А - ширина возводимого земляного полотна; В - ширина дорожного полотна; b - ширина проезжей части

При наличии неблагоприятных условий земляное полотно возводят по индивидуальным проектам. К таким условиям относят: насыпи высотой более 12 м; выемки глубиной более 12 м; наличие слабых грунтов в основании насыпей или болота глубиной более 4 м; расположение дороги на оползневых склонах, при использовании избыточно засоленных грунтов, в случаях если дорога может быть подвержена воздействию селевых потоков, камнепадов, снежных лавин и других явлений.

С целью увеличения устойчивости земляного полотна, сокращения объемов работ и уменьшения занимаемой территории применяют конструкции с армированным земляным полотном. К тому же армирование повышает модуль упругости грунта в 1,5 - 2 раза. Для армирования применяют геосинтетические и металлические сетки и решетки, а также нетканые синтетические материалы.

Для повышения прочности земляного полотна из слабых грунтов применяют различные методы укрепления. Это достигается посредством перемешивания грунта с малоактивными вяжущими материалами (зола, молотый шлак, бокситовый шлам и др.), добавками другого грунта и получения оптимальной смеси по зерновому составу. Возможно укрепление цементом или известью повышающих водостойкость и прочность грунта в несколько раз.

Конструкция земляного полотна подвергается динамическому действию транспортных средств и статическому воздействию расположенных выше масс грунта и дорожной одежды. Кроме нагрузок на грунты воздействуют еще погодно-климатические факторы, которые вызывают процессы попеременного увлажнения-высыхания и замерзания-оттаивания. Во время этих процессов изменяются физико-механические свойства грунтов и, в частности, прочность, модуль упругости, сцепление, сдвигоустойчивость. Особенность конструкций земляного полотна состоит в том, что напряжения в грунтах, возникающие от действия транспортных средств, с глубиной быстро затухают, в то время как от расположенных выше масс грунта возрастают (рис. 2.3). Значительные напряжения от проезжающих автомобилей возникают в верхней части насыпей, в так называемой динамически активной зоне, глубиной 0,6-1,0 м от поверхности покрытия.

Рис. 2.2. Конструкции земляного полотна в поперечном профиле на участках выемок:

А - глубиной до 5 м на снегозаносимых участках; б - глубиной до 12 м с безоткосными полками

Рис. 2.3. Изменение удельной нагрузки по глубине

На верхнюю часть земляного полотна в большей степени воздействуют погодно-климатические факторы, вызывая существенные изменения свойств грунта. В земляное полотно проникает часть влаги при выпадении атмосферных осадков и стоке поверхностных вод, а также в результате капиллярного поднятия влаги при наличии грунтовых вод. Интенсивность изменения количества влаги в грунте земляного полотна зависит от вида грунта, количества атмосферных осадков, продолжительности увлажнения поверхностными или грунтовыми водами и от температурного режима. При замерзании происходит накопление влаги и увеличение объема грунта (пучинообразование). При оттаивании замерзшего грунта происходит его разуплотнение и большая потеря прочности и сопротивляемости внешним нагрузкам (до 30-60 % при супесчаных и суглинистых грунтах и 70-80 % при пылеватых разновидностях). Снижение прочности и возникающие при оттаивании просадочные деформации зависят от скорости оттаивания. Чем быстрее происходит оттаивание, тем больше падает прочность грунтов.

В результате замерзания и оттаивания грунтов, из-за неравномерного накопления влаги может происходить неравномерное поднятие дорожной одежды. Воздействие природных факторов на земляное полотно в разных климатических районах существенно отличается. В северных районах, где близко к поверхности расположены вечномерзлые грунты и промерзание происходит наиболее быстро (10-16 см/сут), миграция влаги в период замерзания незначительна. Это вызывает небольшое морозное пучение грунта. В южных районах, где грунтовые воды залегают глубоко, увлажнение грунта может происходить главным образом за счет атмосферных осадков или поступления влаги из оросительных систем. Благодаря короткому зимнему периоду и небольшим температурам в этих районах, как правило, не происходит морозное пучение и разуплотнение грунта, не наблюдается переувлажнение и потеря прочности грунтов. Однако в отдельных случаях при неблагоприятном сочетании атмосферных явлений пучение возможно. Наиболее неблагоприятными для земляного полотна являются средние климатические условия, зоны избыточного увлажнения, для которых характерны сравнительно длительные зимние периоды. Осенний дождливый период с последующим медленным промерзанием создает наиболее благоприятные условия для влагонакопления и морозного пучения грунтов.

