Влияние криогенных процессов на устойчивость автомобильных и железных дорог Исаков Владимир Александрович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. История и современное состояние изучения проблемы устойчивости автомобильных и железных дорог в криолитозоне .

1.1 Краткая история изучения проблемы устойчивости дорог в криолитозоне 8

1.2 Современное состояние проблемы устойчивости автомобильных и железных дорог в криолитозоне 14

1.3 Основные критерии выделения природно-технической системы автомобильных и железных дорог в криолитозоне 20

Глава 2. Методика проведения исследований 28

Глава 3. Региональные закономерности формирования геокриологической обстановки в основаниях дорог 37

3.1 Кольский регион 37

3.2 Мало-Большеземельский регион 39

3.3 Западносибирский регион

3.4 Таймырский регион 51

3.5 Центрально-Якутский регион 55

3.6 Чукотский регион 60

3.7 Приамурский регион 62

3.8 Забайкальский регион 68

3.9 Анализ региональной изменчивости 73

Глава 4. Условия развития криогенных процессов в разных типах грунтовых массивов природно-технических систем автомобильных и железных дорог в криолитозоне 77

4.1 Насыпные грунты 77

4.2 Естественные грунты в основании земляного полотна 97

4.3 Естественные грунты в зоне техногенного влияния земляного полотна 107

Глава 5. Влияние криогенных процессов на деформации земляного полотна в криолитозоне 117

5.1 Осадки земляного полотна 117

5.2 Волнообразные деформации основной площадки 119

5.3 Локальные просадки земляного полотна 121

5.4 Отседание откосов земляного полотна 122

5.5 Оползание и эрозия откосов земляного полотна 123

5.6 Отседание основной площадки насыпи 124

5.7 Пучины 125

5.8 Систематизация рассмотренных типов деформаций 126

Глава 6. Основные рекомендации по повышению устойчивости природно технической системы автомобильных и железных дорог в криолитозоне 129

Заключение 143

Список литературы

• Современное состояние проблемы устойчивости автомобильных и железных дорог в криолитозоне
• Западносибирский регион
• Забайкальский регион
• Отседание откосов земляного полотна

Введение к работе

Актуальность темы исследования заключается в том, что, несмотря на длительное изучение проблематики устойчивости дорожной инфраструктуры в криолитозоне и разработанные инженерно-геокриологические приёмы стабилизации мерзлотной обстановки, деформации на автомобильных и железных дорогах, построенных на вечной мерзлоте, не прекращаются до сих пор. Одной из причин этого является недостаточная изученность закономерностей взаимодействия инженерных сооружений дорог и окружающей природной среды, выражающаяся в формировании особой природно-технической системы. Эта система - инженерные сооружения (насыпи, выемки, водопропускные сооружения) и естественные грунты в их основании – будет претерпевать изменения под воздействием соответственно природных и техногенных факторов, в значительной мере изменяя свои свойства. Эти изменения чаще всего сопровождаются разнонаправленной и разномасштабной активизацией криогенных процессов, изучение которых позволит выяснить причины деформаций, механизм их развития и, следовательно, более обоснованно разрабатывать методики их предотвращения и стабилизации.

Объектом исследования являются сезонно- и многолетнемёрзлые грунты в составе природно-технических систем, формирующихся при прокладке автомобильных и железных дорог.

Предметом исследования в работе являются криогенные процессы в грунтовых массивах природно-технических систем, развивающиеся в основаниях автомобильных и железных дорог и оказывающие существенное влияние на их устойчивость.

Цель работы заключается в изучении закономерностей активизации криогенных процессов в грунтовых массивах, влияющих на устойчивость автомобильных и железных дорог в разных регионах криолитозоны России. Знание этих закономерностей позволит определить или выработать наиболее подходящие способы повышения устойчивости дорожной инфраструктуры.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. провести обзор имеющихся исследований по проблематике устойчивости дорожной сети в криолитозоне;

2. определить характер взаимодействия природных условий и инженерных сооружений в составе автомобильных и железных дорог и выявить природные факторы, в наибольшей степени, влияющие на изменение геокриологических условий в их основании;

3. выявить региональные особенности температурного режима земляного полотна в ходе строительства и эксплуатации дорог;

4. оценить роль криогенеза в массивах грунтов, подвергающихся техногенному воздействию при строительстве и эксплуатации автомобильных и железных дорог;

5. проанализировать влияние выявленных закономерностей криогенеза на устойчивость сооружений и формирование деформаций;

6. провести обзор и анализ эффективности существующих рекомендаций по стабилизации мерзлотной обстановки.

Материалы, используемые в работе. Для выполнения работы были использованы опубликованные данные научного и производственного характера по тематике исследования, фондовые материалы различных организаций, а также результаты полевых исследований автора (в 2008 – 2011 гг.) на объектах дорожной сети в криолитозоне. Использовались также результаты математического моделирования теплового состояния грунтовых массивов и количественного и качественного прогнозирования активизации криогенных процессов, выполненные автором.

