768
.pdfгорных районах Салаира, Алтая, Кузнецкого Алатау и Горной Шории [32].
Все легковыветривающиеся осадочные сцементированные породы (алевролиты, аргиллиты, мергели, сланцы), находящиеся
взоне активного выветривания, относятся к потенциально пучинистым грунтам [33].
Вусловиях естественного залегания такие грунты представляют собой довольно прочные породы. Под воздействием же проходящего транспорта и попеременного увлажнениявысыхания, промерзания-оттаивания они быстро теряют прочность, разрушаются и превращаются в дисперсный глинистый грунт. Избыточное увлажнение образовавшейся мелкой фракции сопровождается набуханием и, как следствие, интенсивным морозным пучением при сезонном промерзании [34].
При вскрытии выемками они начинают активно подвергаться процессам выветривания, которые выражаются в разрыхлении цемента аргиллитов, алевролитов, песчаников и раскрытии скрытых трещин в породах. В результате этого с откосов выемок сходят обильные насыпи, а иногда и крупные обвалы [32].
Засоленные грунты – грунты, содержащие в количестве более 0,3 % от массы сухого грунта легкорастворимые соли (хлористый натрий, хлористый кальций, хлористый магний, сернокислый магний, углекислый натрий, двууглекислый натрий), а также
вбольших количествах среднерастворимый сернокислый кальций (гипс) и труднорастворимый углекислый кальций.
Наличие в грунтах растворимых солей оказывает существенное влияние на их физические свойства и на способность сопротивляться нагрузкам.
Соли, в зависимости от их состава и содержания в грунте, могут вызывать как разъединение глинистых частиц, так и их коагуляцию, что оказывает значительное влияние на физикомеханические свойства грунтов. Дегидратирующее влияние легкорастворимых солей на грунт при его малой влажности способствует повышению прочности грунта за счет его цементации солями, однако при повышении влажности оно приводит к ускорению появления в грунте свободной воды и его размоканию. При влажности грунта, не превышающей его границы раскатывания, сопротивление засоленных грунтов сдвигу выше, чем незасолен-
31
ных; при более высокой влажности наблюдается противоположное явление [35].
В процессе фильтрации воды засоленные грунты подвергаются суффозии. Химическая и механическая суффозии могут вызвать развитие суффозионных оползней в результате уменьшения прочностных характеристик водонасыщенного засоленного грунта.
Засоленные грунты можно рассматривать в качестве материала, пригодного для возведения земляного полотна автомобильных дорог. При этом основным принципом их использования является надежная защита от увлажнения.
Если в основании земляного полотна залегают маловлажные засоленные грунты и большая часть легкорастворимых солей принадлежит к верхней части слоя, то в этом случае целесообразно произвести замену такого грунта на незасоленный.
Засоленные грунты широко распространены в бессточных районах южной части Западной Сибири (южнее широты Транссибирской магистрали), где продолжаются процессы накопления и миграции солей.
Дочетвертичные (коренные) глины достаточно широко при-
меняются для возведения земляного полотна, в первую очередь там, где четвертичные отложения отсутствуют или отличаются незначительной мощностью, а также при использовании грунта из глубоких выемок, вскрывающих коренные породы. Часто из коренных глин отсыпают наиболее высокие насыпи, пересекающие глубокие лога при пересеченном рельефе [10].
Дочетвертичные (палеоген-неогеновые) глины широко распространены на юге Западной Сибири, где они представлены глинами павлодарской и таволжанской свит. На территории Ишимской и Кулундинской степей, в долине Иртыша эти глины залегают достаточно близко к дневной поверхности под маломощным чехлом четвертичных отложений. Для этих глин характерно высокое содержание глинистой фракции (до 70 %). В переуплотненном состоянии эти глины склонны к набуханию (деформации набухания достигают 15 %). Глинистые породы, залегающие в зоне аэрации, разуплотнены. Для них свойственна повышенная сжимаемость, а для слабоувлажненных разностей – даже просадочность [22].
