Особенности строения природно-технических систем (ПТС) автомобильных дорог в криолитозоне (по результатам исследования трассы «Амур» в районе 288 км)

Хименков Александр Николаевич кандидат геолого-минералогических наук ведущий научный сотрудник; Институт геоэкологии РАН 101000, Россия, г. Москва, Уланский ппроезд, 13, стр. 2 Khimenkov Aleksandr Nikolaevich PhD in Geology and Mineralogy Senior Researcher; Institute of Geoecology of the Russian Academy of Sciences 101000, Russia, Moscow, Ulansky passage, 13, p. 2 a_khimenkov@mail.ru Другие публикации этого автора     Сергеев Дмитрий Олегович кандидат геолого-минералогических наук Заведующий Лабораторией геокриологии; Институт геоэкологии РАН 101000, Россия, г. Москва, Уланский проезд, 13, стр. 2 Sergeev Dmitrii Olegovich PhD in Geology and Mineralogy Head of the Laboratory of Geocryology; Institute of Geoecology of the Russian Academy of Sciences 101000, Russia, Moscow, Ulansky proezd, 13, p. 2 cryo2@yandex.ru Другие публикации этого автора     Кулаков Артём Павлович младший научный сотрудник другое; Институт геоэкологии РАН 101000, Россия, г. Москва, ул. Уланский, 13 строение 2 Kulakov Artem Pavlovich Junior Researcher other; Institute of Geoecology of the Russian Academy of Sciences 101000, Russia, Moscow, Ulansky str., 13 building 2 unruso@mail.ru Другие публикации этого автора     Паламарчук Валентина Анатольевна младший научный сотрудник; Институт геоэкологии РАН 101000, Москва, Уланский переулок, дом 13, строение 2 Palamarchuk Valentina Anatol'evna Junior Researcher; Institute of Geoecology of the Russian Academy of Sciences 13 Ulansky pereulok, building 2, Moscow, 101000 palamarchuk97@inbox.ru

Кауркин Михаил Дмитриевич кандидат технических наук Ведущий научный сотрудник; Институт геоэкологии РАН 101000, Москва, Уланский переулок, дом 13, строение 2 Kaurkin Mihail Dmitrievich PhD in Technical Science Senior Researcher; Institute of Geoecology of the Russian Academy of Sciences 13 Ulansky pereulok, building 2, Moscow, 101000 kaurkin_m@mail.ru

Работа выполнена в рамках государственных заданий по теме № 1022061500209-6-151 FMWM-2025-0003 № 122022400105-9 «Природа и техногенез: геоэкологические проблемы и адаптационные технологии их решения».

Введение

Строительство и эксплуатация автомобильных дорог протяженностью в сотни и тысячи километров, активно влияют на мерзлотные условия прилегающих территорий. Формируемые в результате строительства дороги насыпи и выемки влияют на теплообмен в подстилающих грунтах, изменяют распределение осадков и поверхностных вод, обуславливают активизацию криогенных процессов. Данные изменения природной среды приводят к интенсивным деформациям инженерным сооружениям, которые возобновляются и после проведения ремонтно-восстановительных работ ^{[1, 2, 3]}. Причиной этого являются не столько недостатки в проведении изыскательских и проектных работах, или нарушения при строительстве, сколько во взаимовлиянии инженерных сооружений и окружающей природной среды. В результате этого формируется природно-техническая система (ПТС) включающая автомобильную дорогу и часть природной среды, изменённой воздействием инженерных сооружений. Мониторинг состояния ПТС автомобильных дорог, особенно если это касается территории криолитозоны, представляет из себя комплекс мероприятий, таких как: получение первичной информации, её обработка, разработка рекомендаций по устранению нарушений и принятие управленческих решений. Одним из важных компонентов системы мониторинга является получение данных о состояния различных компонентов природной среды на стационарных постах. В статье рассматривается состояние ПТС на участке стационарного поста. Расположенного на 288 км автомобильной дороги «Амур». Исследования проводились сотрудниками Института геоэкологии РАН им. Е. М. Сергеева.

Район исследований

Работы проводились на 288 км Забайкальской части автомобильной дороги «Амур» Чита – Хабаровск (рис. 1, 2). В геоморфологическом отношении площадка находится на слабонаклонной поверхности первой надпойменной террасы р. Олов. До 2005 года данная территория представляла собой сырую, слегка заболоченную луговую поверхность, приподнятую над поймой р. Олов на 8 - 10 м. Поверхность террасы ровная, имеющая небольшой уклон в сторону реки, покрыта травянистой растительностью. На поверхности хорошо выражен полигональный рельеф с повторно-жильными льдами. Северный участок, примыкающей к дороге территории, более сырой, заросшей травой, с лужицами открытой воды. Сюда поступают дождевые стоки из придорожного кювета и двухочковой трубы, находящейся примерно в 56 м далее площадки. В трубу поступают стоки из кювета южного участка и частично, из пади Чингатай, примыкающей к дороге с юга. После выхода из трубы воды сливаются, заболачивая подножье северного откоса. Вследствие строительства дороги, произошло перераспределение стока поверхностных вод, обводнение северной территории и активизация термокарстовых процессов (рис. 2). Автомобильная дорога пересекает данное место с юга-запада на северо-восток по азимуту 33 град. Высота насыпи составляет 3.0–3.5 м. На момент устройства поста в 2022г, на данном участке производился плановый ремонт дороги, с созданием каменной наброски по откосам, отсыпкой обочин, ремонтом покрытия (рис. 3).

Рис. 1. Местоположение участка исследования

Рис. 2. Асимметрия в строении поверхности участков, примыкающих

к автомобильной дороге в районе стационарного поста мониторинга.

Увлажнённый северный участок (темный), и более сухой южный.

