перемещения фронта промерзания-протаивания. В Центральной лаборатории инженерной теплофизики (ООО «ЦЛИТ») для выполнения практических расчетов был разработан комплекс алгоритмов, основанный на методе элементарных балансов, при этом дифференциальные уравнения заменяются разностными. Компьютерное моделирование позволяет прогнозировать распределение температур (температурные поля) на заданный момент времени. Известны программы расчета температурных полей и других авторов (Frost 3D и др.). Благодаря этому осуществление мерзлотного прогноза на практике не составляет больших затруднений.

В настоящее время рынок геосинтетических материалов постоянно обновляется, появляются новые материалы, поэтому следует ожидать появления термоармирующих конструкций, выполненных на базе других материалов.

В статье используются материалы из источника:

http://www.techinform-press.ru/images/stories/pdf/roads99/99.pdf