XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Сезонное промерзание и оттаивание характерны для многих районов Земли. Значительная часть территории России и СНГ с сезонным промерзанием грунтов составляют участки, имеющие неблагоприятные грунтово-гидрологические условия и характеризующиеся наличием морозобойных трещин на поверхности автомобильных дорог с асфальтобетонным покрытием.

Большинство грунтов и пород в слоях дорожной конструкции, замерзая и оттаивая, претерпевают существенные деформации – пучины, морозобойные трещины, просадки и т.п. На существующей сети автомобильных дорог они составляют около 47 %, в отдельных случаях более 70 % при необеспеченном стоке и более 50 % при близких грунтовых водах.

Ввиду круглогодичного производства строительных работ, основания будущих дорог часто подвергаются промораживанию в период возведения нулевого цикла. В связи с этим существует опасность подъема верха земляного полотна при минимуме отсыпки слоев дорожной одежды любой проектной конструкции. Поэтому, лесные автомобильные дороги на слабых основаниях строят с выполнением большого объема земляных работ, необходимого для улучшения водно-теплового режима земляного полотна. При этом требуемая прочность и морозоустойчивость дорожной одежды обеспечивается путем существенного возвышения (до 1,9 м) низа ее над поверхностью земли и горизонтом поверхностных и грунтовых вод в сочетании с устройством морозозащитных слоев (толщиной до 0,5 м) из кондиционных песков. Еще более мощные морозозащитные слои - до 2/3 глубины промерзания - устраивают в населенных пунктах и местах, где существует ограничения высоты насыпи, а также в выемках, протяженность которых с каждым годом растет, в том числе на увеличивающейся сети дорог высших категорий, которым предъявляют высокие требования в отношении плана и продольного профиля. Вследствие чего наметилась тенденция к увеличению дальности возки грунта из-за трудности отводов земель под дорожное строительство. Вследствие чего увеличиваются затраты на сооружение земляного полотна, составляя в среднем 28 % стоимости дорожного строительства. Положение в дорожной организации еще больше осложняется, когда увеличивается потребность в привозных дренирующих материалах для морозозащитного слоя.

Ежегодные затраты на ремонтные работы, связанные с ликвидацией последствий влияния криопроцессов на дорожные конструкции, малоэтажные здания и сооружения составляют огромные суммы. Повреждения дорог от морозных воздействий широко распространены даже в относительно теплых странах, как Великобритания и США. Следствием этого явилось создание в США специального комитета по морозному пучению и мерзлотным явлениям в грунтах, призванного осуществлять разработку мероприятий по борьбе с криопроцессами в дорожном и аэродромном строительстве.

Инженерное прогнозирование параметров морозного пучения грунтов, несмотря на многочисленность исследований этого вопроса, развито в недостаточной степени и особенно отсутствуют исследования по причинам образования морозобойных трещин на асфальтобетонных покрытиях. В первую очередь это объясняется неясностью физической стороны процессов, сопровождающих криогенное пучение, что затрудняет математическую формулировку задачи. Исследования проводятся специалистами разных отраслей науки, в связи, с чем проблема рассматривается с разных точек зрения. Специалистов геологического направления в первую очередь интересуют общие вопросы закономерностей формирования и развития толщ сезоннопромерзающих пород при отсутствии сооружений, а для проектировщиков дорог представляют интерес деформации ненагруженных поверхностей.

Прогноз деформации и оттаивания пучинистых грунтов, особенно в случае стабилизированного состояния, относительно хорошо разработан, но нет методик прогнозирования формирования морозобойной трещины на автомобильной дороге. Вместе с тем, при оттаивании массивов сложной формы дорожной конструкции происходит неравномерное оседание, которое зависит от рельефа местности, типа грунта, технологии строительства и расчёты выполняются весьма несовершенными методами.

Одним из основных способом улучшения свойств грунтов является его осушение. Однако, данный способ эффективен для песчаных и супесчаных грунтов, что не дает положительных результатов для суглинистых, глинистых и илистых грунтов, вследствие своей большой водоудерживающей способности. Большинство же слабых глинистых грунтов имеет незначительный коэффициент фильтрации, меньший 0,01 м/сутки и для улучшения свойств данных грунтов существует множество способов и методов, таких как электрохимическое закрепление, устройство гидроизолирующих прослоек, морозозащитных и теплоизолирующих слоев и т.п.

В результате применения таких технологий слабые глинистые грунты становятся более прочными и водостойкими или увеличивается срок службы дороги при использовании теплоизолирующих материалов.

С середины 1960-х в Скандинавии в качестве теплоизолирующего и морозозащитного используется пенопласт, который обеспечивает прекрасную защиту от мороза фундаменты, трубопроводные системы и основания железных дорог.

В настоящее время теплоизолирующие слои из пенопласта устраивают редко из-за высокой стоимости этого материала.

Способ электрохимического закрепления грунтов, начиная с конца 30-х годов прошлого столетия, неоднократно применялся на отдельных объектах гидротехнического, промышленного, гражданского и железнодорожного строительства в ряде стран мира (Германии, Польше, Китае, Норвегии, Японии, Италии, Канаде, США и т.д.). Достоинством электрохимической обработки грунтов является малая трудоёмкость, высокая степень механизации и электрификации работ, возможность улучшения свойств грунта без его переработки (и разработки), проведение работ во время эксплуатации сооружений и дорог, но оказывалось воздействие на окружающую среду. Практика использования таких методов, как электрохимическое закрепление, устройство теплоизолированных и парогидроизоляционых слоёв, увеличение высоты насыпи и др., строятся на простейших (интуитивных) принципах, основанных на решении одномерной тепловой задачи и только при борьбе с таким явлением на автомобильных дорогах как морозное пучение.

Однако в настоящее время отсутствуют не только рекомендации по выбору метода борьбы с морозобойными трещинами, но и нет чёткого описания и причин образования данного явления в дорожном строительстве

Проблема увеличения сроков службы дорожных конструкций автомобильных дорог на всей территории России, в условиях рыночной экономики, заставляет многих учёных вновь и вновь возвращаться к решению определённых задач по улучшению ровности, борьбы с криопроцессами в грунтах. Несмотря на то, что наиболее эффективным путём увеличения прочности и долговечности автомобильных дорог является направленное регулирование водно-теплового режима дорожной конструкции, которое должно обеспечивать сезонную стабильность деформационных и прочностных характеристик грунтов в зависимости от температуры и влажности, усилия учёных направлены на поиски более экономических решений данной проблемы. Данная проблема решалась усилением прочности делового слоя, увеличением коэффициента уплотнения, армированием, устройством противопучинных мероприятий и гидроизоляционных слоёв, применением различных методов закрепления.

Решение проблемы в последнее десятилетие получило применение теплоизоляционных материалов и геосеток в слоях дорожной одежды автомобильной дороги. За счёт применения данных технологий возможно лишь частично регулировать теплообмен в дорожной конструкции и увеличить сроки службы автомобильной дороги.

Однако, дорожная конструкция, рассчитанная с использованием существующих технологий, приводят к увеличению стоимости работ, сроков строительства и требуют учитывать местные и климатические условия.

Таким образом, возникает необходимость изучения причин образования морозобойных трещин на автомобильных дорогах с усовершенствованными и капитальными типами покрытий, а также оптимального выбора метода борьбы с данным явлением для разных видов дорожных работ - строительство новой дороги, реконструкция или капитальный ремонт участка автомобильной дороги.