2848.Методические рекомендации по восстановлению дорожных одежд на участк

5. Методика установления причин образования пучинистых участков на автомобильных дорогах и рекомендации по выбору возможных мероприятий по устранению пучин в зависимости

от установленных причин

Втехнической литературе морозоопасные свойства грунтов трактуются как пучинистые при промерзании, оценивая морозоопасность как воздействие на сооружения деформаций и сил морозного пучения. При этом изменение прочностных и деформационных свойств грунтов в процессе последующего оттаивания и влияние этого процесса на устойчивость оснований дорожных конструкций в нормативных документах не учитываются.

Сезонно-промерзающим или сезонномерзлым слоем называют поверхностный слой земной коры, промерзающий в холодный период года. Сезонно-промерзающие грунты в течение годового периода находятся в трех состояниях: талом, промерзающем и оттаивающем. Талое состояние грунта рассматривается как основное, а промерзающее и оттаивающее – как переходные состояния, непрерывно изменяющиеся во времени и характеризующиеся развитием ряда сложных процессов, которые определяют морозоопасные свойства грунтов.

Как показывают исследования (Карлов В.Д.), между характеристиками физикомеханических свойств грунта в талом, промерзающем и оттаивающем состояниях существует взаимосвязь, обусловленная криогенными процессами (в первую очередь – миграционным процессом влаги). Интенсивность развития этих процессов зависит от вида грунта, его состава и состояния, характера промерзания и особенностей гидрогеологических условий расположения автомобильной дороги.

Всоответствии с действующим государственным стандартом Российской Федерации «Грунты. Классификация» (ГОСТ 25100–2011) к пучинистым грунтам отно-

сятся глинистые грунты с показателем текучести IL>0, пески пылеватые и мелкие со степенью влажности Sr>0,6 и крупнообломочные грунты с заполнителем(глинистым,

песком пылеватым и мелким). Степень пучинистости зависит от величин IL и Sr и характеристик, по которым они вычисляются: влажности грунта перед промерзанием w,

влажностей на границах текучести wL и раскатывания wp, числа пластичности IР. На последние величины влияют гранулометрический состав грунта, а также минералогический и химический составы слагающих его частиц. Таким образом, потенциальное морозное пучение грунта, вероятность его возникновения определяются в значительной мере гранулометрическим составом.

Процесс пучения обусловлен содержанием влаги в промерзающем грунте земляного полотна автомобильной дороги и взаимодействием ее с поверхностью минеральных частиц, которое приводит к миграции влаги в зону замерзшего грунта. Таким образом, пучинистость грунта земляного полотна будет зависеть как от формы

иразмеров минеральных частиц, так и от физико-химической природы их поверхности, определяемой главным образом минералогическим составом частиц мелких (тонких) фракций и составом поглощенных ими катионов. В зависимости от типа глинистых минералов установлен следующий их ряд по интенсивности пучения:

11

каолинит > иллит, гидрослюда, полиминеральные грунты > монтмориллонит.

Наиболее интенсивно пучение протекает в пылеватых грунтах, расположенных в следующем порядке:

глины (каолинит в глинистой фракции) > пылеватые грунты > суглинки > супеси > > глины (монтмориллонит в глинистой фракции).

Миграция влаги к границе промерзания, как отмечено выше, обусловлена ее взаимодействием с твердыми минеральными частицами, главным образом глинистой и пылеватой фракций.

Внешними признаками пучинистых мест в зимний период являются неравномерное поднятие участков покрытия, образование отдельных бугров или группы бугров на покрытии. Значительная часть из них имеет сетку трещин, концентрирующуюся у вершины бугров пучения, которые разрушают покрытие на отдельные куски различной величины и формы.

Морозное пучение образуется при одновременном сочетании трех факторов:

1.Интенсивное морозное влагонакопление, при котором максимальная относительная влажность грунта в верхней части земляного полотна Wmax > 0,75 WT;

2.Промерзание грунта под дорожной одеждой на глубину hnp >> 0,5 м;

3.Наличие мелких пылеватых песков и супесей, пылеватых суглинков или других пучинистых грунтов.

Образование пучин может развиваться как по ширине проезжей части, так и вдоль нее. Иногда пучины в большей степени развиваются на обочинах, и их поднятие может оказаться больше, чем в зоне проезжей части. В весенний период после схода снега на пучинистых участках могут появляться влажные пятна (рис. 1).

Рис. 1. Выход влаги на пучинистом участке дороги

Наблюдаются иногда выход вместе с водой мелких частиц дренирующего слоя или грунта земляного полотна, а также волнообразные колебания дорожной конструкции при наезде тяжелых транспортных средств. Эти участки имеют, как правило, значительно пониженную прочность и интенсивно разрушаются (образование выбоин, просадок и т.д.).

12

Больше всего морозному пучению подвержены глинистые грунты (объем грунта может увеличиваться на 10…15 %, то есть при глубине промерзания 1,8 м – на

16…22 см).

По относительному превышению пучинистых участков их делят на бугры, впадины, перепады (рис. 2).

Рис. 2. Разновидности пучин: а – равномерное пучение; б – бугор пучения; в – впадина; г – перепад; 1 – положение дорожной одежды после пучения; 2 – то же до пучения; lр, lб, lв, lп – величины соответственно равномерного пучения, бугра пучения, впадин, перепада

Бугром называют вспученный локальный участок. Впадиной называют локальный участок с меньшим по сравнению с равномерным или нулевым поднятием, а границу между двумя зонами равномерного пучения с разной высотой поднятия – перепадом (рис. 3).

Рис. 3. Бугор пучения

Наиболее пучиноопасными являются насыпи и выемки в пылеватых грунтах. Кроме того, опасны с позиций пучинообразования:

по гидрологическим и гидрогеологическим признакам:

•равнинные участки с поверхностным застоем воды в придорожной полосе;

•то же, с торфорастительной прослойкой в основании насыпи;

•то же с высокорасположенным горизонтом грунтовых вод;

13

по орографическим, грунтовым, конструктивным и технологическим признакам:

•выпуклые и вогнутые переломы продольного профиля;

•затяжные уклоны автомобильных дорог;

•места пересечения микрологов, узких складок местности;

•места примыкания съездов или других нарушений режима потока поверхностной воды по кюветам или боковым канавам;

•места водосбросов, малых искусственных сооружений;

•места выхода грунтовых и наледных вод;

•места с дефектами при строительстве: перебор в скальной выемке, неправильное взаиморасположение грунтов в насыпи и т.д.;

•места пересечения автомобильных дорог с подземными инженерными коммуникациями;

•места натечных промышленно-хозяйственных вод и стоков.

Наличие пучинистых участков приводит к снижению потребительских свойств дороги и росту аварийности. В соответствии с требованиями по безопасности дорожного движения дорожные службы в короткие сроки обязаны восстановить ровность на данных участках дорог. В данный период при содержании дорог производят восстановление земляного полотна и дорожной одежды на участках с пучинистыми грунтами на площади до 100 м2 с максимальным использованием местных материалов. При этом заказчик предъявляет подрядчику сниженные требования к приемке работ по ликвидации пучинистых участков, которые определены в нормах на строительство и реконструкцию дорог. Основные мероприятия по ликвидации пучинистых участков в период содержания приведены в прил. 3.

В дальнейшем для данных участков в летний период необходимо проведение инженерно-геологических работ по определению причин пучинообразования. На основании полученных результатов разрабатывается рабочая документация по ремонту, капитальному ремонту или реконструкции. До назначения вида работ (ремонт, капитальный ремонт, реконструкция) по ликвидации пучинистых участков заказчиком проводятся подготовительные работы, которые включают в себя визуальное обследование дорог, создание геодезической разбивочной основы, проведение инже- нерно-геологических изысканий.

Выявление и обследование пучинистых участков на предварительной стадии проводят визуальным осмотром дороги в весенний период после того, как покрытие очистилось от снега. Существование пучин на данном участке дороги определяют по наличию характерных деформаций. При обследовании в летний период выявление пучинистых участков возможно по наличию характерных трещин или сетки трещин

(рис. 4).

Работы по обследованию участков, подверженных пучиообразованию, проводят для определения характера поражения участков дороги пучинами, степени их развития, состояния покрытия; оценивают возможные причины образования пучин (состояние водоотвода, наличие общей трещиноватости покрытия проезжей части, со-

14

стояние обочин, рельеф местности и т.д.), необходимость введения неотложных мероприятий (закрытие дороги, ограничение движения и т.д.) для исключения интенсивного разрушения дорожной конструкции.

Рис. 4. Сетка трещин

После выявления пучинистого участка ему присваивают номер и определяют его протяженность (от КМ+ ... до КМ+). По паспорту дороги определяются начало и конец участка, по проектным данным на обследуемом участке выясняют толщины конструктивных слоев дорожной одежды, наличие и характеристики дренирующего слоя, вид подстилающего грунта, уровень грунтовых вод и т.д. По результатам анализа данных предварительного обследования устанавливают источники переувлажнения грунта на пучинистом участке дороги.

Основными задачами, поставленными перед инженерно-геологическими работами на участках пучинообразования, должны быть:

•изучение инженерно-геологических условий;

•определение инженерно-геологического разреза участков ремонта;

•выделение в инженерно-геологическом разрезе инженерно-геологических элементов и определение глубин их распространения;

•определение значений физико-механических свойств выделенных инженерногеологических элементов;

•определение строительных характеристик инженерно-геологических элементов. Для выполнения поставленных задач и комплексного изучения состояния инже-

нерно-геологических условий участков, подверженных пучинообразованию, в летний период должны быть проведены исследования, входящие в состав инженерногеологических изысканий:

1.Рекогносцировочное обследование;

2.Буровые работы;

3.Геофизические работы (при необходимости);

15

4.Лабораторные исследования грунтов;

5.Камеральная обработка материалов и назначение мероприятий по устранению пучинообразования.

Рекогносцировочное обследование района производства работ должно включать осмотр места изыскательских работ и визуальную оценку рельефа и условий эксплуатации дороги. Обследование производится в полосе 10–50 м участка, подверженного пучинообразованию.

Бурение скважин производится с целью определения литологического состава слоев дорожной одежды и грунтов на участке пучинообразования, а также для установления уровня грунтовых вод, толщин конструктивных слоев, отбора проб грунта земляного полотна и основания для лабораторных исследований.

Бурение скважин следует осуществлять механическим колонковым способом

сиспользованием буровой установки. Количество скважин определяется на основании визуального осмотра участка пучения, но должно быть не менее трех (две скважины по границе участков пучения и одна в середине участка). Глубина скважин назначается в зависимости от высоты дорожной конструкции в пределах от 3 до 15 м.

Из пробуренных скважин производят отбор проб грунта нарушенной и ненарушенной структуры (монолиты). Пробы отбираются из всех встреченных литологических разновидностей грунтов, которые направляются в лабораторию для испытаний

ссопроводительной ведомостью. Отбор, упаковку, транспортировку и хранение проб грунта следует производить в соответствии с ГОСТ 12071–2001.

Обработка полевых материалов инженерных изысканий производится в три этапа. На первом этапе (полевые условия) проводится разбраковка отобранных проб грунта. В камеральных условиях на этом этапе проводится построение инженерногеологических колонок пробуренных скважин с выделением инженерно-геологичес- ких слоев.

Основной – второй этап камеральной обработки инженерно-геологических материалов производится после получения данных лабораторных определений физических свойств грунтов, проведенных по стандартным методикам и в соответствии

сдействующими ГОСТами с привлечением результатов полевых исследований керна. В результате данных работ проводится предварительное членение инженерногеологического разреза на инженерно-геологические элементы. Определение значений физико-механических свойств глинистых грунтов производится в соответствии

сСП 22.13330.2011.

Геофизические исследования проводятся с целью расчленения геологического разреза в наиболее сложных местах по условиям бурения и геологических условий совместно с данными бурения, определения пределов изменения электрического сопротивления геоэлектрических слоев, слагающих инженерно-геологический разрез. Геофизические работы на участках пучинообразования целесообразно выполнять методом вертикального электрического зондирования в непосредственной близости от скважин.

16

Камеральные геофизические работы проводятся в два этапа: на первом этапе в полевых условиях проводятся вычисления значений электрических сопротивлений, определенных методом вертикального электрического зондирования: на втором – обработка результатов с использованием программных продуктов.

Лабораторные исследования грунтов выполняются в соответствии с действующими ГОСТами и нормативными документами. Отбор проб грунта нарушенной и ненарушенной структуры (монолиты) для лабораторных исследований производится в конце летнего периода данного строительного сезона.

Лабораторные исследования проводятся с целью определения:

–гранулометрического состава грунтов;

–влажности грунтов;

–пределов пластичности и консистенции грунтов;

–плотности связных глинистых грунтов;

–стандартного уплотнения грунтов;

–свободного набухания и размокания грунтов;

–предела прочности на одноосное сжатие;

–степени агрессивности грунтов;

–прочностных и деформационных свойств грунтов (угла внутреннего трения, удельного сцепления);

–химического состава и агрессивности грунтовых и поверхностных вод;

–степени заторфованности грунтов (при необходимости).

В зависимости от полученных результатов назначаются мероприятия по улучшению водно-теплового режима земляного полотна, к которым относятся:

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

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

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

–устройство по уменьшению глубины промерзания земляного полотна автомобильной дороги;

–замена пучинистых грунтов (непучинистыми материалами).

Сэтой целью применяют различные специальные мероприятия:

–использование непучинистых или слабопучинистых грунтов для сооружения верхней части земляного полотна, находящегося в зоне промерзания;

–осушение рабочего слоя земляного полотна, в том числе устройство дренажа для увеличения расстояния от низа дорожной одежды до уровня грунтовых вод;

17

– устройство гидроизолирующих или капилляропрерывающих прослоек для перехода от 2-й или 3-й схемы увлажнения рабочего слоя земляного полотна к 1-й схеме (характеристика схем увлажнения дана в СНиП 2.05.02–85*);

–устройство морозозащитного слоя из непучинистых минеральных материалов,

втом числе укрепленных малыми дозами минеральных или органических вяжущих;

–устройство теплоизолирующих слоев, снижающих глубину или полностью исключающих промерзание грунта под дорожной одеждой;

–устройство основания дорожной одежды из монолитных материалов (типа тощего бетона или других зернистых материалов, обработанных минеральным или органическим вяжущим);

–защелачивание глинистых грунтов рабочего слоя земляного полотна нагнетанием в них при помощи инъекторов водного раствора гидроксида натрия с добавкой негашеной извести;

–снижение пучинистости глинистых грунтов при обработке их щелочными растворами высоких концентраций;

–электрохимическое закрепление водонасыщенных глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог.

Проектирование мероприятий по устранению пучинистых участков дороги следует начинать с установления требований по прочности и морозоустойчивости дорожной одежды на таких участках. Для установления этих требований необходимо иметь следующую информацию: количество пучинистых участков на 1 км дороги и их суммарную протяженность, коэффициенты прочности дорожной одежды и сроки ее усиления на здоровых (непучинистых) участках дороги. На основании данной информации в соответствии с нормативами назначаются мероприятия по пучинистому участку дороги [15].

К первому типу относят отдельные участки дороги, подверженные пучинообразованию и требующие ремонта, которые расположены на дороге, находящейся

вудовлетворительном состоянии. В рамках этих требований создаваемая конструкция дорожной одежды на пучинистом участке должна быть равноценна по прочности и морозоустойчивости конструкции на здоровых участках дороги. При этом значение расчетного модуля упругости дорожной конструкции на пучинистом участке должно быть близким к значению фактического общего модуля упругости на «здоровом» участке дороги. Интенсивность изменения величины пучения грунта по длине пучинистого участка не должна превышать допустимого значения для данной дорожной одежды.

В расчет следует включать значение общего модуля упругости дорожной конструкции, полученное по данным испытания на здоровых участках дороги. Ожидаемое значение пучения грунтов на этих участках определяют по номограммам, приведенным в ОДН 218.046–01 «Оценка прочности нежестких дорожных одежд. Отраслевые дорожные нормы».

Ко второму типу относят участки автодороги, подверженные пучинообразованию, которые расположены на дороге, находящейся в неудовлетворительном со-

18

стоянии, и требуется усиление дорожной одежды при капитальном ремонте или реконструкции. В данном случае требуемый модуль упругости дорожной конструкции на пучинистом участке нужно принимать равным проектному значению общего модуля упругости конструкции на «здоровых» участках дороги после усиления дорожной одежды.

Допустимая величина пучения грунтов на пучинистом участке должна быть равна ожидаемой величине пучения грунтов на соседнем «здоровом» участке дороги после усиления дорожной одежды. Ожидаемую величину пучения грунтов на «здоровом» участке дороги определяют по номограммам ОДН 218.046–01.

При полном переустройстве дорожной одежды с заменой переувлажненных и разуплотненных грунтов на участке ремонта (реконструкции) дороги другим грунтом толщиной не менее 2/3 глубины промерзания земляного полотна и уплотнении этого грунта до нормативной плотности уменьшается неравномерность пучения.