Прочность и устойчивость земляного полотна достигается ограничениями максимальной крутизны откосов в зависимости от высоты насыпей и глубины выемок, отводом поверхностных вод, необходимым возвышением бровки над уровнем поверхностных и грунтовых вод, посредством послойного уплотнения насыпных грунтов, укреплением откосов насыпей и выемок для предохранения от оползения, размыва и развеивания ветром.

Геометрическая форма и конструкция земляного полотна должны способствовать безопасному движению и смягчать последствия при аварийных съездах автомобилей с дороги. Параметры поперечного профиля должны обеспечивать минимальную заносимость дороги снегом или песком. При выборе конструкций земляного полотна следует стремиться к тому, чтобы занимать по возможности минимальную территорию, не нарушать естественный ландшафт, способствовать визуальной привлекательности и отвечать экологическим требованиям.

Требования к грунтам земляного полотна

Грунтами называют любые горные породы, слагающие верхние слои земной коры, преимущественно затронутые процессами выветривания, а в самой верхней части - почвообразованием. По совокупности признаков грунты делят на классы, группы, подгруппы, типы, виды и разновидности. В соответствии с принятой классификацией по характеру структурных связей различают два класса грунтов: скальные и нескальные.

Скальные грунты характеризуются высокой прочностью связей между зернами, залегают в виде сплошного или трещиноватого массива, поддаются разработке только после предварительного рыхления. Скальные грунты различают по прочности в водонасыщенном состоянии (табл. 2.1), степени размягчаемости в воде (табл. 2.2) и степени растворимости в воде (табл. 2.3).

Крупнообломочные и песчаные грунты подразделяют на разновидности в зависимости от зернового состава (табл. 2.4). Наибольшее распространение в дорожном строительстве имеют глинистые грунты, их разновидности представлены в табл. 2.5.

Требования к грунтам, допускаемым к их использованию при строительстве земляного полотна автомобильных дорог, определяются их физическими свойствами. К наиболее существенным физическим свойствам относят: максимальную плотность грунта (при стандартном уплотнении), плотность сухого грунта, плотность минеральных частиц грунта, влажность (при естественном залегании и оптимальная), пористость, высота капиллярного поднятия, коэффициент фильтрации, размываемость, липкость.

Таблица 2.1

Таблица 2.2

Примечание. Коэффициент размягчаемости определяют как отношение прочности в водонасыщенном состоянии к прочности в воздушно-сухом.

Таблица 2.3

Таблица 2.4

Таблица 2.5

Примечания: 1. Для супесей легких крупных учитывают массовую долю частиц и зерен размером от 2 до 0,25 мм.

2. К наименованию разновидности глинистого грунта добавляют характеристику «гравелистый» (при окатанных частицах) или «щебенистый» (при неокатанных частицах), если массовая доля зерен в нем крупнее 2 мм от 20 до 50 %

Плотность грунта - отношение массы грунта, т, включая массу воды в его порах к занимаемому этим грунтом объему V, включая поры δ_о = m/V . Зависит от пористости и влажности.

Плотность сухого грунта - отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в порах) ко всему занимаемому грунтом объему, вычисляют по формуле:

 где                                                                          (2.1)

W - фактическая влажность грунта.

Плотность минеральных частиц γ - отношение массы сухого грунта (исключая массу воды в его порах) к занимаемому этим грунтом объему. В среднем γ составляет: для песков - 2,66, для супесей - 2,7, для суглинков - 2,71, для глин - 2,74, для чернозема - 2,4.

Пористость п - отношение в процентах объема пор в грунте V_п ко всему занимаемому грунтом объему V. Коэффициент пористости е - отношение в долях единицы объема пор V_п в грунте к объему твердых частиц V_T:

 где                                                                                       (2.2)

Y - плотность минеральных частиц в грунте;

δ_СГ - плотность сухого грунта.

