19.2. Дорожно-климатическое районирование первой зоны - зоны вечной мерзлоты России

Разнообразие природно-климатических условий России учитывают с помощью дорожно-климатического районирования (ДКР), получившего в разные периоды отражение в нормативных документах (ВСН 84-62, ВСН 84-75, ВСН 46-83, СНиП 2.05.02-85, ВСН 84-89, ОДН 218.046-01 и др. [11, 15, 16, 24, 26, 29]. Многолетний опыт применения существующего дорожно-климатического районирования выявил, что оно не удовлетворяет в полной мере практике изысканий, проектирования дорог, особенно в районах с наличием многолетнемерзлых грунтов и требует дальнейшего уточнения и детализации. Целесообразно территорию России разделить на два региона [12, 13, 19, 21, 22, 47]:

1-й основной, особенностью которого является сезонное промерзание грунтов (~ 30-35 % территории России);

2-й, в котором поверхностный слой грунтов протаивает летом на некоторую глубину (сезонное оттаивание грунтов), а остальную часть года находится в мерзлом состоянии (~ 65-70 % территории России занимает вечная мерзлота (рис. 19.1) [33].

Линией раздела регионов следует считать границу распространения многолетнемерзлых грунтов на территории России.

В Северном полушарии Земли вечная мерзлота занимает более 22 млн. км:, из которых на долю территории бывшего СССР приходилось более половины (11,454 млн. км:), а в современной Российской Федерации превышает 65 % ее территории, в том числе занимает 85 % территории Сибири, 95 % республики Саха-Якутия [33] (см. рис. 19.1, табл. 19.1).Изучение природных условий зоны вечной мерзлоты показало, что на ее территории отчетливо выражено зональное изменение основных физико-географических факторов. Это диктует необходимость деления территории зоны вечной мерзлоты на подзоны. На основе исследований, проведенных Омским филиалом СоюздорНИИ (на дорогах Сибири и Крайнего Севера, в Якутии, Бурятии и других регионах с участием МАДИ (д-р техн. наук, проф. Н.А. Пузаков), ОмСХИ (д-р с/х наук, проф. B.C. Мезенцев), ВОЛАТТ (д-р техн. наук, проф. И.А. Золотарь) и результатов многолетних наблюдений (мониторинг дорог) за мерзлотным режимом на постах и опытных участках автомобильных дорог, зона вечной мерзлоты была разделена на фи характерные подзоны.

В настоящее время границы этих подзон значительно уточнены (рис. 19.2) автором настоящего раздела с учетом последних карт мерзлотоведов (рис. 19.1) на основе исследований проф. В.А. Давыдова (рис. 19.2). При этом названия подзон были сохранены аналогично предыдущим публикациям и нормативно-техническим документам (ВСН 84-75, ВСН 84-89) [29], однако при этом значительно уточнены границы подзон с конкретным указанием географических названий мест («Малая»* таблица районирования, табл. 19.2) [47]:

Рис. 19.2. Схематическая карта дорожно-климатического районирования зоны вечной мерзлоты (по В.А. Давыдову)

Первая подзона I₁ - Северная подзона низкотемпературных многолетнемерзлых грунтов (НТММГ) сплошного распространения с высокой влажностью грунтов сезоннооттаивающего слоя (влажность грунтов выше предела текучести, > W_тек);

Вторая подзона I₂ - Центральная подзона (НТММГ) сплошного распространения с умеренной влажностью грунтов сезоннооттаивающего слоя, W_отн = (0,7-1) W_тек;

Третья подзона I₃ - Южная подзона высокотемпературных многолетнемерзлых грунтов (ВТММГ) сплошного и островного распространения с умеренной влажностью грунтов сезоннооттаивающего слоя, W_отн = (0,7-1) W_тек.

