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

Подождите немного. Документ загружается.

Глубина пластической колеи зависит от исходной вязкости битума, состава

асфальтобетона, числа приложений нагрузки и её величины, толщины слоя

асфальтобетона.

Структурное разрушение и остаточные деформации покрытия и слоев

основания. Под действием многократно прилагаемых нагрузок в слоях

дорожной одежды могут сложиться такие условия, когда вертикальные или

горизонтальные напряжения превысят местные предельно допустимые

значения напряжений и начнется разрушение сплошности или структуры

материала слоя с потерей прочности и сдвигоустойчивости. Следствием

этого является ускоренное накопление остаточных деформаций и

формирование колеи, которая появляется после критического для данной

конструкции дорожной одежды числа приложений тяжёлой нагрузки.

Структурные разрушения покрытия происходят примерно одинаково в

течение всего года, а в слоях основания они накапливаются больше всего

весной, когда прочность дорожной одежды наименьшая. Глубина колеи за

счет структурного разрушения зависит от прочности дорожной одежды,

трещиностойкости, сдвигоустойчивости, срока службы покрытия,

загруженности и т.д.

Из общего количества случаев образования колеи структурные разрушения

отмечаются в 25-35 % случаев. В программе HDM-4, где не учитывается роль

земляного полотна, эта доля принята равной 50 %, т.е. это одна из наиболее

важных причин образования колеи.

Остаточные деформации в грунтах земляного полотна являются причиной

образования колеи в 20-30 % случаев. Проблеме накопления остаточных

деформаций в земляном полотне, в том числе и неравномерных остаточных

деформаций посвящено много работ [7, 34, 71, 79, 94]. Установлен общий

вид кривой накопления остаточных деформаций в земляном полотне в

течение года, из которой следует, что наиболее активно оно происходит в

весенний период. На кривой зависимости глубины и формы колеи от

сопротивления грунта вдавливанию и сдвигу можно выделить фазу сжатия и

уплотнения, фазу местных сдвигов и фазу выдавливания или выпучивания

грунта в стороны.

Имеются математические модели расчёта величины равномерных и

неравномерных остаточных деформаций в земляном полотне. Однако они

нуждаются в дальнейшем совершенствовании и, в частности, в учёте

восстановления части накопившихся деформаций, которое может произойти

летом и зимой.

Таков общий характер образования колеи как сочетание всех возможных

факторов.

Основной характеристикой колеи является её глубина. Общая глубина

колеи может быть определена исходя из схемы, приведённой на рис. 5.16:

= h

yк

+ h

, где

(5.5)

yк

- величина углубления на поверхности дорожной одежды за счёт

накопления остаточной деформации в слоях дорожной одежды и в земляном

полотне, мм;

- средняя высота гребней выпора с левой и правой стороны,

образующихся за счёт пластических деформаций в слое асфальтобетона и

земляном полотне, мм.

Рис. 5.16. Основные параметры колеи:

1 - линия поверхности покрытия после строительства; 2 - то же, после образования колеи;

3 - измерительная рейка

Величина углубления в общем случае составляет

yк

= h

+ h

аб

+ h

, где

(5.6)

- величина колеи за счёт доуплотнения дорожной одежды и грунта

земляного полотна, мм;

- глубина колеи за счёт износа (истирания), мм;

аб

- величина колеи за счёт пластических деформаций в слоях

асфальтобетона, мм;

- глубина колеи за счёт структурных деформаций в слоях основания, мм;

- глубина колеи за счёт накопления остаточных деформаций в земляном

полотне, мм.

На начальном этапе исследований можно пренебречь учётом глубины

колеи, образующейся за счёт износа (истирания), поскольку доля

автомобилей, оснащённых шинами с шипами, в нашей стране невелика.

Также можно опустить учёт глубины колеи за счёт доуплотнения слоев

дорожной одежды для эксплуатируемых дорог, так как это явление, как

правило, прекращается после года эксплуатации дороги.

Тогда общая глубины колеи будет определяться по формуле

= h

аб

+ h

(5.7)

В последние годы проблема борьбы с колеями стала одной из важнейших

на дорогах России. Это объясняется тем, что в составе транспортного потока

происходит увеличение доли тяжёлых многоосных автомобилей, которые

ускоряют процесс образования колей и доли легковых быстроходных

автомобилей, для которых колеи представляют наибольшую опасность.

Глубокая колея затрудняет маневры автомобиля при обгоне, вызывает

поперечное скольжение, боковые колебания и потерю устойчивости при

выезде из колеи, что приводит к снижению скорости движения и повышению

аварийности. Особенно опасны колеи для движения в период дождей и

таяния снега, когда в колеях образуется слой воды, в результате чего

происходит снижение сцепных качеств покрытия, создаются предпосылки

возникновения аквапланирования с потерей управляемости автомобиля. В

период оттепелей и заморозков в колее образуется лёд, во время метелей и

снегопадов откладывается и уплотняется снег, который трудно удалить

снегоочистительными машинами.

Чтобы найти правильное решение по устранению колей в каждом

конкретном случае, необходимо выполнить глубокий анализ причин их

образования. Нет и не может быть одного решения, пригодного во всех

случаях. Это должен быть широкий спектр конструктивных и

технологических решений, позволяющих выбрать наиболее эффективное в

каждом конкретном случае.

В процессе содержания и ремонта дорог устраняют главным образом

колеи, образовавшиеся за счёт истирания покрытия, накопления

пластических деформаций в слоях покрытия. Колея, образовавшаяся за счет

накопления остаточных деформаций в слоях основания и в земляном

полотне, как правило, устраняется при капитальном ремонте или

реконструкции дорог.

ГЛАВА 6. Виды деформаций и разрушений

автомобильных дорог в процессе эксплуатации

6.1. Деформации и разрушения земляного полотна и водоотвода

Деформации земляного полотна связаны с грунтово-гидрологическими

условиями, воздействием климатических факторов, сложившегося водно-

теплового режима земляного полотна и дорожной конструкции в целом,

условиями эксплуатации дороги, а в ряди случаев - и с технологией

строительства и своевременностью проведения мероприятий по содержанию

автомобильной дороги. В конечном счёте они определяют условия

увлажнения грунтов земляного полотна. Наиболее часто используемые для

сооружения земляного полотна связные грунты с увеличением влажности из

твёрдого или полутвердого состояния переходят в пластичное, пластично-

текучее и текучее. Эти переходы сопровождаются уменьшением

прочностных и деформативных характеристик во много раз, что приводит к

потере прочности и устойчивости земляного полотна и образованию

различных видов деформаций (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Основные виды деформаций насыпей:

а - деформации грунта в активной зоне (рабочем слое); б - просадка насыпи на слабом

основании; в, г - расползание (растекание) насыпи; д - деформации откосов; е - сползание

(смешение) насыпи по наклонённому основанию

Деформации в активной зоне (рабочем слое) и на обочинах (рис. 6.1, а)

возникают при доуплотнении грунта, локальной потере им прочности при

переувлажнении, особенно в случае возведения насыпи при строительстве из

неоднородных грунтов или в результате пучинообразования (явление

комплексного воздействия на пучиноопасный грунт влаги и отрицательной

температуры). Деформации, связанные с дополнительным уплотнением

грунта в зоне проезжей части, возникают под воздействием транспортных

нагрузок, веса вышележащих слоев грунта и дорожной одежды в процессе

эксплуатации дороги в виде отдельных просадок покрытия различной

площади с плавными очертаниями краев или осадки по всему поперечнику

на определенном протяжении дороги. Их образование, как правило, не

сопровождается появлением отдельных трещин или сетки трещин в

дорожной одежде, хотя могут быть и исключения при локальных осадках

значительной величины.

Потеря грунтом прочности на отдельных участках дороги или локально в

отдельных местах возникает при переувлажнении грунта активной зоны

поверхностными (грунтовыми) водами. В результате под действием

транспортных нагрузок на покрытии образуются просадки с сеткой трещин,

проломы дорожной одежды с разрушением материала покрытия.

Пучинами называют деформации увеличения объёма грунта в активной

зоне земляного полотна, проявляющиеся зимой во взбугривании и потере

ровности покрытия, а в период оттаивания при проезде автомобилей - в

проломах одежды, вызванных снижением прочности переувлажнённых

грунтов. Классификация условий образования пучин приведена в табл. 6.1.

Таблица 6.1

№ п/

Наименование пучин (по

генетическому характеру

увлажнения грунтов)

Связь с грунтовыми и

поверхностными водами

Характеристика процессов

увлажнения

1 Гидрогеологические Связаны преимущественно с

высоким стоянием грунтовых вод.

Накопление влаги происходит за

счёт капиллярного поднятия

грунтовых вод преимущественно в

осенний и частично в зимний

периоды

Резкое поднятие горизонта

грунтовых вод в начале осенне-

зимнего периода и высокое стояние

его весной. Резкое возрастание

влажности верхнего слоя грунтов

насыпи в начале зимы с

последующим затуханием процесса к

концу зимы

2 Температурные Связаны с перемещением

грунтовых вод к зоне промерзания

под действием значительных

температурных градиентов и

длительными сроками их действия

Циклическое изменение

влажности верхней части грунтов

земляного полотна. Интенсивное

накопление ледяных прослоек у

границы промерзания

3 Поверхностные Связаны с длительным стоянием

поверхностных вод, обильным

выпадением атмосферных осадков и

их проникновением через трещины

покрытия в грунт земляного полотна

в осенне-зимний период, плохой

организацией работ по снегоочистке

дорог

Переувлажнение обочин и

откосов в начале осенне-зимнего

периода. Перемещение влаги от

обочин и откосов в конце зимы к

более холодной проезжей части в

результате перемещения снега с

проезжей части на обочины

4 Смешанные То же, по пп. 1-3 То же. по пп. 1-3

Внешними признаками пучинистых мест в зимний период являются неравномерное

поднятие участков покрытия, взбугривание отдельных мест покрытия или образование

группы взбугривании, развитых по площади проезжей части с различной степенью

интенсивности. Значительная часть из них, как правило, приводит к образованию в

дорожной одежде сетки трещин, концентрирующейся у вершины бугров пучения и

разрушению покрытия на отдельные куски различной площади и формы. Иногда пучины

в большей степени развиваются на обочинах, и их поднятие может оказаться большим,

чем в зоне проезжей части.

В весенний период после схода снега на пучинистых участках могут

появляться влажные пятна, наблюдается иногда выход вместе с водой мелких

частиц дренирующего слоя или грунта земляного полотна, а также

волнообразные колебания дорожной конструкции при наезде транспортных

средств. Эти участки имеют, как правило, значительно пониженную

прочность и интенсивно разрушаются [77].

Деформации неукреплённых или укреплённых несвязными материалами

обочин выражаются в образовании колей, ям, часто приводящих к

разрушению кромок покрытия проезжей части дороги, переувлажнению

грунтов рабочего слоя земляного полотна, разрушению прибровочной части

обочин. На укреплённых связными материалами обочинах (асфальтобетон,

битумогрунт и др.) возникают дефекты, характерные для деформаций

покрытий дорожных одежд проезжей части.

Наиболее частой причиной деформаций земляного полотна на слабом

основании (рис. 6.1, б) является потеря его устойчивости. Наиболее

типичными случаями потери устойчивости является выпор - смещение

отдельных блоков массива основания по определенной поверхности

скольжения без разрушения структуры грунта внутри этих блоков (рис. 6.2,

а). Выпору способствуют недостаточная прочность дернового слоя болота,

устройство канав и других выработок у подошвы насыпи. Выдавливание

грунта основания насыпи (рис. 6.2, б) связано с пластическим его течением,

которое сопровождается разрушением структурной связности

перемещаемого грунта. Пластическое выдавливание более свойственно

болотным грунтам с малой водопроницаемостью и низким углом

внутреннего трения. Выдавливанию способствует слоистое строение залежи,

наличие мягких пластических прослоек, а также более высокая

горизонтальная проницаемость. Пластические деформации характерны для

болот II типа. В результате выдавливания поверхность насыпи резко

деформируется, приобретая вогнутый корытный профиль, иногда с

образованием продольных трещин и провалов средней части (Евгеньев И.Е.

Строительство автомобильных дорог через болота. М.: Транспорт, 1968).

Рис. 6.2. Основные формы потери устойчивости насыпи на слабом основании

Оползневой сдвиг (рис. 6.2, в) - это поперечное или продольное смешение

всего объема насыпи и части основания по поверхности скольжения,

определенный геологическими разностями в строении основания. Причиной

оползневого сдвига насыпи почти всегда является недостаточный учет

уклона кровли - плотных пластов, подстилающих болотную залежь. Сдвигу

способствует малая проницаемость нижних пластов, так как в таком случае

и, соответственно, сопротивление сдвигу в контактной зоне оказывается

близким к нулю.

Расползание насыпи (рис. 6.1, в; 6.1, г) происходит в результате

использования при строительстве без специальных мероприятий

переувлажнённых грунтов, несоблюдения требований по уплотнению

грунтов, а также недоучёте их повышенного капиллярного увлажнения.

Деформации откосов насыпей (рис. 6.1, д), а также выемок могут быть

связаны с потерей их общей и местной устойчивости.

Нарушение общей устойчивости откосов характеризуется смещением

значительных масс грунта, частичным или полным разрушением земляного

сооружения (насыпи, откосной части выемки) в результате изменения

напряжённого состояния в грунтовом массиве, т.е. достижения сдвигающими

напряжениями предельных значений. Основные формы нарушения общей

устойчивости откосов и условия их возникновения приведены в табл. 6.2

[96]. На рис. 6.3 в качестве примера приведены схемы возможных форм

потери общей устойчивости в виде обрушения со срезом.

Таблица 6.2

Формы нарушения

общей устойчивости

откосов

Характер деформации

Условия возникновения

Обрушение со

срезом и вращением

Перемещение значительной части

откоса в результате среза по критической

поверхности, обычно близкой по форме к

круглоцилиндрической с некоторым

поворотом вокруг горизонтальной оси.

Часто захватывает обочину. Может быть с

выдавливанием основания у подошвы

насыпи

При глинистых грунтах с достаточно

однородным строением при

переувлажнении, неустойчивом основании,

высоких нагрузках

Скол при

просадке

Вертикальное перемещение (опускание)

с боковым движением части откоса

Наличие в толще откоса (основании)

низкопрочных грунтов, способных

выдавливаться под воздействием

вышележащих слоев: песков-плывунов,

гидронестойких пород (каменная соль,

гипс и т.д.), резко просадочных пород и

т.п.

Скольжение Сдвиг части откоса по наклонным

плоскостям напластований, древних

смещений и т.п.

Наличие ясно выраженной поверхности

скольжения со значительным углом

падения

Оползень-сдвиг Почти горизонтальное перемещение

части откосов

Наличие слоистого строения толщи с

увлажненными мягкими пластичными

глинистыми прослойками, залегающими

горизонтально или с малым падением

Рис. 6.3. Формы потери общей устойчивости откосов в виде обрушения со срезом:

а - по круглоцилиндрической поверхности скольжения; б - по деформированной

круглоцилиндрической поверхности скольжения; в - по границе слоев при подтоплении

Нарушение местной устойчивости откосов характеризуются смешением

отдельных участков поверхности откосов [55]. Это - деформации локального

характера, хотя иногда они могут охватывать и достаточно большие

площади. Основные их формы приведены в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Формы нарушения местной устойчивости откосов Причины Условия образования

Деформации локального скольжения и

пластического течения. Выражаются в оползании и

сплывах поверхности откосов различной площади,

оплывинах на отдельных участках

Физико-

химическое

выветривание и

избыточное

увлажнение

Откосы, сложенные

глинистыми грунтами, не

устойчивыми к физико-

химическому выветриванию

Эрозионные деформации. Выражаются в

образовании промоин на поверхности грунта, канав

и отдельных ям. Могут достигать больших

размеров, захватывая обочины и проезжую часть

дороги

Дождевые осадки и

поверхностные воды

Неукрепленные откосы,

сложенные малосвязными и

водонеустойчивыми грунтами

Механическая суффозия и вынос грунта.

Заключается в выносе грунта из-под обочин и

проезжей части просачивающейся водой,

проникающей в земляное полотно через покрытия и

обочины, вынос грунта грунтовыми водами из

откосов выемок

Грунтовые воды Откосы, сложенные

супесчаными и песчаными

грунтами, в случае выхода

водоносных горизонтов

При этом сплывами называют, по сути, локальные оползни. Они выражаются глубокими

деформациями откосов, охватывающими значительные массивы на глубину до 2-3 м и

более. Такие сплывы откосов характерны для высоких насыпей и глубоких выемок.

Оплывинами называют поверхностные сплывы с захватом грунта

мощностью до 1 м с сохранением общей устойчивости откосов.

Эрозионные деформации выражаются в плоскостном смыве материала

(грунта) откоса стекающими водами. Они возникают в местах

сосредоточенного поступления поверхностных вод. Подтопляемые откосы

имеют, как правило, укрепления. Их деформация (разрушение) определяется

конструкцией укрепления и интенсивностью воздействия (помимо общих)

агрессивных факторов, специфичных для подтопляемых откосов. К их числу

прежде всего относятся: высота, частота и длительность подтопления,

волновые нагрузки, скорость течения воды вдоль насыпи, ледоход, припай

льда и др. Вместе с этим вне зависимости от вида укрепления могут иметь

место размывы оснований (подошвы откосов) насыпей течением водного

потока при критических значениях его скорости и объёма перемещаемой

воды.

Деформации водоотводных сооружений приводят к снижению их стоковой

способности (застой воды, переполнение канав, лотков водой при ливневых

осадках и снеготаянии). Значительное влияние на эффективность отвода

воды оказывает также зарастание канав растительностью, характерной для

влажных мест (осока, камыш и т.д.), кустарником.

Деформации неукреплённых или укреплённых травосеянием

водоотводных сооружений выражаются в нарушении их поперечного и

продольного профиля (сплывы откосов, размыв канав, изломы продольного

профиля, пучинообразное изменение профиля и т.д.).

Для укреплённых асфальтобетоном водоотводных сооружений характерны

деформации в виде образования в слоях укрепления трещин, отдельных

выбоин или системы трещин и выбоин, в том числе со смещением слоев

укрепления, изменение профиля в результате образования пучин или

просадочных явлений.

Для слоев укрепления в виде монолитного цементобетона характерны

деформации в виде отдельных трещин или системы трещин, сплошного или

на отдельных участках шелушения бетона, отдельные сколы и обломы,

разрушения швов и материала их заполнения, изменения профиля в

результате образования пучин. Для укрепления сборными

цементобетонными элементами - дополнительно перекос плит при их

просадке или пучении [84].

Возникающие в процессе эксплуатации неисправности дренажей могут

быть разделены на три вида:

механические повреждения трубопроводов, смотровых колодцев,

выпусков;

нарушение конструктивной целостности дренажа;

закупорка трубопровода.

Виды неисправностей дренажей и причины их образования приведены в

табл. 6.4 (Лагойский А.И. Горизонтальные траншейные дренажи на железных

дорогах. М.: Транспорт, 1974).

Таблица 6.4

Виды

неисправности

Ошибки при

проектировании и

строительстве

Неудовлетворительное

содержание дренажей

Природные причины

Механические

повреждения

Недостаточная удаленность

дренажа от места приложения

внешних силовых воздействий

Небрежное производство

земляных работ поблизости от

дренажей

Агрессивность воды

Применение поврежденных

элементов

Проведение взрывных

работ поблизости от дренажей

Стихийные бедствия