Личный вклад автора. В основу работы легли результаты собственных полевых исследований автора, дополненные результатами проведённого автором прогноза изменения температурного поля мёрзлых грунтов и активизации криогенных процессов в условиях природно-технической системы автомобильных и железных дорог в криолитозоне. Для апробации и проверки полученных результатов были применены опубликованные и фондовые материалы об опыте эксплуатации автомобильных и железных дорог в различных регионах криолитозоны России.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Определены 4 типа квазистационарного температурного состояния в природно-технической системе автомобильных и железных дорог в криолитозоне, отражающие региональные закономерности формирования геокриологической обстановки в специфических условиях техногенной нагрузки: устойчивый, переходный низкотемпературный, переходный высокотемпературный и неустойчивый;

2. Выявленные неравномерности в динамике температурного поля являются достаточными для активизации криогенных процессов (выветривания, сегрегационного льдовыделения, пучения и морозобойного растрескивания, термокарста, ползучести) и изменения свойств и

состояния грунтов в пределах природно-технической системы автомобильных и железных дорог в криолитозоне;

3. Интенсивность развития криогенных процессов и их разнообразие напрямую связано с типом квазистационарного температурного состояния;

4. Деформации дорог в криолитозоне, в основном, определяются криогенными факторами и процессами;

5. Основные типы деформаций дорог разделяются на 3 группы: деформации, вызванные сезонными колебаниями температуры; деформации, обусловленные многолетним изменением температуры; деформации, связанные с активизацией криогенных процессов на территориях, прилегающих к земляному полотну дороги;

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые в пределах природно-технической системы автомобильных и железных дорог в криолитозоне выделено 3 типа грунтовых массивов, отличающихся активностью и специфическим набором криогенных процессов;

2. При помощи численного моделирования оценено и проанализировано изменение температурных полей в грунтах основания дорожного полотна для 8 различных регионов криолитозоны России (11 пунктов), приведены примеры значительных региональных различий в реакции многолетнемёрзлых пород на определенный вид техногенного воздействия;

3. Выявлены закономерности формирования температурного поля природно-технических систем автомобильных и железных дорог, определяющие динамику криогенных процессов в грунтах насыпи и естественного основания;

4. Выделено 3 основных группы криогенно-обусловленных деформаций земляного полотна, принципиально отличающихся механизмами развития и динамикой.

Практическая значимость исследования заключается в рассмотрении механизмов и предпосылок активизации криогенных процессов в грунтах, непосредственно влияющих на устойчивость автомобильных и железных дорог. Полученные данные позволяют повысить точность геокриологического прогноза при

проектировании, увеличить эффективность методов инженерной защиты и геокриологического мониторинга автомобильных и железных дорог.

Апробация работы. Промежуточные результаты работы, а также основные положения диссертации докладывались на российских и международных научных конференциях: II Всероссийской научно-практической конференции «Человеческое измерение в региональном развитии» (Нижневартовск, 2008 г), XVI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов – 2009» (Москва, 2009 г), научно-практических конференциях молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве» (Москва 2009, 2011, 2012, 2013, 2014 г.г.), международной научно-практической конференции по инженерному мерзлотоведению (Тюмень, 2011 г), Международной научно-практической конференции «ГЕОРИСК 2012» (Москва, 2012 г), Десятой Международной конференции по мерзлотоведению (TICOP): Ресурсы и риски регионов с вечной мерзлотой в меняющемся мире. (Салехард, 2012 г), Восьмой Общероссийской конференции изыскательских организаций «Инженерные изыскания в строительстве» (Москва, 2012 г). По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из которых 3 – в изданиях рекомендованных ВАК. Готовятся к изданию 3 печатные работы, из которых 1 – в изданиях рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (174 наименования). Материал работы изложен на 156 страницах машинописного текста, содержит 14 таблиц, 46 иллюстраций.

Благодарности. Автор выражает благодарность своему научному руководителю к. г-м.н. В.И. Гребенцу за всестороннюю помощь в проведении исследования; заведующему кафедрой криолитологии и гляциологии д.г.н., профессору, В.Н. Конищеву, а также д.г.н., профессору В.В. Рогову, к.г.н. Н.В. Тумель, к.г.н. Ю.Б. Баду, к.г.н. И.Д. Стрелецкой, д.г.н. профессору, Н.А. Шполянской, к.г.н. Л.И. Зотовой и другим сотрудникам кафедры криолитологии и гляциологии за ценные замечания и методическую помощь при написании работы. Автор хочет выразить благодарность к.г.-м.н. М.С. Наумову, А.И. Андриянову, Л.А. Байковой, В.Б. Достовалову, к.г.-м.н. А.Г.-о. Керимову, А.В. Максимову, С.В. Васильеву за помощь при проведении полевых и камеральных работ по изучению дорожного полотна в разных регионах криолитозоны России. Отдельную благодарность автор хочет выразить к.г.н. А.Ф. Имангалину, Д.В. Кирину, А.Е. Новичихину, Е.Г. Панченко, Е.Ю. Поспелову, Д.В. Шмелёву за методическую помощь и обсуждение промежуточных результатов работы.

