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. При реконструкции дороги возможность использования этого способа ограничена тем, что подъемка земляного полотна на коротком по протяжению пучинистом участке дороги неизбежно вызывает необходимость перестройки сопрягающихся участков дороги на большом протяжении для обеспечения плавности проектной линии.

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. Этот элемент борьбы с пучинами обязателен во всех случаях. Прочистка водоотводных канав и планировка придорожной полосы, устраняя возможность застоев воды у земляного полотна, снижая ее проникание в осенний период;

понижением уровня грунтовых вод путем устройства дренажей. Этот метод в связи со сложностью его осуществления, высокой стоимостью и недостаточной надежностью работы при реконструкции дорог мало распространен. Он может быть использован не во всех случаях из-за трудности вывода воды из дренажных труб в пониженные места. Кроме того, дренажи требуют весьма тщательного эксплуатационного надзора, при отсутствии или при недостаточности которого 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. Засорение их может приводить к оползанию откосов.

2. Замена пучинистых грунтов, подверженных пучинообразованию, устойчивыми (устройство верхней части земляного полотна из песка, укладываемого слоем не менее 50-60 см). Из нижней части слоя должен быть обеспечен отвод накапливающейся воды. Необходимую толщину слоя определяют исходя из ограничения суммарной величины вспучивания. Этот метод наиболее надежен.

3. Прерывание капиллярного, пленочного или парообразного поднятия воды из увлажненных глубинных слоев грунта осуществляется:

устройством в земляном полотне водонепроницаемых прослоек, преграждающих путь влаге в расположенные выше слои земляного полотна. Применяются грунты, обработанные органическим вяжущим (слой в уплотненном состоянии 3-5 см), рулонные гидроизоляционные материалы, укладываемые в два-три слоя. В настоящее время наиболее доступным из гидроизоляционных материалов является полиэтиленовая пленка, сочетающая высокую водо- и паронепроницаемость с морозоустойчивостью, прочностью и неподверженностью гниению. В последние годы были проведены успешные опыты использования для изоляционных паро- и капилляропрерывающих прослоек рулонных водонепроницаемых нетканых синтетических материалов. Они делают также морозное вспучивание дорожных одежд более равномерным. 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. Раньше для их устройства использовали котельный шлак, торф или керамзит. Все эти материалы должны быть надежно защищены от проникания в них воды, так как насыщение влагой резко снижает эффективность их теплоизолирующего действия.

Развитие технологии полимеров открывает возможность использования для теплоизолирующих прослоек эффективных водонепроницаемых материалов типа пенопластов, которые сочетают высокие теплоизоляционные свойства с водонепроницаемостью. 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 10 см. 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.

Основной задачей при ликвидации пучин или по предупреждению их образования на реконструируемых автомобильных дорогах является применение мероприятий, обеспечивающих отвод воды от земляного полотна, осушение его грунтов, ограничение или пресечение поступления поверхностных и грунтовых вод в рабочий слой. Классификация этих мероприятий приведена в табл. 12.1.

На участках образования пучин прежде всего применяют мероприятия по осушению полосы отвода. Резервы должны иметь правильную форму. Для этого их планируют с приданием уклона в сторону от подошвы насыпи не менее 20 ‰. Если кювет-резерв имеет участки с длительным стоянием поверхностных вод (отсутствие продольного уклона на отдельных участках), необходимо провести его переустройство (восстановление). В случаях когда работы по восстановлению кювет-резервов необходимо провести в период застоя в них воды, ее следует отвести поперечными канавами в пониженные участки в пределах полосы отвода или во временные специально отрытые накопители. После испарения воды в накопителе следует провести его рекультивацию. Во всех случаях поверхность кювет-резервов должна быть укреплена посевом многолетних культурных растений.

В равнинной местности, где отвод воды от насыпей затруднен, а резервы, выполняющие роль испарительных бассейнов, заболачиваются, следует перестроить насыпь, используя в ее верхней части дренирующие грунты, и поднять высотные отметки, обеспечивая предотвращение переувлажнения грунтов стоячими водами.

