При проектировании малых и средних искусственных сооружений для обеспечения плавности проектной линии используют следующие приемы. 3 страница

6. К подгруппе озерных грунтов относят илы – грунты с числом пластичности более 1, представляющие водонасыщенный осадок водоемов, имеющий влажность выше границы текучести и коэффициент пористости более 0,9.

7. Лессовидные грунты и илы делят на виды по коэффициенту пористости.

8. К особым грунтам следует относить: торфяные и заторфованные; сапропели, илы, лессы, мергели, тальковые, глинистые сланцы и сланцевые глины; черноземы; техногенные грунты (отходы промышленности).

9. К слабым грунтам следует относить связные грунты, имеющие прочность на сдвиг в условиях природного залегания менее 0,075 МПа (при испытании прибором вращательного среза) или модуль осадки более 50 мм/м при нагрузке 0,25 МПа (модуль деформации ниже 5,0 МПа). При отсутствии данных испытаний к слабым грунтам следует относить торф и заторфованные грунты, илы, сапропели, глинистые грунты с коэффициентом консистенции более 0,5.

10. К дренирующим следует относить грунты, имеющие при максимальной плотности при стандартном уплотнении по ГОСТ 22733 коэффициент фильтрации не менее 0,5 м/сут.

Применительно к использованию для устройства земляного полотна различают следующие видов грунтов:

1. Крупнообломочные скальные грунты – обломки скальных пород, получаемые при искусственной разработке или залегающие в естественных условиях в виде аллювиальных или делювиальных отложений. Различают глыбовые (валунные) и щебенистые (галечниковые) грунты. Эти грунты являются хорошим материалом для возведения насыпей, поскольку они устойчивы против воздействия текущей воды и не поглощают влагу. Однако использование крупнообломочных скальных грунтов встречает затруднения из-за трудности их уплотнения. Между скальной отсыпкой и дорожной одеждой должен быть устроен переходный грунтовой слой толщиной 0,5 м.

2. Гравийные и песчаные грунты водопроницаемы и не склонны к накоплению влаги при промерзании. Насыщение водой мало влияет на устойчивость этих грунтов в земляном полотне. Песчаные грунты (за исключением мелких пылеватых песков) представляют собой наилучший материал для насыпей, возводимых в неблагоприятных гидрологических условиях – на заболоченных участках и на поймах рек.

3. Супесчаные грунты обладают связностью в сухом состоянии, при увлажнении они сохраняют сопротивление нагрузкам, достаточное для устойчивости земляного полотна. Насыпи из супесчаных грунтов можно устраивать как в сухих, так и в переувлажненных местах.

4. Пылеватые супесчаные грунты, содержащие более 50% частиц диаметром мельче 0,25 мм, менее устойчивы в переувлажненном состоянии. При промерзании они склонны к накоплению влаги и лучению.

5. Пылеватые суглинки и тяжелые пылеватые супеси, содержащие большое количество фракций размером 2,0-0,05 мм, особенно подвержены процессам зимнего влагонакопления и пучинообразования. В откосах земляного полотна эти грунты легко размываются и приходят в текучее состояние. Поэтому на дорогах с усовершенствованными капитальными типами покрытии верхнюю часть земляного полотна из пылеватых суглинков в неблагоприятных гидрологических условиях заменяют устойчивыми грунтами.

6. Суглинистые грунты являются хорошим материалом для земляного полотна. Они хорошо сопротивляются размыву и устойчивы в откосах. В пойменных суглинистых насыпях движение воды, ранее проникшей в насыпь, может вызвать гидродинамическое давление, приводящее к обрушению откосов.

7. Глинистые грунтыобладают значительной связностью и очень малой водопроницаемостью, в связи с чем они медленно насыщаются водой и столь же медленно просыхают. Эти грунты применяют, если их влажность в условиях естественного залегания не превышает оптимальную, для отсыпки насыпей в сухих местах и в местах, увлажняемых на короткое время.

8. Торфы, образующиеся при отмирании болотной растительности, характеризуются значительной сжимаемостью и влагоемкостью. Использование их в земляном полотне не допускается, за исключением случаев укладки сильно волокнистых торфов в нижнюю часть насыпи на пересечениях торфяных болот на дорогах с переходными и низшими типами покрытий.

