Разработка грунтов для отсыпки насыпей и устройство земляного полотна
Для успешного строительства дорог в зимних условиях необходимо провести предварительно следующие работы: с основания насыпи, где дороги строятся на крупноскелетных грунтах, снять растительный слой, а если нужно, то и илистый грунт. На косогорных участках дороги вырыть уступы, обеспечить водоотвод от полотна дороги и т. д.
Грунты, предназначенные для разработки в зимних условиях, должны быть предохранены от промерзания. При разработке грунтов в течение первой трети зимы можно осуществить вспахивание верхнего слоя грунта на глубину 30-40 см, а затем боронование на глубину 25 см. Разрыхленный таким способом грунт, как показал опыт на разработке россыпных месторождений, при небольших морозах почти не замерзает, а при более низких температурах глубина промерзания грунтов в 4-5 раз меньше по сравнению с неразрыхленным грунтом.
На участках, заросших кустарником или мелким лесом, расчистку грунта следует производить только перед началом разработки. Слой снега, также является теплоизоляцией, поэтому очищать снег нужно только перед началом разработки.
Устраивая подъездные пути к карьерам, в снегозаносимых участках следует предусмотреть снегозадержание. До начала работ по отсыпке земляного полотна должна быть проверена сохранность разбивочных знаков на трассе, установлены дополнительные реперы с таким расчетом, чтобы они не заносились снегом.
Рыхление мерзлых грунтов в карьере, предназначенных в насыпь, производится механическим способом или при помощи взрывов. Механическое рыхление грунта производится обычно при помощи копров с подвесным молотом клиновидной формы, экскаваторами, оборудованными драглайном, к канату которого вместо ковша подвешивается клин или шар, и другими механизмами.
Рыхление грунта при помощи взрывчатых веществ (ВВ) осуществляется следующим образом: при неглубоком рыхлении грунтов производится бурение шпуров при помощиперфораторов, работающих от передвижных или стационарных компрессоров. Норма времени на бурение 1 пог. м шпура в мерзлых грунтах обычно принимается 0,15 чел.-час (из опыта работ и хронометражных данных).
Рыхлить грунты следует до размеров 10-20 см, куски мерзлых грунтов больших размеров укладывать в насыпь не допускается.
В северных районах иногда грунты, необходимые для насыпей, заготовляются в период, предшествующий наступлению морозов. В теплые месяцы года за сутки мерзлые грунты с поверхности оттаивают до 15 см, в отдельные дни суточное оттаивание достигает 20 см. При помощи бульдозеров снимается оттаявший слой грунта и складируется в валы (бунты) длиной до 100, шириной понизу 16-20, поверху 8, высотой 4-5 м. Валы на местности располагаются параллельно направлению господствующих в зимний период времени ветров, что обеспечивает меньшую заносимость их снегом.
Имевшаяся в грунтах влага частично испаряется из валов, а частично уходит вниз, поэтому грунты становятся маловлажными. Вследствие этого грунты в валах промерзают от 1 до 1,5 м. В отдельных случаях применялось утепление валов теплоизоляционными материалами (мох, опилки, снег и др.). Тогда грунты в валах промерзают на глубину, значительно меньшую, чем без утепления.
Смерзшаяся поверхность грунта в валах не позволяет вести разработку грунта экскаваторами без предварительного рыхления. Для рыхления грунта при помощи ВВ предварительно бурят шпуры глубиной на 0,8 от глубины промерзания. Бурение шпуров осуществляется различными способами: при помощи горячего лома, паровой иглой, перфораторами различных марок и др. В последнее время начали использовать термобуры, которые, однако, выпускаются промышленностью в недостаточном количестве.
Первый способ очень трудоемкий и малопроизводительный, поэтому его применять не следует. При втором способе мерзлые грунты, растепляясь от воздействия пара, выделяют воду, которая заполняет шпуры, вследствие чего бывают отказы при взрывании.
Лучший способ бурения шпуров при помощи перфораторов. Высокая производительность перфоратора и широкий фронт работ позволяют своевременно обеспечить работу экскаватора разрыхленными грунтами. Для работы перфораторов необходимо иметь передвижные компрессоры, но содержание их связано с некоторыми трудностями в условиях Севера.
В малообводненных грунтах земляных валов шпуры для зарядов ВВ подготовлялись не в мерзлых грунтах, а заблаговременно, до наступления периода смерзания грунта.
Опыт показал, что при использовании земляных валов для многих районов Крайнего Севера целесообразнее всего шпуры делать в октябре месяце, когда грунт в валах не смерзся. Это обеспечивает быстрое и легкое устройство шпуров, и проделанные шпуры не обрушаются, так как грунт в значительной степени утратил свойства сыпучести. Правильный выбор периода устройства шпуров обеспечивает высокую производительность работ и хорошее качество шпуров. Так, на одной из строительных площадок в грунтовых валах обычными металлическими трубами диаметром 37-50 мм проделывали шпуры глубиной 0,8-1,2 м. Труба вручную легко погружалась в грунт и при вращательном движении в верхней части достигала требуемой глубины в слое грунта. При этом диаметр шпуров поверху составлял 80-100 мм с постепенным уменьшением к низу до диаметра трубы.
Шпуры, как правило, располагались в шахматном порядке. Глубина шпуров принималась равной 0,8 толщины промерзания грунта, расстояние между шпурами - 0,8 глубины шпуров. По опыту работ было установлено, что глубина промерзания грунтовых валов из мелкозернистого песчаного грунта не превышала 2 м даже в самые суровые зимние периоды (температура наружного воздуха до -50 °С).
После устройства шпуров отверстия закрывались деревянными пробками с тем, чтобы исключить попадание снега в шпуры. Пробки возвышались над поверхностью грунта на 10-15 см. После пурговой погоды при очистке поверхности валов от снега по этим пробкам легко определялось расположение сетки шпуров.
В зимний период времени, когда грунт смерзался, по мере надобности вставлялись в готовые шпуры патроны ВВ и производилось рыхление мерзлого грунта. При этом никогда не происходило задержек в работе из-за неразрыхленности грунта. Для того чтобы разрыхлить грунт, на одну смену работы двух экскаваторов с ковшами емкостью по 1,5 м3, два взрывника затрачивали не более 1 ч времени.
Метод заблаговременного устройства шпуров осенью в талом грунте (еще не смерзшемся) дает большую экономию рабочей силы и механизмов. Попытки устройства шпуров в конце летнего периода (до смерзания грунта) непосредственно на поверхности грунтового карьера (добыча грунта в котлованах) не дали положительных результатов, так как эти шпуры осенью заполнились водой, которая замерзала в зимний период. Погрузка грунта в автосамосвалы в основном производилась экскаваторами. Необходимо отметить, что при сильных морозах очень часто двигатели экскаваторов заводили по 2-3 ч, что вызывало простои автомашин.
Как показал опыт работ, наиболее устойчивым механизмом при производствеземляных работ в районах Крайнего Севера являются отечественные бульдозеры на базе тракторов С-80 и С-100.
Авторами был осуществлен метод погрузки грунта из валов бульдозером. Для этого была сделана передвижная металлическая рамная эстакада с бункером из толстолистовой стали. Эстакада устанавливается с одного торца грунтового вала, бульдозер надвигает грунт из вала в бункер. Под бункер подъезжает автосамосвал и грунт через бункер эстакады попадает прямо в кузов.
Необходимое количество эстакад определяется интенсивностью разработки грунта и механовооруженностью каждого строительства. Практически было установлено, что при погрузке грунта бульдозером обеспечивается более высокая производительность по сравнению с экскаватором (емкость ковша 1,5 м3).
Перевозку грунта зимой нужно организовывать с таким расчетом, чтобы вынутый грунт из забоя был доставлен и разгружен раньше, чем он успеет промерзнуть. Скорость замерзания влажного грунта зависит от температуры воздуха и скорости доставки. Для ускорения доставки грунта от забоя к земляному полотну необходимо сократить продолжительность транспортного цикла за счет увеличения скорости движения транспорта и сокращения времени погрузо-разгрузочных работ.
Иногда влажный грунт, погруженный в самосвал, в процессе его транспортировки смерзается с кузовом, а на очистку кузова затрачивается много времени и труда. В этих случаях целесообразно применять обогрев днища кузова отходящими газами от двигателя.
Земляное полотно, как правило, должно возводиться из талых грунтов. Совершенно не допускается укладывать в насыпь грунт, содержащий прослойки льда.
Объем мерзлого грунта, уложенного в больших количествах в насыпь, отрицательно влияет на устойчивость земляного полотна дороги, так как после его оттаивания дорожная одежда местами проседает, что вызывает большие затраты на ремонт полотна дороги.
Однако практикой работ на строительстве дорог большой протяженности (северо-восток) установлено, что при отсыпке земляного полотна можно допускать укладку мерзлого грунта в пределах 20-30% в зависимости от уплотняющих средств при этом следует считать, что, чем выше давление уплотняющего органа машины, тем больший процент мерзлого грунта можно укладывать в насыпь.
Допускается укладывать в насыпь до 20% мерзлого грунта при уплотнении его катками на пневматических шинах весом от 25 до 40 т или катками с падающим грузом весом более 10 т, до 30% - можно укладывать при уплотнении виброкатками или трамбующими плитами на экскаваторах или тракторах.
Учитывая, что верхняя часть насыпи воспринимает не только нагрузку от движения автотранспорта, но и подвергается воздействию осадков, ветра и мороза, верхний слой насыпи и дорожная одежда должны укладываться только из талого грунта.
Предельная высота насыпи, укладываемой в зимнее время зависит от средней температуры воздуха. Высота насыпи из камня, гравия и песка не ограничивается при любой отрицательной температуре. Отсыпку земляного полотна следует производить горизонтальными слоями по всей ее ширине, что предохранит от сползания верхних слоев грунта при оттаивании. Работу по отсыпке насыпи нужно организовать таким образом, чтобы за время от разработки и отсыпки до окончания уплотнения грунт не замерзал.
Наблюдениями установлено, что промежутки времени от момента выемки грунта в карьере до его уплотнения в насыпи не должны превышать следующих пределов: при температуре воздуха до -10°С - 3 ч, при -11-20°С - 2 ч, от 20° до 30 °С - 1 ч. При сильном ветре время уменьшается в два раза.
При отсыпке насыпи зимой следует обращать серьезное внимание на разравнивание привезенного грунта и его уплотнение. Разравнивание привезенного грунта при послойном возведении насыпей должно проводиться в строго ограниченное время. В зависимости от толщины отсыпаемого слоя определяют количество куч грунта сгружаемого самосвалами.
Лучшим уплотнением грунтов является трамбование, которое обычно проводят при сравнительно большой толщине слоя грунта, так как толстый слой промерзает более медленно, и результат трамбования оказывается лучшим.
Для несвязных грунтов, которые, как правило, применяются при возведении насыпи земляного полотна, уплотнение грунта производят катками Д-263 общим весом 25 т. При этом оптимальная толщина слоя в плотном теле допускается 30-35 см, число проходов катка должно быть 4-5. При уплотнении трамбующей плитой весом 1,5 т, при высоте падения 1 м, оптимальная толщина слоя грунта принимается 80 см, число проходов или ударов должно быть 3-4.
Применение катков с гладкими барабанами и кулачковыми катками в зимних условиях малопригодно, так как уплотняемый слой не должен превышать 15-20 см, и он быстро промерзает.
Разработку грунта для транспортирования в насыпь следует организовать так, чтобы рабочие операции шли непрерывно, погрузка и разгрузка проводились с незначительной затратой времени, без простоев транспорта.
Во избежание замораживания забоя работы на карьере рекомендуется вести в три смены.
При снегопадах и метелях производство работ должно быть прервано до полной очистки от снега места отсыпки грунтов и забоя в карьере. В первое время строительства дорог в Магаданской области трасса дороги прокладывалась в основном по коренным породам, вписываясь в рельеф местности. В этих условиях мерзлота грунтов почти не оказывала влияния на устойчивость полотна, так как подстилающие коренные породы являлись хорошим основанием. При такой прокладке трассы значительно увеличивалось число поворотов в плане с малыми их радиусами (60-100 м). Значительная извилистость дороги не позволяла развивать автомобильному транспорту возможные технические скорости.
Строительство дорог по такому принципу экономично и требует минимального количества механизмов, однако эксплуатация автотранспорта на таких дорогах оказывается дорогой и нерациональной.
В целях обеспечения нормальных условий эксплуатации автомобильного транспорта при проектировании и строительстве дорог предусматривают заложение оптимальных уклонов и поворотов.
В зависимости от геологических, гидрогеологических и мерзлотных условий применяются два основных принципа строительства: первый основан на сохранении мерзлых грунтов в основании сооружений и второй - на ее деградации.
В обоих случаях все выполняемые инженерные мероприятия должны обеспечивать устойчивость массива дорожного полотна. В заболоченных местах, где грунты, как правило, льдонасыщены и после оттаивания превращаются в плывуны, насыпи земляного полотна дороги следует строить с сохранением грунтов в основании в мерзлом состоянии. По данным Магаданского научно-исследовательского института на дорогах, построенных без сохранения мерзлоты, осадка протаявших грунтов основания при эксплуатации автомобильных дорог достигала в пылеватых супесях 85 см/м, а в песчано-галечных грунтах 20 см/м.
Для сохранения грунтов в мерзлом состоянии в процессе строительства принимаются меры к сохранению мха, торфа, растительного слоя, кустарника и т. д. Невыполнение этих условий может привести к серьезным нарушениям теплового режима подстилающих грунтов и просадкам дорожного полотна.
При удалении мохо-растительного слоя увеличивается теплопроводность грунтов, а вместе с тем и мощность деятельного слоя; верхняя граница вечной мерзлоты значительно понижается. Грунтовая вода и вода, полученная от оттаивания грунтов, переувлажняют грунты, вследствие этого в летнее время образуются просадки грунта, а осенью и зимой развивается его пучение.
Наблюдался такой случай: построенная между двумя населенными пунктами дорога имела участки протяженностью от 1 до 3 км, где в основании земляного полотна залегали пылевато-супесчаные грунты с прослойками льда. При строительстве дороги не было уделено достаточного внимания сохранению грунта в основании в мерзлом состоянии. После непродолжительной эксплуатации на полотне дороги в летнее время стали появляться провалы, а зимой - пучение. К ремонту дороги и восстановлению мерзлоты в основании не были приняты своевременно соответствующие меры, вследствие этого участки дороги пришли в совершенно непригодное состояние и были перенесены на новый участок. Соблюдая соответствующие правила сохранения грунтов основания в мерзлом состоянии, целесообразно отходить с трассой от коренных пород и строить дороги на рыхлых грунтах.
Строительство земляного полотна дороги на рыхлых льдонасыщенных грунтах тундры, а также на торфяных болотах и марях связано с большими трудностями и требует большого умения и затраты сил в решении сложной задачи сохранения мерзлых грунтов в основании.
В этих условиях земляное полотно дороги отсыпают из скелетных непучинистых грунтов (пески, гравий, щебенка и др.) высотой 1-2 м, не удаляя при этом из основания насыпи растительного слоя (обычно мохового покрова в тундре и торфа в болотистых местах).
Там, где позволяют условия, с целью получения равномерной осадки насыпи рекомендуется на всю ширину полотна дороги на мох укладывать хворост или лапник хвойных деревьев толщиной слоя 8-10 см. После укладки подстила на него насыпают гравий или щебенку слоем в 10-15 см, не следует допускать в отсыпку крупных остроугольных камней. Затем осуществляется отсыпка скелетных грунтов.
Насыпь, оседая, сжимает (прессует) растительный слой и через год получается устойчивое земляное полотно, так как теплоизоляционный слой мха и метровая насыпь препятствуют проникновению тепла к основанию полотна дороги и деятельного слоя под полотном дороги не образуется. Строительство земляного полотна таким способом следует проводить только в зимних условиях, вернее за время, когда подстилающие грунты находятся в мерзлом состоянии.
Наблюдениями установлено, что участки дороги, отсыпаемые летом и особенно осенью, имеют следы значительных деформаций. С годами деформации прогрессируют и носят сезонный характер. Земляное полотно дороги, отсыпанное зимой достаточной высоты, устойчиво и не имеет признаков деформации.
В Норильске при реконструкции дороги, которая была построена зимой на моховом покрове, было обнаружено плотное смерзшееся основание. Слой уплотненного мха имел толщину 17-22 см. Такой слой мха в уплотненном состоянии имеет хорошие теплоизоляционные свойства, а слой грунта в 80-100 см способствует сохранению в мерзлом состоянии грунта в основании. Высушенный образец спрессованного мха имеет вид легкого войлочного мата светло-желтого цвета с объемным весом 200 кг/м3.
У земляного полотна дороги, построенного таким способом, верхняя граница вечной мерзлоты под полотном дороги в летнее время находится выше, что способствует стоку грунтовых вод с полотна дороги, поэтому грунты земляного полотна просыхают, обеспечивая устойчивость дорожной одежды.
Для сохранения грунта от протаивания под откосами и во избежание сползания откосов вдоль насыпи на ширину 2-3 м следует сделать укладку мха или другого теплоизоляционного материала. Если на откосах, уложен мох, его следует присыпать слоем грунта в 10-15 см, так как мох или торф в летнее время просыхает и при неосторожном обращении с огнем легко загорается. На прилежащей к дороге площади, где нарушен мохорастительный слой, необходимо уложить слой мха такой же мощности, какой он был до снятия.
Построенные таким образом дороги на северо-востоке страны оказались устойчивыми; за десятилетия их эксплуатации не было деформаций. При возведении дорог с сохранением мерзлоты в основании во всех случаях необходимо создать такое положение, когда деятельный слой под полотном дороги будет отсутствовать.
Принцип строительства дороги по такому методу должен заключаться в том, чтобы поверхность вечной мерзлоты была под слоем мха или специально уложенного в насыпи крупноскелетного грунта, который не изменяется от влияния мерзлотных условий.
Большой помехой при строительстве дорог является скопление воды в корытообразном понижении, образуемом иногда при оттаивании грунтов обочины на южных склонах. Это приводит к увеличению влаги в обочинах дороги и может вызвать их сползание. Поэтому следует с южной стороны делать широкую берму, одновременно укладывать с обеих сторон дороги тюфяк из мха, торфа или других подобных материалов. С нагорной стороны, вдали от полотна дороги, делается канава для перехвата и отвода грунтовых вод.
На заболоченных участках мощность деятельного слоя обычно бывает менее 1 м. При пересечении дорогой торфяного болота в обычных условиях производят выторфовывание болота. В условиях вечномерзлых грунтов, при строительстве земляного полотна выторфовывание производить не следует. В этом случае скелетные грунты отсыпаются прямо на поверхность болота. Летом, на следующий год, оттаявший торф и мох под тяжестью насыпи и вместе с ней опускается в болото. После этого отсыпают полотно дороги до проектной отметки и положение стабилизируется, так как под сжатым мхом и насыпью протаивания больше не происходит.
Для более равномерной осадки земляного полотна при строительстве дороги на болоте, а также на грунтах с малой несущей способностью рекомендуется применять елань из круглого леса. Применение такой елани целесообразно при наличии на месте строительства леса, а в условиях тундры следует использовать мох.
При строительстве дорог в тундре или в местах, где грунты сложены пылеватыми грунтами, одной из важных проблем является отсутствие крупноскелетных грунтов для отсыпки земляного полотна.
Пылеватые грунты, ил, мелкие пески большей частью вследствие переувлажненности не пригодны для укладки в земляное полотно дороги, хотя отдельные участки могут отсыпаться из таких грунтов (сухие). Часто необходимо транспортировать скелетные грунты из карьеров, расположенных иногда за десятки километров от места отсыпки. Открывать боковые резервы в условиях пылеватых грунтов не разрешается, так как это может привести к нарушению структуры вечномерзлых грунтов вдоль трассы дороги. В скелетных грунтах резервы следует открывать на расстоянии 5-6 м от подошвы откоса насыпи.
В некоторых районах дренирующие грунты отсутствуют, поэтому при необходимости строительства высокой насыпи с целью удешевления строительства за счет сокращения подвоза скелетных грунтов в полотно дороги укладывают ядро из местного пылеватого грунта. Опыт строительства и эксплуатации железнодорожной линии Кожва - Воркута и Чум - Лабытнанги, а также автомобильных дорог в Иркутской и Магаданской областях по такому способу подтверждает правильность данного решения и дает основание рекомендовать его к применению в строительной практике. Следовательно, при строительстве высокой насыпи мерзлое ядро может отсыпаться из местного пылеватого грунта. После укладки этого грунта под проезжей частью и в откосы его покрывают теплоизоляционным слоем из мха, торфа или шлака. Верхний слой насыпи толщиной 1 м укладывается из скелетного грунта. Построенное по такому способу земляное полотно обеспечивает сохранение грунта в мерзлом состоянии в течение всего года.
В нулевых местах, в выемках, в полувыемках, в полунасыпях земляное полотно строят с нарушением температурного режима грунтов основания - с оттаиванием мерзлых грунтов или по принципу деградации.
Такой принцип строительства допускается в скелетных или крупноскелетных грунтах или в том случае, если слой пылеватых льдонасыщенных грунтов имеет небольшую мощность.
Строительство выемок в пылеватых и мелкозернистых связных грунтах следует избегать. В таких грунтах при оттаивании мерзлоты в откосах и дне выемки откосы оплывают, а в дорожном полотне развиваются пучины и провалы.
Если же условия вынудят в исключительных случаях устраивать выемку в связных мелкозернистых мерзлых грунтах, то для обеспечения устойчивости откосы следует делать пологими с уклоном 1:2 или 1:3, покрывая их теплоизолирующим слоем мха, торфа или шлака. Под проезжей частью выемка углубляется на 1-1,5 м, вынутый грунт заменяется крупноскелетным грунтом.
Сложнее строить дороги в связных мерзлых грунтах в городах и крупных населенных пунктах. Если построить дорогу с сохранением многолетней мерзлоты, проезжая часть дороги поднимется до 1 м и земляное полотно закроет окна первых этажей. Поэтому земляное полотно дороги строят в выемке, снимая моховой или торфяной покров с таким расчетом, чтобы после отсыпки земляного полотна и укладки дорожной одежды верхняя отметка дороги была ниже цоколя здания.
В зависимости от качества грунтов и рельефа местности глубина корыта (выемки) достигает 0,8-1,2 м. Дно выемки планируют с уклоном в сторону дренажа и тщательно уплотняют.
В образовавшееся корыто укладывают слой изолирующего материала и дренаж для осушения основания и удаления весенних вод. После этого выемку заполняют крупноскелетным грунтом или другими дренирующими материалами, в процессе заполнения грунт уплотняют. Под тротуарами корыто делают меньшей глубины (50-60 см) с уклоном в сторону более глубокого дренажа.
В данных условиях все грунтовые и атмосферные воды, поступающие под тротуар и дорожную одежду, дренируют через крупноскелетные грунты и стекают по дренажным трубам в дренажные коллекторы, а по последним стекают в пониженные места за пределами городской черты. Строительство дорог и тротуаров в данных условиях следует проводить зимой, так как разработка в летний период таких грунтов бывает не всегда доступна. Во избежание заболачивания выемок следует делать систему дренажей для отвода воды.
Таким способом построено много городских дорог в Норильске, в том числе более двух километров с бетонным покрытием. Там, где тщательно выполнен дренаж, бетонные покрытия ведут себя хорошо. От недостаточно тщательно выполненных работ деформации подвергались бетонные тротуары.
Продольные уклоны основных проездов (или улицы) должны быть не более 6%0, проездов местного значения - 8%0. В горных местностях уклоны могут быть увеличены на 2-3%0. Ширина основных проездов (или улиц) должна быть не меньше 1 м и для проездов местного значения - не меньше 3,5 м.
Продольный уклон тротуаров не должен превышать 8%0, а поперечный уклон - 1,5-2%0. Ширина тротуаров на основных проездах должна быть 3 м, на проездах местного значения - 1,5 м. Служебные тротуары на дорогах должны иметь ширину не менее 0,75 м.
