Строительство насыпей из техногенных грунтов

Общие положения. Для сооружения земляного полотна автомобильных дорог и грунтовых оснований аэродромов возможно применять техногенные грунты во всех случаях, когда такое применение даёт экологический или экономический эффект. К техногенным (искусственным) грунтам относят природные горные породы, прошедшие механическую переработку (отходы горнодобывающей промышленности); породы метаморфизированные в процессе сжигания содержащихся в их составе углеводородов, в том числе при получении металла (золы и шлаки), а также переработанные породы и органические, в том числе искусственные, дисперсные материалы органического состава (строительный мусор, нетоксичные промышленные отходы, бытовой мусор).

Техногенные грунты, как правило, не способны образовывать плодородную почву. Их отвалы служат источником загрязнения прилегающих территорий минеральной пылью, а иногда - токсичными веществами. В большинстве случаев их складирование ухудшает состояние окружающей среды, затрудняет или делает невозможным использование территорий для сельского хозяйства и строительства жилья.

Целью применения техногенных грунтов в земляном полотне автомобильных дорог может быть снижение себестоимости производства работ; освобождение территории, занимаемой отвалами; захоронение грунтов и материалов, содержащих токсичные примеси; изменение качества местных грунтов с неблагоприятными свойствами с применением улучшающих добавок.

Замена естественных грунтов промышленными отходами должна быть предусмотрена проектной документацией, а в случае если замена предложена строителями в процессе производства работ - согласована с автором проекта.

Технико-экономическое обоснование замены естественных грунтов техногенными выполняется по комплексным критериям и должно содержать оценку эффективности в следующих направлениях:

сравнение транспортных затрат на перемещение естественного грунта из отведённых резервов (карьеров) и техногенного грунта из отвалов (хранилищ);

сравнение затрат на отвод земель для резервов (карьеров) с их последующей рекультивацией и дополнительных затрат на транспортирование материала из производственных отвалов, хвостохранилищ и т. п.;

учёт улучшения санитарного состояния местности вследствие ликвидации отходов, содержащих токсичные включения, и их захоронение в дорожных насыпях;

учёт снижения себестоимости продукции отходообразующих производств за счёт сокращения платы за размещение отходов;

учёт возможного технологического и конструктивного усложнения земляного полотна при замене природных грунтов техногенными.

При оценке пригодности техногенных грунтов, включая промышленные отходы, необходимо учитывать следующие данные: источник их образования (технология получения отходов); способ получения (из отвала, накопителя, погрузочного устройства); состав (минеральный, химический, органический); состояние на выходе (грансостав - агрегированность, плотность, влажность).

При использовании промышленных, рудных и других отходов и побочных продуктов их состав должен быть проверен на содержание токсичных, а также радиационных включений. При обнаружении вредных свойств должно быть проведено согласование с местными органами санитарной службы.

Отходы добычи и обогащения каменного угля. Отходы угольной промышленности делятся на отвальные шахтные породы (ОШП) и отходы углеобогащения (ОУ). Отвальные шахтные породы могут быть представлены вскрышными и межпластовыми горными породами, не содержащими включений угля, влияющих на их свойства. В этом случае технология применения ОШП не отличается от обычных крупнообломочных грунтов.

В большинстве случаев ОШП концентрируются в производственных отвалах. В зависимости от степени метаморфизма, содержания угля и способа хранения в отвалах возникают самопроизвольные высокотемпературные процессы, изменяющие свойства пород.

Способы разработки отвалов шахтных пород соответствуют характеру отложений. При разработке отвалов вскрышных пород и шахтных отвалов, не содержащих включений угля, должны соблюдаться общие правила, обеспечивающие высокую производительность и безопасность работ.

При разработке старых шахтных отвалов, в которых происходили высокотемпературные процессы, приводившие к обжигу горных пород, необходимо учитывать неоднородность их сложения. Разрабатывают только негорящие отвалы.

Разработку отвалов экскаватором начинают с верхних отметок, со ступенчатым расположением забоев сверху-вниз. При частичной выборке отвала допускается разработка бульдозером с погрузкой в автосамосвалы погрузчиком или экскаватором.

При высокой температуре грунта, а также при сильном пылении разработку ведут с одновременным поливом водой с использованием гидравлического оборудования высокого давления.

Горелые породы и горелопородные смеси целесообразно вывозить на трассу в осенне-зимний период, складировать на полосе отвода слоем толщиной не более 1,0-1,5 м, а работы по сооружению насыпи производить в весенне-летний период. Воздействие атмосферных осадков, перепадов температуры, циклов замораживания-оттаивания в слое неуплотнённой породы способствует разрушению неводостойких слабопрочных включений. При использовании слабообожжённых и необожжённых пород рекомендуется их циклическое замачивание-высушивание, что приводит к разрушению слабых включений.

С целью максимального разрушения неводостойких слабопрочных включений технология работ должна предусматривать двухэтапное уплотнение с перемешиванием. На первом этапе уплотнение с дроблением осуществляется тяжёлыми решетчатыми катками массой 25-30 т или кулачковыми виброкатками массой более 17 т. Количество проходов катка зависит от начального содержания мелкозёма и ориентировочно составляет 4-6 проходов для необожжённых пород и 5-8 - для слабообожжённых. Окончательное количество проходов устанавливают пробным уплотнением. Для равномерного распределения мелкозёма по толщине слоя после первого этапа уплотнения предусматривают его рыхление с перемешиванием породы.

Второй этап уплотнения осуществляется после дополнительного увлажнения на величину потерь испарения. На втором этапе уплотнение осуществляют тяжелыми катками на пневматических шинах высокого давления массой 25-30 т или гладковальцовыми комбинированными катками. Ориентировочное количество проходов катка по одному следу 8-12. При уплотнении горелых пород и горелопородных смесей наибольший эффект дают вибрационные катки массой 8-12 т при 4-6 проходах по одному следу либо вибротрамбующие машины при 2-3 проходах.

От первого этапа уплотнения-дробления можно отказаться, вводя в состав породы требуемое количество мелкозёма и тщательно перемешивая смесь. В качестве мелкодисперсного заполнителя можно использовать песчаные и супесчаные грунты, отходы флотации, дробления, шлаковые отсевы.

В целях защиты от выветривания размягчаемых материалов на откосах и в основании насыпи проектом может быть предусмотрено устройство защитных слоев. По мере возведения каждого слоя насыпи из отходов с откосной стороны досыпают слой связного грунта такой же толщины, придавая поверхности откоса соответствующий уклон. Уплотнение защитных слоев осуществляется одновременно с уплотнением слоя отхода.

Техногенные грунты, состоящие из обломков различной прочности и водостойкости, разделяют по величине агрегатной прочности на 4 вида (табл. 9.17).

Таблица 9.17

Примечание. Агрегатная прочность А характеризуется величиной остатка на сите 2 мм после мокрого рассева уплотнённой в приборе стандартного уплотнения Союздорнии пробы материала в водонасыщенном состоянии: А_о - для пробы, не подвергающейся замачиванию-высушиванию; А₃ - при 3-х циклах замачивания-высушивания; А₁₀ - то же, для 10 циклов

При использовании техногенных грунтов для возведения земляного полотна наиболее целесообразной является схема производства работ с получением углеотходов из накопительных бункеров обогатительных фабрик и транспортированием их на объект строительства с привлечением автотранспорта предприятия.

После гидравлического обогащения влажность отходов углеобогащения (ОУ) составляет 8-14 %, что может быть близко к оптимальной. При влажности, превышающей оптимальную на 3 % и более, необходимо предусмотреть мероприятия по её снижению просушиванием либо добавлением более сухого грунта из терриконов или шахт. При использовании отходов после пневматических методов обогащения их влажность близка к исходной влажности углевмещающих пластов (1-4 %), поэтому такие ОУ требуют доувлажнения до оптимальной влажности перед уплотнением.

При уплотнении условно агрегатно-прочных ОУ требуется добиваться плотной структуры, при которой в пустотах между обломками находится 30-40 % (и более) мелкозернистого заполнителя. Это предупреждает возможную просадочность при разрушении крупных обломков. Повышенное содержание мелкозёма достигается добавлением недостающего количества мелкодисперсного грунта либо разрушением крупных обломков.

При устройстве защитных слоев из связных грунтов возможно оставлять в ядре насыпи отходы с пониженным содержанием мелкозёма. В этом случае для ОУ условно агрегатно-прочных 1-го типа наиболее рациональной является технология двухэтапного уплотнения. В результате первого этапа уплотнения в верхней части слоя (прослойка до 10 см) образуется значительное количество мелкозёма, который может служить материалом для защитного слоя. Эта прослойка сдвигается бульдозером на откосную часть насыпи и затем после планировки осуществляется второй этап уплотнения всего слоя.

Отходы сгорания топлива - это золошлаки ТЭС (золы уноса, золы горючих сланцев, каменного угля, торфа), в том числе из отвалов. Отходы сгорания топлива могут применяться в земляном полотне и грунтовых основаниях как с укреплением вяжущими, так и без него.

Для крупнообъёмного использования золошлаковых смесей из производственных отвалов должен быть проведён комплекс подготовительных работ, состоящий из прокладки подъездных путей, оборудования забоя, подводки электроэнергии для освещения, водопровода, бытового и санитарного обустройства.

На сухих золошлаковых отвалах важной операцией является систематический полив разрабатываемого массива. Для полива целесообразно использовать высоконапорное оборудование, обеспечивающее большую площадь и более равномерное смачивание.

При разработке золошлаковых отвалов гидравлического транспортирования необходимо учитывать технологическую сегрегацию шлаков в процессе намыва. Исходя из требования однородности вида породы по отсыпаемым слоям в проекте производства работ (ППР) определяют очерёдность разработки материала по отдельным картам, в пределах которых он относительно однороден.

Разработка и погрузка золошлаковых смесей в автосамосвалы выполняется тракторным погрузчиком или одноковшовым экскаватором. В сухую погоду забой и место погрузки должны систематически орошаться водой для подавления пыли. Разработку сухих отвалов целесообразно выполнять в зимнее время.

Уплотнение золошлаковых смесей выполняют тяжёлыми пневмокатками с предварительной прикаткой катками массой 4-6 т. Эффективно применение вибрационного уплотнения.

Число проходов катка и необходимость дополнительного увлажнения определяют пробной укаткой.

Химические и бытовые отходы. В нижних слоях насыпей допускается использование твёрдых отходов металлургического, энергетического, химического производства (шламы, шлаки, огарки и др.) с учётом установленных санитарных ограничений. При этом возможность выноса атмосферными осадками и стоковыми водами растворимых соединений предотвращается применением защитных слоев из глинистого грунта в основании насыпи, на её поверхности и откосах. Толщина защитных слоев устанавливается проектом из условия практического недопущения фильтрации.

Твёрдые бытовые отходы, золы сжигания бытовых отходов могут быть уложены в нижней части насыпи с соблюдением установленных санитарных ограничений в части приближения к источникам и зонам водозабора, границ населённых пунктов и т. п. Устройство защитных слоев из глинистого грунта в этих случаях является обязательным.

Укладка твёрдых химических и бытовых отходов ведётся слоями, толщина которых определяется пробным уплотнением, исходя из отсутствия просадки поверхности под вальцом тяжёлого катка. Защитный слой на откосах укладывается одновременно со слоями из отходов на соответствующую толщину. Уплотнение катками ведётся по всей поверхности слоя, включая защитные слои на откосах.

При использовании твёрдых бытовых отходов высокой пористости (с содержанием бумаги, тары и т. п.) и невозможности укатки до безосадочного состояния следует устраивать замыкающий слой из грунта толщиной 30-50 см и вести уплотнение тяжёлым падающим грузом.

Использование золоматериалов. По способу удаления топливных зол и шлаков из мест накопления в паросиловых агрегатах их подразделяют на золы сухого отбора, золы и шлаки раздельного и совместного гидроудаления. При совместном гидроудалении золы и шлаки в отвалах образуют техногенные неоднородные массивы материала, называемого золошлаковыми смесями.

В зависимости от вида сжигаемого топлива золоматериалы подразделяются на буроугольные, каменноугольные, торфяные и горюче-сланцевые.

Золы уноса сухого отбора представляют собой достаточно однородный материал по своему химическому и гранулометрическому составу, обладая при этом определённой химической активностью. Их целесообразно использовать при сооружении земляного полотна из грунтов повышенной влажности в качестве добавки для их осушения и улучшения.

Продукты гидроудаления вследствие гидратации теряют свою химическую активность, особенно свободную окись кальция и другие соединения, обеспечивающие самостоятельное твердение.

Золы и золошлаковые смеси обладают рядом преимуществ по сравнению с грунтами, аналогами которых они являются в определённых случаях. Они могут быть использованы как самостоятельно для сооружения земляного полотна так и для осушения (в качестве сухих инертных добавок) конструктивных слоев из грунтов повышенной влажности.

Неактивные золы, а также золошлаковые смеси не обладают вяжущими свойствами, почти не содержат клинкерных материалов. Их гидравлический модуль меньше 0,05; рН водной вытяжки лежит в диапазоне 4,5-11,5. Основными показателями, по которым регламентируется их использование в конструкциях насыпей, являются показатели состава и состояния. На основе этих показателей золы и золошлаковые смеси в качестве техногенных образований классифицируются аналогами соответствующих типов грунтов (ГОСТ 25100-95) и к ним предъявляются требования СНиП 2.05.02-85.