9. Илистые грунты, сапропели и органо-минеральные в условиях естественного залегания отличаются значительной влажностью и малым сопротивлением сдвигу. Высохшие грунты при повторном увлажнении быстро теряют связность и могут приходить в плывунное состояние. Допускается при условии ряда ограничений оставлять их в основаниях насыпей с обязательной проверкой устойчивости.

9.4. Требования к плотности и влажности грунтов

Чтобы в теле насыпи не возникало просадок от уплотнения под действием собственного веса, давления проезжающих автомобилей и попеременного увлажнения и просыхания, пористость грунта должна соответствовать напряжениям, действующим внутри насыпи. Напряжения от собственного веса грунта возрастают пропорционально глубине расположения рассматриваемого слоя от поверхности покрытия. Внешняя нагрузка создает напряжения, затухающие на некоторой глубине от поверхности. При невысоких насыпях напряжения от транспортных нагрузок распространяются на подстилающий грунт и могут вызывать его уплотнение и просадку насыпи. В нижней части подталкиваемых водой насыпей могут действовать капиллярное давление, а также напряжения, развивающиеся при усадке грунта во время его просыхания после спада высоких вод.

Для определения необходимой степени уплотнения грунтов высоту насыпи разделяют на несколько зон. Требуемая степень уплотнения грунта в каждой из зон назначается в соответствии с действующими в ее пределах напряжениями и водно-тепловым режимом грунта. Требования к уплотнению грунтов земляного полотна нормируют по значению плотности скелета грунтов d_п, которую выражают в долях от максимальной стандартной плотности d_mах, соответствующей так называемому стандартному уплотнению, выполняемому в лаборатории при оптимальной влажности грунта. Отношение d_п/d_mах называют коэффициентом уплотнения.

Оптимальной влажностью называют влажность, при которой необходимое уплотнение грунта может быть достигнуто при меньшей работе на уплотнение по сравнению с другими влажностями. Эта влажность близка к среднему значению влажности грунта в резервах в период выполнения земляных работ.

Требования к уплотнению грунтов:

1) в верхнем слое насыпи («рабочий слой») толщиной до 1,5 м и в пределах зоны сезонного промерзания в выемках и основаниях низких насыпей до глубины 1,2 м действуют статические и динамические напряжения от проезжающих автомобилей, а также интенсивно протекают процессы увлажнения и просыхания грунта в круглогодичном цикле изменения водного режима земляного полотна. Уплотнение грунтов в этой зоне должно соответствовать для связных грунтов давлению внутренних сил, вызывающих усадку, а для супесей, легких суглинков и песков – как статическим, так и динамическим напряжениям от проезда автомобилей;

2) в средних слоях насыпей на расстоянии до 6 м от бровки при отсутствии подтопления и ниже слоя сезонного промерзания в выемках водный режим грунта относительно постоянен, а напряжения от внешней нагрузки и собственного веса грунта меньше, чем в рабочем слое. В пределах этой зоны может быть допущена несколько меньшая степень уплотнения грунта, чем в верхних слоях;

3) для нижних слоев насыпей на глубине от бровки более 6 м, где грунт при кратковременных подтапливаниях может подвергаться капиллярному увлажнению и последующему просыханию, к степени уплотнения грунтов предъявляются требования, близкие к требованиям к верхним слоям насыпей;

4) в насыпях на участках, подтапливаемых водой длительное время, нижние слои, постоянно расположенные ниже уровня воды, работают в условиях сжатия под влиянием веса вышерасположенных слоев насыпи и внешней нагрузки. В них устанавливается степень уплотнения, соответствующая компрессионной зависимости.

В связи с различием в условиях работы грунтов в разных слоях насыпи и в зависимости от типа укладываемой на нее дорожной одежды требования к коэффициенту уплотнения насыпей меняются от 0,92 до 1,0 (табл. 22 СНиП 2.05.02-85).

9.5. Дорожно-климатическое районирование

Природные условия района строительства дороги характеризуются комплексом погодно-климатических факторов с учетом деления территории Республики Беларусь на три дорожно-климатических района в соответствии с табл. 9.2 и рис. 9.5.

Внутри районов в зависимости от рельефа, почвенно-грунтовых, геологических и гидрологических условий выделяют участки местности по характеру и степени увлажнения, делящиеся на три типа: 1 – сухие участки; 2 – сырые участки с избыточным увлажнением в отдельные периоды года; 3 – мокрые участки с постоянным избыточным увлажнением.

