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

АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПРОТИВОПУЧИННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОДНО-ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ КАЗАХСТАНА

Дороги – визитная карточка страны, одна из основ ее экономической жизни /1/. Так же, как все человечество, которое всегда стремилось создать вечный двигатель, дорожники во всем мире мечтали о дорожном покрытии с бесконечным сроком службы. Однако и первое, и второе пока остается несбыточной мечтой.

Все дорожные покрытия рано или поздно разрушаются. Вопрос только в том – когда? Очевидно, что в первую очередь это зависит от конструкции дорожной одежды. Тому, как сделать ее более долговечной, посвящены многочисленные руководства по проектированию.

Множество факторов, которые воздействуют на дорожную одежду, рано или поздно приводят к появлению дефектов на дорожном покрытии. Наиболее распространенным видом дефектов являются трещины.

Проникновение через трещины внутрь дорожного покрытия воды – важнейшая причина его преждевременного разрушения, поскольку увлажнение покрытия неизменно приводит к потере прочности. Это происходит по нескольким причинам:

· Увеличение давления в порах асфальтобетона, из-за которого уменьшается внутреннее трение и, как следствие, снижается сдвигоустойчивость;

· Всплывание частиц, приводящее к уменьшению рабочей массы и снижению трения между частицами;

· Набухание почвы, вызывающее увеличение перепадов в покрытии;

· Появляющееся в результате чередования морозов и оттепелей пучение дорожных одежд.

Температурные колебания и чередования морозов и оттепелей могут усугубить сложившуюся ситуацию. Проблема проникновения воды внутрь покрытия другими путями должна быть также решена, чтобы обеспечить необходимый дренаж и водонепроницаемость покрытия. Другими источниками проникновения воды являются:

· Трещины и стыки, в том числе в соседних, не имеющих покрытия областях или через примыкающие негерметичные участки;

· Лужи по краям дороги;

· Избыточный объем стока воды с лесопосадок или газонов и прямое попадание воды с обочин в основание;

· Засорившиеся, треснувшие и лопнувшие дренажные трубы или трубы водоснабжения;

· Покрытия, устроенные в выемках без обеспечения дренажа;

· Недостаточный уклон дорожного полотна, способствующий скоплению воды на его поверхности.

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.

Общеизвестно, что одним из путей удешевления дорожного строительства является более широкое использование местных строительных материалов, в частности грунтов. При этом особо важное значение приобретает совершенствование методов проектирования с всесторонним учётом и использованием природных факторов, влияющих на устойчивость дороги.

Подсчитано, что каждый рубль, вложенный в строительство дорог, приносит три рубля отдачи. Президент Рузвельт, выстраивая в 30-е годы рыночные отношения, даже урезал расходы на содержание государственного аппарата и армии и пустил сэкономленные средства на развитие дорожной сети. Аналогично поступили в свое время Пиночет и Энзейхауэр. В Германии, Японии, Корее, Чили государственные инвестиции в дорожное строительство остаются одним из приоритетных направлений в развитии экономики. В материалах слушаний в профильном подкомитете Конгресса США содержится весьма поучительная информация по поводу того, как законодатель отверг попытки отвлечь средства дорожного фонда (roadmoney) на цели финансирования военных расходов Правительства в период Вьетнамской войны и операции "Буря в пустыне". Мотив отказа сводился к тому, что автовладельцы - налогоплательщики доверили дорожные деньги Правительству страны исключительно с целью содержания и развития дорожной сети.

Восточный Казахстан "сделан" из неудачного материала. 64% всех грунтов — так называемые связные, то есть грунты с примесью глины или целиком состоящие из таковой. А глины и суглинки имеют такую особенность: они хорошо набирают и плохо отдают влагу. Подпочвенные воды подсасываются по рыхлостям и пустотам слоев грунта прямо под дорожное полотно и с первыми морозцами замерзают. Давление замерзающей в замкнутой системе воды достигает 2000 кг/см²! И происходит то, что специалисты называют "морозным пучением", — асфальт трескается. А весной верхний слой грунта непосредственно под асфальтом размораживается, обводняется, теряет несущую способность. И колеса грузовиков просто проламывают или продавливают асфальт над пустотами.