При разработке варианта дорожной одежды по условиям прочности он должен быть проверен на морозоустойчивость. Морозоустойчивость обеспечивается в том случае, когда пучение грунтов земляного полотна не превышает допустимой величины.

При превышении величины пучения грунтов допустимого значения следует увеличить толщину покрытия или основания дорожной одежды или ввести в дорожную конструкцию дополнительный слой (морозозащитный или теплоизолирующий).

Дорожная одежда на пучинистом участке должна предусматривать устройство дренирующего слоя из зернистых материалов с коэффициентом фильтрации не менее 2 м/сут или устройство дренирующей прослойки из геотекстиля толщиной не менее 4 мм и водопроницаемостью 50 м/сут и более. Причем дренирующий слой на пучинистых участках проектируют по принципу осушения. На таких участках не допускается устраивать дренирующий слой по принципу поглощения. Вода из-под дорожной одежды должна отводиться путем устройства дренирующих слоев, размещаемых на полную ширину земляного полотна, или с помощью трубчатых дрен за пределы земляного полотна. При устройстве дренирующей прослойки из геотекстиля нужно обеспечить выпуски полотнищ на откосы насыпи не менее чем на 0,5 м.

Проектирование дорожной одежды на пучинистом участке дороги следует проводить в следующем порядке:

–определить требуемое значение модуля упругости дорожной конструкции;

–определить допустимое значение пучения грунтов на пучинистом участке до-

роги;

–установить причины повреждения дорожной одежды на основе результатов обследования дороги;

–назначить мероприятия по устранению этих причин.

При залегании грунтов разных типов в пределах глубины промерзания следует включать в расчет показатели грунта с наибольшей степенью пучинистости.

К пучинистым грунтам относятся: супесь песчанистая, суглинок тяжелый песчанистый, глина.

19

Ксильнопучинистым грунтам относятся: песок пылеватый, супесь пылеватая, суглинок тяжелый пылеватый.

Кчрезмерно пучинистым грунтам относятся: супесь пылеватая с содержанием песчаных частиц менее 20 % по массе, суглинок легкий пылеватый.

При проведении мероприятий по восстановлению несущей способности земляного полотна, не затрагивающих самой конструкции существующей дорожной одежды, которое возможно за счет продольного и поперечного водоотвода и защиты рабочего слоя земляного полотна от воды, проектирование мероприятий по обеспечению прочности дорожной одежды следует проводить в соответствии с требованиями ОДН 218.1.052–2002 «Оценка прочности нежестких дорожных одежд».

6.Назначение мероприятий по устранению пучинистых участков при реконструкции, капитальном ремонте, ремонте и содержании автомобильных дорог для II дорожно-климатической зоны

(Пермский край)

При назначении мероприятий по устранению пучинистых участков при реконструкции, ремонте на автомобильных дорогах или при их содержании необходимо учитывать следующее:

1.В зимнее время при образовании пучин капиллярная вода является основным источником льдонакопления в основаниях дорожных конструкций.

2.Изменение температуры воздуха существенно влияет на режим влажности

вгрунтах земляного полотна. При повышении температуры воздуха повышается испарение влаги из грунта, потому что относительная влажность воздуха уменьшается, а дефицит влаги увеличивается.

3.Увеличение влажности грунта за первые пять суток достигает 50–70 % по отношению к первоначальной влажности, и насыщение грунта водой наступает тем раньше, чем меньше его первоначальная влажность.

4.Максимальное расстояние от источника увлажнения (из боковых канав, кюветов, при затрудненном водоотводе) в течение 20 сут составляет: для глинистых грунтов – 2,5–3,0 м; суглинистых – 3,0–4,0 м; супесчаных – 7,0–9,0 м.

5.При проектировании и строительстве автомобильных дорог, проходящих через лесные массивы, необходимо учитывать, что колебание уровня грунтовых вод имеет два максимума: весенний – продолжительностью 15–25 сут и осенний –

до 40 сут. Продолжительность расчетного состояния грунта земляного полотна

восенний и весенний периоды составляет от 15 до 40 сут.

6.В весенний период влажность грунта земляного полотна для автомобильных дорог, проходящих по лесным массивам, в 1,5–2 раза выше, чем для дорог в открытой местности.

7.На промерзание грунта существенное влияние оказывают тип и влажность грунта, интенсивность и продолжительность действия отрицательной температуры, теплопроводность и влагопроводность грунта и т. д.

20