В связи со значительной громоздкостью (из-за перечисления множества населенных пунктов и географических названий) «Большая» таблица дорожно-климатического районирования здесь не приведена в полном объеме: она имеется в научном отчете отдела № 31 ГП «Росдорнии». Выполнить это деление на подзоны в настоящее время представилось возможным, учитывая исследования мерзлотоведов, наличие карт распространения многолетнемерзлых грунтов на территории бывшего СССР, например, в 1991 году была подготовлена обобщенная карта «Геокриологическая карта СССР» (масштаб 1:2 500 000), разработанная кафедрой геокриологии МГУ им. М.В. Ломоносова. Основными разработчиками и составителями карты являются: Э.Д. Ершов, К.А. Кондратьева, С.А. Замолотчикова, Н.И. Труш, Е.Н. Дунаева, А.В. Гаврилов, В.Е. Афанасенко, С.Ф. Хруцкий и др. [33].

В основу дорожно-климатического районирования положены факторы, оказывающие решающее влияние на устойчивость дорожных конструкций в данной зоне:

вид грунта сезоннооттаивающего слоя и его влажность;

характер распространения многолетнемерзлых грунтов и их температура;

мощность слоя сезонного оттаивания;

среднегодовые температуры воздуха;

рельеф местности;

гидрология.

Совокупность этих признаков обусловлена сочетанием климатических, грунтово-гидрогеологических и мерзлотных особенностей и присуща в определенной степени природным ландшафтам и рельефу земной поверхности. Действительно, каждый природный ландшафт является уникальным, обладающим неповторимой в целом совокупностью физико-географических условий, а также типичным и наиболее распространенным комплексом природных и территориальных особенностей. Поэтому для выделения границ подзон за основу взяты границы зональных типов ландшафтов.

В схеме деления территории зоны вечной мерзлоты на дорожно-климатические подзоны (см. рис. 19.2) принята нумерация подзон I₁, I₂, I₃, обозначающая: первую подзону первой дорожно-климатической зоны (ДКЗ); вторую подзону первой ДКЗ; третью подзону первой ДКЗ. Такая нумерация подзон позволяет сохранять общепринятые названия дорожно-климатических подзон (см. ВСН 84-89, ОДН 218.046-01 и др.). Характеристика природных условий и примерные географические границы районов приведены в «Малой» таблице районирования, табл. 19.2 [47]:

Таблица 19.2.

Характеристика и границы подзон I дорожно-климатической зоны (ДКЗ) - зоны вечной мерзлоты России («Малая таблица»)

