Производство земляных работ в условиях повышенной влажности грунтов

11.5.1К грунтам повышенной влажности следует относить грунты, которые в период укладки их в насыпь или разработки в выемке имеют влажность выше оптимальной, определенной по ГОСТ 22733.

11.5.2В ППР и ПОС должны быть учтены специфические особенности грунтов повышенной влажности, которые оказывают влияние на выбор землеройных, транспортных и уплотняющих машин, их производительность и проходимость по построечным дорогам, эксплуатацию временных сооружений и т. п.

11.5.3При выборе мест получения грунтов для земляного полотна и определении способов производства земляных работ следует учитывать влажность грунта в предусмотренный ПОС сезонный период земляных работ. Прогноз расчетной влажности выполняют с учетом количества осадков, условий влагонакопления, глубины промерзания, расчетного уровня грунтовых вод, средней температуры воздуха. Расчетные уровень грунтовых вод и количество осадков принимают с повторяемостью 1 раз в десять лет.

11.5.4Во всех случаях применения для возведения земляного полотна грунтов повышенной влажности (кроме песчаных грунтов допустимой степени переувлажнения) следует учитывать снижение производительности машин при разработке, перемещении и уплотнении.

Выбор машин осуществляется на основе технико-экономического сравнения с учетом ограничений по проходимости.

11.5.5С учетом комплекса физико-механических свойств, определяющих выбор конструкции и технологии сооружения земляного полотна, глинистые грунты по степени переувлажнения делятся на четыре категории (таблица 11.5).

Таблица 11.5 - Классификация глинистых грунтов по степени переувлажнения

Грунты допустимой степени переувлажнения применяют в насыпях автомобильныхдорог без специальных ограничений, но с учетом конструктивных и технологических особенностей в части их недостаточной прочности и снижения производительности машин.

Грунты средней степени переувлажнения допускаются для насыпей автомобильных дорог при условии получения в процессе укатки коэффициента уплотнения К_у не менее 0,9 и возможности последующего уплотнения в процессе консолидации до требуемой плотности.

Грунты высокой и избыточной степеней переувлажнения можно укладывать в насыпь при условии их естественного просушивания или осушения активными добавками до влажности, отвечающей допустимой или средней степени переувлажнения.

11.5.6При уплотнении способом консолидации длительность технологического перерыва до сооружения постоянного покрытия определяется в проекте индивидуальным расчетом или принимается по 4.3.7. При соответствующем технико-экономическом обосновании проектом может быть предусмотрено стадийное строительство дорог III и IV категорий с эксплуатацией на первой стадии при неполном уплотнении земляного полотна или его основания с учетом выполнения впоследствии послеосадочного ремонта.

11.5.7Степень переувлажнения грунтов характеризуется превышением фактической влажности грунта W над оптимальной влажностью W₀,определенной по ГОСТ 22733. и выражается коэффициентом

(11.1)

Для характеристики грунтов в естественном залегании, когда отсутствуют данные стандартных испытаний на максимальную стандартную плотность, оптимальную влажность можно определить ориентировочно по приложению П.

11.5.8Категории грунтов по степени переувлажнения разграничиваются влажностями, значения которых приведены в таблице 11.6.

Таблица 11.6 – Категории грунтов по степени переувлажнения

11.5.9При влажности грунта выше оптимальной максимально возможную плотность грунта можно считать достигнутой, если содержание воздуха в порах V_a не будет превышать, %:

- для песков -8;

- для супесей -6;

- для суглинков -3;

- для глин -4.

Наибольшая возможная плотность сухого грунта для данной влажности W и содержания воздуха в порах V_aопределяется по формуле

(11.2)

где - плотность частиц грунта по ГОСТ 5180, в ориентировочных расчетах может быть принята, г/см³:

- для песков -2,65;

- для супесей легких и легких пылеватых - 2,67;

- для супесей тяжелых, суглинков легких - 2,70;

- для суглинков тяжелых, глин 2,72;

- плотность воды в грунте ( = 1,0 г/см³);

V_a и W- выражаются в долях единицы V_a = 1 -

11.5.10Связные грунты повышенной влажности после их укладки в насыпи при определенных условиях консолидируются.