(Снимок 2025, после ремонта)

Рис. 3. Общий вид территории расположения стационарного поста мониторинга и отремонтированного участка дороги (фото с квадрокоптера)

Методы исследований

На площадке обустроено пять термометрических скважин и две гидрогеологические (рис. 4). Скважины расположены в один ряд в поперечном к дороге направлении. Две скважины (гидрогеологическая №1 глубиной 7,5 м и термометрическая №2 глубиной 15,0 м) находятся в 23 м от северного подножья откоса, одна термометрическая (№3 глубиной 20,0 м) на северной обочине, другая термометрическая (№4 глубиной 30,0 м) на южной обочине. Скважина №5 глубиной 20,0 м расположена у южной кромки откоса насыпи. Ещё две №6 термометрическая глубиной 15,0 м и №7 гидрогеологическая глубиной 9,5 м находятся в 23 м к югу от нижней части откоса. В термометрических скважинах с 2023 по 2026 годы проводились наблюдения за температурным режимом, которые продолжаются и по настоящее время. На основании полученных данных изучены особенности распределения температур под полотном автомобильной дороги и вблизи нее.

Перед проведением ремонтных работ в 2022 году сотрудниками ООО «Иркутскгеология» проводилась наземная сейсморазведка методом отраженных волн, на основании которой была построена карта глубины залегания кровли мёрзлых пород. В 2025 г, в разные периоды года, проводились электроразведочные работы методом электротомографического зондирования (ЭТ). Изучен вещественный состав и криогенное строение многолетнемерзлых грунтов

Рис. 4. Местоположение мониторинговых скважин (фото с квадрокоптера)

Геокриологические условия

Рассматриваемая территория находится вблизи южной границы криолитозоны, и характеризуется высокими отрицательными температурами. На изученном участке они редко опускаются ниже –0,5 °С, мощность слоя сезонного оттаивания достигает 3,5 - 4,0 м. По температурному режиму и особенностям распространения многолетнемёрзлых грунтов территория находится в зоне массивно островного распространения многолетнемерзлых пород (50 - 90%), с температурами (до –1 °С)

Непосредственно на площадке мерзлота вскрыта всеми пробуренными скважинами с глубин 3.2 - 9.2 м. Криогенное строение мерзлых грунтов характеризуется неоднородностью, сильной изменчивостью в плане и в разрезе. В верхней части разреза в древнем (верхненеоплейстоценовом ) аллювие, в интервале глубин 1.5 - 9.0м (от поверхности земли) залегает слой литологически крайне неоднородных грунтов, состоящих из часто и беспорядочно переслаивающихся суглинков, супесей, разнозернистых песков, гравия, илов и подземного льда. Криогенное строение этого слоя также неоднородное и сложное. Льдистость изменяется резко и очень часто от отсутствия видимого льда до ледогрунта (свыше 80% объёму состоящего изо льда). Криогенные текстуры разупорядоченные, в большинстве базальные, жильные. При оттаивании грунты данного слоя приобретают текучую консистенцию.

Результаты исследований

В рамках обустройства комплексного поста наблюдения за метеорологическими и мерзлотными условиями на участке км 250 – км 320 на автомобильной дороге общего федерального значения Р-297 «Амур» в декабре 2022 г. проводились геофизические исследования (наземная сейсморазведка методом отраженных волн), на основании которых была построена карта (рис. 5) глубины залегания кровли мёрзлых грунтов.

Рис. 5. Карта глубины залегания кровли многолетнемёрзлых пород

Отчёт ООО «Иркутсгеология» (2022 г.)

В целом, границы залегания ММГ варьируются от 1.5 до 3 метров от «условного уровня дневной поверхности». Но на северо-западе площади, в районе скважин 1 и 2 выделяется аномальная зона с глубиной оттайки грунтов до 6.8 метров. Данная аномалия заштрихована на карте. Наличие здесь несквозного талика обусловлено возможно нарушением поверхностных условий при строительстве дороги., либо отепляющим действием текущего рядом временного водотока. Следует отметить непосредственное влияние дороги на глубину залегания поверхности ММГ. В районе скважины №3 (бровка северного откоса насыпи) глубина верхней границы ММГ, по данным геофизики, уменьшается до 1,5м. При удалении от дороги глубина залегания ММГ увеличивается. В районе скважины 4 (бровка южного откоса) Граница ММГ опускается до 4,5 м и при удалении от насыпи возрастает до 1,3 - 1,5 м.

Данные геофизических исследований хорошо согласуются с данными бурения гидрогеологических и термометрических скважин, пробуренных в октябре – ноябре 2022 г. что дало возможность зафиксировать особенности мерзлотных условий участка комплексного поста наблюдений на начальный период обустройства. Во всех скважинах глубина сезонного промерзания располагалась на отметках 0, 5 – 0, 7м, при этом отметки поверхности ММП значительно отличаются. В скважине №1 и №2 мёрзлые грунты залегают на глубине 6,8 м. В скважине №3 (верхняя часть северной стороны насыпи) ММП залегают на глубине 6,6 м. Здесь слой насыпного грунта составляет 4,9 м. От земной поверхности мерзлый слой залегает на глубине 1,7 м. В скважине №4 (верхняя часть южной стороны насыпи) поверхность мерзлоты залегает на глубине 9,2 м. Слой насыпного грунта 4,9 м. Здесь мерзлый слой залегает на глубине 4,3 м от естественного уровня. Разница глубин залегания поверхности ММП между южной и северной частями насыпи составляет 2,6 м. Наблюдаемая асимметрия глубины залегания ММП в теле насыпи на 288 км связана в первую очередь с широтной ориентацией автомобильной дороги на данном участке.

В скважине № 5, 6, 7 многолетняя мерзлота прослеживается с глубин 3,6, 3,5 и 3,2 соответственно. Таким образом, в расположение верхней границы мёрзлых грунтов, полученных по данным бурения, прослеживаются те же зависимости что и по данным геофизических исследований.

