Influence of changes in soil freezing depth on road pavement design in Russia
Influence of changes in soil freezing depth on road pavement design in Russia
Abstract
There are different weather conditions on the territory of Russia depending on the location of settlements. At the design stage of a motorway, the road pavement is checked for frost resistance, where the average depth of ground freezing is determined based on the map of soil freezing depth isolines. The map itself was compiled in the USSR times, and the climate has undergone significant changes over the years, which raises the question about the relevance of the map.
The article presents a comparison of average annual mean monthly air temperatures, on the basis of which the map of isolines was developed, and the temperatures of our days. It also shows the change of soil freezing depths. The analysis was made on the basis of separately taken regions.
1. Введение
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.
2. Методы и принципы исследования
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 поспособствовали развитию нормативной методики для определения величины морозного пучения, после чего, под руководством М.Б. Корсунского , методика перешла из теоретического применения в практическое.
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 , , однако, при определении величины возможного морозного пучения возникает необходимость использования карты изолиний глубины промерзания грунтов. Карта впервые была проиллюстрирована в СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология и геофизика» . Она составлялась на основе формулы, представленной в СНиП 2.02.01-83 «Основания зданий и сооружений» .
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 на территории России площадь снежного покрова будет снижаться и относительно 1995-2014 гг. ее сокращение составит 13±4%, что будет иметь эффект для показателя глубины промерзания грунта.
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 , потепление различной степени зафиксировано в 221, что составляет 97,8 %. По состоянию на 2021 г. отклонение от среднего значения температуры за 1961-1990 гг. составила порядка +1,35 °C [10], а также был спрогнозирован рост температуры приземного воздуха для России до 2030 г. по отношению к базовым значениям за период 1971-2000 гг. Исходя из этого, мы можем предполагать, что глубина промерзания также изменилась по отношению к большей части территории России, а, то есть уменьшилась.
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.
![Изменение среднегодовой среднемесячной температуры в Республике Алтай](/media/images/2024-06-18/a8460fa8-7f5d-4bcb-a119-bb459788f0fb.png)
Рисунок 1 - Изменение среднегодовой среднемесячной температуры в Республике Алтай
![Изменение среднегодовой среднемесячной температуры в Калужской области](/media/images/2024-06-18/522c4437-d71e-4466-86a5-9f927f81a4c7.png)
Рисунок 2 - Изменение среднегодовой среднемесячной температуры в Калужской области
![Изменение среднегодовой среднемесячной температуры в Кемеровской области](/media/images/2024-06-18/49d7a10c-5944-4fd2-8379-8eb43e808775.png)
Рисунок 3 - Изменение среднегодовой среднемесячной температуры в Кемеровской области
Таблица 1 - Изменение глубины промерзания в Республике Алтай
Населенный пункт | Период, годы | Глубина промерзания (расчёт по СНиП 2.02.01-83) | ||
Суглинки и глины, м | Супеси, пески мелкие и пылеватые, м | Пески гравелистые, крупные, средней крупности, м | ||
Алейск | 1960-1990 | 1,86 | 2,27 | 2,43 |
1991-2020 | 1,69 | 2,06 | 2,2 | |
Барнаул | 1960-1990 | 1,87 | 2,27 | 2,43 |
1991-2020 | 1,71 | 2,08 | 2,23 | |
Беля | 1960-1990 | 1,3 | 1,58 | 1,69 |
1991-2020 | 1,61 | 1,96 | 2,1 | |
Бийск | 1960-1990 | 1,88 | 2,29 | 2,45 |
1991-2020 | 1,72 | 2,09 | 2,24 | |
Змеиногорск | 1960-1990 | 1,74 | 2,12 | 2,27 |
1991-2020 | 1,61 | 1,96 | 2,1 | |
Катанда | 1960-1990 | 2,09 | 2,54 | 2,72 |
1991-2020 | 1,95 | 2,37 | 2,54 | |
Кош-Агач | 1960-1990 | 2,54 | 3,09 | 3,31 |
1991-2020 | 2,32 | 2,82 | 3,02 | |
Онгудай | 1960-1990 | 1,99 | 2,42 | 2,59 |
1991-2020 | 1,85 | 2,25 | 2,41 | |
Родино | 1960-1990 | 1,89 | 2,3 | 2,46 |
1991-2020 | 1,71 | 2,08 | 2,23 | |
Рубцовск | 1960-1990 | 1,86 | 2,26 | 2,42 |
1991-2020 | 1,7 | 2,07 | 2,22 | |
Славгород | 1960-1990 | 1,95 | 2,37 | 2,54 |
1991-2020 | 1,78 | 2,16 | 2,32 | |
Тогул | 1960-1990 | 1,84 | 2,24 | 2,4 |
1991-2020 | 1,64 | 1,99 | 2,13 |
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.
Таблица 2 - Изменение глубины промерзания в Калужской области
Населенный пункт | Период | Глубина промерзания (расчёт по СНиП 2.02.01-83) | ||
Суглинки и глины, м | Супеси, пески мелкие и пылеватые, м | Пески гравелистые, крупные, средней крупности, м | ||
Калуга | 1960-1990 | 1,28 | 1,56 | 1,67 |
1991-2020 | 1,91 | 2,32 | 2,49 |
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.
Таблица 3 - Изменение глубины промерзания в Кемеровской области
Населенный пункт | Период | Глубина промерзания (расчёт по СНиП 2.02.01-83) | ||
Суглинки и глины, м | Супеси, пески мелкие и пылеватые, м | Пески гравелистые, крупные, средней крупности, м | ||
Кемерово | 1960-1990 | 1,96 | 2,38 | 2,55 |
1991-2020 | 1,79 | 2,17 | 2,33 | |
Киселевск | 1960-1990 | 1,85 | 2,25 | 2,41 |
1991-2020 | 1,73 | 2,11 | 2,26 | |
Мариинск | 1960-1990 | 1,9 | 2,31 | 2,48 |
1991-2020 | 1,74 | 2,12 | 2,27 | |
Тайга | 1960-1990 | 1,98 | 2,41 | 2,58 |
1991-2020 | 1,82 | 2,22 | 2,37 | |
Топки | 1960-1990 | 1,95 | 2,37 | 2,54 |
1991-2020 | 1,76 | 2,14 | 2,29 | |
Усть-Кабырза | 1960-1990 | 2,06 | 2,51 | 2,69 |
1991-2020 | 2,32 | 2,83 | 3,03 |
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).
![Изолиния глубины промерзания грунта для Калуги](/media/images/2024-06-18/1fae14b5-87b1-409a-8eea-a108a5d4fed6.png)
Рисунок 4 - Изолиния глубины промерзания грунта для Калуги
![Проверка дорожной одежды по критерию морозоустойчивости](/media/images/2024-06-18/e44874f7-c61d-4f3d-9e19-28e348449e7e.png)
Рисунок 5 - Проверка дорожной одежды по критерию морозоустойчивости
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.
По номограмме определяем требуемую толщину дорожной одежды hдо.тр = 64 см.
Фактическая толщина дорожной одежды hдо = 70 см
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.
По номограмме определяем требуемую толщину дорожной одежды hдо.тр = 81 см.
Фактическая толщина дорожной одежды hдо = 89 см
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.
3. Заключение
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.