Особенности районов строительства лесовозных автомобильных дорог

По естественно-историческим условиям территория Новгородской области неоднородна. Климатические и геологические изменения в прошлом определили особенности рельефа, состава и строения грунтообразующих пород, географии и гидрологии её частей.

Средние температуры января колеблются до –8,2 ºС. Средняя температура самого тёплого месяца (июль) +19,5 ºС. Годовые амплитуды температур воздуха составляют 23 ºС.

Зима начинается с 13—22 ноября и продолжается 130—140 дней. Наиболее низкие температуры достигают до –34ºС. Зима богата оттепелями, часто длительными. В декабре и феврале на каждые три дня приходится один день оттепелей. Обычно зима заканчивается в конце марта — в первой декаде апреля. Температура воздуха весной быстро растёт, достигая +15º и +28 ºC. Снег тает интенсивно, что вызывает обильный поверхностный сток.

Лето по продолжительности является вторым длинным сезоном года. Его продолжительность 105—119 дней. По средним многолетним данным, лето является умеренно-тёплым и достаточно влажным. Среднемесячные температуры повышаются до +38 ºС. Июль — самый тёплый месяц (+17—19 ºС). Лето характеризуется наименьшей облачностью.

Осень начинается с 4—14 сентября. Продолжительность её составляет 70—73 дня. Когда средняя суточная температура переходит через ноль, размокший грунт начинает замерзать, и осень переходит в зиму.

Температурный режим Новгородской области характеризуется постепенным понижением температуры воздуха с юго-запада на северо-восток. Так, колебания среднегодовых температур воздуха составляют от 7,4 до 4,4 ºC. Частые оттепели формируют неблагоприятный водно-тепловой режим, т. к. создаются условия для накопления дополнительной влаги в земляном полотне автомобильных лесовозных дорог. В метеорологии различают три типа оттепелей: адвективные, связанные с общим повышением температуры воздуха; радиационные, вызываемые действием солнечной радиации, и смешанные. Среднее количество дней с оттепелями составляет 62—102 за зиму.

2.    Материалы и методы

Анализ статистических многолетних наблюдений за температурным режимом показал, что на устойчивость земляного полотна оказывают влияние лишь продолжительные оттепели (более 5 суток), связанные с общим повышением температуры воздуха.

Количество дней с оттепелями, которое следует учитывать при расчёте промерзания грунтов и зимнего влагонакопления в них, колеблется на территории Новгородской области от 8 до 25 дней. Повторяемость таких зим происходит с периодом 14 лет для юго-западных районов и 10—12 лет для северо-восточных районов [16].

Результаты наблюдений на опытных участках показывают, что за счёт продолжительных зимних оттепелей относительная влажность грунтов земляного полотна, в зависимости от природных и конструктивных особенностей участков дорог, увеличивается на 0,10—0,35 без учёта увеличения влажности в первый период промерзания. В таблице 1 в качестве примера приведены физико-технические характеристики лёгкой пылеватой супеси в зависимости от продолжительности оттепелей.

Таблица 1. Физико-технические показатели лёгкой супеси с учётом оттепелей

Table 1. Physical and technical parameters of light sandy loam with regard to thaws

Число дней с оттепелями	tv KDTH	h,см	Е кг/см2	с, кг/см2	град
Сухие места
5	0,8	2,5	240	0,10	13
10	0,82	3,6	230	0,09	12
15	0,82	3,6	230	0,09	12
20	0,84	4,5	220	0,08	11
25	0,86	5,4	210	0,07	11
Сырые места
5	0,85	5,0	210	0,07	11
10	0,88	5,8	205	0,06	11
15	0,90	7,0	200	0,05	10
20	0,93	8,6	190	0,04	9
25	0,95	9,2	180	0,03	8
Мокрые места
5	0,9	7,0	200	0,05	10
10	0,92	8,4	190	0,04	9
15	0,85	9,2	180	0,03	8
20	0,98	12,6	170	—	—
25	1,0	17,0	160	—	—

Данные таблицы 1 свидетельствуют о том, что при расчёте дорожных одежд нежёсткого типа для районов Новгородской области необходимо учитывать оттепели, которые способствуют увеличению влагонакопления в грунтах земляного полотна.

Температура грунта существенно влияет на величину влагонакопления в земляном полотне. Большой интерес представляет температурный режим грунтов по глубине для строителей, дорожников, сельского хозяйства и других отраслей промышленности [32], [46].

Температура верхних слоёв грунта всецело зависит от температуры воздуха, но большое влияние на температурный режим грунтов оказывают механический состав и тип грунта, его влажность, цвет и другие свойства. Однако влияние этих факторов ещё недостаточно изучено.