Современное состояние проблемы устойчивости автомобильных и железных дорог в криолитозоне

Причиной деформаций дорожного полотна могут быть самые различные факторы как природного, так и техногенного характера [ЦП-544, 2000]. Дорожное полотно может быть повреждено в результате землетрясений, обвалов, сходов лавин, селей, наводнений или в результате воздействия каких-либо других внешних процессов. Деформации дорожного полотна также могут возникнуть в результате ошибок при проведении инженерных изысканий, проектных и строительных работ.

В настоящей работе рассматриваются деформации, возникающие не в результате субъективных ошибок, строительного брака или воздействия стихийно-разрушительных процессов, а возникающие закономерно, вследствие взаимодействия природных и техногенных факторов.

Современные исследователи при анализе причин развития деформаций автомобильных и железных дорог уделяют значительное внимание изменениям состояния естественных грунтов в основании земляного полотна, оценивая их вес в общих причинах деформаций на уровне около 70% [Мельников, Павлов, 2011]. Отмечается, что основной причиной деформаций дорог является оттаивание льдистых мёрзлых пород в их основании. Деформации такого рода достаточно хорошо изучены и легко прогнозируемы при проведении изыскательских работ. Обнаружение мономинеральных ледяных тел и горизонтов сильнольдистых мёрзлых пород, нарушение устойчивого состояния которых может привести к снижению устойчивости сооружений – одна из главных задач инженерных изысканий при строительстве в условиях криолитозоны [ВСН 61-89, 1990]. Специфика дорожного строительства, а именно непрерывность и значительная протяженность объектов, периодически вынуждает использовать в качестве оснований для сооружений потенциально неустойчивые сильнольдистые грунты. В таком случае в проекте дороги должны быть предусмотрены мероприятия по стабилизации состояния грунтов. Однако существенную роль в развитии деформаций играет недооценка опасности неблагоприятных изменений мерзлотной ситуации в основании дорог. Формальная оценка устойчивости грунтов оснований, приведённая в нормативных документах [ВСН 61-89, 1990], часто не учитывает потенциально возможных изменений в массивах грунтов под влиянием техногенных изменений, климатических колебаний или активизации криогенных процессов, которые проявляются или могут проявиться на участках прохождения трасс дорог. При строительстве естественные условия теплообмена мёрзлых пород нарушаются практически на всей полосе отвода, и порой на значительную глубину, вследствие чего довольно большой объём мёрзлых грунтов изменяет свои свойства, что может привести к существенному ускорению развития криогенных процессов. Так, исследования на линии железной дороги «Ягельная – Ямбург» показали, что за период от начала изысканий до завершения строительства скорость развития термокарста в пределах полосы влияния строительства, увеличилась в 10 раз, а на участках вне этой полосы активизации термокарста не произошло [Камышев, 1999]. Существующие в настоящее время карты развития экзогенных, в том числе криогенных процессов вдоль трасс дорог [Цветкова, 2008] показывают, что развитие неблагоприятных процессов вдоль насыпей дорог может быть значительно масштабнее, нежели предполагалось до начала строительства.

Значительную роль играют региональные и локальные факторы развития криогенных процессов. Расположение криолитозоны России в различных климатических поясах, геологических структурах, природных зонах обуславливает большое разнообразие условий, в рамках которых происходит взаимодействие литокриогенной основы природно-территориальных комплексов (ПТК) и линейных сооружений. Соответственно разнообразной будет и специфика криогенных процессов, угрожающих устойчивости дорожной инфраструктуры. Для прогноза изменения геокриологической обстановки в основании сооружения и на прилегающей к нему территории существует практика сравнения объектов – аналогов для исследуемой дороги [Позин, Наумов, 2007]. Проблемой при такого рода сравнениях является поиск объектов, действительно тождественных изучаемому, а также информации по ним. К сожалению, зачастую происходит сравнение объектов, объединённых либо по территориальному признаку (при этом значительно отличающихся по геокриологическим условиям), либо вообще исходя из того, что исследуемый объект и «объекты – аналоги» находятся в пределах криолитозоны и основные процессы, угрожающие их устойчивости, имеют криогенную природу.

