Перестройка пучинистых участков

Пучинами называют деформации дорожных одежд и земляного полотна, проявляющиеся зимой во взбугривании, растрескивании и потере ровности покрытия, а в период оттаивания при проезде автомобилей в проломах дорожной одежды, вызванных снижением прочности переувлажненных грунтов.

Пучины на дорогах возникают при одновременном сочетании трех факторов:

- наличия пучинистых грунтов;

- интенсивного влагонакопления до относительной влажности более 0,75 от влажности на границе текучести грунта в период морозного влагонакопления;

- медленного и глубокого промерзания грунтов под дорожной одеждой на глубину более 0,5м.

При отсутствии любого из этих факторов пучины не возникают.

Мероприятия, направленные на устранение возможности образования пучин, можно разделить на три группы (рис. 24.):

- изменение или регулирование пучинистых свойств грунта путем замены пучинистого грунта непучинистым, введения добавок, термообработки или укрепления грунта вяжущими;

- регулирование водного режима земляного полотна путем обеспечения поверхностного водоотвода и исключения увлажнения грунтовыми водами;

- регулирование теплового режима земляного полотна устройством морозозащитных и теплоизолирующих слоев и др.

Одной из основных причин возникновения пучин является наличие пучинистых грунтов в теле земляного полотна под дорожной одеждой.

Все грунты по степени пучинистости разделяются на 5 групп:

   I - непучинистые грунты, относительное морозное пучение которых меньше или равно 1 % (K_пуч £ l). К ним относится песок гравелистый крупный и средней крупности с содержанием частиц мельче 0,05мм до 2%.

   II- слабопучинистые, относительное морозное пучение от 1 до 4% (К_пуч 1-4). К ним относятся песок гравелистый крупный, средней крупности и мелкий с содержанием частиц мельче 0,05 до 15%, супесь легкая крупная.

     III - пучинистый, относительное морозное пучение от 4 до 7% (К_пуч 4-7). К ним относятся супесь легкая, суглинок (легкий и тяжелый), глины.

    IV - сильнопучинистый, относительное морозное пучение от 7 до 10% (К_пуч 7-10). К ним относятся песок и супесь пылеватые, суглинок тяжелый пылеватый.

    V - чрезмернопучинистый, относительное морозное пучение более 10% (К_пуч > 10). К ним относятся супесь тяжелая пылеватая и суглинок легкий пылеватый.

Рис. 24. Мероприятия по устранению причин пучинообразования, применяемые при реконструкции дорог.

Наиболее кардинальными и в то же время дорогостоящими способами ликвидации пучин является замена пучинистого грунта и материала дренирующего слоя, применение мероприятий по усилению земляного полотна на глубину 0,5-0,6м под проезжей частью дороги.

Для замены используются пески требуемого гранулометрического состава с коэффициентом фильтрации не менее 2 м/сут. Эффективность работы дренирующего слоя на таких участках увеличивают за счет применения прослоек из нетканых материалов толщиной не менее 4мм и коэффициентом фильтрации 50м/сут и более.

Замену пучинистого грунта земляного полотна в насыпях начинают со снятия растительного слоя с обочин и откосов.

Затем разрушают и послойно снимают дорожную одежду и транспортируют материалы в штабели или на место переработки.

После этого разрыхляют верхний слой насыпи рыхлителями на базе бульдозеров или экскаваторов, бульдозерами или скреперами снимают грунт и перемещают его в отвал или погрузчиками грузят в транспортные средства и перемещают к месту укладки автотранспортом.

Дренирующий грунт доставляется самосвалами из карьера и послойно отсыпается с уплотнением до рабочей отметки. При этом соблюдаются требования продольного сопряжения перестраиваемого пучинистого участка с неперестраиваемым.

Сопряжение мест замены грунта на пучинистых участках с соседними неперестраиваемыми осуществляют в виде клина с крутизной откоса вдоль его оси 1:10 (рис. 25.). Этим устраняется возможность неравномерного морозного пучения в местах сопряжения перестроенных участков с оставляемыми без перестройки.

Независимо от свойств заменяющего грунта с низовой стороны перестраиваемого участка по ходупродольного уклона в нем надлежит устроить на полную ширину земляного полотна поперечную прорезь глубиной до грунта старого земляного полотна, уложив в нее трубу диаметром d = 80-100мм.

Если стенки трубы водонепроницаемы, как, например у асбестоцементных, то до половины диаметра трубы ее перфорируют или нарезают пропилы через каждые 30-50см (рис. 26.).

Рис. 25. Схема продольного сопряжения пучинистого участка с неперестраиваемыми:

 L - протяжение пучинистого участка; h - толщина слоя оглеенного грунта; 1 - дорожная одежда на соседних неперестраиваемых участках; 2 - новая дорожная одежда;

3 - замененный грунт.

Рис. 26. Схема конструкций поперечных прорезей мелкого заложения с фильтрами из искусственных волокнистых материалов: а - трубы с прорезями; б - перфорированные трубы; 1 - труба; 2 - войлок или маты из базальтового или стеклянного волокна;

3 - пропил; 4 - песок с К ³ 3 м/сут; 5 - стеклоткань или ткань типа «бидим»; 6 - соединение на клее; 7 - водоприемные отверстия перфорированной трубы.

Трубу обертывают стеклотканью или синтетическим материалом типа «бидим». Вместо асбестоцементных или гончарных труб целесообразнее применять трубофильтры с пластмассовыми вкладышами (рис. 27.), при которых не нарушается сплошность трубчатой поперечной прорези, или полимерные гофрированные перфорированные трубы.

При отсутствии искусственных волокнистых материалов вокруг труб устраивают однослойную фильтровую засыпку, обсыпая трубу слоем 8-10см морозостойкого щебня или гравия крупностью 5-8 (10 мм).

Рис. 27. Соединения звеньев труб полиэтиленовыми муфтами-вкладышами:

а - общий вид муфты-вкладыша; б - схема соединения; 1 - звенья труб; 2 – муфта.

Иногда вместо замены пучинистого грунта активной зоны земляного полотна применяют различные способы улучшения его свойств.

Одним из таких способов является закрепление пучинистого грунта введением цементного, цементоизвесткового раствора или химического реагента. Для этого с поверхности дороги пробуривают сетку скважин на всю глубину рабочего слоя из пучинистого грунта, в которую под давлением закачивают раствор (Рис. 28.).

Другой основной причиной образования пучин является интенсивное морозное влагонакопление в грунте. Этому может способствовать наличие грунтов с высоким капиллярным поднятием воды, поверхностных или близкорасположенных грунтовых вод, инфильтрация воды через откосы, обочины и покрытие, и особенно морозное влагонакопление в зимний период.

Наиболее простым способом устранения причин образования пучин на участках, где указанные требования не соблюдены, является увеличение высоты насыпей до величин, соответствующих этим требованиям.

Рис. 28. Схема ликвидации пучин и повреждений верхней части земляного полотна химическим способом: 1 - положение дорожного покрытия зимой; 2 - положение дорожного покрытия весной; 3 - дорожная одежда; 4 - укрепленный грунт; 5 - пучинистый грунт.

При новом дорожном строительстве предотвращение пучинообразования достигается именно этим способом - возвышением земляного полотна и устройством его верхнего слоя из не подверженных пучению медленно промерзающих песчаных грунтов.

В некоторых случаях подъемка полотна дороги невозможна, так как отметки ее поверхности нельзя изменить (подходы к переездам через железную дорогу, пересечение дорог в одном уровне, в населенных пунктах и др.).

Поэтому при реконструкции дорог часто приходится применять более сложные способы борьбы с пучинами (устройство теплоизоляционных слоев или дренажей), при которых можно сохранить поверхность дороги на прежнем уровне.

Перечень возможных методов перестройки пучинистых участков без поднятия насыпи достаточно обширен, некоторые из которых приводятся ниже.

    1. Устранение источников увлажнения земляного полотна, обеспечиваются:

- организацией поверхностного отвода воды с придорожной полосы (обязательно во всех случаях борьбы с пучинами): прочистка водоотводных канав, планировка придорожной полосы, устранение застоев воды у земляного полотна тем самым снижая ее проникание в осенний период;

- понижением уровня грунтовых вод путем устройства дренажей (мало распространен из-за высокой стоимости и недостаточной надежности работы) - применим не во всех случаях из-за трудности вывода воды из дренажных труб в пониженные места, без постоянной прочистки быстро засоряются и перестают действовать;

- устройством перехватывающего дренажа, если пучение вызывается грунтовыми водами, поступающими со стороны косогора - эти дренажи работают более надежно, чем понижающие, но также нуждаются во внимательном содержании, а их засорение может привести к оползанию откосов.

    2. Замена пучинистых грунтов, подверженных пучинообразованию - устройство верхней части земляного полотна из песка, укладываемого слоем не менее 50-60см (метод наиболее надежен) при этом из нижней части слоя должен быть обеспечен отвод накапливающейся воды.

    3. Прерывание капиллярного, пленочного или парообразного поднятия воды:

- устройством в земляном полотне водонепроницаемых прослоек, преграждающих путь влаге в расположенные выше слои земляного полотна из грунтов, обработанных органическим вяжущим толщиной 3-5см, рулонных гидроизоляционных материалов, укладываемых в два-три слоя (полиэтиленовая пленка, рулонные водонепроницаемые нетканые синтетические материалы), что приводит к более равномерному морозному пучению дорожных одежд.

Водонепроницаемые прослойки рекомендуется укладывать ниже глубины промерзания, располагая выше их в случае необходимости теплоизоляционные слои. Грунты над изолирующей прослойкой необходимо предохранять от увлажнения дождевой и поверхностной водой, укрепляя обочины и обеспечивая надежную работу системы водоотвода;

- устройством в земляном полотне прослоек из гравия, крупнозернистого песка, керамзита и других пористых материалов, прерывающих капиллярное поднятие влаги. Засорение прерывающей прослойки грунтом снижает или даже полностью прекращает эффективность ее действия. Поэтому необходимо предусматривать защиту ее от засорения по принципу обратного фильтра.

4. Предохранение земляного полотна от промерзания - устройство под дорожной одеждой теплоизолирующих прослоек, задерживающих промерзание (пенопласты) - материалы должны быть надежно защищены от проникания в них воды, так как насыщение влагой резко снижает эффективность их теплоизолирующего действия.

В настоящее время прослойки делают из отдельных плит, заливая швы водонепроницаемыми составами. Однако имеется опыт устройства изолирующего слоя путем розлива по спланированному уплотненному дну корыта вспенивающегося в результате введения особых добавок полиуретана. После одного прохода распределяющей машины оставался слой пенопласта толщиной 10см. Препятствием широкому применению полимерных материалов пока еще является их высокая стоимость и некоторые неизученные эксплуатационные особенности участков дороги, на которых использованы такие материалы, главным образом большая подверженность образованию гололеда.

Каждый из перечисленных методов наиболее целесообразен в определенных условиях применения.

Для регулирования водного режима земляного полотна применяют:

- устройство глубоких (траншейных) дренажей для понижения уровня грунтовых вод или их перехвата с верховой стороны;

- устройство дренирующих слоев с дренажами мелкого заложения для осушения верхнего слоя земляного полотна;

- устройство водонепроницаемых капилляропрерываюших и водоизолирующих прослоек, полностью устраняющих увлажнение верхней части земляного полотна и дорожной одежды.

Траншейный дренаж применяют только в сложных случаях. Обычно это третий тип местности по условиям увлажнения с расположением уровня грунтовых вод не глубже 1-1,5м от поверхности на участках невысоких насыпей.

Рис. 29. Конструкции земляного полотна с траншейным дренажем:а, б - подкюветные двухсторонний и односторонний дренажи; в, г - прикромочные двухсторонний и односторонний дренажи; ∆Н - величина понижения уровня грунтовых вод.

Работы выполняют в таком порядке:

- разработка грунта в траншеях одноковшовым экскаватором с обратной лопатой;

- подготовка, раскатка и укладка рулонов синтетического нетканого материала в траншею с креплением скрепками;

- укладка щебеночного или гравийного слоя, трубы дренажной керамической и засыпка щебеночным или гравийным материалами;

- засыпка траншеи грунтом с помощью бульдозера с послойным уплотнением трамбовками.

Гораздо чаще устраивают дренажи мелкого заложения, когда дренажная труба укладывается в ровик вдоль кромки проезжей части для сбора воды из дренирующего слоя и осушения верхней части земляного полотна. Это может быть комбинированный прикромочный дренаж, комбинированный плоскостной дренаж или поперечные дренажи мелкого заложения.

Поперечные дренажи мелкого заложения (рис. 30.) применяются на участках дороги с затяжными продольными уклонами, превышающими поперечные (III тип пучин), а также при снижении фильтрации дренирующего слоя дорожной одежды. Значение угла α принимается 60°-80° соответственно при уклоне дороги 80-40‰.

Рис. 30. Устройство дренажей мелкого заложения

Исходя из условий рельефа сброс воды из прикромочного трубчатого дренажа производится с помощью поперечных выпусков на местность либо в дополнительные сооружения (коллекторы, дренажи), из которых сброс воды производится через выпускное сооружение. Конструкция возможных типов дренажей представлена на рис. 31. Глубину заложения дренажей определяют расчетом, но не менее 0,5м.

Рис. 31. Конструкции траншейного дренажа: а - щебеночно-трубный; б - беструбный;

в - бесщебеночный; 1 - глиняный экран; 2 - полиэтиленовая пленка; 3 - песок крупный;

4 - нетканое синтетическое полотно; 5 - щебень; 6 - дренажная труба

Весьма эффективным является осушение пучинистых участков дренами скважинного типа. Наиболее производительным методом их сооружения является проходка с помощью пневмопробойников (рис. 32).

Рис. 32. Применение пневмопробойников для устройства дренажа земляного полотна:

а - насыпь; б - выемка;

1 - дренажная скважина;

2 - пневмопробойник; 3 - установка для заполнения скважин дренирующим материалом; 4 - подкюветный дренаж; 5 - ослабленная зона земляного полотна

Наличие уклона обеспечивает быстрый отвод свободной воды под действием гравитационных сил. В качестве заполнителя таких дрен может использоваться крупнозернистый песок или нетканый геосинтетический материал. Расстояние между дренами принимается в зависимости от времени осушения и влажности грунта остального участка и обычно составляет 1,5-2м.