Влажность абсолютная ω - отношение массы воды к массе абсолютно сухого грунта. Относительная влажность (степень влажности) S или коэффициент водонасыщения - отношение массы воды в грунте к объему пор, выражается в долях единицы

                                                                                         (2.3)

 где                                                                         (2.4)

m_в - масса воды;

m_сг - масса сухого грунта.

По степени влажности крупнообломочные и песчаные грунты относят к маловлажным S = 0-0,5, водонасыщенным S = 0,8-1.

Пластичность - способность грунта изменять форму под воздействием внешних усилий без изменения объема. Пластичность проявляется в определенных интервалах влажности, называемых пределами пластичности. Верхнему пределу пластичности соответствует влажность ω_впп, при превышении которой грунт переходит в текучее состояние (граница текучести). Нижнему пределу пластичности ω_нпп - соответствует влажность, при которой цилиндр диаметром 3 мм, раскатанный из грунта, начинает крошиться, перестает быть пластичным.

Разность ω_впп - ω_нпп = 1 называется числом пластичности и является важным классификационным показателем глинистых (связных) грунтов. К супесям относят глинистые грунты с числом пластичности от 1 до 7, к суглинкам от 7 до 17, к глинам более 17.

Липкость - способность влажного грунта прилипать к поверхности твердых предметов. Липкость определяют по величине усилия, необходимого для отрыва прилипшего предмета от грунта, колеблется для грунтов разных разновидностей 0,05-0,02 МПа.

Коэффициент фильтрации - кажущаяся скорость фильтрации воды при гидравлическом градиенте, равным 1. Гидравлический градиент является безразмерной величиной, характеризующей потерю напора на единицу фильтрационного пути J = (H₁ - H₂)/L. Фактическая скорость движения воды через грунт выше, чем коэффициент фильтрации, так как перемещение воды происходит не через полное сечение грунта, а лишь через его поры между частицами. В табл. 2.6 приведены коэффициенты фильтрации для разных грунтов.

Таблица 2.6

Коэффициент разрыхления - отношение объема разрыхленного грунта к объему грунта в природном состоянии, колеблется от 1,1 до 1,35. Для скальных пород и для мерзлых грунтов может достигать значения 1,8.

При строительстве земляного полотна могут встречаться особые разновидности грунтов, отличающиеся специфическими свойствами. К ним относятся засоленные грунты, биогенные грунты, торфы, мерзлые и вечномерзлые грунты и пучинистые грунты.

Грунты считают засоленными, если суммарное содержание легко- и среднерастворимых солей (степень засоленности) для глинистых грунтов превышает 5 %, для песков - 0,5 %, полускальных и валунных более 2 % при содержании песчаного заполнителя менее 40 % или пылеватого и глинистого заполнителя менее 30 % и 0,5 %, если количество песчаного или другого заполнителя более указанных значений. Степень засоленности определяется содержанием легко- и среднерастворимых солей в процентах от массы абсолютно сухого грунта.

К биологическим (озерным, болотистым) грунтам относят сапропели, разновидности которых устанавливают по относительному содержанию органических веществ. Эти грунты образуются как осадок в воде глинистых грунтов при наличии микробиологических процессов, их различают по относительному содержанию органических веществ. Виды биологических грунтов показаны в табл. 2.7.

Таблица 2.7

Сапропель - пресновидный ил, образовавшийся при саморазложении органических (преимущественно растительных) остатков на дне застойных водоемов и содержащий более 10 % органических веществ; имеет коэффициент пористости, как правило, более 1; содержание частиц более 0,25 мм не превышает 5 %.

Торф - органоминеральный грунт, образовавшийся в результате естественного отмирания и неполного разложения болотных растений в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода и содержащий 50 % и более органических веществ.

Структурные и механические характеристики болотных грунтов приведены в табл. 2.8.

