Справочная энциклопедия дорожника (том II) Ремонт и содержание автомобильных дорог. Под ред. А.П. Васильева

Подождите немного. Документ загружается.

П р и м е ч а н и я : 1. Значения характеристик даны для условий полного заполнения пор водой. 2. В

числителе - угол внутреннего трения в градусах, в знаменателе - сцепление в МПа. 3. При N

> А10

расчетные значения



и С следует принимать по графе «10

».

4.7. Пучины на автомобильных дорогах и причины их образования.

При сезонном промерзании и оттаивании на дорожной одежде при

определенных условиях могут наблюдаться пучины, которые представляют

собой деформации и разрушения в виде бугров и сетки трещин. Они

возникают в результате пучения (пучинообразования), неоднородных по

площади проезжей части взбугриваний дорожной одежды, образующихся

при одновременном сочетании следующих трех факторов:

интенсивного морозного влагонакопления, при котором максимальная

относительная влажность грунта в верхней части земляного полотна W

max



0,75W

;

промерзания грунта под дорожной одеждой на глубину h

> 0,5 м;

наличием мелких пылеватых песков и супесей, пылеватых суглинков и других

пучинистых грунтов.

Размер деформации пучения зависит главным образом от влажности

грунта, глубины промерзания, продолжительности холодного периода,

скорости промерзания грунта, прочности дорожной одежды. Неравномерное

морозное пучение может достигать 80-100 мм, что существенно снижает

скорость движения автомобилей.

Физическая сущность пучинообразования состоит в накоплении,

перераспределении, замерзании и оттаивании воды в порах грунта

вследствие сезонных изменений водно-теплового режима земляного полотна

и дорожной одежды. В дисперсных грунтах, представляющих собой

капиллярно-пористые тела, происходит непрерывный тепломассообмен. С

понижением температуры свободно связанная вода замерзает при 0,

пленочная и рыхлосвязанная - при -3°С, прочно связанная и в капиллярах

вода замерзает при более низкой температуре (-10...-30°С). При промерзании

грунта возникает температурный градиент. Незамерзшая часть жидкой фазы

перемещается из теплых слоев грунта к холодным, то есть снизу вверх.

Процесс миграции воды протекает в зоне изотерм 0...-5°С. При наличии

температурного градиента происходит термодиффузия пара от теплых слоев

грунта к холодным. Водяной пар, охлаждаясь, конденсируется, увеличивая

толщину пленки воды на частицах грунта и на кристаллах льда, и замерзает.

Дальнейшее влагонакопление и льдообразование происходит за счет

термодиффузии водяного пара. В зоне льдообразования вначале возникают

кристаллы, а затем линзы льда.

Льдообразование сопровождается увеличением объема на 9 % и

значительным давлением в земляном полотне, что и вызывает поднятие в том

числе неравномерное дорожной одежды. В этом и заключается процесс

пучинообразования. Весной грунт оттаивает в первую очередь под дорожной

одеждой. В этот момент лед переходит в жидкую фазу, которая под

действием собственного веса мигрирует вниз и задерживается на мерзлом

практически водонепроницаемом грунте. Над мерзлой поверхностью

(донником) грунт переувлажняется. Дорожная одежда теряет прочность и

под действием нагрузок от транспорта разрушается, ее материал

перемешивается с разжиженным грунтом, возникают пучины.

В районах сезонного промерзания грунтов земляного полотна при

неблагоприятных грунтовых и гидрологических условиях наряду с

требуемой прочностью и устойчивостью должна быть обеспечена

достаточная морозоустойчивость дорожных одежд.

С этой целью применяют различные специальные мероприятия:

использование непучинистых или слабопучинистых грунтов (табл. 4.22,

4.23) для сооружения верхней части земляного полотна, находящегося в зоне

промерзания;

осушение рабочего слоя земляного полотна, в том числе дренажа для

увеличения расстояния от низа дорожной одежды до уровня подземных вод;

устройство гидроизолирующих или капилляропрерывающих прослоек для

перехода от 2-й или 3-й схемы увлажнения рабочего слоя земляного полотна

к 1-й схеме;

Таблица 4.22

Классификация грунтов по степени пучинистости при замерзании (СНиП 2.05.02-85, прил.

