Регулирование водно-теплового режима земляного полотна

8.1 К специальным мероприятиям по регулированию водно-теплового режима относят конструктивно-технологические решения, предусматривающие:

– ограничение увлажнения от различных источников (повышение требований к обочине и разделительной полосе, увеличение поперечных уклонов, устройство боковых канав (кюветов), гидроизолирующих и капилляропрерывающих прослоек, дренажей глубокого заложения);

– улучшения свойств грунта в верхней части рабочего слоя (улучшение зернового состава грунтов, укрепление их вяжущими);

– отвод воды (устройство прослоек, дренажей мелкого заложения);

– регулирование теплового режима (устройство теплоизолирующих слоев).

8.2 Устройство гидроизолирующих, капилляропрерывающих и теплоизолирующих слоев и прослоек, дренирующих прослоек, специальных дренажей следует предусматривать на участках дороги, где технически невозможны или экономически нецелесообразны традиционные мероприятия по регулированию водно-теплового режима грунтов земляного полотна и где имеется опасность пучинообразования.

8.3 Снижение увлажнения земляного полотна за счет повышения требований к обочине и разделительной полосе достигается присыпкой обочин и разделительной полосы песчаными грунтами, устройством лотков, водосборных колодцев и поперечных дренажных труб, способствующих отводу поверхностных вод за пределы проезжей части и уменьшающих накопление влаги в активном слое земляного полотна, укреплением верхней части обочин и разделительной полосы.

8.4 Увеличение поперечного уклона верха земляного полотна позволяет снизить приток влаги в грунты от атмосферных осадков и поверхностных вод. Верхний предел поперечного уклона не должен превышать 50 ‰ для обеспечения устойчивости дорожной конструкции.

8.5 Устройство кюветов предусматривают для отвода поверхностных вод от земляного полотна. При этом, как правило, необходимо обеспечить продольный уклон в кюветах не менее 5 ‰ для предупреждения их заиливания и заноса в процессе эксплуатации дороги.

8.6 Гидроизолирующие прослойки устраивают под дорожной одеждой на всю ширину земляного полотна, чтобы не допустить увлажнения от атмосферных осадков, проникающих под дорожную одежду (рисунок 8.1а), или на глубине не менее 1,2 м от верха покрытия, но не ниже 0,2 м от поверхности земли (рисунок 8.1б) при наличии близких к поверхности грунтовых вод или поверхностных вод для предотвращения переувлажнения верхней части рабочего слоя земляного полотна. Если увлажнение рабочего слоя происходит от всех трех источников увлажнения (осадки, грунтовые и поверхностные воды), то устраивают две гидроизолирующие прослойки, заключая грунт в верхней части земляного полотна в обойму (рисунок 8.1в).

Рисунок 8.1 — Конструкции земляного полотна с гидроизолирующими прослойками

1 — глинистый грунт; 2 — гидроизолирующий материал; 3 — грунт пониженной влажности в обойме

Рисунок 8.2 — Конструкция дорожной одежды с капилляропрерывающей прослойкой

1 — песок; 2 — трубчатый дренаж; 3 — глинистый грунт; 4 — капилляропрерывающая прослойка

8.7 Капилляропрерывающие прослойки устраивают для ограничения притока влаги в верхние слои земляного полотна от грунтовых или поверхностных вод на глубину не менее 1,2 м от верха покрытия и не менее 0,2 м над уровнем грунтовых вод (рисунок 8.2).

8.8 Гидроизолирующие и капилляропрерывающие прослойки необходимо предусматривать при целесообразности снижения высоты насыпи на отдельных участках дороги, для снижения объема земляных работ, уменьшения толщины морозозащитного и дренирующего слоев, а также толщины основания дорожной одежды за счет увеличения расчетных показателей грунтов земляного полотна, имеющих меньшую влажность. Окончательное решение о применении гидроизолирующих и капилляропрерывающих прослоек принимают на основании технико-экономического расчета, доказывающего эффективность их применения.

8.9 Для устройства гидроизолирующих прослоек применяют материалы, обеспечивающие изоляцию грунта от всех видов влаги. К ним относят грунты, обработанные вяжущими (битумом, цементом и др.), изол (ГОСТ 10296), полиэтиленовую пленку толщиной 0,2 мм, стабилизированную 2 % канальной сажи (ГОСТ 10354), нетканые синтетические материалы, пропитанные битумом или другим водоотталкивающим материалом, пластиковые мембраны и др.

8.10 Капилляропрерывающие прослойки устраивают из материалов, предназначенных для гидроизолирующих прослоек, указанных в 8.9, а также из нетканых синтетических материалов, имеющих низкую фильтрацию в поперечном направлении и высокую (более 30 м/сут) — в продольном направлении, гидрофобизированных грунтов, приготовленных с применением катионных гидрофобизаторов [1]. Кроме того, для устройства капилляропрерывающих прослоек могут применяться зернистые фильтрующие материалы (гравий, щебень), толщина слоев которых должна быть 10—15 см. Для предупреждения заиливания зернистых материалов и перемешивания их с грунтом снизу необходимо предусматривать прослойки из нетканых синтетических материалов.

8.11 Дренажи глубокого заложения предназначены для понижения уровня грунтовых вод, что позволяет снизить влагонакопление в верхней части земляного полотна. Устраивают их, как правило, в выемках и нулевых местах. Примеры устройства закрытого подкюветного дренажа приведены в разделе 9.

8.12 Наряду с заменой глинистого грунта в верхней части рабочего слоя земляного полотна на менее пучинистый могут проводиться мероприятия по улучшению свойств грунта путем введения гранулометрических добавок, а также обработки вяжущими и другими материалами. В качестве вяжущих могут применяться наряду с битумом, цементом, известью, отходы и побочные продукты промышленности (зола уноса, цементная пыль, шлаки и др.), а также гидрофобизаторы.

8.13 Для отвода воды, поступающей сверху (атмосферные осадки) и снизу (грунтовые воды), применяют дренирующие прослойки. Рекомендуется также применение прослоек, совмещающих функции дренирования, разделения вышележащих слоев дорожной одежды и грунтов, а также армирования земляного полотна и снижения неравномерности пучения.

8.14 Дренирующие прослойки укладывают непосредственно под дорожную одежду по всей ширине земляного полотна с выпусками полотнищ на откосы или в дренаж на 0,5—1,0 м (рисунок 8.3).

Дренирующие прослойки устраивают из нетканых синтетических материалов, способных фильтровать воду в поперечном направлении в плоскости холста. Коэффициент фильтрации таких материалов должен быть не ниже 30 м/сут с учетом заиливания.

Рисунок 8.3 ¾ Конструкция дорожной одежды с дренирующей прослойкой

1 — песок; 2 — трубчатый дренаж; 3 — глинистый грунт; 4 — дренирующая прослойка

8.15 Применяемые прослойки должны отвечать следующим требованиям:

– выдерживать без повреждения нагрузки, возникающие при укладке и уплотнении вышележащих слоев, а также при движении автомобилей по дороге;

– противостоять воздействию неравномерного морозного пучения и осадки грунтов без разрывов и проломов;

– не изменять существующих свойств при различной степени влагонакопления и температуре;

– не заиливаться, не подвергаться разрушающему воздействию микроорганизмов и агрессивных вод;

– их устройство должно быть технологичным.

8.16 Для отвода избыточной воды из рабочего слоя земляного полотна в весенний период работы конструкции могут применяться, особенно при реконструкции и капитальном ремонте дорог, дренажи мелкого заложения, которые представляют собой ровики, заполненные фильтрационным зернистым материалом. Глубина их размещения не должна превышать, как правило, 2 м. Дренажи мелкого заложения устраивают при наличии интенсивного увлажнения от атмосферных осадков.

8.17 В условиях Беларуси, особенно в северных и северо-восточных районах, где глубина промерзания дорожной конструкции достигает 1,6—1,8 м и более, при проектировании реконструкции и капитального ремонта дорог с признаками пучиноопасности для обеспечения морозоустойчивости земляного полотна экономически целесообразно устройство теплоизолирующих слоев, которые позволяют полностью предотвратить промерзание земляного полотна или обеспечить допустимую глубину промерзания по условиям влагонакопления и пучения. При обосновании допускается замена пучинистого грунта.

8.18 Для устройства теплоизолирующих слоев применяют материалы с более эффективными теплоизолирующими свойствами, чем у грунтов и обычных дорожно-строительных материалов.

При близком залегании грунтовых вод, когда глубина их нахождения меньше, чем глубина промерзания конструкции, или при длительно застаивающихся поверхностных водах целесообразно использовать материалы с низким коэффициентом теплопроводности, например, пенопласт, позволяющий при небольшой толщине слоя (до 10—15 см) полностью предотвратить промерзание грунтов земляного полотна и уменьшить миграцию влаги в верхние слои рабочего слоя в зимний период, исключить морозное пучение грунтов.

В других случаях могут быть использованы легкие бетоны, теплоизоляционные композиции из укрепленных вяжущим местных материалов (грунтов) или отходов промышленности, пористых заполнителей (перлит, аглопорит, гранулы полистирола и измельченные отходы пенопласта, керамзит и др.), которые способствуют снижению глубины промерзания земляного полотна и уменьшению неравномерности морозного пучения.

8.19 Теплоизолирующие материалы изменяют температурный режим покрытия и могут способствовать образованию гололеда на его поверхности в зимний период, т.е. создать угрозу безопасности движения транспортных средств по дороге. Поэтому места расположения теплоизоляционного слоя следует выбирать таким образом, чтобы обеспечить идентичный режим работы дорожных одежд с теплоизолирующими слоями и без них. Так теплоизолирующие слои из материалов с коэффициентом теплопроводности менее 0,05 Вт/(м × К) следует располагать на глубине более 0,5 м от поверхности покрытия. В этом случае частота образования гололеда на участках с теплоизолирующими слоями не превышает 10 % по сравнению с участками дороги, имеющими традиционную конструкцию дорожной одежды.

8.20 Следует иметь в виду, что теплоизолирующие свойства теплоизоляционных материалов, как правило, обратно пропорциональны их прочностным характеристикам, поэтому для предотвращения образования гололеда и неравномерных остаточных деформаций теплоизоляционные материалы с более низкими значениями коэффициента теплопроводности должны находиться в конструкции на большей глубине.

Теплоизоляционные материалы должны сохранять свои свойства под воздействием влаги, температуры и агрессивных вод, быть биостойкими, выдерживать нагрузки, возникающие при укладке и уплотнении вышележащих слоев дорожной одежды.

Ширина теплоизолирующего слоя должна быть больше ширины проезжей части на 1—2 м для изоляции и защиты грунтов земляного полотна под дорожной одеждой от действия холода со стороны обочин.

8.21 При проектировании реконструкции (капитального ремонта) пучинистых участков дорог необходимо максимально использовать существующую дорожную одежду и земляное полотно.

Для принятия обоснованных решений по методам регулирования водно-теплового режима дорожной конструкции необходимо проведение детальных инженерно-геологических обследований отдельных участков дороги, подверженных пучинообразованию, с целью получения достоверных данных о состоянии земляного полотна, водоотводных и дренажных устройств.

8.22 Оценка состояния земляного полотна, водоотводных и дренажных устройств осуществляется на основании изучения материалов эксплуатационной службы, визуальных и инструментальных обследований. В результате должны быть получены материалы, характеризующие:

– наличие и состояние пучинистых участков с недостаточной несущей способностью грунта земляного полотна;

– наличие и состояние водоотводных и дренажных устройств, грунтовые и гидрологические условия;

– конструкцию земляного полотна и дорожной одежды, толщину, материал и состояние отдельных конструктивных слоев;

– прочность дорожной конструкции.

8.23 Участки подлежащей реконструкции (капитальному ремонту) автомобильной дороги с недостаточной несущей способностью грунтов земляного полотна должны быть детально обследованы в весенний период с целью установления причин избыточного увлажнения. Прежде всего необходимо установить источник увлажнения земляного полотна (глубину залегания грунтовых вод, наличие и продолжительность застоя поверхностных вод у насыпи, степень увлажнения земляного полотна выпадающими осадками), вид грунтов, тип и толщину конструктивных слоев, наличие дренажных устройств и их способность к дальнейшей работе.

8.24 Мероприятия по регулированию водно-теплового режима земляного полотна назначают исходя из наличия и состояния водоотводных и дренажных устройств, прочности существующей дорожной одежды и принятых решений по реконструкции (капитальному ремонту) дороги.

8.25 На участках уширения проезжей части при частичной потере прочности (коэффициент запаса прочности К_пр > 0,8) из-за переувлажнения грунтов земляного полотна и неукрепленных слоев дорожной одежды необходимо предусматривать устройство ровиков уширения и принятие мер по улучшению условий отвода поверхностных и понижения уровня грунтовых вод в зависимости от выявленных источников увлажнения. Ровики уширения устраивают на величину уширения проезжей части и укрепительной полосы со срезкой обочины, заглубляя их не менее чем на 5 см ниже существующего дренажного слоя и обеспечивая тем самым отвод избыточной влаги через обочины.

8.26 Основными мероприятиями, позволяющими уменьшить влажность в грунтах земляного полотна, в зависимости от источников увлажнения являются:

– прочистка существующих канав и кюветов с доведением их уклона до значения не менее 3 ‰ и обеспечением отвода воды к пониженным местам;

– углубление существующих и устройство новых продольных и поперечных канав;

– подсыпка обочин дренирующими песчаными материалами, способствующими улучшению отвода поверхностных вод за пределы полотна и уменьшающими накопление влаги в верхнем слое земляного полотна;

– изоляция земляного полотна от проникновения атмосферных осадков через обочины, проезжую часть и разделительную полосу (при наличии);

– устройство закрытого дренажа, ликвидация переувлажнения очагового характера, выхода ключей, водяных линз, а также в выемках и нулевых местах с целью понижения уровня грунтовых вод.

8.27 При значительной потере несущей способности конструкции (К_пр< 0,8), когда не представляется возможным устранить источник увлажнения без снятия дорожной одежды, когда дорожная одежда полностью разрушена и ее использование неэффективно или увеличение толщины конструкции нецелесообразно, необходима полная замена всей конструкции. В этом случае производят разборку дорожной одежды и назначают мероприятия по снижению влагонакопления грунтов верхних слоев земляного полотна (замену или улучшение свойств грунта, устройство дренажных и теплоизолирующих слоев и прослоек, гидроизолирующих и капилляропрерывающих прослоек).

8.28 В неблагоприятных природно-климатических условиях, когда основное увлажнение происходит от грунтовых вод, в отдельных случаях целесообразно старую конструкцию оставить в теле насыпи, что будет способствовать улучшению водно-теплового режима верхних слоев земляного полотна и дорожной одежды. На основании технико-экономического сравнения сопоставляют это решение со способом, основанным на разборке старой дорожной одежды и использовании материалов после их переработки в новой конструкции.