На основании комплексного анализа данных температурного контроля, полученных в 2022 – 2025 годах и изучения свойств различных грунтовых слоёв, выявленных при бурении, были построены диаграммы, распределения талых и мёрзлых грунтов в массиве (рис. 6 - 10). При некоторой схематичности данного подхода, связанного с невозможностью точного определения температур замерзания всех встреченных грунтовых слоёв, он позволяет выявить особенности распределения талых и мёрзлых грунтов во времени, для разных участков.

В скважине 2 в течение всего периода наблюдений в суглинисто-супесчаной толще на глубинах 5 – 9 м фиксировался надмерзлотный талик. Эти данные хорошо совпадают с данными бурения и геофизических наблюдений, проведённых в 2022г. Однако в апреле — июне 2025 г. в данном интервале были зафиксированы отрицательные температуры, на диаграмме это отражено в виде слоя мёрзлого грунта (рис. 6). Возникает несоответствие, проявляющееся в наличие талика до глубин 9 м и появление зоны отрицательных температур в весенне-летний период. Однако оно снимается при допущении наличии локальных зон протаивания и существовании рядом с ними зон многолетнемёрзлых грунтов. Данное распределение мёрзлых и талых массивов происходит при локальном вытаивании повтороно-жильных льдов. Что и наблюдается на участке, расположенном к северу от дороги (рис. 2). Данный факт подтверждается и геофизическими исследованиями, проведёнными в 2025 г (рис. 12). На профиле 4 (июнь), расположенным поблизости от скважины 2 (рис. 12 ПР4), чётко прослеживается локальное понижение талых грунтов (значения УЭС до 50 – 60 Омм). Рядом, на глубине 3 - 7м располагается мёрзлая зона с значения УЭС свыше 100 Омм. Вследствие большей теплопроводности мёрзлые грунты, в зимнее время, интенсивно охлаждаются и начинают оказывать влияние на рядом расположенные талые грунты.

Рис. 6. Распределение талых и мёрзлых грунтов в скважине 2 в период 2023–2025 гг.

Розовым цветом изображены талые породы, синим – мерзлые.

Автор В. А. Паламарчук

Скважина 3, глубиной 20 м, пробурена на северо-западной обочине автомобильной дороги. Динамика сезонного протаивания характеризуется поздним началом (июнь) и высокой скоростью, достигая максимальной глубины 7 – 8 м к октябрю (рис. 7). Процесс сезонного промерзания начинается в ноябре, и к маю мощность промерзшей толщи составляет около 8 метров. Глубина слоя годовых колебаний 6 - 8 м.

Рис. 7. Распределение талых и мёрзлых грунтов в скважине 3 в период 2023–2025 гг.

Условные обозначения на рис. 6.

Автор В. А. Паламарчук

Скважина 4 у края полотна с южной стороны. Грунт в районе скважины 3 промерзает и оттаивает на глубину около 8 метров. В грунтовой толще, в районе скважины 4 над горизонтом многолетнемёрзлых грунтов круглогодично сохраняется слой талого грунта (рис. 8). Весной он уменьшается до значений менее метра (за счёт зимнего охлаждения и промерзания), его максимальные значения около 10м. Диаграммы распределения мёрзлых и талых грунтов в скважинах 3 и 4 подтверждают асимметричность мерзлотных условий в теле насыпи отмеченных ранее.

Рис. 8. Распределение талых и мёрзлых грунтов в скважине 4 в период 2023 – 2025 гг.

Условные обозначения на рис. 6.

Автор В. А. Паламарчук

Скважина 5, глубиной 20 м, пробурена у юго-восточного откоса автодороги (рис. 9). Мощность сезонно-талого слоя на участке сохраняется в пределах 3 – 3.5 м. Начиная с глубины 3.5 м и до забоя скважины (20 м) фиксируются отрицательные среднегодовые температуры грунтов, варьирующие от -0.06 до -0.54 °С. Ледяное тело, залегающее на глубинах 4.8–6.6 м, сохраняет стабильно мерзлое состояние. На профиле 3 (сентябрь) (рис.12). Данное локальное ледяное тело фиксируется отчётливо.

Рис. 9. Распределение талых и мёрзлых грунтов в скважине 5 в период 2023–2025 гг.

Условные обозначения на рис. 6.

Автор В. А. Паламарчук

Скважина 6, глубиной 15 м пробурена в юго-восточной части поста, на некотором удалении от автомобильной дороги (рис. 10). Мощность также колеблется в пределах 3 –3.5 м. Среднегодовые температуры мерзлых пород на глубинах 4 – 15 м изменялись в пределах -0.04 - -0.44 °С. Ледогрунт на глубинах 7.0 – 7.5 м находится в мерзлом состоянии.

Рис. 10. Распределение талых и мёрзлых грунтов в скважине 6 в период 2023–2025 гг.

Условные обозначения на рис. 6.

Автор В. А. Паламарчук

В 2025 году были проведены исследования строения грунтовых массивов по обе стороны дороги методом электротомографии. Расположение профилей относительно дороги и термометрических скважин показано на рис. 11. Результаты исследований приведены на рис. 12. Данные электротомографии подтвердили данные бурения и данных наземной сейсморазведки методом отраженных волн, проведённые в 2022г. Тогда в районе скважин 1 и 2 была выделена аномальная талая зона глубиной грунтов до 6.8 метров. На диаграмме распределения талых и мёрзлых грунтов в скважине №2 за 2024-2026г она чётко фиксируется (рис. 6). По данным электротомографии данная зона также выделяется (рис.12 ПР 4, ПР 5), при приближении к насыпи (рис.12 ПР 5) талая зона расширяется и проникает на большую глубину (до 9м). При приближении к дороге, в районе основания насыпи картина резко меняется. С глубины 3 - 4 м залегает высокоомный слой со значениями УЭС до 1000 Омм (рис. 12. ПР 6). Что свидетельствует о наличия слоя льдистых (по данным бурения скв. №3) многолетнемёрзлых пород. Полученные данные хорошо согласуются с материалами сейсморазведки 2022г, где для данного участка показано резкое повышение кровли мёрзлых пород с 7 м до 2,5м (рис. 5). Можно обоснованно предположить, что данное изменение мерзлотных условий связано с охлаждающим влиянием северного склона насыпи.

К югу от дороги контрастность значений УЭС менее выражена. Что говорит о более однородных мерзлотных условиях. Но и здесь наблюдается наличие очагов с значениями УЭС значения УЭС до 50–60 Омм залегающих под горизонтом сезонно мёрзлых грунтов (ПР 2, 3 июнь). Причём при приближении к дороге выраженность локальных различий в УЭС усиливается. На ПР-3 (рис. 11, 12) на разрезе УЭС, выполненном в сентябре, четко выделяется локальная аномалия с высокими значениями УЭС (до 1000 Омм и более). При бурении инженерно- геологической скважины № 5 на данном интервале глубин был обнаружен ледогрунт ^[4]. Его генезис следует соотнести с фрагментом ПЖЛ, которые на рассматриваемом участке повсеместно распространены. По мере оттаивания мёрзлого грунта данный ледяной фрагмент растает, что обусловит локальную просадку грунта.

Наличие чётко выраженных локальных зон талых грунтов под сезонномёрзлыми указывает на то, что и с южной стороны от дороги процесс вытаивания повторно-жильных льдов происходит, хотя и не так интенсивно, как на северной стороне. Вероятно, это связано с тем что поверхность южной территории менее обводнена.

Рис. 11. Расположение профилей электротомографии и термометрических скважин

Рис. 12. Профили электротомографии

Автор М. Д. Кауркин

Лабораторные исследования

Лабораторные исследования грунтов, отобранных в термометрических скважинах, показали, что прочностные свойства, угол внутреннего трения и удельное сцепление (рис. 13), текучих суглинков и твердых глин равномерно снижаются при повышении температуры во всем исследованном диапазоне от –5 °С до –1 °С. Для текучих супесей характерно равномерное снижение величины угла внутреннего трения и более интенсивное снижение сцепления при повышении температуры до –3 °С. В песках величина угла внутреннего трения наиболее интенсивно снижается в интервале температуры от –5 °С до –3 °С, а сцепления – от –3 °С до –1 °С. Эти закономерности обусловливаются особенностями строения мерзлых грунтов, содержания в них влаги в различном фазовом состоянии и требуют своего дальнейшего исследования. Результаты испытаний прочностных свойств текучих суглинков при оттаивании показывают, что при повышении температуры грунтов до 0 °С происходит дальнейшее снижение их прочности, но этот процесс происходит менее интенсивно, чем при повышенных отрицательных температурах.

Рис. 13. Зависимость величины удельного сцепления исследованных

грунтов от их температуры. (отчёт НИР Институг геоэкологии РАН)

Деформации дорожного полотна

Изучение дорожного покрытия до проведения ремонтных работ в 2022г и после них (2025) показали, что поверхность дорожного покрытия деформирована сетью продольных и поперечных трещин. В районе профиля скважин данная сеть сгущается (рис. 14), по мере удаления становится более разреженной. На участке сгущения трещин формируются многочисленные просадки, которые возобновляются после их устранения. Данное обстоятельство при вело к необходимости полной замены полотна.

Рис. 14. Сетчатые трещины Снимок 2022 (до ремонта). Белая линия

отмечает положения профиля скважин. Фото Д. О. Сергеева

Замена асфальтового полотна не устранили его деформаций, но характер нарушений изменился. В первую очередь получили развитие продольные трещины (рис. 15). Хорошо выражены сформировавшиеся 2 продольные прямолинейные трещины в северной части полотна, параллельно главной оси дороги. Длина превышает 200 метров. Начинают развиваться и поперечные трещины. ширина их раскрытия доли сантиметра, они не пересекают дорогу полностью доходя только до продольных трещин. Поперечные трещины имеют схожий между собой характер. Раскрытие на поверхности асфальтобетонного покрытия около 2 см, а длина – от обочины до середины проезжей части (до продольной трещины) или во всю ширину асфальтобетонного покрытия (рис.15, 16).

Рис. 15. Продольные и поперечные трещины на дорожном полотне

Снимок 2025 г. (после ремонта) Фото Д. О. Сергеева

На поверхности одной из продольных трещин кроме раскрытия шириной порядка 5 см вместе с разрушениями краёв, образующих фаски, наблюдается перепад высот между правой (северной) и левой (южной) стороной около 2 см. Можно предположить, что данная трещина образована вследствие неравномерной осадки южного склона насыпи земляного полотна (рис. 16).

Рис. 16. продольная трещина Снимок 2025 (после ремонта)

Фото П. В. Кирина

Мероприятия по «залечиванию» трещин битумными мастиками, дают лишь временный эффект, и по прошествии времени они раскрываются вновь. Динамика с которой развиваются трещины говорит о том, что деформации дорожного покрытия будут продолжаться в будущем.

Обсуждение

Проведённые исследования позволили выявить особенности инженерно-геокриологических условий на участке 288 км автомобильной дороги «Амур». Спецификой данного участка является его асимметрия. Наблюдается ландшафтные различия между территориями расположенными к северу и к югу от дороги ^[4]. На территории расположенной к северу строительство дороги, а также пересекающей её автомобильной трассы нарушен поверхностный сток. Важным гидрологическим условием, кроме обводнения северной половины полосы отвода в районе расположения поста, является наличие двухочковой трубы находящейся примерно в 56 м далее площадки. В трубу поступают стоки из кювета и, частично, из пади Чингатай По ней с территории находящейся к югу от трассы «Амур) через водопропуски в северную часть дополнительно осуществляется сброс поверхностных вод. После выхода из трубы вода протекает вдоль дороги, заболачивая подножье северного откоса насыпи. Вследствие этого мерзлотные условия на северном и южном участке различаются. На севере, в районе скважин 1 и 2 выделяется аномальная зона с глубиной оттайки грунтов до 6.5 метров. Здесь сформировалась обширная обводнённая зона с активными термокарстовыми процессами, связанными с вытаиванием ПЖЛ. К югу от дороги поверхность активизации термокарста не наблюдается, поэтому зона влияния дороги на прилегающие территории значительно меньше.