Подзоны 1 ДКЗ - зоны вечной мерзлоты	Характеристика природных мерзлотно-грунтовых условий	Примерные границы подзон
1	2	3
I1 - Северная подзона низкотемпературных многолетнемерзлых грунтов (НТММГ) сплошного распространения	Сплошное распространение многолетнемерзлых (вечномерзлых) грунтов мощностью от 200 до 900 м и более. Среднегодовая температура вечномерзлых грунтов колеблется от минус 3-5 до минус 12°С и ниже. Глубина сезонного оттаивания от 0,2 до 2 м (преимущественно менее 1 м). Высокое содержание в вечномерзлых грунтах льдов различных типов и их неглубокое залегание. Грунты глинистые, пылеватые, иловатые, тундровые и болотные со среднегодовой суммарной влажностью более предела текучести. Рельеф - равнины и низменности.	Включает зону тундры и лесотундры с пятнистым микрорельефом. Северная подзона включает Крайний Север Архангельской и Мурманской областей, сев. оконечность п-ова Канин (в т.ч. возв. Канин Камень), Земли Франца-Иосифа, Новую Землю, о. Колгуев, центральные и северные части Малоземельской и Большеземельской тундры. Крайний Север Ненецкого национального округа (Нарьян-Мар), о. Вайгач, п-ов Югорский (р-н Амдермы). хр. Пай-Хой. о. Белый, п-ов Ямал. Полярный Урал, северную часть Ямало-Ненецкого автономного округа, п-ов Тазовский, п-ов Гыданский. Гыданскую гряду, п-ов Явай, п-ов Мамонта, о. Сибирякова. острова Шокальского. Олений, Сибирякова. Диксон. п-ов Таймыр, горы Бырранга. Таймырский (Долгано-Ненецкий) авт. округ. Крайний Север Западно-Сибирской равнины. Северо-Сибирскую низменность. Игарку, Норильск, Талнах. северную часть плато Путорана. о-ва Арктического института, о-ва Сергея Кирова, архипелаг Норд Шельда, Северную Землю, п-ов Челюскин, северную часть Средне-Сибирского плоскогорья, Анабарское плато, Крайний Север Саха-Якутии, Центрально-Якутскую равнину (северную часть Ленского бассейна стока, севернее Кыстатыама), о-ва Де Лонга, о-ва Анжу, Новосибирские о-ва, Ляховские о-ва, Берег Ойогос-Яр, Яно-Индигирскую низменность, Яно-Индигирские бассейны стока, Момо-Селенняхскую впадину, хр. Иргичинский, хр. Селенняхский, хр. Нэмкученский, хр. Кюн-Тас, кряж Полоусный, Кондаковское плоскогорье, кряж Улахан-Сис, кряж Суор-Уята, Алазейское плоскогорье, Колымскую низменность. Медвежьи острова, кряж Осалинский, Юкагирское плоскогорье, хр. Олойский, хр. Анюйский, Анадырское плоскогорье, Чукотский авт. округ., хр. Пэнульней, Чукотское нагорье, хр. Эквыватапский, о. Врангеля. Чукотский п-ов, хр. Пэнульней, бассейн стока р. Анадырь, Анадырскую низменность, северные офоги Корякского нагорья.
Центральная подзона I2 - низкотемпературных многолетне -мерзлых грунтов (НТММГ) в основном сплошного распространения	В основном сплошное распространение многолетнемерзлых грунтов - ММГ (вечномерзлых - ВМГ) мощностью от 50 до 400 м. Среднегодовая температура ММГ грунтов колеблется от минус 1 до минус 5°С. Глубина сезонного оттаивания грунтов от 0,8 до 3 м. Грунты скальные, щебенистые, гравийно-галечниковые и глинистые со среднегодовой суммарной относительной влажностью от 0,7 до предела текучести, Wотн = (0,7-1) Wтек. Рельеф в основном гористый, частично нагорья и сглаженный равнинный. Интенсивное развитие криогенных процессов	Включает частично тундру, таежную зону, зону смешанных лесов (Сибири), лесостепи и частично степи (р-ны Прибайкалья, южную часть Забайкалья, южные р-ны Читинской области), огромные горные территории (Средней и Восточной Сибири, Дальнего Востока). Центральная подзона включает северо-восточную часть Кольского п-ова (Мурманская обл.), северную часть Архангельской обл., центральные и южные р-ны Ненецкого авт. округа, северные р-ны Республики Коми, Приполярный Урал, центральные и южные р-ны Ямало-Ненецкого авт. округа, Полуйскую возвышенность, северные и центральные р-ны Ханты-Мансийского авт. округа. Сибирские увалы, Верхнетазовскую возвышенность, зону смешанных лесов Западно-Сибирской равнины, центральную и южную части плато Путорана, Средне-Сибирское плоскогорье. Приленское плато, Становое нагорье, хр. Становой, хр. Верхоянский, хр. Сунтар-Хаята, хр. Черского, лесостепи и частично степи (р-н Прибайкалья, юг Забайкалья и далее уходит в Монголию), западную, северную и центральную части Читинской обл., северную часть Амурской обл.; западные, центральные, южные и восточные р-ны Саха-Якутии; северные, западные, центральные р-ны Хабаровского края; западные, центральные, северные р-ны Магаданской обл., Корякский авт. округ, южную и восточную части Корякского нагорья. Центральная подзона с севера ограничена первой подзоной.
I3 - Южная подзона высокотемпературных многолетнемерзлых грунтов (ВТММГ) частично сплошного (северные р-ны подзоны), в основном островного распространения (южные р-ны подзоны)	Преимущественно островное распространение многолетнемерзлых грунтов - ММГ (вечномерзлых - ВМГ) мощностью от 50 до 100 м. Среднегодовая температура ММГ выше минус 1°С. Глубина сезонного оттаивания достигает 3,5-4 м и более. Грунты пылеватые, глинистые, песчаные, торфоглинистые в западной части подзоны и щебенистые, галечниковые и глинистые в восточной части подзоны со среднегодовой суммарной относительной влажностью от 0,7 до предела текучести, Wотн = (0,7-1) Wтек. Рельеф равнинный в западной части подзоны и горный или холмистый - в восточной.	Включает таежные, лесостепные и степные зоны, побережье Охотского моря (восточные районы Магаданской обл., северные и восточные районы Хабаровского и Приморского краев), северную и центральную часть п-ова Камчатка. Южная подзона расположена севернее южной географической границы зоны вечной мерзлоты на Кольском п-ове и далее в Европейской части России, на Дальнем Востоке и севернее южной государственной границы с Казахстаном, Монголией и Китаем в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Включает северную и центральную часть п-ова Камчатка, северную часть о-ва Сахалин, горы Сихотэ-Алинь (Приморский и Хабаровский края). Имеются высокотемпературные многолетнемерзлые грунты (ВТММГ) на Курильских о-вах: Атласова, Парамушир. Онекотан, Симушир, Уруп, Итуруп, Кунашир и др.
II1 - Северная подзона II ДКЗ	Образование перелетков, нередко возникающих на глубине сезонно замерзающих слоев грунта в районах с континентальным и резкоконтинентальным климатом, с отрицательной среднегодовой температурой воздуха (ниже минус 0°С).	Прилегающая к южной географической границе зоны вечной мерзлоты. Северная подзона IIДКЗ включает юго-западную часть Мурманской области, северо-восточную часть Архангельской обл., центральные и восточные районы Республики Коми, северные районы Свердловской области, юго-западные районы Ханты-Мансийского авт. округа, центральные и восточные районы Тюменской обл., северные р-ны Омской обл., западно-центрально-восточные районы Томской области, юго-западный район Красноярского края. В Еврейском авт. округе, в Хабаровском и Приморском краях все площади, не занятые ММГ, до границ с Китаем и Кореей; в южных районах п-ова Камчатка, в центральных и южных районах о-вов Сахалин и Курильских, все площади, не занятые ММГ.

Примечания:

1. Границы намечены примерно, их следует корректировать в процессе проектно-изыскательских работ в соответствии с характеристикой условий местности и многолетнемерзлых грунтов (см. текст и настоящую таблицу); Огромнейшие территории, занятые многолетнемерзлыми (вечномерзлыми) грунтами, могут иметь дополнительные уточнения по отдельным регионам;

2. В горных районах в связи с вертикальной зональностью необходимо учитывать изменения природно-климатических условий по мере увеличения высоты пояса;

3. В гористой местности многолетнемерзлые грунты обычно встречаются на заболоченных участках, на склонах северной экспозиции и в пониженных затененных местах.

Наиболее неблагоприятной для дорожного строительства является первая Северная подзона (I₁), где широко распространены жильные и погребенные льды, близко залегающие к поверхности земли. Здесь, в большинстве мест необходимо проектировать и строить дороги с минимальным нарушением естественного режима территории, используя, как правило, первый принцип (с вариантами) проектирования и строительства дорог, т.е. сохранение мерзлоты в основании насыпи в течение всего периода эксплуатации дороги.

Природно-климатические условия второй Центральной подзоны (I₂) более стабильны, предсказуемы и позволяют проектировать земляное полотно по второму принципу с допущением оттаивания грунтов основания под насыпью и учетом возникающих при этом деформаций дорожного покрытия.

Третья Южная подзона (I₃) высокотемпературных многолетнемерзлых грунтов (пород) - ММГ (ММП), в основном, островного распространения кажется наиболее благоприятной для дорожного строительства, однако это обманчивое впечатление. Здесь очень трудно определить наличие и характер мерзлоты: вечномерзлые грунты встречаются или в виде сплошной высокотемпературной вечной мерзлоты, или в виде отдельных мерзлых островов среди талой толщи грунта.

В горных районах в связи с вертикальной зональностью необходимо учитывать изменение природно-климатических условий по мере увеличения высоты пояса. В гористой местности вечномерзлые грунты обычно встречаются на заболоченных участках, склонах северной экспозиции и в пониженных затененных местах.

Земляное полотно на участках островной мерзлоты следует проектировать и строить по третьему принципу, т.е. с обеспечением предварительного оттаивания грунтов основания под насыпью (примерно за год до возведения земляного полотна) и подготовки дорожной полосы, включая осушение.

Кроме того, выделена Северная подзона II ДКЗ - (II₁), примыкающая к южной границе с наличием вечной мерзлоты островного типа, с высокотемпературными пластично мерзлыми грунтами (см. рис. 19.2). Здесь происходит образование «перелетков», нередко возникающих на глубине сезонно замерзающих слоев грунта в районах с континентальным и резко-континентальным климатом, с отрицательной среднегодовой температурой воздуха (ниже минус 0°С).

Для более детальной характеристики условий района проложения трассы автомобильной дороги принято делить его на участки (типы местности) по характеру поверхностного стока и степени увлажнения. Такое деление на типы местности возможно также для зоны вечной мерзлоты с учетом дополнений, отражающих специфические, мерзлотно-грунтовые условия этой зоны (табл. 19.3), которые в свою очередь, определяют выбор и расчет дорожных конструкций.

Таблица 19.3.

Типы местности по характеру поверхностного стока, степени увлажнения и мерзлотно-грунтовым условиям

Типы местности	Условия увлажнения	Характерные признаки
1-й (сухие места)	Без избыточного увлажнения. Поверхностный сток обеспечен. Естественная относительная влажность грунтов менее 0,8 от предела текучести.	Каменистые возвышенности, крутые склоны сопок, песчаные и гравийно-галечниковые косы с мощностью сезонно оттаивающего слоя более 2,5 м. Грунты гравийно-галечниковые, песчаные, а также супесчаные, глинистые, непросадочные и малопросадочные*.
2-й (сырые места)	Избыточное увлажнение в отдельные периоды года. Поверхностный сток не обеспечен. Естественная относительная влажность грунтов от 0.8 до предела текучести.	Плоские водоразделы, пологие склоны гор и их шлейфы с мощностью сезонно оттаивающего слоя от 1,0 до 2,5 м. Грунты глинистые, просадочные*.
3-й (мокрые места)	Избыточное постоянное увлажнение. Водоотвод не обеспечен. Надмерзлотные и длительно стоящие (более 20 суток) поверхностные воды. Естественная относительная влажность грунтов выше предела текучести.	Мари, заболоченные тальвеги, замкнутые впадины с развитым мохоторфяным покровом и малой мощностью (до 1 м) сезонно оттаивающего слоя. Грунты глинистые, сильно просадочные и чрезмерно просадочные*, содержащие в пределах двойной мощности сезонно оттаивающего слоя линзы льда толщиной более 10 см.

*) Грунты подразделяются по категориям просадочности:

I категория - условно непросадочные при относительной степени просадочности d = 0-0,01;

II категория - малопросадочные - при d = 0,01-0,1;

III категория - просадочные - при d = 0,1-0,4;

IV категория - сильно просадочные - при d = 0,4-0,6;

V категория - чрезмерно просадочные - при d = 0,6-1,0.

Степень просадочности d определяется по формуле:

где

g_ТН - объемный вес скелета талого грунта, оттаявшего под нагрузкой 1 кгс/см² = 9,80665×10⁴ н/м²;

g_М - объемный вес скелета грунта в мерзлом состоянии, г/см³.

Таким образом, территория многолетнемерзлых пород для целей транспортного строительства разделена на фи подзоны: Северная подзона низкотемпературных многолетнемерзлых грунтов (НТММГ) сплошного распространения, Центральная подзона низкотемпературных многолетнемерзлых грунтов (НТММГ) преимущественно сплошного распространения и Южная подзона высокотемпературных многолетнемерзлых грунтов (ВТММГ) преимущественно островного распространения.

В Северной и Центральной подзонах в основном это сливающаяся мерзлота, а в Южной - несливающаяся (рис. 19.3).

Это районирование может быть названо макрорайонированием, более детальное микрорайонирование следует разрабатывать в процессе изысканий вдоль трассы будущей дорога с учетом конкретных мерзлотно-грунтовых и инженерно-геологических условий.

Рис. 19.3. Сливающаяся (а) и несливающаяся (б) мерзлота