Технология работ по сооружению земляного полотна

Строительство земляного полотна включает следующие технологические процессы: разбивку земляного полотна; строительство временных дорог; расчистку территории в пределах дорожной полосы; снятие растительного грунта и укладку его в штабели; строительство дренажных и водоотводных канав; разработку грунта в выемках и карьерах; перемещение грунта в насыпь или отвал; послойное разравнивание грунта в насыпи, уплотнение грунта; планировку поверхности земляного полотна; перемещение и разравнивание растительного грунта на поверхности откосов; укрепление откосов земляного полотна.

Для выполнения указанных технологических процессов используют специальные дорожно-строительные машины, предназначаемые для земляных работ. В их число входят: автогрейдеры, бульдозеры, экскаваторы, скреперы, одноковшовые погрузчики, катки, трамбующие машины, планировщики откосов, кусторезы, корчеватели, канавокопатели. Для транспортирования грунта на значительные расстояния применяют автомобили-самосвалы.

В зависимости от рельефа местности изменяется конструкция земляного полотна, насыпи чередуются с выемками, изменяется направление и поперечная крутизна косогорных участков, постоянно изменяется высота насыпей и глубина выемок. В связи с этим изменяются объемы работ и трудоемкости отдельных технологических процессов. Все это определяет различия в выполнении отдельных технологических процессов или технологии в целом. Совокупность технологических процессов по строительству земляного полотна разделяют на следующие три группы: подготовительные работы, основные работы и отделочные работы.

Подготовительные работы - восстановление трассы, отвод и закрепление земель в постоянное пользование, расчистка полосы отвода, разбивка земляных сооружений, устройство водоотводных канав и дренажей.

Основные работы - разработка выемок и отсыпка насыпей. В состав этих работ входят такие технологические процессы, как рыхление и планировка грунта, уплотнение основания насыпей, разработка и транспортирование грунта в места отсыпки насыпей и отвалов, послойное разравнивание и уплотнение грунта в насыпи.

Отделочные работы - планировка поверхности земляного полотна, укрепление откосов насыпей и выемок, восстановление растительного слоя на территориях, отведенных во временное пользование.

Для всех технологических процессов следует разработать или подобрать типовые технологические карты, в которых предусматривают машины соответствующей производительности для каждой операции и указывают схемы перемещения машин в процессе работы. Количество машин должно обеспечивать заданный темп работ при минимальных расходах на их выполнение.

При выборе типов и марок машин необходимо учитывать следующие условия: вид работ и технологического процесса; тип, разновидность и состояние грунта; дальность его транспортирования; сроки выполнения работ, требуемый темп работы и рельеф местности.

Выбор машин для различных условий и технологических процессов производят на основании сравнения возможных вариантов по технико-экономическим показателям. Ориентировочный выбор машин можно выполнить с помощью табл. 2.11.

Таблица 2.11

Для основных работ по разработке и транспортированию грунта рекомендуют применять бульдозеры при дальности перемещения грунта до 100 м; скреперы при благоприятных грунтовых условиях и дальности транспортирования более 100 м; экскаваторы для разработки любых грунтов, кроме скальных. Транспортные средства выбирают в зависимости от расстояния перевозки и состояния временных дорог для транспортирования грунта. При разработке очень прочных грунтов их рыхлят взрывным способом. Наряду с экскаваторами применяют самоходные фронтальные погрузчики. Они особенно эффективны при легких грунтах, при плотных грунтах требуется предварительное рыхление и в дополнение к ним необходимы рыхлители или бульдозеры.

Оптимальный вариант при выборе машин устанавливают путем сравнения различных конкурирующих вариантов по основным технико-экономическим показателям: стоимости работ; затратам энергии; выработке на одного рабочего. Расчеты по определению оптимального варианта целесообразно выполнять с помощью ЭВМ, тогда можно рассмотреть не только варианты применения того или иного вида машин, но и варианты применения различных моделей машин, сочетания основных и вспомогательных машин. Для решения этих задач составляют технологические карты. Часто эти вопросы решают с помощью расчетов, учитывающих средние условия в целом для всей дороги или участка большого протяжения.

При этом определяют общие объемы по видам основных машин (объемы бульдозерных работ, скреперных, экскаваторных и др.), рассчитывают составы отрядов и производят сравнение вариантов по так называемым приведенным затратам.