. В целом, границы залегания ММГ варьируются от 1.5 до 3 метров от «условного уровня дневной поверхности». Изменения мощности грунтов деятельного слоя на данных участках совпадает с геофизическими данными, полученными в 2022 году. На рис. 5 показаны изменения глубины залегания кровли мёрзлых грунтов по геофизическим данным. В районе скважины 3 кровля мёрзлых пород имеет наименьшую глубину залегания – около 2 м. В районе скважины 4 она опускается до 4 м, и в районе скважины 5 начинает резко подниматься до 2,5м, а в районе скважин 6, 7 до 1,5 м.

Были изучены мерзлотные условия самой насыпи. Рассмотренные выше разнородные и разновременные температурные и геофизические данные указывают на охлаждение грунтов северного склона насыпи и прилегающих участков. При этом южная часть насыпи и прилегающий грунтовый массив подвергается растеплению. Единственной причиной наблюдаемых различий является различие влияния солнечной радиации на поверхность насыпи. Южный склон нагревается значительно больше чем северный. Исходя из рассмотренных материалов можно предположить, что деформация дорожного полотна в районе 288 километра обусловлена различием теплового режима северного и южного склонов насыпи. Измерение температуры в скважине 4 показало, что в грунтах насыпи сформировалась талая зона, существующая в продолжении всего года. Вблизи насыпи (скважина 5) по данным геофизических исследований (рис. 5) сформировалась зона понижения кровли мёрзлых пород. На северном склоне состояние мерзлых грунтов стабильно. Оттаивание грунтов минимально. В этих условиях тело насыпи испытывает значительные внутренние напряжения. Южная часть начинает оседать. Вследствие чего начинают развиваться продольные трещины отседания. Одновременно начинают возникать поперечные напряжения, приводящие к формированию поперечных трещин. Данные трещины могут также формироваться и за счёт морозобойного растрескивания. Полученные данные свидетельствуют о том, что каменная наброска, созданная для охлаждения грунтов насыпи возможно и ослабила нагрев южного склона насыпи, но не изменила общую направленность теплообмена и свою задачу не выполнила.

В результате проведённых исследований выявлено 2 вида асимметрии влияния дороги на процессы, происходящие в прилегающих к ней грунтовых массивах. Во – первых, строительство дороги изменяет на поверхностный сток и соответственно влияет на активность таких криогенных процессов как термокарст и термоэрозия. Во – вторых, конструктивные элементы самой дороги влияют на теплобмен в них и подстилающих грунтах. От экспозиции склонов насыпи, её высоты, фильтрационных свойств слагающих грунтов, материала покрытия и др., зависят энергомасообменные процессы как в самой насыпи, так и подстилающем её грунтовом массиве.

Выявленная асимметрия глубины залегания ММП в теле насыпи на 288 км, характерна для всех дорог, проходящих по территориям распространения ММП в Забайкалье на участках, ориентированных в широтном и субширотном направлениях. Для примера влияния экспозиции насыпи, возведенной на многолетнемерзлом грунте, рассмотрим результаты моделирования температурного поля насыпи высотой 10 м для климатических условий с. Романовка (Бурятия). По результатам моделирования 20 лет эксплуатации получено следующее распределение температурных полей в момент наибольшего оттаивания грунтов (рис. 17) ^[5].

Рис. 17. Температурное поле насыпи с ориентацией откосов север – юг ^[5].

Следует отметить, что температурный режим насыпей, сооружаемых в южных районах распространения многолетнемерзлых грунтов, отличается неустойчивостью и реагированием на любые изменения внешних условий теплообмена и вопрос о глубине залегания верхней границы мерзлоты и температурном режиме грунтов в основании насыпей в каждом конкретном случае следует обосновывать теплотехническими расчётами ^[5].

Деформирование насыпи. 288 км до и после ремонта обусловлено общими причинами. До ремонта происходила осадка дорожного полотна вследствие протаивания грунтов под насыпью зафиксированное при бурении скважин в 2022 г. Глубина оттаивания, подстилающего насыпь грунта под северной частью дорожного полотна составляла 1,7 м, а под южной частью 4,3 м. Разница глубин залегания поверхности ММП между южной и северной частями насыпи составляет 2,6 м. это привело к фактическому расползанию насыпи. Дорожное полотно подвергалось значительным просадкам и трещинам, ориентированным вдоль оси дороги и сопровождаемым формированием зон более мелких продольных и поперечных трещин (рис. 14). Ремонт 2022 г, не устранил причины деформации. Они начались практически сразу после ремонта. Каменная наброска вероятно усилила асимметричность температурного поля и состояние грунтового массива в теле насыпи. Если на северной стороне насыпи температуры понизились и грунты насыпи подвергаются только сезонным колебаниям (рис. 7). То на южной стороне сформировался постоянно функционирующий талик (рис. 8). Поэтому сразу после ремонта стали формироваться вытянутые продольные трещины со смещением в южную сторону (рис. 16). Одновременно начинает развиваться и сеть поперечных трещины.

Лабораторные исследования грунтов, отобранных в термометрических скважинах, показали, что прочностные свойства, угол внутреннего трения и удельное сцепление (рис. 13), текучих суглинков и твердых глин равномерно снижаются при повышении температуры грунтов. Таким образом асимметричность распределения температур в грунтах насыпи обуславливают различие их механических свойств и как следствие возникновение напряжений внутри насыпи. Они в свою очередь проявились в виде различного рода трещин и просадок на поверхности дорожного покрытия.

Неравномерность и асимметричность температурного поля в дорожных насыпях, приводящих к их деформациям характерна не только для автомобильных дорог. В качестве примера рассмотрим результаты расчетов деформаций в дорожной насыпи на участке Байкало-Амурской магистрали, проходящей в южной части криолитозоны и ориентированной в широтном направлении. На рис. 18 приведены деформации насыпи при оттаивании мерзлых грунтов с учетом влияния солнечной инсоляции в зависимости от ориентации насыпи. Величина деформирования насыпи на её южной стороне за счёт оттаивании грунта составляет 30 см в верхней части откоса и 34 см в его основании. На северной стороне от 12 см в верхней части откоса и 21см в нижней. На наиболее деформируем участке дороги с южной стороны насыпи оттаивание основания под насыпью составляет до 1,8 м за двухлетний период. На практике это приводит к неравномерным деформациям южного и северного склонов и крену поверхности насыпи. Неравномерные перемещения отдельных участков насыпей, обусловленные их различной экспозицией, по мнению авторов, являются неизбежными и требуют принятия конструктивных мер защиты ^[6].

Рис. 18. Деформации оттаивания мерзлого грунта насыпи с учетом ориентации откосов ^[6].

Комплекс данных, полученных в ходе исследований участка автомобильной дороги «Амур» в районе 288 км представляет, на первый взгляд, набор разнородных и индивидуальных инженерно-геологических показателей, данной локальной территории. Но если рассмотреть их с позиций системной организации ПТС, включающей автомобильную дорогу и прилегающей природной среды, то между ними прослеживается устойчивые закономерные связи, отражающие как индивидуальные особенности участка, так и общие закономерности строения ПТС ^[7].

Строительство автомобильных дорог приводит к трансформации первичных природных условий в зоне их влияния. Это выражается в формировании искусственного рельефа (насыпи, выемки), перераспределении потоков поверхностных и подземных вод, умень­шении или увеличении мощности деятельного слоя, изменении температурного режима пород и условий снегонакопления, а также изменении растительного покрова и др. ^[8]. На территориях, прилегающих к автомобильной дороге, активно начинает формироваться зона природно-техно­генных ландшафтов, отличающихся от структуры первичных ^{[9, 10, 11]}. Следует особо отметить, что эти изменения зна­чительно превышают климатические, характерные для естественных условий, что вызывает активи­зацию инженерно-геокриологических процессов, негативно влияющих на техногенную составляю­щую ^{[12, 13, 14]}. Техногенные и естественные блоки оказываются взаимозависимыми. Между ними устанавливается тесное взаимодействие, что и позволяет объединить их в единую ПТС — ав­томобильные дороги в области распространения многолетнемерзлых пород (рис. 19). Данные ПТС обладают рядом специфических черт, отличающих их от аналогичных, но расположенных на территориях, где многолетнемёрзлые породы отсутствуют. Особенностью ПТС автомобильных дорог в районе вечной мерзлоты является наличие в основании автомобильной дороги мёрзлых пород, основным элементом которых, определяющих их свойства, является лед. Температуры мёрзлых грунтов близки к фазовым переходам льда. Даже небольшое повышение температуры выше фазовых переходов (иногда это десятые доли гра­дуса) может привести к их оттаиванию и резкому изменению прочностных и деформационных свойств. Нигде больше свойства грунтовых оснований и процессов в них не меняются от столь малых изменений тем­пературы. Это обуславливает большие скорости и неравномерность развития опасных процессов криогенных процессов, связанных с оттаиванием или промерзанием грунтов в насыпях и выемках, а также активизацию термоденудационных процессов в непосредственной близости от дороги. Здесь первичная структура исходного ландшафта трансформируется в природно-техногенную. Вследствие дополнительной обводнённости или иссушения (вблизи выемок) изменяется состав растительных сообществ. Вследствие нарушения поверхностного стока образуются поверхностные водоёмы, вблизи водопропускных сооружений активизируются эрозионные и термоэрозионные процессы. Нарушение условий условий теплообмена, приводят к протаиванию льдистых грунтов и просадкам. В других случаях нарушение поверхностных условий может привести к промерзанию талых грунтов и пучению. В бортах выемок и в местах водопропуска начинают активно развиваться наледи. Поскольку автомобильные дороги имеют протяжённость в сотни и тысячи километров, то при их строительстве зональные и региональные факторы формирующие ландшафты, и соответственно мерзлотные условия, существенно меняются. Эти изменения намного превосходят те, что связаны с глобальными колебаниями климата, поэтому. Вдоль автомобильных дорог формируется узкая зона с повышенной динамикой природных, в том числе криогенных процессов, представляющих опасность для инженерных сооружений. Таким образом, линейные сооружения и автомобильные дороги в том числе, оказываются отделёнными от территорий с естественным режимом функционирования своеобразными переходными зонами, называемыми зонами влияния. Единая структура, включающая в себя линейное техническое сооружение и связанную с ним зону влияния является природно-технической системой (ПТС).

Структурные связи внутри ПТС, сформированной в результате строительства автомобильной дороги, резко отличаются от связей, наблюдаемых в окружающих естественных геосистемах, не затронутых техногенным влиянием. Они задаются и поддерживаются техническим воздействием (строительство автомобильной дороги, ремонтные работы, поддержание необходимых технических параметров и др.). Границы сформированной ПТС выделяются по резкому изменению микрорельефа, растительных сообществ, пораженности поверхности экзогенными процессами. Следовательно, основные критерии выделения систем в данном случае соблюдены: существуют причины, обусловливающие и поддерживающие специфику энергомассобменных процессов, наличествует устойчивая внутренняя специфическая структура формирующих элементов (подсистем), имеется выраженная граница, отделяющая систему от окружающей среды.

