ГлавнаяПоскольку очевидно влияние погодно-климатических факторов, следовательно, и минимальные плотности, обеспечивающие достаточную устойчивость грунтов, должны различаться по дорожно-климатическим зонам. Для конкретных климатических условий характерной является какая-то определенная плотность грунта, которая устанавливается в дорожных насыпях с течением времени под влиянием нагрузок и погодно-климатических факторов. Такие плотности приобретают грунты насыпей, недостаточно уплотненные в процессе возведения, а в условиях влажного климата и грунты, которые хотя и были хорошо уплотнены, но имели пониженные влажности.
Эти положения следуют из приведенных выше закономерностей деформаций грунтов при воздействиях влаги и отрицательной температуры. Для того чтобы выяснить такие характерные плотности, еще в тридцатых годах были предприняты исследования, которые проводились Н. Н. Ивановым, М. Я. Телегиным и Н. В. Хлебниковым на автомобильных дорогах и Б. Д. Хействером на железных дорогах. В дальнейшем, уже в послевоенное время такие исследования были значительно расширены и выполнялись в разных дорожно-климатических зонах. Им способствовали массовые обследования дорожной сети России, проводимые Союздорнии, его Ленинградским филиалом и ХАДИ. Часть этих работ осуществлялась в связи с исследованиями по уплотнению грунтов. В результате был получен обширный материал, позволивший установить характерные плотности грунтов земляного полотна, которые достигаются в результате эксплуатации автомобильных дорог через 10—20 лет и более после строительства. Эти характерные плотности грунтов принято называть «бытовыми» (табл. 15). Каждое из приведенных в табл. 15 значений, как правило, является средним 20—70 определений.
Данные таблицы указывают на большую зависимость бытовых плотностей грунтов от климатических условий. Чем южнее расположена насыпь, тем меньше бытовая плотность грунта. Оказалось, что если бытовую плотность, характерную для II дорожно-климатической зоны, принять за единицу, то в III зоне она равна 0,94, а в IV зоне — 0,89. Очевидно, такие различия могут быть допущены и при выводе норм плотностей для вновь строящихся насыпей. Однако ввиду небольших различий как между бытовыми плотностями, так и условиями работы грунтов во II и III дорожно-климатических зонах дифференцировать нормы плотности здесь вряд ли целесообразно. Между тем эти различия существенны при сопоставлении II и IV зон и поэтому дифференцирование здесь становится уместным.
Бытовые плотности грунтов под проезжей частью больше, чем под обочинами, в среднем в 1,03 раза, что объясняется более высокими нагрузками. Вообще грунты под обочинами как будто и не подвергаются воздействиям от движения автомобилей. Однако в действительности такие нагрузки имеются и не только из-за случайных выездов автомобилей на обочины, но главным образом благодаря распределяющей способности дорожной одежды, в результате чего уже на весьма небольшой глубине грунты, расположенные под обочинами, оказываются под нагрузкой. Этим и объясняется сравнительно небольшое различие в бытовых плотностях грунтов, расположенных под проезжей частью и несколько в стороне от нее.
Согласно техническим правилам верхняя часть земляного полотна автомобильных дорог, которая подвергается действию нагрузок и промерзает, должна быть поднята, что исключает воздействие на грунты напорных вод. Поэтому необходимость в дифференцировании норм плотностей грунтов верхних слоев насыпей по типам местности отпадает, но зато она необходима для нижних слоев, которые по условиям местности могут подвергаться постоянным или периодическим подтоплениям водой.
Для тех частей насыпей, грунты которых подвергаются только водным и силовым воздействиям, т. е. для грунтов, не находящихся в зоне промерзания, в качестве минимальных значений могут быть приняты стабильные плотности. На рис. 2 совмещены кривые распределения напряжений по глубине и соответствующая этому распределению кривая стабильных плотностей грунтов, устанавливающая минимальные значения плотностей, при которых в случае водных воздействий просадочные деформации отсутствуют. Из рис. 2 видно, что плотности грунтов в насыпях там, где возможны водные воздействия, не должны быть ниже 0,92δmax, причем это значение соответствует глубине 1,5—2 м, на которую воздействия от движущихся автомобилей уже не распространяются, а нагрузки от расположенных выше масс грунта еще малы. Грунты, расположенные в зоне действия транспортных нагрузок, должны быть уплотнены до плотности, близкой к 0,95δmax. Эту плотность и можно принять в качестве требуемой для тех слоев насыпей, которые расположены вне зоны промерзания. Таким образом, из условия устойчивости грунтов по отношению к действию влаги вытекает необходимость в дифференциации плотности как по типам местности, так и по высоте расположения рассматриваемого слоя грунта в насыпи.