2.4. Основные принципы планирования и организации работ

Следует стремиться выполнять земляные работы в наиболее теплые и сухие периоды года, когда грунты находятся в талом состоянии и влажность их близка к оптимальной. В таком состоянии грунты хорошо разрабатывать и уплотнять. Большое значение имеют более благоприятные условия движения машин по грунту и временным землевозным дорогам. Таким периодом года в районах с умеренным климатом является весенне-летний и часть осеннего. Для южной части II дорожно-климатической зоны с конца апреля до начала третьей декады октября естественная влажность грунтов близка к оптимальной, глинистые грунты не слишком налипают на рабочие органы землеройных машин, а песчаные, наоборот, имеют некоторую связность, что также благоприятно для ведения работ. Все это способствует выполнению работ с необходимым качеством и позволяет наиболее эффективно использовать производительность применяемых машин. Ориентировочные даты начала и конца благоприятных периодов для различных географических районов России и некоторые данные для расчета количества рабочих смен приведены в табл. 2.12.

Земляные работы при необходимости можно выполнять в зимний период года, но это требует дополнительных затрат материальных и трудовых ресурсов на очистку от снега, на разрыхление замерзших грунтов, на мероприятия по предотвращению промерзания и просушивание грунта. Более сложные условия работы повышают риск в точном выполнении технологических правил и могут приводить к снижению качества работ. В некоторых районах зимой условия работ, напротив, оказываются лучшими. В южных районах России, где промерзание грунтов незначительно, а снежный покров отсутствует или небольшой толщины, зимний период может оказаться более благоприятным для ведения земляных работ. В других случаях промерзание грунтов может быть положительным фактором для производства земляных работ. В заболоченных районах в летнее время проезд машин по грунтовым дорогам затруднен, а иногда даже невозможен, поэтому, несмотря на усложнение выполнения некоторых процессов, это решение может оказаться рациональным или даже единственно возможным.

При разработке скальных грунтов их промерзание практически не имеет значения.

Крупные специализированные организации по выполнению земляных работ стремятся хотя бы часть земляных работ отнести на зимнее время, чтобы не было простоя машин и особенно транспортной техники.

Опыт показывает целесообразность заблаговременного строительства земляного полотна. Заранее построенное земляное полотно является более стабильным, дефекты, обнаруженные перед строительством дорожной одежды, могут быть легко устранены. При строительстве дорог с капитальными типами покрытий это условие является обязательным. При устройстве покрытий облегченного или переходного типов допускают строительство дорожной одежды сразу после возведения земляного полотна. Тогда общий срок строительства составляет меньше двух лет и период ведения земляных работ обычно устанавливают в зависимости от времени устройства дорожной одежды.

При одновременном ведении земляных работ и работ по устройству дорожной одежды между ними должен быть участок готового земляного полотна - задел, необходимый на случай задержки в земляных работах из-за неблагоприятной погоды, выхода из строя отдельных машин или по другим причинам. Величина задела зависит от темпа работ по устройству дорожной одежды и некоторых других конкретных условий на объектах. При расчетах, связанных с определением срока ведения земляных работ, этот фактор также должен быть принят во внимание. Сроки ведения земляных работ в зимнее время устанавливают с учетом климатических условий, характера грунтов, их влажности и промерзания. Количество календарных дней и рабочих смен определяют расчетом, исключая неблагоприятные периоды.

Уплотнение грунтов

Важнейшим технологическим процессом при строительстве земляного полотна является уплотнение, которое обеспечивает требуемую прочность и устойчивость грунтов. От качества работ по уплотнению зависят фактические значения модуля упругости, угла внутреннего трения и сцепления, и, следовательно, способность конструкции дорожной одежды сохранять прочность в течение заданного срока службы.

В грунтах, обладающих низкой плотностью, при воздействии транспортных нагрузок накапливаются остаточные деформации. Недостаточно уплотненные грунты отличаются неоднородностью, меньшей плотностью, имеют просадки, что приводит к нарушению ровности проезжей части дорог. С увеличением плотности грунта снижается его водопроницаемость. Чем плотнее грунт, тем меньше диапазон изменения влажности грунта под воздействием атмосферных явлений и соответственно меньше вероятность морозного пучения.

Таблица 2.12

Обследования и диагностика автомобильных дорог показывают, что одной из причин преждевременных повреждений является недостаточная плотность грунта земляного полотна. Это относится ко всем участкам дорог, расположенным на земляном полотне и в насыпях и в выемках. По этим причинам уплотнению подлежат как насыпные грунты, так и основания насыпей и поверхностные слои грунтовых оснований в выемках. Уплотнение земляного полотна является обязательным, и это требование зафиксировано действующими строительными нормами и правилами и технологическими регламентами по строительству земляного полотна автомобильных дорог [83, 86, 87].

Уплотнение грунтов окупается экономией, достигаемой за счет уменьшения толщины дорожной одежды, уменьшения затрат на ремонт автомобильной дороги и снижения транспортных расходов.

Принципиальный подход к определению требуемой плотности грунта состоит в том, чтобы в результате уплотнения плотность стала такой, при которой не будет происходить накопления остаточных деформаций земляного полотна от действующих повторных расчетных нагрузок и изменений влажности грунта. Увеличение плотности грунта до требуемых значений обеспечивает стабильность основных параметров прочности грунта, делает их мало изменяющимися под влиянием сезонных колебаний температуры и влажности.

