Строительство и архитектура/ 3. Современные технологии строительства,

реконструкции и реставрации

Қасымов А.Е¹., Телтаев Б.Б²., Касымова Ж.М.³

¹Восточно - Казахстанский Государственный технический университет

им.Д. Серикбаева, г.Усть-Каменогорск

²Казахстанский дорожный научно-исследовательский институт г.Алматы

³Управление комитета по работе с несостоятельными

должниками МФ РК по ВКО

УСИЛЕНИЕ НАСЫПИ ДОРОЖНОГО ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА КАК МЕТОД РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОДНО-ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ВОСТОЧНОГО КАЗАХСТАНА

Благодаря работам И.А. Золотаря, Н.А. Пузакова, В.М. Сиденко и другим исследователям изучена физическая сущность и разработаны методы расчёта водно-теплового режима грунтов земляного полотна автомобильных дорог.

Водно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог формируется под воздействием природно-климатических условий местности. Относительная влажность грунтов земляного полотна, характеризующая водно-тепловой режим, также зависит от природно-климатических условий. Следовательно, для получения достоверных данных о расчётных характеристиках грунта земляного полотна необходимы не менее достоверные сведения о величине расчётной влажности (W_Р), которые можно получить лишь при тщательном учёте влияния природно-климатических условий /1/.

Определение расчётной влажности возможно на основе теории вероятностей, что требует длительных наблюдений за влажностью грунтов земляного полотна. Отсутствие для районов Восточно-Казахстанской области данных об изменении влажности грунтов земляного полотна автомобильных дорог за многолетний период исключает возможность применения этого метода. Тем не менее, прогнозирование расчётной влажности возможно. Влажность грунта земляного полотна определяется условиями увлажнения, которые могут быть представлены в виде трёх расчётных схем:

1. Увлажнение земляного полотна снизу, от уровня надмерзлотных вод через водонасыщенную талую прослойку грунта основания.

2. Увлажнение земляного полотна сверху (атмосферные осадки).

3. Увлажнение от обоих источников.

Основной задачей расчёта водно-тепловых процессов является прогнозирование, прежде всего расчётной влажности грунта. В свою очередь для прогнозирования расчётной влажности необходимо определение продолжительности периода осеннего влагонакопления.

Существующие методы прогноза влажности грунтовых оснований в основном базируются на анализе уравнения водного баланса:

(1)

где r – сумма осадков за рассматриваемый отрезок времени;

q_C, q_U, q_В – соответственно сток, испарение и впитывание влаги для единичной поверхности.

При q_U=0 уравнение (1) принимает вид:

(2)

где q_З – объём влаги, скапливающейся в неровностях при отсутствии стока.

Инфильтрация дождевых осадков вызывает увеличение влажности грунтов земляного полотна. При этом

>0 (3)

Уравнение выражает условие, определяющее начало периода влагонакопления, обусловленного увлажнением от поверхности вод. Справедливо оно и при увлажнении земляного полотна от уровня грунтовых или надмерзлотных вод.

Для того, чтобы обеспечить стабильный водно-тепловой режим автомобильных дорог существует достаточно много методов, разработанных Российскими учеными А.Я.Тулаевым, В.И. Рувинским, В.Д. Казарновским, И.А. Золотарем, В.П. Носовым, В.Н. Ефименко и другими.

В большей степени эти методы относятся к вновь проектируемым автомобильным дорогам. Для эксплуатируемых дорог расчетные параметры зачастую не соответствуют их техническим возможностям.

Вопросам улучшения транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог в процессе их эксплуатации много внимания уделено в работах М.Б. Корсунского, В.П. Васильева, Ю.М. Яковлева, В.Д. Казарновского и других исследователей. Тем не менее, до настоящего времени остается недостаточно изученным вопрос снижения прочностных свойств грунта земляного полотна в период весенней распутицы, обусловленный его структурными изменениями в процессе промерзания и оттаивания.

В исследованиях Ю.М. Яковлева и М.Г. Горячева учитывается процесс накопления остаточных деформаций при эксплуатации автомобильных дорог, однако фактор снижения несущей способности грунта в период оттаивания земляного полотна в них не учитывается.

