Пучины на автомобильных дорогах и причины их образования

При сезонном промерзании и оттаивании на дорожной одежде при определенных условиях могут наблюдаться пучины, которые представляют собой деформации и разрушения в виде бугров и сетки трещин. Они возникают в результате пучения (пучинообразования), неоднородных по площади проезжей части взбугриваний дорожной одежды, образующихся при одновременном сочетании следующих трeх факторов:

интенсивного морозного влагонакопления, при котором максимальная относительная влажность грунта в верхней части земляного полотна W_МАХ³0,75W_Т;

промерзания грунта под дорожной одеждой на глубину h_ПР ³ 0,5 м;

наличием мелких пылеватых песков и супесей, пылеватых суглинков и других пучинистых грунтов.

Размер деформации пучения зависит главным образом от влажности грунта, глубины промерзания, продолжительности холодного периода, скорости промерзания грунта, прочности дорожной одежды. Неравномерное морозное пучение может достигать 80—100 мм, что существенно снижает скорость движения автомобилей.

Таблица 4.21

Расчeтные значения угла внутреннего трения и сцепления песчаных грунтов и песков конструктивных слоeв в зависимости от расчeтного числа приложения расчeтной нагрузки

№ п/п	Тип грунта	Сцепление, МПа и угол внутреннего трения при суммарном числе приложений нагрузки ()
	103	104	105	106
	Песок крупный с содержанием пылевато-глинистой фракции:
	35 0,004	33 0,003	32 0,003	31 0,003	29 0,003
5 %	34 0,005	31 0,004	36 0,004	29 0,003	28 0,003
	Песок средней крупности с содержанием пылевато-глинистой фракции:
	32 0,004	30 0,004	30 0,603	28 0,003	27 0,002
5 %	33 0,005	30 0,004	29 0,003	28 0,003	26 0,002
	Песок мелкий с содержанием пылевато-глинистой фракции:
	31 0,003	28 0,003	27 0,002	26 0,002	25 0,002
5 %	31 0,005	27 0,004	26 0,004	25 0,004	24 0,003
8 %	31 0,006	27 0,005	26 0,004	25 0,003	23 0,002

Примечания: 1. Значения характеристик даны для условий полного заполнения пор водой. 2. В числителе — угол внутреннего трения в градусах, в знаменателе — сцепление в МПа. 3. При >A ·10⁶ расчeтные значения j и С следует принимать по графе «10⁶».

Физическая сущность пучинообразования состоит в накоплении, перераспределении, замерзании и оттаивании воды в порах грунта вследствие сезонных изменений водно-теплового режима земляного полотна и дорожной одежды. В дисперсных грунтах, представляющих собой капиллярно-пористые тела, происходит непрерывный тепломассообмен. С понижением температуры свободно связанная вода замерзает при 0, пленочная и рыхлосвязанная — при –3^ОС, прочно связанная и в капиллярах вода замерзает при более низкой температуре (–10...–30^ОС). При промерзании грунта возникает температурный градиент. Незамeрзшая часть жидкой фазы перемещается из тeплых слоeв грунта к холодным, то есть снизу вверх. Процесс миграции воды протекает в зоне изотерм 0...–5^ОС. При наличии температурного градиента происходит термодиффузия пара от теплых слоeв грунта к холодным. Водяной пар, охлаждаясь, конденсируется, увеличивая толщину плeнки воды на частицах грунта и на кристаллах льда, и замерзает. Дальнейшее влагонакопление и льдообразование происходит за счeт термодиффузии водяного пара. В зоне льдообразования вначале возникают кристаллы, а затем линзы льда.

Льдообразование сопровождается увеличением объeма на 9 % и значительным давлением в земляном полотне, что и вызывает поднятие в том числе неравномерное дорожной одежды. В этом и заключается процесс пучинообразования. Весной грунт оттаивает в первую очередь под дорожной одеждой. В этот момент лeд переходит в жидкую фазу, которая под действием собственного веса мигрирует вниз и задерживается на мeрзлом практически водонепроницаемом грунте. Над мeрзлой поверхностью (донником) грунт переувлажняется. Дорожная одежда теряет прочность и под действием нагрузок от транспорта разрушается, еe материал перемешивается с разжиженным грунтом, возникают пучины.

В районах сезонного промерзания грунтов земляного полотна при неблагоприятных грунтовых и гидрологических условиях наряду с требуемой прочностью и устойчивостью должна быть обеспечена достаточная морозоустойчивость дорожных одежд.

С этой целью применяют различные специальные мероприятия:

использование непучинистых или слабопучинистых грунтов (табл. 4.22, 4.23) 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 подземных вод; устройство гидроизолирующих или капилляропрерывающих прослоек для перехода от 2-й или 3-й схемы увлажнения рабочего слоя земляного полотна к 1-й схеме;

Таблица 4.22

Классификация грунтов по степени пучинистости при замерзании (СНиП 2.05.02-85, прил. 2 табл. 6)

Группы грунтов по пучинистоcти	Степень пучинистости	Относительное морозное пучение
I	Непучинистый	1 и менее
II	Слабопучинистый	Свыше 1 до 4
III	Пучинистый	Свыше 4 до 7
IV	Сильнопучинистый	Свыше 7 до 10
V	Чрезмернопучинистыи	Свыше 10

Таблица 4.23

Группы грунтов по степени пучинистости (СНиП 2.05.02-85, прил. 2 табл. 7)

Грунт	Группа
Песок гравелистый, крупный и средней крупности с содержанием частиц мельче 0,05 до 2 %	I
Песок гравелистый, крупный и средней крупности с содержанием частиц мельче 0,05 до 15 %, мелкий с содержанием частиц мельче 0,05 до 15 %, супесь лeгкая крупная	II
Супесь лeгкая: суглинок лeгкий и тяжeлый, глины	III
Песок пылеватый; супесь пылеватая; суглинок тяжeлый пылеватый	IV
Супесь тяжeлая пылеватая; суглинок лeгкий пылеватый	V

устройство морозозащитного слоя из непучинистых минеральных материалов, в том числе укреплeнных 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).

Конструкцию считают морозоустойчивой, если соблюдено условие

, где (4.28)

— расчeтное (ожидаемое) пучение грунта земляного полотна;

— допускаемое для данной конструкции пучение грунта (табл. 4.24).

Таблица 4.24

Тип дорожных одежд	Вид покрытия	Допустимая величина морозного пучения , см
Капитальные	Асфальтобетонное
Облегчeнные	Асфальтобетонное
Переходные	Переходное

Примечание. В восточных районах II—III дорожно-климатических зон значения следует увеличивать на 20—40 % (большие значения для облегчeнных и переходных дорожных одежд).

Расчeт на морозоустойчивость необходимо выполнять для характерных участков или групп характерных участков дороги, сходных по грунтово-гидрологическим условиям, имеющим одну и ту же конструкцию дорожной одежды и схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

При предварительной проверке на морозоустойчивость величину возможного морозного пучения следует определять по формуле:

, где (4.29)

— величина морозного пучения при осреднeнных условиях, определяемая по рис. 4.19 в зависимости от толщины дорожной одежды (включая дополнительные слои основания), группы грунта по степени пучинистости (табл. 4.23) и глубины промерзания (Z_ПР);

К_УГВ — коэффициент, учитывающий влияние расчeтной глубины залегания уровня грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод (рис. 4.20); при отсутствии влияния грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод следует принимать: для супеси тяжелой и пылеватой и суглинка К_УГВ = 0,53; для песка и супеси легкой и крупной К_УГВ = 0,43;

К_ПЛ, — коэффициент, зависящий от степени уплотнения грунта рабочего слоя (табл. 4.25);

К_ГР — коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава грунта основания насыпи или выемки (табл. 4.26);

К_НАГР — коэффициент, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса вышележащей конструкции на грунт в промерзающем слое и зависящий от глубины промерзания (рис. 4.21);

К_ВЛ — коэффициент, зависящий от расчeтной влажности грунта (табл. 4.27).

Рис. 4.19. Графики для определения осреднeнной величины морозного пучения :

кривые II—V выбирают в соответствии с табл. 4.23, кривую IIа выбирают при 2-й и 3-й схеме увлажнения рабочего слоя, кривую IIб – при 1-й схеме увлажнения

Рис. 4.20. Зависимость коэффициента К_УГВ от расстояния от низа дорожной одежды до расчeтного УГВ или УПВ:

1 – супесь тяжeлая и тяжeлая пылеватая, суглинок; 2 – песок, супесь лeгкая и лeгкая крупная