На основе элементарного представления о грунте как о трехфазной системе, без учета его структурных особенностей, применяют следующее выражение для единичного объема грунта:

где (2.7)

δ - плотность скелета грунта, г/см³;

Y - плотность минеральных частиц, г/см³;

W - массовая доля влажности грунта, %;

V - объем воздуха, %;

1 - единичный объем грунта (1 см³).

Отсюда плотность грунта:

(2.8)

Значение Y изменяется в узких пределах: для супесчаных грунтов Y = 2,65-2,55 г/см³, для глинистых и пылеватых супесчаных грунтов Y = 2,68; для тяжелых суглинистых и тяжелых глинистых Y = 2,7; для суглинистых Y = 2,6. Наибольшая плотность соответствует пористости грунта в диапазоне 4-6 % (6 % для песчаных и супесчаных грунтов, 5 % для пылеватых супесчаных, суглинистых и глинистых и 4 % - для тяжелых суглинистых и пылеватых глин).

Процесс уплотнения состоит в вытеснении воздуха из пор грунтов, отжатия воды и уменьшения толщины водных пленок, что достигается механическим воздействием уплотняющих машин. Отжатие воды из грунта происходит медленно и не играет заметной роли в уплотнении из-за малого времени воздействия нагрузок при уплотнении машинами. Поэтому в процессе уплотнения при фактической влажности происходит главным образом удаление воздуха.

Для получения наиболее плотной структуры необходимо, чтобы влажность грунта была такой, при которой объем защемленного воздуха находится в указанных выше пределах: 4-6 %. При этом образуются наиболее прочные гидратные оболочки, обеспечивающие минимальную фильтрацию и наименьшее разбухание грунта, а следовательно, и наивысший возможный модуль упругости. Если влажность грунта ниже, то есть объем пор, занятый воздухом, выше указанной величины, не создается устойчивой структуры и при увлажнении грунт легко разбухает и тем больше, чем выше влажность. При недостаточной плотности, наоборот, доуплотняется и дает осадку. Модуль упругости в обоих случаях падает. При повышении влажности грунта в процессе уплотнения часть пор заполняется водой, вытесняющей воздух. Структура грунта становится неустойчивой, особенно при ударном уплотнении, а модуль упругости уменьшается.

Принято считать, что для каждого грунта существуют оптимальные влажность и плотность, зависящие от его минералогического и гранулометрического состава. Оптимальная влажность соответствует определенной работе, затраченной на уплотнение грунта. Эта работа определяется массой катка и числом его проходов или массой уплотняющего груза, высоты его падения и числа ударов. Большей работе по уплотнению соответствует меньшая оптимальная влажность. На рис. 2.4 показано, как меняются плотность и оптимальная влажность для разных значений работы по уплотнению. С некоторым приближением можно считать, что оптимальная влажность близка к максимальной молекулярной влажности, то есть влажности, при которой вся вода в грунте находится в связанном состоянии.

Экспериментально оптимальную влажность определяют с помощью прибора стандартного уплотнения Союздорнии по ГОСТ 22733-2002, последовательно определяя стандартную плотность при переменных значениях влажности грунта. Влажность соответствующую максимальной плотности считают оптимальной.

В южных районах, где естественная влажность ниже, следует предварительно увлажнять грунт или увеличивать работу по уплотнению для достижения требуемой плотности.

Ориентировочные значения влажности, %, для наиболее распространенных грунтов приведены ниже:

пески мелкие и пылеватые 8-13

супеси легкие и тяжелые 9-15

суглинки легкие 12-18

тяжелые и тяжелые пылеватые суглинки 14-20

пылеватые и тяжелые пылеватые супеси, легкие пылеватые суглинки 15-22

глины пылеватые и песчанистые 16-26

глины жирные 20-30

Содержание воздуха при стандартной плотности для разновидностей грунтов в среднем составляет: супесь - 8...10 %, тяжелый суглинок - 3...4 %, суглинок - 4...5 %, глина - 4...6 %.

Требования к уплотнению грунта и назначение необходимой плотности устанавливают в соответствии с уровнем напряженного состояния конструкции земляного полотна. При этом учитывают, что верхняя часть насыпи, иногда называемая рабочим слоем, испытывает динамические напряжения от транспортных средств и в наибольшей мере подвержена воздействию атмосферных явлений. Эти напряжения затухают с глубиной. Другая часть напряжений в земляном полотне, вызываемая собственным весом насыпи наоборот увеличивается с глубиной. Таким образом, в средней части насыпи уровень напряжений и соответственно требования к плотности грунта ниже, чем в верхней и нижней.

Pиc. 2.4. Изменение оптимальной плотности и оптимальной влажности при разном уплотнении: