Условия работы существующего земляного полотна и основные пути повышения его прочности и устойчивости

В процессе службы дороги прочность земляного полотна снижается под влиянием природных факторов и воздействием транспортных нагрузок. В нем начинают возникать деформации, нарушается устойчивость.

Влажность и плотность грунтов в течение года претерпевают существенные изменения, которые отражаются на условиях работы дорожных одежд и сокращают срок их службы.

Неоднородные и неравномерно уплотненные грунты земляного полотна при промерзании подвергаются морозному пучению, вызывающему образование трещин на покрытиях. Через трещины весной в верхнюю часть земляного полотна проникает поверхностная вода, способствуя увлажнению грунтов.

Весной при оттаивании ледяных линз и прослоек в земляном полотне появляется свободная вода и его прочность снижается. Величина модуля упругости падает иногда на 25-40 %, что сопровождается образованием на дорожных покрытиях разрушений. Особенно, если коэффициент прочности дорожных одежд (отношение фактического модуля упругости к требуемому) меньше: для дорог I категории - 0,85; для дорог II категории - 0,80; для дорог - III и IV категорий - 0,75.

Даже при прочных дорожных одеждах поверхностная вода просачивается в тело насыпей. Наиболее интенсивное просачивание наблюдается в местах сопряжения проезжей части с обочинами.

При наличии усовершенствованных водонепроницаемых покрытий существенно уменьшается воздухообмен грунтов верхней части земляного полотна с атмосферой. В результате повышенной влажности грунта суглинки через 15-20 лет превращаются в районах II дорожно-климатической зоны в оглеенные, связные грунты как бы «стареют» в земляном полотне.

На автомобильных дорогах, имеющих заниженное земляное полотно, прочность грунтов постепенно снижается, соответственно уменьшается и прочность дорожных одежд.

Поскольку интенсивность автомобильного движения с каждым годом возрастает, происходит постепенное уменьшение величины коэффициента прочности К_пр.

Откосы глубоких выемок и высоких насыпей также подвержены деформациям, таким как:

- сползание дернового покрова по откосу выемки. Происходит оно в основном при связных грунтах после оттаивания;

- воронкообразные или трубчатые выносы, которые образуются в местах выклинивания грунтовой воды или размывов на участках, где песок залегает под менее фильтрующим грунтом;

- поверхностные сплывы иловатых грунтов при значительном расходе просачивающейся из откосов грунтовой воды.

Разрушения откосов, захватывающие большие объемы, наблюдаются:

- в результате просадок с образованием уступов, происходящих при высоком подъеме грунтовых вод;

- при образовании в пластических грунтах оползней, сползающих по круглоцилиндрическим поверхностям, которые большей частью не распространяются более чем на 6 м от бровки выемки;

- при сползании «блоками» по наклонной поверхности плотных подстилающих пород по тонким прослойкам, содержащим напорную воду, или по слою размягченных пластичных грунтов.

Природа поверхностных деформаций выемок и высоких насыпей чаще всего связана с образованием в грунте в течение зимы ледяных линз и прослоек, ориентированных параллельно откосам, то есть поверхностям, по которым происходит теплообмен.

При оттаивании, особенно в дождливое время, когда грунт дополнительно насыщается влагой, верхняя часть откосов сползает. Плоскость сползания обычно совпадает с границей сезонного промерзания.

Плохо уплотненное земляное полотно подвержено размывам, особенно при отсыпке его из макропористых грунтов, пылеватых грунтов.

Деформации земляного полотна всегда связаны с морозным пучением, сплывами откосов и их размывом, а также с размывом канав и обочин. Чтобы вылечить подверженное деформациям «больное» земляное полотно, необходимо знать его водно-тепловой режим.

В осенне-зимний период влажность увеличивается из-за проникания поверхностных вод через трещины покрытия, обочины и разделительную полосу и перемещения влаги из глубинных слоев грунта и боковых канав под дорожную одежду.

Промерзание грунта земляного полотна представляет собой тепломассообменный процесс, связанный с непрерывной миграцией влаги в двухфазном состоянии (жидкая фаза и пар) и фазовыми превращениями: льдообразованием, испарением и конденсацией.

Земляное полотно промерзает по ширине неравномерно. Влага из нижней его части и с боков перемещается по направлению к дорожной одежде, где температура грунта наиболее низкая (рис. 8). Коэффициент температуропроводности дорожной одежды в 1,5-2 раза выше, чем грунта на обочинах, и особенно растительного грунта разделительной полосы. Влага под действием разности температур перемещается кверху.

В зависимости от продолжительности зимы и температуры ледяные кристаллы в течение нескольких месяцев увеличиваются в объеме и покрытие подвергается морозному пучению.