Характеристика выделенных участков приведена в табл. 9.3.

Табл. 9.2. Дорожно-климатические районы

Продолжение таблицы 9.2

Рис. 9.5. Дорожно-климатическое районирование Беларуси: 1 – северный, влажный; 2 – центральный, умеренно-влажный; 3 – южный, неустойчиво-влажный

Табл. 9.3. Типы местности по характеру и степени увлажнения

Примечания. 1. Подземные воды не оказывают влияния на увлажнение верхней толщи грунтов в случае, если их уровень в предморозный период залегает ниже глубины промерзания не менее, чем на 2,0 м при глинах, суглинках тяжелых пылеватых и тяжелых; на 1,5 м – в суглинках легких пылеватых и легких, супесях тяжелых пылеватых и пылеватых; на 1,0 м – в супесях легких, легких крупных и песках пылеватых. 2. Поверхностный сток считается обеспеченным при уклонах поверхности грунта в пределах полосы отвода более 2‰.

9.6. Водно-тепловой режим земляного полотна
и способы его регулирования

Под водно-тепловым режимом земляного полотна понимают характер изменения во времени влажности и температуры грунта под воздействием погодно-климатических факторов, влияющих на рабочий слой. Изменение влажности и температуры сопряжено (обуславливает интенсификацию) со вторичными процессами:

– набуханием и усадкой;

– морозным пучением;

– просадкой при оттаивании;

– просадкой при замачивании;

– изменением плотности;

– изменением прочностных и деформационных характеристик грунта.

В конечном итоге через вторичные процессы водно-тепловой режим оказывает влияние на изменение прочности дорожной одежды, ее ровности и долговечности.

Насыщение земляного полотна дороги влагой – крайне опасное явление, так как при этом сильно снижается прочность дорожной одежды и устойчивость откосов насыпей и выемок. Вода может попадать в земляное полотно двумя путями: просачиваясь с поверхности и поднимаясь по капиллярам и в виде паров и пленок от уровня грунтовых вод.

Источниками увлажнения земляного полотна являются:

1) выпадающие атмосферные осадки;

2) приток воды от дождей и таяния снега со склонов местности;

3) капиллярное поднятие от уровня грунтовых вод;

4) конденсация водяных паров из воздуха;

5) перемещение пленочной влаги по поверхности грунтовых частиц.

В зависимости от климатического района, местных условий и времени года обычно преобладают те или иные причины увлажнения земляного полотна.

Количество влаги W, находящееся в земляном полотне, не остается в течение года постоянным и изменяется за определенный промежуток времени согласно уравнению водного баланса , где А – осадки, выпадающие на земляное полотно; В – просачивание воды, притекающей с прилегающей к дороге местности; С – приток воды от уровня грунтовых вод по капиллярам, а также в результате пленочного и парообразного перемещения влаги; D – сток воды с земляного полотна; E – испарение влаги с поверхности грунта; F – просачивание воды из земляного полотна в глубинные слои грунта.

В годовом цикле изменения влажности грунтов земляного полотна различают следующие периоды: I – первоначальное накопление влаги осенью в результате просачивания в грунт дождевых осадков; II – промерзание земляного полотна и зимнее перераспределение влаги; III – оттаивание земляного полотна и весеннее переувлажнение грунта; IV – летнее просыхание земляного полотна.

На изменения водного режима земляного полотна, помимо атмосферных осадков, значительное влияние оказывают колебания температуры в течение года, создающие в теле земляного полотна температурные градиенты.

В процессе замерзания в теле земляного полотна создается разность температур в пределах от 4-6°С выше нуля у уровня грунтовых вод до отрицательных температур в промерзшем верхнем слое грунта. Под влиянием разности температур влага начинает перемещаться от теплого грунта к границе промерзания.

Существует несколько путей перемещения воды в промерзающем грунте:

1) перемещение влаги по пленкам, обволакивающим грунтовые частицы, от более теплых частиц к более холодным, которые обладают большей поверхностной энергией;

2) путем конденсации на поверхности охлажденных грунтовых частиц водяных паров, приносимых содержащимся в грунте воздухом из теплых нижних слоев при конвекционной циркуляции в порах грунта. Парообразное перемещение влаги прекращается при влажности грунта, близкой к капиллярной влагоемкости, когда капилляры начинают замыкаться кольцами менисков воды;

3) по тонким капиллярам, из которых незамерзающая вода всасывается в мерзлую часть грунта к центрам кристаллизации.

В пределах промерзшей толщи грунта вода в капиллярах замерзает при температуре минус 0,2°С. При понижении температуры ниже 0°С вода, замерзая, образует в отдельных крупных порах кристаллы льда.

Количество воды, подтянутой к растущим ледяным кристаллам, бывает тем большим, чем дольше продолжается процесс постепенного промерзания грунта, т. е. чем более длительный период времени температура какого-либо слоя грунта находится в пределах от 0 до минус 3°С. При быстром промерзании грунта количество влаги, которое успевает подойти к каждому центру кристаллизации, невелико, так как по мере опускания границы промерзания в грунте возникают новые центры кристаллизации, к которым направляется поток влаги. Горизонты накопления ледяных прослоек обычно соответствуют периодам оттепелей, когда границы промерзания удерживаются на одном уровне.

Растущие ледяные кристаллы, заполняя поры, имеющиеся в грунте, образуют ледяные прослойки, которые раздвигают грунтовые частицы и вызывают поднятие (пучение) грунта (рис. 9.6), приводящее к появлению взбугриваний. При весеннем оттаивании грунта сопротивление оттаявшего сильно увлажненного грунта земляного полотна нагрузкам резко снижается. На дорогах, где дорожная одежда имеет недостаточную прочность, возникают характерные деформации, связанные с проломами дорожной одежды (весенние пучины).

Рис. 9.6. Увеличение глубины промерзания и вспучивания грунта в течение зимнего периода:
1 – вспучивание покрытия; 2 – промерзание грунта земляного полотна; 3 – линзы льда; 4 – оттаивание грунта; 5 – дорожная одежда; 6– грунт земляного полотна

Сопротивление, оказываемое весом расположенных выше слоев грунта, затрудняет накопление льда и противодействует образованию ледяных прослоек. Поэтому с увеличением глубины промерзания интенсивность образования в грунте ледяных кристаллов уменьшается. Глубину, на которой кристаллы практически перестают образовываться, называют критической глубиной промерзания.

Процесс перемещения влаги и ее накопление в мерзлом грунте наиболее интенсивно протекает в пылеватых грунтах с большим содержанием частиц размером от 0,05 до 0,002 мм. В этих грунтах поверхность грунтовых зерен достаточно развита, чтобы обеспечить подтягивание к центрам кристаллизации большого количества пленочной воды. Поры грунта также достаточно крупны, чтобы в них происходило и парообразное перемещение влаги.

В грунтах с большим содержанием глинистых частиц вода перемещается замедленно, поскольку в тончайших порах глинистых грунтов вязкость связанной воды очень велика, а микроструктура грунтов создает значительные сопротивления для перемещения влаги.

В зависимости от источников увлажнение земляного полотна может происходить по одной из трех схем.

1. Сухие местности с обеспеченным стоком поверхностных вод, глубоким залеганием уровня грунтовых вод и относительно малым количеством осадков.

2. Районы с достаточным количеством осадков и затрудненным стоком воды от земляного полотна.

3. В местностях с близким от поверхности стоянием уровня грунтовых вод (постоянно сырые места) осеняя влажность грунта может быть принята равной капиллярной влагоемкости грунта.

Источники увлажнения верхних слоев земляного полотна и продолжительность их действия зависят от гидрологических условий и климата. Методы расчета количества воды, поступающей в верхние слои земляного полотна во время промерзания, дают принципиальную возможность рассчитать наиболее рациональное из экономических соображений возвышение бровки земляного полотна.

Принципиальные основы этой методики заключаются в следующем.

Сопротивление грунта нагрузкам зависит от его влажности. Чем большее количество влаги проникнет в верхние слои земляного полотна в зимний и весенне-осенний периоды, тем сильнее снижается прочность грунта, а, следовательно, требуется более мощная дорожная одежда.

Чем выше насыпь, тем больше путь перемещения воды, проникающей в промерзающую зону, и, следовательно, меньше весенняя влажность. При этом уменьшается стоимость дорожной одежды, но увеличиваются затраты на сооружение земляного полотна. Наиболее рациональна высота насыпи, при которой стоимость строительства дороги является наименьшей. Определенные из таких соображений минимальные возвышения бровки земляного полотна для условий Беларуси приведены в табл. 9.4.

Таблица 9.4. Минимальные возвышение поверхности бровки земполотна над уровнем воды

Примечание. В числителе – наименьшее допустимое возвышение поверхности дорожной одежды над уровнем грунтовых или длительно застаивающихся (более чем 30 сут) поверхностных вод; в знаменателе – то же над поверхностью земли на участках с необеспеченным водоотводом или над уровнем кратковременно стоящих поверхностных вод.

Необходимое возвышение земляного полотна обусловлено также высотой снежного покрова. Чтобы не происходило заносов дороги во время метелей, земляное полотно должно возвышаться над снеговым покровом. Считается, что в открытой местности возвышение бровки земляного полотна над уровнем снегового покрова, определенным по данным метеорологических станций, при вероятности превышения 5%, должно быть не менее:

категория дороги I II III IV V;

возвышение бровки, м 1,2 0,7 0,6 0,5 0,4.

На водно-тепловой режим земполотна влияют следующие природные факторы:

1) рельеф местности, обусловливающий применяемые при выборе трассы продольные уклоны и необходимость развития линии по склонам, обхода заболоченных и затапливаемых мест. От рельефа местности зависит количество воды, притекающей к малым мостам и трубам. Водно-тепловой режим земляного полотна в горной и сильно пересеченной местностях зависит от экспозиции склонов, по которым проложена дорога;

2) геологические условия, характеризующие степень устойчивости горных пород в районе проложения трассы;

3) климатические условия, оказывающие особенно большое влияние на условия эксплуатации дорог. К ним относятся амплитуда и скорость колебания температуры, максимумы и минимумы температуры, количество осадков и испарение, направление и скорости ветров, мощность снегового покрова, глубина промерзания. Климатические условия часто ограничивают продолжительность строительного сезона или требуют применения специальных способов производства работ, удорожающих и осложняющих их выполнение;

4) гидрологические и гидрогеологические условия, характеризующиеся количеством выпадающих осадков, условиями стока и испарения воды, толщиной снегового покрова и интенсивностью весеннего таяния, глубиной залегания грунтовых вод и особенностями их режима, режимом рек и ручьев. Все эти условия подлежат учету при проектировании водоотвода и при выборе конструкции земляного полотна.

При оценке влияния природных факторов на условия строительства и последующей работы автомобильной дороги следует учитывать обратную зависимость – изменение природных условий в результате строительства дороги. Так, например, вырубка древесно-кустарниковой растительности на полосе отвода и расчистка придорожной полосы способствуют ее осушению, более глубокому промерзанию грунта зимой и более быстрому оттаиванию весной. Пересечение болота насыпью, сжимающей торф, может прервать просачивание грунтовых вод и изменить процесс заболачивания

Для сопоставления климатических условий района проложения дороги в отдельные периоды года строят график климатических характеристик (дорожно-климатический график), на котором отмечают годовое изменение температуры, количество выпадающих осадков, глубину промерзания и высоту снегового покрова и другие характеристики, которые могут оказаться полезными при конструировании элементов дороги и организации строительства.

Сущность учета водно-теплового режима при проектировании земляного полотна заключается в том, чтобы при возникающем в конструкции водно-тепловом режиме обеспечить заданную прочность и устойчивость (стабильность) рабочего слоя. При этом могут быть реализованы два принципа проектирования:

1) проектирование, исходя из заданного тем или иным способом уровня прочности и стабильности рабочего слоя (например, уровня, обеспечивающего возможность применения заданной типовой конструкции дорожной одежды);

2) проектирование конструкции рабочего слоя совместно с конструкцией дорожной одежды в целях оптимизации проектного решения.

Для создания в процессе эксплуатации сооружения оптимального водно-теплового режима необходимо его регулирование. Наиболее простой метод регулирования предусматривает выполнение одновременно трех условий:

1) применение в пределах рабочего слоя грунтов, обладающих повышенной устойчивостью к воздействию погодно-климатических факторов;

2) обеспечение требуемой степени уплотнения этих грунтов;

3) обеспечение требуемого возвышения земляного полотна над расчетным уровнем подземных и поверхностных вод или над уровнем земли (на участках местности 3-го типа).

При выполнении указанных трех условий специальных расчетов водно-теплового режима не требуется. При невозможности или нецелесообразности выполнения всех трех условий необходимость и характер специальных мероприятий по учету водно-теплового режима устанавливают в результате расчетов (раздел 6 Пособия П2-01).