Коренные глины представляют собой сложные в инженерном отношении грунты, для характеристики которых требуются све-
32
дения о минералогическом и химическом составе, размокаемости, набухании и т.д. Причиной деформаций насыпей и выемок, сложенных коренными глинами, чаще всего является интенсивное выветривание глин и возникновение подвижек по микротрещинам выветривания, смоченным атмосферной влагой. С разрушением структурного сцепления под влиянием набухания глины разуплотняются. Наиболее интенсивно процесс выветривания глин протекает на откосах в зоне сезонного промерзания зимой и интенсивного высушивания летом. Разбухшие, вспученные, лишенные структурных связей грунты откосов теряют устойчивость, создавая условия для развития сплывов и оползней.
Черноземы широко распространены в южных районах России. Среди них наиболее часто встречаются почвы суглинистого состава. Использование их в качестве основания земляного полотна может способствовать в случае недостаточного дренажа образованию пучин.
Высокая влагоемкость, пластичность, набухаемость и липкость черноземов обусловливают их отрицательные качества как материала для отсыпки насыпей. После дождей или при таянии снега черноземы размокают и образуют очень липкую массу, труднопроходимую для всех видов транспорта. Выемки, пройденные в черноземах, в сухую погоду держатся вертикальными стенками, которые при сильном увлажнении легко размываются и оползают.
Любые почвенные грунты, попадая в тело насыпи, вследствие большой влагоемкости аккумулируют влагу и являются ослабляющим фактором.
Барханные пески в чистом виде представляют скопление мелких обломочных продуктов. В их образовании, переносе и отложении основную роль играет ветер. Область распространения барханных песков связана с пустынной и полупустынной обстановкой. Они характеризуются неокатанностью зерен, часто загрязнены пылеватой фракцией, во многих случаях являются продуктом разрушения гидронестойких пород (известковые и гипсовые пески) [36].
При возведении земляного полотна из барханных песков для возможности проезда по нему автомобилей и дорожных машин, а также улучшения условий его уплотнения между земляным по-
33
лотном и основанием дорожной одежды на насыпях и в выемках необходима укладка на всю ширину земляного полотна защитного слоя из связного материала.
Мел – белый тонкозернистый известняк биогенного и биохимического происхождения, состоящий из мелких морских раковин. Пористость достигает 50 %. Эта разновидность особого грунта размягчается и размокает в воде и интенсивно выветривается.
Механическая прочность мела колеблется в широких пределах в зависимости от его состава, пористости и влажности. Благодаря слабой цементации и большой влагоемкости мел имеет малую степень морозоустойчивости.
2. ДЕФОРМАЦИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
2.1. Причины деформаций земляного полотна
Земляное полотно является важным элементом всей дорожной конструкции, обеспечивающим ее стабильность. Обеспечение безопасности движения на автодорожном транспорте должно базироваться на квалифицированном систематическом надзоре за состоянием земляного полотна, точном анализе причин повреждений и своевременном принятии обоснованных мер для предотвращения или устранения деформаций. Научно обоснованный прогноз появления деформаций и правильный диагноз причин позволяют повысить надежность всей конструкции, более точно планировать очередность, объемы и трудозатраты ремонта.
Надежность тех или иных элементов дорожной конструкции зависит от условий, в которых они работают [37].
Основание насыпи высотой более 1,5–2 м работает главным образом под воздействием напряжений от собственного веса насыпи, поскольку напряжения от автомобильной нагрузки здесь незначительны и кратковременны. Особые условия работы основания возникают в зоне вечной мерзлоты, где вступает в действие температурный фактор.
Откосные части работают в основном под воздействием собственного веса грунта, погодно-климатических факторов и небла-
34
гоприятных инженерно-геологических воздействий: абразии, эрозии, волнового воздействия и т.д.
В рабочем слое насыпи определяющими являются кратковременные напряжения от транспортной нагрузки и циклическое воздействие погодно-климатических факторов.
Ядро насыпи, как и ее основание, работает практически только под воздействием напряжений от собственного веса грунта насыпи.
Наблюдаемые повреждения и разрушения земляного полотна отличаются большим разнообразием [38] и зависят от многих факторов, которые можно разделить на три группы: связанные с изменением внешнего силового воздействия на земляное полотно; с изменением свойств материала (грунтов), из которого оно возведено; внешние природные воздействия.
К первой группе относятся: увеличение нагрузок от действия автотранспорта; увеличение веса призмы активного давления вследствие избыточного увлажнения грунтов; дополнительные пригруз или подрезка оползневых склонов, осыпей, курумов; гидродинамическое давление воды, вытекающей из грунтов пойменных насыпей после спада паводковых вод; подмывы и размывы откосов; сейсмические и другие воздействия.