Грунты, расположенные в зоне промерзания и оттаивания, должны быть устойчивыми по отношению к действию влаги и отрицательной температуры. Именно эти верхние слои насыпей подвергаются действию и самых высоких нагрузок, что ставит грунты в очень тяжелые условия работы. При назначении требуемых плотностей следует учитывать их критические значения, которые для связных грунтов оптимальной влажности составляют (1—1,02)δmax. Эти значения и следует принять за верхний предел рекомендуемых плотностей. Выше уже отмечалось, что превышение верхнего предела нежелательно, но и маловероятно.
Полностью исключить вероятность морозных поднятий можно только в весьма редких случаях, когда насыпи возводятся из крупнозернистых материалов, во всех остальных случаях морозное пучение будет происходить. Поэтому важно создать условия, при которых оно не повлечет за собой недопустимые деформации дорожных покрытий. Нижний предел допустимых плотностей грунтов следует назначать таким, чтобы морозное пучение не превзошло допустимые значения, зависящие от типа дорожных покрытий. По этому признаку и следует дифференцировать нормы плотностей грунтов. В тех случаях, когда морозное пучение местных грунтов даже при интенсивном уплотнении превосходит допустимые пределы, они должны быть заменены другими грунтами. Во всех случаях плотности грунтов должны превосходить 0,95δmax, иначе возникает опасность значительного морозного пучения. Такая же плотность для верхних слоев насыпей может быть допущена лишь в местах, где морозные воздействия практически отсутствуют.
При морозных воздействиях деформации дорожных покрытий возникают ввиду неравномерности поднятия. Наблюдениями установлена связь между неравномерностью и общей величиной поднятия дорожного покрытия.
Чем больше общая величина морозного поднятия, тем в большей мере проявляется и его неравномерность. Величина морозного поднятия зависит от относительного морозного пучения грунта и от глубины промерзания.
Влияние неравномерности морозного поднятия поверхности и его абсолютной величины на деформацию и нарушение сплошности дорожных покрытий, устраиваемых из разных материалов, исследовалось С. В. Бельковским, Н. А. Пузаковым, М. И. Сумгиным и Н. Н. Ивановым. За рубежом известны работы Ф. Кеглера и Шейдинга, а также А. Баракода и О. Маронца. Результаты этих исследований позволяют полагать допустимыми значения морозных поднятий, представленные в табл. 16.
Величина относительного морозного пучения должна служить основанием для разделения грунтов на пучинистые и непучинистые. Грунты, которые могут быть уплотнены до состояния, при котором относительное морозное пучение при данном типе покрытия менее допустимого, можно отнести к непучинистым грунтам. В противном случае грунты являются пучинистыми. Уплотнение не придает им достаточной устойчивости, и потому они подлежат частичной пли полной замене. Для непучинистых грунтов предельно допустимая величина морозного пучения должна служить критерием при выборе нижнего предела требуемых плотностей. Очевидно, что эти плотности должны быть такими, чтобы исключить возможность превышения допустимых морозных поднятий дорожных покрытий.
С учетом приведенных соображений и разработаны вошедшие в СНиП нормы плотностей грунтов насыпей автомобильных дорог (табл. 17). В этой таблице приведены минимальные требуемые значения коэффициентов уплотнения, т. е. относительных плотностей, для которых за единицу приняты значения максимальной стандартной плотности.
Приданная грунтам плотность, даже если она высока, сохраняется и потому за счет повышения прочности земляного полотна может быть снижена толщина дорожной одежды и тем самым достигнута экономия в средствах. Вместе с тем нельзя требовать и непременного превышения этих норм, так как при недостаточной влажности грунтов это связано с большими трудностями, а иногда и со значительными затратами. Опыт показывает, что достижение в IV—V дорожно-климатических зонах тех же плотностей, которые обязательны для II зоны, возможно лишь после искусственного увлажнения грунтов, что повышает затраты на уплотнение в 3—4 раза. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо решать, что выгоднее: увлажнение грунта и последующее уплотнение его до высоких плотностей или же уплотнение до минимально допустимой плотности, приведенной в табл. 17, и устройство дорожной одежды с большей по сравнению с предыдущим случаем толщиной.
Выше была показана принципиальная возможность повышения прочности и устойчивости грунтов, влажности которых менее оптимальных, путем уплотнения грунтов до плотностей, при которых объем пор, занятый воздухом, имеет то же значение, что и в грунтах оптимальных влажностей. Такие плотности можно найти, используя следующую зависимость:
где δ и δ0 — требуемые плотности грунта пониженной и оптимальной влажностей; Δ — удельная плотность грунта, г/см3; W и Wo — влажность и оптимальная влажность грунта, %.
Плотность воды, равная единице, в формулу не введена, в связи с чем имеется кажущееся несоответствие размерности. Требуемые плотности грунта δ и δ0 могут быть выражены как в абсолютных (г/см3), так и в относительных единицах.
В США нормы плотности дифференцируются только по видам грунтов. Грунты разделяются по максимальным значениям плотностей, полученным в результате уплотнения грунтов в приборе Проктора. Чем меньше максимальная плотность грунта, тем больше требуемый коэффициент уплотнения. При изменении максимальной плотности от 1,91 до 1,65 г/см3 коэффициент уплотнения повышают от 0,98 до 1.02. При возведении насыпей автомобильных дорог и других земляных инженерных сооружений, например плотин, затраты на уплотнение грунтов практически не ограничиваются и потому их укатка производится до полного «отказа». По уплотняемому слою пропускают сверхтяжелый каток на пневматических шинах массой 200 т. По отсутствию деформаций грунта судят о достаточности его уплотнения. Предполагается, что затраты на уплотнение грунтов всегда окупаются в дальнейшем их высокой устойчивостью.
В ФРГ, где метод Проктора введен сравнительно недавно, нормы плотностей грунтов насыпей дифференцированы по типам устраиваемых покрытий и видам грунтов. Учитывается также и глубина расположения слоя. Нормы выведены в целях придания грунту достаточной прочности и устойчивости под транспортными нагрузками. Морозные воздействия ввиду сравнительно мягкого климата не учитываются. Верхним слоям насыпи (до 0,2 м), устраиваемым из связных и несвязных грунтов под цементобетонные покрытия, рекомендуется коэффициент уплотнения, равный 1,03.
В Англии требуемая плотность грунтов устанавливается по объему пор. занятых воздухом. Эти объемы не должны превышать 5% для верхних слоев насыпей и 10% для нижних. В последнем случае коэффициент уплотнения небольшой — он близок к 0,90. Такая низкая плотность может обеспечить удовлетворительную устойчивость грунтов только в специфических, характерных для этой страны климатических условиях, обусловливающих постоянную влажность грунтов и отсутствие промерзания. Плотность, определяемая коэффициентом уплотнения 0,90, для грунтов, обладающих высокой влажностью, установлена и в Японии. В этой стране переувлажненные грунты имеют широкое распространение. Высокая влажность делает труднодостижимой даже такую низкую плотность.
Во Франции требуемая плотность грунтов в насыпях для верхнего слоя толщиной 0,5 м определяется коэффициентом уплотнения, равным единице, а для остальных слоев насыпи — 0,90. При этом грунты испытывают в нормальном приборе Проктора. Такая плотность считается достаточной ввиду весьма небольших глубин промерзания.
В Италии принято испытывать грунты в модернизированном приборе Проктора. Требуемая плотность здесь определяется коэффициентом уплотнения, равным 0,95, что соответствует максимальной плотности, полученной при уплотнении грунтов в обычном приборе Проктора. Большое распространение связных грунтов, по-видимому, и явилось причиной более высоких требований к плотностям грунтов.
Из приведенного сопоставления принятых в разных странах норм плотности грунтов видно, что все они отображают местные климатические условия, и чем последние однороднее, тем меньшая дифференциация допускается в нормах. Верхние значения принятых коэффициентов уплотнения хотя иногда (например, в США и ФРГ) и близки к их критическим величинам, но не превосходят их. В большинстве стран более высокие требования соответствуют верхним частям насыпей, находящимся под действием нагрузки от движущихся автомобилей.
Каждому типу машин, применяемых для уплотнения грунтов, соответствует своя влажность, при которой достигается лучший эффект уплотнения. Вместе с тем максимальный эффект достигается, когда развивающиеся в грунтах напряжения близки к их пределам прочности. Из этих соображений и выбираются параметры современных машин для уплотнения грунтов. Соответствующая этим напряжениям влажность, которая при прочих равных условиях обеспечивает получение максимальной плотности, несколько ниже оптимальной влажности и в среднем равна (0,85—0,9) W0. Поэтому и следует стремиться вести уплотнение при влажностях грунтов, находящихся в пределах (0,85—1) W0. Насыпи приходится возводить из грунтов, имеющих весьма различные влажности. Во II, частично и в III дорожно-климатических зонах, а весной и в начале лета также и в IV и V зонах естественные влажности близки к оптимальной, что значительно облегчает строительный процесс.
Проблема уплотнения грунтов, имеющих влажность менее оптимальной, может быть решена их увлажнением или применением более тяжелых машин. Большие трудности вызывает уплотнение грунтов избыточной влажности, с чем особенно часто приходится иметь дело в северо-западных и северных районах, а в осенний и в зимний периоды на большей части территории нашей страны.
Под переувлажненными понимаются грунты, влажность которых превосходит максимально допустимую величину. Максимально допустимой следует считать влажность, при которой еще может быть достигнута требуемая плотность.
При уплотнении машинами сближение частиц грунтов и агрегатов этих частиц происходит в результате удаления воздуха. Отжатие воды возможно лишь при уплотнении песков вибрированием, т. е. в относительно редких случаях. В уплотненном грунте какой-то объем всегда остается занятым защемленным воздухом, удалить который уже невозможно. Поэтому максимально допустимая влажность грунта в процентах Wmax может быть определена по формуле
где Δ1 — плотность воды (Δ1=1 г/см3); Δ — плотность минеральных частиц грунта; Va — относительный объем защемленного воздуха; δ0 — требуемая нормами плотность грунта, определяемая как δ0 = Kδmax; K — коэффициент уплотнения; δmax — максимальная стандартная плотность.
Определять объем защемленного воздуха следует у грунтов повышенной влажности, подвергающихся нагрузке, что соответствует процессу формирования земляного полотна. Многочисленные измерения в натурных условиях показали, что в подавляющем большинстве случаев в пылеватых и суглинистых грунтах объем защемленного воздуха равен 2—3%. На этот объем оказывает влияние плотность грунта, что видно из рис. 43, полученного в результате исследований, проведенных па девяти видах связных грунтов, содержащих глинистые частицы в пределах от 16 до 42%. При построении графика обобщены результаты 270 измерений. Из графика видно, что с увеличением плотности грунта количество защемленного воздуха уменьшается и для плотностей, которые должны иметь грунты насыпей автомобильных дорог (свыше 0,95δmах), объем этого воздуха составляет около 3%. В уплотненных несвязных грунтах объем защемленного воздуха достигает 6—9,5%. Эти значения и могут быть приняты при определении по формуле (37) максимально допустимых влажностей грунта.
В грунтовой лаборатории Ленинградского филиала Союздорнии в течение ряда лет по запросам производственных организаций исследовали грунты. По результатам исследований можно было, пользуясь формулой (37), определить для каждого вида грунта максимально допустимую влажность. Результаты этой работы обобщены в виде табл. 18, составленной на основе данных по 270 различным грунтам. Отклонение отдельных значений влажности от среднего значения по отдельным видам грунтов находится в пределах 3—10%.
Всякое превышение влажности грунтов по сравнению с максимально допустимыми значениями повлечет за собой недоуплотнение и, следовательно, является недопустимым. Поэтому чтобы исключить возможные ошибки, в таблице приведены не средние величины, а значения, соответствующие нижней границе случайных отклонений. Для тяжелых суглинков и глин допустимое превышение влажности оказалось равным (0,05—0,07) Wо, что близко к точности ее определения, поэтому для этих грунтов при требуемых плотностях (1—0,98)δmах никакого превышения влажности по сравнению с ее оптимальным значением допускать не следует.