Потеря несущей способности в оттаивающем слое земляного полотна обуславливает необходимость ограничения величины автомобильной нагрузки в период весенней распутицы, однако методики установления сроков этого ограничения в настоящий момент не существует.

Отмеченный факт не позволяет принять своевременные меры по сохранению автомобильных дорог в период максимального ослабления их несущей способности, что приводит к большим народно-хозяйственным потерям.

Особенно актуальна указанная проблема для рассматриваемой территории Восточного Казахстана, характеризующейся глубоким сезонным промерзанием и повсеместным распространением пучинистых пылевато-глинистых грунтов.

Процесс усугубляется неравномерным характером оттаивания за счет разности отражающей способности поверхности покрытия и обочин.

Эта климатическая особенность приводит к тому, что грунт под проезжей частью начинает оттаивать тогда, когда выводящие слои дренажных систем под обочинами находятся в мерзлом состоянии.

В целом неблагоприятный водно-тепловой режим обусловливает потерю несущей способности грунта, что приводит к разрушению дорожных одежд. Процесс стабилизации прочностных свойств грунта связан длительным периодом удаления грунтовой воды, образовавшийся в процессе оттаивания льдонасыщенного грунта земляного полотна и её частичной вторичной связанностью с частицами оттаивающего грунта.

Процесс разупрочнения прочностных свойств грунта в результате «промерзания-оттаивания» земляного полотна и последующий период стабилизации, не нашёл отражения в нормативных документах.

По прежнему одним из самых важных мероприятий является надёжное качество производства работ. В условиях постоянно возрастающей интенсивности и скоростей движения автомобилей, для увеличения сроков службы автомобильных дорог необходим учёт не только региональных природно-климатических факторов, но и конкретных условий нахождения дороги.

Для расчёта дорожных одежд используются в качестве исходных данные о модуле упругости (E_У), угол внутреннего трения (φ) и величине сцепления (С), а так как указанные характеристики грунтов зависят от влажности (W) и плотности грунта (ρ) их назначение должно производиться по расчётной влажности (W_Р), на основе экспериментально установленных зависимостей.

Несоблюдение этого приводит к преждевременному разрушению дорог, высокой себестоимости перевозок.

Действующая Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого типа ВСН 46-83, предусматривает расчет по условию обеспечения сдвигоустойчивости подстилающего грунта. При этом применяемые критерии сдвигоустойчивости должны ограничивать пластические деформации конструктивных слоев дорожных одежд.

Вместе с тем сдвигоустойчивость грунта земляного полотна как фактор, формирующий разрушение дорожных одежд, в большинстве случаев является определяющим. Это обусловлено следующими причинами:

изменением состава и интенсивности движения транспортного потока в последние годы; недостаточной для современного движения степенью сдвигоустойчивости (в грунте) конструкций дорожных одежд существующих дорог; несовершенством расчета необходимой толщины слоев дорожной одежды в современных конструкциях; недостаточной сдвигоустойчивостью асфальтобетона.

Действующий метод расчета дорожных одежд, изложенный в инструкции ВСН 46-83, исходит из представления, что напряженно-деформированное состояние (НДС) дорожной одежды под действием автомобильной нагрузки может быть выражено решениями теории упругости для слоистого полупространства с учетом условий сопряжения на контактах слоев.

Наиболее распространенная в настоящие время расчетная схема определения необходимой толщины слоев дорожной одежды, базируется на анализе модели слоистого полупространства, при воздействии на его поверхность неподвижной статической нагрузки. Различные усовершенствования этой расчетной схемы, используемые сегодня, основаны, как правило, на абсолютизации свойств одних элементов и отбрасывании тех особенностей строения системы, которые на первый взгляд относительно слабо влияют на ее напряженно-деформированное состояние.

Так в инструкции по проектированию дорожных одежд нежесткого типа (ВСН 46-83) допускаемое напряжение сдвига в грунте (Тдоп) оценивается, как величина сцепления грунта активной зоны земляного полотна (сгр) в расчетный период, умноженная на коэффициенты к1, к2, к3, учитывающие снижение величины сцепления по условиям работы дорожной одежды.

