Сооружение земляного полотна на слабых основаниях

Проект на переход дороги через болото и другие участки слабых грунтов должен содержать наряду с конструктивными решениями земляного полотна технологические решения, обеспечивающие в своём комплексе устойчивость (исключение выдавливания слабого слоя), стабильность (отсутствие существенных осадок в период эксплуатации, жёсткость (ограничение упругих колебаний).

К слабым относятся основания, в которых в пределах активной зоны имеются слои слабых грунтов мощностью не менее 0,5 м. Мощность активной зоны принимается ориентировочно равной ширине насыпи понизу. В случае если слои слабых грунтов располагаются на глубинах, больших ширины насыпи понизу, а также при насыпях более 12 м высотой, мощность активной зоны устанавливается расчётом. К слабым относятся также связные грунты, имеющие прочность на сдвиг в условиях природного залегания менее 0,075 МПа (при испытании прибором вращательного среза) или модуль осадки которых более 50 мм/м при нагрузке 0,25 МПа (модуль деформации ниже 5,0 МПа). При отсутствии данных испытаний к слабым грунтам относят торф и заторфованные грунты, илы, сапропели, глинистые грунты с коэффициентом консистенции свыше 0,5, иольдиевые глины, грунты мокрых солончаков.

К насыпям на слабых основаниях предъявляются следующие требования: боковое выдавливание слабого грунта в основании насыпи в период эксплуатации должно быть исключено; интенсивная часть осадки основания должна завершиться до устройства покрытия (исключение допускается при применении сборных покрытий в условиях двухстадийного строительства); упругие колебания насыпей на торфяных основаниях при движении транспортных средств не должны превышать величины, допустимой для данного типа дорожной одежды.

Прогноз устойчивости и осадки основания насыпи, а также её упругих колебаний следует осуществлять на основе расчётов. Для насыпей на слабых основаниях крутизна откосов назначается на основе расчётов устойчивости или проверяется расчётом возможность применения типового поперечного профиля.

За завершение интенсивной части осадки допускается принимать время достижения 90 %-ной консолидации основания или интенсивности осадки не более 2 см/год при дорожных одеждах капитального типа и 80 %-ной консолидации или интенсивности осадки не более 5 см/год при дорожных одеждах облегчённого типа. При этом допустимую интенсивность осадки разрешается уточнять на основе опыта эксплуатации в тех или иных природных условиях.

Частным, но весьма распространённым видом слабых оснований являются болота. Различают 3 типа болот:

1 тип - заполненные болотными грунтами, прочность которых в природном состоянии обеспечивает возможность возведения насыпи высотой до 3 м без возникновения процесса бокового выдавливания слабого грунта;

2 тип - содержащие в пределах болотной толщи хотя бы один слой, который может выдавливаться при некоторой интенсивности возведения земляного полотна насыпей до 3 м, но не выдавливается при меньшей интенсивности её возведения;

3 тип - содержащие в пределах болотной толщи хотя бы один слой, который при возведении насыпи высотой до 3 м выдавливается независимо от интенсивности её возведения.

Конструкции земляного полотна на слабых основаниях назначают на основе технико-экономического обоснования и сравнения вариантов, предусматривающих частичное или полное удаление слабых грунтов, или их использование в качестве основания насыпи с разработкой конструктивных и технологических мероприятий по обеспечению устойчивости, снижению общей величины осадки, ускорению сроков её завершения, исключению упругих колебаний. В зависимости от директивных сроков устройства монолитных слоев дорожной одежды при использовании слабых грунтов в качестве основания насыпей рекомендуются безосадочные конструкции земляного полотна с использованием свайных элементов.

Конструкция земляного полотна на слабых основаниях, её выбор зависит от типа слабого основания, наличия вида грунта и его мощности, относимых к слабым, высоты насыпи, типа дорожной одежды, сроков её устройства.

При глубине (мощности) слабых оснований, в том числе состоящих из болотных грунтов, до 6 м и высоте насыпей до 3 м конструкцию земляного полотна допускается разрабатывать на основе привязки типовых решений к конкретным условиям. При наличии болот - с учётом их типа.

В случаях когда расчётами устойчивости и осадки (или иными обстоятельствами) обосновывается необходимость полного или частичного удаления слабых грунтов перед сооружением насыпи, нижнюю часть насыпи ниже уровня дневной поверхности слабого основания на 0,2-0,5 м следует предусматривать из дренирующих или крупнообломочных грунтов. Применение других грунтов должно быть обосновано расчётами.

Частичное удаление слабых грунтов основания с заменой их дренирующими включает также конструктивные решения с использованием дренажных прорезей. Их глубина, ширина и расстояние между ними в плане устанавливается расчётами устойчивости и осадки.

При сооружении насыпей с использованием в их основании слабых грунтов в целях повышения устойчивости, ускорения осадки и снижения влияния динамической нагрузки предусматриваются следующие конструктивно-технологические мероприятия:

сооружение насыпи на слабом основании с расчётным режимом отсыпки, обеспечивающим устойчивость конструкции в процессе строительства и эксплуатации;

применение разделительных прослоек из геосинтетических материалов для исключения перемешивания отсыпаемых грунтов и грунтов слабого основания;

применение армоэлементов из тканых геосинтетических материалов для обеспечения устойчивости;

устройство временной пригрузки для ускорения процесса консолидации грунтов слабого основания;

вертикальные дрены из песка, специальные (объёмные) геосинтетические материалы с целью ускорения осадки слабого основания;

использование свайных элементов из песка, щебня, цементогрунта, железобетона (забивные сваи) с ростверком из геосинтетических решетчатых или тканых материалов с целью создания устойчивых или безосадочных конструкций.

Состав и порядок выполнения мероприятий устанавливаются проектом на основе соответствующих расчётов.

Проход машин по болоту, выторфовывание, устройство траншей, прорезей, водоотводных канав допускается в зимнее время после образования мёрзлой коры достаточной несущей способности.

Для обеспечения безопасной работы экскаваторов и бульдозеров толщина промёрзшего слоя торфа должна быть не менее величин, приведенных в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Примечание. Приведённые толщины даны для температуры £ 10°С. При температуре близкой к 0°С требуемую толщину следует увеличить в 1,3 раза.

Промерзание ускоряется примерно в 2 раза при систематической очистке поверхности грунта от снега. Для обеспечения безопасности при пионерной проходке машин по болоту в зимнее время необходимо проводить измерение толщины мёрзлого слоя не менее чем в 3 местах по оси каждой сменной захватки работы бульдозера на расчистке или иных видах работ, а также в местах понижения рельефа или изменения растительности.

При замене слабых грунтов требования к расчистке полосы отвода устанавливаются с учётом метода их замены и типов машин. Проектом должно быть предусмотрено место отвала вынутого грунта и способ его вывозки (при невозможности устройства боковых кавальеров).

При использовании слабых грунтов в качестве основания дерновой слой на торфяном болоте и других типах слабого основания целесообразно не удалять. Допускается при толщине насыпного слоя 1,5 м и более оставлять пни, срезанные на уровне поверхности земли, а также срезанное мелколесье и порубочные остатки с укладкой стволов преимущественно поперёк оси дороги.

При использовании в основании насыпи слабых грунтов, а также при наличии уклонов дна болота в процессе строительства должны быть установлены постоянные наблюдения за смещениями насыпи по высоте и в плане, которые могут быть вызваны дополнительными нагрузками, динамическими воздействиями транспорта, многолетним оттаиванием мерзлотных образований и другими труднопрогнозируемыми причинами.

В случае нарушения устойчивости основания или недопустимых отклонений от расчётной осадки следует вносить соответствующие изменения в предусмотренные проектом конструктивные параметры и технологические схемы. В период эксплуатации дороги наблюдения за деформациями земляного полотна организуются и оплачиваются заказчиком отдельно.

Замена слабого грунта в основании насыпи может осуществляться механическим способом, то есть экскавацией и транспортировкой слабого грунта либо взрывным. В первом случае работы по замене (удалению слабого грунта) осуществляют двумя отрядами: один удаляет слабый грунт, второй - выполняет собственно замену и последующее сооружение насыпи до проектной отметки.

В зависимости от ширины, глубины замены слабых грунтов и от рабочих параметров экскаватора слабый грунт удаляют по одной из следующих схем: «на себя», одной или двумя продольными захватками; поперечными траншеями; «от себя», с работой экскаватора с насыпи.

При организации работ по первой схеме экскаватор, двигаясь вдоль оси траншеи, разрабатывает её профиль «на себя» и укладывает грунт в два отвала по обе стороны траншеи либо наполовину сечения с укладкой торфа в один отвал. Схема обеспечивает наибольшую производительность разработки благодаря небольшим углам поворота стрелы экскаватора. Эта схема применяется в случаях отсутствия вдоль насыпи водоотводных канав. При наличии водоотводных канав экскаватор движется вдоль бровки, разрабатывая траншею на полный профиль или до оси с поворотом стрелы на 180° и укладкой грунта в один отвал. По этой схеме одновременно с разработкой траншеи возможно устройство водоотводной канавы. Обе схемы позволяют разрабатывать траншеи шириной до 12 м (по верхнему сечению) при использовании драглайна с длиной стрелы не менее 13 м.

