5.1 Фильтрация в дренирующем слое дорожной одежды Анисимов п.В., Мевлидинов з.А., Гайлитис д.И., Кусачёва т.В.

(БГИТА, г. Брянск, РФ)

В статье представлены результаты изучения фильтрации воды в дренирующем слое дорожной одежды, её влияние на деформации грунтового основания и способы отвода воды.

The article presents results of study of water filtration in the layer of the pave-ment, its influence on deformation of soil Foundation and methods for water drainage.

При увлажнении дорожной конструкции возрастают деформации грунтового основания и разрушение дорожных одежд, что в свою очередь обуславливает снижение скорости движения автомобилей, повышенный выброс в атмосферу вредных продуктов сгорания топлива и загрязнение окружающей природы. Настоящая работа направлена на снижение вредного воздействия автомобильной дороги на природную экосистему.

Вода в верхние слои земляного полотна поступает по капиллярам, в виде пленок по грунтовым частицам, и в виде пара. Наиболее интенсивным периодом поступления грунтовой воды в верхние промерзающие слои земляного полотна является зимний. При понижении температуры, накопившаяся в верхних слоях земляного полотна вода переходит в лед с увеличением объема на 9%. Увеличение объема может вызвать образование пучин - открытых (активных) в виде поднятия покрытия и закрытых (пассивных), которые при увеличении объема воды вызывают локальные деформации грунта, уплотняя его. При этом дорожная одежда не деформируется. В весенний период при оттаивании объем льда при переходе в воду уменьшается с образованием пустот. При нагрузках от проезжающих автомобилей в дорожной одежде могут образовываться деформации понижения в виде чаш прогибов. Следует отметить, что при проектировании более мощных дорожных одежд пассивные пучины будут основными.

Для снижения притока грунтовой воды в верхнюю часть земляного полотна признано наиболее целесообразным возвышать земляное полотно над уровнем грунтовой или поверхностной воды на безопасную для капиллярного поднятия или других видов миграции высоту. Для отвода воды из дорожной одежды предусмотрено устраивать дренажные слои.

В работе [2] было показано, что предусмотренные СНиП 2.05.02-85 нормы возвышения земляного полотна над источником увлажнения не всегда могут предохранить земляное полотно от переувлажнения. Речь идет о так называемом напорном механизме капиллярной миграции грунтовой воды в земляное полотно. Движущей силой напорного механизма является давление поверхностной или грунтовой воды, создаваемое фронтом промерзания воды или водонасыщенного грунта на прилегающей придорожной полосе. Высота возможного капиллярного поднятия грунтовой воды значительно больше, чем возвышение земляного полотна, установленное СНиП [1].

В настоящей работе рассматриваем деформации дорожной конструкции, обусловленные в основном изменением водного режима земляного полотна. В то же время дорожная одежда подвергается деформациям и по другим причинам. Основными из них являются температурные деформации в асфальтобетоне, вызванные повышением или понижением температуры, образование отраженных трещин в асфальтобетоне на некоторых видах оснований, износ покрытий и материалов оснований дорожных одежд.

В эксплуатации дороги проявляется четкая зависимость инфильтрации воды через дефекты покрытия, переувлажнения грунтового основания дорожной одежды, снижение его несущей способности (модуля упругости) и, как следствие, новые еще большие деформации одежды с образованием новых трещин. Последние дадут большее поступление воды в дорожную одежду и земляное полотно при очередном выпадении дождя.

Целью настоящей работы является анализ механизмов увлажнения земляного полотна и конструктивных решений по отводу воды из дорожной конструкции.

Среди специалистов дорожников бытует мнение, что увлажнение земляного полотна в летний период не сказывается на изменении прочности грунтового основания дорожной одежды. Объяснение этого положения состоит в том, что в летний период дожди, как правило, кратковременные, а дорожная конструкция вследствие высокой температуры воздуха быстро просыхает (после выпадения осадков), не снижая прочности грунтового основания.

При поверхностном рассмотрении этого вопроса все вышесказанное выглядит вполне убедительно, если не учитывать механизмы взаимодействия воды и грунта, механизмы уплотнения и разуплотнения, в которых важнейшую роль играют поверхностные пленки воды на грунтовых частицах.

Разуплотнение грунта – это результат нарушения связей между грунтовыми частицами, которое сопровождается увеличением расстояния между ними. Краткий анализ теории разуплотнения грунта позволяет выделить следующие основные положения [1].

Первое – заполнение пор грунта водой или образование «толстых» гидратных пленок на грунтовых частицах. При последующем замораживании воды и увеличении в объеме в 1,09 раза частицы грунта раздвигаются, в результате чего происходит разуплотнение грунта.

Второе направление, развитое Ю.М. Васильевым, основано на энергети-ческой стабильности грунтов. Если грунт характеризуется меньшей, чем оптимальная, влажностью, то при переуплотнении он будет в дальнейшем разуплотняться. Объясняется это расклинивающим давлением водно-коллоидных пленок на минеральные частицы. Эта теория является основополагающей и дает представление о процессах набухания грунта и его разуплотнения.

Третье направление расклинивающего действия воды в глинистых грун-тах, развитое в работе [1], основано на циклическом изменении температуры и образовании «молекулярного» вакуума в молекулярной вакуумной полости в зоне контакта частиц при понижении положительных температур.

После того, как вода профильтровалась через песчаные дренирующие слои и достигла грунтового основания дорожной одежды, сложенного суглинистым или супесчаным грунтом, начинается фаза дестабилизации плотности грунта, достигнутой при строительстве. Если на поверхности грунтового основания окажутся неровности в виде углублений, то они будут заполнены водой [2]. С этого периода начинается разуплотнение грунта в соответствии с механизмами, изложенными в работе [1], а затем и набухание.

Таким образом, на части поверхности грунтового основания создаются локальные понижения прочности грунта, характеризуемые модулем упругости, не отвечающим расчетным требованиям при проектировании дорожной одеж-ды. При динамическом воздействии транспортных средств на ослабленных участках грунтового основания на поверхности покрытия появляются деформации в виде небольших чаш прогибов, которые впоследствии будут увеличиваться в размерах. В грунтовом основании произойдут деформации выжимания грунта в дренирующий слой, то есть произойдет взаимопроникновение глинистого грунта в пустоты песчаного или другого материала дренирующего слоя.

При последующих циклах увлажнения деформации грунтового основания будут возрастать, а вместе с ними возрастут и деформации дорожной одежды.

Деформации грунтового основания дорожной одежды происходят по многим причинам [1]. Особый интерес представляют результаты исследовании, приведенные в работе [3], по уплотнению и деформациям грунтов земляного полотна в ряде регионов дорожной сети РФ при эксплуатации автомобильных дорог через 10-20 лег после строительства. Установлено, что чем южнее расположено земляное полотно, тем меньше бытовые плотности грунта. Под проезжей частью бытовые плотности грунтов больше, чем на обочинах в 1,03 раза, что объясняется более высокими нагрузками, передающимися через одежду на земляное полотно.

Анализируя данные, приведенные в работе [3], можно констатировать, что проектные отметки земляного полотна под дорожной одеждой не сохранились и оказались заниженными. Следовательно, при эксплуатации дороги под одеждой образуется корытный профиль грунтового основания, что приводит к нарушению водного режима земляного полотна и одежды [1].

Водоотводящие дренажные устройства, размещенные под обочинами в виде поперечных трубчатых выпусков или фильтрующегося материала, оказываются расположенными выше, чем дно корыта, которое должно быть осушено. Накапливающаяся в корыте вода не находит выхода в поперечном направлении. Вследствие наличия продольных уклонов вода перемещается в корыте в продольном направлении, накапливаясь до уровня бровки корыта на вогнутых участках профиля и на участках затяжных и переменных уклонов.

Таким образом, образование корытообразного профиля грунтового основания под одеждой по отношению к элементам дренажной системы, расположенными под грунтовыми обочинами, можно отнести к одному из главных недостатков в осушении основания одежды.

По причине постоянно действующих колесных нагрузок образуется колейность на покрытии, когда деформации грунта происходят под полосами наката. Образование корытного профиля на грунтовом основании и образование колейности на покрытии представляют собой непоправимые деформации земляного полотна, приводящие к еще большим деформациям от природно-климатических факторов и колесных нагрузок движущегося транспорта.

Ровность покрытия в процессе эксплуатации в значительной степени изменяется из-за неравномерного накопления остаточных деформаций в грунте земляного полотна и конструктивных слоях дорожных одежд. Наезды колес автомобилей на неровности, образованные морозным пучением грунта или в результате действия других механизмов, вызывают дополнительное воздействие колес на покрытие. Величины этих сил зависят от нагрузки колеса на покрытие и характера неровности.

Вполне очевидно, что контуры чаш прогибов в грунтовом основании с некоторым приближением копируют неровности покрытия. Деформации грунта произойдут в первую очередь в местах, где на покрытии образовались трещины, через которые поступает вода и разуплотняет грунт.

Вследствие неравномерного проникновения воды в земляное полотно деформации грунта также не могут быть распределены равномерно по площади грунтового основания. Продольный профиль дна корыта (по площади) может иметь и повышения, и понижения отметок. Следовательно, проникшая в грунтовое основание вода может задерживаться и не иметь возможности фильтроваться в понижения продольного профиля дороги. В поперечном направлении вода также не имеет выхода [2].

Таким образом, отдельные углубления в грунтовом основании, образо-вавшиеся от неровностей на покрытии, изолированы друг от друга и являются ловушками для воды. В таких местах происходит дальнейшее разуплотнение грунта на большую глубину, а, следовательно, и разрушение дорожной одежды. Из изложенного следует, что характер деформаций грунтового основания затрудняет проведение восстановительных работ по ремонту одежд и снижает эффективность такого ремонта.

Осушение верхней части земляного полотна и дорожной одежды осуществляется с помощью дренажных устройств.

Традиционные методы проектирования дренирующих слоев дорожной одежды, разработанные на основе исследований А.Я. Тулаева, подразделяются на три вида: метод размещения воды в дренирующем слое на период запаздывания оттаивания обочин (3-6 суток) с последующим отводом ее на откосы земляного полотна; метод осушения, при котором отвод воды из дренирующего слоя осуществляется продольными дренажными трубами, уложенными по линии кромок покрытия, с последующим отводом с помощью поперечных трубчатых выпусков; метод осушения с периодом запаздывания отвода воды [ОДН 218.046-01].

В первом случае вода, поступающая в дренирующий слой с поверхности одежды и обочин, а также из земляного полотна, за период, когда обочины находятся в мерзлом состоянии, должна быть размещена в пустотах дренирующего слоя. Дорога, как правило, имеет продольные уклоны, поэтому вода в дренирующем слое будет перемещаться в пониженные места и накапливаться на вогнутых участках, а также на участках профиля с небольшими уклонами.

Метод осушения также имеет недостатки. Для нормальной работы дренажных трубок на приемном для воды конце трубы делается фильтрующая обсыпка вначале крупнозернистым, а затем мелкозернистым материалами. При эксплуатации дороги фильтрующая обсыпка дрен заиливается через два-три года и не может справиться с отводом поступающей к ней воды. Заиливаются также и трубы. Кроме того, в весенний период устье поперечной дрены находится в мерзлой обочине, и в ней образуются ледяные пробки, а одностороннее поступление теплого воздуха в дрену делает малоэффективной конвекцию воздуха в трубе и нагревание ее до положительной температуры.

Поскольку оттаивание дорожной конструкции происходит по форме образования вогнутого мерзлого донника, то вода, как и в первом случае, перемещается в пониженные места по дренирующему слою и накапливается на переломах и пониженных участках продольного профиля. Вода заполняет пустоты дренирующего слоя, основание из крупнозернистого материала (при его наличии) и просачивается через трещины на покрытие и обочины.

При проектировании дренирующих слоев но методу осушения применяются слои из материалов с высокими величинами коэффициентов фильтрации. И в этом случае наличие мерзлых обочин не ограничивает перемещение воды по дренирующему слою в места понижения профиля. Таким образом, ни один из рассмотренных методов и конструктивных решений не осушает земляное полотно в наиболее ответственный период весеннего оттаивания. А накопление воды в дорожной одежде приводит к ее деформациям.

Краткий анализ существующих методов осушения земляного полотна дает основание сделать вывод, что все они не отвечают в полной мере своему назначению.

Предлагаемые конструкции дренажа относятся к дорожным конструк-циям по перехвату и отводу воды из дренирующего слоя одежды автомобильных дорог на вогнутых участках продольного профиля и на затяжных уклонах.

Отвод воды с помощью трубчатых воронок: суть его состоит в том, что отвод воды из дренирующего слоя осуществляется продольными дренажными трубами, уложенными по линии кромок покрытия, с последующим отводом с помощью поперечных трубчатых выпусков (воронок). Этот метод осушения имеет следующие недостатки: при эксплуатации дороги фильтрующая обсыпка (на конце трубы) заиливается через два-три года и не может справиться с отводом воды; кроме того, в весенний период устье поперечной дрены находится в мерзлой обочине, и в ней образуются ледяные пробки, а одностороннее поступление теплого воздуха в дрену делает мало эффективной конвекцию воздуха.

Значительно улучшить водные свойства земляного полотна в период весеннего оттаивания может применение поперечных прорезей. Конструкция такого дренажа включает односкатное покрытие, основание из зернистого материала, земляное полотно и односкатный поперечный перехватывающий дренаж с фильтрующими материалами, например, в виде щебня и перфорированной трубы, размещенной ниже дренирующего слоя на ширину дорожной одежды, с односторонним трубчатым выпуском на откос земляного полотна.

Несмотря на повышение эффективности отвода воды из дорожной одежды, такая конструкция имеет недостатки: использование только на участках с односкатным покрытием, затрудняется эксплуатация дренажа в случаях заиливания труб, поскольку трубчатый выпуск дрены выведен только на один откос земляного полотна, а второй конец размещен под дорожной одеждой и промыть такую трубу затруднительно. По этой же причине невозможна эффективная конвекция в трубе теплого воздуха в период весеннего оттаивания.

На кафедре автомобильных дорог БГИТА разработана конструкция поперечного перехватывающего дренажа, которая способна повысить эффективность осушения дренирующего слоя. На основе этой конструкции разработаны новые технические решения по эффективному осушению грунтового основания, которые признаны изобретениями и на них выданы патенты под названием «Дорожная конструкция» - патент на изобретение № 2368719 и «Дорожная конструкция» - патент на изобретение № 2368720, зарегистрированные в Роспатенте 27 сентября 2009 г. Кроме того, на кафедре АД БГИТА разработана дорожная конструкция по сокращению пути фильтрации воды в грунтовом основании дорожной одежды, оформлена заявка на изобретение и принята Роспатентом к рассмотрению.

Заключение

Проведены теоретические исследования водного режима земляного полотна автомобильных дорог на деформированных участках дорожных одежд. Приведены механизмы инфильтрации воды в грунтовое основание как неизбежный фактор его увлажнения и разуплотнения. Опираясь на теоретические исследования, разработаны схемы деформированного состояния грунтового основания в поперечном и продольном сечениях. Сделан вывод, что деформации грунтового основания являются локальными и представляют собой углубления в грунте, в основном изолированные друг от друга. Продольные профили колейных деформаций также имеют понижения и повышения отметок дна колеи. В обоих случаях деформаций грунтового основания – локальных и колейных, в их углублениях накапливается вода, не имеющая выхода ни в поперечном, ни в продольном направлениях, поэтому необходимы поиски новых технических решений.

Одним из таких решений является разработка на кафедре АД БГИТА дорожной конструкции в периоды ее переувлажнения путем сокращения пути фильтрации воды в дренирующем слое и времени увлажнения грунтового основания.

Разработанная конструкция дорожной одежды оформлена заявкой на изобретение, принята Роспатентом к рассмотрению и экспертизе.

Литература

1 Анисимов П.В., Автомобильные дороги: Методологическая концепция и теоретические основы проектирования и строительства [Текст] / П.В.Анисимов. – Брянск : Грани, 1995.- 132 с.

2 Анисимов П.В., Особенности водного режима земляного полотна автомобильных дорог на деформированных участках дорожных одежд [Текст] / П.В. Анисимов, З.А. Мевлидинов, А.В. Егорин // Известия ОрелГТУ. Серия «Строительство. Транспорт», 2008 (октябрь – декабрь).- № 4/20 (551). – с. 78-81.

3 Хархута Н.Я., Прочность, устойчивость и уплотнение грунтов земляного полотна автомобильных дорог [Текст] / Н.Я. Хархута, Ю.М. Васильев. – М.: Транспорт, 1975. – 288 с.