Золошлаковые смеси имеют весьма различный гранулометрический состав: от мелкодисперсного до щебенистого. Химический и минералогический состав их также различен. Поэтому золошлаковые смеси в определённых случаях рекомендуется использовать в земляном полотне взамен песчаного грунта или песчано-гравийных смесей.

Использование золоматериалов в конструкциях земляного полотна осуществляют на основе комплексной инженерно-геологической и технологической оценки. В соответствии с такой оценкой устанавливают для конкретного источника получения золоматериалов места их отбора; выполняют их классификацию по их грунтовым аналогам; устанавливают в лаборатории соответствующие кривые стандартного уплотнения и по ним корректируют значения и диапазон допустимых влажностей; выполняют оценку по степени пучинистости и набухаемости. Степень неоднородности этих материалов устанавливается на основе статистической обработки показателей физико-механических свойств в первую очередь по показателям состава и состояния.

При разработке проекта производства работ по сооружению земляного полотна из золоматериалов придерживаются следующих рекомендаций. Рабочий слой должен сооружаться из непучинистых и ненабухающих разновидностей зол или золошлаковых смесей. Малая плотность частиц зол и золошлаковых смесей, а также весьма малые значения сцепления обусловливают значительную склонность откосных частей из рассматриваемых материалов к эрозии в результате размыва, в связи с чем крутизна откосов должна быть не более 1:2, а толщина плодородного или защитного слоя на их поверхности увеличена соответственно до 0,2-0,5 м. Технологические операции по планировке поверхности откосов или по устройству защитных слоев перед засевом трав должны выполняться немедленно после возведения насыпи с минимальными перерывами.

При сооружении насыпей из золошлаковых смесей на местности 2-го и 3-го типов по условиям увлажнения рекомендуется осуществлять следующие мероприятия: при 2-м типе местности нижнюю часть насыпи на высоту подтопления необходимо устраивать из дренирующих грунтов в виде капилляропрерывающего слоя; на участках 3-го типа местности предусматривать устройство в нижней части насыпи бермы шириной не менее 1 м с целью предохранения откосных частей из золошлаковых смесей от подтопления долговременно стоящими водами.

Подготовительные работы при сооружении насыпей из зол и золошлаковых смесей включают подготовку и опробование золоотвалов, устройство временного водоотвода, коммуникаций для движения и отстоя построечного транспорта, организацию мест штабелирования золоматериалов при необходимости их хранения или подсушивания; выполнение элементов входного контроля для оценки геотехнических свойств и сопоставления их с проектными данными; подготовку растительного или глинистого грунта для устройства защитных слоев на откосах и обочинах.

Разработку отвалов или карт намыва золоматериалов выполняют экскаваторами с любым видом ковшового оборудования, транспортируют грунт автосамосвалами. Транспортировку и разгрузку осуществляют на подготовленное основание или на заранее отсыпанные и спланированные грунтовые слои (предусмотренные проектом).

Предельная допустимая влажность золошлаковых смесей для прохода строительных машин составляет (1,35-1,40) W_опт.

Отсыпку выполняют слоями способом «от себя». Разравнивание рекомендуется осуществлять бульдозерами послойно при толщине слоя 20-80 см в зависимости от типа применяемого катка при дальнейшем уплотнении и результатов пробной укатки. При использовании отсыпки способом «продольной транспортировки» разравнивание осуществляют тяжёлым автогрейдером. Толщина слоя рыхлой золошлаковой смеси должна быть больше проектной в 1,1-1,3 раза соответственно для пылеватых и крупнозернистых смесей.

Слой золошлаковой смеси уплотняют при оптимальной влажности или близкой к допустимой влажности.

В зависимости от естественной влажности укладываемой в насыпь золошлаковой смеси её необходимо подсушить или доувлажнить до влажности, близкой к допустимой. Подсушивание золошлаковых смесей осуществляется рыхлением и перемешиванием бульдозером или автогрейдером, введением прослоек сухого песчаного грунта, введением негашёной извести или добавок активных зол. Подсушивание золоматериалов может осуществляться также непосредственно в местах их получения путём предварительной разработки в отвал при благоприятных климатических условиях, устройством водоотводящих сооружений. Доувлажнение слоя золошлаковой смеси производят непосредственно перед уплотнением поливомоечной машиной.

После возведения насыпи из зол и золошлаковых смесей не допускается пересушивание и пыление верхнего слоя. Для этого рекомендуется укладка замыкающего слоя из грунта толщиной 10-20 см, укрепление откосов слоем растительного грунта с посевом трав или другим типом.