Широкие траншеи глубиной более 4 м разрабатываются поперечными проходами. Размер захватки в этом случае равен половине ширины траншеи. Данная схема более целесообразна при вывозке слабого грунта автотранспортом.

На слабых грунтах с низкой несущей способностью, а также при устройстве широких и глубоких траншей с большим объёмом замены сооружение земляного полотна ведётся по схеме «от себя». Экскаватор перемещается по отсыпаемой насыпи. Слабый грунт можно транспортировать в специальные отвалы автомобилями-самосвалами, занятыми на возведении насыпи. Сооружение насыпи ведётся путём надвижки грунта бульдозером в открытую поперечную траншею.

Траншеи глубиной до 1 м на осушенных болотах I типа с подстилающим слоем из плотных грунтов при ширине основания насыпи 12 м и более целесообразно разрабатывать бульдозером. Уклон откосов траншей не должен превышать 1:3,5.

Технологический процесс включает разработку траншеи, перемещение торфа в кавальер и разравнивание его слоем толщиной до 0,5 м. Для производства работ следует применять бульдозеры на уширенных гусеницах, оборудованные отвалами с открылками.

Выторфовывание ведётся поперечными проходками от одной бровки до другой: торф перемещается за пределы водоотводных канав, которые устраивают сразу после выторфовывания. Устройство траншеи «в задел», как правило, не допускается. Выторфовывание не должно опережать отсыпку нижней части насыпи более, чем на 1-2 сменные захватки.

Подготовка основания взрывным способом может применяться для отсыпки насыпей на болотах всех типов в следующих случаях:

разработка «на выброс» траншей на болотах I типа при выторфовывании до минерального дна;

удаление торфа из-под отсыпанной ранее насыпи;

рыхление дерново-корневого покрова;

устройство канав-торфоприёмников на болотах I и II типов при посадке насыпи на дно болота;

разрыхление сплавины на болотах III типа.

Рационально применение взрывного способа при работах в зимнее время на пнистых и обводнённых болотах, на болотах с мощным и прочным дерново-корневым покровом. Разработка взрывами на выброс с обводнённых болот в летнее время неэффективна.

При использовании в основании земляного полотна слабых грунтов в проекте должны быть приведены поперечные профили насыпи с учётом расчётной осадки для всех сечений с характерными гидрогеологическими условиями. Насыпь необходимо возводить сразу на полную проектную толщину (сумма рабочей отметки и расчётной величины осадки). Постепенная досыпка насыпи по мере её осадки замедляет процесс стабилизации земляного полотна. В случае если слабое основание не обладает необходимой устойчивостью, проектом предусматривается метод постепенного загружения.

При определении требуемого объёма грунта для устройства насыпи сечение погружаемой части F_погр принимают в виде трапеции с высотой, равной расчётной величине осадки S, и меньшим основанием, равным ширине земляного полотна между бровками В:

F_погр = S×B + S×(h-S)×m, м², где (9.1)

m - крутизна откоса насыпи.

Прослойки из геосинтетических материалов (разделительные или армирующие) в основании или в нижней части земляного полотна укладывают на всю ширину насыпи, с выводом краёв полотнищ на 0,5-1,0 м за её границы или анкеровкой краёв в откосных частях путём заворачивания концов полотнищ длиной 1,5-2,0 м на заранее сформированные валики высотой 0,5-0,6 м из отсыпанного поверх геотекстиля слоя грунта или на края грунтового слоя. Полотнища материала следует стыковать внахлёст с перекрытием смежных полос на 0,5 м. Для пропуска строительных машин геотекстиль должен быть перекрыт слоем грунта насыпи толщиной не менее 0,6 м.

При наличии пней, кочек, углублений и других неровностей на поверхности основания перед укладкой геотекстиля отсыпают песчаный выравнивающий слой, толщина которого должна быть не менее возвышения неровностей.

Способы постепенного загружения и временной пригрузки. Способ постепенного загружения (предварительной консолидации) применяется при сооружении насыпей на болотах 1-го и 2-го типа в том случае, когда основание не может воспринимать без нарушения устойчивости нагрузку от всей насыпи. Отсыпку насыпи ведут в режиме, при котором каждая последующая ступень нагрузки прикладывается после соответствующего упрочнения грунта за счёт его уплотнения под предыдущей ступенью. Режим нагружения устанавливается индивидуальным проектом и соответствующими расчётами.

При отсыпке насыпи регистрируется фактическая осадка основания во времени. Осадку замеряют путём нивелирования наблюдательных марок, установленных по подошве насыпи. Марки представляют собой металлические штыри диаметром 5-10 мм, приваренные к опорной плите размером 30×30 см из листовой стали толщиной 3-5 мм. Отсыпку второго и последующих слоев начинают после достижения расчётной осадки основания от предыдущего слоя насыпи.

Для ускорения осадки плавающих насыпей на болотах 1-го и 2-го типа может быть применена временная пригрузка насыпи дополнительным слоем грунта. Толщина слоя временной пригрузки и время её выдерживания устанавливается расчётом в индивидуальном проекте. Обычно временную пригрузку назначают в пределах 2 м, время выдерживания - от одного месяца до одного года. После достижения расчётной осадки пригрузочный слой должен быть быстро снят. Грунт из пригрузочного слоя используют для насыпей, не требующих длительного выдерживания на других участках.

На протяжённых переходах через болота с однотипными условиями работы ведутся по схеме укрупнённого потока, при которой производительность отсыпки насыпи подбирают таким образом, чтобы пригрузочный слой находился на определённом участке насыпи расчётное время и постепенно перемещался вслед за фронтом отсыпки.

Осадку насыпи с временной пригрузкой контролируют по маркам. Если в процессе отсыпки временной пригрузки будут обнаружены признаки выпора или выдавливания торфа из-под насыпи, работы необходимо прекратить и возобновить их только после промерки устойчивости основания.

В районах со среднегодовой температурой воздуха ниже 0°С для дорог IV-V категорий и временных промышленных дорог на переходах через болота проектом может быть предусмотрено использование промороженного основания. При этом нижнюю часть насыпи толщиной, определённой расчётом, устраивают из малоразложившегося подсушенного в валах торфа. Торф для этой цели может быть получен из боковых резервов или специальных карьеров.

Работы по сооружению насыпи ведутся в зимний период после промерзания основания на величину, близкую к максимальной. В целях ускорения промерзания с полосы отвода заблаговременно удаляют мохорастительный покров и очищают поверхность от снега.

Устройство вертикальных дрен. Вертикальные дрены устраивают с целью облегчения отжатия поровой воды из сжимаемого слоя водонасыщенного слабого грунта. Вертикальные дрены сооружают в виде плоских дрен из геотекстильных и других ленточных дренирующих материалов или в виде скважин, заполненных песком или иным фильтрующим материалом. Аналогичный вид имеют песчаные сваи, применение которых обеспечивает устойчивость и локализует упругие колебания слабого грунта. Разновидностью вертикальных дрен являются продольные прорези, заполненные песком. Вертикальное дренирование целесообразно сочетать с методом временной пригрузки.

Дренажные прорези устраивают на слабых основаниях, в том числе и на болотах 1-го типа, глубиной до 4 м для ускорения осадки насыпей, повышения устойчивости основания и снижения упругих колебаний от временной нагрузки.

Дренажные прорези рекомендуется устраивать экскаватором, оборудованным в летнее время драглайном, а в зимнее время при глубине промерзания до 0,3 м - обратной лопатой или многоковшовым экскаватором. Экскаватор, работая на первой захватке, отрывает прорези на проектную глубину. В это время на второй захватке бульдозер заполняет отрытые траншеи песком из заранее подготовленного вала, а на первую захватку подвозят песок. Разработка прорезей одноковшовым экскаватором ведётся захватками по 8-10 м летом и 5-6 м зимой с одной стоянки. На другую стоянку экскаватор переходит под углом 45-60° к оси дороги. Торф или другие слабые грунты размещают и разравнивают бульдозером с уширенным отвалом с открылками.

Для разработки дренажных прорезей целесообразны многоковшовые экскаваторы болотной модификации с удлинённым транспортёром. В этом случае величина рабочей захватки назначается в зависимости от консистенции торфа и погодных условий и в увязке с темпом отсыпки насыпи.

Вертикальные дрены и песчаные сваи располагают по треугольной, шахматной или квадратной сетке с шагом ленточных дрен 1-2 м, песчаных дрен 2-4 м и свай 1-2 м. Для заполнения вертикальных песчаных дрен применяют песок с коэффициентом фильтрации согласно проекту или гравийно-песчаную смесь с размером частиц до 60 мм. Нижнюю часть насыпи (рабочую платформу) отсыпают из дренирующего грунта с коэффициентом фильтрации более 3 м/сут.