2 табл. 6)

Группы грунтов по пучинистости Степень пучинистости Относительное морозное пучение

I Непучинистый 1 и менее

II Слабопучинистый Свыше 1 до 4

III Пучинистый Свыше 4 до 7

IV Сильнопучинистый Свыше 7 до 10

V Чрезмернопучинистыи Свыше 10

Таблица 4.23

Группы грунтов по степени пучинистости (СНиП 2.05.02-85, прил. 2 табл. 7)

Грунт Группа

Песок гравелистый, крупный и средней крупности с содержанием частиц мельче 0,05 до 2 % I

Песок гравелистый, крупный и средней крупности с содержанием частиц мельче 0,05 до 15 %,

мелкий с содержанием частиц мельче 0,05 до 15 %, супесь легкая крупная

Супесь легкая: суглинок легкий и тяжелый, глины III

Песок пылеватый; супесь пылеватая; суглинок тяжелый пылеватый IV

Супесь тяжелая пылеватая: суглинок легкий пылеватый V

устройство морозозащитного слоя из непучинистых минеральных материалов, в том числе

укрепленных малыми дозами минеральных или органических вяжущих;

устройство теплоизолирующих слоев, снижающих глубину или полностью

исключающих промерзание грунта под дорожной одеждой;

устройство основания дорожной одежды из монолитных материалов (типа

тощего бетона или других зернистых материалов, обработанных

минеральным или органическим вяжущим).

Конструкцию считают морозоустойчивой, если соблюдено условие

пуч

 l

доп

где[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[

(4.28)

пуч

- расчетное (ожидаемое) пучение грунта земляного полотна;

доп

- допускаемое для данной конструкции пучение грунта (табл. 4.24).

Таблица 4.24

Тип дорожных одежд Вид покрытия Допустимая величина морозного пучения l

доп

, см

Капитальные Асфальтобетонное 4

Облегченные Асфальтобетонное 6

Переходные Переходное 10

П р и м е ч а н и е . В восточных районах II-III дорожно-климатических зон значения l

доп

следует увеличивать

на 20-40 % (большие значения для облегченных и переходных дорожных одежд).

Расчет на морозоустойчивость необходимо выполнять для характерных

участков или групп характерных участков дороги, сходных по грунтово-

гидрологическим условиям, имеющим одну и ту же конструкцию дорожной

одежды и схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна.

При предварительной проверке на морозоустойчивость величину

возможного морозного пучения следует определять по формуле:

пуч

= l

пуч.ср

К

угв

К

пл

К

гр

К

нагр

К

вл

, где

(4.29)

пуч.ср

- величина морозного пучения при осредненных условиях,

определяемая по рис. 4.19 в зависимости от толщины дорожной одежды

(включая дополнительные слои основания), группы грунта по степени

пучинистости (табл. 4.23) и глубины промерзания (Z

);

угв

- коэффициент, учитывающий влияние расчетной глубины залегания

уровня грунтовых или длительно стоящих поверхностных вод (рис. 4.20);

при отсутствии влияния грунтовых или длительно стоящих поверхностных

вод следует принимать: для супеси тяжелой и пылеватой и суглинка К

угв

0,53; для песка и супеси легкой и крупной К

угв

= 0,43;

пл

- коэффициент, зависящий от степени уплотнения грунта рабочего слоя

(табл. 4.25);

гр

- коэффициент, учитывающий влияние гранулометрического состава

грунта основания насыпи или выемки (табл. 4.26);

нагр

- коэффициент, учитывающий влияние нагрузки от собственного веса

вышележащей конструкции на грунт в промерзающем слое и зависящий от

глубины промерзания (рис. 4.21);

вл

- коэффициент, зависящий от расчетной влажности грунта (табл. 4.27).