Увеличение влажности грунта приводит к росту морозного пучения. Опыты, подобные тем, результаты которых описаны в ранее, показывают, что при влажностях, превышающих оптимальные значения в 1,2—1,3 раза, морозное пучение увеличивается в 2—3 раза по сравнению с величиной, которая соответствует грунтам оптимальной влажности. Поэтому увеличение, влажности для некоторых грунтов, имеющих склонность к пучению, может быть допущено лишь при небольшой общей глубине промерзания, что и оговорено соответствующим примечанием к табл. 18. Если промерзание более глубокое, то верхнюю часть земляного полотна следует возводить только из грунтов оптимальной влажности.
Установленная возможность применения, хотя и в ограниченных пределах, грунтов повышенной влажности расширяет использование местных грунтов и потому ведет к снижению стоимости строительства.
Переувлажненные грунты, т. е. грунты, влажности которых превосходят максимально допустимые значения, применять для возведения насыпей не следует. Обычно их заменяют привозными грунтами. Однако бывают случаи, когда такая замена невозможна. Некоторый опыт в применении переувлажненных грунтов накоплен в Англии и в Японии, т. е. в странах, где природные условия способствуют прониканию в грунты избыточной влаги. Прежде всего принимаются меры к недопущению попадания в грунты дополнительной влаги уже в период строительства. Наиболее дешевым и простым способом является защита поверхности земляного полотна слоем грунта. С этой целью земляное полотно возводят на 15—30 см выше проектной Отметки и перед устройством дорожного основания лишний слой грунта, который воспринял на себя атмосферные осадки, удаляют. Широкое распространение получила защита поверхности земляного полотна пластиковыми рулонными материалами толщиной 0,05—0,02 мм. Рулоны шириной 7,2 м разматывают при помощи простейших приспособлений. После разматывания пластиковый материал прижимается к поверхности земляного полотна слоем песка толщиной 7—8 см. Пластик и в дальнейшем не пропускает влагу, поэтому значительно повышает устойчивость земляного полотна. Эти мероприятия позволяют снизить толщину дорожной одежды.
Для большего сохранения естественной структуры переувлажненных грунтов, при которой они обладают более высокой прочностью, не рекомендуется разрабатывать их бульдозерами. Для этой цели применяют, например, скреперы, которые в меньшей мере разрушают структуру грунта, или другие машины и транспортные средства, рассчитанные на перевозку больших объемов грунта.
Для повышения устойчивости переувлажненные грунты улучшают. Существует несколько методов улучшения: химический, осушение в сушильных барабанах, введение в грунты различных добавок.
При химическом способе улучшения в переувлажненные грунты вводят вещества, которые химически взаимодействуют с водой и потому уменьшают влагосодержание. К таким веществам относятся негашеная известь, цемент, гипс. Наибольшую популярность приобрела негашеная известь, которая широко применяется для осушения грунтов в ФРГ, Японии и в других странах. Цемент или негашеную известь вводят в грунты и перемешивают с ними. В настоящее время в Японии получил распространение способ, при котором негашеную известь засыпают в скважины, пробуриваемые в грунтовом карьере. Карьер разрабатывается экскаватором, в связи с чем отпадает надобность в специальном смешении.
Метод осушения грунтов до оптимальной влажности в сушильных барабанах весьма эффективен, но дорог и малопроизводителен. Опытные работы, проведенные Ю. Я. Андрейченко, показывают, что использование сушильного барабана асфальтобетонного смесителя позволяет получить производительность в пределах 3—12 м3/ч, что обусловливает высокую стоимость грунта. Поэтому этот метод находит ограниченное применение. В заграничной практике строительства его применяют для устройства верхнего слоя земляного полотна, а также при возведении высоких насыпей из одного карьера.
Самой распространенной добавкой является песок или какой-либо иной гранулированный материал. Обычно достаточная эффективность достигается, когда гранулированный материал добавляется в количестве не менее 50%. Большие трудности возникают из-за необходимости перемешивания его с грунтом. Применяют также абсорбирующие добавки, которые воспринимают на себя часть избыточной влаги. Такой добавкой в Японии часто служит высушенный вулканический пепел. Удовлетворительный эффект получается, когда его содержание достигает 10%.