768
.pdfобразованию напорных и подпорных вод перед насыпью. Этот фактор необходимо учитывать при проектировании, предусматривая возведение водопропускных сооружений или устройство подводной части насыпи из хорошо дренирующих грунтов [6].
Воздействие высоких насыпей может привести к уплотнению слабых грунтов водоносных слоев в основании земляного полотна, вследствие чего происходят подпор и выход грунтовых вод на поверхность с нагорной стороны, приводящие к заболачиванию и подтоплению насыпи. Происходит фильтрация воды в тело насыпи, что приводит к снижению механических характеристик грунтов. При наличии хорошо дренирующих слоев и больших скоростей фильтрационного потока возможен суффозионный вынос грунта с низовой стороны. Динамическое равновесие комплекса «автомобильная дорога – грунтовый массив» нарушается, возникают или активизируются деформации.
Особенно сильно дорожное строительство изменяет сложившееся экологическое равновесие в условиях вечной мерзлоты.
Нарушение или удаление мохорастительного покрова в полосе отвода и изменение гидрогеологического режима грунтов деятельного слоя и условий естественного стока поверхностных вод приводят к застоям воды у подошвы насыпи, что активизирует термоэрозионные процессы с опасностью возникновения термокарста.
Уплотнение грунтов основания при отсыпке насыпей со значительным уменьшением их коэффициента фильтрации, увеличение глубины промерзания грунта в местах закладки канав, кюветов, резервов, вскрывающих водоносные слои, способствуют перемерзанию последних и выходу воды на поверхность с образованием наледей.
Нарушения условий теплообмена после отсыпки насыпи на марях приводит к деградации мерзлоты в основании и деформациям земляного полотна.
Нарушение температурного режима многолетнемерзлых грунтов на склонах приводит к активизации процессов солифлюкции и оплыванию откосов.
Большой проблемой остается загрязнение грунтов в придорожной полосе с изменением их состояния, физико-механических свойств, химического и минералогического состава. Основными
11
источниками загрязнения являются выбросы автомобилей, сброс загрязненных сточных вод предприятий автотранспорта, соли и солевые растворы, используемые для борьбы с гололедом, утечки ГСМ из изношенного автотранспорта, загрязнения придорожной полосы при авариях. Характер изменения физико-механических характеристик в результате этих процессов до конца не выяснен, однако с уверенностью можно констатировать, что свойства грунтов ухудшаются.
Практика показывает, что полностью исключить нарушение экологического равновесия природного комплекса при строительстве автомобильных дорог не представляется возможным. Речь можно вести только о минимизации этого процесса и снижении ущерба.
1.2. Внешние воздействия, влияющие на состояние земляного полотна
Надежность тех или иных элементов дорожной конструкции зависит от условий, в которых они действуют. Земляное полотно автомобильной дороги вместе с грунтовым основанием, на котором оно возводится, подвержено непрерывному воздействию нагрузки от проходящего транспорта и целого комплекса природных факторов.
Из всего многообразия факторов, вызывающих деформации земляного полотна, определяющими являются строительные и эксплуатационные, развивающиеся на фоне той или иной при- родно-географической обстановки.
Наибольшее влияние на состояние земляного полотна автомобильных дорог оказывают рельеф и ландшафт местности, ин- женерно-геологические, гидрогеологические и погодно-климати- ческие факторы [7].
Рельеф и ландшафт местности определяют расположение трассы в плане, продольный и поперечный профиль автомобильной дороги, конструкцию земляного полотна на каждом конкретном участке, места расположения искусственных сооружений, условия поверхностного стока и водоотвода.
К инженерно-геологическим и гидрогеологическим факторам относят тип и характеристику грунтов земляного полотна и подстилающего его основания, глубину промерзания грунтов, уро-
12
вень, характер залегания и режим грунтовых вод, неблагоприятные инженерно-геологические процессы.
К погодно-климатическим факторам относят атмосферное давление, солнечную радиацию, температуру и влажность воздуха, осадки (дождь, снег), ветер, метель, гололед, туман – как по отдельности, так и их сочетание. Погодно-климатические факторы (нагревание-охлаждение, увлажнение-высыхание, промерза- ние-оттаивание) формируют водно-тепловой режим земляного полотна, под которым понимают закономерные сезонные изменения влажности и температуры в земляном полотне и конструктивных слоях дорожной одежды. Некоторые из этих факторов могут действовать одновременно, например изменение температуры, влажности и т.д.
В реальных условиях дорожная одежда и рабочий слой земляного полотна подвержены воздействию главным образом кратковременной нагрузки от движущихся автомобилей. Такая нагрузка, в отличие от статической, приводит к более быстрому затуханию напряжений по глубине. Напряжения и деформации в этом случае проникают на глубину до 1,5 м от поверхности покрытия, постепенно затухая в рабочем слое земляного полотна. Поэтому определяющими факторами в рабочем слое насыпи являются кратковременные напряжения от транспортной нагрузки и циклическое воздействие погодно-климатических факторов.
Ядро насыпи воспринимает только напряжения от собственного веса грунта насыпи. При качественном уплотнении ядра, сложенного кондиционными однородными грунтами, сезонное влияние погодно-климатических факторов слабо влияет на его состояние. Возможно изменение ситуации при условии, что ядро возведено из грунтов, относящихся к особым. В этом случае может происходить постепенное изменение их свойств в процессе эксплуатации дороги под влиянием капиллярного водонасыщения и зимней миграции влаги к верхним промерзающим слоям. Некоторые виды грунтов способны аккумулировать и удерживать влагу. В результате в ядре насыпи формируются отдельные переувлажненные зоны вплоть до формирования локальных горизонтов грунтовых вод типа верховодки.
Основание насыпи высотой более 1,5–2 м работает преимущественно под воздействием напряжений от собственного веса
13
насыпи, поскольку напряжения от автомобильной нагрузки здесь незначительны и кратковременны. Эти напряжения приводят к осадкам высоких насыпей за счет консолидации недостаточно уплотненной нижней части земляного полотна, просадкам из-за консолидации слабого основания, потере устойчивости и сползанию откосов насыпей и выемок. Особые условия для работы основания возникают в зоне вечной мерзлоты, где вступает в действие температурный фактор.
Откосные части насыпей и выемок работают в основном под воздействием собственного веса грунта, погодно-климатических и неблагоприятных инженерно-геологических факторов: абразии, эрозии, волнового воздействия и т.д. Выгрузка строительных материалов на откосы при ремонтных работах также может оказывать значительное влияние.
1.3. Виды трещин в земляном полотне и его основании и их происхождение
Появление трещин в земляном полотне в процессе эксплуатации является неизбежным фактом. Под воздействием климатических факторов, в результате периодически повторяющихся циклов промерзания и оттаивания, увлажнения и высыхания, набухания и усадки поверхность основной площадки насыпей постепенно оказывается разбитой большим количеством трещин. Трещиноватость пород приводит к нарушению структурных связей в породах, снижению их прочности, уменьшению сопротивления, выветриванию и увеличению водопроницаемости. Трещины снижают эксплуатационные качества дорожной конструкции и, как правило, одновременно являются местом концентрации напряжений и местом проникновения воды к нижележащим слоям и телу земляного полотна. Проникновение в толщу земляного полотна атмосферных и поверхностных вод часто, в свою очередь, активизирует процесс трещинообразования. Избыточные напряжения и избыточное увлажнение могут стать причиной преждевременного разрушения всей дорожной конструкции.
Существуют трещины, которые являются начальной стадией крупных деформаций земляного полотна и сами по себе уже представляют опасность. Есть трещины, не представляющие непосредственной опасности, но указывающие на зарождение неблагопри-
14
ятных процессов и больных мест. Виды отдельных трещин и их происхождение отличается большим разнообразием. По генетическому признаку можно выделить следующие виды трещин.
Трещины усадки при высыхании грунтов обычно покрывают земляное полотно густой сетью. Чаще всего они возникают в районах с переменным увлажнением и высыханием в глинах, суглинках и особенно в лёссовых и лёссовидных грунтах. Усадочные трещины особенно вредны по своим последствиям. Даже при выпадении небольшого количества осадков (дождя) вода беспрепятственно проникает по трещинам вглубь земляного полотна, ухудшая свойства грунтов. Особенно интенсивно эти процессы протекают в период таяния снега.
Трещиноватость грунта насыпи, возникающая при потере влаги, неодинаковая по глубине массива из-за различных условий испарения и напряженного состояния, изменяется с течением времени вследствие ползучести, кольматации и т.п. [8].
Трещины выветривания обычно представляют собой дальнейшее развитие трещин, возникших ранее по другим причинам. Они образуются под воздействием климатических факторов в районах с выраженным резко континентальным климатом, в скальных грунтах, потерявших монолитность при выветривании. Разрушение их происходит за счет раскрытия и расширения первичных трещин, степень разрушения уменьшается с глубиной (до
10–15 м).
Трещины выветривания характерны поверхностным слоям, находящимся в зоне активного выветривания. Трещиноватость выветривания обычно неправильная, разбивающая породу на отдельные блоки, глыбы и щебенку. С глубиной трещиноватость выветривания быстро уменьшается. Часто она может быть вскрыта и обнаружена лишь при ударе по образцу выветрелой породы, рассыпающейся при этом на отдельные обломки разной крупности.
Выветрелую зону, если она оказывается в основании ответственных сооружений или в откосах глубоких выемок, обычно приходится удалять вследствие ее невысокой прочности.
Трещины промерзания-оттаивания (пучения-просадок) обу-
словлены процессами, происходящими при морозном пучении, сопровождающемся интенсивной миграцией влаги к фронту промерзания.
15
В покрытиях из жестких конструкций (бетонных плит) внешним проявлением таких деформаций морозного пучения являются перекосы плит, раскрытия швов между отдельными плитами и образования ступеней (перепадов) между ними. Сами плиты часто трескаются, ломаются и разрушаются.
На дорогах с асфальтобетонным покрытием образование бугров пучения вызывает появление трещин, расходящихся радиально от центра бугра к его периферии.
При промерзании грунта в откосах и его пучении происходят относительные перемещения слоев в пределах зоны сезонного промерзания, приводящие к раскрытию трещин, ориентированных параллельно их поверхности, а также уходящих вглубь до границы промерзания. Такие трещины способствуют усиленному поглощению весенних и летних атмосферных осадков [8].
Морозобойные трещины наблюдаются главным образом в жирных глинистых и пылеватых грунтах при сильных морозах, на оголенной от снега поверхности.
Возникновение морозобойных трещин является одним из самых распространенных геокриологических процессов в области как многолетнемерзлых пород, так и глубокого сезонного промерзания грунтовых толщ. Наиболее четко морозобойные трещины выражены в районах с резко континентальным климатом, суровой зимой и незначительной толщиной снежного покрова, суглинистыми грунтами и торфяниками. На дорогах образуется система параллельных трещин, перпендикулярных оси дороги, с раскрытием 7–25 мм [9]. Летом эти трещины практически закрываются.
Трещины осадки и уплотнения наблюдаются в недоуплот-
ненных грунтах вследствие их неравномерной осадки и неоднородности грунтов, когда уплотнение ядра насыпи происходит быстрее уплотнения откосов. В этом случае появляются продольные трещины, идущие по обочинам земляного полотна, чаще всего в местах контакта с покрытием и на откосах насыпей.
Оползневые трещины проявляются в виде продольных трещин на кромке дорожной одежды и обочинах насыпей, откосах насыпей и выемок и могут иметь самый разнообразный вид. Такие трещины характеризуются локальной приуроченностью, возникают от неравномерности напряжений, испытываемых породой при подвижках. Они являются начальной стадией оползней и
16
сплывов, сопровождаются выпиранием откосов, часто захватывают ядро насыпи и представляют непосредственную угрозу для проходящего транспорта.
Трещины отрыва являются разновидностью оползневых трещин. Они образуются в головной части и по контуру оползня в результате отрыва и смещения его тела. Они имеют крутые, почти вертикальные поверхности. Как правило, такие крутые стенки неустойчивы, в дальнейшем часто происходят обрушения грунта с образованием новых более мелких трещин.
Трещины выкалывания обычно наблюдаются в скальных и полускальных грунтах, а также в сухих твердых глинах и суглинках и являются следствием выветривания или тектонических процессов.
Трещины-разрывы наблюдаются при наличии подземных горных выработок, а также в большом количестве образуются при сейсмических явлениях.
Трещины отдельностей представляют собой систему упорядоченных трещин, возникающих при остывании магматических горных пород под действием внутренних напряжений. Они также распространены в глинистых пластах, где возникают на стадии диагенеза, когда переувлажненные осадки теряют влагу и уменьшаются в объеме.
Трещины расширения пород при разгрузке возникают в бор-
тах речных долин и оврагов, в горных выработках при высвобождении пород от действия сжимающих сил, что, в свою очередь, происходит при разработке глубоких выемок.
Тектонические трещины (трещины отрыва, скалывания,
сланцеватости и т.д.). С трещиноватостью связано возникновение ряда мелких разрывов в зонах крутых изгибов слоев пород. Наиболее интенсивные разрывы возникают в ядрах антиклиналей и синклиналей. В слоистых средах наибольшая тектоническая трещиноватость отмечается у более хрупких пород, наименьшая – у пластичных и мягких. Тектонические трещины часто заполнены продуктами дробления материнских пород и привнесенным песчано-глинистым материалом. Как правило, эти трещины содержат воду и обусловливают большие притоки воды при вскрытии их выемками.
17
1.4. Источники увлажнения земляного полотна
Среди факторов, определяющих условия, в которых работает земляное полотно, важнейшую роль играют источники его увлажнения. К ним относятся [7, 10]:
–атмосферные осадки, непосредственно выпадающие на земляное полотно;
–паводковые воды, создающие периодическое увлажнение грунтов насыпей;
–застойные поверхностные воды в бессточных впадинах, резервах, канавах и т.д., поступающие в земляное полотно со стороны откосов;
–близко расположенные к дневной поверхности грунтовые воды, вызывающие постоянное увлажнение грунтов нижней части насыпи через капиллярное поднятие;
–продольный сток воды по поверхности дороги или по дренирующим слоям дорожной одежды к пониженным местам насыпи из других участков дорожной конструкции на крутых уклонах и косогорах, а также в местах сопряжения выемки с насыпью;
–увлажнение за счет конденсации парообразной влаги;
–зимняя миграция влаги из более влажных и глубоких слоев
кповерхности основной площадки и откосов;
–грунтовые воды, выходящие на откосах выемок или в основании насыпей в виде родников или пластовых горизонтов;
–поверхностные воды, стекающие по склону косогора и увлажняющие основание насыпи.
Одним из основных источников увлажнения грунтов земляного полотна является поверхностная инфильтрация атмосферных вод.
Атмосферные осадки, выпадающие на поверхность дороги, просачиваются через покрытие, разделительные полосы, обочины и откосы [11–13]. Осадки в виде дождя или таяния снега почти всегда в той или иной мере служат причинами произошедших деформаций.
Все покрытия, в том числе капитального типа, после нескольких лет службы становятся водопроницаемыми [12, 14]. Поступление влаги через покрытие на проезжей части зависит от его состояния и может составлять до 10 % от количества осадков [12]. Влияние дождей на поступление влаги через покрытие не-
18
одинаково в разные периоды года: летом скорость впитывания больше, чем весной, а весной – больше, чем осенью [11].
Просачивание воды через обочины может достигать 40 % и более от общего количества выпавших осадков [15].
Поступление воды через разделительные полосы зависит от обеспеченности стока и задернованности поверхности. При оголенной поверхности и необеспеченности поверхностного стока фильтрация атмосферных осадков через разделительные полосы может стать главным фактором избыточного увлажнения активной зоны земляного полотна [12].
Интенсивность поступления воды через откосы зависит от количества и интенсивности осадков, величины поверхностного стока, интенсивности впитывания воды, вида грунтов и т.д. [8].
Вследствие процессов усадки грунтовые толщи становятся трещиноватыми и водопроницаемыми, что способствует проникновению атмосферных вод на глубину до 3–5 м в тело насыпи. В некоторых случаях в теле земляного полотна могут формироваться временные горизонты грунтовых вод типа верховодки [8]. При этом приток влаги сверху определяется не только суммой выпавших осадков, но и интенсивностью и продолжительностью их выпадения, а также температурой и дефицитом влажности воздуха.
Основное влияние жидких атмосферных осадков на влажность грунтов земляного полотна отмечается осенью и весной. Летом оно минимально, так как сравнительно быстро происходит восстановление первоначальной влажности в результате испарения воды.
В общем случае просыхание земляного полотна происходит путем испарения воды из грунта и потребления влаги растениями с последующей транспирацией в атмосферу. Интенсивность испарения воды с земляного полотна может отличаться от испарения с открытого поля из-за различий в плотности, влажности грунтов и скорости движения потока воды к испаряющейся поверхности. Большое влияние на испарение оказывают дорожная одежда и укрепленные обочины. При этом испарение через дорожную одежду сравнительно невелико, особенно через асфальтобетонные и цементобетонные покрытия, в то время как через грунты открытого поля оно может составлять значительную величину [11].
19
Подтопление насыпи паводковыми водами оказывает значи-
тельное воздействие на состояние грунтов земляного полотна. По мере подъема и стояния воды в пойме происходит инфильтрация в грунт насыпи. В зависимости от рода грунта, его плотности и водопроницаемости, параметров насыпи и гидрографа паводка может быть несколько вариантов насыщения грунтов земляного полотна паводковой водой (рис. 1).
Рис. 1. Насыщение грунтов земляного полотна паводковыми водами [16]:
1 – сплыв откоса; df – уровень насыпи; НУВ – наибольший уровень воды
Всамом неблагоприятном случае после длительного подъема
истояния паводка водопроницаемый грунт насыпи насыщается до отметки уровня высоких вод, однако такие случаи встречаются относительно редко. При быстром спаде паводка вода инфильтрует из тела насыпи, ее верхний уровень ограничивается кривой депрессии, а над ним размещается зона сплошного капиллярного водонасыщения [16].
Деформации подтопленных насыпей чаще всего проявляются
ввиде сплывов и оползания откосов или расползания насыпей при спаде паводковых вод и обусловлены гидродинамическим давлением, возникающим при фильтрации воды из тела насыпи и (или) суффозионными явлениями. Иногда после спада воды происходит медленное выдавливание под весом насыпи грунтов основания.
Если говорить о поступлении влаги со стороны откосов, то
при необеспеченном водоотводе возможен приток влаги в земляное полотно за счет скопления поверхностных вод у подошвы насыпи. При длительном застое воды в понижениях рельефа, боковых канавах, кюветах, в бессточных резервах по бокам насыпи она может передвигаться от откосов к грунтовому основанию. Источник неопасен, если полотно отсыпано из связных грунтов, имеющих коэффициент уплотнения Ку ≥ 0,95 [7].
20