Проектування земляного полотна автомобільних шляхів.

1. Вимоги до ґрунту та до його укладки в земляне полотно.

Земляне полотно, як правило, споруджують із ґрунтів, які задовольняють вимогам за міцністю і стійкістю. Будівельні властивості ґрунтів визначаються гранулометричним та хімічним складом, пористістю, пластичністю фільтраційної здатністю, вологістю тощо. Перевага яких-небудь із перелічених показників визначає придатність ґрунту для зведення земляного полотна автомобільних доріг. Наприклад, чим більше в ґрунті піщаних часток і чим вони крупніше, тим менше вони змінюють свої властивості під дією вологи та морозу. Глинисті і особливо пилуваті ґрунти з високою пористістю достатньо інтенсивно реагують на перезволоження та замерзання аж до втрати своїх будівельних властивостей. Тому не всякий грунт може бути придатним для земляного полотна. Тому правильний вибір ґрунту поряд з урахуванням кліматичних умов, місця прокладки траси в значній мірі визначають якість автомобільної дороги та можливість її безперебійної експлуатації.

Багаторічною практикою проектування і будівництва автомобільних доріг установлені обмеження на використання ряду ґрунтів, які не можуть зберігати свої основні фізико-механічні показники в умовах експлуатації земляного полотна. Так, для земляного полотна не можна використовувати ґрунти, які мають підвищену осадку та високий коефіцієнт водонасичення: це мулисті ґрунти, мул, мілкий (дрібний) пісок з домішками мулу чи торфу, жирні глини з домішками мулу. Не можна використовувати ґрунти до складу яких входить дерн і інші елементи рослинного покриття: не дренуючі ґрунти з швидкорозчинними солями; торфи і ґрунти з домішками торфу; ґрунти, що включають в себе опоки, мергель, гіпс, слюдяні глини, які при дії вологи втрачають міцність і розмиваються.

Для заболоченої (болотистої) місцевості при улаштуванні земляного полотна допускаються лише водостійкі гравелисті (гравійні), піщані та супіщані ґрунти і для засолених ділянок привізні незасолені ґрунти. Засолені ґрунти дозволяється використовувати лише в тому випадку, коли сумарний відсотковий вміст солей в ґрунті(% від маси) не перевищує 5-8 % (для різних солей різний %).

Оцінку типу і властивостей ґрунту з точки зору придатності для улаштування земляного полотна повинна проводити дорожньо – ґрунтова лабораторія. Однак, при спорудженні земляного полотна із привозного ґрунту виникає необхідність безпосередньо на місці визначати тип ґрунту.

Одним з основних факторів, що визначає якість укладки ґрунту в земляне полотно та його деформативні і міцністні характеристики (модуль пружності, кут внутрішнього тертя, зчеплення) є вологість.

Згідно з дослідженнями для різновидностей ґрунтів характерні постійні граничні значення вологості, при яких досягається їх максимальне ущільнення: для піщаних 8-12 %, супіщаних 9-14, суглинків 12-20, пилуватих 16-22 і глинистих ґрунтів 20-25. Таким чином, вологість збільшується по мірі зменшення вмісту в ґрунті піщаних часток. Реальні ґрунти мають достатньо різну вологість, що не співпадає з її оптимальним значенням. Враховуючи це, складені спеціальні таблиці, які для різних ґрунтів при коефіцієнті ущільнення 0, 95-0, 98 дають максимально допустимі відхилення вологості, при яких ще можна досягти задану щільність укладки ґрунту.

Правильний вибір ґрунту та його оптимальної вологості – перша необхідна умова, що визначає якість земляного полотна. Другою умовою є правильна укладка ґрунтів, особливо різнорідних. При недотриманні такої вимоги, як правило, створюється підвищена вологонакопичення з наступним промерзанням земляного полотна, що викликає підвищене і нерівномірне осідання, місцеві просадки, випучуваня і руйнування ділянок дороги.

