Регулирование вводно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог

Целью проектирования земляного полотна является создание стабильного, малоизменяющего свои прочностные свойства земляного полотна в процессе всего периода эксплуатации дороги.

Мероприятия по регулированию вводно-теплового режима земляного полотна направлены на ограничение доступа влаги к верхней части земляного полотна, воспринимающей нагрузки от автомобильного транспорта – рабочему слою и на защиту его от промерзания.

Связный грунт, уплотненный при оптимальной влажности до коэффициента уплотнения К_упл = 0,99–1,00, практически не пропускает капиллярную воду. Но находясь в переувлажненном состоянии при переменном замораживании и оттаивании, он разуплотняется. В этой связи влажность грунта в течение года следует поддерживать не более (0,60–0,70) W _т.

Методы, направленные на ограничение доступа влаги к рабочему слою, заключаются в следующем:

1. Возвышение верха дорожной одежды по оси дороги над расчетным уровнем грунтовых вод (II тип местности по характеру увлажнения) или над уровнем длительно стоящих поверхностных вод (III тип местности по характеру увлажнения) должно соответствовать требованием СНиПа [2].

2. Устройство капилляропрерывающих прослоек, назначение которых состоит в прерывании поднятия воды, поднимающейся снизу по капиллярам (рис. 2.2,а). Прослойки устраивают из крупнопористых материалов: шлака, щебня, гравия и др. Общую толщину прослойки определяют по формуле

 

h = h _к + 2a,

где h _к– высота максимального капиллярного поднятия воды в материале прослойки;

a –толщина противозаиливающего слоя, укладываемого сверху и снизу.

Противозаиливающие слои устраивают из природных материалов: высевок, осушенных торфа или мха толщиной 3–5 см. В настоящее время капилляропрерывающие прослойки устраивают также из геосинтетических материалов: сплошных нетканых толщиной не менее 4–5 мм в уплотненном состоянии или из многослойных геокомпозитов.

Капилляропрерывающие прослойки устраивают на всю ширину земляного полотна с поперечным уклоном не менее 30 ‰, направленным к обочинам. Прослойки размещают с шагом 0,5–1,0 м, так чтобы верхняя прослойка располагалась на границе рабочего слоя (на глубине не менее 1,5 м от верха дороги), а нижняя – на 0,2–0,3 м выше возможного уровня грунтовых вод или уровня подтопления дорожной конструкции.

3. Устройство водонепроницаемых прослоек, прерывающих движение воды как снизу вверх, так и сверху вниз (рис. 2.2, б).

Рис. 2.2. Мероприятия по регулированию ВТР земляного полотна:

а – гидроизолирующие прослойки; б – капилляропрерывающие прослойки; 1 – гравий, щебень; 2 – крупнозернистый материал прослойки; 3 – противозаиливающая прослойка; 4 – уровень грунтовых вод; 5 – гидроизолирующая прослойка из грунта, обработанного органическими вяжущими материалами, или прослойка из водонепроницаемых материалов – геомембрана; 6 – возвышение над горизонтом поверхностных вод не менее 0,2 м

 

Водонепроницаемые прослойки устраивают из грунта, обработанного органическими вяжущими, битумонизированной бумаги и геомембраны из полиэтилена высокой плотности.

Схема расположения гидроизолирующих прослоек та же, что и капилляропрерывающей прослойки. Может использоваться прослойка замкнутого типа – конструкция грунт в обойме. Очень важно в этом случае, чтобы грунт в процессе производства работ не был переувлажнен: влажность его должна отличаться от оптимальной не более чем на 10 %.

4. Понижение уровня грунтовых вод с помощью устройства дренажа – продольных траншей, в которые укладываются трубы – дрены. Траншея заполняется фильтрующим материалом по типу обратного фильтра. Это мероприятие технически выполнимо, если имеются условия для отвода воды собирающейся в дренажах, в пониженные места в стороне от дороги. В равнинных условиях при уклонах местности порядка 5 ‰ устройство дренажей и отвод из них воды практически невозможны.

5. Замена пучинистого грунта на непучинистый. Это мероприятие применяется при невозможности применения вышеприведенных мероприятий. Связный пылеватый грунт удаляется глубину рабочего слоя с замещением его на дренирующий грунт с коэффициентом фильтрации не менее 0,5 м/сут.

Мероприятия по регулированию теплового режима направлены на исключение или уменьшение глубины промерзания грунта земляного полотна. Тем самым удается уменьшить процесс миграции влаги снизу вверх, а при полном исключении промерзания грунта рабочего слоя предотвратить образование пучин.

Мероприятие заключается в устройстве в теле земляного полотна теплоизолирующих прослоек. Различают прослойки конструктивно-теплоизолирующие, являющиеся конструктивными слоями дорожной одежды. Их устраивают их легких пористых материалов: шлака, пемзы, асфальтобетона или цементобетона на легких заполнителях, грунтов, укрепленных вяжущими с добавлением легких фракций и др. Толщину конструктивно-теплоизолирующих прослоек подбирают на основе теплотехнических расчетов и учитывают при расчете прочности дорожной одежды.

Прослойки, выполняющие роль только теплоизолятора, как правило, имеют малую прочность и модуль упругости. К ним относят местные материалы: осушенные торф, мох и искусственные материалы на основе пенополистирола.

Жесткие плиты из пенополистирола, например, материал «Пеноплекс», выпускаемый отечественной промышленностью, имеет плотность порядка 25–40 кг/м³, коэффициент теплопроводности порядка 0,03 Вт/м², прочность на изгиб 5 МПа.

Чем выше в дорожной конструкции расположена прослойка из пенополистирола, тем эффективней ее действие, но в этом случае теплоизолирующий слой воспринимает значительные сжимающие и изгибающие напряжения от нагрузки, что недопустимо из-за его невысокой прочности. Рациональная глубина его заложения колеблется в пределах 0,5–0,8 м, считая от поверхности покрытия. Толщина слоя теплоизоляции из пенополистирола изменяется от 5 до 10 см.

Поскольку глубина промерзания дорожной одежды наибольшая под осью проезжей части, разрешается теплоизолирующие слои устраивать переменной толщины. Толщина теплоизолирующего слоя под обочинами может быть уменьшена на 25 %.