Технология устройства в дорожных конструкциях прослоек из геосинтетических материалов
В статье приведены конструктивные решения дорожных конструкций с применением под низкими насыпями, в нулевых местах и выемках прослоек из геотекстильных материалов, разделяющих вышележащие песчаные слои и основания из пылеватых или глинистых грунтов. В статье рассматривается технология устройства разделительных прослоек и укладываемых по ним песчаных слоев.
Проведенные в 2011 г. на строящихся автомобильных дорогах опытно-технологические работы подтолкнули автора к написанию данной статьи с целью доведения полученного производственного опыта до широкой аудитории читателей-дорожников, занимающихся проектированием и строительством автомобильных дорог.
Условия применения разделительных прослоек
Разделительные прослойки применяют в нижней части невысоких насыпей, в нулевых местах и выемках, когда нижележащие грунты основания являются водонепроницаемыми (пылеватые и глинистые грунты), а также когда существует опасность смешения нижнего слоя насыпи или подстилающего (дренирующего) слоя дорожной одежды с грунтом основания в результате его переувлажнения или (и) выпирания из-под насыпи недостаточно прочного (слабого) грунта основания.
Данные прослойки рекомендуется устраивать из нетканых упрочненных иглопробиванием или термоскреплением геотекстильных полотен, имеющих поверхностную плотность не менее 300 г/м2. Значение поверхностной плотности геотекстильного полотна следует принимать в зависимости от характера разделяемых грунтовых сред. При разделении пылеватых песков, глинистых грунтов (в том числе повышенной влажности и переувлажненных) и нижних слоев насыпей из песчаных грунтов, а также подстилающих дренирующих песчаных слоев дорожной одежды в выемках и нулевых местах рекомендуется использовать нетканые материалы с поверхностной плотностью 350-400 г/м2 и более.
Разрывная нагрузка геотекстильных материалов должна быть не менее 5 кН/м, относительное удлинение - 70 -120%.
Полотно должно обладать фильтрующей и дренирующей способностью, так как наряду с функциями разделения прослойка должна отводить воду, попавшую на нее сверху через обочины и покрытие дорожной одежды, а также способностью к паро- и капилляропрерыванию грунтовой воды. То есть разделительная прослойка должна становиться барьером на пути капиллярной влаги, поднимающейся в тонкозернистом грунте земляного полотна на участках с близким залеганием грунтовых вод, а также парообразной влаги на участках с глубоким залеганием грунтовых вод при наличии водонепроницаемых для атмосферных осадков покрытий.
Рис. 1. Разделительная прослойка под низкой насыпью
Наличие в дорожной конструкции такой прослойки исключает переувлажнение глинистого грунта земляного полотна водой от атмосферных осадков, а также ограждает верхнюю, наиболее напряженную, часть конструкции от переувлажнения водой, поступающей снизу. Применение такой прослойки позволяет снизить толщину песчаного дренирующего слоя.
Использование геотекстиля между глинистым (пылеватым) грунтом земляного полотна и дренирующим слоем предотвращает также загрязнение последнего. Свободная вода, отжатая под действием транспорта в дренирующий слой, не заиливает его, что повышает срок службы дренирующего слоя и морозостойкость дорожной конструкции. Вода, попадающая в зону расположения прослойки, выводится с ее помощью на откос, осушая при этом дорожную конструкцию.
При применении разделительной прослойки из геотекстильного полотна возможно достижение и армирующего эффекта. Армирующий эффект геотекстильной прослойки достигается, во-первых, за счет ее собственной прочности и сопротивляе-мости растягивающим усилиям, во-вторых, прослойка, работая совместно с грунтом, способствует перераспределению напряжений, обеспечивая передачу напряжений с более загруженных зон на соседние недогруженные участки.
Армирующая способность во многом зависит от начальной упругости геотекстиля. Высокая упругость прослойки обеспечивает при сравнительно небольших деформациях грунта появление и рост напряжений в плоскости прослойки, таким образом включаются мембранный и перераспределяющий механизмы взаимодействия ее с грунтом.
Вопрос о целесообразности и эффективности использования прослойки из геосинтетического материала при строительстве, реконструкции или капитальном ремонте автомобильной дороги необходимо решать на основе технико-экономического сравнения традиционного и предлагаемого вариантов дорожных конструкций с обязательным учетом темпов производства работ, транспортных расходов, затрат на машины, механизмы и материалы, ожидаемых сроков службы дороги.
При этом следует учитывать получаемый в сопоставлении с традиционными решениями технический эффект, связанный с повышением надежности дорожных конструкций, качества строительства, долговечности, что не всегда может быть точно оценено. При строительстве и ремонте автомобильных дорог, особенно высоких технических категорий, а также в сложных погодно-климатических и грунтово-гидрологических условиях наличие такого эффекта при его надлежащем техническом обосновании может оказаться более существенным с точки зрения работоспособности и транспортно-эксплуатационных качеств дорожной конструкции, чем получение единовременной экономии средств по другим из сопоставляемых вариантов.
Варианты возможного применения разделительных прослоек из геотекстильных материалов рассмотрим на следующих примерах.
На рис. 1 приведена схема устройства разделительной прослойки под насыпью на основании из глинистого (пылеватого) грунта с малой несущей способностью. Материал прослойки в этом случае укладывают поперечными полосами с перекрытием 30-50 см и выводят за пределы подошвы насыпи с запасом 0,5-1 м в каждую сторону. Сверху отсыпают слой песчаного грунта с коэффициентом фильтрации не менее 0,5 м/сут толщиной не менее 0,5 м. Поверхность слоя планируют под двускатный профиль с уклоном не менее 30%.
Разделительная прослойка в нижней части насыпи может быть устроена в виде обоймы (замкнутой или разомкнутой), когда концы полотен геотекстиля после устройства нижнего слоя заворачивают на его поверхность. При устройстве замкнутой обоймы концы полотна укладывают на поверхность слоя с перекрытием не менее 0,3 м и крепят к слою анкерами (рис. 2).
При устройстве разделительных прослоек в виде обойм в качестве материалов прослоек могут применяться как нетканые, так и тканые геотекстильные полотна.
Рис. 2. Устройство разделительной прослойки с замкнутой обоймой из тканого геотекстильного полотна (автомобильная дорога «Обход территории Национального парка «Беловежская пуща»)
Устройство разделительной прослойки
На рис. 3 приведена конструкция дорожной одежды с разделительной прослойкой из геотекстильного полотна, укладываемой под дренирующим слоем на глинистое грунтовое основание в выемках при строительстве автомобильной дороги «Юго- восточный обход г. Островец» с выходом на автомобильную дорогу М-7 Минск - Ошмяны - граница Литовcкой Республики. Поверхности грунтового основания придается двускатный профиль с поперечным уклоном 30%. Геотекстильная прослойка устраивается на всю ширину земляного полотна с выводом на откосы по 0,5 м с каждой стороны.
При выполнении опытно-технологических работ на данной дороге отрабатывали технологию устройства разделительной прослойки, укладываемой продольными и поперечными полосами. Для выполнения опытно-технологических работ было использовано полотно иглопробивное геотекстильное для транспортного строительства из полипропиленовых волокон термо-упрочненное III типа по стб 1104-98. Поверхностная плотность полотна составляла 370 г/м2, ширина - 530 см, длина полотна в рулоне - 120м.
Рис. 3. Дорожная конструкция с разделительной прослойкой из геотекстиля, укладываемой на глинистое грунтовое основание, в выемке: 1 - глинистый грунт основания; 2 - геотекстильная прослойка; 3 - песчаный дренирующий слой; 4 - обочина; 5 - основание дорожной одежды; 6 – покрытие
Перед устройством прослойки продольными полосами рулоны полотна раскладывали в линию по ширине земляного полотна перпендикулярно его оси таким образом, чтобы обеспечивалось перекрытие краевых частей смежных полотен геотекстиля не менее чем на 0,3 м и выпуск полотна на откосы по 0,5 м с каждой стороны (рис. 4).
После раскатки первых метров торцевую часть полотен закрепляли на поверхности грунтового основания металлическими скобами (рис. 5а). На откосах земляного полотна геотекстильное полотно крепили деревянными колышками, забиваемыми с шагом 1-2 м по краю полотен (рис. 56).
Укладку геотекстильной прослойки выполняли путем раскатки рулонов в продольном направлении относительно оси дороги. Раскатку рулонов и крепление полотен геотекстиля осуществляли вручную звеном из пяти дорожных рабочих. Отдельные по-лотна укладывали с перекрытием их краев, начиная раскатку рулонов от бровок земляного полотна по направлению к оси (рис. 8).
Дальнейшую раскатку рулонов выполняли с периодическим (через 10- 15 м) выравниванием полотна и небольшим продольным его натяжением, без образования складок. Крепление материала прослойки к грунтовому основанию по мере раскатки рулонов осуществляли деревянными колышками по линии перекрытия полотен через 3-5 м (рис. 8).
При проведении опытно-техноло- гических работ отрабатывалась также технология укладки прослойки геотекстильного полотна поперечными полосами (рис. 9). Работы выполнялись в следующей последовательности.
От полотна в рулоне отрезали куски, длина которых соответствовала ширине земляного полотна с запасом на выпуски полотна на откосы (по 0,5 м). Отрезок полотна складывали вдвое по его длине, оставляя открытой кромку геотекстильного полотна содной стороны шириной 0,3-0,4 м. Разложив материал перпендикулярно оси земляного полотна с перекрытием ранее уложенной полосы на 0,3 м, крепили уложенную полосу к грунтовому основанию деревянными колышками или металлическими скобами по линии перекрытия полотен, отгибали сложенную часть полотна в один слой и временно пригружали его по свободной кромке булыжниками или комьями глинистого грунта для того, чтобы исключить попадание воздушных масс под полотно и его поднятие над грунтовой поверхностью, а также предотвратить смещение полосы материала в результате сильных воздействий ветра.
Рис. 5. Закрепление полотен геотекстиля металлическими скобами на начальном участке полотна по ширине земляного полотна (а) и деревянными колышками на откосе (б)
Последующий кусок полотна геотекстиля укладывали с перекрытием предыдущего, величина перекрытия также составляла не менее 0,3 м.
Направление перекрытия полотен вдоль оси земляного полотна назначали с учетом направления движения грунтовой воды в дренирующем слое, то есть с учетом уклона продольного профиля дороги на опытном участке. Вода, движущаяся под уклон по прослойке, не должна попадать под нее и увлажнять глинистый грунт земляного полотна.
При сильном ветре укладку поперечных полос целесообразно вести путем раскатки рулонов в поперечном направлении с одновременным креплением полос к основанию колышками или скобами.
Крепление материала прослойки к грунтовому основанию при его поперечной раскладке также осуществляли по линиям перекрытия полотен деревянными колышками, забиваемыми в грунтовое основание с шагом 1,0-1,5 м. Данные операции по раскладке и креплению повторяли для каждой полосы материала, укладываемой в поперечном направлении.
Поперечную раскладку рекомендуется начинать с низовой стороны земляного полотна по продольному профилю.
Устройство песчаного дренирующего слоя
Для выполнения работ по устройству дренирующего слоя дорожной одежды по уложенной разделительной прослойке из геотекстильного полотна использовали следующий набор машин и механизмов:
• экскаватор с ковшом «обратная лопата» для погрузки песка из штабеля в автомобили-самосвалы;
автомобили-самосвалы для транспортировки песка к месту укладки в дренирующий слой;
• бульдозер для распределения (разравнивания) песка по геотекстильной прослойке;
• автогрейдер для окончательной планировки поверхности дренирующего слоя;
• вибрационный каток для уплотнения песчаного дренирующего слоя. Отсыпку на уложенную прослойку
песка вышележащего дренирующего слоя осуществляли по способу «от себя». Работы по отсыпке начинали с верхней точки продольного профиля на опытном участке.
Рис. 6. Продольная раскладка полотен геотекстиля с перекрытием и креплением их деревянными колышками
Рис. 7. Разделительная прослойка из геотекстиля, уложенная поперечными полосами
Рис. 8. Отсыпка песка дренирующего слоя на геотекстильную прослойку по способу «от себя»
Присыпали начальный участок прослойки по всей ее ширине песком дренирующего слоя, доставку которого из штабеля осуществляли автомобилями-самосвалами, выгружая его по краю уложенной прослойки.
Одновременно с отсыпкой производили распределение(разравнивание) материала поэтапно за несколько проходов бульдозера с последовательной срезкой и надвижкой доставленного материала на прослойку (рис. 8). Первоначально толщина отсыпаемого слоя песка в рыхлом состоянии составляла 0,20-0,25 м. Окончательную планировку слоя осуществляли автогрейдером.
Отсыпать дренирующий слой сразу на проектную толщину (40 см в плотном теле) и выполнять уплотнение слоя до проектной плотности не представлялось возможным, так как подачу песка дренирующего слоя выполняли по способу «от себя», а по неуплотненному слою невозможен был проезд груженых автомашин. Поэтому отсыпку песчаного дренирующего слоя производили в два этапа.
Уплотнение песка нижней части дренирующего слоя осуществляли вибрационным катком массой 15 тонн без включения вибратора (рис. 8). Работа катка с включенным вибратором велась только при окончательном уплотнении дренирующего слоя при отсыпке его на проектную толщину.
По мере отсыпки и разравнивания песка дренирующего слоя подачу материала из штабеля осуществляли автомобилями-самосвалами, которые заезжали задним ходом на отсыпанный слой и выгружали песок по его краю.
Заключение
По результатам проведенных опытно-технологических работ можно сделать следующие выводы.
Укладку разделительных прослоек можно производить продольными и поперечными полосами. С целью экономии средств при продольной раскладке следует учитывать необходимую ширину полотна в рулоне исходя из требуемой величины перекрытия смежных полотен (не менее 0,3 м), их количества, ширины прослойки, величины выпусков полотна на откосы или за пределы земляного полотна. Продольная раскладка рекомендуется при устойчивом грунтовом основании. В этом случае крепление геотекстиля можно осуществлять деревянными колышками.
При укладке прослойки на основание из переувлажненного глинистого грунта укладку геотекстиля следует производить поперечными полосами с перекрытием смежных полотен на 0,3-0,5 м. В этом случае крепление полотен осуществляют ме-таллическими анкерами или скобами.
Разделительная прослойка должна укладываться с поперечным уклоном не менее 30%.
Для устройства прослоек используют нетканые геотекстильные полотна: обычные, термоупрочненные или термоскрепленные. Для устройства прослойки на неустойчивом грунтовом основании с образованием поверх вышележащего слоя замкнутой обоймы могут применяться и высокопрочные тканые геотекстильные полотна. При устройстве замкнутой или разомкнутой обоймы геотекстильный материал, выведенный за пределы подошвы укладываемого слоя на время его отсыпки и уплотнения, должен быть свернут в виде рулонов, которые должны храниться на сухом грунте и быть защищены от прямого солнечного облучения. В случае если они завернуты в материал, непроницаемый для ультрафиолетового излучения, необходимость в какой-либо защите
от солнечного света отпадает.
Перед отсыпкой грунта проверяют качество уложенной прослойки путем визуального осмотра и фиксации сплошности, величины перекрытия, качества стыковки полотен. Также визуально оценивают качество самого геотекстильного материала. По результатам осмотра составляют акт на скрытые работы, где приводят результаты осмотра, указывают данные о поставщике и характеристики материала, указанные в паспорте на партию или на этикетках рулонов, а также данные, полученные при приемке полотна (прежде всего массу 1 м2 и ширину полотна). В случае несоответствия фактических данных, приведенным в паспорте, на этикетке или общим требованиям производство работ следует приостановить и провести контрольные испытания образцов геотекстильного полотна.
Отсыпку на прослойку материала вышележащего слоя необходимо вести с таким расчетом, чтобы открытый геотекстильный материал находился под действием солнечного света не более 5 часов.
Отсыпку материала на разделительную прослойку ведут по способу «от себя» без заезда занятых на строительстве машин и механизмов на открытое полотно. Толщина отсыпаемого слоя в плотном теле должна быть при устройстве прослойки из геотекстильного материала на слабом основании не менее 20 см при разовом пропуске транспорта, на устойчивом основании — не менее 15 см.
Разравнивание отсыпаемого непосредственно на прослойку материала ведут бульдозером с последовательной срезкой и надвижкой его не менее чем за три прохода. Планировку поверхности уложенного слоя выполняют автогрейдером.
Уплотнение отсыпанного по прослойке слоя начинают легкими катками и выполняют от середины к краям насыпи. Окончательное уплотнение выполняют тяжелыми катками на пневматических шинах или вибрационными катками.
В. В. Штабинский, к. т. н., БелдорНИИ
Материал из журнала «Мир Дорог» №67