§ IV.5. Исправление земляного полотна

ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

К реконструированному земляному полотну должны предъяв­ляться исключительно строгие требования: непродуманные реше­ния или некачественно выполненные земляные работы невозможно исправить при последующей эксплуатации дороги. Поэтому в про-

а)

W

Рис. IV.4. Схема распределения влаж­ности в земляном полотне по глубине:

а *— на сухих участках; б — на мокрых участках;

1 — зона повышенной влажности; 2 — ка­пиллярная зона; 3 — зона грунтовой воды; 4 — влажность по глубине к концу третьей или в начале четвертой стадии увлажне­ния; 5 — влажность в период пятой ста­дии увлажнения; 6 — уровень грунтовых вод в начале четвертой стадии увлажне­ния; 7 — уровень воды в период пятой стадии; 8 — поверхность менисков; 9 — влажность, соответствующая нижней гра­нице текучести; W — естественная влаж­ность грунта; z —- глубина; Л_к — высота

капиллярного поднятия; W_t и —макси­мальные значения влажности в конце третьей и начале четвертой стадии ув­лажнения (W_X<ZW2)

цессе производства работ по пере­стройке земляного полотна дол­жен быть организован тщатель­ный контроль за их качеством. Требования к приемке земляного полотна при реконструкции ана­логичны требованиям при новом строительстве-

При реконструкции автомо­бильных дорог обычно стремятся в наибольшей степени использо­вать существующее доброкачест­венное земляное полотно. К тако­му земляному полотну относят участки, в которых не образуются подвешенные горизонты воды из-за неблагоприятного располо­жения фильтрующих и малопро­ницаемых грунтов, а также отсут­ствуют включения оглеенных или иловатых грунтов. Высокие насы­пи, возведенные путем беспоря­дочной отсыпки при недостаточ­ном уплотнении из крупнообло­мочных горных пород (аллевроли- тов, глинистых сланцев, мергеля, пустой породы из терриконов и т. д.), большей частью подвер­жены ежегодным просадкам и об­разованию пучин.

При реконструкции необходимо прежде всего улучшить водно­тепловой режим земляного полотна, повышая степень уплотнения грунта и проводя различные инженерные мероприятия, гаранти­рующие влажность грунта не выше оптимальной. На старых авто­мобильных дорогах земляное полотно за редкими исключениями не удовлетворяет современным требованиям. До переустройства дорожной одежды необходимо установить источники переувлажне­ния земляного полотна и устранить их влияние. Если’во время изысканий выявлено, что грунты верхней части земляного полот­на оглеены, следует провести детальные инженерно-геологические изыскания. Для правильного установления источников увлажнения требуется определить на типичных участках в период третьей ста­дии увлажнения (см. § IV.2) характер распределения влажности по глубине. На сухих участках максимальное значение влажности глинистых грунтов во II дорожно-климатической зоне обычно на­блюдается на глубине 0,7—0,9 м (рис. IV.4).

На сырых участках увеличение влажности с глубиной указы­вает на поступление влаги снизу, из залегающего поблизости уровня грунтовых вод или верховодки. На сухих участках возник-

новение на покрытиях разрушений или образование трещин может быть связано лишь с инфильтрацией воды через само покрытие или обочины.

На сухих участках с большими продольными уклонами при пересеченном рельефе местности, а также в других случаях, когда имеются сомнения в правильности установления источников увлаж­нения, рекомендуется применять радиоактивные индикаторы. Как показали исследования В. И. Куканова (МАДИ), наиболее оправ­данным в таких случаях является использование изотопа водорода трития, который входит в состав молекулы тритиевой воды Т₂0, физико-химические свойства которой не отличаются от свойств обычной воды. Период полураспада изотопа составляет 12,4 года; радиационно он безопасен и дешев.

Испытания проводят с меченой водой — обычной водой, в кото­рую добавлена тритиевая до удельной активности А₀=20 мкКи/г^I.

Работы можно выполнять в любое время года, кроме летнего сезона с высокой степенью испарения. При отрицательной темпе­ратуре меченая вода замерзает на участке испытаний. Прикрытая снегом, она мало испаряется и начинает проникать в грунт при его оттаивании.

Образцы грунта для определения влажности и путей поступле­ния влаги берут в соответствии с заранее составленной програм­мой из сетки скважин, закладываемых по длине и ширине дороги через 0,5 м в глинистых грунтах и 1 м в супесчаных. По глубине образцы отбирают через 20 см до уровня грунтовых вод, но не менее чем 2 м.

Взятые образцы грунта помещают в обычную лабораторную центрифугу для выделения воды, которую в дальнейшем испытыва­ют по общеизвестной методике на радиоактивность. По радиоак­тивности строят изолинии влажности на разных глубинах в плане и в разных поперечных сечениях дороги.

Анализ изолиний для последовательных интервалов времени с достаточной степенью надежности указывает, поступает ли влага сверху или сбоку с прилегающей к дороге полосы. Если есть со­мнения, что увлажнение верхней части земляного полотна проис­ходит за счет близкого уровня грунтовых вод, то индикатор за­ливают в буровую скважину, которую затем послойно заполняют грунтом, по возможности уплотняя его до первоначальной плот­ности. Сверху скважину тщательно заделывают для предотвраще­ния проникания воды.

Описанным способом В. И. Куканов успешно выявил из пу- чинистых участках различных дорог источники увлажнения зем­ляного полотна, что позволило разработать обоснованные про- тивопучинные мероприятия.

Если в земляном полотне в пределах глубин промерзания за­легают прослойки песчаного или супесчаного грунта толщиной менее высоты капиллярного поднятия или оглеенный горизонт, то независимо от обеспеченности поверхностного слоя и поперечного профиля земляного полотна на таких участках в период оттаива­ния, как правило, наблюдается верховодка. В этом случае во II дорожно-климатической зоне модули упругости, как показали проводившиеся в течение ряда лет полевые испытания, в расчет­ный период года большей частью бывают менее 250 кгс/см². При столь низком значении модуля упругости чаще всего и коэффици­ент прочности дорожной одежды не превышает 0,6. На покрытиях имеется сетка трещин в виде паутины, указывающая на недоста­точную прочность основания и земляного полотна.

Для повышения модуля упругости земляного полотна возмож­ны следующие мероприятия: замена песком оглеенного грунта или укрепление различными вяжущими материалами верхней части земляного полотна; устройство теплоизоляционного слоя или гид­роизолирующей паронепроницаемой прослойки.

Наиболее радикальным решением является замена сильно пу- чинистых грунтов местным песком с требуемым коэффициентом фильтрации на полную ширину земляного полотна до грунта, не затронутого процессом оглеения, т. е. на глубину не менее 0,5— 0,6 м от низа дорожной одежды.

Требуемое значение коэффициента фильтрации песка К нужно определять расчетом [30, 61]. Однако не следует применять песок с коэффициентом фильтрации К < 1 м/сут. В этом случае необхо­димо укреплять верхние слои земляного полотна для повышения их модуля упругости.

Чаще всего укрепляют грунты на толщину 0,12—0,15 м из­вестью-пушонкой, вводимой из расчета 2—3% по массе. При столь малом количестве вяжущего обработку грунтов иногда называют стабилизацией.

Рекомендуется укреплять глинистые грунты верхней части зем­ляного полотна только на пучинистых участках, применяя преи­мущественно неорганические вяжущие материалы — цемент, не­гашеную известь, гранулированный шлак, золы, особенно слан­цевые, и др.:

Группа грунта по пучинистости

(см. табл. IV.2) Ill IV V VI

Рекомендуемая толщина обра­батываемого вяжущими слоя и верхней части земляного

полотна 8—10 10—20 20—30 30

Большие значения h принимают для дорог I и II категорий.

Обработанный вяжущим грунт, уложенный с поперечным уклоном не менее 40%о при относительной плотности 7(о>1, пре­пятствует прониканию воды в более глубокие слои земляного полотна. Ограничивается и поступление влаги в основание дорож­ной одежды снизу при промерзании. Имеются также преимущества в организации работ, так как во влажные периоды по обработан­ному грунту можно подвозить материалы для устройства покры­тий, регулируя проходы автомобилей по ширине дороги.

Широкому использованию укрепленных грунтов способствует выпуск в СССР дорожных фрез и однопроходных грунтосмеси- тельных машин.

По опыту ФРГ модуль упругости глинистых грунтов под укреп­ленным слоем в условиях, аналогичных III и даже II дорожно­климатическим зонам СССР, составляет Ео = 450 кгс/см², т. е. очень высок, и поэтому общая толщина дорожной одежды суще­ственно снижается. В настоящее время в ряде стран (ГДР, США, ФРГ и др.) необходимость стабилизации пылеватых грунтов верхней части земляного полотна узаконена официальными нормами.

Технология обработки грунтов различными вяжущими мате­риалами в настоящее время хорошо разработана [20], и этот способ повышения прочности земляного полотна следует широко внед­рять в практику.

Использование изоляционных слоев особенно эффективно при реконструкции дорог, так как выполняемые объемы работ неве­лики, а отметки поверхности дороги мало изменяются и перестраи­ваемое пучинистое место легко может быть сопряжено с со­седними.

Для паро- и гидроизоляции можно на тщательно спланирован­ное и уплотненное корыто уложить стеклоткань, стеклохолст или выпускаемую в УССР и БССР ткань из синтетических материалов типа французского нетканого материала «бидим», предварительно обработанные битумом. Такие прослойки способствуют регулиро­ванию водно-теплового режима земляного полотна, устраняя по­ступление влаги снизу и с боков в верхнюю его часть. Производ­ство работ облегчается при влажности грунтов земляного полотна, превышающей оптимальное значение. Грунт уплотняют до возмож­ного предела, выравнивают его поверхность, придавая поперечный уклон 40—50%о, и расстилают по всей ширине земляного полотна полимерную ткань или стеклоткань. Слои дорожной одежды укла­дывают обычным способом.

При недостаточной прочности существующей дорожной одежды (Апр<0,6), вызываемой переувлажнением грунтов вследствие зимней миграции влаги, целесообразно устраивать теплоизоляци­онные слои.

Дорожную одежду надлежит вскирковать, раздробить кулачко­выми катками, тщательно уплотнить и спланировать. Теплоизоля­ционный слой устраивают из материалов, имеющих низкие коэф­фициенты температуропроводности, например, жестких пенопла- стов, различных вспучивающихся смол, смеси грунта со вспученным стиропором и т. д. Теплоизоляционный слой должен выступать с каждой стороны проезжей части на 0,5 м на укреп­ляемые обочины. Необходимая толщина слоя зависит от природных условий местности и от конструкции самой дорожной одежды и назначается по расчету [37.] При наличии теплоизоляционного слоя земляное полотно не промерзает и влажность грунтов верх­ней его части в течение всего года практически остается непзмен-

ной. Процесс оглеения грунта приостанавливается и в даль­нейшем значение модуля упру­гости грунта стабилизируется.

Рис. IV.5. Схема дренажа мелкого за­ложения для осушения верхней части земляного полотна при уширении су­ществующей проезжей части:

1 — покрытие и основание; 2 — сохранив­шийся песчаный слой; 3 — зона свободной воды; 4—капиллярная зона; 5 — фильтро­вая обсыпка; 6 — труба; ^ — слой свобод­ной воды в трубе; 8 — кривая депрессии; 9 — движение свободной воды в корыте земляного полотна в период его оттаива­ния; 10 — направление фильтрации воды в капиллярной зоне; b — уширение проезжей части

Хорошие результаты дости­гаются при устройстве тепло­изоляционного слоя из стиро- порбетона плотностью 6^700— 800 кг/м³. Вспученный бисер­ный стиропор перемешивают с 300—350 кг цемента из рас­чета 1 м³ смеси, распределяют по ширине проезжей части и уплотняют вибратором. Толщи­ну слоя стиропорбетона назна­чают по расчету. Почти 10-лет­няя эксплуатация участков, построенных МАДИ, показы­вает, что во II дорожно-климатической зоне можно ограничиться толщиной стиропорбетонного слоя, равной 18 см. Вместо еще де­фицитного бисерного стиропора с успехом использовали дробленый твердый пенопласт из отходов химкомбинатов. Стоимость его в 15—20 раз дешевле стиропора.

Если существующая проезжая часть находится в относительно удовлетворительном состоянии и ее коэффициент прочности Апр превышает 0,7, то после ее выравнивания щебеночным или гравий­ным материалом во II дорожно-климатической зоне укладывают слой жесткого тгенопласта толщиной всего лишь 3,5—4 см, устраи­вая поверх него новую дорожную одежду. Реконструированные таким способом участки, как показывает опыт ряда стран, обеспе­чивают круглогодичный проезд тяжелых автобусов. Прослойка пе­нопласта или аналогичных ему по теплопроводности материалов способствует оздоровлению земляного полотна вследствие стаби­лизации его водно-теплового режима.

На сырых и ровных участках при коэффициенте прочности до­рожной одежды, равном 0,7—0,8, и неискаженном поперечном про­филе проезжей части повышения прочности дорожной одежды до требуемого по расчету значения можно достигнуть: устройством дренажей мелкого заложения при уширении проезжей части не менее чем на 0,9 м; укладкой теплоизоляционного слоя непосред­ственно на существующей проезжей части с последующим устрой­ством поверх него слоев утолщения дорожной одежды.

При проведении указанных мероприятий усиление существую­щей дорожной одежды достигается благодаря эффективному осу­шению верхней части земляного полотна, либо ограничению глу­бины его промерзания.

Для предупреждения просачивания воды необходимо укреп­лять обочины и увеличивать их поперечный уклон при травяном покрове до 70—90%о-

На дорогах, где род одеждой сохранился песчаный подстилаю- . щин слой с коэффициентом фильтрации более 1 м/сут, целесооб­разно [11, 61] устраивать дренажи мелкого заложения с трубчатой дреной на глубине 0,7—0,8 /г_к от дна корыта, где 1г_к — максималь­ная высота капиллярного поднятия в песке, применяемом для уши­рения проезжей части (рис. IV.5).

Ширину дренажного ровика по дну принимают равной:

l₁ = D-\~2a^J_r0,2, (IV.6)

где D — наружный диаметр трубы, м; а — толщина слоя фильтровой об­сыпки, м.

»

Обычно для дренажа используют трубы с внутренним диамет­ром от 5 до 10 см в зависимости от природных условий местности и избытка свободной воды, поступающей в корыто. При исполь­зовании трубофильтров отпадает необходимость в фильтровых обсыпках.

Правильно заложенный дренаж из трубчатых дрен способст­вует осушению песчаного слоя существующей дорожной одежды благодаря отводу капиллярной воды. Этим достигается уменьше­ние зимнего вспучивания и повышение модуля упругости грунта верхней части земляного полотна.

Конструкция и расчет дренажей мелкого заложения, а также технология их устройства подробно освещены в научной и инструк­тивной литературе [11, 30, 61].

В кислых и особенно засоленных грунтах нельзя применять асбестоцементные трубы или трубофильтры, так как они разру­шаются и дренаж выходит из строя.

В последние годы все более широкое распространение получают полимерные гофрированные перфорированные трубы. Морозное пучение или отдельные просадки не оказывают существенного влия­ния на работу устроенного из них дренажа.

Главное их преимущество состоит в очень малом количестве стыков, являющихся потенциальной причиной закупорки труб грунтовыми частицами. Известны случаи, когда дренажи с поли­мерными трубами находятся в отличном состоянии после 20 лет эксплуатации.

Усиление существующей дорожной одежды только щебеночным слоем с асфальтобетонным покрытием без применения дренажей мелкого заложения или теплоизоляционного слоя требует устрой­ства конструктивных слоев большой толщины. Такой метод усиле­ния экономически оправдан лишь при наличии местных дешевых каменных материалов.

Опыт реконструкции автомобильных дорог Московского узла показывает, что срок службы дорожных одежд, которые усилены только путем их утолщения, меньше нормативных межремонтных сроков, поскольку земляное полотно остается в неисправном со­стоянии.