Исследование состояния автомобильных дорог, проходящих на территории распространения многолетних мерзлых грунтов в пределах криолитозоны

В последнее десятилетие отмечается ускорение процессов деформации автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты, в том числе дорог построенных несколько десятилетий назад. Это свидетельствует об изменении состояния многолетнемёрзлых и сезонномерзлых грунтов в основании автомобильных дорог, что требует анализа протекающих процессов на базе мониторинга их состояния в сочетании с расчетными методами. Мониторинг многолетнемёрзлых грунтов организуется с разными целями, в том числе в пределах прохождения трассами автодорог на местностях, с ненарушенными ландшафтами и на техногенно преобразованных участках. Состояние и динамика многолетней мерзлоты описываются специальными группами показателей, которые дают возможность охарактеризовать сезонные и многолетние процессы и увязать их с геокриологическими опасностями. Риск определяется опасностью (вероятностью развития процессов в природно-технической системе) и ущербом, выраженном в рублях или других ценностных единицах. Опасность не имеет интегральных показателей, а описывается через отдельные пространственные и временные характеристики. Пространственные характеристики включают в себя физико-механические и криолитологические особенности грунтов. Временные характеристики связаны с путями развития природно-технической системы, которые обусловлены будущими климатическими изменениями и техногенной нагрузкой. Опыт строительства и эксплуатации автомобильных дорог и искусственных сооружений на них в условиях распространения многолетнемерзлых грунтов показывает, что развитие инженерно- геокриологических процессов в полосе отвода автодороги, а также в непосредственной близости от неё, может явиться причиной деформаций земляного полотна и недопустимого транспортно-эксплуатационного состояния автодороги. Основными деформациями земляного полотна являются: неконтролируемые просадки и неравномерные осадки оттаивания, расползание насыпи земляного полотна, оползание обочин и откосов, разрушение откосов под влиянием термоэрозии, морозное пучение и процесс наледообразования, солифлюкция на пологих склонах вдоль дороги. Поэтому, для недопущения этих явлений или минимизации их влияния, должны выполняться на основе специальных исследований соответствующие обоснованные мероприятия. Для обоснования мероприятий необходима научная оценка состояния автомобильной дороги и дорожных сооружений включая специальные мониторинговые стационарные посты и специальные устройства на ключевых участках. Эксплуатация федеральных автомобильных дорог «Вилюй», «Колыма», «Лена», «Амур» и других показала, что используемые ранее при их строительстве общие технические наработки, полученные в прошлом столетии, не в полной мере позволили учесть существующие условия и прогнозировать динамику геокриологических условий в зависимости от изменений климата и природных условий: - наработки, используемые при других видах инженерного освоения территории вечной мерзлоты, для электроэнергетики, трубопроводов, жилищного строительства, не всегда эффективны для автомобильных дорог и требуют существенного совершенствования; - для прогноза взаимодействия оснований, земляного полотна и дорожных одежд, разработки необходимых конструктивных управляющих воздействий требуется совершенствование или создание новых моделей и технических решений, основанных на систематических наблюдениях. Создание этих моделей и их верификация требуют проведения натурного моделирования исследований кинетики и механики взаимодействия конструктивных слоев автомобильных дорог при температурных и внешних динамических и статических нагрузках на них. Для контроля состояния и эффективной дальнейшей эксплуатации автомобильной дороги необходимо создание системы контроля (мониторинга) инженерно-геокриологических условий. Технология обустройства специальными дорожными мониторинговыми стационарными постами и устройствами и их размещение на ключевых участках в различных инженерно-геокриологических условиях, позволит своевременно и качественно выполнять эти работы. Информация, получаемая и анализируемая с этих постов (изменение водно-теплового режима, развитие процессов в полосе отвода, микродеформации дорожной одежды и др.) позволит осуществлять контроль состояния дорожной конструкции и динамику ряда параметров на ранней стадии их развития, разработать и применить превентивные мероприятия для корректировки и поддержания мерзлотно-грунтовых условий дороги. Важнейшей составной частью общей системы мониторинга состояния автомобильных дорог криолитозоны должен быть их геотехнический мониторинг (ГТМ), по существу, отвечая в ней за безопасность существующей и вновь создаваемой инфраструктуры. Система ГТМ автодорог криолитозоны должна включать оценку и прогноз как состояния и свойств сезонно-талых и многолетнемерзлых пород (ММП), так и динамики опасных геокриологических процессов на значительных по площади территориях. В настоящий момент целесообразно начать с отработки методики геотехнического мониторинга на отдельных ключевых (пилотных) участках автодорог, представляющими особый интерес, либо в наибольшей степени затронутых