В таблице 2 приведены данные разности между температурой верхних слоёв грунта и воздуха в летний период.

Таблица 2. Разность между температурами верхних слоёв грунта и воздуха (f)

Table 2. The difference between the temperatures of the upper layers of soil and air (t® )

Грунт	Месяцы
	V	VI	VII	VIII	IX	X
Глубина 0,05 м
Супесчаный	1,6	2,2	2,6	1,8	1,2	0,5
Суглинистый	0,6	1,3	2,0	1,3	1,0	0,5
Торф	–0,4	0,8	1,2	1,0	1,0	0,4
Глубина 0,1 м
Супесчаный	1,2	2,0	2,3	1,8	1,2	0,5
Суглинистый	0,2	0,9	1,5	1,0	0,9	0,5
Торф	–1,0	0,3	0,6	0,5	0,4	0,4

Из таблицы 2 видно, что средняя месячная температура поверхности грунта в летнее время отличается от того же показателя температуры воздуха. Данная разность уменьшается в зимний период.

Представляет интерес распределение температуры грунта по глубине. Температура грунта гораздо более устойчива, чем температура воздуха, и устойчивость её повышается с глубиной. Об этом свидетельствует амплитуда колебания (разность между максимальной и минимальной температурами) на разных глубинах (таблица 3).

Температура грунта на больших глубинах, так же, как и на малых, зависит от механического состава грунта.

Летом супесчаный грунт самый тёплый, на 2—3 ^º C теплее суглинистого, а зимой более тёплый грунт суглинистый, как более влажный; то же самое наблюдается в супесчаных грунтах и торфах.

Таблица 3. Амплитуда колебания температуры воздуха и грунта на разных глубинах

Table 3. Amplitude of air and soil temperature fluctuations at different depths

Глубина, м	Месяцы
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
	Амплитуда колебания температуры,ºС
В воздухе	44	46	55	45	39	36	33	37	36	47	55	47
0,2	10	12	19	19	17	17	18	14	16	13	12	17
0,4	9	9	13	15	12	12	9	8	11	10	9	15
0,8	5	4	7	11	9	9	5	4	4	7	6	8
1,6	3	3	3	6	6	8	4	3	4	5	5	6
3,2	3	2	2	3	3	4	3	2	2	2	3	3

Глубина промерзания грунтов является важным показателем, определяющим воднотепловой режим дорог. Она зависит от многих факторов: от состава и влажности грунта, высоты снежного покрова, рельефа местности, температуры грунта, гидрологических условий и др. [4], [7].

Как указывалось выше, существенным фактором, влияющим на глубину промерзания грунтов, является снежный покров. При большом снежном покрове (более 15 см) глубина промерзания резко уменьшается при одной и той же интенсивности морозов. В результате исследований выявлено, что разность глубины промерзания грунтов между оголёнными участками и участками, покрытыми снегом, находилась в пределах от 3 до 69 см.

Вопросами определения глубины промерзания грунтов и теплофизическими процессами, происходящими при этом, занимались многие учёные и исследователи. Предложено немало формул, по которым можно определить глубину промерзания грунта [10], [13].

Для установления расчётных глубин промерзания грунтов земляного полотна лесовозных автомобильных дорог нами использован метод «аналога», который заключается в сопоставлении параллельных наблюдений за глубиной промерзания под снежным покровом и без него.

В результате проведённых исследований получен переходный коэффициент, позволяющий определить глубину промерзания грунта, оголённого от снежного покрова при известной глубине промерзания под снегом. Переходный коэффициент колеблется в пределах от 1,7 до 2,3.

Переходный коэффициент ^га и процент обеспеченности следует принимать в зависимости от категории дороги. Для автомобильных лесовозных дорог рекомендуются следующие их значения (таблица 4, рисунок).

Таблица 4. Рекомендуемые значения процента обеспеченности и переходного коэффициента

Table 4. Recommended values of the availability index and the transition coefficient

Категория дороги	Процент обеспеченности	Коэффициент перехода
1	5	1,82
2	10	1,92
3	20	2,04

Существенным фактором, влияющим на величину влагонакопления и прочность земляного полотна, является скорость промерзания и оттаивания. Установлено, что скорость промерзания по оси дороги 1,2—2,2, на обочине 0,8—1,8 см/сут. при продолжительности периода промерзания около 125 сут. Скорость оттаивания по оси 2,5—3,8, а на обочине 1,8—3,4 см/сут.

Снежный покров на территории Новгородской области, где зима длится около четырёх месяцев, является фактором, существенно влияющим на формирование климата в зимний и осенний периоды. Он определяет водно-тепловой режим лесовозных автомобильных дорог и оказывает существенное влияние на температурный режим и промерзание почвы. В малоснежную тёплую зиму глубина промерзания была значительно больше, чем в холодную с высоким снежным покровом [1], [11], [13], [16].

Снежный покров в Новгородской области появляется в течение декабря. В то же время наблюдались зимы, когда снежный покров устанавливался в середине или в конце января. Высота снежного покрова всецело зависит от устойчивости отрицательных температур и количества осадков на зимний период. Средняя высота из наибольших декадных высот снежного покрова на защищённых от ветра местах колеблется от 20 см на юго-западе до 45 см на северо-востоке. На открытых полях и лугах высота снежного покрова на 5—10 см меньше. В таблице 5 приведены данные по высоте снежного покрова.

В отдельные годы могут наблюдаться значительные отклонения от средней многолетней высоты снежного покрова. Данные таблицы 5 показывают, в каких пределах может колебаться высота снежного покрова.

Снеготаяние начинается в начале марта, а к концу марта уже на всей территории Новгородской области устойчивый снежный покров разрушается. Число дней со снежным покровом в среднем за зиму составляет 70—90 дней.

Плотность снега постепенно увеличивается в течение зимы от 0,10—0,15 г/см3 в начале до 0,30—0,40 г/см3 в конце зимы.

Таблица 5. Наибольшая за зиму декадная высота снежного покрова различной обеспеченности

Table 5. The highest ten-day height of snow cover of various levels of coverage during the winter

Средняя, см	Минимум, см	Обеспеченность высоты указанной и большей, %							Максимум, см
		95	92	75	50	25	10	5
45	15	18	22	32	45	58	73	78	90
40	12	15	18	27	40	51	66	73	85
35	9	12	15	23	34	46	60	67	80
30	6	9	12	19	29	39	53	60	72
25	5	6	9	15	24	33	45	52	63
20	3	4	7	11	19	27	37	42	50
15	2	2	5	8	14	22	18	32	37
10	1	1	3	4	8	15	19	20	25

Рисунок. Глубина промерзания почвы: а — в малоснежную зиму; б — в многоснежную зиму; 1 — высота снежного покрова; 2 — глубина промерзания; 3 — температура воздуха; 4 — температура почвы

Figure 1. The depth of soil freezing a) – during dry winter; b) – during snowy winter; 1 – the height of the snow cover; 2 - the depth of freezing; 3 – air temperature; 4 – soil temperature

Представляет интерес запас воды в снежном покрове, т. к. он оказывает существенное влияние на влажность грунтов и дорожно-строительных материалов. В результате обработки многолетних данных метеостанций разработана схематическая карта распределения запаса воды в снежном покрове по территории области. В лесу и на лесных полянах запас воды в снегу обычно больше на 15—40 мм, чем в поле [2—6], [14]. Запас воды в снегу от года к году может значительно меняться.

3.    Результаты

Атмосферные осадки на территории Новгородской области выпадают неравномерно, т. к. на их распределение большое влияние оказывают не только общециркуляционные факторы, но и высота места, форма рельефа, наличие лесных массивов, водоёмов и речных долин. С высотой увеличивается и количество осадков. Их количество уменьшается с северо-запада на юго-восток [13], [15], [16].

В Новгородской области в среднем за год выпадает от 540 до 700 мм атмосферных осадков. В отдельные годы количество осадков значительно отклоняется от средних многолетних данных.

Для решения дорожных и транспортных задач необходимо знать вид осадков. В среднем за год доля осадков, выпадающих в твёрдом виде, колеблется от 10 % на юго-западе до 15 % на востоке, в жидком — от 80 % на юго-западе до 70 % на востоке; смешанные осадки (мокрый снег со льдом) по всей территории составляют 12—13 %. Число дней с осадками различного вида распределяется несколько по-другому. На долю осадков в твёрдом виде приходится 20—30 %, в жидком виде — 55—65 % и смешанном — 10—15 % от годового числа дней с осадками. Общая продолжительность осадков за год колеблется на территории от 1000—1100 ч на юге до 1300 ч на севере.

4.    Обсуждение и заключение

Из вышеизложенного следует, что климатические условия Новгородской области, определяющие мягкий климат с большим количеством осадков, частыми оттепелями зимой и затяжными дождями весной и осенью, создают неблагоприятные условия для нормального протекания водно-тепловых процессов в грунтах земляного полотна и дорожных одеждах лесовозных автомобильных дорог. Переувлажнение грунтов земляного полотна приводит к уменьшению прочности дорожных одежд, которые под действием лесовозных автопоездов частично или полностью разрушаются. Для улучшения протекания водно-тепловых процессов необходимо предусматривать инженерные мероприятия, способствующие регулированию как водного, так и температурного режимов дорожных конструкций.