Дорожно-строительная классификация грунтов

Грунты, используемые в дорожном строительстве, подразделяются в соответ­ствии с СТБ 943:

1.Грунты для верхней части земляного полотна. При этом следует дополнительно подразделять в соответствии с Пособием Д2-01 «Проектирование земляного полотна авто­мобильных дорог» по:

a) составу (пылевато-глинистые и осадочные несцементированные грунты);

b) набухаемости (набухающие (< 2), слабонабухающие (2-4), средненабухающие (4-10)

сильнонабухающие (>10) в зависимости от относительной деформации набу­хания, % толщины слоя увлажнения);

c) относительной просадочности (непросадочные (< 2), слабопросадочные (2-7), просадочные (7-12), сильнопросадочные (>12) в зависимости от относительной деформации набухания, % толщины слоя промачивания);

d) склонности к морозному пучению - группы I-V (непучинистый (< 1), слабопучини- стый (1-4), пучинистый (4-7), сильно пучинистый (7-10), чрезмерно пучинистый (>10) в зависимости от относительного морозного пучения образца, %).

2. Грунты для сооружения насыпей и рабочего слоя подразделяются по степени увлажнения:

a) недоувлажненные (менее 0,9И/_о);

b) нормальной влажности (0,9W_o-1,0W_o);

c) повышенной влажности (И/_боп-И/_тал);

d) переувлажненные (свыше lV_max),

где W₀ - оптимальная влажность грунта; W_don - допустимая влажность грунта; W_max - макси­мально возможная влажность грунта при коэффициенте уплотнения 0,9.

3. Пылевато-глинистые грунты по содержанию песчаных частиц по массе и числу пластичности подразделяются на:

a) супесь (легкая крупная, легкая, пылеватая, тяжелая пылеватая);

b) суглинок (легкий, легкий пылеватый, тяжелый, тяжелый пылеватый);

c) глина (песчанистая, пылеватая, жирная).

4.Осадочные несцементированные обломочные грунты по распределению частиц по крупности (в % от массы сухого грунта) для проектирования и сооружения земляного полот­на подразделяются на следующие виды:

- крупнообломочные (валунный, галечниковый и гравийный грунты);

- песчаные (гравелистый, крупный, средней крупности, мелкий, пылеватый).

5. К подгруппе пылевато-глинистых грунтов относятся также лессовидные грунты, ко­торые по числу пластичности делят на супеси, суглинки и глины (грунты с числом пластич­ности более 1, однородные, преимущественно макропористые, содержащие более 50 % ча­стиц размером 0,05-0,005 мм, легко- и среднерастворимые соли и карбонаты кальция).

6.К подгруппе озерных грунтов относят илы - грунты с числом пластичности более 1, представляющие водонасыщенный осадок водоемов, имеющий влажность выше границы текучести и коэффициент пористости более 0,9.

7. Лессовидные грунты и илы делят на виды по коэффициенту пористости.

8. К особым грунтам следует относить: торфяные и заторфованные; сапропели, илы, лессы, мергели, тальковые, глинистые сланцы и сланцевые глины; черноземы; техно­генные грунты (отходы промышленности).

9.К слабым грунтам следует относить связные грунты, имеющие прочность на сдвиг в условиях природного залегания менее 0,075 МПа (при испытании прибором вращательного среза) или модуль осадки более 50 мм/м при нагрузке 0,25 МПа (модуль деформации ниже 5,0 МПа). При отсутствии данных испытаний к слабым грунтам следует относить торф и за­торфованные грунты, илы, сапропели, глинистые грунты с коэффициентом консистенции более 0,5.

10. К дренирующим следует относить грунты, имеющие при максимальной плотности при стандартном уплотнении по ГОСТ 22733 коэффициент фильтрации не менее 0,5 м/сут.

Применительно к использованию для устройства земляного полотна различают следующие видов грунтов:

1) Крупнообломочные скальные грунты - обломки скальных пород, получаемые при искусственной разработке или залегающие в естественных условиях в виде аллювиаль­ных или делювиальных отложений. Различают глыбовые (валунные) и щебенистые (галеч- никовые) грунты. Эти грунты являются хорошим материалом для возведения насыпей, по­скольку они устойчивы против воздействия текущей воды и не поглощают влагу. Однако ис­пользование крупнообломочных скальных грунтов встречает затруднения из-за трудности их уплотнения. Между скальной отсыпкой и дорожной одеждой должен быть устроен переход­ный грунтовой слой толщиной 0,5 м.

2) Гравийные и песчаные грунты водопроницаемы и не склонны к накоплению вла­ги при промерзании. Насыщение водой мало влияет на устойчивость этих грунтов в земля­ном полотне. Песчаные грунты (за исключением мелких пылеватых песков) представляют собой наилучший материал для насыпей, возводимых в неблагоприятных гидрологических условиях - на заболоченных участках и на поймах рек.

3) Супесчаные грунты обладают связностью в сухом состоянии, при увлажнении они сохраняют сопротивление нагрузкам, достаточное для устойчивости земляного полотна. Насыпи из супесчаных грунтов можно устраивать как в сухих, так и в переувлажненных ме­стах.

4) Пылеватые супесчаные грунты, содержащие более 50% частиц диаметром мельче 0,25 мм, менее устойчивы в переувлажненном состоянии. При промерзании они склонны к накоплению влаги и лучению.

5) Пылеватые суглинки и тяжелые пылеватые супеси, содержащие большое ко­личество фракций размером 2,0-0,05 мм, особенно подвержены процессам зимнего влаго- накопления и пучинообразования. В откосах земляного полотна эти грунты легко размыва­ются и приходят в текучее состояние. Поэтому на дорогах с усовершенствованными капи­тальными типами покрытии верхнюю часть земляного полотна из пылеватых суглинков в неблагоприятных гидрологических условиях заменяют устойчивыми грунтами.

6) Суглинистые грунты являются хорошим материалом для земляного полотна. Они хорошо сопротивляются размыву и устойчивы в откосах. В пойменных суглинистых насыпях движение воды, ранее проникшей в насыпь, может вызвать гидродинамическое давление, приводящее к обрушению откосов.

7) Глинистые грунты обладают значительной связностью и очень малой водопро­ницаемостью, в связи с чем они медленно насыщаются водой и столь же медленно просы­хают. Эти грунты применяют, если их влажность в условиях естественного залегания не превышает оптимальную, для отсыпки насыпей в сухих местах и в местах, увлажняемых на короткое время.

8) Торфы, образующиеся при отмирании болотной растительности, характеризуются значительной сжимаемостью и влагоемкостью. Использование их в земляном полотне не допускается, за исключением случаев укладки сильно волокнистых торфов в нижнюю часть насыпи на пересечениях торфяных болот на дорогах с переходными и низшими типами по­крытий.

9) Илистые грунты, сапропели и органо-минеральные в условиях естественного залегания отличаются значительной влажностью и малым сопротивлением сдвигу. Высох­шие грунты при повторном увлажнении быстро теряют связность и могут приходить в плы­вунное состояние. Допускается при условии ряда ограничений оставлять их в основаниях насыпей с обязательной проверкой устойчивости.

9.4.  Требования к плотности и влажности грунтов

Чтобы в теле насыпи не возникало просадок от уплотнения под действием собственно­го веса, давления проезжающих автомобилей и попеременного увлажнения и просыхания, пористость грунта должна соответствовать напряжениям, действующим внутри насыпи. Напряжения от собственного веса грунта возрастают пропорционально глубине расположе­ния рассматриваемого слоя от поверхности покрытия. Внешняя нагрузка создает напряже­ния, затухающие на некоторой глубине от поверхности. При невысоких насыпях напряжения от транспортных нагрузок распространяются на подстилающий грунт и могут вызывать его уплотнение и просадку насыпи. В нижней части подталкиваемых водой насыпей могут дей­ствовать капиллярное давление, а также напряжения, развивающиеся при усадке грунта во время его просыхания после спада высоких вод.

Для определения необходимой степени уплотнения грунтов высоту насыпи разделя­ют на несколько зон. Требуемая степень уплотнения грунта в каждой из зон назначается в соответствии с действующими в ее пределах напряжениями и водно-тепловым режимом грунта. Требования к уплотнению грунтов земляного полотна нормируют по значению плот­ности скелета грунтов 8_П, которую выражают в долях от максимальной стандартной плот­ности Smax, соответствующей так называемому стандартному уплотнению, выполняемому в лаборатории при оптимальной влажности грунта. Отношение S,/S_max называют коэффици­ентом уплотнения.

Оптимальной влажностью называют влажность, при которой необходимое уплот­нение грунта может быть достигнуто при меньшей работе на уплотнение по сравнению с другими влажностями. Эта влажность близка к среднему значению влажности грунта в ре­зервах в период выполнения земляных работ.

Требования к уплотнению грунтов:

1) в верхнем слое насыпи («рабочий слой») толщиной до 1,5 м и в пределах зоны се­зонного промерзания в выемках и основаниях низких насыпей до глубины 1,2 м действуют статические и динамические напряжения от проезжающих автомобилей, а также интенсивно протекают процессы увлажнения и просыхания грунта в круглогодичном цикле изменения водного режима земляного полотна. Уплотнение грунтов в этой зоне должно соответство­вать для связных грунтов давлению внутренних сил, вызывающих усадку, а для супесей, легких суглинков и песков - как статическим, так и динамическим напряжениям от проезда автомобилей;

2) в средних слоях насыпей на расстоянии до 6 м от бровки при отсутствии подтопле­ния и ниже слоя сезонного промерзания в выемках водный режим грунта относительно по­стоянен, а напряжения от внешней нагрузки и собственного веса грунта меньше, чем в ра­бочем слое. В пределах этой зоны может быть допущена несколько меньшая степень уплотнения грунта, чем в верхних слоях;

3) для нижних слоев насыпей на глубине от бровки более 6 м, где грунт при кратковре­менных подтапливаниях может подвергаться капиллярному увлажнению и последующему просыханию, к степени уплотнения грунтов предъявляются требования, близкие к требова­ниям к верхним слоям насыпей;

4) в насыпях на участках, подтапливаемых водой длительное время, нижние слои, постоянно расположенные ниже уровня воды, работают в условиях сжатия под влиянием веса вышерасположенных слоев насыпи и внешней нагрузки. В них устанавливается сте­пень уплотнения, соответствующая компрессионной зависимости.

5) В связи с различием в условиях работы грунтов в разных слоях насыпи и в зависимо­сти от типа укладываемой на нее дорожной одежды требования к коэффициенту уплотне­ния насыпей меняются от 0,92 до 1,0 (табл. 22 СНиП 2.05.02-85).

9.5. Дорожно-кпиматическое районирование

Природные условия района строительства дороги характеризуются комплексом погод- но-климатических факторов с учетом деления территории Республики Беларусь на три до- рожно-климатических района в соответствии с табл. 9.2 и рис. 9.5.

Внутри районов в зависимости от рельефа, почвенно-грунтовых, геологических и гид­рологических условий выделяют участки местности по характеру и степени увлажнения, делящиеся на три типа: 1 - сухие участки; 2 - сырые участки с избыточным увлажнением в отдельные периоды года; 3 - мокрые участки с постоянным избыточным увлажнением.

Характеристика выделенных участков приведена в табл. 9.3.

 

Табл. 9.2. Дорожно-климатические районы

Дорожно­ климатические районы	Примерные гео­графические гра­ницы	Краткая характеристика дорожно-климатического района
1	2	3
1 Северный	Севернее линии Поставы - Бори­сов - Кричев	Распространяется в пределах Поозерского оледенения, характеризуется холмисто-моренным рельефом, относительно прохладным климатом с сум­мой градусо-дней мороза 614-808, средней годовой температурой воздуха 4)4-5)3°С) годовым количеством осадков 750-860 мм и возможностями испа­рения, не превышающими 600 мм в год

2 Централь ный	Южнее границы 1- го района до ли­нии Щучин - Ста- робин - Гомель	Распространяется в пределах Сожского оледенения, занимает Белорусскую гряду и прилегающие к ней возвышенное плато, равнины и гряды, климат мягкий, с суммой градусо-дней мороза 387-740, средней годовой темпера­турой 5,3-6,5°С, годовым количеством осадков 650- 750 мм и возможностя­ми испарения порядка 635 мм в год
3 Южный	Южнее границы 2- го района	Распространяется в пределах Днепровского оледенения, занимает Полес­скую низменность, характеризуется равнинным, сильно пониженным, забо­лоченным рельефом, климат теплый с суммой градусо-дней мороза 319- 646, средней годовой температурой воздуха 6,5-7,4°С, годовым количеством осадков 600-650 мм, и возможностями испарения 650-700 мм в год

 

 

Рис. 9.5. Дорожно-климатическое районирование Беларуси: 1 - северный, влажный; 2 - централь­ный, умеренно-влажный: 3 - южный, неустойчиво-влажный

 

Табл. 9.3. Типы местности по характеру и степени увлажнения Тип местности Источники увлажнения Характерные признаки 1. Сухие участки Атмосферные осадки Поверхностный сток обеспечен. Подземные воды не оказыва­ют влияние на увлажнение грунтов. Почвы без признаков за­болачивания 2. Сырые участки Кратковременно стоящие (до 30 сут) поверхностные воды; атмосферные осадки Поверхностный сток не обеспечен. Рельеф местности равнин­ный. Весной и осенью возможен застой воды на поверхности. Подземные воды не оказывают влияния на увлажнение грун­тов. Почва с признаками заболачивания 3. Мокрые участки Грунтовые или длительные (более 30 сут) поверхност­ные воды; атмосферные осадки Источники увлажнения оказывают влияние на увлажнение почв и грунтов независимо от условий поверхностного стока. Почвы заболоченные Примечания. 1. Подземные воды не оказывают влияния на увлажнение верхней толщи грунтов в случае, если их уровень в предморозный период залегает ниже глубины промерзания не менее, чем на 2,0 м при глинах, суглинках тяжелых пылеватых и тяжелых; на 1,5 м - в суглинках легких пылеватых и легких, супесях тяжелых пылеватых и пылеватых; на 1,0 м - в супесях легких, легких крупных и песках пылеватых. 2. Поверх­ностный сток считается обеспеченным при уклонах поверхности грунта в пределах полосы отвода более 2%о.

 

9.6. Водно-тепловой режим земляного полотна и способы его регулирования

Под водно-тепловым режимом земляного полотна понимают характер изменения во времени влажности и температуры грунта под воздействием погодно-климатических факто­ров, влияющих на рабочий слой. Изменение влажности и температуры сопряжено (обуслав­ливает интенсификацию) со вторичными процессами:

1) набуханием и усадкой;

2) морозным пучением;

3) просадкой при оттаивании;

4) просадкой при замачивании;

5) изменением плотности;

6) изменением прочностных и деформационных характеристик грунта.

В конечном итоге через вторичные процессы водно-тепловой режим оказывает влия­ние на изменение прочности дорожной одежды, ее ровности и долговечности.

Насыщение земляного полотна дороги влагой - крайне опасное явление, так как при этом сильно снижается прочность дорожной одежды и устойчивость откосов насыпей и вы­емок. Вода может попадать в земляное полотно двумя путями: просачиваясь с поверхности и поднимаясь по капиллярам и в виде паров и пленок от уровня грунтовых вод.

Источниками увлажнения земляного полотна являются:

1) выпадающие атмосферные осадки;

2) приток воды от дождей и таяния снега со склонов местности;

3) капиллярное поднятие от уровня грунтовых вод;

4) конденсация водяных паров из воздуха;

5) перемещение пленочной влаги по поверхности грунтовых частиц.

В зависимости от климатического района, местных условий и времени года обычно преобладают те или иные причины увлажнения земляного полотна.

Количество влаги W, находящееся в земляном полотне, не остается в течение года постоянным и изменяется за определенный промежуток времени согласно уравнению вод­ного баланса W = (А + В + С) - (D + Е + F), где А - осадки, выпадающие на земляное полот­но; В - просачивание воды, притекающей с прилегающей к дороге местности; С - приток во­ды от уровня грунтовых вод по капиллярам, а также в результате пленочного и парообразно­го перемещения влаги; D - сток воды с земляного полотна; Е - испарение влаги с поверхно­сти грунта; F - просачивание воды из земляного полотна в глубинные слои грунта.

В годовом цикле изменения влажности грунтов земляного полотна различают следую­щие периоды. I - первоначальное накопление влаги осенью в результате просачивания в грунт дождевых осадков; II - промерзание земляного полотна и зимнее перераспределение влаги; III - оттаивание земляного полотна и весеннее переувлажнение грунта; IV - летнее просыхание земляного полотна.

На изменения водного режима земляного полотна, помимо атмосферных осадков, зна­чительное влияние оказывают колебания температуры в течение года, создающие в теле земляного полотна температурные градиенты.

В процессе замерзания в теле земляного полотна создается разность температур в пределах от 4-6°С выше нуля у уровня грунтовых вод до отрицательных температур в про­мерзшем верхнем слое грунта. Под влиянием разности температур влага начинает переме­щаться от теплого грунта к границе промерзания.

Существует несколько путей перемещения воды в промерзающем грунте:

1) перемещение влаги по пленкам, обволакивающим грунтовые частицы, от более теплых частиц к более холодным, которые обладают большей поверхностной энергией;

2) путем конденсации на поверхности охлажденных грунтовых частиц водяных паров, приносимых содержащимся в грунте воздухом из теплых нижних слоев при конвекционной циркуляции в порах грунта. Парообразное перемещение влаги прекращается при влажности грунта, близкой к капиллярной влагоемкости, когда капилляры начинают замыкаться коль­цами менисков воды;

3) по тонким капиллярам, из которых незамерзающая вода всасывается в мерзлую часть грунта к центрам кристаллизации.

В пределах промерзшей толщи грунта вода в капиллярах замерзает при температуре минус 0,2°С. При понижении температуры ниже 0°С вода, замерзая, образует в отдельных крупных порах кристаллы льда.

Количество воды, подтянутой к растущим ледяным кристаллам, бывает тем боль­шим, чем дольше продолжается процесс постепенного промерзания грунта, т. е. чем более длительный период времени температура какого-либо слоя грунта находится в пределах от О до минус 3°С. При быстром промерзании грунта количество влаги, которое успевает по­дойти к каждому центру кристаллизации, невелико, так как по мере опускания границы про­мерзания в грунте возникают новые центры кристаллизации, к которым направляется поток влаги. Горизонты накопления ледяных прослоек обычно соответствуют периодам оттепелей, когда границы промерзания удерживаются на одном уровне.

Растущие ледяные кристаллы, заполняя поры, имеющиеся в грунте, образуют ледя­ные прослойки, которые раздвигают грунтовые частицы и вызывают поднятие (пучение) грунта (рис. 9.6), приводящее к появлению взбугриваний. При весеннем оттаивании грунта сопротивление оттаявшего сильно увлажненного грунта земляного полотна нагрузкам резко снижается. На дорогах, где дорожная одежда имеет недостаточную прочность, возникают характерные деформации, связанные с проломами дорожной одежды (весенние пучины).

Рис. 9.6. Увеличение глубины промерзания и вспучивания грунта в течение зимнего периода: 1 - вспучивание покрытия; 2 - промерзание грунта земляного полотна; 3 - линзы льда; 4 - оттаи­вание грунта; 5 - дорожная одежда; 6- грунт земляного полотна

 

Сопротивление, оказываемое весом расположенных выше слоев грунта, затрудняет накопление льда и противодействует образованию ледяных прослоек. Поэтому с увеличе­нием глубины промерзания интенсивность образования в грунте ледяных кристаллов уменьшается. Глубину, на которой кристаллы практически перестают образовываться, называют критической глубиной промерзания.

Процесс перемещения влаги и ее накопление в мерзлом грунте наиболее интенсивно протекает в пылеватых грунтах с большим содержанием частиц размером от 0,05 до 0,002 мм. В этих грунтах поверхность грунтовых зерен достаточно развита, чтобы обеспе­чить подтягивание к центрам кристаллизации большого количества пленочной воды. Поры грунта также достаточно крупны, чтобы в них происходило и парообразное перемещение влаги.

В грунтах с большим содержанием глинистых частиц вода перемещается замедленно, поскольку в тончайших порах глинистых грунтов вязкость связанной воды очень велика, а микроструктура грунтов создает значительные сопротивления для перемещения влаги.

В зависимости от источников увлажнение земляного полотна может происходить по одной из трех схем.

1. Сухие местности с обеспеченным стоком поверхностных вод, глубоким залеганием уровня грунтовых вод и относительно малым количеством осадков;

2. Районы с достаточным количеством осадков и затрудненным стоком воды от земляного полотна.

3. В местностях с близким от поверхности стоянием уровня грунтовых вод (посто­янно сырые места) осеняя влажность грунта может быть принята равной капиллярной влагоемкости грунта.

Источники увлажнения верхних слоев земляного полотна и продолжительность их дей­ствия зависят от гидрологических условий и климата. Методы расчета количества воды, поступающей в верхние слои земляного полотна во время промерзания, дают принципиаль­ную возможность рассчитать наиболее рациональное из экономических соображений воз­вышение бровки земляного полотна.

Принципиальные основы этой методики заключаются в следующем.

Сопротивление грунта нагрузкам зависит от его влажности. Чем большее количество влаги проникнет в верхние слои земляного полотна в зимний и весенне-осенний периоды, тем сильнее снижается прочность грунта, а, следовательно, требуется более мощная до­рожная одежда.

Чем выше насыпь, тем больше путь перемещения воды, проникающей в промерзаю­щую зону, и, следовательно, меньше весенняя влажность. При этом уменьшается стоимость дорожной одежды, но увеличиваются затраты на сооружение земляного полотна. Наиболее рациональна высота насыпи, при которой стоимость строительства дороги является наименьшей. Определенные из таких соображений минимальные возвышения бровки зем­ляного полотна для условий Беларуси приведены в табл. 9.4.

Таблица 9.4. Минимальные возвышение поверхности бровки земполотна над уровнем воды Грунт насыпи Песок мелкий, супесь легкая Песок пылеватый, супесь пылеватая Супесь легкая, суглинок тяжелый, глины Супесь тяжелая пылеватая, суглинки легкие и тяжелые пылеватые hmin, М 1,1/0,9 1,5/1,2 2,2/1,6 2,4/1,8

Примечание. В числителе - наименьшее допустимое возвышение поверхности дорожной одежды над уров­нем грунтовых или длительно застаивающихся (более чем 30 сут) поверхностных вод; в знаменателе - то же над поверхностью земли на участках с необеспеченным водоотводом или над уровнем кратковременно стоящих поверхностных вод.

Необходимое возвышение земляного полотна обусловлено также высотой снежного покрова. Чтобы не происходило заносов дороги во время метелей, земляное полотно долж­но возвышаться над снеговым покровом. Считается, что в открытой местности возвышение бровки земляного полотна над уровнем снегового покрова, определенным по данным ме­теорологических станций, при вероятности превышения 5%, должно быть не менее:

категория дороги                    I    II   III IV  V;

возвышение бровки, м          1,2 0,7 0,6 0,5 0 ,4.

На водно-тепловой режим земполотна влияют следующие природные факторы:

1. рельеф местности, обусловливающий применяемые при выборе трассы продоль­ные уклоны и необходимость развития линии по склонам, обхода заболоченных и затапливаемых мест. От рельефа местности зависит количество воды, притекаю­щей к малым мостам и трубам. Водно-тепловой режим земляного полотна в горной и сильно пересеченной местностях зависит от экспозиции склонов, по которым проложена дорога;

2. геологические условия, характеризующие степень устойчивости горных пород в районе проложения трассы;

3. климатические условия, оказывающие особенно большое влияние на условия экс­плуатации дорог. К ним относятся а плитуда и скорость колебания температуры, максимумы и минимумы температуры, количество осадков и испарение, направле­ние и скорости ветров, мощность снегового покрова, глубина промерзания. Клима­тические условия часто ограничивают продолжительность строительного сезона или требуют применения специальных способов производства работ, удорожаю­щих и осложняющих их выполнение;

4. гидрологические и гидрогеологические условия, характеризующиеся количеством выпадающих осадков, условиями стока и испарения воды, толщиной снегового покрова и интенсивностью весеннего таяния, глубиной залегания грунтовых вод и особенностями их режима, режимом рек и ручьев.

Все эти условия подлежат учету при проектировании водоотвода и при выборе конструкции земляного полотна.

При оценке влияния природных факторов на условия строительства и последующей работы автомобильной дороги следует учитывать обратную зависимость - изменение при­родных условий в результате строительства дороги. Так, например, вырубка древесно­кустарниковой растительности на полосе отвода и расчистка придорожной полосы способ­ствуют ее осушению, более глубокому промерзанию грунта зимой и более быстрому оттаи­ванию весной.    Пересечение болота насыпью, сжимающей торф, может прервать просачи­вание грунтовых вод и изменить процесс заболачивания

Для сопоставления климатических условий района проложения дороги в отдельные периоды года строят график климатических характеристик (дорожно-климатический график), на котором отмечают годовое изменение температуры, количество выпадающих осадков, глубину промерзания и высоту снегового покрова и другие характеристики, которые могут оказаться полезными при конструировании элементов дороги и организации строи­тельства.

Сущность учета водно-теплового режима при проектировании земляного полотна заключается в том, чтобы при возникающем в конструкции водно-тепловом режиме обеспе­чить заданную прочность и устойчивость (стабильность) рабочего слоя. При этом могут быть реализованы два принципа проектирования:

1. проектирование, исходя из заданного тем или иным способом уровня прочности и стабильности рабочего слоя (например, уровня, обеспечивающего возможность применения заданной типовой конструкции дорожной одежды);

2. проектирование конструкции рабочего слоя совместно с конструкцией дорожной одежды в целях оптимизации проектного решения.

Для создания в процессе эксплуатации сооружения оптимального водно-теплового ре­жима необходимо его регулирование. Наиболее простой метод регулирования предусмат­ривает выполнение одновременно трех условий:

1. применение в пределах рабочего слоя грунтов, обладающих повышенной устойчи­востью к воздействию погодно-климатических факторов;

2. обеспечение требуемой степени уплотнения этих грунтов;

3. обеспечение требуемого возвышения земляного полотна над расчетным уровнем подземных и поверхностных вод или над уровнем земли (на участках местности 3-го типа).

При выполнении указанных трех условий специальных расчетов водно­теплового режима не требуется. При невозможности или нецелесообразности выпол­нения всех трех условий необходимость и характер специальных мероприятий по учету вод- но-теплового режима устанавливают в результате расчетов (раздел 6 Пособия П2-01).

К специальным мероприятиям по регулированию водно-теплового режима относят конструктивно-технологические решения, предусматривающие:

1. ограничение увлажнения от различных источников (повышение требований к обо­чине и разделительной полосе, увеличение поперечных уклонов, устройство боковых канав (кюветов), гидроизолирующих и капилляропрерывающих прослоек, дренажей глубокого за­ложения);

2. улучшение свойств грунта в верхней части рабочего слоя (улучшение зернового со­става грунтов, укрепление их вяжущими);

3. отвод воды (устройство прослоек, дренажей мелкого заложения);

4. регулирование теплового режима (устройство теплоизолирующих слоев).

Снижение увлажнения земляного полотна за счет повышения требований к обочине и

разделительной полосе достигается:

1. присыпкой обочин и разделительной полосы дренирующими песчаными грунтами;

2. устройством лотков, водосборных колодцев и поперечных труб, способствующих отводу поверхностных вод за пределы проезжей части и уменьшающих накопление влаги в активном слое земляного полотна;

3. укреплением верхней части обочин и разделительной полосы.

При невозможности поднять бровку земляного полотна до указанной высоты посто­янство водного режима верхней части земляного полотна может быть обеспечено устрой­ством внутри земляного полотна изолирующих прослоек, прерывающих перемещение влаги, при обеспечении отвода воды от дождей и таяния снега. Это создает благоприятный водный режим верхней части земляного полотна, хотя грунт, расположенный ниже прослойки, будет при этом оставаться переувлажненным.

Изолирующие прослойки бывают двух видов (рис. 9.7):

1. гидроизолирующие - прерывающие все виды перемещений влаги - капилляр­ное, пленочное и парообразное (рис. 9.7а). Их устраивают из синтетических нетканых мате­риалов (геотекстиля), обработанных органическими вяжущими материалами для придания водонепроницаемости. Ранее для этой цели использовали также грунт (3-8 см), обработан­ный битумом или другими гидрофобными материалами, полиэтиленовую пленку, толь;

2. капилляропрерывающие - прерывающие только капиллярное поднятие (рис. 9.76). Их устраивают из крупнозернистых, хорошо фильтрующих материалов (гравия, щебня или гравелистого песка). Толщина этих прослоек обычно не менее 15-20 см и должна превышать высоту капиллярного поднятия. Чтобы не происходило заиливания материала прослоек вымываемыми водой более мелкими частицами грунта, прослойки необходимо изолировать сверху и снизу слоями обыкновенного (водопроницаемого) геотекстиля или, по крайней мере, слоями грунта с частицами промежуточной крупности (супесь, мелкий гра­вий), задерживающими мелкие частицы.

Рис. 9.7. Прослойки земляного полотна: 1 - щебень; 2 - крупнозернистая прослойка; 3 - противо- заиливающие прослойки; 4 - уровень грунтовых вод; 5 - слой грунта, обработанного органически­ми вяжущими материалами, или прослойки водонепроницаемых синтетических материалов; 6 - возвышение над горизонтом поверхностных вод не менее 0,2 м

 

Гидроизолирующие прослойки устраивают под дорожной одеждой на всю ширину зем­ляного полотна, чтобы не допустить увлажнения от атмосферных осадков, проникающих под дорожную одежду или на глубине не менее 1,2 м от верха покрытия, но не ниже 0,2 м от по­верхности земли. Если увлажнение рабочего слоя происходит от всех трех источников увлажнения (осадки, грунтовые и поверхностные воды), то устраивают две гидроизолирую­щие прослойки, заключая грунт в верхней части земляного) полотна в обойму (рис. 9.76).

Капилляропрерывающие прослойки устраивают для ограничения притока влаги в верхние слои земляного полотна от грунтовых или поверхностных вод на глубину не менее 1,2 м от верха покрытия и не менее 0,2 м над уровнем грунтовых вод.

Гидроизолирующие и капилляропрерывающие прослойки необходимо предусматри­вать:

1. при целесообразности снижения высоты насыпи на отдельных участках дороги;

2. для снижения объема земляных работ;

3. для уменьшения толщины морозозащитного и дренирующего слоя;

4. для уменьшения мощности основания дорожной одежды за счет увеличения рас­четных показателей грунтов земляного полотна, имеющих более низкую влажность.

Окончательное решение о применении гидроизолирующих и капилляропрерывающих прослоек принимают на основании технико-экономического расчета.

Применяемые прослойки должны соответствовать действующим нормативным документам и отвечать следующим требованиям:

- выдерживать без повреждения нагрузки, возникающие при укладке и уплотнении вышележащих слоев, а также при движении автомобилей по дороге;

- противостоять воздействию неравномерного морозного пучения и осадки грунтов без разрывов и проломов;

- не изменять существующих свойств при различной степени влагонакопления и тем­пературе;

- не заиливаться, не подвергаться разрушающему воздействию микроорганизмов и агрессивных вод;

- их устройство должно быть технологичным.

Прослойки предусматриваются:

- в основании насыпей на слабых грунтах;

- в теле насыпей для повышения устойчивости откосов;

- в качестве защитного фильтра в дренажных конструкциях;

- в качестве дрен, обеспечивающих отвод воды из водонасыщенного массива грунта;

- как разделяющая прослойка на контакте слоев грунта или зернистых материалов с различным гранулометрическим составом (препятствующая перемешиванию мате­риалов слоев);

- в основании технологических проездов на грунтах с низкой несущей способностью.

Наряду с заменой глинистого грунта в верхней части рабочего слоя земляного по­лотна на менее пучинистый, могут применяться мероприятия по улучшению свойств грунта путем введения гранулометрических добавок, обработкой вяжущими и другими материала­ми. В качестве вяжущих могут применяться наряду с битумом, цементом, известью, отходы и побочные продукты промышленности (зола уноса, цементная пыль, шлаки и др.).

Для отвода воды, поступающей сверху от атмосферных осадков и снизу от грунтовых вод, применяют дренирующие прослойки. Рекомендуется также применение прослоек, сов­мещающих функции дренирования, разделения вышележащих слоев дорожной одежды и грунтов, а также армирования земляного полотна и снижения неравномерности пучения.

Дренирующие прослойки укладывают непосредственно под дорожную одежду по всей ширине земляного полотна с выпусками полотнищ на откосы или в дренаж на 0,5-1,0 м. Их устраивают из нетканых синтетических материалов (геотекстиля), способных фильтровать воду в поперечном направлении в плоскости холста. Коэффициент фильтрации таких мате­риалов должен быть не ниже 30 м/сут с учетом заиливания.

Для устройства теплоизолирующих слоев применяют материалы с более эффектив­ными теплоизолирующими свойствами, чем у грунтов и обычных дорожно-строительных ма­териалов.

При близком залегании грунтовых вод или при длительно застаивающихся поверх­ностных водах рекомендуется использовать материалы с низким коэффициентом теплопро­водности, например, пенопласт, позволяющий при небольшой толщине слоя (до 10-15 см) полностью предотвратить промерзание грунтов земляного полотна и уменьшить миграцию влаги в верхние слои рабочего слоя в зимний период, исключить морозное пучение грунтов. В других случаях могут быть использованы легкие бетоны, теплоизоляционные композиции из укрепленных вяжущим местных материалов (грунтов) или отходов промышленности, за­полнителей (перлит, аглопорит, гранулы полистирола и измельченные отходы пенопласта, керамзит и др.), которые способствуют снижению глубины промерзания земляного полотна и уменьшению неравномерности морозного пучения.

При использовании для строительства насыпей грунтов различного состава и свойств необходимо соблюдать определенные правила размещения их в теле насыпи, обеспе­чивающие устойчивость земляного полотна (рис. 9.8):

Рис. 9.8. Размещение в земляном полотне водонепроницаемого и водопроницаемого грунтов (точ­ками показан водопроницаемый грунт, штриховкой - водонепроницаемый)

 

1. верхний слой земляного полотна («рабочий слой»), на который передается давле­ние от проезжающих транспортных средств, до глубины 1,2 м от поверхности цементобе­тонных и 1,0 м асфальтобетонных покрытий во II дорожно-климатической зоне (Беларусь) должен состоять из грунтов, не подверженных пучению или слабопучинистых грунтов.

2. разнородные грунты следует размещать в теле насыпи горизонтальными слоями. Менее водопроницаемые грунты располагают в нижних слоях, хорошо дренирующие - в верхних. Исключением являются случаи, когда дренирующий грунт предназначен для пре­рывания капиллярного поднятия воды в насыпь из переувлажненного основания.

3. поверхностям слоев водонепроницаемых грунтов необходимо придавать двухскат­ный поперечный профиль с уклоном 20-40%о, что способствует стоку из насыпи просачива­ющейся воды; из слоев водопроницаемых грунтов должен быть обеспечен вывод воды на откосы.

4. грунты и промышленные отходы, подверженные изменениям объема или теряющие устойчивость при увлажнении, следует располагать в средней по высоте части насыпей, пе­ремежая их отдельными тонкими прослойками песка или фильтрующих нетканых синтети­ческих материалов - геотекстиля. Насыпи в виде замкнутого ядра из одного грунта, при­крытого сверху и с боков другим грунтом, допускаются лишь при уширении земляного по­лотна при реконструкции дорог. Не разрешается уширение водонепроницаемым грунтом насыпей, построенных из дренирующего грунта.

5. воспрещается бессистемная, случайная отсыпка различных по свойствам грунтов. При такой отсыпке в теле насыпи могут образоваться линзы, в которых может скапливаться вода или наклонные поверхности, по которым при увлажнении возможно оползание.

9.7.  Оценка устойчивости земляного полотна

Насыпь, возведенная на косогоре, может сползти вниз, если направленная парал­лельно косогору составляющая ее веса окажется больше силы трения, удерживающей насыпь на месте (рис. 9.9).

Рис. 9.9. Силы, действующие на насыпь на косогоре

 

Мероприятия по повышению устойчивости насыпей на косогорах сводятся к увели­чению значения коэффициента трения f. При поперечном уклоне местности от 1:10 до 1:5 из-под насыпи обязательно удаляют дерн. При поперечном уклоне местности от 1:5 до 1:3 на поверхности косогора устрагивают уступы высотой 0,5 м.

Разделка косогора ступенями преследует цель заменить недостаточное сопротивле­ние скольжению грунта по поверхности косогора более высоким сопротивлением срезу насыпного грунта по той же поверхности. При этом предполагается, что грунт косогора настолько прочен, что срез может произойти только по сечению насыпного грунта. На косо­горах, сложенных из песков или слабосвязных щебенистых грунтов, устройство уступов не достигает цели. В подобных случаях, а также при уклоне местности более 1:3, для обеспе­чения устойчивости насыпи необходимо возводить подпорные стены или отсыпать контр­банкеты.

Если насыпь возведена на наклонных напластованиях, залегающих на устойчивых горных породах, подстилающий грунт в результате нагрузки от веса насыпи может оползти. Аналогичное явление может наблюдаться при подрезании откосом выемки наклонных слоев грунта.

При этом проверка устойчивости сводится к выделению в оползающей части массива в соответствии с очертаниями поверхности скольжения вертикальных отсеков таким образом, чтобы основание отсека можно было принять прямолинейным, и к оценке устойчивости каж­дого из отсеков под влиянием собственного веса и передающегося давления смежных отсе­ков. Каждый отсек рассматривается как затвердевший массив.

Насыпи, возведенные на слабых основаниях (торфах, сапропелях, илах, мокрых со­лончаках, лессовых грунтах, переувлажненных глинистых грунтах и др.), могут значительно проседать из-за уплотнения грунта основания и его выжимания в стороны из-под насыпи. Деформации чаще всего происходят в период строительства или вскоре после возведения насыпи, но в некоторых случаях могут возникать и во время последующей эксплуатации, например при длительной стоянке тяжелых транспортных средств на насыпях, отсыпанных на болоте, или в результате застоя воды около насыпей на просадочных грунтах.

К слабым относят грунты, которые теряют устойчивость под действием собственно­го веса в откосах выемок типового поперечного профиля и под давлением насыпей в их ос­нованиях, а также претерпевают значительные и медленно протекающие осадки. К их числу относят грунты, имеющие при угле внутреннего трения ср, близком к нулю, сопротивление сдвигу не более 0,075 МПа, и модуль деформации Е < 5,0 МПа.

Зависимость между давлением на грунт и его просадкой в общем виде выражается кривой, представленной на рис. 9.10а.

Рис. 9.10. Зависимость между нагрузкой и деформацией: а - кривая зависимости между нагрузкой и деформацией: б - деформация насыпей на слабом грунте, соответствующие разным фазам ин­формации; 1 - 1-я фаза (уплотнение); 2 - 2-я фаза (уплотнение и боковые сдвиги); 3 - 3-я фаза

 

(резкая просадка, вызываемая боковым выпиранием грунта основания) (стрелками показано пре­имущественное направление перемещения грунта при деформации)

На этой кривой могут быть выделены участки, характеризующие разные фазы процес­са деформации. В пределах участка ОА зависимость между нагрузкой и деформацией близ­ка к прямолинейной, здесь происходит преимущественно сжатие подстилающего грунта. При дальнейшем возрастании нагрузки в отдельных точках подстилающего грунта касатель­ные напряжения начинают превышать его сопротивление сдвигу. В этих местах возникают пластические деформации (деформации сдвига). По мере возрастания давления число та­ких мест увеличивается, осадка насыпи растет и начинается выжимание из-под нее грунта, сопровождающееся образованием бугров по бокам насыпи и ее просадкой.

При проектировании насыпей на слабых основаниях в зависимости от назначения насыпей предусматривают работу оснований в следующих фазах:

- в первой фазе деформаций - насыпи на дорогах с капитальными цементобетонными и асфальтобетонными покрытиями (расчет на полное отсутствие сдвигов в основании);

- в начальном периоде второй фазы - деформации насыпей на дорогах с покрытиями облегченных типов (ограничение распространения сдвигов заданным значением);

- в конечном периоде второй фазы - струенаправляющие и регуляционные сооруже­ния, дороги местного значения с покрытиями переходных типов (условия, близкие к пре­дельному равновесию).

Напряжения в грунте основания, вызываемые нагрузкой от насыпей, определяют по формулам теории упругости для бесконечной гибкой полосы, загруженной в поперечном се­чении по закону трапеции.

Для повышения устойчивости насыпей против выпирания слабых грунтов в основа­нии предусматривают ряд мероприятий:

1. уменьшение собственного веса насыпи, что достигается возведением ее из легких материалов (керамзита, котельного шлака или торфа), сооружением ячеистой насыпи из тощего бетона на легком щебне, в котором устроены воздушные прослойки путем закладки поперек насыпи пластмассовых труб, или уменьшением высоты насыпи с устройством в ней гидроизоляционных прослоек;

2. увеличение коэффициента заложения откосов до 1:5-1:10, что снижает касатель­ные напряжения в грунте основания;

3. отсыпка рядом с насыпью вдоль ее откосов берм, вес которых противодействует выжиманию боковых призм подстилающего грунта;

4. прокладка дороги на эстакаде и передача веса насыпи на плотный подстилающий грунт через свайное основание;

5. отсыпка насыпи на жесткий настил, равномерно распределяющий давление насыпи на большую площадь и препятствующий неравномерному погружению насыпи в грунт с максимумом в середине. Считают, что при этом прочность основания увеличивается на 10-20%. Некоторое повышение жесткости нижней части насыпи и противодействие не­равномерному погружению грунта насыпи в подстилающий грунт достигается также устрой­ством под насыпью прослойки из нескольких слоев прочного синтетического материала - геотекстиля. Сопротивление заведенных в тело насыпи на достаточное расстояние концов полос геотекстиля препятствует образованию выпуклого очертания подошвы насыпи, спо­собствующей ее погружению в слабое основание с выжиманием грунта в стороны;

6. уменьшение толщины слоя слабого грунта путем удаления его верхней части на основе расчета;

7. предварительное (до отсыпки) осушение основания в случае возможности отвода воды в сторону или с применением иглофильтров. Этим повышаются сцепление и внутрен­нее трение грунта, а уплотнение основания под действием собственного веса протекает бо­лее быстро;

8. постепенное замедленное возведение насыпи с учетом нарастания прочности сла­бого грунта по мере его уплотнения с выжиманием воды весом насыпи. Эффективным сред­ством ускорения осадки является устройство вертикальных дрен.

Целесообразность применения того или иного способа должна быть основана эконо­мическим сравнением с наиболее распространенным и испытанным решением - удалени­ем слабого грунта и отсыпкой насыпи на расположенный ниже плотный грунт. Если насыпь на слабом основании устойчива против выпирания, должна быть рассчитана ее осадка для оценки дополнительных объемов земляных работ, необходимых для компенса­ции сжатия.

На практике для приближения формы откоса к очертанию устойчивого откоса при­меняют переменную крутизну его на разных участках по высоте или, сохраняя постоянную крутизну, вводят бермы (рис. 9.11).

Рис. 9.11. Поперечные профили высоких насыпей: а - с переменной крутизной откосов; 6 - с введе­нием берм; 1 - берма

 

Бермы уменьшают скорость стекания по откосу дождевых и талых вод, предотвращая его размывание. Они облегчают также ремонт и содержание откосов, позволяя осматривать их, подвозить и складывать материалы для ремонта.

Наблюдения показали, что откосы насыпей обрушиваются по поверхностям, кото­рые без существенных искажений могут быть приняты как круглоцилиндрические. Для проверки устойчивости откосов задаются положением ряда поверхностей скольжения и определяют коэффициенты устойчивости сползающих частей откосов насыпи. Поверхность скольжения проводят через подошву откоса, не заглубляя в подстилающий грунт, если насыпь возведена на плотном основании. Если основание под насыпью мягкое водонасы­щенное и малосвязное (ср<8°), должны быть исследованы также кривые, захватывающие ос­нование и выходящие за подошву насыпи. Затем находят коэффициент устойчивости для всего откоса из соотношения сумм моментов сил, удерживающих и сдвигающих выделенные призмы относительно оси поверхности скольжения. Его значение должно быть больше до­пустимого (обычно 1,15-1,30).

Расчет осадки насыпей от сжатия подстилающего грунта сводится к суммирова­нию деформаций отдельных слоев от вертикальных напряжений. При слабых грунтах про­исходит и частичное выдавливание грунта в сторону, создающее дополнительную осадку, но способы точного учета этого явления еще не разработаны.

При расчетах осадки насыпей сжатие грунтового основания вычисляют в пределах ограниченного по глубине слоя грунта (активной зоны), условно принимая, что сжатие грунта прекращается на глубине, на которой напряжения, вызываемые весом насыпи, становятся менее 0,2 от давления собственного веса грунтового основания.

При подсчете давления от собственного веса грунта для слоев, расположенных ниже уровня грунтовых вод, а также в зоне полного капиллярного водонасыщения грунта ниже уровня менисков, учитывается взвешивающее действие воды. В этом случае плотность грунта приближенно принимают равной 1,0 г/см³.

Осадку определяют суммированием деформаций отдельных слоев грунта, в преде­лах которых напряженное состояние и характеристики деформации грунта (модуль дефор­мации, параметры компрессионной зависимости) могут быть приняты постоянными. При этом фактическая эпюра распределения давления заменяется ступенчатой (рис. 9.12). Тол­щина выделяемых слоев не должна превышать 0,4 ширины насыпи понизу.

Рис. 9.12. Расчетная схема вычисления осадки от сжатия грунта под насыпью: 1 - геологический разрез; 2 - кривая напряжений от собственного веса грунта; 3 - кривая напряжений от веса насы­пи; 4 - замена кривой напряжений ступенчатой эпюрой; 5 - эпюра относительного сжатия грун­та; Н - первоначальная толщина сжинаемой толщи; Hi - толщина сжимаемой толщи, уточненная с учетом уплотнения расположенных ниже слоев грунта

   Если относительное сжатие нижнего слоя превышает 0,1% (1,0 мм на 1,0 м толщины грунта), расчет продолжают, учитывая деформацию нижерасположенных слоев грунта.

Для насыпей, отсыпанных на торфяном основании, необходимо учитывать возмож­ность упругих колебаний насыпей при проезде автомобилей. Эти колебания могут вызвать образование трещин в покрытиях и их быстрое разрушение.

Считается, что упругая деформация оставленного под насыпью слоя торфа не должна превышать 0,5 см. Для этого отношение толщины насыпного слоя грунта к толщине остав­ленного под насыпью слоя слабого грунта Н должно быть: не менее 2 (при Н = 1,0 м); 0,5 (при Н = 6 м) для одежд капитального и облегченного типов и соответственно 1,2 и 0,4 - для одежд переходного типа.

Уплотнение водонасыщенных грунтов под насыпью протекает замедленно. Ско­рость деформации зависит от коэффициента фильтрации грунта, которая может колебать­ся в широких пределах. Так, например, для торфов в зависимости от их состава и степени разложения коэффициент фильтрации составляет от 10"³ до 10"⁷ см/с.

Скорость осадки сооружений на торфяных и илистых основаниях может быть опреде­лена по формулам теории уплотнения во времени водонасыщенных грунтов (теории филь­трационной консолидации). Эта теория в ее простейших формулировках рассматривает за­медленное во времени сжатие водонасыщенного грунта, происходящее в результате выжи­мания воды давлением внешней нагрузки. При этом предполагается, что напряжения в сжи­маемом слое постоянны по глубине, а нагрузка передается через большую площадку, меньшая из сторон которой в 3-4 раза превышает толщину сжимаемого слоя. Вода выжима­ется по кратчайшему расстоянию в вертикальном направлении и удаляется через песчаное дно или песчаную насыпь.

Осадка насыпи должна прекратиться за период строительства до начала укладки по­крытия. Для ускорения этого процесса в зависимости от местных условий можно применить один из следующих приемов:

1.  увеличить глубину выторфовывания, что уменьшит толщину сжимаемого слоя;

2.  осушить болото, что приведет к уплотнению торфа силами капиллярного давления и увеличению коэффициентов трения и сцепления;

3. применить способ перегрузки, который заключается в том, что вначале отсыпают высокую насыпь с крутыми откосами или укладывают на нее дополнительный слой грунта. Увеличение давления насыпи на грунт вызывает в этом случае более быстрое протекание осадки. Перед укладкой покрытия насыпь разравнивают до проектной отметки;

4. устроить вертикальный дренаж в виде буровых скважин, засыпанных крупнозерни­стым песком, или лент пористых материалов, расположенных в плане через 1,5-3 м, в шах­матном порядке или по квадратной сетке. На сильно разложившихся торфах или илах дре­нажи могут ускорить осадку насыпей в 20-25 раз. Вертикальные дрены получили широкое распространение при мощности слабых оснований более 5-6 м;

5. устроить под земляным полотном продольные дренажные песчаные прорези на расстоянии 1,8-2,4 м, что возможно при мощности торфа, поддающейся разработке экскава­торами (Н < 4 м). При этом необходимо, чтобы грунт основания мог сохранять вертикальные стенки в период до заполнения выкопанных траншей песком.

 

---

Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 38; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!