Процессы, протекающие на окружающих дороги участках полосы отвода, не могут не оказывать влияние на грунты, находящиеся непосредственно в основании сооружения. В то же время, невозможно равнозначно соотносить массивы грунтов на прилегающих к дороге территориях и залегающих непосредственно под нею. Грунты, находящиеся в основании сооружений, испытывают различные дополнительные нагрузки, реализация которых существенно влияет на их свойства и строение. В частности уплотнение грунтов в основании насыпи существенно изменяет их свойства: консистенцию, плотность, коэффициент фильтрации и характер миграции влаги. Неравномерное уплотнение грунтов, которое зависит от распределения нагрузок в основании насыпи, её высоты, интенсивности движения и прочих факторов, также будет дифференцировано изменять свойства грунтов, в том числе и криогенное строение, [Ершов, 2002]. Температурное воздействие, оказываемое различными элементами строения земляного полотна также крайне неоднозначно [Исаков, Наумов, Телков, 2013; Лисицына и др., 1989; Пассек, Вербух, 2007]. На различных участках контакта основания искусственных сооружений и естественных грунтов оно будет неравномерным, что также обуславливает дифференциацию свойств мёрзлых грунтов, которые определяются их температурным состоянием – прочность смерзания грунтовых частиц, количество незамёрзшей воды и возможности для её миграции, устойчивость к проявлению криогенных процессов.

Не отвергая важность процессов, происходящих в естественных грунтах в основании дорог, автору хотелось бы обратить внимание на процессы, происходящие в грунтовых массивах, расположенных непосредственно под рельсошпальной решёткой или асфальтовым (бетонным, грунтовым) покрытием. Речь идёт о грунтах насыпей и основных площадок выемок. Наблюдения, показавшие интенсивное изменение свойств грунтов насыпей и выемок под влиянием процессов криогенеза, механического истирания и динамического давления, были проведены ещё при возобновлении строительства БАМ в 1970-х гг [Королёв, Луговой, 1988]. Тогда было отмечено, что скальные и полускальные грунты, укладываемые в насыпь при строительстве, за несколько лет разрушались и сильно загрязнялись мелкозёмом. Также отмечалось, что выемки, пройденные на трассе БАМ в начале 40-х гг., в большинстве своём заполнены коллювиальными и делювиальными отложениями, которые частично представляли собой продукты выветривания откосов выемок. Скорость отступания откосов в искусственных выемках в районе оз. Байкал по данным наблюдений за 30 лет составила в среднем 13-35 мм/год [Солоненко, Пальшин, Гречищев, 1951].

Результаты исследования на участке 0 – 60 км трассы железной дороги «Улак – Эльга» через 10 лет после строительства, при отсутствии на ней рабочего движения (и, соответственно, динамических нагрузок), показали, что среднее содержание пылеватых и более мелких фракций в крупноскелетных грунтах насыпи составляет 13% (при средней влажности 0,18 д.е.). Вероятно, при активной эксплуатации дороги засорение грунтов насыпей происходит более интенсивно. Испытания циклической нагрузкой, проведённые А. Нурмиколу для материала дорожных насыпей [Nurmikolu, 2005], показали, что в ходе эксплуатации дорог происходит постепенное увеличение доли тонкодисперсных частиц в насыпных грунтах, рисунок 1.2.1. При этом была отмечена ускоренная диспергация грунтовых материалов насыпи при увеличении влажности и содержания пылеватых фракций в исходной смеси. Вероятно, совместное действие криогенного выветривания и механического истирания будет приводить к увеличению содержания в насыпи тонкодисперсных частиц, в большей степени благоприятствующих криогенной миграции влаги и формированию сегрегационно-миграционных криогенных текстур.

Статические, динамические, температурные нагрузки воздействуют на грунты насыпи далеко не равномерно. Каждый из этих типов нагрузок имеет свои закономерности распределения по грунтовому массиву. Так, в частности, неоднородность состава грунтов вызывает неравномерность воздействия различных компонентов физического выветривания, и, соответственно, в зависимости от наличия факторов, которые наиболее благоприятны для определенного компонента физического выветривания данный процесс либо развивается активно, либо подавляется. При наличии трещиноватых скальных пород в зонах, где наблюдаются частые переходы через 0оС, например, в случае укрепления откосов насыпи с поверхности бутовым камнем, будет наблюдаться его интенсивное разрушение, как это происходит на отдельных участках ж/д «Томмот – Якутск» [Мельников, Павлов, Колодезников, 2014]. В то же время, при наличии в основании насыпи размокающих полускальных грунтов (для которых одним из ведущих агентов разрушения является криогидратационное выветривание), не испытывающих значительных колебаний влажности и температуры, процесс криогенного выветривания в данной зоне будет идти очень медленно [Воронков, Ушакова, 2007].

Западносибирский регион

Наиболее значительную часть деформаций дорожного полотна (до 70% [Мельников, Павлов, 2011]) принято связывать со снижением несущей способности мёрзлых грунтов в основании дорог. Выявленная в главе 3 тенденция к региональной дифференциации температурного поля ПТС автомобильных и железных дорог диктует необходимость изучения реакции естественных грунтов на техногенную нагрузку, создаваемую при строительстве и эксплуатации дорог, которая во многих случаях будет проявляться в виде тех или иных криогенных процессов.