Во вторую группу входят факторы и условия, связанные с уменьшением сил сопротивления внутри грунтового массива: ухудшение физико-механических свойств грунтов земляного полотна, основания или прилегающего массива, суффозия, мерзлотные процессы и явления, выветривание грунта и др.
И, наконец, к третьей группе следует отнести физикогеологические явления, действие которых во многом определяется физико-географическими условиями прохождения трассы, проявляется внезапно, связано со стихийными бедствиями и приводит к полному или частичному разрушению земляного полотна. Такие воздействия внешней среды проявляются в виде землетрясений, селей, снежных лавин, наводнений, тектонических подвижек в местах разломов и т.д.
Нарушение стабильности эксплуатируемого земляного полотна чаще всего бывает предопределено всей историей его возведения и эксплуатации. Такие деформации очень редко проявляются сразу после строительства. Им, как правило, предшест-
35
вуют длительные внутренние процессы, которые в конечном итоге снижают прочностные свойства грунтов и способствуют образованию ослабленных зон в теле земляного полотна. Иногда мелкие нарушения и повреждения перерастают в опасные деформации, создающие аварийные ситуации и влекущие за собой большие экономические потери.
Деформации земляного полотна могут возникать как следствие: низкого качества или недостаточного объема изысканий; ошибок, допущенных при проектировании; нарушения технологии производства работ; недостатков текущего содержания земляного полотна. Кроме того, они могут быть обусловлены объективными причинами, такими как: увеличение нагрузок, возрастание интенсивности и скорости движения, изменение климатических, инженерно-геологических и гидрогеологических условий, а также техногенные воздействия и стихийные бедствия [39].
Неудовлетворительно проведенные инженерные изыскания, как правило, приводят к неправильному выбору трассы или проектированию земляного полотна и его обустройству без учета основных климатических, геологических и гидрогеологических факторов, влияющих на устойчивость дорожной конструкции.
Распространенными ошибками проектирования являются: неполный учет особенностей района прохождения трассы; применение конструкций земляного полотна, не соответствующих неблагоприятным инженерно-геологическим условиям; непринятие во внимание неблагоприятных физико-геологических процессов; отсутствие прогноза изменения условий в процессе эксплуатации дороги.
Многие деформации земляного полотна бывают обусловлены нарушениями правил и методов производства строительных работ. Наиболее часто встречаются следующие нарушения:
–возведение земляного полотна с отступлениями от проектных поперечных профилей;
–отсыпка насыпей из грунтов, непригодных для применения (жирных глин, мергелей, разнородных по составу и физическим свойствам грунтов, органических и органо-минеральных, переувлажненных глинистых и др.);
–недостаточное уплотнение грунтов насыпей, возводимых не из дренирующих грунтов (иногда полное его отсутствие);
36
–отсыпка высоких насыпей наклонными слоями без разравнивания и уплотнения (с головы);
–нарушение технологии отсыпки земляного полотна в зимнее время;
–нарушение специальных требований при возведении земляного полотна в особых условиях, на слабых основаниях, косогорах, вечномерзлых грунтах;
–переувлажнение отсыпаемого земляного полотна из-за некачественного выполнения и несвоевременной подготовки водоотводов;
–нарушение технологии возведения насыпей на подходах к мостам и над водопропускными трубами и т.д.
Чаще всего нарушения технологии и методов строительства связаны с отсыпкой высоких насыпей [39]. В отличие от большинства стран сеть железных и автомобильных дорог России располагается преимущественно в районах с суровым климатом, избыточным увлажнением и большой толщей четвертичных, покровных, глинистых отложений. Основным материалом для возведения насыпей служат пылевато-глинистые грунты. Уплотнение таких грунтов сопряжено с рядом трудностей даже при правильном их подборе и использовании современных техники и технологий. Вместе с тем материалом для отсыпки высоких насыпей служили чаще всего разнородные грунты прилегающих выемок, не всегда отвечающие требованиям по составу и свойствам.
