Способы уширения насыпей и выемок

При реконструкции автомобильных дорог на многих участках устраивают новое земляное полотно, процесс возведения которого ничем не отличается от строительства дороги и в данном пособии не рассматривается. Такие работы выполняют на участках спрямления трассы, значительного увеличения радиусов кривых в плане, на участках обходов населенных пунктов, обходов оползней, осыпей и т.д.

Гораздо чаще в процессе реконструкции выполняют работы по уширению земляного полотна, для строительства дополнительных полос проезжей части, переходно-скоростных полос, площадок для стоянки автомобилей или просто для доведения ширины земляного полотна до норм категории, установленной для данной дороги.

Опыт показывает, что добиться устойчивой многолетней совместной работы старого и нового (уширенного) земляного полотна очень трудно. Во многих случаях наблюдаются деформации нового земляного полотна в местах соединения со старым. Поэтому везде, где это возможно, следует избегать уширения земляного полотна.

При реконструкции автомобильных дорог обычно стремятся полностью использовать «здоровое» земляное полотно. Под «здоровым» земполотном понимают отсутствие в нем висячих горизонтов воды (верховодка) вследствие неблагоприятного взаиморасположения фильтрующих и малопроницаемых грунтов, склонных к морозному пучению.

Уширение земляного полотна может быть односторонним или двухсторонним (рис. 2).

Двухстороннее, или симметричное, уширение - это уширение, при котором ось существующей дороги остается без изменения и совмещается с осью уширенной дороги. При этом уширение происходит путем досыпки насыпи или срезки откосов выемки с двух сторон. Такое уширение может быть целесообразным при высоте насыпей и глубине выемок до 2 - 3 м.

Преимущество этого варианта состоит в том, что дорожная одежда после ее уширения располагается на прочном, хорошо сформировавшемся земляном полотне, что обеспечивает возможность создания прочной и долговечной дорожной одежды.

Недостатки такого варианта уширения состоят в том, что необходимо с двух сторон снимать и устанавливать инженерное оборудование и обустройство, переносить и перекладывать воздушные, наземные и подземные коммуникации, удлинять трубы и уширять мосты, переустраивать систему водоотвода и дренажа и т.д. Насыпи высотой до 2 м чаще всех уширяют по двухсторонней схеме.

Рис. 1. Схема объезда участка реконструкции дороги:

1 - реконструируемая выемка; 2 - насыпь; 3 - объездная дорога; 4 - временный низководный мост

Рис. 2. Схемы уширения земляного полотна:

а, б) - двухстороннее и одностороннее в насыпях; в, г) - двухстороннее и одностороннее в выемке

Одностороннее или несимметричное - это уширение, при котором ось реконструируемой дороги смещена в сторону от оси старой дороги, а уширение происходит путем досыпки насыпи или срезки откоса выемки с одной стороны.

Преимущество этого варианта состоит в том, что все работы по уширению земляного полотна сосредоточены с одной стороны, благодаря чему создаются лучшие условия для работы дорожных машин и сами работы по возведению земляного полотна могут быть выполнены более качественно. Сокращаются объемы работ по снятию и установке инженерного оборудования, обустройству, переносу и переустройству коммуникаций, системы водоотвода, дренажа и т.д.

Главный недостаток одностороннего уширения состоит в том, что часть ширины новой дорожной одежды располагается на старом земляном полотне, а часть на свежеуложенном грунте, которому трудно придать такую же степень уплотнения и устойчивость, как у старого земляного полотна.

В результате создается неравнопрочная дорожная конструкция (земляное полотно плюс дорожная одежда) и возникают продольные трещины в дорожной одежде по стыку старого и нового земляного полотна. Опыт реконструкции Московской кольцевой автомобильной дороги показывает, что даже при устройстве различных прокладок и усилений по зоне стыка полностью избежать образования продольных трещин не удается.

Кроме того, при одностороннем уширении проезжей части увеличивается потребность в материалах для устройства покрытия из-за необходимости укладки дополнительного слоя покрытия, чтобы переместить ось проезжей части и обеспечить равный поперечный уклон покрытия на обеих полосах движения.

При уширении земляного полотна, чтобы избежать переувлажнения грунта перед началом основных работ, после снятия растительного слоя необходимо обеспечить поверхностный водоотвод на период реконструкции дороги. Для этого производят планировку поверхности и нарезку временных канав автогрейдером с отводом воды в пониженные места.