Следует отметить, что активизация криогенных процессов в естественных грунтах в основании земляного полотна на участках насыпей будет проходить под влиянием статической и динамической нагрузки, а на участках выемок – в условиях существенного изменения механического состава верхних горизонтов грунтов. Эти факторы будут оказывать значительное влияние на динамику криогенных процессов и их влияние на устойчивость ПТС автомобильных и железных дорог в криолитозоне.

Активизация термокарста происходит, как правило, на фоне повышения температуры мёрзлых грунтов. При переходных и неустойчивом типах КТП в той или иной мере существуют условия для развития термокарстовых процессов. Глубина формирующихся при установлении КТП таликов, наряду с влажностью (льдистостью) естественных грунтов, определяет величину просадки земной поверхности. Просадка земной поверхности, возникшая в результате оттаивания подземных льдов, может заполняться водой или снегом, что (при достаточной её глубине) будет способствовать повышению температуры мёрзлых грунтов и дальнейшему развитию термокарста. Понижение поверхности залегания естественных грунтов в основании насыпи относительно окружающих территорий будет способствовать накоплению грунтовой влаги и снега на прилегающих к насыпи участках, что приведёт к дальнейшему повышению температуры грунтов в основании насыпи. Необходимым условием для развития термокарста является превышение мощности снега или водной толщи над критической для данного региона величиной, обеспечивающей положительную температуру на глубине затухания её годовой амплитуды. Ограничением для увеличения глубины просадки является, прежде всего, мощность льдистых горизонтов пород, которые при оттаивании будут давать значительную осадку. По данным проведённого моделирования была рассчитана суммарная осадка оттаивающих при установлении КТП грунтов в основании насыпи [Справочник…, 1977]. Результаты расчёта величины суммарной осадки грунтов в основании насыпи для различных пунктов в пределах криолитозоны приведены в таблице 4.2.1. Данные, приведённые в таблице 4.2.1, показывают, что в некоторых регионах создаются благоприятные условия для активизации термокарста. В пунктах с неустойчивым типом КТП это связано с большой глубиной оттаивания, в результате чего даже сравнительно слабольдистые грунты (Бомнак и Чита) способны дать осадку достаточной глубины. При прохождении дороги через более льдистые генетические комплексы пород (Краснощелье) процессы оттаивания в основании насыпей будут идти медленнее, но осадка грунтов естественного основания будет более значительной.

Активизация термокарста в регионах с переходными типами КТП зависит от льдистости и просадочности грунтов в основании насыпи – в льдистых торфяных и суглинистых грунтах (Нарьян-Мар, Салехард, Норильск) наблюдаются благоприятные для активизации термокарста условия. В сравнительно слабольдистых грунтах (Воркута, Тазовский, Якутск), даже при наличии таликов глубиной 4 м, величина просадки недостаточна для развития самоподдерживающегося термокарста.

Отдельно необходимо сказать о развитии термокарста в условиях выемок. Для условий выемок был проведён расчёт увеличения мощности снежного покрова при эксплуатации дорог. Результаты расчёта показали превышение критической мощности снега на основной площадке выемок для всех регионов. Исследования состояния выемок на железных дорогах «Беркакит-Томмот-Якутск» и «Улак-Эльга» [Байкова, Исаков, 2012; Исаков, Наумов, Телков, 2013] показали, что в выемках повсеместно наблюдается оттаивание ММП. При наличии просадочных грунтов в основании выемки, процессы термокарста будут проявляться в выемках во всех регионах континентальной криолитозоны России.

Влияние термокарста на устойчивость автомобильных и железных дорог в криолитозоне будет проявляться через снижение несущей способности естественных грунтов оснований, вне зависимости от того, будут ли они находиться в талом или мёрзлом состоянии. Мёрзлые грунты при развитии термокарста будут испытывать повышение температуры, что будет снижать прочность их смерзания. Воздействие термокарста на талые грунты более опосредованно: сформировавшиеся под влиянием термокарста просадки на поверхности естественных грунтов будут являться центрами аккумуляции влаги, что будет способствовать их разжижению и снижению несущей способности. Из термокарстовых таликов, при благоприятных для этого условиях, может осуществляться дополнительный приток влаги в насыпные грунты, что будет провоцировать активизацию других неблагоприятных процессов (см. главу 4.1).

Криогенное выветривание Активизация криогенного выветривания в естественных грунтах основания земляного полотна происходит, в основном, на участках выемок. В основании насыпи обычно отсутствуют частые фазовые переходы воды, а также значительные колебания влажности и температуры. Кроме того, в основании насыпей залегают, как правило, грунты уже в значительной мере переработанные выветриванием и в меньшей степени подверженные изменениям свойств под воздействием данного процесса.

Выполнение выемок приводит к увеличению колебаний температуры и влажности в грунтах, слагающих их основание, за счёт обнажения грунтовых массивов, ранее залегавших глубже от поверхности. Под влиянием изменений условий теплообмена и дополнительного поступления влаги (за счёт снеговых и дождевых вод) криогенное разрушение грунтов, особенно скальных, может идти более интенсивно, чем в насыпных массивах, за счёт лучшего увлажнения промерзающих и протаивающих грунтов [Воронков, Ушакова, 2007]. Ещё одним фактором, способствующим диспергации скальных и крупнообломочных грунтов, является воздействие строительной техники и взрывов во время строительства выемок.

При сравнении результатов обследования трассы железной дороги «Улак – Эльга» на участке 0 – 60 км с данными инженерных изысканий было обнаружено, что за 10 лет в основании выемок (до глубины 6 метров) скальные грунты практически на всех участках разрушились до состояния щебня и дресвы. Скальные откосы выемок подвержены разрушению примерно в 10 раз более интенсивному, чем естественные обнажения и скорость их отступания может составлять от первых сантиметров в год, достигая в особо неустойчивых породах величины в первые метры [Воронков, Ушакова, 2007].

Забайкальский регион

Приведенные выше примеры негативного влияния техногенных изменений на многолетнемёрзлые породы, как правило, имеют ограниченные по времени интервалы максимального проявления.

Фактор сведения растительности проявляется в максимальной степени в первые годы после строительства дороги. Впоследствии в результате сукцессии растительности происходит уменьшение негативного воздействия от техногенных нарушений. Длительность сукцессионного процесса значительно изменяется в зависимости от местоположения территории, состава и сложности нарушенных сообществ, наличия благоприятных условий для пионерных видов. В условиях тундры Западной Сибири Н. Г. Москаленко установлена близкая к линейной зависимость восстановления растительности от условий увлажнения [Москаленко, 1991]. Среди тундровых сообществ наибольшей скоростью восстановления растительности характеризуются топяные болота и ложбины стока. Даже в случае полного уничтожения через 3-4 года травянистые и травянисто-моховые группировки занимают 60-80% поверхности почвы, а в течение 20 лет естественный облик нарушенных болот полностью восстанавливается [Тигеев, 2006]. При этом стоит отметить, что восстановление болотной растительности не обозначает в полной мере восстановления теплоизолирующих свойств нарушенных покровов. Для накопления торфяных залежей мощностью даже в несколько десятков сантиметров требуются сотни лет. Наиболее неблагоприятными условиями для восстановления естественной растительности в условиях тундры являются автотрофные песчаные местообитания, где хороший дренаж и бедность почв минеральными веществами приводят к тому, что на 4-ый год после нарушения площадь проективного покрытия растительности не превышает 10%. В условиях тайги и лесотундры медленнее всего восстанавливается древесная растительность. Возврат к первоначальному составу ценозов может занимать от 20-30 лет (в благоприятных условиях) до 70-100 лет. На северной границе распространения лесов после техногенного нарушения древесный ярус может вообще не восстановиться [Тигеев, 2006]. В ходе сукцессий, особенно в неблагоприятных условиях повышенного увлажнения и заболачивания зачастую происходит смена видового состава в сообществах [Москаленко, 2009]. В условиях тундры в первые несколько лет на нарушенных участках широко распространяется морошка, впоследствии, при наличии достаточного увлажнения, её сменяют сфагновые и политриховые мхи и пушица. Среди типичных тундровых кустарников при их нарушении характерна замена карликовой берёзы ивами, имеющими более высокую интенсивность размножения [Тигеев, 2006]. Для таёжных ландшафтов наиболее характерной чертой сукцессий является появление и преобладание в первые годы мелколиственных пород деревьев, в первую очередь берёзы и ольхи, а также кустарниковых форм. В дальнейшем они вытесняются светлохвойными породами, которые в свою очередь, при наличии благоприятных для этого условий, уступают место тёмнохвойным породам. Практически во всех природных зонах при техногенном нарушении увеличивается площадь занятая болотами и болотными растительными ассоциациями. При этом болота являются одним из наиболее устойчивых новообразованных компонентов структуры ПТК и, зачастую, не только не сокращают свою площадь с течением времени, но и увеличиваются за счет заболачивания соседних лесных и тундровых комплексов [Москаленко, 2009].

Таким образом, анализируя влияние сукцессии растительности на изменение термодинамического баланса многолетнемёрзлых грунтов, необходимо отметить, что, как правило, в течение первого десятилетия негативное влияние, вызванное нарушением растительного покрова, в значительной мере компенсируется. Происходящие на первом этапе, непосредственно после уничтожения растительности, негативные изменения (увеличения мощности деятельного слоя, переувлажнение грунтов и повышение их температуры, понижение кровли ММП) уменьшают масштаб своего проявления в первую очередь за счет снижения прихода солнечной радиации и увеличения транспирации. Если за период сукцессии растительных сообществ в пределах зоны техногенного влияния природно-технической системы земляного полотна не произошло активизации криогенных процессов с самоподдерживающимся механизмом развития (в первую очередь термокарста и термоэрозии), то, возможно, произойдет восстановление условий теплообмена через поверхность, свойственных для данного ПТК.

Значимое воздействие механических повреждений поверхности и верхней части грунтовой толщи на состояние многолетнемёрзлых пород при однократном нарушении обычно имеет небольшую длительность. При отсутствии развития опасных криогенных процессов по механическим нарушениям в течение первых лет происходит заплывание отрицательных форм, пор и каналов в грунтах, укрепление корневой системой травянистых растений. Положительные формы рельефа небольшого размера размываются атмосферными осадками и талыми водами. С развитием процессов литификации и почвообразования в грунтах нарушенной структуры со временем опасность развития неблагоприятных криогенных процессов будет снижаться.

Стабилизация уровня грунтовых вод на прилегающих к земляному полотну территориях возможна при увеличении испарения с поверхности новообразовавшихся озёр, транспирации восстанавливающейся растительностью и появления дополнительных путей поверхностного и грунтового стока (искусственного дренажа, овражной и плоскостной эрозии, развития суффозии, фильтрации под насыпью). Изменение условий теплообмена через поверхность, происходящее при сукцессии растительности, литификации и уплотнении грунтов после их механического нарушения, а также стабилизации уровня грунтовых вод отнюдь не означает восстановления естественного теплового режима ПТК. Повреждение либо удаление древесного и торфяного покровов, срок восстановления которых зачастую превышает срок эксплуатации дорог, вызывают снижение общей теплоизолирующей способности растительности. Этот фактор, вне зависимости от количества перехватываемой растительностью солнечной радиации, будет способствовать деградационным тенденциям в мёрзлых грунтах.

Влияние криогенных процессов на устойчивость естественных грунтов в зоне техногенного воздействия автомобильных и железных дорог

Криогенные процессы, активизация которых будет происходить в зоне техногенного воздействия дорог, будут в целом негативно влиять на устойчивость массивов естественных мёрзлых грунтов, способствуя изменению их свойств, сложения и структуры. Активизация криогенных процессов в полосе отвода радикально изменяет условия микрорельефа и грунтового стока, что приводит к перестройке ландшафтной структуры ПТК и, как следствие, условий теплообмена через поверхность. В таком случае изменение геокриологических условий окружающей территории значительно снижает устойчивость естественных грунтов в основании земляного полотна дороги.

Масштаб активизации криогенных процессов в зоне техногенного влияния дороги напрямую связан со степенью нарушения естественных потоков вещества и энергии в ПТК. Чем более сложной в геоморфологическом и геоботаническом аспекте является ландшафтная структура ПТК, тем большее количество таких потоков будет нарушено при техногенном воздействии и тем более разрушительным для мёрзлых пород будут последствия техногенного вмешательства.

Отседание откосов земляного полотна

Термоэрозия: Для предотвращения активизации термоэрозии, угрожающей устойчивости дорожного полотна необходима локализация природных очагов термоэрозии при помощи устройства дренажных систем и водопропускных сооружений, а также систем отвода воды. При развитии термоэрозии в результате техногенных изменений среды можно проводить засыпку очагов термоэрозии или провести дополнительный дренаж территории.

Солифлюкция: Предотвращение развития процессов солифлюкции можно обеспечить путём укрепления потенциально опасных склонов георешётками или металлическими сетками.

Движение курумов: активизация движения курумов возможна при подрезке склона выемками или полками. Для предотвращения опасности активизации курумов, при невозможности их обхода, необходимо сооружение подпорных стенок на участках прохождения дорог через курумоопасные склоны.

Криогенное пучение: для предотвращения негативных последствий активизации сезонного пучения грунтов в основании дорожного полотна, а также грунтов насыпи необходимо предусматривать наличие в насыпи и балластной призме специальных «амортизирующих» слоёв из георешётки, которые за счёт своей эластичности будут гасить возникающие деформации. Развитие многолетних бугров пучения, которые могут образовываться в результате подтопления насыпи можно предотвратить организацией системы дренажа, отводящей воду от потенциально опасного участка.

Внутригрунтовые наледи: одним из наиболее эффективных способов борьбы с внутригрунтовыми наледями, возникающими в результате пересечения земляным полотном естественных путей грунтового стока, является формирование мерзлотных поясов и зон (полос) разгрузки грунтового стока вдали от земляного полотна. Искусственное фрагментирование условий сезонного промерзания на прилегающей к земляному полотну территории позволяет проводить разгрузку грунтовых вод в необходимых объёмах вдали от искусственных сооружений.