T_доп=с_грК₁ К₂ К₃

В представленной формуле величина сцепления грунта не регламентируется в зависимости от состояния грунта, «талый» или «оттаивающий». Однако, многочисленные исследования водно-теплового режима автомобильных дорог свидетельствуют о том, что в промерзающих тонкодисперсных грунтах (особенно пылеватых) происходит процесс миграции части связной воды в прослойки льда, которые при оттаивании образуют свободную грунтовую воду не связанную с частицами грунта.

Свободная вода обладает расклинивающим эффектом, снижая величину сцепления в грунте.

Процесс стабилизации прочностных свойств заключается в удалении части свободной воды, образовавшейся при оттаивании прослоек и кристаллов льда и восстановлении структурно связанных с частицами грунта водных пленок.

В качестве основного показателя, определяющего общую прочность и деформативную устойчивость дорожной одежды можно принять влажность грунта в расчетный период. При этом необходимо учитывать снижение прочностных характеристик грунта за счет изменения структурной связности

воды при промерзании-оттаивании грунта земляного полотна. Освобождаемая после оттаивания грунтовая вода не находит выхода через мерзлые под обочинами дренирующие слои. Под действием динамической нагрузки оттаивающий переувлажненный грунт теряет структурную связность и несущую способность. В этот период появляются самые неблагоприятные воздействия на дорожную одежду:

разрушающие сдвиговые нагрузки в оттаивающем грунте земляного полотна; недопустимые прогибы дорожной одежды на переувлажненном грунте оттаивающего слоя земляного полотна; разрушающие деформации увлажненных асфальтобетонных покрытий при переменном замерзании ночью и оттаивании днем; повышенный износ деструктивных покрытий, особенно при их поверхностном увлажнении и переменном замораживании –оттаивании; дополнительное попадание талой влаги через трещины в основание дорожных одежд.

В настоящее время разработан ряд мероприятий, направленных на укрепление и усиление насыпи дорожного земляного полотна. Рассмотрим основные из них /2/.

Применение траншейного дренажа. Траншейный дренаж применяют в условиях, когда уровень грунтовых вод оказывает существенное влияние на влажность грунтов рабочего слоя земляного полотна.

Цель применения - понижение, перехват и отвод грунтовых вод, снижение за счет этого влажности грунтов рабочего слоя и величины пучения. В отдельных случаях траншейный дренаж служит дополнительно для предотвращения поступления влаги атмосферных осадков в рабочий слой земляного полотна через обочины, откосы, для чего требуется применение специальных конструктивных решений.

Дренаж может быть применен как при реконструкции автомобильных дорог, так и при их ремонте на пучинистых участках в случае, когда рельеф местности позволяет выполнять сброс перехватываемого дренажом потока вблизи этих участков.

Гидроизоляция земляного полотна. Гидроизоляцию земляного полотна применяют: а) для предотвращения поступления влаги атмосферных осадков в тело земляного полотна через неукрепленные обочины или обочины, укрепленные водопроницаемым материалом;

б) то же, сквозь дорожное покрытие переходного типа или разрушенное

асфальтобетонное покрытие;

в) для предотвращения поступления в грунты насыпи воды из кюветов при длительном осеннем стоянии поверхностных вод;

г) для предотвращения поступления грунтовых вод в грунты насыпи при их промерзании или для прерывания капиллярного поднятия грунтовых вод.

Гидроизоляция может быть применена при ремонте или реконструкции автомобильных дорог или ремонте сильно разрушенной дорожной одежды, при реконструкции дороги на участках переноса трассы или при увеличении высоты насыпи.

В отдельных случаях при небольшой высоте насыпи и соответствующем технико-экономическом обосновании гидроизоляционная прослойка может быть уложена с предварительным перемещением верхней части насыпи бульдозером и обратным ее возведением после укладки гидроизоляции.

Дренажные сооружения для снижения весеннего влагонакопления. Дренажные сооружения предназначены в первую очередь для удаления из земляного полотна и дренирующего слоя дорожной одежды избыточной влаги, поступившей в них за счет таяния снега, зимней миграции из нижележащих грунтовых вод и особенно характерной для пучинистых участков.

Кроме снижения весеннего влагонакопления, в дренирующих слоях происходит и частичное снижение осенней влажности, что, безусловно, положительно сказывается на уменьшении пучинообразования.

Дренажные сооружения для снижения весеннего влагонакопления включают:

а) комбинированный прикромочный дренаж;

б) комбинированный плоскостной горизонтальный дренаж;

в) поперечные дренажи мелкого заложения.

Выбор предлагаемых мероприятий для конкретных условий ремонтируемых участков автомобильных дорог определяется следующими факторами:

степенью разрушения дорожной одежды на пучинистом участке; наличием геотекстильных материалов (ГМ) и дренажных труб; высотой насыпи, продольным уклоном автомобильной дороги; составом парка дорожных машин для устройства дренажных прорезей; наличием местных дренирующих материалов.

Общий анализ факторов, влияющих на выбор противопучинного мероприятия, позволяет рекомендовать: комбинированный прикромочный дренаж для пучинистых участков, где существующую дорожную одежду можно использовать в качестве основания при ремонте автомобильной дороги;

комбинированный геотекстильный дренаж, как универсальное мероприятие для большинства участков при наличии продольного уклона автомобильной дороги; поперечный дренаж мелкого заложения для участков с сильно разрушенной дорожной одеждой, на участках с переходным типом покрытия, на участках с большими продольными уклонами.

Отвод поверхностных вод. Отвод поверхностных вод производится путем устройства кюветов, кювет - резервов и отвода от бровки земляного полотна длительно стоящих поверхностных вод, расположенных ближе безопасного расстояния, за счет уполаживания откосов или устройства берм.

Теплоизолирующий слой из пенопласта. Применяется на участках полного переустройства дорожной одежды, позволяет ограничить пучение или полностью предотвратить промерзание подстилающего грунта земляного полотна.

Теплоизолирующие слои нужно располагать на глубине не менее 0,5 м от поверхности покрытия для не превышения повторяемости образования гололеда по сравнению с соседними участками.

Для повышения несущей способности земляного полотна рекомендуется укладка армирующей геотекстильной прослойки под теплоизолирующим слоем по верху земляного полотна.

Гидроизолирующие прослойки. Применяется при пучении, где источником переувлажнения грунтов являются атмосферные осадки, при полном переустройстве дорожной одежды с устройством основания из крупнозернистых материалов. Данная конструкция позволяет перехватить воду, поступающую через дорожную одежду и обочины, снизить влажность рабочего слоя земляного полотна и повысить его несущую способность.

Также этот способ может применятся на участках местности с необеспеченным поверхностным стоком при высоком уровне стояния подземных вод. Данная конструкция может применятся при полном переустройстве рабочего слоя земляного полотна, позволяет уменьшить толщину морозозащитного слоя за счет снижения влажности грунта рабочего слоя земляного полотна.

Армирующие прослойки. Армирующие прослойки применяются для повышения несущей способности земляного полотна на пучинистых участках автомобильных дорог. Применение армирующих прослоек возможно при полном переустройстве конструкции дорожной одежды с целью устройства необходимого дренирующего, морозозащитного слоя.

Армирующую прослойку укладывают непосредственно на грунт земляного полотна. Применение прослоек позволяет уменьшить толщину морозозащитного (дренирующего) слоя или уменьшить толщину конструктивных слоев дорожной одежды за счет увеличения прочностных характеристик грунта земляного полотна, а также позволяет уменьшить толщину морозозащитного (дренирующего) слоя за счет устранения заиливания материала этого слоя. Возможно применение в сочетании с другими мероприятиями по повышению несущей способности земляного полотна, в том числе и при устройстве теплоизолирующего слоя.

ВЫВОДЫ. Описанные выше мероприятия укрепления и усиления дорожного полотна являются типовыми. Они не устраняют проблему регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог полностью, так как не учитывают особенностей того или иного района, поэтому применение любого из мероприятий к конкретной автомобильной дороге должно учитывать местные климатические условия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ветров М.П. О необходимости учета влияния параметров просеки дороги на её состояние. ИГТУ, - Иркутск. 2007. - 5 с.

2. Башкловкин А.В., Шевченко Р.О., Черепанов Б.М. Мероприятия по усилению дорожного земляного полотна под воздействием пучинистых грунтов и их анализ./Материалы НТК-2007 Алтайского государственного технического университета, г. Барнаул, АлтГТУ. 2007. –С. 27 – 29.