Influence of changes in soil freezing depth on road pavement design in Russia

В последнее время ученые отмечают значительное изменение температуры воздуха во всем мире. Согласно историческим справкам, впервые климатические влияния на работоспособность автомобильной дороги были зафиксированы в 1926 г., а уже в 1930 г. синоптические пункты наблюдения были организованы на 66 метеостанциях. Главной задачей этих пунктов было наблюдение за дорогами в осенне-весенний период и предоставление постоянной и своевременно обновляющейся информации о метеорологических условиях.

По прошествии длительного времени некоторые метеостанции приостановили свою работу или же открылись новые наблюдательные пункты. Это также означает, что карта глубин промерзания грунтов нуждается в актуализации не только из-за изменения температур в стране, но и из-за наличия новых пунктов, с которых можно получить необходимую информацию о погодно-климатических условиях.

Вопросом непосредственно касающемся глубины промерзания грунта занимались многие ученые и исследователи СССР, внесшие большой вклад в теории промерзания грунтов, были установлены ход и скорость промерзания грунта для различных районов страны и разработаны методы расчета глубины промерзания. Г.М. Шахунянц, В.С. Лукьянов, В.М. Сиденко, А.Я. Тулаев, В.Н. Гайворонский и другие научные деятели позволили дифференцированно подходить к разработке конструкций земляного полотна в различных климатических условиях.

Л.А. Преферансов на примере двух зим в разные годы установил, что в зиму с частыми длительными оттепелями (1937 год) была зафиксирована низкая скорость промерзания грунта с долговременным неизменяющимся положением границы промерзания на фиксированной глубине, на которой наблюдалось образование скопления ледяных прослоек. В более суровую зиму (1939 год) ученый отметил быстрое промерзание верхней части земляного полотна

В конце 1970-х годов научные труды Н.А. Пузакова

При проектировании автомобильной дороги важным этапом для обеспечения ее эффективности при движении автотранспорта и возможности долгосрочного пользования является назначение конструкции дорожной одежды.

В ходе проектирования необходимо производить проверку дорожной одежды по критерию морозоустойчивости

(1)

где:

d0 — величина, принимаемая равной:

– для суглинков и глин – 0,23;

– супесей, песков мелких и пылеватых – 0,28;

– песков гравелистых, крупных и средней крупности – 0,3;

– крупнообломочных грунтов – 0,34.

Mt – безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в исследуемом районе, принимаемый по нормативной литературе, при отсутствии в ней данных – по результатам наблюдений гидрометеорологической станции.

А также по банку данных о температуре за период с 1960 по 1990 гг.

За последние десятилетия сумма среднемесячных отрицательных температур воздуха не только в стране, но и во всем мире, заметно изменилась. В среднем температура изменилась на 0,74 °C в «сторону» потепления, а темпы роста все также растут. Согласно модельным расчетам

Производя анализ температур, используемых для создания карты изолиний и температур в период с 1991 по 2020 гг. можно сделать вывод о потеплении на территории России на примере Республики Алтай (рисунок 1), и Кемеровской области (рисунок 3), однако не стоит исключать мест, где температура наоборот понизилась – Калужская область (рисунок 2).

Из 226 проанализированных точек, отмеченных в СНиП 23-01-99

Поскольку существующая карта изолиний глубин промерзания была сформирована на основании формулы (1), то и изменение величины промерзания грунтов необходимо определять согласно этой формулы.

Изменение глубины промерзания грунтов по Республики Алтай, в соответствии с данными приведенными на рисунке 1, представлено в таблице 1. Аналогично расчет производился для Калужской области, а данные сведены в таблице 2 и на рисунке 2, и для Кемеровской области – таблице 3 и рисунке 3.

Рисунок 1 - Изменение среднегодовой среднемесячной температуры в Республике Алтай

DOI:10.60797/mca.2024.51.1.1

Рисунок 2 - Изменение среднегодовой среднемесячной температуры в Калужской области

DOI:10.60797/mca.2024.51.1.2

Рисунок 3 - Изменение среднегодовой среднемесячной температуры в Кемеровской области

DOI:10.60797/mca.2024.51.1.3

В среднем глубина промерзания по Республике Алтай изменилась у: суглинков и глин на 0,18 м; супесей, песков мелких и пылеватых на 0,22 м; песков гравелистых, крупных, средней крупности на 0,23 м.

По Калужской области, на примере Калуги, изменение глубины промерзания составляет у: суглинков и глин на 0,63 м; супесей, песков мелких и пылеватых на 0,76 м; песков гравелистых, крупных, средней крупности на 0,82 м.

В среднем глубина промерзания по Кемеровской области изменилась у: суглинков и глин на 0,09 м; супесей, песков мелких и пылеватых на 0,11 м; песков гравелистых, крупных, средней крупности на 0,12 м.

Наибольшее различие в глубинах промерзания среди представленных регионов было зафиксировано в Калужской области. Исходя из этого будут производиться дальнейшие расчеты.

При сопоставлении полученных величин глубины промерзания суглинков и глин по расчету с действующей картой изолиний отметим, что величина промерзания в Калуге в обоих случаях равна приблизительно 1,2 м (рисунок 4).

Рисунок 4 - Изолиния глубины промерзания грунта для Калуги

DOI:10.60797/mca.2024.51.1.7

Также на примере Калуги выявим влияния изменения глубины промерзания грунта на конструкцию дорожной одежды через программу Indor Pavement (рисунок 5)

Рисунок 5 - Проверка дорожной одежды по критерию морозоустойчивости

DOI:10.60797/mca.2024.51.1.8

Расчет для показателей, взятых за период 1960…1990 гг. Толщина песчаного слоя в этом случае составляет 150 мм.

Величина допустимого значения морозного пучения снижается на 20 %, так как принятый срок службы дорожной одежды (Tсл) более 10 лет:

lдоп = 4,8 см;

zпр = 128 см;

Kугв = 0,54; Kпл = 1,10; Kгр = 1,30; Kнагр = 1,07; Kвл = 1,12.

(2)

По номограмме определяем требуемую толщину дорожной одежды hдо.тр = 64 см.

Фактическая толщина дорожной одежды hдо = 70 см

(3)

Расчет для показателей, взятых за период 1991…2020 гг. Толщина дополнительного слоя основания в этом случае равна 310 мм.

Величина допустимого значения морозного пучения снижается на 20 %, так как принятый срок службы дорожной одежды (Tсл) более 10 лет:

lдоп = 4,8 см;

zпр = 191 см;

Kугв = 0,54; Kпл = 1,10; Kгр = 1,30; Kнагр = 0,93; Kвл = 1,12.

(4)

По номограмме определяем требуемую толщину дорожной одежды hдо.тр = 81 см.

Фактическая толщина дорожной одежды hдо = 89 см

(5)

После произведенной проверки, где разность глубин промерзания в исследуемых периодах составила 63 см, видно, что конструкция дорожной одежды также осталась неизменной за исключением дополнительного слоя основания. Вследствие чего толщина дорожной одежды составляет разницу в 16 см.

Почти на всей территории Российской Федерации, температура воздуха за последние 30 лет заметно увеличилась, за исключением единичных случаев. В дорожную одежду, проектируемую с использованием имеющейся карты глубины промерзания грунта, закладывается излишняя толщина морозозащитного слоя, что приводит к удорожанию конструкции. Требуется актуализация существующей карты глубины промерзания грунтов с учетом изменения климатических характеристик.