Рис. 4.19. Графики для определения осредненной величины морозного пучения l

пуч.ср

кривые II-V выбирают в соответствии с табл. 4.23, кривую IIа выбирают при 2-й и 3-й

схеме увлажнения рабочего слоя, кривую IIб - при 1-й схеме увлажнения

Рис. 4.20. Зависимость коэффициента К

угв

от расстояния от низа дорожной одежды до

расчетного УГВ или УПВ:

1 - супесь тяжелая и тяжелая пылеватая, суглинок; 2 - песок, супесь легкая и легкая

крупная

Таблица 4.25

Коэффициент

уплотнения, К

упл

пл

Песок пылеватый, супесь легкая и пылеватая,

суглинки, глины

Пески кроме пылеватых, супесь

легкая крупная

1,03-1,00 0,8 1,0

1,01-0,98 1,0 1,0

0,97-0,95 1,2 1.1

0,94-0,90 1,3 1,2

Менее 0,90 1,5 1,3

Таблица 4.26

Грунт К

гр

Пески 1,0

Супеси 1,1

Суглинки 1,3

Глины 1,5

Рис. 4.21. Зависимость коэффициента К

нагр

от глубины промерзания Z

от поверхности

покрытия:

1 - супесь тяжелая и пылеватая, суглинок; 2 - песок, супесь легкая, крупная

Таблица 4.27

Относительная влажность W/W

0,6 0,7 0,8 0,9

пл

1.0 1.1 1.2 1,3

Если данные натурных наблюдений отсутствуют, глубину промерзания дорожной

конструкции допускается определять по формуле

= Z

np(ср)

1,38, где

(4.30)

np(ср)

- средняя глубина промерзания для данного района, устанавливаемая

при помощи карт изолиний (рис. 4.22).

Рис. 4.22. Карта изолиний глубины промерзания Z

np(ср)

грунтов на территории СНГ:

1 - граница сплошного распространения вечномерзлых грунтов; 2 - то же, островного; 3 -

границы стран СНГ

При глубине промерзания дорожной конструкции Z

до 2 м l

пуч.ср

устанавливают по графикам рис. 4.19. При Z

от 2,0 до 3,0 м l

пуч.ср

вычисляют

по формуле:

пуч.ср

= l

пуч.ср2,0

[а + b( Z

- c)],

где[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[ (4.31)

пуч.ср2,0

- величина морозного пучения при Z

= 2,0 м;

а = 1,0; b = 0,16; с = 2,0 при 2,0 < Z

< 2,5;

а = 1,08; b = 0,08; с = 2,5 при 2,5 < Z

< 3,0.

Если при расчетном сроке службы до 10 лет полученная величина

возможного пучения будет превышать требуемую (см. табл. 4.24), а при

сроке службы более 10 лет будет превышать 80 % от требуемой, необходимо

рассмотреть вариант устройства морозозащитного слоя. В этом случае

предварительно определяют ориентировочно требуемую толщину

морозоустойчивой конструкции дорожной одежды, используя графики рис.

4.19. Для этого, зная допустимую величину морозного пучения l

доп

рассчитывают среднюю величину морозного пучения l

пуч.ср

формуле:

пуч.ср

= l

доп

/ К

угв

К

пл

К

гр

К

нагр

К

вл

(4.32)

Затем по графику рис. 4.19 в соответствии с группой грунта по степени

пучинистости определяют h

од

. Уточненный расчет толщины

морозозащитного слоя (h

) выполняют по термическому сопротивлению

конструкций. Для этого необходимо иметь следующие исходные данные:

географическое местоположение рассматриваемого участка дороги;

конструкцию дорожной одежды (наименование и толщина слоев),

необходимую по условиям прочности и дренирования;

схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна (1,[ или 3) и

расчетную глубину залегания подземных вод от поверхности покрытия;

наименование грунтов земляного полотна;

расчетный срок службы дорожной одежды.

Основные направления и меры борьбы с пучинами состоят в том, чтобы

максимально ускорить оттаивание и просыхание в первую очередь боковых

частей земляного полотна, предохранить покрытие от разрушения, а там, где

этих мер недостаточно, перестроить пучинистые участки с использованием

прослоек из рулонных геосинтетических материалов.

Одной из важных мер, предотвращающих пучины или ослабляющих их

воздействие на дорогу, является прокопка осушительных воронок с помощью

машины с рабочим органом роторного типа, смонтированной на колесном

тракторе. Воронки роют с обеих сторон в шахматном порядке на расстоянии

3-4 м одна от другой. Они имеют ширину 0,2-0,3 м, а глубина равна толщине

дорожной одежды, включая песчаный подстилающий слой. Дну их придается

продольный уклон 40-50 %. Воронки способствуют быстрейшему

оттаиванию земляного полотна и отводу образующейся воды.

Для предохранения покрытия от разрушения на пучинистом участке

устраивают дополнительный слой («подушку») из котельного шлака,

несмерзшегося сухого песка или гравийно-песчаной смеси толщиной 10-15

см. На «подушку» укладывают деревянные щиты или временное колейное

покрытие. На отдельных участках, где дорожная одежда обладает малой

прочностью, движение переносят на объезд или ограничивают скорость

движения и грузоподъемность автомобилей. Борьбу с пучинами прекращают,

когда грунт земляного полотна полностью оттает и просохнет.

ГЛАВА 5. Процесс развития и причины возникновения

деформаций и разрушений автомобильных дорог

5.1. Общие закономерности изменений состояния дорог в процессе

эксплуатации и их основные причины

Под совместным воздействием многократно повторяющихся нагрузок от

автомобилей и природных факторов в земляном полотне и в дорожной

одежде возникают напряжения и деформации, которые, постепенно

накапливаясь, могут привести к их разрушению. При деформациях и

разрушениях земляного полотна неизбежно деформируется и разрушается

дорожная одежда. Под деформацией понимают изменение размеров или

формы тела без уменьшения его массы и без потери сплошности.

Разрушение - это изменение размеров и формы тела с изменением

(уменьшением) массы тела или потерей сплошности. В практической

деятельности все виды деформаций и разрушений часто относят к дефектам

состояния дороги, которые включают в себя также отступления от проектных

решений или нормативных требований по геометрическим параметрам,

инженерному оборудованию и обустройству дорог, организации и

безопасности движения, эксплуатационному состоянию дорог и др.

Причиной возникающих деформаций могут быть проектные ошибки и

строительные недостатки, недостатки в содержании и ремонте, условия

эксплуатации дорог, природно-климатические факторы. Чаше всего

причиной возникновения деформаций является сочетание нескольких из

перечисленных факторов, действующих одновременно. На правильно

спроектированной, построенной и эксплуатируемой дороге в пределах

межремонтных сроков службы дорожных одежд и покрытий не должно быть

разрушений (кроме износа покрытий), но могут быть деформации в

допустимых пределах.

Основные факторы, являющиеся причинами образования и накопления

деформаций и появления разрушений конструктивных элементов

автомобильных дорог в процессе эксплуатации, по отношению к условиям

работы этих элементов можно разделить на внешние, не зависящие от

дороги, и внутренние, непосредственно зависящие от дороги.

Главными из них являются внешние факторы, к которым относится

воздействие автомобильной нагрузки и природно-климатических условий.

Из внешних факторов наибольшее влияние на механизм образования

деформаций и разрушения оказывают:

нагрузки на ось автомобиля и большое давление в автомобильных шинах;

количество повторных приложений тяжелой нагрузки при высокой интенсивности

движения и короткие интервалы между этими приложениями, особенно при проходе

многоосных автомобилей;

продолжительность приложения каждой нагрузки и суммарная

продолжительность, которая зависит от скорости движения автомобилей на

сложных участках дороги (кривые малого радиуса, крутые подъёмы,

пересечения, сужения проезжей части и др.), а также при высокой плотности

транспортных потоков, задержках и заторах;

температура воздуха и солнечная радиация, под воздействием которых

повышается или понижается температура покрытия и изменяются физико-

механические свойства асфальтобетона, битума и битумоминеральных

смесей;

тип грунта земляного полотна и условия его увлажнения грунтовыми и

поверхностными водами, поскольку при повышении влажности грунтов

выше оптимального уровня значительно снижается вязкость и увеличивается

пластичность грунтов, что способствует накоплению остаточных

деформаций в земляном полотне и во всей дорожной одежде.

В летний период особенно заметно влияние внешних факторов на

накопление остаточных деформаций в слоях дорожной одежды из

асфальтобетона и битумоминеральных смесей, которое объясняется

термопластическими и вязкоупругими свойствами этих материалов. При

повышенной температуре асфальтобетона энергия сил взаимодействия Ван-

дер-Ваальса между частицами битума ослабевает, вязкость уменьшается,

модуль упругости снижается, а величина остаточных деформаций

увеличивается. Этот эффект возрастает при плохом составе смеси, когда

введено чрезмерное количество вяжущего, использован битум с

недостаточной вязкостью, занижено содержание заполнителя по отношению

к дозировке вяжущего, а также при недостаточном уплотнении смеси.

К внутренним факторам относятся физико-механические характеристики

дорожной конструкции и материалов её слоев, включая слои дорожной

одежды и грунты активной зоны земляного полотна, а также показатели

напряжённо-деформированного состояния этих слоев и материалов под

действием нагрузки от колес автомобилей и изменения водно-теплового

режима.

К наиболее важным внутренним факторам можно отнести:

недоуплотнение или неравномерное уплотнение в поперечном

направлении слоев нежёстких дорожных одежд и земляного полотна;

неравномерный износ (истирание) покрытия под действием колёс

автомобилей;

образование пластических деформаций в асфальтобетонных покрытиях и

слоях из битумоминеральных смесей, особенно в периоды нагревания этих

покрытий до высокой температуры, при которой значительно снижается

вязкость битума, прочность на сдвиг и деформативные характеристики

асфальтобетона и может произойти боковое выпирание материала слоя. В

холодный период, наоборот, вязкость битума возрастает, увеличивается

прочность и жесткость асфальтобетона, происходит образование

температурных трещин;

появление структурных разрушений и накопление остаточных деформаций

в покрытии и других слоях дорожной одежды, когда вертикальные или

горизонтальные напряжения, возникающие от воздействия колёс тяжёлых

автомобилей, превысят допустимые значения и начнётся нарушение

сплошности или структуры материала одного или нескольких слоев;

накопление остаточных деформаций в грунте земляного полотна под

действием нагрузки от тяжелых грузовых автомобилей, особенно в период

наибольшего увлажнения грунта, когда их несущая способность снижается

до минимальных значений.

Накопление деформаций в конструктивных элементах дороги в процессе

эксплуатации происходит неравномерно. Можно условно выделить

несколько характерных периодов изменения транспортно-эксплуатационного

состояния дороги во времени (рис. 5.1.).

Рис. 5.1. Характерные периоды изменения состояния дороги:

1 - очень хорошее; 2 - хорошее; 3 - удовлетворительное; 4 - плохое, недопустимое; t

, t

- продолжительность различных периодов, лет

Первый период после завершения строительства и ввода автомобильной

дороги в эксплуатацию характерен очень высоким уровнем состояния

дороги. В этот период происходит медленный, малозаметный износ

покрытия. В результате действия движущихся автомобилей происходит

доуплотнение слоев дорожной одежды и земляного полотна и формирование

их устойчивой структуры. Отдельные деформации возникают главным

образом вследствие дефектов строительства, ремонта или содержания. Для

их устранения достаточно выполнять систематические работы по

содержанию дороги. Задержка по срокам или неполное выполнение этих

работ приводит к существенному сокращению продолжительности первого

периода и наступления второго.