Таблица 2.8

К вечномерзлым относят грунты, находящиеся в мерзлом состоянии в течение многих лет непрерывно. Поверхностный слой грунта, замерзающий зимой и полностью оттаивающий летом, выделяют как слой сезонного промерзания. В зоне вечной мерзлоты оттаивающий летом слой называют деятельным слоем, ниже которого расположен слой вечномерзлого грунта. Тип и вид мерзлых грунтов принимают в соответствии со свойствами грунтов после их оттаивания.

Мерзлые грунты состоят из минеральной части, пор, льда и незамерзшей воды. Поэтому дополнительно к характеристикам талых грунтов для мерзлых грунтов вводят такие показатели, как суммарная влажность и льдистость. Суммарная влажность мерзлого грунта выражается в долях единицы и определяется как отношение всех видов содержащейся в нем воды и льда к массе скелета грунта. Льдистость мерзлого грунта - это отношение содержащегося в нем объема льда к объему мерзлого грунта.

К пучинистым относят пески мелкие и пылеватые, а также глинистые грунты и крупнообломочные с глинистым заполнителем. Степень морозной пучинистости грунтов оценивают в соответствии с табл. 2.9.

Таблица 2.9

Все грунты, применяемые при строительстве земляного полотна, разделяют на четыре категории по трудности разработки. В табл. 2.10 указаны признаки для отнесения грунта к той или иной категории в зависимости от применяемых дорожно-строительных машин.

Таблица 2.10

Для насыпей применяют грунты, состояние которых под действием природных факторов не изменяется или изменяется незначительно, что не влияет на их прочность и устойчивость в земляном полотне. К таким грунтам относят: скальные неразмягченные породы, крупнообломочные, песчаные (кроме мелких и пылеватых), супеси легкие и крупные. Эти грунты применяют для возведения земляного полотна без ограничений. Грунты глинистые, мелкие и пылеватые пески, размягчаемые скальные грунты, некоторые грунты особых разновидностей также пригодны для строительства земляного полотна, но при этом необходимо учитывать некоторые ограничения.

Возможность и целесообразность применения этих грунтов устанавливают в зависимости от местных условий с учетом технико-экономических соображений. Например, глины мергелистые, сланцевые и жирные, грунты меловые тальковые и трепелы пригодны для отсыпки насыпей в благоприятных условиях, то есть в сухих местах, а на участках с неблагоприятными гидрологическими условиями, на поймах рек, в низинах, где уровень грунтовых вод высокий или может быть с длительным подтоплением поверхностными водами, эти грунты могут быть применены только для верхней части насыпи.

Для нижней части насыпей, длительно или постоянно подтопляемых водой, можно применять скальные или крупнообломочные грунты, песок крупный или средней крупности, а также супесь легкую крупную с массовой долей глинистых частиц не более 6 %.

Не применяют для насыпей грунты: глинистые избыточно засоленные; глинистые, влажность которых выше допустимой; торф, ил, мелкий песок и глинистые грунты с примесью ила и органических веществ; верхний почвенный слой, содержащий в большом количестве корни растений; тальковые, пирофилитовые грунты и трепелы для насыпей на переувлажненном основании и на участках, где возможен длительный застой воды; содержащие гипс в количестве, превышающем нормы.

Источниками грунта для отсыпки насыпей являются: выемки, грунтовые карьеры и боковые резервы.

Объем потребного грунта для насыпей определяют по формуле

V_гр = V_н К₁, где                                                                                              (2.5)

V_н - объем сооружаемой насыпи, м³;

К₁ - коэффициент относительного уплотнения.

 где                                                                                                 (2.6)

δ_н - плотность грунта (требуемая) в насыпи, г/см³;

δ_e - плотность грунта в естественном состоянии (в карьере, выемке или резерве), г/см'.

Насыпи, как правило, возводят из однородных грунтов, но при необходимости их можно отсыпать и из разных грунтов, однако располагать эти грунты надо отдельными слоями. Предпочтительно в верхней части насыпи (1,0-1,5 м) применять более прочные грунты, потому что эта часть насыпи обычно подвергается более интенсивному воздействию природных факторов и транспортных средств. При отсыпке нижней части из дренирующих грунтов толщина этого слоя должна быть больше высоты капиллярного поднятия в этом грунте, чтобы предотвратить приток воды в верхнюю часть насыпи.