Песчаные сваи устраивают из песков, пригодных для отсыпки насыпи без дополнительных ограничений. В случае если песчаные сваи предполагается использовать и как дрены, требования к материалу для их заполнения такие же, как и при устройстве вертикальных дрен. Осушающий и уплотняющий эффект дрен и свай повышается при введении в состав заполнения негашёной извести.

Диаметр вертикальных песчаных дрен и песчаных свай в зависимости от оборудования и длины может быть в пределах 300-600 мм, минимальное поперечное сечение ленточных дрен 4×100 м.

Перед устройством вертикальных дрен и песчаных свай на поверхности болота производят отсыпку рабочей платформы из песка. Толщина её в зависимости от несущей способности грунта основания и веса применяемых механизмов 0,5-1,0 м. Толщина рабочей платформы может быть снижена в 1,5 раза при укладке под неё геотекстильной прослойки на всю ширину подошвы насыпи. Для прокола прослойки нижний конец обсадной трубы снабжают штыковым устройством.

Ширина рабочей платформы должна превышать ширину свайного поля не менее чем на 2,5 м. Работы по устройству рабочей платформы выполняются по технологическим схемам, принятым при сооружении насыпей на болотах.

Поверхность рабочей платформы планируют, после чего намечают центры скважин с закреплением осей поперечных рядов. На спланированную рабочую платформу автомобилями-самосвалами завозят песок для заполнения скважин.

При сооружении песчаных свай предпочтение отдаётся методам, предусматривающим вдавливание обсадной трубы с уплотнением массива слабого грунта, а при устройстве вертикальных дрен более предпочтительны методы, позволяющие создать вертикальный песчаный столб без уплотнения грунта вокруг дрен, то есть путём выбуривания.

Для вертикальных дрен и песчаных свай применяются специализированная машина для вибропогружения типа ВВПС или кран с вибропогружателем, дополнительно укомплектованным рабочим органом в виде полой обсадной трубы с самораскрывающимся наконечником. Эффективность устройства свай-дрен возрастает при использовании методов гидроподмыва.

Технологический процесс устройства свай и дрен состоит из следующих операций: погружение обсадной трубы, заполнение её песком, виброизвлечение трубы и уплотнение песка в свае. Сваи устраивают при движении агрегата по челночной схеме продольными рядами по 20-30 штук, после чего агрегат разворачивается и делает следующий ряд, двигаясь в обратном направлении.

Обсадную трубу погружают в слабый грунт с помощью вибрации, безвибрационным задавливанием (в грунтах, размораживающихся под действием вибрации) или комбинированным способом. Для прохождения рабочей платформы и прослоек плотного грунта целесообразно использовать отдельную машину типа ямобура. Достигшую заданной глубины обсадную трубу заполняют песком с помощью погрузчика, оборудованного двухчелюстным ковшом.

Извлекают обсадную трубу при выключенном вибраторе. В продолжение первых 10 сек скорость извлечения не должна превышать 0,1 м/сек при максимальной интенсивности вибрации. Если песок свободно истекает из трубы, дальнейшее извлечение ведут со скоростью до 0,2 м/сек, снижая интенсивность вибрации. По окончании извлечения трубы агрегат переезжает на новую точку.

Комплект машин по устройству песчаных свай и дрен состоит из вибропогружателя, электростанции, буровой машины, лёгкого бульдозера-погрузчика.

Технологический процесс устройства ленточных дрен из геотекстильных материалов включает заправку дрены в обсадную трубу, погружение обсадной трубы в грунт, извлечение её, обрезку дрены на высоте 20-25 см от поверхности грунта и переезд установки на новое место погружения дрен. Для погружения плоских дрен используют то же оборудование, что и для песчаных дрен, дополнительно снабжённое катушкой с рулоном ленты геотекстиля.

Устройство свай из цементогрунта, щебня, монолитного бетона включает следующие технологические операции: подготовку поверхности основания (без удаления растительного грунта), разбивочные работы, отсыпку рабочей платформы из песка (в случае необходимости), бурение скважин заданного диаметра и глубины, заполнение скважин строительными смесями, их уплотнение. Сваи устраивают заподлицо с поверхностью рабочей платформы или с небольшим превышением над ней. Забивные железобетонные сваи забивают при помощи стандартного оборудования до отказа. Над забивными сваями устраивают наголовники проектной конфигурации из бетона. Поверх голов свай (или наголовников) отсыпают выравнивающий слой песка не более 0,2 м с последующим устройством гибкого ростверка из геосинтетических сеток. Поверх ростверка осуществляют послойную отсыпку земляного полотна.