Величина предельной пороговой нагрузки Р₀на грунт, с которой начинается процесс консолидации, обусловлена структурной прочностью грунта, проявляющейся в условиях компрессионного сжатия. Значения Р₀ при различных коэффициентах переувлажнения приведены в таблице 11.7. Дополнительное уплотнение связных грунтов повышенной влажности под статической нагрузкой, превышающей предельную пороговую Р₀, растянуто во времени и обусловлено совместным проявления фильтрационного сжатия поровой жидкости и ползучести скелета грунта.

Таблица 11.7–Минимальная нагрузка для обеспечения консолидации грунта

11.5.11Консолидационные характеристики глинистых грунтов повышенной влажности определяют по общепринятой методике на образцах заданной плотности и влажности.

11.6 Технология производства работ

11.6.1 При наличии грунтов повышенной влажности можно выполнять следующие работы по сооружению земляного полотна:

- устройство сооружений для дренажа и водоотвода;

- разработку грунтов в выемках и резервах с перемещением их в насыпь;

- сооружение насыпей, в том числе с устройством осушающих прослоек и с осушением добавками;

- складирование грунта в насыпных бермах, банкетах, отвалах;

- укрепление откосов;

- устройство противооползневых и других защитных сооружений.

В состав ППР следует включать специальные мероприятия, обеспечивающие наиболее эффективную и качественную реализацию принятых конструктивных решений и бесперебойную работу машин.

11.6.2При земляных работах в грунтах повышенной влажности или использовании их в качестве оснований целесообразно предусматривать мероприятия по заблаговременному снижению влажности: устройство дренажа, поглощающих колодцев, водоотводящих систем и др.

Размещение, конструкция и расчетное время действия осушительных устройств устанавливаются индивидуальным порядком по нормам проектирования мелиоративных систем с учетом временного характера сооружений.

11.6.3Во всех случаях при работе с грунтами повышенной влажности во избежание дополнительного увлажнения следует обеспечивать своевременный и постоянный отвод поверхностных ливневых и талых вод. В грунтах повышенной влажности не допускается выполнять работы, затрудняющие сток влаги и ее испарение (рыхление, подготовка забоев, устройство котлованов и бессточных заглублений и т. п.). Система водоотвода поверхностных вод с территории производства работ включает в себя:

- водоотводные и нагорные канавы для перехвата поверхностного стока с верховой стороны;

- заблаговременную планировку рабочей площадки с образованием уклонов поверхности для улучшения стока атмосферных осадков и талых вод;

- водосборные и водоотводные канавы, проложенные из пониженных мест;

- защитные валы, призмы и банкеты, преграждающие поверхностный сток с верховой стороны.

11.6.4Для обеспечения водоотвода в максимальной степени должны быть использованы постоянные сооружения, предусмотренные проектом. В случае невозможности их сохранения в процессе строительства на период производства работ устраивают временные сооружения.

Места проложения водоотводных канав и отсыпки банкетов должны быть увязаны с размещением в плане забоев, дорог для перевозки грунта, проездов и линий коммуникаций.

11.6.5Поперечное сечение русел и уклонов временных водоотводных устройств должно быть рассчитано на пропуск ливневого стока с повторяемостью в 3 раза большей срока строительства сооружения. Бровка временных водоотводных канав или защитных валов должна возвышаться над расчетным уровнем воды не менее чем на 0,1 м. Продольный уклон водоотводных канав должен быть не менее 3 ‰.

11.6.6В ППР следует предусматривать мероприятия по уменьшению влияния атмосферных осадков на свойства поверхностных слоев грунта в забое, на транспортных путях, в зоне уплотнения:

- планировку;

- обеспечение стабильности уклонов поверхности;

- своевременное уплотнение и выравнивание грунта.

В случае выпадения дождя до окончания уплотнения продолжать укатку связного грунта можно после срезки и удаления во временный отвал верхнего разжиженного слоя толщиной 10-15 см.

При соответствующем экономическом обосновании для защиты от увлажнения осадками забоя или насыпи можно применять набрызг гидрофобизирующих веществ или пленочные покрытия из полимерных материалов.

11.6.7Постоянный перехватывающий дренаж, предупреждающий выход грунтовых вод на откосы выемки, устраивают, как правило, до начала разработки выемки.

Постоянный подкюветный дренаж в нулевых отметках и при наличии невысоких насыпей, сооружаемых продольной возкой, устраивают заблаговременно, в выемках – сразу после выхода на соответствующую отметку дренирования.

При устройстве дренажей в глинистых слоях высокой и избыточной влажности грунт из траншей следует вывозить в кавальер или укладывать в банкет за пределами основания земляного полотна.

11.6.8Способ разработки выемок и сооружения насыпей из грунтов повышенной влажности выбирают при составлении ППР на основе технико-экономического сравнения вариантов с учетом состава и состояния грунтов, вида конструкции, сроков строительства, погодно-климатических условий.

При использовании в насыпях грунтов допустимой степени переувлажнения возможно применение типовой технологии разработки, транспортирования, отсыпки, укатки и планировки грунта. При более высокой влажности связных грунтов следует использовать машины на гусеничном ходу и предусматривать устройство временных дорог для перевозки грунта или укладку на существующих дорогах покрытий сборно-разборного или облегченного типа.

11.6.9Бульдозерами на гусеничном ходу рационально возводить насыпи высотой до 3 м из боковых резервов и мелких выемок при дальности перемещения грунта до 80 м. Для связных грунтов высокой степени переувлажнения целесообразно использовать бульдозеры с гусеницами увеличенной ширины.

Разработку бульдозерами грунтов повышенной влажности в сухую погоду рационально производить по гребенчатой схеме, оставляя перемычки шириной 1,0-1,5 м. Грунт в насыпи в этих условиях также следует распределять полосами, между которыми должны быть промежутки шириной 0,5-1,0 м. Они заполняются повторными проходами непосредственно перед подготовкой захватки к уплотнению. Указанные приемы ускоряют высушивание грунта.

11.6.10Производительность бульдозеров при повышении влажности глинистых грунтов уменьшается в 1,5-3,0 раза вследствие прилипания к отвалу. При работе с такими грунтами применяют гидрофобизирующие смазки для покрытия поверхности отвалов.

11.6.11Разработку грунта повышенной влажности в выемках или притрассовых карьерах и перемещение его в насыпь или карьер на расстояние 80-600 м целесообразно выполнять прицепными скреперами, на расстояние 600-3000 м – полуприцепными и самоходными скреперами. При этом прицепными скреперами с гусеничной тягой можно разрабатывать связные грунты допустимой и средней степени увлажнения, а несвязные грунты – любой степени переувлажнения; самоходными скреперами можно разрабатывать связные грунты допустимой, а несвязные – допустимой и средней степеней переувлажнения.

Разработка грунтов повышенной влажности скреперами выполняется без предварительного рыхления с использованием толкачей на гусеничном ходу.

11.6.12Производительность скреперов существенно снижается при повышении влажности глинистых грунтов. Основными причинами снижения производительности скреперов являются повышенная липкость грунта и ухудшение проходимости машин вследствие усиления колееобразования. Уменьшить влияние этих факторов можно гидрофобизирующей смазкой внутренней поверхности ковша, снижением давления в шинах до 2,5×10⁵–3×10⁵ Па.

11.6.13Разработку грунтов повышенной влажности в выемках или притрассовых карьерах при расстоянии перемещения свыше 80 м для связных грунтов высокой степени переувлажнения, свыше 600 м – для связных грунтов средней степени переувлажнения, свыше 3000 м – для всех видов грунтов целесообразно выполнять экскаватором с перевозкой грунта автомобилями-самосвалами.

Связные грунты высокой и избыточной степеней переувлажнения, а также несвязные грунты избыточной степени переувлажнения следует разрабатывать преимущественно экскаватором-драглайном с его стоянкой и организацией движения автомобилей-самосвалов на верхнем уровне забоя. Для разработки таких грунтов используют транспортные средства повышенной проходимости.

11.6.14Для погрузки в автомобили-самосвалы несвязных и малосвязных грунтов повышенной влажности в резервах и притрассовых карьерах при плотном основании забоя рационально применять фронтальные гусеничные погрузчики в комплекте с бульдозерами для надвижки грунта.

11.6.15При возведении насыпи из грунтов допустимой и средней степеней переувлажнения применяют обычную технологию с распределением грунта слоями. Толщину слоев определяют пробной укаткой. Перед уплотнением поверхность каждого слоя выравнивают бульдозером, а в процессе укатки, особенно на завершающих этапах, проводят планировку поверхности с приданием ей поперечных уклонов от 40 % до 50 %. Наличие на поверхности колей, местных углублений и возвышений в процессе укатки и после ее окончания не допускается.

11.6.16Грунты высокой и избыточной степеней переувлажнения, уплотнение которых происходит в процессе консолидации, транспортируют автомобилями-самосвалами и разгружают в насыпь способом «в прижим» с расчетом получить слой проектной толщины. Аналогичным способом отсыпают кавальеры и другие насыпи, не требующие уплотнения. При недостаточной несущей способности глинистого слоя вышележащий слой более сухого или дренирующего грунта отсыпают «от себя» с надвижкой бульдозером и последующим уплотнением и планировкой.

Конструктивные и технологические мероприятия, обеспечивающие ускорение консолидации грунтов повышенной влажности, осуществляют по индивидуальным проектным решениям. В качестве одного из вариантов может быть использован способ отсыпки насыпи из чередующихся призм переувлажненного глинистого грунта и дренирующего грунта, которые составляют нижнюю часть насыпи [2]. Верхнюю часть насыпи отсыпают из дренирующего грунта.

Насыпь возводится следующим образом (рисунок 11.6). На подготовленное основание 3 отсыпают слой из чередующихся поперечных призм переувлажненного грунта 1 и призм дренирующего грунта 2, разравнивают и уплотняют слой. Далее аналогичным способом отсыпают следующий слой. Но при этом соблюдают условие, чтобы призмы из переувлажненного глинистого грунта 1 располагались на призмах дренирующего грунта 2 нижележащего слоя. Призмы из дренирующего грунта 2 должны соответственно располагаться над призмами из переувлажненного глинистого грунта 1. После завершения отсыпки слоев 1 и 2 нижней части насыпи возводят верхнюю часть насыпи 4 из дренирующего грунта.

Ширину и высоту призм принимают исходя из фильтрационных свойств грунта, степени его переувлажнения, применяемых средств механизации.

1 — переувлажненный глинистый грунт; 2 — дренирующий грунт; 3 — основание насыпи; 4 — верхняя часть насыпи

а — вид отсыпанного слоя сверху; б — разрез А-А; в — разрез Б-Б

Рисунок 11.6 — Способ возведения насыпи из переувлажненных глинистых грунтов

11.6.17Уплотнение глинистых грунтов допустимой степени переувлажнения до требуемой плотности производят в два этапа:

1) катками на пневматических шинах массой 10-15 т (без балласта) с пониженным до 0,2-0,3 МПа (2-3 кгс/см²) давлением в шинах за четыре-шесть проходов;

2) тяжелыми катками на пневматических шинах массой 15-25 т с давлением в шинах более 0,5 МПа (5 кгс/см²) за четыре-шесть проходов.

Толщину слоя и требуемое число проходов катка определяют пробной укаткой.

11.6.18Уплотнение грунтов средней степени переувлажнения до наибольшей (при данной влажности) плотности К_у ≥ 0,90 производят прицепными катками на пневматических шинах с гусеничной тягой средней массы (без балласта) с пониженным до 0,2-0,3 МПа (2-3 кгс/см²)давлением в шинах. Возможность использования тяжелых катков, а также толщину слоев и требуемое число проходов катка определяют пробной укаткой.

11.6.19В связи с агрегированностью структуры грунтов повышенной влажности особое внимание необходимо уделять контролю за равномерностью уплотнения. При увеличении по мере укатки колееобразования и выдавливания грунта из-под вальцов укатку следует прекращать, так как дальнейшее увеличение числа проходов катка ослабляет естественную структурную прочность грунта.

11.6.20Возможность использования катков на пневматических шинах на различных стадиях уплотнения (прикатка, окончательное уплотнение) глинистых грунтов повышенной влажности следует оценивать по условию

σ_ср < P_кр, (11.3)

где σ_ср– среднее контактное давление под колесом с пневматической шиной, МПа;

P_кр – предел прочности грунта для колеса с пневматической шиной, МПа (см. таблицу 8.1).

11.6.21Уменьшение содержания в грунте несвязанной воды может быть достигнуто при естественном испарении (через граничную поверхность грунта), термической обработке, интенсивном виброуплотнении и трамбовании, а также при физико-химическом связывании части свободной воды минеральными или активными добавками. Снижение влажности грунтов достигается также в процессе консолидации насыпи или ее основания за счет отжатия свободной поровой воды под действием гидравлического градиента.

Для снижения влажности грунтов механическими воздействиями необходимы значительные энергетические затраты. Способы уплотнения грунтов повышенной влажности глубинным вибрированием, вибровакуумированием, гидровиброуплотнением эффективны для песчаных грунтов с содержанием глинистых частиц не более 3 %-5 %.

11.6.22Термическое высушивание и обжиг грунтов горячим воздухом или газами требуют значительных расходов топлива и могут быть применены на особо важных работах в ограниченном объеме. Расчет термической обработки следует производить в индивидуальном порядке, исходя из затрат тепла на испарение и нагрев грунтовых частиц, а также с учетом теплообмена грунта и влажности воздуха.

11.6.23Естественное просушивание грунта происходит путем испарения части свободной воды, заполняющей поры грунта.

Необходимым условием естественного просушивания грунта в слое толщиной Н является наличие отрицательного водного баланса

W_н + W_ос - W_исп < W_доп, (11.4)

где W_н–начальная влажность грунта из резерва или выемки, %;

W_исп – снижение влажности вследствие испарения, %;

W_ос – приращение влажности от атмосферных осадков, %;

W_доп – допустимая влажность грунта (см. таблицу 11.6), %.

11.6.24При методе просушивания грунта в резервах грунт повышенной влажности укладывают в штабеля треугольного сечения, размещаемыенаплощадках, отметка которых не менее чем на 1 м превышает уровень грунтовых вод. Грунт в валах периодически перемешивают экскаватором или бульдозером в целях обеспечения равномерного просушивания. Время просушивания поверхностного слоя штабеля ориентировочно можно рассчитывать из условия (11.4). Для лучшего просушивания грунта летом и меньшей заносимости снегом зимой призмы грунта располагают большей стороной по направлению господствующих ветров.

11.6.25Для осушения грунтов повышенной влажности могут быть применены в качестве неактивных добавок сухой несвязный грунт, топливные золы, шлаки, отходы горнорудной промышленности. При этом влажность добавок W_д должна быть меньше оптимальной влажности получаемой смеси W_о с исходным грунтом влажностью W_пр. Требуемое отношение n массы сухих добавок к массе влажного грунта

(11.5)

где К_с – коэффициент, учитывающий однородность смеси, равный:

для песков и легких супесей – 1,1;

для супесей пылеватых и тяжелых, легких суглинков – 1,3;

для тяжелых суглинков и глин – 1,5.

В случае дополнительного увлажнения смеси атмосферными осадками до ее укладки и уплотнения необходимо вносить соответствующую поправку на увеличение влажности.

11.6.26Осушение грунтов повышенной влажности сухими материалами возможно проводить двумя способами.

При первом способе вывозка грунта в насыпь ведется одновременно из двух источников (влажного и сухого) с соблюдением установленного соотношения в перерасчете на объем в рыхлом виде. Смещение грунтов производится при распределении слоя бульдозером для связных агрегированных грунтов с последующим перемешиванием рыхлителем или фрезой. Уплотнение слоя выполняют через 1-2 сут после распределения смеси.

Второй способ заключается в распределении грунта повышенной влажности и сухого грунта чередующимися слоями, суммарная масса которых устанавливается с помощью соотношения (11.3), а толщина каждого слоя – по данным опытной укатки, исходя из общих технологических требований. При тщательном выполнении планировки второй способ обеспечивает равномерность уплотнения.

Во всех случаях укладка новых слоев ведется по спланированной поверхности полностью уплотненного нижнего слоя, причем влажность его не должна превышать допустимую.

11.6.27Интенсивное осушение грунта происходит при обработке его активными добавками: известью, цементом, золой уноса, гипсом, безводной кристаллической фосфорной кислотой и др. Особенно эффективно применение негашеной извести.

Данный метод рекомендуется применять при соответствующем технико-экономическом обосновании для осушения грунта верхней части земляного полотна в выемках, при возведении невысоких насыпей или для осушения верхнего слоя насыпных площадок. Наибольший эффект дает метод обработки грунтов активными добавками при возведении земляного полотна из пылеватых песков, супесей, а также легких суглинков.

11.6.28Для обработки грунта рекомендуется применять молотую гидрофобизированную негашеную известь с содержанием СаО и МgО не менее 50 %-60 % (ГОСТ 9179). Перед применением следует проверять ее активность, особенно после длительного хранения (30-40 сут после помола). Негашеную известь с содержанием СаО и МgО менее 25 %-30 применять неэффективно.

11.6.29При осушении грунтов цементами наибольший эффект дают цементы с повышенным содержанием СаО. Применение цементов марок ниже 50 неэффективно.

11.6.30Для осушения грунтов повышенной влажности пригодны также активные золы уноса сухого отбора, получаемые при сгорании в котлах ТЭС различных видов твердого топлива (бурого и каменного угля, торфа, горючих сланцев) с удельной поверхностью не менее 1600 см²/г и количеством свободной окиси кальция не менее 8 %.

11.6.31Требуемое количество негашеной извести или золы уноса (в пересчете на чистые СаО и МgО), цемента (портландцемент марки 300) приведено в таблице 11.8.

Таблица 11.8– Количество активных добавок для осушения грунтовВ процентах

Количество товарной негашеной извести или активных зол уноса N в% зависит от требуемого количества чистых СаО и МgО и активности материала и определяется по формуле

N = 100А /(к В), (11.6)

где А –требуемое количество СаО и МgО (см. таблицу 11.8), %;

В –содержание СаО и МgО в товарной негашеной извести или в золе уноса, %;

к –коэффициент, учитывающий влияние цементной составляющей золы, к = 1,2-1,5.

При расчете необходимого количества извести принимают к = 1.

11.6.32Толщину слоя грунта назначают исходя из возможной глубины проработки слоя существующими смесительными и уплотняющими машинами. При использовании дорожных фрез толщина отсыпаемого слоя (в плотном теле) составляет 15-20 см.

Для более равномерного распределения добавок связный грунт необходимо предварительно разрыхлять одним-двумя проходами фрезы по одному следу.

Активные добавки распределяют распределителем цемента. Добавки загружают в бункер распределителя только механическим способом. Смешивание грунта с добавками производится прицепными фрезами за два-четыре прохода.

Выполнение операций по дозировке, транспортированию, распределению существенно облегчается при предварительной переработке извести в гранулы размером 5-25 мм.

11.6.33При обработке грунта добавками необходимо ограничивать время между введением добавок и окончанием уплотнения. Для грунтов, обработанных цементом или известью, оно не должно превышать 4-6 ч; для грунтов, обработанных золой уноса, – 14-18 ч. Работы с активными добавками не следует производить в дождливую погоду.

11.6.34Осушение известью грунта высокой и избыточной степени переувлажнения целесообразно проводить методом сосредоточенного воздействия без распределения извести по поверхности слоев. Для этого в толще грунта, подлежащего осушению, устраивают вертикальные скважины диаметром 10-20 см или щели шириной 10-15 см с помощью мелиоративных машин и заполняют их размельченной негашеной известью и утрамбовывают. Суммарный объем скважины или щели назначают из расчета вместимости в них извести в количестве, необходимом для осушения данного слоя грунта (см. таблицу 11.8). Расстояние между скважинами или щелями при этом составит 1-1,5 м. При осушении массива основания глубина скважины должна быть не менее расчетной глубины промерзания от поверхности насыпи и не менее 1 м от поверхности осушаемого слоя.

11.6.35При обработке переувлажненных грунтов активными добавками необходимо соблюдать общие правила техники безопасности ведения дорожных работ, а также правила техники безопасности при работах с химически активными веществами.