Лекция 15 Тема: "Особенности проектирования и строительства автомобильных дорог в сложных условиях"
Проектирование дорог в районах вечномёрзлых грунтов
Вечномёрзлыми называют грунты, содержащие замёрзшую воду и имеющие температуру ниже 0о С в течение длительного периода времени – от нескольких лет до десятков тысячелетий. В ряде мест, в пределах мёрзлой толщи встречаются мощные прослойки льда – погребённый лёд.
Верхний слой грунта, который весной оттаивает, а зимой вновь замерзает, называютдеятельным слоем. Если деятельный слой сливается с поверхностью вечной мерзлоты, последнюю называют сливающейся.
Толщина деятельного слоя зависит от рельефа местности и экспозиции склонов, от состава грунтов, растительного покрова и климатических факторов. На южных склонах грунт летом оттаивает на большую глубину, чем на северных. Глинистые грунты имеют большую теплопроводность, чем, например, торфяники.
Постройка автомобильной дороги вносит большие изменения в природный режим вечномёрзлых грунтов. Вырубка на придорожной полосе деревьев и кустарников, удаление мохового покрова способствуют увеличению толщины деятельного слоя. При оттаивании пылеватые льдонасыщенные вечномёрзлые грунты из твёрдого состояния переходят в разжиженное, растекаясь под действием собственного веса. Оттаивание вечномёрзлого грунта под невысокими насыпями в зависимости от количества льда, содержащегося в грунте, вызывает дополнительные осадки или полное расползание насыпей. На участках с близким к поверхности расположением погребённого льда, при таянии на полосе отвода могут возникнуть провальные озёра (термокарстовые явления). Откосы выемок, разработанных в вечномёрзлых грунтах, содержащих прослойки льда, при оттаивании подвержены сплывам. Наоборот, средние и высокие насыпи, создавая теплоизоляцию, способствуют поднятию уровня вечной мерзлоты, которая может входить в тело насыпи.
Дорогу проектируют в насыпях с рабочими отметками, гарантирующими снегонезаносимость. Выемки допускают лишь в случаях крайней необходимости и только в сухих грунтах.
Нежелательными для проложения трассы являются участки: заболоченные, осушение которых по условиям рельефа затруднительно; с пылеватыми грунтами, которые при оттаивании приходят в плывунное состояние; с высоким уровнем стояния грунтовых подмерзлотных вод, понижение которых в условиях вечной мерзлоты сопряжено с существенными трудностями; с близким расположением линз ископаемого льда или с интенсивными наледными процессами.
Трассу автомобильных дорог в зоне распространения вечномёрзлых грунтов следует располагать в наиболее благоприятных условиях грунтов и рельефа, отдавая преимущество сухим участкам, на которых изменение режима вечной мерзлоты и оттаивание грунтов не отражается на устойчивости земляного полотна. К их числу относятся участки:
-с близким залеганием коренных скальных пород или сложенные на глубину более 10 метров и более каменистыми, гравелистыми и песчаными сухими грунтами без ледяных прослоек, физико-механические свойства которых не меняются при замерзании и оттаивании;
-с залеганием вечной мерзлоты на глубине более 5 – 6 метров, сложенные из грунтов, которые при оттаивании не переходят в плывунное состояние;
-с обеспеченным водоотводом, склонам южной экспозиции и сухим, хорошо дренированным террасам речных долин.
В зависимости от состава и льдонасыщенности грунтов, режима деятельного слоя, глубины залегания погребённых льдов возможны два принципиально различных метода строительства:оттаивание вечной мерзлоты в основании с заменой неблагоприятных грунтов и сохранение существующего режима мерзлоты.
Первый метод наиболее рационален в южной части зоны вечной мерзлоты. На него следует ориентироваться во всех случаях, когда грунтовые условия района строительства сравнительно благоприятны: грунты малольдисты и их влажность при оттаивании не превышает 0,8 от предела текучести, рельеф позволяет осушить придорожную полосу, грунты относятся к категории непучинистых или слабопучинистых.
При постройке дороги придорожную полосу осушают, удаляя растительный покров. В результате лучшего прогревания мерзлота отступает на большую глубину.
Второй метод применяют в более северных районах при сливающейся вечной мерзлоте, неглубоком залегании льда и пучиноопасных грунтах, содержащих включения ледяных прослоек. В этом случае все проектные решения должны быть направлены на сохранение стабильного положения уровня мерзлоты. Высота насыпи должна обеспечить дополнительную тепловую изоляцию, необходимость в которой возникает в связи с неизбежным нарушением состояния растительного покрова придорожной полосы. На службу эксплуатации дороги этот метод накладывает дополнительные обязательства предотвращать оттаивание дороги.
Для сохранения вечной мерзлоты в основании насыпей необходимо предусматривать проведение работ в зимний период с отсыпкой насыпей из устойчивых привозных грунтов.
Если допускается оттаивание вечномёрзлых грунтов, ширину просеки принимают достаточной для закладки резервов. Земляное полотно проектируют по общим техническим условиям, но откосам насыпи придают пологое заложение 1:3 – 1:5, в результате чего уровень вечной мерзлоты принимает под насыпью слегка выпуклое очертание, способствующее устойчивости насыпи и отводу воды из её основания. На заболоченных маревых участках земляное полотно отсыпают из дренирующих щебенистых и песчаных грунтов.
Если дорогу строят летом, мёрзлый грунт оттаивает на некоторую глубину, и поэтому возведение насыпей сопровождается просадками переувлажнённого грунта. Через несколько лет, после наступления термического равновесия, уровень мерзлоты устанавливается в зависимости от высоты насыпи. В среднем, можно считать, что положение верхней границы мёрзлого грунта не меняется, если на торфяниках высота насыпи больше 0,7 м, на пылеватых и суглинистых грунтах больше 1,0 м, на галечниковых и щебенистых – более 1,2 м.
Для уменьшения высоты насыпи вводят теплоизолирующую прослойку из топочного каменноугольного шлака, поролона, пенопласта, торфа или мха.
Для защиты от проникания воды в земляное полотно, канавы изолируют укладкой глинистого слоя и мощением. Выше канавы на косогоре устраивают нагорную канаву или нагорный валик для перехвата и отвода стекающей по косогору воды.
Выемки, прорезающие деятельный слой и углубляющиеся в мёрзлый грунт, особенно сильно нарушают режим вечной мерзлоты. Верхняя граница вечной мерзлоты опускается и при льдонасыщенных грунтах оттаявший переувлажнённый грунт на откосах начинает сползать. Особенно сильно сползают откосы при пылеватых, илистых и мелкопесчаных грунтах. Этот процесс может повторяться ежегодно.
Откосам выемок в вечномёрзлых переувлажненных грунтах необходимо придавать пологое очертание, не круче 1:3, ориентируясь на пониженное значение сопротивления сдвигу оттаявшего грунта. Для уборки сплывающего грунта необходимо предусматривать бермы у подножия откосов выемки.
В выемках, устраиваемых в суглинистых и глинистых грунтах, которые после оттаивания приходят в пластичное и текучее состояние, верхнюю часть насыпи в пределах проезжей части и обочин заменяют устойчивым песчаным или песчано-гравийным грунтом на толщину от 0,25 до 2 м.
В льдонасыщенных грунтах, разжижающихся при оттаивании, откосы защищают укладкой теплоизолирующего слоя и заменяют грунт под проезжей частью и обочинами на глубину промерзания устойчивым грунтом.
Теплоизолирующие слои эффективны только тогда, когда они находятся в сухом состоянии. Насыщение водой значительно повышает теплопроводность изолирующих материалов и практически уничтожает их действие. Поэтому при устройстве теплоизоляции земляного полотна необходимо принимать меры защиты от поверхностной и грунтовой влаги.
Толщина теплоизолирующих слоёв должна быть обоснована теплотехническими расчётами, на основании которых устанавливают глубину промерзания и оттаивания.
Проектирование дорог в заболоченных районах (рис.1)
Болотами называют избыточно увлажнённые участки местности, на которых большую часть года застаивается вода. Отмирающая болотная растительность разлагается при избытке влаги и недостатке воздуха и образует в болотах отложения торфа.
Если толщина торфа более 0,5 м, болото называют торфяником. Участки, на которых торфяной покров отсутствует, но происходит застой поверхностных вод или систематическое переувлажнение грунтовыми водами, называют заболоченными.
Всегда целесообразно стремиться к обходу болота при условии, что это не вызовет значительного удлинения и извилистости автомобильной дороги.
Болота целесообразно пересекать в наиболее узком и мелком месте; при пересечении сплавинных болот следует избегать проложения трассы по крутым склонам водоёма, где возможно сползание земляного полотна.
Необходимо внимательно изучать гидрологический режим болот, пересекаемых автомобильными дорогами. Насыпь, прорезающая торф или уплотнившая его своим весом, создаёт препятствие проходу воды и может вызвать накопление воды с верховой стороны и активизировать процессы заболачивания.
Наиболее желательно пересекать болота перпендикулярно к направлению течения воды.
Положение трассы выбирают на основе детального изучения картографического материала с последующим осмотром на местности намеченных вариантов. Известное представление о типе болота, стадии его развития и возможной глубине можно при изысканиях составить на основе визуального осмотра.
Полевые работы на пересечениях болот включают топографические и геодезические работы (съёмка плана, продольных и поперечных профилей), а также обследования болота путём зондировки, бурения, отбора и изучения образцов торфа. Болото зондируют специальными бурами – зондами, снабжёнными устройствами для отбора образцов торфа. Образцы торфа с ненарушенной структурой для лабораторных испытаний сжимаемости берут специальными инструментами.
Земляное полотно на болотах проектируют в насыпях таким образом, чтобы возвышение низа дорожной одежды над поверхностью болота удовлетворяло требованиям к местам с длительным стоянием поверхностных вод.
Поверхность болота обычно имеет весьма малый уклон. Поэтому проектную линию, если её положение не определяется подходами к мостам, проектируют горизонтальной или с малыми продольными уклонами.
Конструкции земляного полотна принимают в зависимости от категории дороги, глубины болота, вида и плотности торфа, а также с учётом степени капитальности устраиваемой дорожной одежды.
На дорогах с усовершенствованными капитальными дорожными одеждами, при глубине болота до 4 м, при прочном минеральном дне насыпи земляное полотно возводят с посадкой на минеральное дно с полным выторфовыванием. Торф предварительно удаляют экскаваторами, взрыванием на выброс или другими способами. Откосы земляного полотна ниже поверхности болота могут в зависимости от плотности торфа иметь различную крутизну – от 1:0 (отвесные) до 1:-0,5; (обратные). На дорогах с переходными и низшими типами дорожных одежд, на болотах с устойчивыми торфами можно возводить земляное полотно с использованием несущей способности торфа без выторфования или частичным выторфованием, чтобы толщина оставшегося под насыпью торфа после уплотнения составила при переходных покрытиях не более ⅓, а при низших – ½ толщины минеральной части насыпи. Такое ограничение необходимо, чтобы при упругих просадках земляного полотна прогибы дорожной одежды не достигали величин, которые могли бы вызвать их разрушения.
Под воздействием веса насыпи, дорожной одежды и веса проезжающих автомобилей торф под насыпью сжимается. Осадка земляного полотна может длиться несколько лет.
Наиболее эффективным методом ускорения осадки является устройство вертикальных песчаных дрен диаметром 30 – 40 см, размещаемых по расчёту через 2 – 3 м. Действие вертикальных дрен основано на сокращении пути фильтрации воды, выжимаемой их оснований.
На болотах со сравнительно жидким торфом, способным выжиматься из-под насыпи в стороны, применяют конструкцию земляного полотна с дренажными прорезями. При ширине земляного полотна 10 – 12 м делают 4 – 5 прорезей.
Глубокие болота возможно пересекать вместо насыпей железобетонными эстакадами. При значительной глубине болота сборные конструкции для эстакад позволяют в отдельных случаях снизить стоимость строительства и сократить его сроки.
Для отвода воды от земляного полотна, вдоль насыпи не ближе чем в 2 м устраиваютбоковые канавы глубиной 0,6 – 1,0 м с продольным уклоном не менее 20 ‰. Из канав следует делать отводы для сброса воды в пониженные места. Крутизну откосов канав принимают в зависимости от плотности торфа (обычно 1:1 – 1:0,75), а ширину канав по дну – 0,5 м. На сплавинных болотах канавы не устраивают, чтобы не ослаблять сплавину.
При пересечении болот, дно которых имеет большой поперечный уклон, необходимо проверять устойчивость насыпей против бокового смещения. Смещение может возникнуть как у насыпей, посаженных на дно болота, так и у насыпей, возведённых методом частичного выторфовывания, когда под весом насыпи происходит боковое выжимание торфа, приводящее к её разрушению. При недостаточной устойчивости в проекте необходимо предусмотреть полное выторфовывание и выравнивание дна болота. При поперечном уклоне дна болота более 100 ‰ рекомендуется его выровнять, сделать на нём уступы или взрыхлить взрывами.
Проектирование дорог в районах искусственного орошения (рис.2)
Оросительная сеть включает в себя
-магистральные каналы, по которым подаётся вода от источников орошения к поливным канавам;
-распределительные каналы, получающие воду из магистральных каналов и отводящие её к оросительным системам к отдельным поливным участкам внутри хозяйства; в зависимости от близости к магистральным каналам различают распределители первого, второго и последующего порядков;
-временные оросители внутрихозяйственной сети – оросительные каналы (оросительная сеть, при помощи которой производится полив) и борозды – выводные и поливные – для равномерного распределения воды из оросителей по поливному участку.
Водосборно-сбросная сеть предназначена для отвода избыточных поверхностных вод из оросительной сети и с поливных участков.
Дренажная сеть служит для регулирования уровня грунтовых вод, поступающих с территории поливного участка. Она состоит из коллекторов и дрен-собирателей.
Проектирование дорог в районах искусственного орошения осложняется малым уклоном местности, создающим затруднения при выборе пониженных мест для отвода воды из боковых канав. Грунтовые воды в районах искусственного орошения расположены высоко – на 0,5 – 1 м от поверхности. Земли представляют большую ценность для сельского хозяйства, и отвод их для строительства дороги требует весьма тщательных обоснований, особенно если он связан с нарушением севооборотов и перестройкой оросительных систем.
Совмещение трассы дорог и каналов допускают только в порядке исключения на отдельных участках, если это неизбежно по условиям трассирования или предусматривается заданием. При этом приходится строить большое количество искусственных сооружений (до 6 – 8 на километр) на пересечениях ответвляющихся каналов.
При строительстве дорог во вновь осваиваемых районах искусственного орошения начертание сети каналов и направление дороги взаимно увязывают. Большие трудности возникают при проектировании дорог в районах старых орошаемых земель, где ещё используется старая сеть, бессистемно пересекающая земляные массивы. При изысканиях необходимо выяснить начертание перспективной сети и ориентироваться на неё, предусматривая временные сооружения на пересечении существующей сети.
Внутрихозяйственные дороги, обслуживающие перевозки фермерских хозяйств, подъездные пути от хозяйственных центров к станциям железных дорог и пристаням, а также второстепенные дороги районного значения часто прокладывают по возможно кротчайшему направлению вдоль распределительных каналов, чтобы не занимать ценные земли и не нарушать сложившуюся систему землепользования.
Трассу автомобильной дороги в районах искусственного орошения наиболее целесообразно прокладывать по водоразделам и участкам местности, расположенным выше орошаемых полей. На равнинных участках с затруднённым водотоотводом, трассу можно располагать вдоль действующих открытых коллекторов – зауров, если их направление совпадает с дорогой.
Земляное полотно дорог, проходящих вдоль каналов, постоянно заполненных водой, находится в неблагоприятных условиях избыточного увлажнения. Поэтому дно корыта должно достаточно возвышаться над уровнем воды в оросительной сети или над горизонтом грунтовых вод, который вблизи от каналов в результате инфильтрации воды из каналов, расположенных выше, чем в окружающей местности.
При назначении рабочих отметок земляного полотна необходимо исходить из зимне-весеннего высокого горизонта грунтовых вод в период промывки полей, на участках засоленных грунтов.
Летний подъём грунтовых вод в период поливки не оказывает вредного влияния на грунты земляного полотна в связи со значительным испарением.
При слабо- и среднезасоленных грунтах возвышение дна корыта увеличивают на 20 % (для суглинков на 35 %), а при сильнозасоленных на 40 – 60 %.
Если невозможно обеспечить необходимое возвышение дна корыта, то в теле земляного полотна устраивают изолирующие и прерывающие капиллярное движение воды прослойки.
Требование значительного возвышения дна корыта над источниками увлажнения находится в противоречии с необходимостью максимальной экономии высокоценных земель. Рекомендуется закладывать грунтовые карьеры из непригодных для сельскохозяйственных целей земель.
Для дорог высших категорий, местного значения и подъездных путей основными поперечными профилями являются кювет-резервный и коллекторный. Полосу отвода ограждают от поливных вод присыпными защитными валиками высотой 0,5 – 0,6 м.
На участках дорог, проходящих вдоль каналов, земляное полотно целесообразно располагать на полосе отвода канала за пределами влияния кривой депрессии просачивающейся воды. При больших расходах воды в канале кривая депрессии сливается с уровнем грунтовой воды далеко от канала. Чтобы разместить дорогу ближе к каналу, нужно повысить рабочую отметку насыпи или запроектировать осушительные коллекторы, понижающие кривые депрессии.
Вокруг построенных вдоль каналов дорог желательно сажать деревья высокоствольных широколиственных пород (ива, тополь, шелковица), которые, уменьшая испарение воды из каналов, перехватывают корнями просачивающуюся воду и укрепляют откосы дамб. Деревья располагают вдоль дороги по бермам и резервам в виде аллейных насаждений от одного до четырёх рядов.
Проектирование дорог в засоленных грунтах
К засоленным относят грунты, содержащие в пределах верхней метровой толщи более 0,3 % по массе легкорастворимых солей. Засоленные грунты подразделяют на две группы: солонцы и солончаки.
Атмосферные осадки, интенсивность которых в засушливых районах невелика, способны вымывать вниз лишь наиболее растворимые соли. В результате большая их часть аккумулируется в верхних слоях грунта. В отдельных случаях количество солей бывает настолько значительным, что они выделяются слоем на поверхности грунта.
Солонцы не содержат в верхних почвенных горизонтах легкорастворимых солей. Их физико-механические свойства определяются ионами натрия в поглощённом (абсорбированном) состоянии. В свободном виде легкорастворимые соли в солонцах встречаются в почвообразующем слое, преимущественно в виде хлористого и сернокислого натрия, на глубинах более 50 см.
Солонцовые грунты при увлажнении сильно набухают и плохо водопроницаемы. Просыхают солонцовые грунты медленно. Их можно использовать при строительстве дорог с твёрдыми покрытиями, однако откосы таких насыпей и выемок малоустойчивы и подвержены оползанию и сплывам. В этой связи, необходимо укреплять откосы и обочины и отводить воду из земляного полотна.
Солончаками называют почвы, содержащие в поверхностных слоях до глубины 1 – 2 метра в свободном состоянии более 1 % легкорастворимых солей, в основном хлористых, сернокислых и углеводородистых солей натрия, кальция и магния.
По внешним признакам различают солончаки:
-мокрые и корковые (шоры, соры) – солончаки с близкой грунтовой водой, на поверхности которых в сухое время года выступает солевая корка;
-пухлые, где под тонкой землистой коркой залегает рыхлый слой, изобилующий кристаллами солей, преимущественно сульфатов натрия и магния;
-такыровидные – покрытые сравнительно толстой коркой, разбитой сеткой трещин на отдельные плитки, под которой в грунте содержатся хлориды, сульфаты и гипс.
Солончаки обычно вкраплены отдельными пятнами среди других почв пустынь и полупустынь и расположены преимущественно в пониженных местах рельефа с близким уровнем стояния засоленных грунтовых вод (блюдца, впадины и озёра). На орошаемых территориях, наоборот, пятна солончаков располагаются на микроповышениях рельефа, где соли накапливаются в солончаках за счёт капиллярного поднятия.
Допустимое содержание солей в грунте земляного полотна определяется их количеством, которое может быть растворено в воде, заполняющей поры грунта, уплотнённого при оптимальной влажности. При этом вводят поправки на плёночную воду, не растворяющую соли.
Выделяют четыре характерных зоны соленакопления в почвах, основываясь на величине отношения содержащихся в грунте ионов Cl′ и SO4″ (Cl′/ SO4″ = k):
-сульфато-содовое (лесостепь), где в состав солей, находящихся в грунте, входят углекислый натрий Na2CO3, сернокислый натрий Na2SO4 и Na2SiO3. Содержание солей в верхних горизонтах солончаков не превышает 0,5 – 1,0 %;
-хлоридно-сульфатное (степи), в котором сульфаты Na2SO4 преобладают над хлоридамиNaCl. Содержание солей в верхних горизонтах составляет 2 – 3 %;
-сульфатно-хлоридное (полупустыни), в котором хлориды преобладают над сульфатами (сернокислый натрий Na2SO4, сернокислый кальций CaSO4, сернокислый магний MgSO4). Содержание солей в верхних горизонтах солончаков 5 – 8 %;
-хлоридное (пустыни), характеризующееся значительным преобладанием хлоридов над сульфатами.
В солончаках встречаются следующие соли: NaCl, NaNO3, MgCl2, MgSO4, CaSO4, количество которых в верхних слоях достигает 15 – 25 %.
Содержание водорастворимых солей в грунтах существенно влияет на их физико-механические свойства. При увлажнении таких грунтов резко снижается их сопротивление внешним нагрузкам, а в дождливые периоды возможно оползание откоса.
Содержащиеся в грунте соли могут агрессивно воздействовать на дорожные покрытия. Сернокислый магний и натрий даже при содержании их в количестве 1 % разрушают покрытие за 2 – 3 сезона. Малоагрессивные соли NaCl, MgCl2, не разрушают покрытия даже при содержании их более 5 %. Покрытия из известняковых пород более устойчивы, чем покрытия из изверженных пород.
Разрушающее воздействие водорастворимых солей на битумы и дёгти заключается в выщелачивании и эмульгировании вяжущего под влиянием солей. Наиболее устойчивы дорожные покрытия, построенные горячим способом с применением вязких битумов. Менее устойчивы покрытия, строящиеся холодным способом с применением медленногустеющих жидких битумов.
Отмеченные отрицательные свойства засоленных грунтов вынуждают принимать меры для предотвращения проникновения солей в земляное полотно из грунтов основания. Однако, учитывая трудности, возникающие при постройке земляного полотна и дорожных покрытий на засоленных грунтах, проектировщики должны искать возможности обхода трассой участков наиболее интенсивного соленакопления.
Поскольку при постройке земляного полотна грунт перемешивается, степень засоления принято характеризовать средним содержанием солей в слое грунта, подлежащего перемещению в насыпь. Чаще всего берут содержание в верхней метровой толще грунта, в пределах которой закладываются резервы.
Если насыпь отсыпана из солончаковых грунтов, т.е. грунтов, содержащих легкорастворимые соли, то в зависимости от условий водоотвода и её высоты грунт может постепенно рассоляться. Если же дорога пересекает солончаки в малой насыпи и неизбежно капиллярное проникание в земляное полотно грунтовой воды, содержащей легкорастворимые соли, то возможен процесс дальнейшего засоления грунта.
Хлористые соли (NaCl, MgCl2,CaCl2) в малых количествах (до 3 %) улучшают устойчивость грунта; земляное полотно становится неустойчивым лишь при содержании их более 8 – 10 %.Присутствие 2 – 5 % растворимых сернокислых солей (Na2SO4, MgSO4) отрицательно влияет на уплотнение грунта, так как при кристаллизации из грунтовой воды в сухое время года, они, увеличиваясь в объёме, разуплотняют земляное полотно.
При глубоком расположении грунтовых вод в сухих местах земляное полотно из слабозасоленных грунтов можно строить по обычным правилам. Откосам насыпей придают пологое заложение 1:2 – 1:4.
Поперечный профиль с кювет-резервами и резервами допускают при глубине залегания грунтовых вод не менее 1 – 1,5 м, чтобы дно резерва находилось не менее чем на 0,2 м над наивысшим уровнем грунтовых вод.
Безрезервный профиль из привозного грунта применяют при избыточном засолении грунта, высоком уровне грунтовых вод и затруднённом отводе воды.
В средне- и сильнозасоленных грунтах необходимо особенно тщательно выполнятьмероприятия по отводу воды от земляного полотна. На расстоянии 0,5 – 1,0 м от края резерва устраивают лотки для отвода воды. При затруднённом отводе воды из резерва у подошвы насыпи оставляют берму шириной 1 – 2 м.
При использовании засоленных и сильнозасоленных грунтов, в которых уровень грунтовых вод расположен вблизи от поверхности, необходимо принимать меры против дальнейшего увеличения степени засоления грунта в насыпи солями, приносимыми проникающей капиллярной водой. Для этого должно быть предусмотрено достаточное возвышение низа дорожной одежды над уровнем поверхностных и зимне-весенних грунтовых вод – большее, чем принимается в аналогичных условиях для незасоленных грунтов.
Если невозможно обеспечить указанное возвышение дна корыта в насыпях, устраивают гравийные или щебёночные капилляропрерывающие прослойки толщиной 15 – 20 см. Для предохранения от заиливания, сверху и снизу прослойки укладывают слои из крупнозернистого песка, толщиной 3 – 5 см. При отсутствии содового засоления можно устраивать изолирующие прослойки толщиной 5 – 8 см из грунта, обработанного вязкими битумами или дёгтями. На мокрых в течение всего года глинистых и суглинистых солончаках насыпи устраивают из привозных грунтов, предпочтительно песчаных и супесчаных. При использовании при строительстве насыпей засоленных грунтов, нижние слои необходимо отсыпать из песка или супеси, на высоту, превышающую капиллярное поднятие.
Проектирование дорог в песчаных пустынях
Особенности климата и рельефа песчаных пустынь значительно усложняют условия строительства и эксплуатации дорог. Рельеф песчаных пустынь неустойчив.
Под воздействием ветра, песчинки перемещаются, причём их движение зависит от скорости ветра, и от ровности поверхности, по которой перемещаются песчинки. Ровные и гладкие поверхности, например такыры и шоры, так же как и мощные песчаные отложения оказывают небольшое сопротивление перемещению песка.
Обтекание ветропесчаным потоком неровностей песчаного рельефа сопровождается образованием участков местного повышения скоростей движения потока, завихрений, а также зон затишья. В зоне завихрения песок рассеивается, а в зоне затишья откладывается.
Перемещение песчинок по направлению ветра вызывает общее движение поверхностных слоёв песка в виде ряби. Постепенно поднимаясь по склонам песчаных холмов, песчинки после переноса через вершину скатываются и откладываются в зоне затишья с подветренной стороны. В результате этого песчаные холмы постепенно перемещаются по направлению ветра. Такие пески называют подвижными. Скорость перемещения песчаных бугров уменьшается с увеличением их высоты.
Различают следующие характерные формы рельефа песчаных пустынь, образующихся под воздействием ветра:
-барханы. Одиночные песчаные холмы высотой до 3 м и более, шириной до 100 м, имеющие в плане форму лунного серпа с рогами, ориентированными по направлению ветра. Наветренный пологий склон имеет угол наклона 5 – 12о, подветренный – 28 – 36о. Эта форма рельефа наиболее неустойчива и легко поддаётся действию ветра.
-барханные цепи. Образуются в районах, где господствующие ветры в течение года дважды меняют своё основное направление, перпендикулярно направлению ветров. Они имеют ширину 10 – 12 м и более и длину от 200 м до 2 км. Высота барханных цепей может превышать 7 метров. В зависимости от высоты барханных цепей расстояние между их гребнями составляет от 10 – 15 до 150 метров. Крупные комплексные барханные цепи “даваны” высотой 60 – 75 м расположены на расстояниях 1,5 – 3,5 км друг от друга.
-грядовые пески. Образуются при постоянном направлении господствующего ветра в течение всего года. Вытянуты по направлению ветра. Гряды отстоят друг от друга примерно на одинаковом расстоянии (в среднем 180 м). Формирование песчаных гряд вызвано выдуванием песка воздушными вихрями, горизонтальные оси которых соответствуют направлению котловин.
-бугристые пески. Закреплённые растительностью невысокие песчаные холмы неправильного очертания. Высота холмов не превышает 6 – 8 м. Крутизна их склонов примерно одинакова во всех направлениях. Бугристые и грядовые пески бывают заросшими и полузаросшими.
Для характеристики рельефа сыпучих песков при изысканиях полезно использовать аэрофотоснимки или аэрорекогносцировку.
Подвижность песков зависит от закрепления их растительностью. Заросшие пески, у которых растительностью покрыто более 35 – 40 % поверхности, имеют стабильные формы рельефа. В случае уничтожения растительности они в короткий срок вновь приобретают подвижность.
Элементы рельефа пустынь не создают трудностей при трассировании дороги. Участки, проходимые с применением максимальных уклонов невелики по протяжённости. Сложности при проектировании связаны с неустойчивостью форм песчаного рельефа.
Количество переносимого песка зависит от энергии ветра, которая пропорциональна квадрату его скорости. Для оценки условий переноса песков большую информативность дают “розы энергии” или “динамические розы ветров”, при построении которых по каждому из направлений откладывают сумму произведений квадратов скоростей ветров на частоты их повторяемости.
В движении песков возможны следующие режимы:
-поступательное движение, когда в течение года ветры одного направления резко преобладают над ветрами остальных направлений;
-колебательное движение, когда летнее и зимнее действие ветров примерно уравновешивается и барханные цепи, периодически изменяя своё очертание, остаются на месте;
-поступательно-колебательное движение, когда барханные цепи, периодически отступая, перемещаются в одном направлении, причём скорость перемещения песков в этом случае меньше, чем в первом.
Наибольшие трудности при проектировании дорог возникают в районах поступательного перемещения песков.
При составлении планов организации дорожно-строительных работ в песчаных пустынях, а также развёртывании службы эксплуатации необходимо учитывать резко континентальный климат, отсутствие воды и малую населённость. Практически не всегда возможно одновременно развернуть строительство на всём протяжении трассы, так как приходится предварительно устраивать временные, чтобы по ним подвозить материалы.
При трассировании дорог в песчаных пустынях следует по возможности избегать участков подвижных песков, даже путём удлинения трассы. При невозможности этого – прокладывать трассу по закреплённым растительностью пескам со спокойным рельефом, отдавая преимущество участкам, состоящим из крупнозернистых песков.
Следует использовать такыры и солончаки, через которые песок переносится транзитом. В местах поступательного и колебательно-поступательного движения песков в случае пересечения барханов, гряд или цепей следует выбирать наиболее низкие участки, устраивая выемки только в случае неизбежности. Проложение трассы по склонам песчаных элементов рельефа всегда бывает связано с необходимостью сложных укрепительных работ и не приводит обычно к положительным результатам.
Трассу автомобильной дороги рекомендуется удалять от гряд или барханов не менее чем на двукратную их высоту. Руководствуясь розой ветров, можно установить, к какой стороне гряд можно наиболее безопасно приближать дорогу. Наиболее благоприятны участки дорог, расположенные перпендикулярно к господствующим ветрам.
В связи с высокой впитываемостью воды в песок водоперепускные сооружения не устраивают. Водоотвод обеспечивается лишь на участках такыров, а также на участках трассы у окраины песков, куда вода стекает во время дождей с холмов, покрытых водонепроницаемыми породами.
Земляное полотно проектируют в невысоких насыпях с рабочими отметками 0,5 – 0,6 м и пологими откосами 1:4 – 1:5. Неглубокие резервы располагают с наветренной стороны. Поверх земляного полотна и на его откосах укладывают защитные слои связного грунта, защищающие от выдувания песка и проникания его в каменные материалы дорожной одежды.
Неглубокие выемки глубиной до 2 м делают раскрытыми с откосами 1:10, а глубокие с откосами 1:2 и бермами шириной 10 – 20 м. Проезжую часть располагают на невысокой насыпи высотой 0,3 – 0,4 м с откосами 1:4.
Высокие насыпи можно отсыпать нормального поперечного профиля, с заложением откосов 1:1,5. В зависимости от местных условий откосы укрепляют грунтом, обработанным вяжущим, укладкой камня в клетку, сплошным замащиванием, щитами, сделанными из ветвей деревьев и т. д.
Уполаживание откосов выемок или придание им выпуклого обтекаемого очертания не может полностью устранить опасность песчаных заносов, хотя и несколько улучшает условия работы дороги. Откосы выемок и примыкающие к ним участки полосы отвода укрепляют устилочными щитами. Вместо отсыпки кавальеров, разрабатываемый в выемках песок необходимо отвозить в сторону и разравнивать с подветренной стороны на полосе отвода.
Уполаживание поперечного профиля земляного полотна не может полностью защитить дорогу от заносов. Необходимо также спланировать придорожную полосу на 15 – 40 м, а такжезакрепить подвижные формы рельефа на ширину до 200 м.
Полностью закрепить движение песков, можно только устроив на значительном расстоянии растительного покрова трав, кустарников и деревьев. Наряду с укреплением песков растительностью дорогу ограждают щитами. Около щитов образовываются зоны зашитья, в которых накапливается песок. Защита дороги щитами должна рассматриваться как временное мероприятие.
Формы рельефа закрепляют установкой многорядных сплошных щитов: высоких, полускрытых и скрытых. Периодически переставляя щиты, удаётся замедлить движение песчаных валов, выровнять барханный рельеф, раздвинуть песчаные валы вдоль дороги.
Возможно перепускать песок через дорогу, выбрав для этого участок в нулевых отметках и создав на нём гладкую поверхность покрытия обочин и откосов.