Одним из основных принципов структурированности ПТС линейных сооружений в криолитозоне является принцип единства континуальности (непрерывности) и дискретности, Само линейное инженерное сооружение непрерывно в силу своей функциональности. То есть необходимости выполнять необходимые функции: обеспечивать проезд автомобильного или железнодорожного транспорта, транспортировки газа, нефти или нефтепродуктов. Точно также вдоль всего протяжения линейного сооружения непрерывно существует и зона его влияния на окружающую природную среду. Дискретность выражается в различии компонентов природной среды на отдельных локальных участках. То есть структура ПТС на различных участках будет меняться при её непрерывности на всем протяжении. Различные компоненты природной среды имеют специфические особенности взаимодействия с техногенным объектом. К таким особенностям следует отнести взаимодействие сооружения с атмосферой, зависящее от климатических параметров; взаимодействие с окружающим ландшафтом, взаимодействие с грунтовым массивом.

Если рассматривать поперечный срез ПТС линейного сооружения, то принцип

единства континуальности и дискретности сохраняется и в этом случае. В данной статье были рассмотрены материалы исследования ПТС насыпи автомобильной дороги. В данном случае континуальность обуславливается создание непрерывной зоны взаимодействия дорожной насыпи с окружающей природной средой. Дискретность обуславливается особенностями взаимодействия насыпи с различными компонентами природной среды. В соответствие с этим выделены 3 структурных подразделения зоны влияния автомобильной дороги на прилегающую природную среду (рис. 19).

Рис. 19. Структура ПТС автомобильной дороги в криолитозоне в районе сооружения насыпи (поперечный срез)

1 - инженерное сооружение (насыпь), 2- зона взаимодействия инженерного сооружения с подстилающим грунтовым массивом, 3 - зона взаимодействия инженерного сооружения и климата, 4 – зона взаимодействия насыпи и прилегающих территорий.

Автор А. Н. Хименков

Выделение границ зон влияния проводится на основании оценки интенсивности изменения различных показателей природной среды вблизи техногенного объекта по сравнению с аналогичными, наблюдаемыми в ненарушенных условиях: 1 – изменения климатических характеристик вблизи техногенного объекта; 2 – изменения различных компонентов ландшафтов а также интенсивности экзогенных процессов; 3 – изменения температур и инженерно-геологических свойств грунтов под техническим сооружением и вблизи от него.

1. Выделение зоны влияния техногенного объекта на атмосферу проводится по оценке изменения климатических характеристик. Вблизи техногенного объекта (для автомобильной дороги (дорожное полотно, откосы насыпей, выемки, тоннели, водопропускные сооружения) формируются специфические микроклиматические условия, специфический режим теплообмена, перераспределения осадков. Формируется специфическая зона фазовых переходов (образование наледей, изморози, снежного покрова и др.). В настоящее время методология оценки влияния климатических факторов на автомобильные дороги наиболее разработана. На её основе создано дорожно-климатическое районирование, регламентирующее работы по проектированию, строительству, и эксплуатации автомобильных дорог в Российской Федерации. Строительство данных объектов в криолитозоне показало, что для данных территорий подходы, используемые в дорожно-климатическом районировании, оказались не эффективными. Для них необходим более полный учёт взаимодействия автомобильных дорог с прилегающими территориями и подстилающими грунтами.

2. Выделение зоны влияния техногенного объекта на примыкающую территорию проводится на основе оценки изменённости различных составляющих ландшафтов: интенсивности экзогенных процессов (термокарст, термоэрозия, солифлюкция, оползневые процессы), изменение микрорельефа, изменение обводнённости поверхности, изменение растительных сообществ, изменение глубины сезонного протаивания (промерзания), изменению условий снегонакопления, изменению температуры грунтов при изменении поверхностных условий ^[15]..

3. Выделение зоны влияния техногенного объекта на грунтовый массив проводится на основе оценки изменения теплового состояния грунтов и инженерно-геологических свойств грунтов под техногенным объектом (автомобильной дороги) и в непосредственной близости от него. Для обоснования выделения зоны проводятся термометрические исследования, выявляются морфологические особенности границы многолетнемёрзлых грунтов, изучаются их физико-механические, прочностные и деформативные свойства ^{[16, 17]}.

Выделим особенности строения ПТС автомобильной дороги «Амур» на участке 288 км.

1. Выявлены два вида влияния дороги на территории, примыкающие к дороге.

- Влияние насыпи на поверхностный сток и соответственно на активизацию термокарста по повторно-жильным льдам.

- Непосредственное влияние насыпи на температуру грунтовых толщ под насыпью и примыкающих участков.

2. Выявлены различного рода асимметрии в ПТС.

- Асимметрия ландшафтов примыкающих к дороге территорий.

- Асимметрия температурного поля грунтов насыпи от поступления солнечной энергии, зависящей от пространственной ориентации её склонов. Этот микроклиматический показатель характерен для районов с незначительным снежным покровом (рис. 17).

- Асимметрия в состояния грунтов насыпи. В южной части насыпи сформировалась постоянно существующий талик.

- Асимметрия глубины залегания кровли мёрзлых пород на участках, прилегающих к насыпи. В северной части наблюдается понижение кровли мёрзлых грунтов, в южной, глубина залегания кровля мёрзлых грунтов повышается. Наиболее вероятно. Что это связано с большей обводнённостью поверхности северного участка.

Выводы

Проведённые исследования позволили изучить структурные особенности строения ПТС на участке 288 км автомобильной дороги «Амур».

Были выявлены особенности влияния автомобильной дороги на подстилающие грунты, и ландшафтные условия прилегающих территорий. Проведена оценка зависимость мерзлотных условий в грунтах насыпи от её ориентировки.

В ходе проведённых работ удалось выявить основные причины развития деформаций дорожного полотна, грунтов насыпи. К ним относятся асимметрия в мерзлотных условиях северной и южной части насыпи.

На участке проведения ремонтных работ не обеспечена система мероприятий, позволяющих оценить их эффективность. Создание наблюдательного стационара в районе 288км трассы «Амур» является исключением. Но и здесь обширный комплекс наблюдений оказался недостаточным, для разработки обоснованных предложений по устранению причин возникновения деформаций дорожного полотна.

Вблизи стационарного поста на участке 288 км автомобильной дороги «Амур» необходимо проведение опытно-конструкторских работ (установка защитных экранов, подсыпка крупнообломочного материала, окраска поверхности дорожного полотна, установка термосифонов и др.), которая должна сопровождаться оценкой их эффективности (установка температурных датчиков в зоне проведения работ и вне её).

Комплексные исследования, проведённые в районе стационарного поста мониторинга, позволили разработать структурную схему ПТС автомобильных дорог, основанную на взаимодействии инженерного сооружения с климатом, прилегающими территориями и грунтовым основанием.

Выявленные особенности строения ПТС на участке 288 км автомобильной дороги «Амур», можно использовать при анализе особенности строения ПТС, как на различных участках данной дороги, так и на других автомобильных дорогах. Предложенная структура ПТС автомобильных дорог в криолитозоне, позволит типизировать даже единичные результаты их изучения, для использования на разных территориях. Для этого следует сравнивать полученные показатели только в рамках однотипных структурных элементов ПТС. Учитывая корреляционные связи между ними можно будет, по мере накопления фактического материала, сравнивать состояние различных ПТС и разрабатывать прогноз их развития.

Статья публикуется в одобренном рецензентами варианте (после получения положительной рецензии, рекомендующей рукопись к публикации) с исправлениями автора (внесенными им после получения замечаний редактора, если такие были). Рецензия опубликована в открытом доступе непосредственно за текстом самой статьи. Все варианты авторских исправлений хранятся в депозитарии издательства и могут быть доступны по требованию уполномоченных организаций.
Прочитать рецензию на эту статью

Результаты процедуры рецензирования статьи

Рецензия выполнена специалистами Национального Института Научного Рецензирования по заказу ООО "НБ-Медиа".
В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не раскрывается.
Со списком рецензентов можно ознакомиться здесь.

Предметом статьи является изучение особенностей строения природно-технических систем автомобильных дорог в криолитозоне на примере изучения трассы «Амур» в районе 288 км.
Криолитозона занимает значительную часть территории России, включая северные и восточные регионы. Здесь распространены многолетнемёрзлые грунты, которые определяют специфику строительства и эксплуатации авто-мобильных дорог. Актуальность исследований, проведенных автором статьи, несомненна. Как отмечается в статье, строительство и эксплуатация автомобильных дорог в криолитозоне влияют на мерзлотные условия прилегающих территорий, изменяя теплообмен в подстилающих грунтах, распределение осадков и поверхностных вод, влияют на активизацию криогенных процессов природной среды. При изменении температурного режима (например, из-за потепления климата или нарушения естественного покрова) мёрзлые грунты могут терять прочность, что приводит к деформациям дорожного полотна.
Методология исследования основана на методах скважин. На площадке обустроено пять термометрических скважин и две гидрогеологические. В термометрических скважинах проводились наблюдения за температурным режимом с целью изучения особенностей распределения температур под по-лотном автомобильной дороги и вблизи нее. В исследованиях использовалась наземная сейсморазведка методом отраженных волн, на основании которой была построена карта глубины залегания кровли мёрзлых пород. Электроразведочные работы проводились методом электротомографического зондирования.
Научная новизна исследований в статье не отражена. Однако автором выявлены новые закономерности при обследовании автомобильной трассы «Амур». Установлено влияние насыпи на поверхностный сток и соответственно на активизацию термокарста по повторно-жильным льдам. Выявлено непосредственное влияние насыпи на температуру грунтовых толщ под насыпью и примыкающих участков.
Стиль статьи – научно-практический, объём и структура статьи соответствуют требованиям журнала. В статье широко представлена наглядность в виде 19 рисунков в виде карт, схем и т.п.
Проведённые исследования позволили выявить особенности инженерно-геокриологических условий на участке 288 км автомобильной дороги «Амур». Автор статьи отмечает, что при повышении температуры грунтов до 0 °С происходит дальнейшее снижение их прочности, но этот процесс происходит менее интенсивно, чем при повышенных отрицательных температурах.
Библиография статьи включает в себя 17 источников. Рекомендуется в список литературных источников добавить 1-2 на иностранном языке.
Выводы в статье обоснованы и отражают результаты проведенных исследований. На основании результатов выявлены особенности влияния автомобильной дороги на подстилающие грунты и ландшафтные условия прилегающих территорий. Проведена оценка зависимости мерзлотных условий в грун-тах насыпи от её ориентировки.
Полученные результаты исследований имеют значительное научное и практическое значение, могут быть полезны специалистам в области геолого-геофизических исследований и геолого-разведывательной деятельности. Вы-явленные особенности строения ПТС на участке 288 км автомобильной дороги «Амур», можно использовать при анализе особенности строения ПТС, как на различных участках данной дороги, так и на других автомобильных дорогах. Изучение строения природно-технических систем позволяет разрабатывать новые методы проектирования, строительства и эксплуатации дорог, устойчивых к экстремальным условиям.
В статье имеются незначительные опечатки, которые можно исправить после редактирования текста. Существенных замечаний не отмечено. Рецензируемая статья представляет интерес для широкой читательской аудитории и рекомендуется к опубликованию в журнале «Арктика и Антарктика».

Полный текст рецензии на сайте
Национального Института Научного Рецензирования

QR код для проверки
подлинности рецензии