неблагоприятными геокриологическими процессами. Такие участки лучше всего выбирать в пределах контрастно различающихся ландшафтов (тундра, лесотундра, морское побережье, тайга, пр.). Отработанные на этих участках методические принципы должны быть затем адаптированы для подобных им обширных территорий. Это позволит не только получить хорошо контролируемые данные, но и одновременно с разработкой системы ГТМ обеспечивать безопасность существующей дорожной инфраструктуры соответствующего региона. Мониторинг должен прогнозировать активизацию негативных процессов и явлений, таких как проседания поверхности, деформации земляного полотна, склоновые явления и др. Но эти процессы могут протекать в ММП даже в условиях сохранения их мерзлого фазового состояния. Все это свидетельствует о том, что мерзлые породы нельзя рассматривать, как абсолютно стабильные объекты, меняющие свои свойства только при оттаивании. Мерзлые породы представляют собой многокомпонентные системы, в которых помимо минерального скелета, могут находиться лед, вода в жидком состоянии (незамерзшая), газовые включения, растворенные соли и другие компоненты, многие из которых являются подвижными. Поэтому мерзлые грунты представляют собой чуткие, подвижные системы, реагирующие на изменение внешних условий, что приводит к изменению их строения и свойств. При этом на характер и интенсивность этих изменений оказывает влияние и напряженное состояние грунтов основания земляного полотна. Цель работы: Исследование состояния автомобильных дорог, проходящих на территории распространения многолетних мерзлых грунтов в пределах криолитозоны с разработкой методических рекомендаций по созданию системы мониторинга состояния таких участков. Для достижения этой цели требуется выполнение следующих основных задач: - Выявление причин образования деформаций дорожных конструкций, разработка подходов к контролю состояния грунтового основания автомобильных дорог и прогнозированию неблагоприятных процессов на сложных участках автомобильной сети федеральных автомобильных дорог в криолитозоне; - Исследование взаимосвязи температурных условий эксплуатации на вязко-пластично-упругие свойства асфальтобетонных слоев в условиях криолитозоны. Определение параметров напряженно-деформированного состояния дорожной одежды с его мониторингом в различные периоды года. - Отработка методики геокриологического и геотехнического мониторинга на отдельных ключевых (пилотных) участках автодорог, представляющих особый интерес, либо в наибольшей степени затронутых неблагоприятными геокриологическими процессами, находящихся в пределах контрастно различающихся ландшафтов. Содержание работы: - Сбор и систематизация исходных материалов о состоянии определенных Заказчиком автомобильных дорог в зоне развития вечномерзлых грунтов. Определение на этой основе приоритетных участков трасс для организации полевых исследований. Сбор и анализ исходных данных по организации инженерно-геокриологического мониторинга автомобильных дорог в криолитозоне. Определение направления исследований с изложением методов, процессов и способов (составление программы работ). - Геокриологическое районирование территорий размещения выделенных участков с использованием данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Разработка порядка организации наблюдений за состоянием массивов многолетнемерзлых грунтов при мониторинге и перечня необходимого оборудования для наблюдательных постов. Разработка общей структуры базы данных и форматов передачи информации по результатам наземного и дистанционного мониторинга. - Разработка первой редакции проекта Методических рекомендаций по организации инженерно-геокриологического мониторинга и оборудованию инженерно-геокриологических мониторинговых стационарных постов в полосе отвода автомобильных дорог в криолитозоне. Анализ замечаний и предложений. Составление сводки замечаний и предложений. Доработка по замечаниям, полученных от рецензентов. - Разработка окончательной редакции Методических рекомендаций по организации инженерно-геокриологического мониторинга и оборудованию инженерно-геокриологических мониторинговых стационарных постов в полосе отвода автомобильных дорог в криолитозоне. Конечный результат работы: Отчет о научно-исследовательской работе в области исследования состояния автомобильных дорог, проходящих на территории распространения многолетних мерзлых грунтов в пределах криолитозоны. Методические рекомендации по организации инженерно-геокриологического мониторинга и оборудованию инженерно-геокриологических мониторинговых стационарных постов в полосе отвода автомобильных дорог в криолитозоне включая: - перечень необходимых контролируемых при мониторинге параметров; - рекомендации по оборудованию режимных наблюдательных постов на ключевых участках автомобильных дорог в криолитозоне; - рекомендации по выбору мест размещения наблюдательных постов в полосе отвода автодороги; - рекомендации по использованию ДЗЗ в целях геокриологического и геотехнического мониторинга участков автомобильных дорог в криолитозоне; - рекомендации по сбору, накоплению и анализу поступающей при мониторинге информации с целью ее использования в инженерных расчётах и прогнозе эксплуатационного состояния автомобильных дорог.