Существуют определенные различия в технологии работ по уширению насыпей и выемок (рис. 3).

Рис. 3. Последовательность работ при уширении земляного полотна

Уширение насыпей высотой до 2 м, как правило, начинается с засыпки боковых канав или кювет-резервов, из которых была возведена насыпь. Засыпка производится послойно местным грунтом с тщательным уплотнением, до коэффициента уплотнения Ку = 1.

В нижней части при небольшой ширине канав грунт уплотняют вибротрамбующими машинами типа БТМ-1 массой 5 т, производительностью 50 - 60 м3/ч с частотой не менее 1200 - 1500 уд/мин или малогабаритными виброуплотнителями типа ВУ-800 и ВУ-1500 массой 45 и 82 кг, частотой вибрации 100 и 70 Гц, размером плит 450×350 мм и 620×450 мм, глубиной уплотнения 20 - 25 см и рабочей скоростью 20 м/мин.

Несколько реже используют вибромолот шириной захвата 0,8 м с рабочим органом, навешенным сзади бульдозера типа Д-535. На его отвале монтируют планировочную плиту, предназначенную для разравнивания грунта. При скорости движения уплотняющей машины 380 м/ч слой уплотняемого грунта до коэффициента уплотнения 0,95 - 1,00 достигает толщины 0,35 м. Увеличение скорости до 450 - 550 м/ч возможно, если снизить толщину уплотняемого слоя до 0,3 м. Вибромолотом можно уплотнять грунт и в широких траншеях.

После окончания засыпки боковых водоотводных канав и оформления акта на скрытые работы приступают к работам по собственно уширению земляного полотна. Важной задачей при этом является обеспечение надежного сопряжения присыпаемого грунта с грунтом существующего земляного полотна.

Для этого при высоте насыпи до 2 м и крутизне косогоров до 1:5 достаточно разрыхлить грунт на откосах рыхлителем на глубину 0,2 - 0,25 м.

На более высоких насыпях и косогорах крутизной до 1:3 на откосах бульдозером или автогрейдером нарезают уступы высотой до 0,5 м с уклоном 50 ‰.

В насыпях из песчаных грунтов уклон уступов делают к оси дороги, в глинистых - от оси дороги.

Вначале нарезают нижний уступ, затем вышерасположенный и грунт постепенно перемещают на нижний уступ, распределяя его заданной толщиной слоя, и тщательно равномерно уплотняют.

Уплотнение является одной из важнейших операций при уширении земляного полотна, особенно на уступах. При симметричном уширении насыпей высотой до 2 м с учетом уположения их откосов до 1:3 - 1:4 ширина досыпаемой полки составляет около 3 м, что позволяет разравнивать грунт бульдозером и уплотнять по челночному способу любыми самоходными катками. Толщину уплотняемого слоя принимают из расчета коэффициента уплотнения не менее плотности грунта реконструируемой насыпи, но не ниже Ку = 1,0.

При двухстороннем уширении ширина полосы уширения может составлять до 1 м. В этом случае при высоте насыпи более 2 м по технологическим условиям величину уширения приходится увеличивать на 1,0 - 1,5 м, чтобы обеспечить возможность работы бульдозера, автогрейдера и уплотняющих машин на уступах и присыпаемых слоях.

Лишний грунт после отсыпки насыпи срезают и используют либо для уположения откосов, либо перемещают на соседний участок уширения. Это еще один из недостатков двухстороннего уширения.

Исключительно большое влияние на прочность земляного полотна и устойчивость откосов насыпей при уширении имеет выбор грунтов для уширения и их расположение в теле земляного полотна.

Опыт реконструкции дорог позволил выработать ряд требований к земляному полотну в местах уширения, а именно:

· укладывать новые грунты в насыпь слоями по возможности соблюдая их взаиморасположение и придавая им поперечный уклон в сторону откосов, чтобы предупредить застой воды на поверхности отсыпанных слоев (так называемой верховодки);

· фильтрующие грунты укладывать в верхнюю часть земляного полотна и в откосы, которые больше подвергаются воздействию погодных условий. При укладке фильтрующих грунтов в нижние слои толщину слоя следует принимать не меньше высоты капиллярного поднятия для этих грунтов;

· степень уплотнения отсыпаемых слоев должна быть не меньше, чем существующего земляного полотна;

· крутизну откосов принимать согласно требованиям повышения безопасности движения и категориям автомобильной дороги;

· если откосы отсыпают из песков, то их необходимо укреплять одновременно с производством земляных работ, чтобы предупредить размывы;

· не рекомендуется применять крупнообломочные горные породы, алевролиты, глинистые сланцы, мергели, оглоенные подзолистые, а также иловатые почвогрунты.

Соблюдение этих требований необходимо для обеспечения прочности и устойчивости земляного полотна после реконструкции. Особенно важно соблюдать требования по однородности грунтов. При насыпях высотой до 2 м, симметрично уширяемых, можно применять любые грунты, поскольку крутизна откосов составляет положе 1:3. При высоте свыше 2 м, а на дорогах I категории 3 м, пригодны только песчаные грунты. На сухих участках (1 тип увлажнения) возможно использование и супесчаных, но не пылеватых грунтов с одновременным укреплением откосов.

Если местность относится к 2, и особенно 3 типу увлажнения, то в нижнюю часть полосы уширения рекомендуется укладывать песчаный грунт с коэффициентом фильтрации 1 м/сут и более и высотой капиллярного поднятия до 35 см. Тогда ограничивается поступление воды в рабочий слой, который может быть отсыпан и из связных грунтов.

На участках с необеспеченным поверхностным стоком, а также на участках 3 типа увлажнения, на полосе уширения, нижнюю часть насыпи обязательно нужно отсыпать из грунтов с коэффициентом фильтрации 3 м/сут и более, высотой капиллярного поднятия до 25 см.

В связи с большими трудностями отвода земель в настоящее время не удается устраивать боковые резервы вдоль дорог. В большинстве случаев грунт для уширения берут из грунтовых карьеров, которые могут быть пригодны к применению не во всех слоях земляного полотна или требуют специальных мер для предохранения их от увлажнения. Поэтому особенно строго следует выполнять требования к расположению грунтов в слоях насыпи [21, 23, 30]. При уширении насыпей из крупнообломочных грунтов необходимо применять заполнитель из глинистых грунтов, причем верхнюю часть толщиной не менее рабочего слоя рекомендуется возводить из обломков крупностью до 250 мм. Большего размера обломки используют для возведения нижней части насыпей, но их размер не должен превышать 2/3 толщины уплотняемого слоя. В крупнообломочных грунтах желательно, чтобы содержание глинистого заполнителя составляло около 30 % с влажностью, равной оптимальному значению. При соблюдении этих требований предупреждаются просадки. В крупнообломочных грунтах либо отходах промышленности влажность раздробленной мелкозернистой их части должна соответствовать тугопластичной консистенции (коэффициент консистенции должен составлять около 0,3 %).

Крупнообломочные грунты с пределом прочности на сжатие не менее 0,5 МПа уплотняют в два этапа: на первом этапе применяют кулачковые катки массой свыше 25 т, а на втором - катки вибрационные массой не менее 10 - 12 т с количеством проходов по одному следу 10 - 12.

Из-за ограниченной возможности отвода земель под грунтовые карьеры в некоторых случаях для уширения земляного полотна могут быть использованы различные отходы промышленности и прежде всего металлургические шлаки и золошлаковые отходы тепловых электростанций. Их применение требует особого внимания к однородности состава, технологии производства работ, уплотнению и контролю качества [4].

Рис. 4. Схема симметричного уширения выемок с отводом поверхностной воды:

а - кюветом трапецеидального сечения; б - лотком треугольного сечения; 1 - тщательно уплотненный грунт; 2 - срезанный грунт

Особое внимание необходимо уделять уплотнению грунта в уширяемой части насыпи. Во всех случаях необходимо стремиться к тому, чтобы коэффициент уплотнения был не менее 1,0. Это позволит избежать просадок и снизит вероятность пучинообразования, существенно повысит прочность земляного полотна.

Уширение выемок на практике производится значительно реже, чем насыпей, и по несколько иной технологии.

Выемки глубиной до 2 м уширяют, как правило, бульдозером или экскаватором. После снятия растительного слоя, так же как и при уширении насыпи, выполняют работы по засыпке боковых кюветов с послойным уплотнением грунта.

Затем разрабатывают откосы выемки на заданную ширину с перемещением грунта в насыпь или в отвал или с погрузкой его в самосвалы и транспортировкой на место отсыпки.

После этого бульдозером или планировщиком выполняют планировку откосов, нарезают водоотводные лотки автогрейдером или канавокопателем, а затем при необходимости укрепляют откосы.

В мокрых выемках глубже 6 м уширение производят экскаватором с обратной лопатой или экскаватором-драглайн, располагая их у верхней бровки выемки.

В последнее время вместо боковых канав в выемках глубиной свыше 1 - 2 м рекомендуется устраивать укрепленные лотки треугольного или округлого сечения (рис. 4), предназначенные только для отвода поверхностной воды.

Преимущества лотков по сравнению с глубокими кюветами или водоотводными канавами в выемках заключаются прежде всего в повышении безопасности движения. Менее размываются их откосы. В них практически не застаивается поверхностная вода, и потому они не зарастают болотной растительностью, но зарастают травой и их не нужно укреплять. Их легче прочищать механизированным способом.

Существующее мнение, что глубокие кюветы и водоотводные канавы способствуют осушению земляного полотна, является не вполне обоснованным.

При глубоких кюветах, заполненных снегом, скорость оттаивания грунта на обочинах обычно в 5 - 6 раз меньше, чем под дорожной одеждой [18]. Значит, глубокие кюветы и водоотводные канавы не в состоянии осушить в период оттаивания земляное полотно. В районах же с равнинным характером местности чаще всего глубокие кюветы и водоотводные канавы на десятках километров заполнены водой.

Практика показала, что в канавах, особенно глубоких и тем более заросших влаголюбивым кустарником, круглый год стоит поверхностная вода. Таким образом, вместо пользы глубокие кюветы и водоотводные канавы ухудшают водно-тепловой режим земляного полотна во время его оттаивания.

Перестраивая земляное полотно, особое внимание следует уделять системе водоотвода: восстановлению или устройству новых боковых канав, в том числе и отводящих воду в сторону от полотна, в пониженные места или к водопропускным сооружениям, дренажей для перехвата, сбора, отвода и понижения уровня грунтовых вод, водоотводных лотков и водобойных колодцев и т.д.

Представляет интерес опыт реконструкции Московской кольцевой автомобильной дороги (МКАД), построенной в 1957 - 1962 гг., общим протяжением 108,7 км [17]. Среднее расстояние от центра города - 17,35км. Дорога имела следующие параметры:

· ширина земляного полотна - 24 м;

· ширина полосы движения - 3,5 м;

· количество полос движения - 4 м;

· ширина разделительной полосы - 4 м;

· ширина обочин - 3 м (каждая);

· габариты мостов и путепроводов - 21 м;

· ширина тротуаров на путепроводах - 1,5 м;

· высотный габарит под путепроводами - 4,5 м.

Покрытие - цементобетон толщиной 24 см с арматурной сеткой в верхней части на песчаном подстилающем слое толщиной 35 - 50 см. Песчаный слой - сплошной по всей ширине земляного полотна. По краю проезжей части со стороны обочин была установлена рифленая плитка шириной 0,5 м, толщиной 6 см на цементобетонном основании толщиной 18 см. У разделительной полосы установлен бортовой камень высотой 16 см. Обочины укреплены щебнем толщиной 10 см, на подходах к мостам и путепроводам - заасфальтированы.

После реконструкции ширина земляного полотна МКАД составит 50 м, существующее земляное полотно уширяется почти на 90 % протяженности симметрично до 25 м от оси с каждой стороны (рис. 5). При уширении насыпи земляного полотна высотой более 1,5 производится нарезка уступов. Сооружение земляного полотна осуществляется только из песчаных грунтов выемок и песка из карьеров. Продольный профиль МКАД при реконструкции в основном не меняется, за исключением профиля дороги в местах подхода к новым большим мостам на 19,68 и 76 км МКАД.

Перед началом работ по уширению земляного полотна растительный грунт на откосах слоем 15 см и под насыпью уширения слоем 20 см снимают с целью использования его в дальнейшем для укрепления откосов и рекультивации прилегающей к МКАД территории. Для обеспечения устойчивости земляного полотна производится укрепление откосов растительным грунтом толщиной 0,15 м с засевом семян многолетних трав, железобетонными решетками с засыпкой щебнем, а также геоматами с засыпкой щебнем и грунтом, с засевом трав.

Рис. 5. Поперечные профили уширения земляного полотна при реконструкции МКАД:

а - насыпи высотой до 2 м; б - насыпи высотой до 6 м; в - выемки глубиной до 12 м; 1 - снятие растительного слоя грунта; 2 - граница полосы отвода; 3 - засев трав; 4 - существующее земляное полотно; 5 - нарезка уступов