Ґрунти необхідно відсипати горизонтальними шарами зразу на всю ширину земляного полотна з обов’язковим ущільненням кожного шару, дотримуючи певний порядок розташування шарів (див. рис.: а – вірно, б – не вірно; 1 – дренуючий ґрунт, 2 – не дренуючий ґрунт).

При уширені земляного полотна, ґрунт, що використовується, повинен бути аналогічним раніше використаному, або мати кращі дренуючі властивості. Уширення земляного полотна супроводжується влаштуванням уступів на укосі старого насипу (для покращення умов сумісної роботи). Ґрунт при цьому досипають також горизонтальними шарами з обов’язковим ущільненням.

2. Водно-тепловий режим земляного полотна і сезонні зміни міцності ґрунтової основи.

Проектування ґрунтової основи дорожнього одягу вимагає правильної інженерної оцінки кліматичних, ґрунтових і гідрологічних умов, які визначають розрахунковий стан ґрунту (вологість, щільність) та його міцністні властивості (модуль пружності, коефіцієнт зчеплення, кут внутрішнього тертя).

Стан дорожнього одягу та термін його служби залежить від особливостей водно- теплового режиму, тобто щільності, вологості, температури ґрунту. Для правильної оцінки водно-теплового режиму земляного полотна необхідно знати джерела і закономірності річної зміни вологості ґрунтів несучого шару.

Основним джерелом зволоження є атмосферні опади 1, поверхневі води 2, які за­стосовуються біля земляного полотна або в бокових канавах, ґрунтова (капілярна) 3 і па­роподібна 4 вода. Під дією молекулярних сил по найто­нших ґрунтових капілярах вода розповсюджується від РГВ до основи і до нижніх шарів дорожнього одягу. Ви­сота підняття капілярної води в значній мірі обумовлена крупністю часток і ступенем ущільненості ґрунту. В зимо­вий час капілярна вода є го­ловним і найбільш небезпеч­ним джерелом льодонакопичення в ґрунтових основах районів вспучування (пучіння) ґру­нтів.

Водяний пар переміщується внаслідок температурних градієнтів від більш теплих місць до більш холодних. При охолодженні покриттів в нічний час або осінню пар конденсується на нижній поверхні дорожнього одягу і зволожує ґрунтову основу.

Окремі види ґрунтової води не залишаються на протязі року в стані статичної рівноваги, і воднотепловий режим верхньої частини земляного полотна змінюється, проходячи послідовно п’ять стадій.

Перша стадій (початкова) – осіннє вологонакопичування, яке пов’язане з проникненням води через узбіччя та тріщини покриття в верхню частину земляного полотна і підстилаючий шар. Вологість ґрунту зростає. При водонепроникних покриттях цей період виражений слабо і продовжується до установлення середньодобової температури рівної – 5^оС.

Друга стадія – зімне вологонакопичування. Промерзання верхньої частини ґрунту виключає доступ поверхневої води. На даній стадії відбувається перерозподіл накопиченої з осені волого та додаткове насичення за рахунок її доступу знизу і з боків під дією сил кристалізації та під дією температурних градієнтів. Якщо швидкість промерзання V _п=2, 5см/добу, спостерігається інтенсивне підсмоктування води з нижніх ґрунтових шарів з наступним льодоутворенням, яке викликає морозне вспучування покриття. При більш високих швидкостях (V _п> 4 см/добу) цього не відбувається.

Третя стадія – деяке вимерзання вологи (випаровування льоду) із підстилаю чого шару при відсутності достатньо потужних джерел зволоження знизу і з боків. Вологість ґрунту верхньої частини земляного полотна при подальшому промерзанні залишається практично постійною. До кінця періоду висота морозного вспучування досягає максимуму.

Слід відмітити, що ця стадія може бути відсутньою в районах з м’якими зимами та високою вологістю повітря, а також в областях з товстим сніговим шаром.

Четверта стадія – насичення. Весною, в період відтавання ґрунту, різко підвищується вологість його верхньої частини дякуючи проникненню поверхневих вод і конденсації водяних парів біля поверхні границі промерзання.

На процес зміни вологості земляного полотна великий вплив здійснює швидкість відтавання. Чим більш затяжна весна, тим швидше випаровується волога і тим менша вірогідність зниження модуля пружності ґрунту і руйнування дорожнього одягу.

П’ята стадія – відновлення літнього водно – теплового режиму. При повному відтаюванні земляного полотна відбувається зниження його вологості, підвищення щільності ґрунту і зниження рівня РГВ.

Указані закономірності характерні для верхньої частини земляного полотна товщиною 0, 8…1, 1 м. Вологість більш глибоких шарів залишається на протязі року майже постійною.

Зміна вологості ґрунту впливає в першу чергу на його міцність, несучу та деформа­тивну здатність. Характеристикою водно – теплового режиму полотна може слугувати ін­тервал зміни його відносної вологості на протязі року.

Міцнісні і дефор­мативні показники (мо­дуль пружності, коефіці­єнт зчеплення, кут внут­рішнього тертя) зв'яза­них ґрунтів суттєво за­лежать від їх типу, сту­пеню щільності та воло­гості, в не­звичних – тільки від грануломет­ричного стану. Дослі­дження показали, що во­логість зв’язаного ґрунту на глибині 0, 5…1 м не повинно перебільшувати верхню гра­ницю (межу) твердо пластичного стану (≈ 0, 7W_м).

3. Влаштування земляного полотна.

Влаштування земляного полотна автомобільних доріг складається з двох етапів:

– підготовчі роботи;

– безпосередньо зведення земляного полотна.

Перший етап – підготовчі роботи полягають в очистці дорожньої смуги від рослинності, каменів, валунів, що заважають виконанню робіт, а також в проведенні заходів по відведенню атмосферної води, осушенні заболочених ділянок або пониженні рівня ґрунтових вод.

Очистка (очищення) дорожньої смуги розпочинають з видалення чагарників, мілкого лісу та дерев, якщо вони знаходяться на трасі майбутньої дороги.

Валити дерева можна з корінням або спилювати. Валку лісу, очищення стволів від суків та вивіз залишків краще всього виконувати зимою. Це покращує умови транспортування дерев і підвищує безпеку робіт.

При валці з корінням в ґрунті утворюються ями, які необхідно засипати однорідним (але не рослинним) ґрунтом з обов’язковим ущільненням, трамбуванням. Другий спосіб пов’язаний з видаленням пеньків, що залишилися після спилювання, якщо висота насипу менше двох метрів і висота пеньків понад 10 см.

До підготовчих робіт (якщо висота насипу менше 0, 6 метрів) також відносяться зняття дернового покриття і рослинності землі. Їх видаляють в місцях основи земляного полотна і резервів на всю ширину.

При необхідності одночасно із зняттям дернового покриття і рослинного ґрунту виконують роботи по відведенню поверхневих вод від розроблюваних виїмок і резервів. З цією метою влаштовують водовідвідні канави. Якщо ділянки прокладання траси заболочені або мають місце високий рівень ґрунтових вод, його осушують шляхом влаштування канав, траншей і інших дренажних пристроїв.

Після розчистки дорожньої смуги на всіх її пікетах і флюсах виконують розбивку. Основне завдання розбивки – закріпити на місцевості всі характерні точки майбутнього полотна. До цих точок відносяться: вісь і бровка насипу або виїмки, точки переходу насипу в виїмку, обидві кромки дна резерву, бокових канав тощо.

Розбивку насипів проводять з урахуванням запасу на осідання ґрунту, величини уширення земляного полотна, зниження робочих відміток за рахунок наступного улаштування корита. Всі елементи розбивки виконуються за допомогою геодезичних інструментів.

В поперечному профілі розбивкою відмічаються всі точки перелому окреслення земляного полотна і резерву. При розбивці дороги в плані особливу увагу слід звертати на розбивку кривих.

Зведення земляного поло­тна може виконуватись повздов­жнім (переміщення ґрунту вздовж осі траси) або поперечним (пере­міщення ґрунту з резервів на зем­ляне полотно) способом. Повздо­вжній спосіб в цілому більш раціональний, тому що він дозволяє виконувати пошарове ущільнення ґрунту. При цьому способі можна використовувати і різнорідні ґрунти: в ни­жню частину насипу – глинисті водонепроникні, а в верхню – суглинки і далі піщані ґру­нти.

Вибір того чи іншого способу укладки визначається можливостями засобів профілювання і ущільнення, що є в арсеналі будівельників.

Особливим випадком зведення земляного полотна є перетин трасою заболочених ділянок місцевості. В такому випадку до дорожньої конструкції пред’являються такі три вимоги:

– основа земляного полотна повинна бути стійкою;

– осідання основи в експлуатаційний період не повинні викликати недопустимого пошкодження повздовжнього і поперечного профілю;

– пружні прогини – коливання конструкції обмежуються умовами тривалої міцності дорожнього одягу.

Процес улаштування земляного полотна має особливості, що залежать від типу боліт і властивостей ґрунтів, що входять до їх складу. Тут спосіб виконання робіт вибирають в залежності від глибини і довжини болота, його несучої здатності. Існує 3 схеми зведення земляного полотна на дорогах: повне виторфування, часткове виторфування, посадка на мінеральне дно:

1 – насип; 2 – щільний торф; 3 – мінеральне дно; 4 – рідкий торф.

При способі посадки на мінеральне дно відсипка насипу ведеться пошарово горизонтальними шарами на всю ширину земляного полотна. Для частин насипу, що знаходяться в воді, бажано використання нерозмокаючих ґрунтів (піски, гравій, супіски). Наступні шари земляного полотна відсипають по мірі занурення насипу в болото.

Влаштування доріг на болотах необхідно суміщати з осушувальними роботами, але краще роботи виконувати в зимовий час.

Однією з умов якісної укладки ґрунту в земляне полотно є правильне їх ущільнення. Ущільнення земляного полотна, як правило, виконується від його краю до середини з перекриттям ущільнуваної смуги не менше ніж на 25 см.

Особливо велике значення має забезпечення надійного водовідведення при будівництві доріг місцевого значення, коли земляне полотно повинно мати покращені характеристики. Заходи по відведенню води від полотна дороги включають влаштування бокових водовідвідних канав, дренуючих шарів і інших дренажних пристроїв.

При влаштуванні бокових водовідвідних канав необхідно слідкувати за тим, щоб вони мали поперечний профіль та повздовжній ухил, які забезпечували б як найшвидше відведення води від земляного полотна.

Забезпечення стійкості і не розмивання бокових канав може бути досягнуто закріпленням їх відкосів (ухилів) та дна в’яжучими або мощенням. Для закріплення відкосів бокових канав не рекомендується використання трав’янистого засіву, тому що трава знижує швидкість протікання води, а це призводить до замулювання канав і застою води. Застосування органічних і неорганічних в’яжучих, а також відходів різних виробництв в суміші з ґрунтом є найбільш економічним і технологічним засобом.

Одним із способів підвищення стійкості відкосів є їх закріплення. Воно забезпечує довго тривалість і міцність, сприяє збереженню заданих профілів земляного полотна. В сухих місцях закріплення захищає ґрунти земляного полотна від висихання, зменшує кількість пилу.

Для закріплення відкосів місцевих доріг можуть бути використані: засів травою з високорозвиненою кореневою системою, одеркування (суцільне або в клітину), обробка в’яжучими. Вибір способу закріплення залежить в першу чергу від інтенсивності впливу природних факторів, виду і щільності ґрунту, висоти і кута відкосу.

[2] с. 11-12; [14] с. 128-159; [17] с. 42-77

Лекція № 10