Как правило, высокие насыпи приурочены к пониженным участкам и депрессиям рельефа, логам, оврагам, балкам, служащим водосборами. Даже при сегодняшнем развитии техники отсыпка насыпи в таких местах обычно производится с ее головы наклонными слоями без достаточного уплотнения. Анализ показывает, что и для недавно отсыпанного земляного полотна наиболее частыми причинами деформаций являются недостаточное уплотнение грунтов при отсыпке насыпей и некачественное ведение работ на подходах к искусственным сооружениям и над трубами.
Большое количество деформаций возникает из-за использования для возведения земляного полотна грунтов, относящихся к категории особых [17]. Применение таких грунтов для отсыпки насыпей должно быть обоснованным. Известны случаи удачного
37
использования особых грунтов для отсыпки земляного полотна, однако положительные результаты были достигнуты при разработке специальных конструктивных мероприятий и тщательном соблюдении технологии отсыпки [40, 41].
И, наконец, как уже отмечалось во введении, очень часто причиной деформаций земляного полотна, особенно в последние годы, является неудовлетворительное содержание всего автодорожного комплекса.
Свойства пылевато-глинистых грунтов, которые, как правило, служат материалом для возведения земляного полотна, не одинаковы во времени. Таким грунтам присущи изменчивость состояния и несущей способности под влиянием динамических нагрузок от движущегося транспорта и других факторов техногенного и природного характера.
Причиной большинства деформаций, возникающих в процессе эксплуатации автомобильной дороги, является вода, а именно: атмосферные осадки, просачивающиеся через трещины в покрытии и обочины; вода, застаивающаяся на обочинах, в кюветах и резервах из-за необеспеченности поверхностного стока; увлажнение грунтов насыпи вследствие капиллярного поднятия грунтовых вод из обводненного основания; вода, перемещающаяся в результате миграции влаги к фронту промерзания и т.д. Под воздействием климатических факторов, в результате периодически повторяющихся циклов промерзания и оттаивания, увлажнения и высыхания на поверхности основной площадки насыпей постепенно появляется большое количество трещин. Вода, попадающая в трещины, создает дополнительное гидродинамическое давление и увеличивает влажность массива, что, в конечном итоге, приводит к снижению сопротивления грунта сдвигу.
Все эти процессы имеют тенденцию скрытого накапливания, могут продолжаться длительное время с непрогнозируемыми периодами и границами их проявления. Иногда они стабилизируются, однако такое состояние, как правило, не бывает устойчивым. Под влиянием внешних факторов равновесие в любой момент может быть нарушено. Такими факторами могут быть изменение климатических условий (большое количество выпавших осадков, холодная зима), увеличение скорости и интенсивности движения, нагрузки на ось и т.д. В этом случае деформации зем-
38
ляного полотна возобновляются и рано или поздно принимают аварийный характер.
Залогом длительной и надежной эксплуатации земляного полотна является надежный мониторинг, позволяющий своевременно обнаруживать начинающиеся деформации, оперативно устанавливать и устранять их причины. Для проведения неотложных профилактических работ, правильного и аргументированного выбора стабилизационных мероприятий необходимо в каждом конкретном случае установить характер деформации, степень ее развития и причины возникновения. Учитывая многообразие причин и факторов, вызывающих деформации земляного полотна, очень важно выделить основной, главный тип деформаций, суметь отличить его от сопутствующих (второстепенных) дефектов.
Для железных дорог разработаны и включены в нормативные, справочные и инструктивные материалы классификации, в которых систематизированы основные виды деформаций, их причины и признаки проявления [42, 44]. Такой подробный каталог дефектов и деформаций земляного полотна приведен в Инструкции по содержанию земляного полотна железнодорожного пути [42]. Для автомобильных дорог общепринятая классификация деформаций земляного полотна до последнего времени отсутствовала. В рамках настоящей работы авторами была предпринята попытка восполнить этот пробел на основе анализа литературных источников и собственных исследований.
Предложенная авторами классификационная таблица включает условную схему, описание причин и признаков каждого конкретного вида деформаций. Кроме того, разработаны методы их профилактики, стабилизации и устранения последствий. Она содержит 55 типов деформаций, разделенных на 8 групп. Структура классификации приведена на рис. 2.
Классификация преследует цель – облегчить выбор стабилизационных мероприятий при проектировании лечения болезней земляного полотна и способствовать улучшению текущего содержания автомобильных дорог.
39
Рис. 2. Структура классификации деформаций земляного полотна
40