Рис. 8. Неравномерность промерзания и оттаивания земляного полотна на автомобильных дорогах Московского узла:1 - максимальная граница промерзания; 2 - границы оттаявшего грунта (сверху по датам); 3 - свободная вода, выделившаяся при оттаивании ледяных прослоек; 4 - направление отжатия свободной воды в период оттаивания грунтов; 5 - сплошной песчаный слой; 6 - основание дорожной одежды; 7 - асфальтобетонное покрытие; 8 - снег; 9 - уровень воды в канаве под снегом (25/III); 10 - ледяной слой на обочинах (20/IV); 11 - направление движения влаги по незамерзающим пленкам на поверхности грунтовых частиц к границе промерзающего грунта

На проезжей части появляются деформации, приводящие к разрушению дорожной одежды - пучинам.

Пучинообразование проходит пять стадий увлажнения (рис. 9).

Первая стадия - начальная, связанная с осенним периодом увлажнения. Влажность верхней часта земляного полотна до W_Е £ (0,65-0,7) W_T, где W_T - нижняя граница текучести грунта. Стадия продолжается до установления среднесуточной температуры воздуха -5°С. В это время пучение еще не наблюдается. Избыток свободной воды q в грунте отсутствует. Модуль упругости грунта при водонепроницаемых покрытиях и хорошем состоянии задернованных обочин всего на 10-15% меньше, чем летом.

Вторая стадия - зимнее накопление влаги. При промерзании грунта накопленная с осени влага перераспределяется. С понижением температуры воздуха граница промерзания опускается, вызывая подтягивание влаги из талого слоя грунта в мерзлый. При сильных морозах (скорость промерзания по оси проезжей части V _п не менее 4,5-5см/сут) граница промерзания опускается быстро и влага из более глубоких теплых слоев грунта не успевает переместиться в верхнюю часть земляного полотна. При скорости V _п £ 2,5см/сут в грунте происходит интенсивное льдообразование, сопровождающееся неравномерным морозным пучением покрытия.

Влажность верхней части земляного полотна повышается до W_Е ³ (0,65-0,7) W_T. Резко увеличивается и морозное пучение.

Рис. 9. Схема закономерности изменения во времени морозного пучения h_пуч, модуля упругости Е_о и влажности W грунтов земляного полотна во II и III дорожно-климатических зонах:1 - влажность песчаного подстилающего слоя;

2 - влажность грунта верхней части земляного полотна; 3 - кривая промерзания; 4 - кривая оттаивания; 5 - ледяные линзы и прослойки;

Z - глубина промерзания; I-V - стадии изменения влажности грунта

Третья стадия - вымерзание воды из песчаного подстилающего слоя дорожной одежды и установление равновесного состояния влаги в грунтах верхней части земляного полотна. В этот период наблюдается наиболее низкая зимняя температура.

Глубина промерзания Z почти достигает максимума. По мере увеличения глубины увеличивается пучение. К концу третьей стадии пучение достигает максимума.

Влажность земляного полотна практически не изменяется, влажность песчаного подстилающего слоя большей частью снижается из-за происходящего вымерзания.

Четвертая стадия - насыщение земляного полотна влагой. По мере оттаивания влажность грунта резко повышается. Морозное пучение уменьшается. Одновременно снижается модуль упругости грунта Е _о. Избыток свободной воды q, выделяющейся в земляном полотне, отжимается по трещинам и порам грунта в корыто под действием движущихся грузовых автомобилей.

Повышение влажности связано с инфильтрацией свободной воды и конденсацией у верхней границы промерзания водяных паров.

Относительная доля конденсационной воды по отношению к общему притоку воды, поступающему в корыто, увеличивается с приближением к югу.

Процесс изменения влажности земляного полотна зависит от скорости оттаивания. Чем продолжительнее затяжная весна (ночные заморозки сменяются теплыми солнечными днями без осадков), тем быстрее вследствие испарения днем и морозного вымерзания ночью уменьшается влажность грунта и, следовательно, меньше вероятность снижения модуля упругости грунта Е _о.

В годы с затяжной весной деформации на покрытиях почти не наблюдаются. При дружной весне, характеризуемой скоростью оттаивания 7-8 см/сут, наоборот, увеличивается количество деформаций на покрытиях из-за снижения прочности грунта и материала подстилающего слоя.

Осадки, выпадающие в период дружной весны, особенно если их количество превышает 60мм, способствуют дополнительному увлажнению грунтов, которое может достигнуть величины, превышающей (0,85-0,9) W _T.

При столь значительной средней влажности грунтов верхней части земляного полотна в центральных районах европейской части удельный приток свободной воды в корыто нередко достигает 5-7л/м² в сутки.

Процесс ее отжатия продолжается, пока влажность связных грунтов не снизится до W_e, меньшей (0,7-0,75) W_T, и верхняя граница оттаивания не опустится глубже 1-1,2м, что соответствует мощности несущего слоя грунта при современной расчетной нагрузке.

Чем эффективнее работают дренирующий слой и дренажные устройства, тем быстрее восстанавливается летний режим земляного полотна, а потому быстрее повышается и модуль упругости грунта.

Пятая стадия - восстановление летнего водно-теплового режима земляного полотна при полном оттаивании. В грунтах остается лишь местами капиллярно-разомкнутая (подвешенная) вода, горизонт которой в центральных и северо-западных районах европейской части обычно расположен глубже 1м.

Уменьшение влажности и увеличение плотности грунта связаны с высокой испаряющей способностью земляного полотна, особенно в насыпях, и опусканием уровня подземных вод почти до летней отметки.

Влажность грунтов, залегающих ниже 1,5-1,8м, остается почти постоянной в течение года, даже в лесных районах II дорожно-климатической зоны, лишь незначительно повышаясь во время четвертой стадии.

Циклическое изменение водно-теплового режима земляного полотна, сопровождается усиленным протеканием процессов оглеения. Такое изменение грунтов в земляном полотне (их «старение») происходит тем медленнее, чем выше рабочая отметка насыпи.

При реконструкции дорог особое внимание следует уделять участкам с заниженным земляным полотном, принимая для них больший коэффициент запаса прочности при проектировании дорожных одежд.

Непродуманные решения или некачественно выполненные земляные работы невозможно исправить при последующей эксплуатации дороги, поэтому в процессе производства работ должен быть организован тщательный контроль за их качеством.

При реконструкции автомобильных дорог обычно стремятся в наибольшей степени использовать существующее доброкачественное земляное полотно, где нет подвешенных горизонтов воды из-за неблагоприятного расположения фильтрующих и малопроницаемых грунтов, отсутствуют включения оглеенных или иловатых грунтов.

Высокие насыпи, возведенные беспорядочной отсыпкой при недостаточном уплотнении из аллевролитов, глинистых сланцев, мергеля, пустой породы из терриконов и т.п., чаще подвержены ежегодным просадкам и образованию пучин.

При реконструкции необходимо улучшить водно-тепловой режим земляного полотна, повысить степень уплотнения грунта, обеспечить влажность грунта не выше оптимальной, для этого необходимо установить источники переувлажнения земляного полотна и устранить их влияние.

Для правильного установления источников увлажнения требуется определить на типичных участках в период третьей стадии увлажнения характер распределения влажности по глубине (рис. 10).

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

Рис. 10. Схема распределения влажности в земляном полотне: 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;

h_к - высота капиллярного поднятия; W₁ и W₂ - максимальные значения влажности в конце третьей и начале четвертой стадии увлажнения (W₁ < W₂).

На сухих участках возникновение на покрытиях разрушений или образование трещин может быть связано лишь с инфильтрацией воды через само покрытие или обочины.

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 и паронепроницаемой прослойки;

- устройство системы дренажа грунтовых вод и дренажа мелкого заложения т.д.

Причиной большинства деформаций земляного полотна является его избыточная влажность. Поэтому при реконструкции дорог особое внимание уделяют предохранению земляного полотна от увлажнения путем совершенствования систем отвода поверхностных и грунтовых вод.

По особенностям технологии выполнения работ по реконструкции земляного полотна и системы водоотвода можно разделить две группы:

- работы, технология выполнения которых не отличается от технологии возведения земляного полотна при строительстве новых дорог;

- работы, технология выполнения которых отличается от технологии работ при строительстве дорог.

К первой группе относятся выполняемые в процессе реконструкции работы по поднятию земляного полотна на сырых, подтопляемых и снегозаносимых участках, по устройству земляного полотна и водоотвода на площадках для остановки, стоянках автомобилей, площадках для отдыха, по устройству новых дренажей, системы водоотвода, осушительных канав, берегозащитных и противоэрозионных сооружений. К этой же группе можно отнести работы по восстановлению размытых и разрушенных участков дорог, срезку откосов выемок, устройство аккумуляционных полок в выемках и ряд других работ.

Ко второй группе относятся выполняемые в процессе реконструкции работы по исправлению параметров земляного полотна на участках смягчения продольного профиля, обеспечению видимости в продольном профиле и плане. К этой же группе можно отнести работы по восстановлению земляного полотна на участках пучинообразования, укрепительные и другие работы, обеспечивающие устойчивость существующего земляного полотна.