Геокриологический прогноз и мониторинг Разработанные к настоящему времени методы стабилизации мерзлотной обстановки в основании инженерных сооружений вообще, и автомобильных и железных дорог в частности, позволяют достигнуть необходимых для устойчивого функционирования природно-технических систем параметров мёрзлой толщи. Наиболее важным вопросом является рациональность и эффективность применения различных методов стабилизации для предотвращения деформаций различных генетических типов и групп. Многие из приведённых выше методов, при внедрении на стадии эксплуатации уже деформирующихся участков требуют значительных материальных затрат, которых можно было бы избежать, если на стадии проектирования и строительства были бы учтены направленность и интенсивность развития криогенных процессов на конкретном участке трассы. В то же время, сплошное применение мероприятий по защите земляного полотна от всех возможных неблагоприятных процессов также приведёт к неоправданному завышению стоимости строительства и, возможно, отказу от него из соображений экономической эффективности. Для достижения необходимой для бесперебойной эксплуатации устойчивости проектируемой дороги и достаточной эффективности капитальных вложений необходимо проведение геокриологического прогноза, учитывающего основные закономерности динамики ПТС автомобильных или железных дорог в криолитозоне.

Приведённые в настоящей работе данные позволяют выделить основные критерии, которые могут быть использованы при геокриологическом прогнозировании для целей дорожного строительства в криолитозоне. В первую очередь это принадлежность участка трассы (или всей проектируемой трассы) к определённому типу КТП насыпных и естественных грунтов в ПТС. Как показано в главе 4, этим во многом определяется набор и интенсивность развития различных криогенных процессов, негативно влияющих на устойчивость земляного полотна.

Во-вторых, необходимо учитывать природные факторы территории – геокриологические и криолитологические условия, растительность, гидроморфность, режим осадков, снежного покрова, подземных и поверхностных вод, а также природную активность криогенных процессов.

Для автомобильных и железных дорог, в отличие от других линейных сооружений (трубопроводов, линий электропередачи) обязателен учёт факторов, определяющих величину техногенной нагрузки на многолетнемёрзлые породы – тип земляного полотна, высоту насыпи/глубину выемки, состав насыпи, наличие искусственных сооружений [Исаков, 2011].

Данные могут ранжироваться по степени значимости в зависимости от природных условий территории и инженерных особенностей проектируемой дороги [Исаков, 2011]. Синтез природных и техногенных условий по ходу будущей трассы позволит выделить несколько типов участков: - сравнительно безопасные участки (на таких участках факторы природной среды будут максимально устойчивы к техногенной нагрузке, а сама она будет невелика); - потенциально опасные участки (на таких участках или факторы природной среды благоприятствуют активизации деформаций, при этом нагрузки от земляного полотна невелики, либо наоборот – техногенная нагрузка может быть значительной, но многолетнемёрзлые породы малочувствительны к изменениям); - участки наиболее вероятного развития деформаций (на таких участках факторы природной среды малоустойчивы к нагрузкам и обладают большим потенциалом для неблагоприятных изменений, а техногенная нагрузка достаточна для активизации криогенных процессов в мёрзлых грунтах).

Такая типизация участков трассы, а также выбранные для оценки характеристики, позволяют, проанализировав основные причины потенциальной нестабильности, сделать выводы и рекомендовать наиболее подходящий и эффективный способ инженерной защиты сооружения, если таковая необходима.

В ходе эксплуатации дороги крайне важным фактором, с точки зрения её устойчивости, является получение актуальной информаций об изменении геокриологических условий в основании земляного полотна и развитии опасных криогенных процессов. Это позволит зафиксировать и выработать меры предупреждения неблагоприятных процессов, ведущих к деформациям, а также оценить эффективность тех или иных мер инженерной защиты. Основным способом получения информации о геотехническом состоянии инженерного объекта в криолитозоне является проведение геокриологического мониторинга.

Геокриологический мониторинг – это система мероприятий направленных на изучение мерзлотной обстановки в основании автомобильной или железной дороги, прогноза её изменения и обоснование мер стабилизации деформирующихся участков [Кондратьев, Соболева, 2010]. Для получения достаточной информации и решения этих задач должна выбираться методика и периодичность полевых исследований включающих в себя маршрутные и геодезические обследования, создание специализированных карт, буровые и термометрические работы, лабораторные исследования. Для полноценного функционирования система геокриологического мониторинга должна включать в себя данные о состоянии природной среды до начала строительства, масштабах техногенных нарушений в ходе изысканий и строительства, технические решения и эффективность их реализации [Исаков, Телков, 2013]. На стадии эксплуатации сооружения важнейшим звеном системы мониторинга является подробное исследование деформирующихся участков дорог и установление причин деформаций. Предложенная в главе 5 морфологическая типизация и генетическая группировка деформаций, вызванных активизацией криогенных процессов, позволяет значительно оптимизировать процесс установления причин деформаций и выработки программы исследования конкретных деформирующихся участков.