Морозное пучение - увеличение объёма промерзающих влажных грунтов вследствие кристаллизации в них воды, образующей ледяные прослойки, линзы и т. д., и разуплотнения минеральных частиц. Наиболее подвержены морозному пучению глинистые породы, поскольку их морозное пучение зависит не только от собственной влажности, но и от миграционной влаги, поступающей в промерзающий грунт из смежных немёрзлых зон /2/.

Деформации морозного пучения - результат воздействия на конструкцию так называемых нормальных и касательных сил. Значительное увлажнение пучинистых грунтов приводит к тому, что при замерзании они увеличиваются в объеме намного больше, чем грунты с меньшей влажностью. Это влечет за собой возрастание уровня деформаций, и, как следствие, необходимость более серьезной защиты фундаментов от воздействия сил морозного пучения.

При промерзании грунта можно выделить три слоя: сверху — замерзающий грунт, снизу — талый и между ними — динамический слой. Эта система в холодное время года находится в движении и изменяется в зависимости от притока холода сверху. В переходном слое протекают фазовые изменения воды и возникают силы морозного пучения, опасные для полотна автомобильных дорог.

Анализ состояния дорог Юго - Востока Казахстана позволил установить, что несущая способность грунтов при прочих равных условиях снижается, как правило, в годы неблагоприятного сочетания метеорологических факторов, определяющих процесс влагонакопления в земляном полотне и основаниях дорожных одежд.

При нарушении водно-теплового режима резко снижается прочность грунта земляного полотна, что приводит к необратимым деформациям дорожных одежд. Поэтому обеспечение стабильного водно-теплового режима автомобильных дорог является одной из основных задач научно-технического прогресса в дорожном строительстве. Нарушение водно-теплового режима приводит к необратимым деформациям дорожных сооружений. В результате экономика региона несёт прямые потери от затрат на восстановление автомобильных дорог и огромные косвенные потери от невостребованности грузов и значительного удорожания автомобильных перевозок.

Для предотвращения проявления сил морозного пучения или их максимального уменьшения в ходе эксплуатации автомобильных дорог нужно осуществлять постоянный уход за их земляным полотном: не допускать срезки грунта с обочин; сохранять в исправном состоянии обочины; исключать скопление воды у дорожной конструкции, а тем более подтопление земляного полотна; проводить другие меры, предусмотренные инструкцией по эксплуатации автомобильных дорог.

Потеря несущей способности грунта в период весенней распутицы явление обусловленное наличием неблагоприятного сочетания природно- климатических условий.

Стохастический характер этого процесса не позволяет однозначно устанавливать сроки ограничения автомобильной нагрузки на автомобильные дороги в период весенней распутицы. Сам этот период зависит от многих факторов. Изменчивость климатических условий на территории региона, тенденция климата к потеплению предопределяют вероятностную оценку рассматриваемого процесса.

Во всем мире сталкиваются с проблемой защиты дорожного полотна от постоянного воздействия внешней среды. Промерзание и вспучивание грунта – одна из самых существенных причин повреждения дорожного покрытия. В районах сезонного промерзания грунтов на участках дорог, находящихся в неблагоприятных грунтово-гидрологических условиях, наряду с требуемой прочностью должна быть обеспечена достаточная морозоустойчивость дорожных одежд и земляного полотна.

В зависимости от источников переувлажнения грунтов предлагаются следующие мероприятия по улучшению водно-теплового режима и повышению несущей способности земляного полотна.

На отдельных участках дороги, проходящей в выемках, при глубине их ниже водоносного горизонта приходится прорезать водоносный слой /3/. Если не принимать предохранительных мер, то вода из водоносного слоя будет стекать по откосу в выемку, что приведет к сползанию откоса и переувлажнению земляного полотна и дорожной одежды. В целях перехвата грунтовой воды устраивают перехватывающий дренаж. Конструкция дренажа включает основной элемент – дренажную трубу, укладываемую на грунтощебеночную или из гравийной смеси подушку. Для дренажа применяют гончарные, асбестоцементные, пластмассовые, из пористого беспесчаного бетона и другие аналогичного типа трубы. Внутренний диаметр труб 50 – 300 мм, длина зависит от типа и массы труб.

Строительство такого дренажа целесообразно проводить до сооружения выемки.

При расположении уровня грунтовых вод под земляным полотном и возможном переувлажнении слагающих его грунтов капиллярной водой возникает необходимость строительства глубоких дренажей для понижения уровня грунтовых вод в пределах земляного полотна.

Необходимость устройства глубокого дренажа должна быть обоснована всесторонними изысканиями, исследованиями и технико-экономическими расчетами.

Основная особенность строительства дренажа— это расположение дрен под боковыми канавами. При таком их расположении строительство дренажа возможно как до строительства насыпи, так и после ее возведения. Необходимо учитывать, что дренажные трубы приходится укладывать на глубине 2,5—3 м. Это определяет название дренажа — глубокий и создает трудности по его осуществлению. В остальном работы не отличаются от работ по строительству перехватывающих дренажей.

При расположении дороги на местности со II и III типом увлажнения в целях снижения возможного переувлажнения верхней части земляного полотна и дорожной одежды за счет поднятия парообразной и капиллярной воды устраивают водопаронепроницаемые и капилляропрерывающие слои.

Водопаронепроницаемые слои устраивают на всю ширину земляного полотна или в целях экономии материалов на ширину проезжей части с превышением ее с каждой стороны на 0,5 м. Водонепроницаемые слои устраняют доступ не только парообразной и капиллярной влаги, но и влаги в любом ее виде. Водонепроницаемые слои можно строить из местных супесчаных грунтов, обработанных органическими вяжущими материалами. Помимо обработки местного грунта, проводят строительство водонепроницаемого слоя толщиной 3—3,5 см из доставленной с загона готовой горячей асфальтобетонной смеси IV марки, или из гидроизола. Наилучшее решение — это расстилка синтетической пленки толщиной до 1 мм достаточно прочной и устойчивой. Такие пленки вырабатывает промышленность для придания водонепроницаемости стенкам и дну гидротехнических каналов. Поверх спланированного земляного полотна расстилают рулоны пленки с перекрытием стыков на 10 – 20 см; по краям пленку приподнимают кверху на 20 -30 см.

Капилляропрерывающие слои располагают в насыпях на всю ширину на глубине, считая от бровки, равной 1 м. Назначение этих слоев — создать преграду для подъема капиллярной воды. Их устраивают из гравия или щебня, не обладающих способностями к капиллярному поднятию в них воды. Попадающие вместе с капиллярной водой частицы грунта могут привести к заиливанию капилляропрерывающих слоев и потери их способности. Поэтому снизу и сверху капилляропрерывающих слоев располагают противозаиливающие слои.

Противозаиливающие слои строят из топочных шлаков, чистых каменных высевок, отходов асбестовой промышленности, торфа с малой зольностью и других местных материалов, обладающих требуемыми свойствами и не подвергающихся гниению. При современных материалах противозаиливающие слои укладывают из слоя любого геотекстиля.

После окончания работ по строительству капилляропрерывающего слоя поверх него продолжают отсыпку грунта для верхней части земляного полотна. При строительстве вышеперечисленных слоев земляного полотна не следует допускать проезда грузовых автомобилей по готовым капилляропрерывающим слоям.

В результате строительства водонепроницаемых и капилляропрерывающих слоев достигают сохранения грунтов в верхней части земляного полотна с пониженной влажностью. Это предохраняет дорожную одежду от повышенного пучинообразования. За счет повышения модуля деформации грунта верхнего слоя можно снижать толщину дорогостоящих слоев дорожной одежды.

Дренирующие слои из песка впервые применены в прошлом столетии при строительстве щебеночных и гравийных покрытий. Для отвода воды из дренирующих слоев устраивали под обочинами поперечные воронки, заполненные песком.

Опыт показал, что в весенний период грунт и песок этих воронок, находясь в замерзшем состоянии, не пропускают воду из дренирующего слоя. Учитывая этот опыт, устраивают дренирующие слои трех видов.

В тех случаях, когда вся поступающая в дренирующий слой вода может разместиться в его порах, дренирующий слой устраивают по принципу объемного поглощения. Эти слои располагают только под дорожной одеждой без устройства из них выпусков. Вода в дренирующем слое с некоторым запасом его по толщине на высоту капиллярного поднятия не оказывает вредного воздействия на дорожную одежду.

Для снижения толщины дренирующего слоя за счет увеличения объема пор и возможного выхода воды из него в типовых проектах для дорог I — III категорий предусмотрены дренирующие слои на всю ширину земляного полотна.

В целях сокращения расхода материала на дренирующий слой, а также для уменьшения его толщины при обеспечении выхода излишков воды применяют дренирующие слои первого типа с выпуском из них воды трубчатыми воронками.

Наиболее распространенным материалом для дренирующих слоев является песок. Чем крупнее песок и меньше в нем пылевато-глинистых частиц, тем выше его фильтрующие и водоотводящие свойства. Из него можно строить слои меньшей толщины с меньшим расходом материалов.

Песчаные дренирующие слои постепенно заиливаются мелкоземом под действием капиллярного поднятия воды. Возможно их заиливание сверху при проникании воды через грунтовую обочину. Это вызывает необходимость устраивать сверху и снизу песчаных дренирующих слоев противозаиливающие слои, что значительно увеличивает их стоимость.

Возвышение бровки над уровнем грунтовых вод или над поверхностью земли при затрудненном водоотводе обеспечивается путем устройства земляного полотна в насыпи или путем понижения уровня грунтовых вод. Возвышение бровки повышает модуль деформации грунта полотна вследствие обеспечения более благоприятных гидрологических условий грунтового основания и ускоряет просыхание грунта в период оттаивания. В то же время возвышение бровки земляного полотна предохраняет дорогу от снежных и песчаных заносов.

Теплоизолирующие слои применяют в целях улучшения водно-теплового режима за счет уменьшения глубины промерзания земляного полотна, чем достигают снижение высоты капиллярного поднятия воды и уменьшения переувлажнения верхней части земляного полотна. Одновременно со снижением глубины промерзания уменьшается толщина дорожной одежды и получается экономия дорожно-строительных материалов.

Можно совместить задачу получения прочной и теплоизолирующей одежды. Так, опытные работы разных исследователей показали, что при строительстве дорожной одежды из одного слоя асфальтобетона толщиной до 30—40см, обладающего теплоизолирующими свойствами, водно-тепловой режим земляного полотна из суглинистого грунта улучшается и не наблюдается переувлажнение его верхнего слоя.

Специальный материал для теплоизолирующих слоев должен обладать низкой теплопроводностью, незначительной сжимаемостью, однородностью, малой водонасыщаемостью (не более 10%), которая не изменяется в течение срока службы дорожных одежд и не подвергается воздействию микроорганизмов. Кроме того, материал должен быть недорогим и несложным в укладке. Такими материалами могут быть: жесткий пенопласт, изготовленный на основе высокополимерных смол, в частности, полистирол плотностью 30—60 кг/м3 и водонасыщением до 10% (реже 20%); пено- и газобетон со стальной арматурой; пенослой, получаемый путем вспучивания смол, например, полиуретановых или фенолформальдегидных.

Их недостаток в том, что на дорожных одеждах с теплоизолирующими слоями легче возникает гололед и держится дольше.

