АНАЛИЗ МЕРОПРИЯТИЙ ДЛЯ ЛИКВИДАЦИИ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Автомобильные дороги являются важнейшим звеном транспортной системы государства, без которого не могут функционировать важнейшие отрасли народного хозяйства. Поэтому крайне важно обеспечить эксплуатационную долговечность и надежность дорожных конструкций, которые во многом зависят от качества и состояния земляного полотна.

В основном деформации земляного полотна связаны с его избыточным увлажнением в осенне-зимний период, значительным разуплотнением и неравномерным пучением в результате замерзания воды в порах грунта и, как следствие, его ослаблением и разрушением в период весеннего оттаивания. В следствии этого считается, что одним из наиболее опасных и непредсказуемых факторов воздействия на грунты земляного полотна при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог является морозное пучение.

Морозное пучение грунта - это результат сезонного объемного расширения воды (примерно на 9%), находящейся в нем до промерзания и дополнительно мигрирующей к границе промерзания в процессе перехода воды из жидкого состояния в твердое (лед). Данное явление в случае его недоучета и несвоевременного назначения противопучинных мероприятий значительно сокращает срок службы автомобильных дорог, а его последствия приводят к серьезным повреждениям дорожных конструкций, которые требуют более сложных ремонтных работ, а вследствие – и большого количества времени и затрат ресурсов на содержание автомобильных дорог.

В практике дорожного и железнодорожного строительства морозное пучение грунтов приводит к образованию так называемых пучин, т.е. локальных взбугриваний земляного полотна, под которыми нередко понимают не только деформации грунтов при зимнем промерзании, но и потерю ими несущей способности весной вследствие осадки и переувлажнения оттаивающего грунта основания.

Рисунок 1. Последствия морозного пучения грунтов земляного полотна на автомобильных дорогах

Защита дорожного полотна от воздействия сил морозного пучения – одна из самых серьезных проблем, с которыми сталкиваются специалисты, работающие в области дорожного строительства. Все существующие противопучинные мероприятия можно разделить на три группы, направленные на регулирование одного из условий возникновения пучинообразования: первая – свойства применяемого грунта; вторая - водный режим земляного полотна; третья – тепловой режим земляного полотна (Рис.2).

Рисунок 2. Мероприятия по борьбе с морозным пучением на автомобильных дорогах

Наиболее эффективными мероприятиями в плане снижения или предотвращения процесса морозного пучения грунтов являются замена пучинистых грунтов непучинистыми, а также мероприятия по устройству теплоизоляционных и морозозащитных слоев.

Практически все грунты (кроме скальных) могут подвергаться морозному пучению, но в наибольшей степени это характерно для глинистых грунтов (суглинки, глины, супеси, мелкие и пылеватые пески), а также для песков, содержащих пылевато-глинистые частицы. В то же время именно глинистые грунты чаще всего применяются при возведении насыпей отечественных автомобильных дорог ввиду их широко распространения по всей территории России (около 90% от всех грунтов). Поэтому наиболее радикальным и дорогостоящим, но эффективным способом решения проблемы морозоустойчивости автомобильной дороги является замена пучинистого грунта земляного полотна непучинистым или слабопучинистым грунтом природного или техногенного происхождения.

В практики отечественного строительства автомобильных дорог данный метод редко применяется для устройства всего земляного полотна из непучинистых грунтов (только лишь в случае устройства рабочего слоя насыпи) ввиду отсутствия подходящих грунтов вблизи места строительства дороги, а также увеличения стоимости строительства за счет дальности возки подходящего грунта к месту возведения насыпей.

Помимо гранулометрического состава грунтов, основными условиями возникновения морозного пучения являются значительное увлажнение грунтов (за счет различных источников поступления влаги в грунт насыпи) и их промерзание (низкие отрицательные температуры воздуха). Принято, что исключение любого из этих двух условий предотвращает само пучение. Мероприятия по регулированию водного режима (путем увеличения высоты насыпи, устройство гидроизолирующих, капилляропрерывающих прослоек, поверхностного водоотвода и дренажных систем) малоэффективны и требуют высоких затрат на их устройство и содержание в период эксплуатации.

В ходе изучения и анализа теоретической информации о процессе морозного пучения, было выдвинуто мнение, что главным из этих двух факторов, который «запускает» не только сам процесс пучения, но и способствует миграции влаги в конструкции земляного полотна, является влияние отрицательных температур воздуха на грунты насыпей. Поэтому сейчас основной метод борьбы с морозным пучением – предотвращение замерзания грунта земляного полотна, за счет устройства морозозащитных и теплоизоляционных слоев, снижающих или исключающие промерзание грунта земляного полотна.

В большинстве случаев морозозащитные слои устраивают из дренирующих материалов – чаще всего из песков. Морозозащитный слой из фильтрующих материалов обычно является и дренирующим элементом конструкции. Однако теплоизоляционными характеристиками песчаный слой не обладает, и поэтому земляное полотно в холодный период года промерзает на значительную глубину. А на участках с неблагоприятными грунтово-гидрологическими условиями толщина морозозащитного слоя из песка может достигать более одного метра, что требует большого расхода песчаного строительного материала, а в случае отсутствия местных песков – увеличения затрат на строительство за счет дальности возки материала.

Рисунок 3. Устройство морозозащитного слоя из песка

В настоящее время в качестве материала для устройства морозозащитных слоев при строительстве отечественных автомобильных дорог как альтернатива устройству традиционных морозозащитных слоев для снижения деформации пучения при промерзании конструкции в условиях сезонного промерзания находит применение пеностекольный щебень.

Пеностекольный щебень – теплоизоляционный материал в виде фракционного щебня из ячеистого стекла, получаемый путем спекания тонкоизмельченного стекла и глицерина. Пеностекольный щебень сочетает в себе уникальные физико-технические характеристики: низкая теплопроводность, высокая прочность на сжатие при малом весе, долговечность, негорючесть, легкость монтажа, негигроскопичность, морозоустойчивость, экологичность. Использование пеностекла исключает необходимость в дренирующем слое и уменьшает несущий слой основания из щебня (Рис.4).

Рисунок 4. Сравнение конструкций дорожных одежд с устройством морозозащитных слоев из пеностекольного щебня и песка

Сегодня основным типом теплоизоляционных материалов, применяемым при строительстве автомобильных дорог в качестве теплоизоляционных прослоек, является экструзионный вспененный полистирол (ЭППС) в виде плит (Рис.5). Пенополистирольные плиты представляют своего рода температурный барьер между слоями дорожного полотна и находящимися внизу грунтами. Но более широкое применение данный материал нашел при возведении насыпей в зоне вечной мерзлоты, нежели в районах с сезонным промерзанием грунтов.

Рисунок 5. Схема дорожной конструкции с термоизолирующим слоем  (для условий сезонного промерзания)

1 - покрытие; 2 - несущее основание; 3 - дополнительный слой основания с термоизолирующей прослойкой; 4 - пучинистый грунт; 5 - термоизолирующая прослойка; 6 - грунт в основании насыпи.

Однако, в ходе анализа всех материалов и технологий по устройству морозозащитных и теплоизоляционных слоев дорожной одежды при сезонном промерзании грунтов, был сделан вывод, что при устройстве данных слоев рассматривается лишь обеспечение морозозащиты только рабочего слоя земляного полотна с целью сохранения целостности покрытия дорожной одежды. Вместе с тем морозному пучению подвергается не только грунты защищенного рабочего слоя насыпи, но и вся грунтовая конструкция земляного полотна в целом, которая может промерзать еще через незащищенные откосы.

Рисунок 6. Влияние отрицательных низких температур через откосы на тепловой режим насыпи

То есть ни одно из существующих мероприятий по обеспечению защиты автомобильных дорог от морозного пучения грунтов не учитывает возможность промерзания земляного полотна через его откосы, которые являются более доступными к проникновению отрицательных температур в зимний период ввиду возможного отсутствия снежного покрова достаточной толщины.

Список литературы:

1. Строительство и реконструкция автомобильных дорог: Справочная энциклопедия дорожника (СЭД). Т. I / А.П. Васильев, Б.С. Марышев, В.В. Силкин и др.; Под ред. д-ра техн. наук, проф. А.П. Васильева. - М.: Информавтодор, 2005.
2. Коротков Е.А. Влияние морозозащитного слоя из гранулированной пеностеклокерамики на морозное пучение грунтов земляного полотна автомобильных дорог: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Тюмень, 2016. - 23 с.
3. Методические рекомендации по проектированию и устройству теплоизоляционных слоев дорожной одежды из пеностирольных плит «Пеноплэкс». – М.: Росавтодор, 2001.