В случаях когда отвод воды из резервов затруднен, производят ее отжим от границ насыпи. Отжим поверхностных вод при I типе пучин (см. табл. 12.1) осуществляют уполаживанием откосов и устройством берм. Значения «безопасных» расстояний от бровки земляного полотна до уреза воды для насыпи из связных грунтов высотой до 1,5 м даны в табл. 12.2.

При высоком уровне грунтовых вод, сильном увлажнении земляного полотна и, как следствие, при его деформациях и разрушениях при III типе местности по условиям увлажнения необходимо увеличить высотные отметки насыпи, в том числе и исходя из необходимости обеспечения разрыва между границами глубины промерзания и капиллярного поднятия влаги.

На участках местности с необеспеченным поверхностным стоком (I тип пучин) могут устраиваться экраны из водонепроницаемого грунта (рис. 12.23). Их возможно устраивать из тяжелой глины с числом пластичности более 27. При наличии постоянного уровня поверхностных вод минимальное возвышение верха экрана, равное 0,2 м, принимается от данного уровня. Величина заглубления экрана в слабоводопроницаемый грунт принимается по табл. 12.3.

Гидроизоляцию земляного полотна применяют для предотвращения поступления влаги в тело земляного полотна: атмосферных осадков через обочины, неукрепленные или укрепленные водопроницаемым материалом (щебнем необработанным), воды из кюветов при длительном стоянии поверхностных вод, грунтовых вод при промерзании или для прерывания капиллярного поднятия грунтовых вод.

Классификация мероприятий по отводу воды от земляного полотна

Таблица 12.1.

Расстояния от бровки земляного полотна до уреза воды

Таблица 12.2.

Величина заглубления экрана

Таблица 12.3

В качестве гидроизолирующих прослоек могут быть применены термопластики (безосновные резинобитумные рулонные материалы), такие как изол, бризол, борулин, гидроизоляционный материал на основе полиизобутилена и др.; пленки (полимерные безосновные рулонные материалы), к ним относятся полиэтиленовая, поливинилхлоридная и полиамидная пленки, а также пленка армадор-2; основные рулонные материалы, к которым относятся гидроизол, рубероид, стеклорубероид и др. Возможно применение тканых и нетканых синтетических материалов, обработанных битумом до их полной водонепроницаемости путем создания на поверхности синтетического материала сплошной пленки битума.

Рис. 12.23. Устройство экрана из водонепроницаемого грунта

Местоположение гидроизолирующей прослойки выбирают в зависимости от источника поступления влаги (рис. 12.24). Технология работ по устройству гидроизолирующих прослоек зависит от конструкции дорожной одежды и местоположения гидроизолирующей прослойки. Если в процессе реконструкции гидроизолирующая прослойка укладывается только на ширину обочин, грунт снимается с обочин до поверхности песчаного слоя, который выравнивается и уплотняется, затем после устройства гидроизолирующей прослойки отсыпается и уплотняется грунт на присыпной обочине.

Рис. 12.24. Конструкции земляного полотна с гидроизолирующими прослойками (ГП):

А - гидроизоляция обочин; б - гидроизоляция дорог с переходным типом покрытия, I - серповидный профиль, II - полукорытный профиль; в - гидроизоляция нижней части насыпи при длительном стоянии поверхностных вод; г - то же, при близком уровне грунтовых вод

Гидроизолирующая прослойка может укладываться на поверхность старого разрушенного покрытия. В этом случае предварительно должен быть выполнен ямочный ремонт старого покрытия и при необходимости уложен выравнивающий слой. Затем укладываются гидроизолирующая прослойка и слои усиления дорожной одежды.

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, когда уровень грунтовых вод оказывает существенное влияние на влажность грунта рабочего слоя земляного полотна. Обычно это третий тип местности по условиям увлажнения с расположением уровня грунтовых вод не глубже 1-1,5 м от поверхности на участках невысоких насыпей. Траншейный дренаж может быть подкюветным или прикромочным, односторонним и двухсторонним (рис. 12.25). При устройстве траншейного дренажа часто используют геотекстиль и водонепроницаемый рулонный материал.