В настоящее время на основе перечисленных материалов появились новые разработки, такие как плиты из экструзионного пенополистирола «Пеноплекс». В составе дорожной конструкции плиты «Пеноплекс» представляют своего рода температурный барьер между слоями земляного полотна и находящимися внизу грунтами. Применение «Пеноплекс» позволяет грунтам всегда находиться в зоне положительных температур, пучинистый грунт не промерзает и, как следствие, не вызывает пучения. Пожалуй, самое главное приемущество, – это возможность использования в верхней части земляного полотна местных пучинистых грунтов без их замены. На основании сопоставления показателей различных материалов сделан вывод о том, что в конструкции земляного полотна 1 см материала «пеноплекс» по теплозащитной функции эквивалентен 30 см песка.

Важным противопучинным мероприятием является защита земляных оснований и окружающего конструкцию автомобильной дороги грунта от избыточного увлажнения и промерзания: нельзя допускать повышения влажности грунта в зоне 5 м около дорожной конструкции, а также создавать условия, способствующие промерзанию земляного основания.

Значительное увлажнение пучинистых грунтов приводит к тому, что при замерзании они увеличиваются в объеме намного больше, чем грунты с меньшей влажностью. Это влечет за собой возрастание уровня деформаций, и, как следствие, - необходимость более серьезной защиты земляного полотна автомобильных дорог от воздействия сил морозного пучения. Одним из путей уменьшения активности пучинистых грунтов является устройство дренажа, позволяющее понизить влажность грунта за счет снижения уровня грунтовых вод.

Большинство дорог Восточного Казахстана расположено на территории с суровыми климатическими условиями /4/. Это сказывается как на износе дорожной одежды, который приводит к ее разрушению, так и на качестве эксплуатации. Одним из главных «врагов» дорожных одежд в таких условиях является морозное пучение грунтов, слагающих насыпь автодорог. Такие явления могут занимать обширные пространства, измеряемые квадратными километрами, или небольшие площади, измеряемые квадратными метрами. Поэтому вопрос борьбы с силами морозного пучения встал очень остро. Ежегодно на ремонт автодорог повреждённых в результате действия сил уходят не малые денежные средства, что весьма сказывается на бюджете Республики Казахстан. Около 90% средств, отпускаемых на оздоровление земляного полотна дорог, расходуются на борьбу с пучением. Поэтому сейчас в актуальности данной проблемы не приходится сомневаться.

Проектирование мероприятий по укреплению пучинистых участков дороги следует начинать с установления требований по прочности и морозоустойчивости дорожной одежды на таких участках. Для установления этих требований нужно иметь следующую информацию: количество пучинистых участков на 1 км дороги и их суммарную протяженность, коэффициенты прочности дорожной одежды и сроки ее усиления на здоровых (непучинистых) участках дороги. На основе этой информации назначают тип требований к пучинистому участку дороги.

В настоящее время одним из традиционных мероприятий по предотвращению пучинообразования является устройство утолщенных подстилающих слоев из морозоустойчивых, незагрязненных обломочных каменных материалов, песков и шлаков /4/. Однако такие слои, по существу, лишь заменяют морозоопасный грунт, требуют большого расхода материалов и существенных транспортных расходов по доставке их к месту строительства дороги. Кроме того, со временем происходит их заиливание, и подстилающие слои перестают выполнять свои функции.

Поэтому весьма актуальными являются исследования методов защиты земляного полотна и дорожных одежд от морозных повреждений за счет применения сравнительно тонких слоев из материалов с хорошими теплоизоляционными качествами.

Теплоизоляционные слои применяются в дорожных конструкциях для исключения или снижения глубины промерзания грунтов земляного полотна до величины, допускаемой из условия пучинообразования поверхности дорожной одежды.

До настоящего момента в опытных конструкциях дорожных одежд ученые применяли в качестве теплоизоляционных слоев различные материалы (пенополистирольные плиты, торфоплиты, каменные материалы, легкие бетоны на пористых заполнителях, а также нетрадиционные материалы – влажные древесные отходы, термоукрепленные грунты). Сравнительно часто используемые пенополистирольные плиты все же имеют ряд технических недостатков: они обладают низкой прочностью, в связи с чем устраиваются в нижних слоях конструкции; требуют больших затрат на нивелировку получаемой поверхности и сложны в технологическом исполнении.

В настоящее время исследуется вопрос о целесообразности применения легкого бетона на керамзитовом гравии с наличием демпфирующей добавки при строительстве теплоизоляционных слоев оснований дорожных одежд.

Такие бетоны по назначению относятся к конструктивно-теплоизоляционным. Наличие демпфирующих добавок обуславливает меньшую среднюю плотность и большую пористость в сравнении с обычным керамзитобетоном, улучшает структурообразование. Подобные добавки гасят внутренние напряжения и позволяют повысить трещиностойкость в конструктивном слое из керамзитобетона.

Дополнительные слои из подобных материалов обеспечивают требуемую по расчету прочность или морозостойкость дорожной одежды, а также предохраняют земляное полотно от глубокого промерзания, что очень актуально в условиях континентального климата.

Выводы: в зависимости от выявленных причин повреждения дорожной одежды на пучинистом участке дороги необходимо назначать следующие мероприятия по улучшению водно-теплового режима земляного полотна:

- устройство по перехвату и отводу воды, поступающей с верховой стороны по слоям дорожной одежды из зернистых материалов, при наличии затяжных продольных уклонов и обратных уклонов (поперечные дрены);

- устройство по устранению влияния поверхностных вод на влажность грунтов рабочего слоя на участках с необеспеченным поверхностным стоком (бермы, уположенные откосы, экраны, кюветы);

- устройство по устранению влияния подземных вод на влажность грунтов рабочего слоя на участках с верховодкой и близким залеганием грунтовых вод (дренажи глубокого заложения, гидроизолирующие и капилляропрерывающие прослойки);

- устройство по уменьшению глубины промерзания земляного полотна

(теплоизолирующие слои из пенопласта);

- замена пучинистых грунтов (песком, гравием и другими непучинистыми материалами).

ЛИТЕРАТУРА

1. Райнхольд Д. Современные технологии содержания асфальтобетонных дорог./Каталог-справочник «Дорожная техника 2006»

2. Шушакова О.Ю., Вяткина Е.И. Особенности строительства и эксплуатации зданий и сооружений на пучинистых грунтах./Материалы НТК-2007 Алтайского государственного технического университета, г. Барнаул, АлтГТУ. 2007. –С. 1-2.

3. Гребенькова Н.В., Черепанов Б.М. Мероприятия по обеспечению устойчивости земляного полотна при его возведении на пучинистых грунтах и их анализ./Материалы НТК-2007 Алтайского государственного технического университета, г. Барнаул, АлтГТУ. 2007. –С. 21 – 24.

4. 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.

5. Гранкин С.А., Меренцова Г.С. Улучшение теплоизоляционных конструктивных слоев дорожных одежд./Материалы 2-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Секция «Строительство», часть 1. АлтГТУ, г. Барнаул. 2005. – С. 19 – 20.

6. Касымов А.Е., Касымова Ж.М., Телтаев Б.Б. Обзор и анализ существующих противопучинных мероприятий автомобильных дорог Восточного-Казахстана./8-ая Республиканская научно – техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученных, посвященная 50-летию ВКГТУ им. Д. Серикбаева./«Творчество молодых – инновационному развитию Казахстана», г. Усть-Каменогорск 22-24 апреля 2008г. часть 3.

7. Касымов А.Е., Дудкин М.В., Сакимов М.А., Касымова Ж.М., Речицкий С.В., Зависимость морозного пучение дорожного основания от степени его уплотнения дорожными катками./EFEKTIVNI NASROJE MODERNICH VED – 2008./ Praha 03 - 15 kvetna 2008 roku.