Таблица 4.25

Коэффициент уплотнения, КУПЛ	KПЛ
Песок пылеватый, супесь легкая и пылеватая, суглинки, глины	Пески кроме пылеватых, супесь легкая крупная
1,03—1,00	0,8	1,0
1,01—0,98	1,0	1,0
0,97—0,95	1,2	1,1
0,94—0,90	1,3	1,2
Менее 0,90	1,5	1,3

Таблица 4.26

Грунт	КГР
Пески	1,0
Супеси	1,1
Суглинки	1,3
Глины	1,5

Рис. 4.21. Зависимость коэффициента К_НАГР от глубины промерзания Z_ПР от поверхности покрытия:

1 – супесь тяжeлая и пылеватая, суглинок; 2 – песок, супесь лeгкая, крупная

Таблица 4.27

Относительная влажность W/WТ	0,6	0,7	0,8	0,9
КВЛ	1,0	1,1	1,2	1,3

Если данные натурных наблюдений отсутствуют, глубину промерзания дорожной конструкции допускается определять по формуле

Z_ПР = Z_ПР(СР) · 1,38, где (4.30)

Z_ПР(СР) – средняя глубина промерзания для данного района, устанавливаемая при помощи карт изолиний (рис. 4.22).

Рис. 4.22. Карта изолиний глубины промерзания Z_ПР(СР) грунтов на территории СНГ:

1 — граница сплошного распространения вечномeрзлых грунтов;

2 — то же, островного; 3 — границы стран СНГ

При глубине промерзания дорожной конструкции Z_ПР до 2 м устанавливают по графикам рис. 4.19. При Z_ПР от 2,0 до 3,0 м вычисляют по формуле:

= × [а + b·(Z_ПР–с)], где (4.31)

– величина морозного пучения при Z_ПР = 2,0 м;

а = 1,0; b = 0,16; c = 2,0 при 2,0 < Z_ПР < 2,5;

a = 1,08; b = 0,08; с = 2,5 при 2,5 < Z_ПР < 3,0.

Если при расчeтном сроке службы до 10 лет полученная величина возможного пучения будет превышать требуемую (см. табл. 4.24), а при сроке службы более 10 лет будет превышать 80 % от требуемой, необходимо рассмотреть вариант устройства морозозащитного слоя. В этом случае предварительно определяют ориентировочно требуемую толщину морозоустойчивой конструкции дорожной одежды, используя графики рис. 4.19. Для этого, зная допустимую величину морозного пучения , рассчитывают среднюю величину морозного пучения по формуле:

. (4.32)

Затем по графику рис. 4.19 в соответствии с группой грунта по степени пучинистости определяют h_ОД.

Уточнeнный расчeт толщины морозозащитного слоя (h_МЗ) выполняют по термическому сопротивлению конструкций. Для этого необходимо иметь следующие исходные данные:

географическое местоположение рассматриваемого участка дороги;

конструкцию дорожной одежды (наименование и толщина слоев), необходимую по условиям прочности и дренирования;

схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна (1, 2 или 3) и расчeтную глубину залегания подземных вод от поверхности покрытия;

наименование грунтов земляного полотна;

расчeтный срок службы дорожной одежды.

Основные направления и меры борьбы с пучинами состоят в том, чтобы максимально ускорить оттаивание и просыхание в первую очередь боковых частей земляного полотна, предохранить покрытие от разрушения, а там, где этих мер недостаточно, перестроить пучинистые участки с использованием прослоек из рулонных геосинтетических материалов.

Одной из важных мер, предотвращающих пучины или ослабляющих их воздействие на дорогу, является прокопка осушительных воронок с помощью машины с рабочим органом роторного типа, смонтированной на колeсном тракторе. Воронки роют с обеих сторон в шахматном порядке на расстоянии 3—4 м одна от другой. Они имеют ширину 0,2—0,3 м, а глубина равна толщине дорожной одежды, включая песчаный подстилающий слой. Дну их придается продольный уклон 40—50 %. Воронки способствуют быстрейшему оттаиванию земляного полотна и отводу образующейся воды.

Для предохранения покрытия от разрушения на пучинистом участке устраивают дополнительный слой («подушку») из котельного шлака, несмeрзшегося сухого песка или гравийно-песчаной смеси толщиной 10—15 см. На «подушку» укладывают деревянные щиты или временное колейное покрытие.

На отдельных участках, где дорожная одежда обладает малой прочностью, движение переносят на объезд или ограничивают скорость движения и грузоподъeмность автомобилей. Борьбу с пучинами прекращают, когда грунт земляного полотна полностью оттает и просохнет.