Тема 2. Принципи технології будівництва земляного полотна

1. Дії (види впливу) на земляне полотно.

2. Деформації ЗП.

3. Головні принципи технології будівництва земляного полотна.

1. Дії (види впливу) на земляне полотно.

ЗП – один із головних конструктивних елементів дороги. Воно повинно протягом строку служби дороги ефективно чинити опір різним впливам, не руйнуючись і не змінюючи своєї геометричної форми.

На ЗП впливають статичні та динамічні навантаження, його власна маса та сукупність природних факторів. Ці впливи утворюють у тілі ЗП напружено-деформований стан і змінні поля вологості й температури (W i t). (Під полем слід розуміти сукупність значень величин W i t у різних точках геометричного об'єму ЗП).

Найбільші напруження в ДК виникають по вертикалі і збігаються з віссю прикладеного навантаження. З глибиною вони швидко затухають, тоді як напруження від власної маси збільшуються. Найімовірніше виникнення деформацій у межах активної зони (рис. 2.1.), в якій напруження від зовнішнього навантаження перевищують напруження від власної маси і відіграють вирішальну роль в роботі ЗП. Глибина активної зони z_aвизначається за умовою, щоб напруження від рухомого транспорту σ₁на її границі визначалися формулою:

, (2.1)

де (див. рис.2.1.); n=5…10; γ – щільність ґрунту. Для сучасних навантажень від автомобільного руху z_a=1,6…1,8.

За формулою Буссіне для пружного напівпростору (див. рис.2.1.), коли z=1,7 м, а навантаження на колесо становить P=2т, напруження на глибині z_a:

=0,03 кг/см²=0,003 МПа

І хоч насправді матеріал шарів, які утворюють ДК, за своїми властивостями не можна віднести до пружних тіл, малі значення напружень на глибині z_aдосить вірогідні. Отже верхній шар ЗП відносно дії на нього механічного навантаження перебуває в складніших умовах, ніж шари, які розташовані нижче. Дія природних факторів характеризується типом водно-теплового режиму (ВТР) для місцевості, де розташоване ЗП. ВТР визначає характер тепло- і масообміну, що його спричинюють коливання кліматичних, гідрологічних та геологічних умов. Ці коливання якраз і визначають закономірності сезонних змін властивостей ґрунтів ЗП.

На ЗП діє декілька джерел зволоження. Це насамперед атмосферні опади 1 і капілярне зволоження 2, зволоження у вигляді пари 3, просочення води з боку кюветів (рис. 2.2.). Узбіччя і укоси насипів зволожуються переважно атмосферними опадами 1 та поверхневим стоком з оточуючої території 4. В зонах зволоження міцність ґрунту значно знижується, що може призводити до руйнування укосів та узбіч ЗП.

Міцність ґрунту залежить, головним чином, від його вологості W, щільності ρ, гранулометричного складу с:

R=f₁(W,ρ,c) (2.2)

В свою чергу щільність також є функцією вологості та гранулометрії:

R=f₂(W,c) (2.3)

Від цих самих параметрів залежить модуль пружності, особливо від вологості W. Модуль різко зменшується, коли вологість ґрунту зростає.

2. Деформації ЗП.

Дія названих факторів, можливі недоліки конструкції та технологічні похибки при будівництві часто призводять до руйнування ЗП. Досить поширені просідання насипу, які виникають внаслідок консолідації ґрунтів, з яких вона збудована (рис. 2.3,а).

Просіданнявиникають, якщозастосовують нестабільні або погано ущільнені ґрунти. Причиною може бути також різниця в фільтраційних показниках ґрунтів, а також наявність у масиві брил мерзлого ґрунту, льоду, снігу, що маємо при виконанні робіт взимку. Ліквідація таких руйнувань пов'язана з регулювання водовідводу та досипанням деформованого насипу дренуючим ґрунтом.

Осіданняземляного полотна (рис. 2.3,б)виникають за недостатньої міцності та недопустимої деформативності ґрунтів основи, на якій відсипаний насип. Осідання може виникати також через деякий проміжок часу, коли деформації ґрунту наростають дуже повільно. Шляхи ліквідації пошкоджень аналогічні до попереднього випадку.

Випинання ґрунтув нижній частині насипу (рис. 2.3,в)відбувається внаслідок інтенсивного капілярного зволоження. В цьому випадку проїзна частина дороги втрачає рівність, спотворюються обриси укосів, узбіч, зменшується висота насипу та збільшується його ширина внизу. Щоб запобігти цьому руйнуванню, можнадосипати дренуючий матеріал або влаштувати одно- чи двобічні контрбанкети.

Розповзання насипу(рис. 2.3,г) зустрічається, колизастосовуються водонестійкі ґрунти, шари ґрунту погано ущільнені, насип відсипаний у глибоку калюжу; ті самі порушення відбуваються при земляних роботах узимку. Найефективнішими засобами боротьби у цьому випадку є використання дренуючих матеріалів, влаштування контрбанкетів, надання укосам меншої крутизни.

Пучення(рис. 2.3,д) виникає внаслідокінтенсивного капілярного та паровидного зволоження. Це руйнування детально розглядається в курсі експлуатації автомобільних доріг, тому на них зупинятися не будемо.

Руйнування узбіч(рис. 2.3,е) спостерігається в тих випадках (особливо часто на сільських дорогах), колипо перезволожених узбіччях рухається транспорт. Основний засіб боротьби – укріплення узбіч.

Сповзання насипупо поверхні косогору (рис. 2.3,є) або на похилому мінеральному дні болота спостерігається в разінедостатнього зчеплення насипу з ґрунтовим масивом основи. Стримати або уповільнити сповзання можна, якщозбудувати з боку низового укосу підпірну стінку або відсипати контрбанкет.

Перелічені деформації – лише приклади, вони не охоплюють усіх можливих випадків руйнування земляного полотна, наприклад розвіювання насипів вітром у пустелях, провали насипів у карстові воронки, утворення термокарсту, коли під насипом розтає лінза льоду товщиною в кілька метрів в умовах вічної мерзлоти.

Крім того, варті уваги найрізноманітніші пошкодження укосів, місцеві осідання, розливи тощо.

Найбільш характерними пошкодженнями укосів є змиви(рис. 2.3,ж), які виникаютьпід дією атмосферних опадів та періодичного промерзання і розмерзання. Такі явища відбуваються за недостатнього укріплення укосів, перезволоження ґрунтів, через порушення в роботі системи дорожнього водовідведення. При розмерзанні верхнього шару він може утримувати в своєму тілі значну кількість води. Його вологість може перевищувати межу текучості, і ґрунт не зможе утримуватися в такому стані на похилій площині укосу й потече вниз. (Рясна весняна злива може сприяти такому стану). Пошкодження, що виникли, потребуютьвідновлення обрису поперечного профілю укріплення укосів, регулювання поверхневого стоку води. Як найпростіший захід – відсипати і спланувати який-небудь дренуючий матеріал.

Спливи укосів(рис. 2.3,з) пов'язані зізміщенням верхніх шарів ґрунту товщиною 1…2 м із збереженням загальної стійкості укосу. Такі деформації характерні для високих насипів та глибоких виїмок(Дуже поширені, наприклад, на Південнобережному шосе в Криму, автомобільній дорозі Полтава-Кишинів та ін.). Причиною їх виникнення єпорушення принципу пошарової відсипки насипу та необхідного ущільнення, а також інколи пов'язані з циклічним промерзанням та розмерзанням ґрунтового масиву. В цьому випадку треба зменшувати крутість укосів, можна влаштувати термоізоляцію.

Сповзання укосів(рис. 2.3,и) під дією сили тяжіння через порушення загальної стійкості укосу спостерігається тоді, колина поверхню укосу виходять ґрунтові води у верхній його частині (характерно для глибоких виїмок, наприклад на дорозі Полтава-Кишинів), при вивітрюванні порід, що утворюють укіс. У таких випадках треба зменшити крутість укосу, будувати підпірні стіни, регулювати систему поверхневого водовідводу, посилювати укоси захисними покриттями.

Зустрічаються на дорогах також пошкодження бічних канав(кюветів) у виглядірозмивутазамулювання(рис. 2.3,і,ї).Розмививиникають тоді, колишвидкість течії води перевищує допустиму для даного типу ґрунту чи конструкції укріплення. Знизити швидкість можна за рахунок штучної шорсткості поверхні дна та укосів кювету, влаштування перепадів та водобійних колодязів.

Замулюваннявідбувається в умовах, колиживий переріз поступово заповнюється ґрунтовими частинками, що змиваються водою з укосів та поверхні дорожнього покриття, куди вони заносяться колесами транспорту. Але головна причина в розмивах все-таки недопустиме збільшення швидкості течії на одних ділянках кювету і зменшення на інших. Відповідно повинні підбиратися і методи боротьби з такими явищами.

Як запобігти руйнуванням та пошкодженням ЗП? Окрім того, що його необхідно правильно проектувати, з не меншою відповідальністю треба ставитися до його будівництва згідно з принципами, які висунуті наукою та обґрунтовані багаторічною практикою.

3. Головні принципи технології будівництва земляного полотна.

3.1. Для будівництва треба використовувати водостійкі ґрунти. З цією метою найчастіше застосовуються дрібнозернисті ґрунти, розмір частинок яких рідко досягає 2 мм. Крупніші частинки можуть зустрічатися переважно в гірських районах.

Фізико-механічні властивості ґрунтів значною мірою залежать від кількості та властивостей глинистих частинок. Навіть їх невелика присутність істотно впливає на гідрофільність, міцність, водопроникність та набрякання ґрунтів.

Яскравими представниками глинистих мінералів є гідрослюди, каолініт та монтморилоніт. Найпоширенішими можна вважати гідрослюди. Потім іде монтморилоніт, а за ним каолініт.

Так звані вторинні глинисті мінерали – продукт хімічної зміни первинних.

Каолініт – стійкий мінерал, має малу здатність до набрякання.

Монтморилоніт складається з дуже дрібних частинок, пластичний, за зволоження збільшує свій об'єм у 10…20 разів.

Гідрослюди за своїми властивостями займають проміжне місце.

Для зведення ЗП використовують пухкі та зв'язні уламкові гірські породи. Що визначає кількісну різницю між ними?

Зв'язності ґрунтам надають глинисті частинки. Залежно від їх кількості ґрунти поділяються на:

• зв'язні (глинистих часток більше 12%);

• малозв'язні (3-12%);

• незв'язні (пухкі) (менше 3%).

Такий поділ досить зручний, хоча й умовний. Різкі зміни властивостей ґрунтів на цих границях не існують.

До водостійких ґрунтів відносять щебенисті, галькові, гравійні, жорствяні, піски гравіюваті та крупні, дрібні та середньої крупності. Такі ґрунти можна використовувати для зведення ЗП в будь-яких умовах.

Глинисті ґрунти (супіски, суглинки, глини) придатні для ЗП за обмеженого зволоження.

Деякі ґрунти мають високу природну вологість. З надмірного зволоження вони дуже розмокають й під дією навантаження втрачають стійкість. До таких ґрунтів можна віднести:

• мули та мулисті ґрунти – в природному стані мають вологість, яка перевищує межу текучості;

• торфи, заторфовані ґрунти, сапропелі – в природному стані мають значну вологість, дуже деформативні для зведення насипів практично не використовуються;

• загіпсовані ґрунти (вміст гіпсу перевищує 5%) – застосовуються за обмеженого зволоження (гіпс легко розчиняється у воді);

• особливі ґрунти: леси; аргіліти та алевроліти; глинисті мергелі та мергелисті глини; трепели; опоки (це кремнієві гірські породи, що вміщують аморфний кремнезем та домішки оксидів заліза, натрію, магнію); крейда. Особливі ґрунти розбухають за зволоження, мають низьку морозостійкість.

До слабких відносять зв'язні ґрунти, що мають міцність на зсув в умовах природного залягання менше ніж 0,075 МПа (при випробуванні за допомогою приладу обертального зрізу) чи деформацію більше ніж 500 мм/м при тиску 0,25 МПа.

До дренуючих відносять ґрунти, що мають за максимальної щільності і стандартного ущільнення коефіцієнт фільтрації не менший за 0,5 м/добу.

Стійкість полотна також порушується, якщо ґрунти відсипати безсистемно, не зважаючи на їх фізико-механічні властивості.

3.2. Ґрунти в насипі відсипають шарами так, щоб забезпечувався сприятливий водно-тепловий режим (ВТР). Шари ґрунту укладають горизонтально. Товщина шарів призначається такою, щоб за даних технологічних можливостей можна було досягти стандартної щільності. Особливо шкідливим є попадання в тіло насипу брил та грудок, які за розміром перевищують 20 см; вони перешкоджають нормальному ущільненню, а якщо це мерзлий ґрунт, лід тощо, то при розтаванні може різко зрости вологість у тілі насипу.

Різні за властивостями ґрунти необхідно відсипати, враховуючи положення рівня ґрунтових вод (РГВ). Якщо РГВ знаходиться близько від земної поверхні, тоді в нижню частину відсипають дренуючий ґрунт, для якого характерна мала висота капілярного підняття. Поверхню шару роблять горизонтальною (див. рис. 2.4,а). Якщо ґрунтові води залягають глибоко, добре дренуючі ґрунти треба відсипати поверх зв'язних. Поверхню нижнього шару треба робити похилою в бік укосів (2…4%), що сприяє відведенню води від дощів (рис. 2.4,б).

3.3. Ґрунт ЗП треба ретельно ущільнювати. Особливу увагу слід приділяти ущільненню ґрунтів у межах активної зони z_a. Щільність ґрунту розраховується залежно від складу та інтенсивності руху, міцності ДО, типу ВТР, який характеризується показником W_p– розрахунковою вологістю ґрунту полотна (найнесприятливіша вологість, що спостерігається за N років). Для доріг І категорії такий інтервал часу становить 100 років, для II-V категорії – 50 років.

Споруджувати ЗП рекомендується завчасно, тобто за 6…10 міс. До влаштування ДО, щоб дати можливість насипу осісти під дією власної ваги та природних факторів, тобто щоб відбулась консолідація. Консолідаційні процеси з часом затухають. Час затухання залежить від початкової щільності ґрунту, його типу, вологості та ін.

Література

1. Сиденко В.М., Батраков О.Т., Леушин А.И. Технология строительства автомобильных дорог. Ч.І. – К.: Вища школа, 1970. – 236 с.

2. Хархута Н.Я., Васильев Ю.М. Прочность, устойчивость и уплотнение ґрунтов земляного полотна автомобильных дорог. – М.: Транспорт, 1975. – 285 с.