Рис. 12.25: 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 [4, 78]. Это может быть комбинированный прикромочный дренаж, комбинированный плоскостной дренаж или поперечные дренажи мелкого заложения.

Поперечные дренажи мелкого заложения (рис. 12.26) 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 ‰.

На пучинистых участках с IV типом пучин, где условия рельефа позволяют осуществить сброс воды, устраивают подкюветный траншейный дренаж.

Эффект понижения грунтовых вод определяется видом дренажа (двухсторонний или односторонний, совершенный или несовершенный). Для этого типа пучин и также в условиях возможности сброса воды с целью снижения влажности грунтов насыпи при низкой фильтрации или заиливании дренирующего слоя и с целью понижения уровня грунтовых вод аналогично устраивается и прикромочный траншейный дренаж.

Рис. 12.26. 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. 12.27. Глубину заложения дренажей определяют расчетом, но не менее 0,5 м.

Рис. 12.27. 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. 12.28). 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 1,5-2 м.

При I типе пучин, где источником переувлажнения грунтов являются атмосферные осадки, применяются гидроизолирующие прослойки (рис. 12.29, а), устраиваемые под основанием переустраиваемых дорожных одежд. Конструкция позволяет перехватить воду, проникающую через дорожную одежду и обочины.

Рис. 12.28. 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

На участках местности с необеспеченным поверхностным стоком при высоком уровне стояния подземных вод (I и IV тип пучин) применяется конструкция (рис. 12.29, б), которая также связана с необходимостью полного переустройства дорожной одежды. При устройстве гидроизолирующих прослоек используют полиэтиленовую пленку толщиной 0,2 мм и более, стабилизированную 2 % канальной сажи, изола и обработанный битумом нетканый геосинтетический материал.

Армирующие прослойки (рис. 12.29, в) применяются для повышения несущей способности грунта земляного полотна на пучинистых участках без его удаления, если его влажность составляет менее 0,9 от границы текучести, при частичной замене пучинистого грунта, при уменьшении толщины морозозащитного слоя или конструктивных слоев дорожной одежды.

Армирующую прослойку укладывают на грунт. Ее применение возможно в сочетании с другими мероприятиями, в том числе и с устройством теплоизолирующего слоя. Такая конструкция позволяет ограничить пучение грунта земляного полотна допустимыми нормами или полностью предотвратить его промерзание.

Регулирование теплового режима земляного полотна осуществляют главным образом путем устройства морозозащитных и теплоизолирующих слоев (рис. 12.30).

Морозозащитные слои - это слои дорожной одежды и верхней части земляного полотна из зернистых материалов, таких как щебень, песчаногравийные смеси, шлаки, непучинистые грунты I группы, а также грунты, укрепленные вяжущими и гидрофобизированные.

Теплоизолирующие слои - это слои дорожной одежды из материалов с более эффективными теплозащитными свойствами, чем у грунтов и обычных дорожно-строительных материалов. К таким материалам относятся полимерные материалы (пенопласты), легкие бетоны, в которых содержатся пористые заполнители (керамзит, аглопорит, гранулы полистирола, измельченный пенопласт), металлургические шлаки; золошлаковые смеси, обработанные и необработанные вяжущим; композиции из местных материалов или грунтов, легких заполнителей и вяжущих, приготовленных способом смешения как в установке, так и на полотне дороги; битумоминеральные смеси обычные или с легкими заполнителями. Коэффициент теплопроводности таких материалов не должен превышать 0,6 Вт/мК, коэффициент морозного пучения не более 1 %. Кроме того, образцы из этих материалов должны обладать достаточной прочностью. Теплоизолирующие слои из пенопласта устраивают редко из-за высокой стоимости этого материала.

Рис. 12.29. Конструктивные решения при переустройстве пучинистых участков: