Пособие . Справочник дорожного мастера. Строительство, эксплуатация и ремонт автомобильных дорог. Учебно-практическое пособие

.
Наименование документа:Пособие
Тип документа:Пособие
Статус документа:действующий
Название рус.:Справочник дорожного мастера. Строительство, эксплуатация и ремонт автомобильных дорог. Учебно-практическое пособие
Область применения:Справочник содержит необходимые сведения по технологии возведения земляного полотна, дорожно-строительным материалам и производственным предприятиям дорожного хозяйства. Изложена технология и организация строительства дорожных одежд, а также правила ремонта и содержания автомобильных дорог. В справочнике даны рекомендации по проектированию, строительству и эксплуатации автозимников и ледовых переправ. В помощь руководителям дорожных хозяйств приведена тарифно-квалификационная характеристика основных профессий и должностей специалистов и рабочих, дан справочный материал по обеспечению рабочих бесплатной специальной одеждой и обувью. Справочник предназначен для инженеров и мастеров, занятых строительством, эксплуатацией и ремонтом автомобильных дорог. Он может быть использован и студентами, обучающимися по специальности «Автомобильные дороги и аэродромы».
Краткое содержание:Введение
РАЗДЕЛ I ВОЗВЕДЕНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
Глава 1. Общие сведения о возведении земляного полотна
Глава 2. Строительство водоотводных устройств и сооружений
Глава 3. Возведение земляного полотна в нескальных грунтах
Глава 4. Сооружение земляного полотна в особых условиях
Глава 5. Планировочные и укрепительные работы
РАЗДЕЛ II ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава 6. Основы дорожно-строительных материалов
РАЗДЕЛ III ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРЕДПРИЯТИЯ ДОРОЖНОГО ХОЗЯЙСТВА
Глава 7. Проектирование производственных предприятий
РАЗДЕЛ IV ДОРОЖНЫЕ ОДЕЖДЫ
Глава 8. Устройство дорожных одежд
РАЗДЕЛ V ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Глава 9. Воздействие автомобильных дорог на окружающую среду
РАЗДЕЛ VI РЕМОНТ И СОДЕРЖАНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
Глава 10. Общие принципы и положения
Глава 11. Содержание автомобильных дорог
Глава 12. Ремонт автомобильных дорог
Глава 13. Капитальный ремонт автомобильных дорог
Глава 14. Основные природоохранные требования и рекомендации при содержании и ремонте автомобильных дорог и инженерных сооружений
РАЗДЕЛ VII ЗИМНИЕ ДОРОГИ И ЛЕДОВЫЕ ПЕРЕПРАВЫ
Глава 15. Зимние дороги
Глава 16. Ледовые переправы
Глава 17. Инструкция по безопасному передвижению по ледовым дорогам, переправам и через водные преграды
РАЗДЕЛ VIII ОРГАНИЗАЦИЯ ДВИЖЕНИЯ НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ
Глава 18. Инженерные устройства
РАЗДЕЛ IX ТАРИФНО-КВАЛИФИКАЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ПРОФЕССИЙ И ДОЛЖНОСТЕЙ СПЕЦИАЛИСТОВ И РАБОЧИХ ДОРОЖНОГО ХОЗЯЙСТВА
Глава 19. Общая часть
РАЗДЕЛ X ТИПОВЫЕ ИНСТРУКЦИИ ПО ОХРАНЕ ТРУДА
Глава 20. Типовые инструкции по охране труда рабочих дорожной отрасли
Глава 21. Типовые инструкции по охране труда машинистов машин и механизмов
Глава 22. Типовые инструкции по охране труда машинистов дорожных машин
Глава 23. Охрана труда. Обеспечение бесплатной специальной одеждой, специальной обувью и другими средствами индивидуальной защиты специалистов, служащих и рабочих дорожного хозяйства
Библиографический список
Дата актуализации текста:01.10.2008
Дата введения:01.01.2005
Дата добавления в базу:01.02.2009
Доступно сейчас для просмотра:100% текста. Полная версия документа.
Опубликован:Издательство "Инфра-Инженерия" № 2005
Документ утвержден:Инфра-Инженерия от 2005-01-01
Документ разработан:
.

СПРАВОЧНИК ДОРОЖНОГО МАСТЕРА

Строительство, эксплуатация и ремонт автомобильных дорог

Учебно-практическое пособие

Москва
Инфра-Инженерия
2005

Содержание

Введение

РАЗДЕЛ I ВОЗВЕДЕНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

Глава 1. Общие сведения о возведении земляного полотна

1.1. Состав дорожно-строительных работ

1.2. Основы комплексной механизации и автоматизации технологических процессов

1.3. Выбор землеройно-транспортных машин

1.4. Методы организации дорожно-строительных работ

1.5. Классификация грунтов

1.6. Расположение грунтов в теле насыпи

1.7. Теоретические предпосылки основ уплотнения земляного полотна

1.8. Определение оптимальной плотности и влажности грунта

1.9. Требования к плотности грунта в теле насыпи

1.10. Выбор машин для уплотнения земляного полотна

1.11. Производство работ по уплотнению земляного полотна

1.12. Контроль качества уплотнения насыпей

Глава 2. Строительство водоотводных устройств и сооружений

2.1. Отвод поверхностных вод

2.2. Понижение уровня и отвод грунтовых вод

2.3. Устройство водонепроницаемых и капилляропрерывающих слоев

2.4. Строительство водопропускных труб

Глава 3. Возведение земляного полотна в нескальных грунтах

3.1. Восстановление и закрепление трассы

3.2. Расчистка дорожной полосы

3.3. Разбивка земляного полотна

3.4. Удаление растительного слоя

3.5. Рыхление нескальных грунтов

3.6. Возведение земляного полотна из боковых резервов автогрейдерами

3.7. Возведение земляного полотна из боковых резервов бульдозерами

3.8. Возведение земляного полотна из боковых и сосредоточенных резервов и грунтовых карьеров скреперами

3.9. Особенности возведения земляного полотна на косогорах

3.10. Возведение земляного полотна из привозного грунта

3.11. Разработка выемок в нескальных грунтах бульдозерами и скреперами

3.12. Разработка выемок экскаваторами

Глава 4. Сооружение земляного полотна в особых условиях

4.1. Особенности возведения земляного полотна в горных условиях

4.1.1. Бурение скальных пород

4.1.2. Взрывчатые вещества, способы и средства взрывания

4.1.3. Производство взрывных работ

4.1.4. Технология возведения земляного полотна в скальных грунтах

4.2. Возведение земляного полотна на болотах

4.2.1 Типы болот и способы возведения на них насыпей

4.2.2. Возведение земляного полотна на поверхности болота

4.2.3. Возведение земляного полотна на болоте с полным или частичным выторфовыванием

4.2.4. Возведение земляного полотна на поверхности болота после устройства дренажных прорезей или дрен

4.3. Возведение земляного полотна в зимних условиях

4.3.1. Правила производства земляных работ в зимних условиях

4.3.2. Предохранение грунтов от промерзания

4.3.3. Рыхление мерзлых грунтов

4.3.4. Оттаивание мерзлых грунтов

4.3.5. Технико-экономическое обоснование способа подготовки грунта к разработке в зимнее время

4.3.6. Особенность возведения земляного полотна в зимнее время

4.4. Возведение земляного полотна в районе вечной мерзлоты

4.4.1. Особенности приложения трассы в районе вечной мерзлоты

4.4.2. Характеристика условий строительства земляного полотна в районе вечной мерзлоты

4.4.3. Технико-экономическое обоснование и технология производства работ

Глава 5. Планировочные и укрепительные работы

5.1. Планировка земляного полотна

5.2. Укрепление земляного полотна

5.3. Контроль качества земляного полотна и правила его приемки

РАЗДЕЛ II ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Глава 6. Основы дорожно-строительных материалов

6.1. Свойства дорожно-строительных материалов

6.1.1. Физические свойства

6.1.2. Механические свойства

6.1.3. Химические свойства

6.1.4. Конструкционные свойства

6.1.5. Технологические свойства

6.1.6. Эксплуатационные свойства

6.2. Природные каменные материалы

6.2.1. Горные породы, их происхождение и классификация

6.2.2. Обломочные горные породы

6.3. Минеральные вяжущие материалы

6.3.1. Воздушная известь

6.3.2. Портландцемент

6.3.3. Особые виды портландцемента

6.4. Цементобетоны

6.4.1. Свойства бетонной смеси

6.4.2. Расчет состава бетона

6.5. Органические вяжущие материалы

6.5.1. Битумы нефтяные

6.5.2. Битумы сланцевые

6.5.3. Каменноугольные дегти

6.5.4. Битумные эмульсии

6.5.5. Добавки, вводимые в органические вяжущие материалы

6.6. Асфальтобетон

6.6.1. Требования к материалам

6.6.2. Структурно-механические свойства асфальтобетона

6.6.3. Нормативные требования к асфальтобетону

6.6.4. Расчет состава асфальтобетонной смеси

6.6.5. Холодный асфальтобетон

6.6.6. Литой асфальтобетон

6.6.7. Дегтебетон

РАЗДЕЛ III ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРЕДПРИЯТИЯ ДОРОЖНОГО ХОЗЯЙСТВА

Глава 7. Проектирование производственных предприятий

7.1. Проектирование карьеров нерудных материалов

7.1.1. Буровзрывные работы

7.2. Базы по переработке нерудных материалов

7.2.1. Технологические процессы переработки камня

7.2.2. Механизация технологических процессов переработки камня

7.2.3. Переработка гравийно-песчаных материалов

7.2.4. Обогащение и улучшение каменных материалов

7.3. Базы битумных материалов

7.3.1. Обезвоживание и нагрев битума

7.3.2. Приготовление битумных эмульсий

7.3.3. Технология получения битума из гудрона на окислительных установках

7.4. Заводы для приготовления асфальтобетонных смесей

7.4.1. Технология приготовления асфальтобетонной смеси

7.4.2. Проектирование генерального плана АБЗ

7.4.3. Переработка старого асфальтобетона

7.4.4 Контроль качества исходных материалов и асфальтобетонной смеси

7.5. Проектирование заводов по приготовлению цементобетонных смесей

7.5.1. Приготовление цементобетонной смеси

7.5.2. Организация складов на цементобетонном заводе

7.5.3. Транспортирование цементобетонных смесей

7.5.4. Проектирование генерального плана цементобетонного завода

7.5.5. Контроль качества цементобетонной смеси

7.6. Технология изготовления железобетонных изделий

7.6.1. Технология изготовления арматурных конструкций

7.6.2. Формовочная оснастка

7.6.3. Уплотнение цементобетонной смеси на стадии формования изделия

7.6.4. Тепловая обработка железобетонных изделий

7.6.5. Организация склада готовой продукции и контроль качества готовой продукции

РАЗДЕЛ IV ДОРОЖНЫЕ ОДЕЖДЫ

Глава 8. Устройство дорожных одежд

8.1. Общие сведения о строительстве дорожных одежд

8.1.1. Классификация дорожных одежд

8.1.2. Теоретические основы повышения устойчивости покрытий низшего типа

8.1.3. Строительство дорожных одежд низших типов

8.1.4. Осушение верхней части земляного полотна и дорожной одежды

8.2. Дорожные одежды с покрытиями переходных типов

8.2.1. Устройство гравийных оснований и покрытий

8.2.2. Устройство щебеночных оснований и покрытий

8.2.3. Устройство мостовых

8.3. Устройство дорожных одежд из укрепленных грунтов и местных малопрочных каменных материалов, обработанных вяжущими

8.3.1. Требования, предъявляемые к грунтам, подлежащим укреплению вяжущим и укрепленному грунту

8.3.2. Укрепление грунтов минеральными вяжущими материалами

8.4. Дорожные одежды усовершенствованных типов

8.4.1. Характеристика усовершенствованных покрытий облегченного типа

8.4.2. Устройство покрытий и оснований способом пропитки

8.4.3. Укрепление щебеночного основания пескоцементной смесью по способу пропитки

8.4.4. Устройство покрытий и оснований способов смешения на дороге

8.4.5. Устройство поверхностной обработки

8.5. Устройство асфальтобетонных покрытий

8.5.1. Транспортирование горячих асфальтобетонных смесей

8.5.2. Организация производства работ

8.5.3. Подготовительные работы

8.5.4. Укладка асфальтобетонной смеси

8.5.5. Уплотнение асфальтобетонной смеси

8.5.6. Особенности строительства покрытий из литых асфальтобетонных смесей

8.6. Устройство цементобетонных покрытий

8.6.1. Требования к материалам, применяемым для устройства цементобетонных покрытий, и дорожному цементобетону

8.6.2. Конструкции дорожных одежд с цементобетонным покрытием

8.6.3. Определение скорости потока и сменной потребности в материалах

8.6.4. Проектирование вариантов машинно-дорожных отрядов

8.6.5. Проектирование технологической последовательности строительства цементобетонного покрытия

8.6.6. Разработка технологических карт на устройство цементобетонного покрытия

8.6.7. Организация строительства однослойного цементобетонного покрытия

8.7. Устройство сборных покрытий из бетонных и железобетонных плит

8.7.1. Конструкции сборных покрытий

8.7.2. Технология строительства сборных покрытий

РАЗДЕЛ V ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Глава 9. Воздействие автомобильных дорог на окружающую среду

9.1. Влияние экологических факторов среды обитания на здоровье населения

9.2. Оценка уровня загрязнения почв в придорожной полосе автотранспортными выбросами свинца

9.3. Оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха

9.4.Оценка уровня шумового воздействия автотранспорта

9.5. Сохранение плодородия земель

9.6. Рекультивация земель

РАЗДЕЛ VI РЕМОНТ И СОДЕРЖАНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Глава 10. Общие принципы и положения

10.1. Классификация работ

10.2. Нормативные требования к эксплуатационному состоянию автомобильных дорог

10.2.1. Общие положения

10.2.2. Требования к эксплуатационному состоянию дорог и улиц

10.2.3. Требования к техническим средствам организации дорожного движения и оборудованию дорог и улиц

10.2.4. Дорожные ограждения и бортовой камень

10.2.5. Методы контроля

10.3. Наиболее распространенные деформации и разрушения земляного полотна и дорожных одежд

10.4. Нормы межремонтных сроков дорожных одежд и покрытий

Глава 11. Содержание автомобильных дорог

11.1. Задачи содержания автомобильных дорог

11.2. Состав работ по содержанию автомобильных дорог

11.3. Содержание автомобильных дорог весной, летом и осенью

11.3.1. Содержание земляного полотна и полосы отвода

11.3.2. Содержание проезжей части

11.3.3. Обеспыливание дорог

11.3.4. Содержание обстановки дороги, зданий и сооружений дорожной службы

11.3.5. Пропуск ледохода и паводка

11.3.6. Особенности содержания дорог в горной местности

11.4. Содержание автомобильных дорог в зимний период

11.4.1. Очистка дорог от снега

11.4.2. Борьба с зимней скользкостью на автомобильных дорогах

11.4.3. Наледи и борьба с ними

11.4.4. Защита автомобильных дорог от снежных лавин

11.5. Озеленение автомобильных дорог

11.5.1. Снегозащитные насаждения

11.5.2. Декоративные насаждения

11.5.3. Уход за насаждениями, их усиление, рубки ухода

Глава 12. Ремонт автомобильных дорог

12.1 Задачи ремонта автомобильных дорог

12.2. Состав работ по ремонту автомобильных дорог

12.3. Ремонт земляного полотна и водоотводных сооружений

12.4. Технология ремонта дорожных покрытий

12.5. Ремонт обстановки дороги

Глава 13. Капитальный ремонт автомобильных дорог

13.1. Задачи капитального ремонта автомобильных дорог

13.2. Состав работ по капитальному ремонту автомобильных дорог

13.3. Технология работ по капитальному ремонту земляного полотна и водоотводных сооружений

13.4. Технология капитального ремонта дорожных одежд

13.5. Капитальный ремонт обстановки дороги

Глава 14. Основные природоохранные требования и рекомендации при содержании и ремонте автомобильных дорог и инженерных сооружений

14.1. Общие требования

14.2. Охрана окружающей среды при ремонте автомобильных дорог

14.3. Охрана природной среды при выполнении работ по содержанию дорог

14.4. Борьба с транспортным шумом

РАЗДЕЛ VII ЗИМНИЕ ДОРОГИ И ЛЕДОВЫЕ ПЕРЕПРАВЫ

Глава 15. Зимние дороги

15.1. Проектирование автозимников

15.2. Строительство автозимников

15.3. Содержание автозимников

Глава 16. Ледовые переправы

16.1. Проектирование ледовых переправ

16.2. Строительство ледовых переправ

16.3. Содержание и ремонт ледовых переправ

Глава 17. Инструкция по безопасному передвижению по ледовым дорогам, переправам и через водные преграды

17.1. Общие требования

17.2. Меры безопасности при ледовых переправах

РАЗДЕЛ VIII ОРГАНИЗАЦИЯ ДВИЖЕНИЯ НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ

Глава 18. Инженерные устройства

18.1. Дорожные знаки

18.2. Дорожная разметка

18.3. Дорожные ограждения

18.4. Направляющие устройства

18.5. Организация движения и ограждение мест производства дорожных работ

РАЗДЕЛ IX ТАРИФНО-КВАЛИФИКАЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ПРОФЕССИЙ И ДОЛЖНОСТЕЙ СПЕЦИАЛИСТОВ И РАБОЧИХ ДОРОЖНОГО ХОЗЯЙСТВА

Глава 19. Общая часть

19.1. Тарифно-квалификационная характеристика специалистов дорожного хозяйства

19.1.1. Мастер участка

19.1.2. Начальник участка

19.1.3. Производитель работ (прораб)

19.1.4. Техник

19.1.5. Лаборант

19.2. Тарифно-квалификационная характеристика рабочих дорожной отрасли

19.2.1. Аппаратчик окисления битума

19.2.2. Асфальтобетонщик

19.2.3. Бетонщик

19.2.4. Вальщик леса

19.2.5. Грохотовщик

19.2.6. Дробильщик

19.2.7. Дорожный рабочий

19.2.8. Землекоп

19.2.9. Изолировщик на гидроизоляции

19.2.10. Каменщик

19.2.11. Мостовщик

19.2.12. Плотник

19.2.13. Стропальщик

19.3. Тарифно-квалификационная характеристика машинистов машин и механизмов

19.3.1. Оператор машин и механизмов

19.3.2. Водитель автомобиля

19.4. Тарифно-квалификационная характеристика машинистов дорожно-строительных машин

19.4.1. Машинист машин и механизмов

19.4.2. Машинист бульдозера

19.4.3. Машинист скрепера

19.4.4. Тракторист

19.4.5. Машинист экскаватора

19.4.6. Слесарь по ремонту дорожно-строительных машин и тракторов

РАЗДЕЛ X ТИПОВЫЕ ИНСТРУКЦИИ ПО ОХРАНЕ ТРУДА

Глава 20. Типовые инструкции по охране труда рабочих дорожной отрасли

20.1. Типовая инструкция по охране труда для бетонщиков ТОИ Р-66-04-93

20.2. Типовая инструкция по охране труда для землекопов ТОИ Р-66-05-93

20.3. Типовая инструкция по охране труда для монтажников стальных и железобетонных конструкций ТОИ Р-66-16-93

20.4. Типовая инструкция по охране труда для стропальщиков ТОИ Р-66-18-93

20.5. Типовая инструкция по охране труда для электросварщиков ручной сварки ТОИ Р-66-20-93

20.6. Типовая инструкция по охране труда для аккумуляторщиков ТОИ Р-66-21-95

20.7. Типовая инструкция по охране труда для арматурщиков ТОИ Р-66-22-95

20.8. Типовая инструкция по охране труда для асфальтобетонщиков ТОИ Р-66-23-95

20.9. Типовая инструкция по охране труда для дорожных рабочих ТОИ Р-66-25-95

20.10. Типовая инструкция по охране труда для изолировщиков на гидроизоляции ТОИ Р-66-27-95

20.11. Типовая инструкция по охране труда для слесарей по ремонту дорожно-строительных машин и тракторов ТОИ Р-66-54-95

Глава 21. Типовые инструкции по охране труда машинистов машин и механизмов

21.1. Типовая инструкция по охране труда для машинистов автомобильных, гусеничных и пневмоколесных кранов ТОИ Р-66-10-93

21.2. Типовая инструкция по охране труда для водителей грузовых автомобилей ТОИ Р-66-24-95

21.3. Типовая инструкция по охране труда для машинистов бетононасосных установок (передвижных) ТОИ Р-66-32-95

21.4. Типовая инструкция по охране труда для машинистов бетоносмесителей передвижных (автобетоносмесителей) ТОИ Р-66-33-95

21.5. Типовая инструкция по охране труда для машинистов компрессоров передвижных с электродвигателем ТОИ Р-66-37-95

21.6. Типовая инструкция по охране труда для машинистов погрузчиков автомобильных ТОИ Р-66-40-95

Глава 22. Типовые инструкции по охране труда машинистов дорожных машин

22.1. Типовая инструкция по охране труда для машинистов бульдозеров ТОИ Р-66-12-93

22.2. Типовая инструкция по охране труда для машинистов экскаваторов одноковшовых ТОИ Р-66-14-93

22.3. Типовая инструкция по охране труда для машинистов автогрейдеров ТОИ Р-66-30-95

22.4. Типовая инструкция по охране труда для машинистов автогудронаторов ТОИ Р-66-31-95

22.5. Типовая инструкция по охране труда для машинистов катков самоходных с гладкими вальцами ТОИ Р-66-36-95

Глава 23. Охрана труда. Обеспечение бесплатной специальной одеждой, специальной обувью и другими средствами индивидуальной защиты специалистов, служащих и рабочих дорожного хозяйства

23.1. Общие положения

Библиографический список

Справочник содержит необходимые сведения по технологии возведения земляного полотна, дорожно-строительным материалам и производственным предприятиям дорожного хозяйства. Изложена технология и организация строительства дорожных одежд, а также правила ремонта и содержания автомобильных дорог.

В справочнике даны рекомендации по проектированию, строительству и эксплуатации автозимников и ледовых переправ.

В помощь руководителям дорожных хозяйств приведена тарифно-квалификационная характеристика основных профессий и должностей специалистов и рабочих, дан справочный материал по обеспечению рабочих бесплатной специальной одеждой и обувью.

Справочник предназначен для инженеров и мастеров, занятых строительством, эксплуатацией и ремонтом автомобильных дорог. Он может быть использован и студентами, обучающимися по специальности «Автомобильные дороги и аэродромы».

КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ:

С.Г. Цупиков, канд. техн. наук, проф. - введение, гл. с I по IX (кроме гл. IV п. 4.1...4.4; гл. VII п.7.1 и 7.2; гл. IX п. 9.1 и 9.2);

А.Д. Гриценко, канд. техн. наук, проф. - гл. с X по XIV;

A.M. Борцов, канд. техн. наук. доц. - гл. XVIII;

И.М. Гуряева, канд. техн. наук, доц. - гл. с XV по XVII;

Т.В. Москвитина, инж. - гл. XIX и XXIII;

Н.С. Казачек, канд. техн. наук, доц. - гл. с XX по XXII;

В.В. Кузьмин, канд. техн. наук, доц. - гл. IV п. 4.1 ...4.4 и гл. VII п.7.1 и 7.1.1;

О.А. Иванова., инж. - гл. IX п. 9.1 и 9.2.

Введение

Автомобильная дорога - это комплекс сложных и дорогостоящих инженерных сооружений, без которых не может работать автотранспорт, перевозящий около 80 % грузов страны. Транспортная сеть влияет на размещение производственных сил, освоение новых районов и природных богатств, способствует повышению эффективного использования местных ресурсов и сельскохозяйственных угодий. Чтобы народное хозяйство работало в нормальных условиях, необходимо иметь 500...600 км автомобильной дороги на 1 тыс. км2 территории. В настоящее время автодорожная сеть Российской Федерации составляет менее 100 км на 1 тыс. км2 территории. Для сравнения, в Испании - 260, в Польше - 980, во Франции - 2420 км на 1 тыс. км2.

От сложности дорожной сети и ее качества зависит эффективность использования автомобильного транспорта и безопасность дорожного движения.

Освоение северных и северо-восточных районов немыслимо без развития сети автомобильных дорог. Строительство дорог в этих районах связано со значительными трудностями, поскольку приходится прокладывать их в сложных природных условиях (пересеченный рельеф, вечная мерзлота, болота, малая продолжительность летнего строительного сезона и др.). Рост объемов дорожно-строительных работ требует не только дальнейшего укрепления производственной мощности дорожно-строительных организаций, но и полного рационального использования техники, существенного улучшения организации и технологии строительства.

Работы по строительству автомобильных дорог можно разделить на подготовительные, строительно-монтажные, заготовительные, включающие работу производственных предприятий и складское хозяйство, транспортные. Затраты труда и материальные ресурсы на разработку месторождений нерудных материалов, переработку, обогащение, приготовление полуфабрикатов и изделий составляют около 50 % от всех затрат на строительство автомобильной дороги. Достаточно сказать, что на строительство одного километра дороги III технической категории требуется: песка - 4500 м3, щебня - 2500 м3 битума - 100 т, минерального порошка - 120 т.

Для строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог и сооружений применяют разнообразные природные и искусственные материалы. Природные строительные материалы добывают в местах их образования, обычно в верхних слоях земной коры (например, песок, гравий). Искусственные строительные материалы изготавливают по специальной технологии из природного сырья или отходов промышленности, из смеси разных материалов, причем, свойства исходных составляющих претерпевают физико-химические изменения, в результате чего получается новый материал с новыми свойствами, отличающийся от исходного сырья. Так, после смешения и уплотнения смеси щебня, песка, цемента и воды и последующего отвердевания смеси получают цементобетон.

Строительные материалы, которые могут быть получены в районе строительства из местного природного сырья или отходов промышленности с использованием для их добычи и переработки сравнительно несложного оборудования, называют местными строительными материалами. Применение местных материалов в дорожном строительстве при рациональном конструировании сооружений снижает их стоимость, экономит материалы промышленного производства, сокращает транспортные расходы и обеспечивает строительству более широкий фронт работ. К этой группе относят песок, гравий, щебень из местных каменных пород.

Материалы из сырья, имеющего ограниченное распространение и для производства которых необходимо заводское оборудование и квалифицированный персонал, называют строительными промышленного (централизованного) производства. К этой группе относят цементы, битумы, дегти, металл, которые поступают на строительство в готовом виде.

При приемке материалов, поступающих на объекты в готовом виде, задача мастера сводится к умению проверить качество, организовать их правильную перевозку, хранение и использование. При добыче, переработке и изготовлении материалов на месте строительства (например, каменных материалов, цементо- и асфальтобетонов) мастер организует и руководит работами в притрассовых карьерах, на бетонных заводах, полигонах и базах. В этом случае необходимо глубоко знать не только свойства исходного сырья, полуфабрикатов, составляющих бетона, но и умело организовать технологию производства материалов. Наряду с этим, мастер обязан организовать систематический текущий контроль производства полуфабрикатов, материалов и изделий, их хранение и использование.

За последние годы были пересмотрены многие строительные нормы и правила, государственные стандарты на материалы, полуфабрикаты, изделия, правила производства работ и другие документы. Внедрены новые технологии скоростного строительства автомобильных дорог и новые высокопроизводительные комплекты дорожных машин и оборудования производственных предприятий.

Прогресс в области дорожно-строительных материалов способствовал повышению требований к ним, а также применению новых материалов, в частности - широкому использованию геотекстиля, пластиковых георешёток, щебеночно-мастичного асфальта и др.

Таким образом, возникла необходимость в издании данного справочника с учетом требований по повышению эффективности производства и качества продукции, а также последних достижений науки и техники.

На строительстве, реконструкции и содержании автомобильных дорог в настоящее время заняты тысячи дорожно-строительных организаций, поэтому потребность в справочной литературе по дорожному строительству очень велика.

РАЗДЕЛ I
ВОЗВЕДЕНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

Глава 1.
Общие сведения о возведении земляного полотна

1.1. Состав дорожно-строительных работ

Все работы, связанные со строительством автомобильных дорог, можно разделить на три группы:

Строительно-монтажные - направлены на создание конечной продукции. При возведении земляного полотна к ним относят:

1. Подготовительные работы:

- восстановление и закрепление трассы;

- расчистка дорожной полосы от леса, кустарника, пней, камней и др.;

- разбивка земляного полотна;

- удаление растительного слоя;

- обеспечение водоотвода.

2. Основные работы:

- разрыхление грунта;

- разработка, перемещение и укладка грунта;

- послойное разравнивание;

- уплотнение.

3. Отделочные работы:

- планировка земляного полотна;

- укрепление откосов земляного полотна;

- рекультивация земель.

Строительно-монтажные работы при возведении земляного полотна подразделяют на линейные и сосредоточенные. Линейными называют работы, объемы которых равномерно распределены по всей строящейся дороге и повторяются на каждом километре лишь с небольшим отклонением. Сосредоточенными называют работы, которые резко отличаются по объему, технологии выполнения от работ, выполняемых на смежных участках.

Заготовительными называют работы по заготовке дорожно-строительных материалов, приготовлению смесей, по производству плит, блоков и др. изделий. Эти работы выполняют на производственных предприятиях; они имеют некоторые преимущества в сравнении с строительно-монтажными работами, а именно:

- постоянство места работы и технологии;

- лучшие условия труда;

- меньшая зависимость от погодно-климатических условий.

Транспортными называют работы по перемещению грунтов, дорожно-строительных материалов.

Складские работы неразрывно связаны со всеми видами работ. Они включают прием, разгрузку, сортировку, хранение в пределах складской территории. Складские работы создают гарантию ритмичной работы строительной организации, но в то же время увеличивают накладные расходы.

Строительно-монтажные, заготовительные, транспортные и складские работы должны быть тесно связаны между собой.

Технологический процесс по устройству дорожной одежды включает:

- предварительную заготовку каменных материалов;

- транспортирование и хранение материалов на складах;

- приготовление различных смесей, изделий и их транспортировку;

- распределение каменных материалов, полуфабрикатов и их уплотнение.

Строители автомобильных дорог кроме земляного полотна и дорожной одежды сооружают водопропускные трубы, мосты, здания дорожно-эксплуатационной службы, производят обустройство автомобильных дорог.

Соотношение между отдельными видами работ в процентах примерно следующее:

- подготовительные работы                                   1...3

- земляное полотно                                                 15...40

- мосты и другие искусственные сооружения      8...12

- дорожная одежда                                                  40...60

- обстановка пути                                                    3...5

- здания дорожно-эксплуатационной службы     1...2

1.2. Основы комплексной механизации и автоматизации технологических процессов

Строительство, ремонт и содержание автомобильных дорог требуют высокоэффективного обслуживания средствами механизации. Механизация работ является основным фактором повышения производительности труда и улучшения качества работ.

Работы, в которых строительные процессы полностью или частично выполняются с помощью машин и механизмов, называют механизированными. Например, к механизированным работам будет отнесено возведение земляного полотна, когда разработка грунта, перемещение, разравнивание и уплотнение его будет выполнено дорожной техникой, а планировка откосов вручную. Механизация резко повышает производительность труда. Например, выработка одного рабочего при приготовлении цементобетонной смеси вручную составляет 2,5...4,0 м3/смену, а при использовании бетономешалки 15 м3/смену, или 1 бульдозер заменяет 150 землекопов.

Уровень механизации строительства оценивают по формуле

Ум = Qм /Qобщ ·100%,                                                                                                  (1.2.1)

где - объем механизированных работ;

Qобщ - общий объем работ в тех же единицах измерения.

Уровень механизации труда характеризует степень использования ручного труда:

Умт = чм/чр·100%,                                                                                                       (1.2.2)

где чм, чр - численность работников, занятых на механизированных операциях и общая численность рабочих.

Комплексной механизацией называют такую организацию труда, когда комплект машин выполняет полный цикл работ

Укм = Qкм /Qобщ ·100%,                                                                                               (1.2.3)

где Qкм - объем работ, выполняемый комплектом машин без использования ручного труда.

Комплексная механизация освобождает человека от тяжелого физического труда при непосредственном выполнении рабочих операций.

Автоматизация является высшей формой комплексной механизации. Она позволяет осуществлять производственные процессы и управление ими без участия человека. Автоматизация обеспечивает резкое повышение производительности труда. Например, выработка одного рабочего на автоматизированном цементобетонном заводе составляет 80 м3 цементобетона в смену против 15 м3 на заводе без автоматизации. Кроме того, автоматизация облегчает условия труда на производстве, улучшает качество выпускаемой продукции, снижает затраты энергии на единицу продукции и стоимость.

Автоматизация может быть полной и частичной. При полной автоматизации весь технологический процесс выполняется и управляется приборами по заранее разработанной программе. Роль человека заключается в настройке и наблюдении за работой приборов. Полная автоматизация освобождает человека от физического труда по управлению машинами и облегчает умственный труд.

При частичной автоматизации управление технологическими процессами осуществляет человек. Уровень автоматизации определяют по формуле

                                                                                    (1.2.4)

где  - сумма произведений количества машино-смен на их стоимость для работ, выполняемых с применена ем автоматизации;

- то же для работ, выполняемых без применения автоматизации.

В настоящее время в дорожном машиностроении освоен выпуск новых дорожных машин и оборудования, снабженных приставками «Автоплан», «Профиль», «Стабилослой» и др. для автоматизации основных технологических операций.

Под индустриализацией дорожного строительства понимают широкое использование в строительном производстве высокопроизводительных автоматизированных комплектов машин. Например, строительство цементобетонного покрытия безрельсовым комплектом машин ДС-110, строительство искусственных сооружений из сборных конструкций. Индустриальное производство создает наилучшие условия для роста производительности труда и снижения себестоимости работ.

1.3. Выбор землеройно-транспортных машин

Грунтово-гидрологические условия по длине трассы, как правило, неоднородны, изменяются и параметры земляного полотна, что обусловливает необходимость использования разнотипных землеройно-транспортных машин для возведения земляного полотна. Каждая машина имеет определенные границы рационального использования (см. табл. 1.1, 1.2).

Таблица 1.3.1

Рациональная дальность перемещения грунта бульдозерами при совместной работе со скреперами или экскаваторами с автомобилями-самосвалами, м

Базовый трактор (бульдозер)

Скреперы на буксире гусеничных тракторов с ковшом емкостью, м3

Экскаваторы с ковшом емкостью, м3 с автомобилями-самосвалами

3,0

7,0

10

0,65

1,25

ДТ-75

40

35

31

93

66

Т-100М

92

59

61

143

80

Т-130

112

69

71

160

90

Т- 180ГМ

115

75

73

170

100

ДЭТ-250

135

93

90

190

110

Таблица 1.3.2

Рациональная дальность перемещения грунта скреперами при совместной работе на участке с экскаваторами с автомобилями-самосвалами, м

Базовым трактор и объем ковша скрепера g, м

Экскаватор с ковшом емкостью, м3

0,65 м3 с автомобилями-самосвалами грузоподъемностью до 5,0 т

1,25 с автомобилями-самосвалами грузоподъемностью до 8,0 т

1,25 с автомобилями-самосвалами грузоподъемностью до 12,0 т

Т-74 (g=3)

400

200

160

Т-100М (g=7)

550

320

290

Т-100М (g=10)

690

400

340

ДЭТ-250 (g=15)

890

600

600

Ведущие и комплектующие машины, а также транспортные средства выбирают в зависимости от дальности перемещения грунта, высоты насыпи (глубины выемки), группы грунтов и др.

Производительности ведущих и комплектующих машин должны быть увязаны между собой, причем ведущие машины для полного их использования могут выполнять и вспомогательные операции благодаря использованию сменного оборудования (навесные рыхлители, откосники для планировки откосов и др.). Комплексная механизация земляных работ обусловливает необходимость комплектования дорожных отрядов (звеньев) различными машинами, соблюдая принципы типажа и взаимодействия их в отряде. Основные данные для выбора машин приведены в [1,2]

При выборе способа производства земляных работ обычно сравнивают следующие основные показатели:

1. Себестоимость единицы продукции

                                                                       (1.3.1)

где  - сумма произведений количества машино-смен на их стоимость, руб.;

 - суммарная трудоемкость работ, выполняемых вручную, чел.-смен;

Ср - средняя счетная дневная ставка рабочих, занятых ручным трудом, руб.;

Сп - стоимость подготовительных и вспомогательных работ, не учитываемых в стоимости машино-смен, руб.;

К1, К2 - коэффициенты, учитывающие увеличение стоимости производства работ за счет накладных расходов.

К1 и K2 = 1 + N/100,                                                                                                   (1.3.2)

где N - норма накладных расходов, принимаемых для К1 = 14...18 % и К2 = 60...80 %;

Q - общий объем планируемых работ, м3.

Стоимость одной машино-смены определяют по формуле

См = С1 + С2 + С3,                                                                                                       (1.3.3)

где С1, С2 и С3 - затраты соответственно первой, второй и третьей групп.

С1 = (С'1 + С'2 + С'3 + С'4)·К1                                                                                      (1.3.4)

где С'1 - отчисление на восстановление первоначальной стоимости, руб.;

С'2 - отчисление на капитальный ремонт, руб.;

С'3 - затраты на транспортировку машин, руб.;

С'4 - затраты на монтаж и демонтаж, руб.;

К1 = 1,1 - коэффициент, учитывающий косвенные расходы (содержание персонала на передачу машины);

С'1 + С'2 - составляют амортизационные отчисления на восстановление первоначальной стоимости машины.

С2 = (С'5 + С'6 + С'7)·К2,                                                                                              (1.3.5)

где С'5 - затраты, связанные с износом деталей, резины и др., руб.;

С'6 - затраты, связанные с текущим ремонтом и обслуживанием, руб.;

С'7 - расходы на топливо, смазку и др., руб.;

К2 = 1,1- коэффициент, учитывающий косвенные расходы (хранение машины и др.).

С3 = С'К3,                                                                                                                 (1.3.6)

где С'8 - заработная плата механизатора, руб.;

К3 = 1,5 - коэффициент, учитывающий начисления на заработную плату.

Из вышеизложенного следует, что фактическая стоимость машино-смены Сф не является величиной постоянной и в значительной степени зависит от годового и внутрисменного использования машины на объекте

Сф = К·С1 + a·С2 + С3,                                                                                               (1.3.7)

где К - коэффициент, учитывающий годовое использование машины.

К = Мп/Мф

где Мп и Мф - число рабочих смен в году, соответственно плановое и фактическое;

a - средний коэффициент, учитывающий использование машины в течение смены.

Таким образом, обобщающим критерием при выборе способа производства земляных работ являются приведенные затраты

Зпр = С + Ен´Куд,                                                                                                         (1.3.8)

где Ен - нормативный коэффициент эффективности;

Куд - удельные приведенные затраты.

                                                                                                            (1.3.9)

где С0 - рыночная цена машины, руб.;

а - расходы по первоначальной доставке машины потребителю с завода, руб.;

Тф - фактическое время, отработанное машиной в течение года, смен;

Пэ- эксплуатационная производительность машины в смену. Выработка одного рабочего составляет (м3/смену)

B = Q/m,                                                                                                                      (1.3.10)

где Q - объем работ, выполняемых отрядом за смену;

m - число рабочих в отряде (звене).

Трудоемкость единицы продукции является величиной, обратной выработке одного рабочего.

T = m/Q                                                                                                                       (1.3.11)

Энергоемкость, характеризующая расход энергии комплекта на единицу объема земляных работ (кВт/м3)

Э = SЭ/Q                                                                                                                     (1.3.12)

где SЭ - суммарная мощность двигателей всех машин, используемых в отряде (звене).

1.4. Методы организации дорожно-строительных работ

До 1940 г., когда материально-технические ресурсы были ограничены, строительство автомобильных дорог велось последовательным или параллельным методом.

Последовательный метод состоит в том, что все строительные процессы выполняют на одном участке дороги, а затем все силы и ресурсы перемещают на следующий участок и так до полного завершения строительства дороги (рис. 1.4.1).

Рис. 1.4.1. Последовательный метод организации работ:
t1, t2, t3 - продолжительность выполнения работ, соответственно на 1....3 участке, смен;
l1, l2, l3 - протяженность участков, км

Продолжительность строительства автомобильной дороги Т равна

T = t1 + t2 + t3,                                                                                                             (1.4.1)

При этом методе достигается концентрация сил и ресурсов строительной организации на коротком участке, чем облегчается руководство работами и контроль за их качеством. Недостатком этого метода организации работ являются неизбежные перерывы в использовании технических и материальных ресурсов из-за отсутствия необходимых заделов, что в конечном итоге удлиняет и удорожает строительство дороги в целом. Тем не менее этот метод организации работ может быть использован и в настоящее время при сооружении земляного полотна в сложных условиях.

Рис. 1.4.2. Параллельный метод организации работ

Параллельный метод заключается в одновременном выполнении комплекса работ на всем протяжении строящейся дороги, разделенной на самостоятельные участки (рис. 1.4.2). Такой способ позволяет значительно ускорить строительство благодаря сосредоточению большого количества трудовых и материально-технических ресурсов многих специализированных подразделений.

Параллельный метод организации позволяет строить дороги форсированно, но требует значительной концентрации на короткий срок трудовых ресурсов и техники на всем протяжении дороги, усложняет управление, снижает использование средств производства, вызывает необходимость частых передислокаций крупных строительных организаций и удорожает строительство. Если средств производства недостаточно, то параллельное производство неминуемо приводит к их технологическому и организационному распылению. Этот метод в настоящее время применяют при необходимости ввода в эксплуатацию дороги в сжатые сроки.

Продолжительность строительства дороги при параллельном методе организации работ

                                                                                                                      (1.4.2)

или

                                                                                                                     (1.4.3)

где lmax - наибольшая продолжительность участка дороги, м;

V - средняя скорость потока, м/смену;

Q - наибольший объем работ на участке;

q - средний темп потока, м3/смену.

Быстрый рост объемов дорожно-строительных работ требует не только дальнейшего укрепления производственной мощности строек, но и полного рационального использования техники, существенного улучшения организации и технологии строительства. Снижение стоимости, повышение качества и сокращение сроков строительства во многом зависят от организации дорожно-строительных работ. Наиболее полно этим требованиям отвечает поточный метод организации строительства.

Поточный метод организации строительства - это такой метод, при котором все работы выполняют передвижные специализированные дорожно-строительные подразделения(звенья), движущиеся по дороге одно за другим в непрерывной технологической последовательности с заданной средней скоростью, обеспечивающей согласованность всего потока. В результате такого последовательного движения в заданный период заканчивается строительство участка дороги, готового к вводу в эксплуатацию.

В основе организационной структуры строительства при поточном методе лежит комплексный поток. Комплексный поток состоит из специализированных дорожно-строительных подразделений, каждое из которых выполняет отдельный вид работ.

На трассе строящейся автомобильной дороги имеются сосредоточенные работы (сооружение мостов, путепроводов, высоких насыпей и глубоких выемок, возведение земляного полотна на болоте и др.), которые могут служить задержкой для продвижения специализированных подразделений, выполняющих линейные работы. Поэтому важнейшим условием успешного применения поточного метода является заблаговременное выполнение сосредоточенных работ. Так как сосредоточенные работы резко отличаются по трудоемкости, технической сложности и другим показателям от линейных работ, для их выполнения создаются особые подразделения. Принципиальная схема поточной организации дорожного строительства показана на рис. 1.4.3.

Рис.   1.4.3.  Принципиальная схема поточной организации дорожного строительства

При изучении и внедрении поточного метода организации работ выявились параметры потока и их взаимозависимости. Параметрами потока называют основные величины, которые характеризуют поток, его построение и организационные особенности (рис. 1.4.4).

Рис. 1.4.4. Фрагмент линейного календарного графика:
1 - поток с переменной скоростью; 2 - потоки с постоянной скоростью. Параметры потока: L - годовой участок работы, А - годовое время действия потока, а - длина комплексного потока, Е - шаг потока, А0 - период развертывания потока, Ас - период свертывания потока, Апр - период выпуска продукции, Ауст - время установившегося потока
Условные обозначения:

-

возведение земляного полотна;

-

устройство песчаного подстилающего слоя;

-

устройство щебеночного основания;

-

устройство асфальтобетонного покрытия.

Годовой участок работы потока «L». Участок дороги в км, на котором осуществляется работа потока в течение года.

Темп (интенсивность) потока «q». Средний объем работ, выполняемый дорожно-строительным подразделением в смену.

Захватка «b». Участок дороги по протяженности равный или кратный скорости потока, на котором расположены средства производства, выполняющие одну или несколько совмещенных операций.

b = V или b = п´V ,т                                                                                                 (1.4.4)

Длина комплексного потока «а». Участок дороги, на протяжении которого располагаются все средства производства, входящие в состав комплексного потока. Длина комплексного потока равна сумме захваток и разрывов (организационных и технологических) между ними.

                                                                                                           (1.4.5)

Годовое время действия потока «А». Календарная продолжительность работы потока в течение года от начала работы первого специализированного подразделения(звена) до конца работы последнего.

Механизированные дорожно-строительные подразделения, как правило, имеют постоянный состав и, соответственно, постоянную производственную мощность, хотя объем земляных работ по трассе распределен неравномерно. В связи с этим ежедневно возводятся неодинаковые по длине участки земляного полотна. При строительстве дорожной одежды объемы работ на значительных по протяженности участках остаются постоянными. Учитывая вышеизложенное, различают два вида потоков:

- с переменной скоростью;

- с постоянной скоростью (рис. 1.4.4).

Шаг потока «Е». Время в календарных сменах между вводом в поток двух очередных звеньев машин.

Период развертывания потока «А0». Время в сменах от начала работы первого специализированного подразделения (звена) до начала работы последнего. Период развертывания потока при постоянном шаге потока, равен

А0 = E(n - 1);                                                                                                               (1.4.6)

при переменном

                                                                                                                  (1.4.7)

где п - число специализированных подразделений (звеньев).

Период выпуска продукции Апр. Разность между годовым временем действия потока А и временем развертывания А0

Апр = А - А0                                                                                                                 (1.4.8)

Период свертывания потока Ас. Время в сменах, необходимое для последовательного вывода из работы всех специализированных потоков после полного окончания выполненных ими работ.

Время установившегося потока Ауст. Это время одновременного действия всех специализированных подразделений

Ауст = А - (А0 + Ас)                                                                                                      (1.4.9)

Параметры потока взаимодействуют между собой. Так, длина годового участка работы L прямо пропорциональна скорости потока V и периоду выпуска продукции Апр

L = V·(A - А0)                                                                                                              (1.4.10)

В свою очередь скорость V и темп потока q зависят от годового времени потока и периода его развертывания

 м3/смену;                                                                                               (1.4.11)

 м3/смену;                                                                                                (1.4.12)

где Q - годовой объем земляных работ, м3

Средняя длина комплексного потока может быть определена по формуле

                                                                                                                 (1.4.13)

Для оценки эффективности поточного метода организации работ определяют условный коэффициент эффективности

                                                                                                     (1.4.14)

Чем больше коэффициент Эп, тем выше эффективность организации работ. Принято считать, что при

Эп > 0,7 - применение поточного метода целесообразно;

Эп = 0,4...0,6 - возможны другие методы;

Эп < 0,3 - поточный метод организации работ неэффективен.

Поточный метод организации работ по сравнению с последовательным и параллельным имеет следующие преимущества:

- обеспечивает расчленение процесса;

- дает возможность равномерно использовать машины и механизмы;

- облегчает снабжение и планирование работ;

- обеспечивает ритмичный выход готовой продукции;

- способствует повышению производительности труда, сокращению сроков выполнения работ, снижению себестоимости строительства, улучшению качества работ.

Для получения высоких показателей при поточной организации работ необходимо:

- наличие тщательно разработанного проекта производства работ;

- организация комплексного снабжения строительства объекта;

- правильное планирование задела;

- хорошее техническое состояние парка дорожно-строительных машин.

1.5. Классификация грунтов

Физико-механические и физические свойства грунтов оказывают существенное влияние на конструкцию земляного полотна, способы производства работ и, в конечном итоге, на стоимость всей автомобильной дороги.

Грунты, используемые для возведения насыпей, разделяют на четыре основные группы: скальные, добываемые путем разрушения естественных сплошных или трещиноватых скальных массивов; крупнообломочные, залегающие в естественных условиях в виде аллювиальных и делювиальных отложений; песчаные; глинистые.

По своим физико-механическим свойствам грунты, залегающие в верхней толще земной коры, подразделяют:

1. Щебенистый грунт - неокатанные остроугольные разрушенные горные породы размером частиц до 200 мм и насыпной плотностью 1750...1900 кг/м3, естественной влажностью 2...6 % и коэффициентом разрыхления 1,3...1,4.

2. Гравелистый грунт - обломочная горная порода, состоящая из несцементированных окатанных зерен размером до 70 мм. Окатанные частицы от 70 до 200 мм принято называть галькой. Насыпная плотность гравелистого грунта достигает 1700...1900 кг/м3, естественная влажность - 2...8 % и коэффициент разрыхления - 1,14...1,28.

3. Песок - рыхлая горная порода, состоящая из обломков различных минералов и пород в виде зерен диаметром от 0,12 до 5 мм. Песок подразделяют на крупный с преобладанием фракции 0.5...5 мм, средний с преобладанием фракции 0,25...0,5 мм; мелкий с содержанием частиц 0,1...0,25 мм более 50%. Песок, в котором преобладает фракция менее 0,1 мм, называют пылеватым. Насыпная плотность песка - 1500... 1600 кг/м3, естественная влажность - 8...12% и коэффициент разрыхления - 1,0...1,1.

4. Супесь - грунт, содержащий от 30 до 50 % песчаных частиц. Насыпная плотность 1500...1600 кг/м3, естественная влажность - 10...15 %, коэффициент разрыхления - 1,2...1,3, число пластичности - 1...7.

5. Глина представляет собой силикат, содержащий глинозем, кремнезем, примеси песка, извести и др., а также химически связанную воду. Глина содержит частиц мельче 0,005 мм более 30 %. При содержании в глине частиц мельче 0,005 мм более 60 %, ее называют тяжелой. Плотность глины при естественной влажности - 20...30 % составляет 1500...1600 кг/м3. Коэффициент разрыхления - 1,15...1,30. Число пластичности, в зависимости от содержания глинистых частиц, - 17...27.

6. Суглинок - грунт, содержащий от 10 до 30 % глинистых частиц. Плотность суглинка при естественной влажности 14...19 % составляет от 1500 до 1600 кг/м3. Коэффициент разрыхления изменяется в пределах от 1,2 до 1,3. Суглинок с числом пластичности 7...12 называют легким, а с числом пластичности свыше 12 - тяжелым.

7. Растительный грунт имеет в своем составе гумуса от 4 до 22 %. По механическим свойствам приближается к тяжелым суглинкам. Плотность растительного грунта при влажности 20...25 % составляет 1200...1300 кг/м3, а коэффициент разрыхления - 1,3...1,4.

Пригодность грунта для сооружения земляного полотна определяется его дорожно-строительными свойствами (табл. 1.5.1).

Для насыпей применяют грунты, состояние которых под действием природных факторов не изменяется или изменяется незначительно, что не влияет на их порочность и устойчивость в земляном полотне. К таким грунтам относят: скальные неразмягчаемые породы, крупнообломочные, песчаные (кроме мелких и пылеватых), супеси крупные и легкие (табл. 1.5.1).

Таблица 1.5.1

Классификация грунтов по их дорожно-строительным свойствам

Вид грунта

Распределение частиц по крупности, % от массы сухого грунта

Содержание песчаных частиц, % от массы сухого грунта

Число пластичности

Пригодность грунтом для отсыпки землянок) полотна

Крупнообломочные:

 

 

 

 

Щебенистый (неокатанные частицы)

Крупнее 10 мм, более 50 %

-

-

Весьма пригоден

Гравелистый (окатанные частицы)

Крупнее 10 мм, более 50 %

-

-

То же

Древесный (при преобладании окатанных частиц - гравелистый)

Крупнее 2 мм, более 50 %

-

-

-«-

Песчаные:

 

 

 

 

Песок гравелистый

Крупнее 2 мм более 25 %

 

 

Весьма пригоден

Песок крупный

Крупнее 0,5 мм более 50 %

-

-

Пригоден

Песок среднем крупности

Крупнее 0,25 мм более 50 %

-

-

То же

Песок мелкий

Крупнее 0,1 мм более 75 %

-

-

Пригоден, но менее устойчив

Песок пылеватый

Крупнее 0,05 мм более 75 %

-

-

Малопригоден

Глинистые:

 

 

 

 

Супесь

Легкая крупная

50

1...7

Весьма пригодна

-«-

Легкая пылеватая

20...50

1...7

Пригодна

-«-

Тяжелая пылеватая

20

1...7

Малопригодна

Суглинок:

Легкий

40

7...12

Пригоден

-«-

Легкий пылеватый

40

7...12

То же

-«-

Тяжелый

40

12...17

То же

-«-

Тяжелый пылеватый

40

12...17

Малопригоден

Глина:

Песчаная

40

17...27

Пригодна

-«-

Пылеватая полужирная

Не нормируется

17...27

Малопригодна

-«-

Жирная

То же

27

Не пригодна

Грунты глинистые, мелкие и пылеватые пески, размягчаемые скальные грунты также пригодны для возведения земляного полотна, но при этом необходимо учитывать некоторые ограничения.

Кроме грунтов природного происхождения для отсыпки насыпей применяют отходы промышленности: золошлаковые материалы, отвалы горнодобывающей промышленности и др.

Насыпи возводят из грунта, который получают при разработке выемок, грунтовых карьеров или боковых резервов. Объем потребного грунта для насыпей

Vк = Vн·k0,                                                                                                                    (1.5.1)

где - объем возводимой насыпи, м3;

k0 - коэффициент относительного уплотнения.

k0 = dн/dе,                                                                                                                    (1.5.2)

где - требуемая плотность грунта в теле насыпи, кг/м3;

- плотность грунта в естественном состоянии, кг/м3.

По трудности разработки дорожными машинами, грунты подразделяют на четыре группы (табл. 1.5.2).

Таблица 1.5.2

Группы грунтов по трудности разработки механизированными средствами

Наименование и краткая характеристика грунта

Группа фунта по трудности разработки машинами

 

одноковшовыми экскаваторами

скреперами

бульдозерами

автогрейдерами

грейдерэлеваторами

Галька и гравий всех видов крупностью до 80 мм, без валунов (крупнее 80 мм с валунами)

I, II

II

II

II

-

Глина:

 

 

 

 

 

- жирная мягкая и насыпная

II

II

II

II, III

II

- слежавшаяся всех видов, твердая (без примесей);

III

-

II

III

-

- с примесью щебня, гальки или гравия 10 % и более;

III

-

II

III

-

- маренная (с валунами до 30 %)

IV

-

III

-

-

- тяжелая ломовая (юрская)

III

II

III

III

III

Грунт растительного слоя:

 

 

 

 

 

- без корней и валунов;

I

I

I

I

I

- с примесью щебня, гравия

II

-

III

-

-

Песок:

 

 

 

 

 

-всех видов естественной влажности;

I

II

II

II

III

- сухой сыпучий с примесью

I

II

III

-

-

Скальные грунты:

 

 

 

 

 

- предварительно разрыхленные;

IV

-

III

-

-

- не требующие разрыхления

IV

-

IV

-

-

Суглинок:

 

 

 

 

 

- легкий и лессовидный тяжелый и слежавшийся;

I

I

I

I

I

- с примесью щебня, гравия и строительного мусора

II

II

II

II

II

Супеси всех видов

I

II

II

II

II

Мерзлые грунты, песчаные и супесчаные, глинистые и суглинистые, предварительно разрыхленные

II...IV

III , IV

III

-

-

1.6. Расположение грунтов в теле насыпи

Грунты в пределах глубины промерзания, как правило, разнообразны. В связи с этим при возведении земляного полотна необходимо знать, какие грунты в какую часть насыпи целесообразно уложить, чтобы в теле насыпи не допустить образования висячих горизонтов воды. При правильном расположении грунтов в насыпи, плотность и влажность грунтов будет примерно одинаковой, снизится морозное лучение и не возникнут неравномерные просадки дорожного покрытия.

Для наглядности рассмотрим несколько случаев расположения грунтов в теле насыпи. Предположим, что на участке с избыточным увлажнением нижнюю часть насыпи отсыпали из пылеватых суглинков, а верхнюю часть - из песчаных грунтов. Причем, толщина слоя из пылеватого суглинка h1, меньше высоты капиллярного поднятия воды . В этом случае вода по узкому капилляру поднимется до песчаного грунта, имеющего широкий капилляр, и поднятие влаги прекратится, поскольку на границе двух капилляров появится выпуклый мениск и вода из нижнего капилляра, более узкого, не поступит в верхний с диаметром в сотни раз больше (рис. 1.6.1, а). С повышением грунтовых вод уменьшается лишь радиус мениска, значит, при обеспечении условий поверхностного стока естественная влажность верхнего песчаного слоя останется постоянной, особенно если мощность слоя хорошо фильтрующего песка h > .

При отсыпке нижней части насыпи из дренирующих грунтов, а верхней из связных при h1 < (рис. 1.6.1, б), грунтовая вода из широкого капилляра, достигнув узкого капилляра суглинка, быстро поднимается на значительную высоту, пока не достигнет максимального своего значения. При таком расположении грунтов в теле насыпи, как правило, наблюдается значительное морозное пучение, что приводит в период оттаивания к потере устойчивости земляного полотна.

Рис. 1.6.1. Расположение грунтов в теле насыпи:
а - благоприятное; б - неблагоприятное; 1 - песок; 2 - пылеватый суглинок; 3 - расчетный уровень грунтовых вод; 4 - выпуклый мениск; 5 - вогнутый мениск

Если толщина нижнего песчаного слоя больше капиллярного поднятия воды h > , то влажность вышележащего пылеватого суглинка повышается лишь вследствие потока влаги в парообразном состоянии и инфильтрации поверхностной воды. В этом случае нижний слой выполняет функцию капиллярно-прерывающего слоя, что предотвращает увлажнение верхнего слоя насыпи грунтовыми водами.

В тех случаях, когда верхний слой насыпи из связных грунтов отсыпан на дренирующий грунт и толщина слоя связного грунта h' меньше высоты капиллярного поднятия hк', то при необеспеченном поверхностном водоотводе образуется висячий горизонт воды из-за процесса инфильтрации (рис. 1.6.2).

Рис. 1.6.2. Неблагоприятное расположение грунтов в теле насыпи, способствующее накоплению влаги в верхней части земляного полотна:
1 - инфильтрация поверхностной воды; 2 - связный грунт; 3 - дренирующий грунт; 4 - зона капиллярного увлажнения высотой ; 5 - зона грунтовой воды; 6 - уровень грунтовых вод; 7 - поверхность менисков в фильтрующем грунте; 8 - поверхность менисков в связном грунте

Зимой под воздействием отрицательной температуры происходит перераспределение внутренних запасов воды.

Наибольшее количество замерзшей воды накапливается на глубине h0

h0 = (0,6...0,75)h,                                                                                                         (1.6.1)

где h -толщина слоя связного грунта.

При вынужденном возведении насыпи из связных грунтов с влажностью значительно превышающей оптимальную, рекомендуется в земляном полотне устраивать прослойки из песка толщиной h ³ . На участках с II или III типом увлажнения и высоте насыпи до 1,2...1,5 м, переувлажненные грунты необходимо предварительно осушить. Предварительное осушение грунта или его замену производят при коэффициенте консистенции Вк > 0,75

                                                                                                             (1.6.2)

где W - естественная влажность грунта, %;

Wp - влажность, соответствующая границе раскатывания, %;

Мп - число пластичности.

Насыпи отсыпают послойно из однородных грунтов, укладываемых на полную ширину, с постоянно обеспеченным стоком поверхностных вод. Толщину каждого слоя принимают в зависимости от свойств грунта и способов уплотнения.

При неоднородных грунтах отсыпаемым слоям нужно придавать требуемый поперечный уклон. Когда же менее дренирующие слои располагают ниже более дренирующих, то менее дренирующие грунты нужно укладывать с поперечным уклоном ³ 40 ‰. При обратном взаиморасположении слоев вышеприведенное условие не соблюдают.

Откосы земляного полотна, сложенного дренирующими грунтами, необходимо присыпать слоем менее дренирующего грунта и производить посев трав.

1.7. Теоретические предпосылки основ уплотнения земляного полотна

Уплотнение грунта - одно из важнейших условий, обеспечивающих требуемую прочность и допустимое морозное пучение. С увеличением плотности грунта возрастают его прочность, устойчивость, модуль деформации и сопротивление сдвигу, а пористость, деформируемость, водонепроницаемость, набухание и морозное пучение снижаются [9, 22, 34].

Грунт представляет собой сложное тело, в состав которого входят твердые частицы, вода и воздух. Жидкая и газообразная фазы подвижны в порах грунта, и в зависимости от действия физико-механических взаимодействий на грунт их количество может резко изменяться. Прочность грунта зависит от относительного содержания скелета и воды, т.е. от плотности и влажности грунта. Соотношение по массе и объёму трёх компонентов выражается уравнением

                                                                                                    (1.7.1)

где d - плотность скелета грунта, г/см3;

W - массовая доля влажности грунта, %;

V - объем воздуха, %;

g - плотность твердой фазы грунта (истинная плотность скелета, г/см3);

1- единичный объем грунта (1 см3).

Отсюда, плотность скелета грунта, характеризующая степень уплотнения земляного полотна

                                                                                        (1.7.2)

Из условия (1.7.2) следует, что степень плотности грунта d при одинаковой истинной плотности скелета частиц g будет тем выше, чем меньше объём воздуха и влажность грунта. Однако прочность грунта зависит не только от плотности скелета грунта, но и от его структуры, поэтому для решения основной теоретической задачи уплотнения необходимо определить, как сохраняется достигнутая плотность грунта при переменном увлажнении, промерзании и оттаивании и как влияет она на сцепление С, угол внутреннего трения j и модуль упругости Е.

На практике доказано, что для получения наиболее плотной структуры необходимо, чтобы влажность грунта была такой, при которой объем защемленного воздуха находился в пределах 4...6 %, что соответствует полному заполнению грунтовых пор водных гидратных оболочек. Как показывают многочисленные эксперименты, именно при таком объёме воздуха грунт характеризуется минимальными водопроницаемостью, морозным пучением, набуханием, а также максимальным модулем упругости и сопротивлением сдвигу. Если влажность ниже, т.е. объём пор, занятых воздухом, выше, не создается устойчивой структуры, и при увлажнении грунт легко разбухает и тем больше, чем выше влажность, а при недостаточной плотности, наоборот, доуплотняется и дает осадку, а модуль упругости в обоих случаях падает. Если влажность вытесняет указанный процент воздуха, то структура также становится неустойчивой.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что для любого вида грунта существует определенная влажность, называемая оптимальной влажностью, при которой достигается наибольшая (оптимальная) плотность грунта с минимальной затратой энергии на его уплотнение. Для соблюдения оптимального режима уплотнения до начала возведения земляного полотна проводят лабораторные испытания: определяют оптимальную плотность и влажность грунта, а также потребную для уплотнения механическую работу.

1.8. Определение оптимальной плотности и влажности грунта

Стандартное уплотнение грунта в лабораторных условиях производят на приборе СоюздорНИИ (рис 1.8.1). Отобранный из резерва или выемки образец грунта, предназначенного для устройства насыпи, высушивают до постоянного веса, растирают и просеивают через сито 5 мм.

Рис. 1.8.1. Прибор для стандартного уплотнения:
1 - поддон; 2 - разъемный цилиндр; 3 - груз массой 2,5 кг; 4 - стойка; 5 - цилиндрическая насадка; 6 - зажимное кольцо; 7 - зажимный винт; 8 - ограничитель для регулирования падения груза

Грунт, просеянный на сите, увлажняют из расчета на 4 ... 5 % ниже границы раскатывания и берут пробу для определения влажности грунта, W. Приготовленный грунт насыпают в прибор на 1/3 и уплотняют ударами груза массой 2,5 кг, падающего с высоты 30 см. Уплотнение производят в три слоя. Число ударов зависит от физико-механических свойств грунта и составляет для несвязных грунтов 20´3, для связных 40´3. Далее взвешивают разъёмный цилиндр с грунтом и без грунта. Плотность влажного грунта dw определяют по формуле

                                                                                                               (1.8.1)

где Р1 - общая масса цилиндра с грунтом, г;

Р2 - масса разъёмного цилиндра, г;

V - объём цилиндра (1000 см3).

Зная влажность и плотность влажного грунта, определяют среднюю плотность скелета грунта

                                                                                                               (1.8.2)

где W - влажность грунта, %.

После этого грунт из разъёмного цилиндра высыпают в чашку, добавляют 2...3 % воды и повторяют операцию, описанную выше.

Затем по полученным значениям (W, d) строят кривую (рис. 1.8) стандартного уплотнения, отображающую зависимость плотности скелета от влажности грунта при уплотнении, максимум которой определяют два параметра: оптимальную плотность d0 и оптимальную влажность W0. Если грунт содержит частицы крупнее 5 мм, то в оптимальную плотность, определенную для отсеянного грунта, вводят поправки, которые приведены в табл. 1.8.1.

Рис. 1.8. Кривые для определения оптимальной плотности и влажности:
1 - стандартное уплотнение на приборе СоюздорНИИ; 2 - усиленное уплотнение (США)

Таблица 1.8.1

Ориентировочные значения поправок в зависимости от процентного содержания частиц крупнее 5 мм

Содержание частиц крупнее 5 мм, %

Поправки

Содержание частиц крупнее 5 мм, %

Поправки

на плотность

на влажность

 

на плотность

на влажность

 

5

1,02

0,95

20

1,08

0,80

10

1,04

0,90

30

1,13

0,70

15

1,06

0,85

40

1,18

0,60

При обосновании параметров прибора стандартного уплотнения в СоюздорНИИ исходили из того, чтобы полученные в нем плотности были достаточно близки плотностям грунта в насыпях, проработавших не менее 20 лет, и, вместе с тем, практически достижимы с помощью уплотняющих средств массой до 10...15 т. Полученные величины оптимальных плотности и влажности грунта не являются наилучшими, так как, повышая при уплотнении число ударов или массу груза, можно получить более высокую оптимальную плотность, меньшую оптимальную влажность грунта и соответственно более прочную структуру (рис. 1.8). В США Американская ассоциация дорожных работников (AASHO) предложила новый способ повышенного уплотнения грунтов. Он предусматривает массу уплотняющей гири 4,5 кг, высоту ее падения 45 см, уплотнение образца грунта в пять слоев 25 ударами гири на каждый слой. Этот метод теперь принят в США и ряде других стран как стандартный. Требования к плотности, установленные этим методом, выполнимы при условии использования машин для уплотнения повышенной массы и мощности и обеспечения оптимальной влажности грунта. В США для уплотнения грунтов применяют кулачковые катки массой до 100 т и на пневматических шинах массой до 300 т.

Практически каждому средству уплотнения соответствует некоторый предел затрат работы, после которого эффект уплотнения, если и повышается, то весьма незначительно (рис. 1.8.2).

Рис. 1.8.2. Увеличение плотности грунта по мере роста работы, затраченной на уплотнение:
1 - трамбовка (один удар соответствует пяти рабочим проходам катка массой 5 т); 2 - кулачковый каток массой 5 т; 3 - гладкий каток массой 8 т; 4 - каток на пневматических шинах массой 15 т

Грунт земляного полотна, уплотненный до оптимальной плотности по методике СоюздорНИИ, обеспечивает отсутствие осадок насыпи и в то же время остается во время замерзания и последующего оттаивания грунта без существенных изменений. Следует иметь в виду, что в северных районах стабильное уплотнение грунта в верхнем промерзающем слое обычно не превышает 0,95...1,0 от оптимального уплотнения; по, этой причине в северных районах нет необходимости производить усиленное уплотнение грунта. В то же время в южных районах усиленное уплотнение (1,05...1,1) позволит уменьшить расходы на строительство дорожной одежды.

1.9. Требования к плотности грунта в теле насыпи

Распределение величин вертикальных давлений в теле земляного полотна по высоте насыпи показано на рис 1.9.1. В верхних слоях насыпи действует в основном давление от временной нагрузки, которое при отсутствии дорожной одежды составляет до 0,7 МПа, а при наличии дорожной одежды не превышает 0,2 МПа. В нижних слоях давление от временной нагрузки понижается и на глубине 1,0 м не превосходит 0,03...0,04 МПа, далее оно быстро затухает. Давление от собственной массы насыпи на глубине 1,0 м достигает 0,2 МПа, а при большей глубине оно превышает давление от временной нагрузки.

Рис. 1.9.1. Распределение вертикальных давлений в зоне земляного полотна:
а - от временной нагрузки; б - от собственной массы

Давление от горизонтальных усилий, возникающих на колесах автомобилей при торможении, трогании с места и перемене скоростей, быстро затухает и на глубине 1,2...1,0 м в расчете его можно не учитывать. При этом следует иметь в виду, что в верхней части земляного полотна давление действует не постоянно, а периодически при наличии временной нагрузки, тогда как в нижней части оно создается собственной массой, и поэтому действует постоянно.

При определении требуемой степени уплотнения грунта по высоте земляного полотна необходимо учитывать изменение влажности и температуры в течение года.

Отсюда следует, что требуемое уплотнение по высоте насыпи не должно быть обязательно одинаковым. Назначаемая плотность должна учитывать эксплуатационные условия, в которых фактически будет находиться грунт (рис. 1.9.2).

Рис. 1.9.2. Распределение требуемой плотности по высоте насыпи

В верхних слоях земляного полотна на глубине 1,5...1,2 м имеют место наибольшие удельные давления от временной нагрузки, требующие максимально возможного уплотнения в целях повышения несущей способности грунта. Кроме того, нужно учитывать возможное изменение плотности грунта за счет сезонных колебаний влажности и промерзания.

В слоях ниже 1,5...1,2 м, где суммарное давление от временной нагрузки и собственной массы грунта невелико, а сезонные колебания влажности и промерзания имеются только на откосах насыпей, требования к уплотнению земляного полотна могут быть снижены.

В нижних слоях насыпи плотность грунта необходимо задавать из условия соответствия ее давлению от собственной массы насыпи.

Плотность грунта, которая должна быть достигнута при сооружении земляного полотна, определяют по формуле

dтр = dKтр                                                                                                                                                      (1.9.1)

где d0 - оптимальная плотность скелета грунта, г/см3;

Kтр - коэффициент уплотнения, установленный действующими нормами (табл. 1.9.1).

Таблица 1.9.1

Значения минимального требуемого коэффициента Ктр от оптимального уплотнения Ко

Вид земляного полотна

Часть земляного полотна

Глубина расположения слоя от поверхности покрытия, м

Дороги с усовершенствованными покрытиями капитального типа

Дороги с усовершенствованными облегченными и переходными покрытиями

Коэффициент уплотнения в дорожно-климагических зонах

II, III

IV, V

II, III

IV, V

Насыпи

Верхняя

До 1,5

1...0,98

0,98...0,95

0,98...0,95

0,95

Нижняя не подтапливаемая

1,5... 6,0

0,98...0,95

0,95

0,95

0,95

Более 6,0

0,98

0,95

0,95

0,95...0,90

Нижняя подтапливаемая

1,5...6,0

0,98...0,95

0,95

0,95

0,95

Более 6,0

0,98

0,98

0,95

0,95

Выемки, нулевые места и естественные основания

В зоне промерзания

До 1,2

1...0,98

0,98...0,95

0,98...0,95

0,95

Нижние зоны промерзания

До 1,2

0,95

0,95...0,92

0,95...0,92

0,90

Примечание. Большие значения коэффициента уплотнения относятся к дорогам с цементобе-тонными и цементогрунтовыми покрытиями и основаниями, а также с усовершенствованными облегченными покрытиями.

Необходимость уплотнения грунтов в выемках, нулевых местах и естественных основаниях устанавливают путем определения фактической плотности этих грунтов и её сопоставления с требуемой. Изменения плотности грунтов в результате искусственного уплотнения, учитываемые при подсчете объёмов земляных работ, характеризуют коэффициентом относительного уплотнения Котн (табл. 1.9.2).

                                                                                                     (1.9.2)

где Vpeз - объем грунта взятого из резерва;

ac - объем того же грунта в насыпи после уплотнения;

dтр - требуемая плотность грунта в теле насыпи;

dрез - плотность грунта в естественном состоянии.

Плотность грунта в естественном состоянии dрез определяют непосредственно взятием проб грунта из резерва. Берут одну пробу на 1500...2000 м3 грунта. Ориентировочные значения Котн приведены в табл. 1.9.2.

Таблица 1.9.2

Значения коэффициента относительного уплотнения

Требуемый коэффициент уплотнения грунта насыпи Ктр

Грунт

Каменные материалы при плотности и естественном залегании, кг/м3

пески, супеси пылеватые, суглинки

суглинки, глины

лессы и лесовидные грунты, черноземы

1900...2000

2200...2400

2400...2700

Коэффициент относительного уплотнения Котн

1,0

1,10

1,05

1,20

-

-

-

0,95

1,05

1,00

1,15

0,90

0,85

0,80

0,90

1,00

0,95

1,10

-

-

-

Если влажность грунта на 2...3 % больше или меньше оптимальной, то оптимальную плотность получить нельзя. Оптимальная влажность способствует повышению сцепления в грунте за счет образования более прочно адсорбированных водных пленок.

1.10. Выбор машин для уплотнения земляного полотна

Для достижения требуемой плотности грунта в теле насыпи требуется искусственное уплотнение, поскольку плотность отсыпаемого грунта гораздо меньше требуемой. Так, при возведении земляного полотна бульдозерами плотность грунта, укладываемого ими в насыпь, не превышает 0,7...0,8 от оптимальной. При использовании грейдер-элеваторов эта величина ещё ниже и чаще всего находится в пределах 0,55...0,70. Скреперы и автомобили-самосвалы обеспечивают более высокую плотность (0,80...0,95) благодаря укатке грунта колесами при транспортировке грунта по возводимому слою насыпи.

Существуют три основных способа уплотнения грунтов: укаткой, вибрированием и трамбованием. Выбор способа уплотнения зависит от вида грунта, его влажности, толщины уплотняемого слоя, потребной степени уплотнения, производительности и маневренности машин. Техническая характеристика машин для уплотнения грунтов приведена в табл. 1.10.1 [53].

Таблица 1.10.1

Машины для уплотнения грунтов

Тип и марка машины

Базовый трактор

Масса, т (без балласта и с балластом)

Параметры уплотнения

Мощность двигателя, кВт

Скорость движения, км/ч

толщина слоя, м

ширина слоя, м

Вибрационные катки:

 

 

 

 

 

 

ДУ-70 (прицепной)

МТЗ 80/82

5,7

0,30

2,0

-

3...6

ДУ-74 (самоходный)

Д-243

9,0

0,35

1,7

55,2

До 7

ВГ-1202 (самоходный)

Д-245

12,0

0,40

2,25

73,5

>>5,6

ДУ-62А (самоходный)

Д-440-11

13,0

0,45

2,0

93,5

>>6,5

ДУ-58А (самоходный)

Д-40-11

15,0

0,45

2,0

93.5

>>6,5

ДУ-57-А (самоходный)

-

8,8

0,35

2,4

121

>>7,0

Д-603 (прицепной)

T-75

6,0

До 0,2

1,8

36,7

>>3,0

Д-63(прицепной)

Т-100

12,0

0,30

1,8

88,2

>>3,0

Кулачковые катки:

 

 

 

 

 

 

ДУ-70-1 (прицепной)

T-I50K

6,3

0,25

2,0

110,2

>>6,0

ДУ-26 (прицепной)

Т-75

5,0 и 9,0

0,20

1,8

55,1

4,5

ДУ-3А (прицепной)

Т-100

12,3 и 30,0

0,35

2,8

73,5

>>15

ДУ-32А (прицепной)

Т-100

9,0 и 18,0

0,30

2,6

73,5

>>4

Катки на пневматических шинах:

 

 

 

 

 

 

ДУ-30 (прицепной)

Т-75

4,0 и 12,0

0,27

2,2

55,1

5...8

ДУ-39А (прицепной)

Т-100

6,28 и 25,0

0,35

2,53

73,5

5...10

ДУ-16В (полуприцепной)

МАЗ-529Е

7,3 и 25,9

0,40

2,62

220

15...40

Д-599 (полуприцепной)

БелАЗ-531

27,8 и 56,7

0,43

2,68

-

15...40

 

 

 

 

 

 

 

ДУ-65 (самоходный)

Д-243

12,0

0,40

1,7

55,2

До 8,0

Трамбующие машины:

 

 

 

 

 

 

ДУ-12

T-100М

6 (масса плиты 1,4)

1,0

2,5 (площадь плиты 1,0 м2)

73,5

0,08...0,2

Дизель-трамбующая, самоходная ЦНИИС-РМЗ

-

18,8

1,2

2,8 (площадь трамбовки 0,4 м2)

-

До 0,3

ДУ-90 (вибромашины)

СП-6Д

0,23

0,35

0,55

4,4

-

При уплотнении укаткой сближение частиц грунта и придание ему устойчивой структуры обеспечивается благодаря действию массы катка, многократно проехавшего по поверхности уплотняемого грунта. Моторные катки с гладкими вальцами из-за малой эффективности используют только при завершающей стадии укатки верхнего слоя насыпи для придания ему ровности. Пневмоколесные катки могут уплотнять все виды грунтов. Их основные преимущества по сравнению с катками с гладкими вальцами заключаются в большей площади контакта с поверхностью грунта, более равномерным распределением давления по этой площади, а также в том, что благодаря эластичности шины эта площадь в процессе укатки сравнительно мало изменяется. Все это способствует увеличению глубины распространения напряжений в уплотняемом грунте и длительности их воздействия по сравнению с катками с гладкими вальцами, при повторных проходах которых площадь контакта и глубина распространения напряжений постоянно уменьшается.

Эффективное уплотнение грунта укаткой обеспечивается при условии, что удельное давление рабочего органа катка на грунт близко к его пределу прочности. При недостаточных контактных давлениях необходимая плотность не может быть достигнута, а при превышении давления возникают явления местного разуплотнения (волнообразование перед колесами катков). При уплотнении катками на пневматических шинах предел прочности составляет: песков и супесей 3...4, легких суглинков 4...6, тяжелых суглинков 6...8, глин 8...10 Па. В соответствии с этим, при уплотнении связных грунтов рекомендуется применять катки с давлением в шинах 5...6 атм., а при уплотнении несвязных грунтов - в пределах 2...3 атм. Конструкция катков на пневматических шинах позволяет регулировать как давление в шинах, так и массу катка, зависящую от его загрузки балластом.

Самоходные катки на пневматических шинах отличаются от прицепных большей маневренностью, поэтому они находят широкое применение на участках небольшого протяжения и при ограниченном фронте работ.

Кулачковые катки рекомендуется использовать для уплотнения тяжелых связных грунтов, особенно комковатых. Особенность работы этих катков заключается в том, что они уплотняют грунт, расположенный ниже уровня заглубления кулачков, верхнюю же часть слоя, находящуюся выше этого уровня, разрыхляют. Уплотнение этой части слоя, толщина которой обычно не превышает 5...6 см, достигается после отсыпки и укатки следующего слоя. Барабаны кулачковых катков изготавливают полыми для возможности их загрузки балластом.

Для уплотнения несвязных грунтов кулачковые катки неэффективны, так как такие грунты они только разрыхляют. Хорошие результаты достигаются при использовании кулачковых катков в комплекте с катками на пневматических шинах. В этом случае в начальной стадии уплотнения рыхлый грунт укатывают кулачковыми катками, а для окончательного уплотнения и придания требуемой плотности и ровности верхней части слоя, используют катки на пневматических шинах.

Решетчатые катки эффективны для уплотнения комковатых связных грунтов, гравелистых, а также содержащих мерзлые комья. Вальцы этих катков сделаны из сварной или литой решетки с квадратными ячейками 15´15 или 20´20 см. Решетчатые катки, также как кулачковые, рационально применять в комплекте с катками на пневматических шинах.

Производительность катка, м3/смену, можно определить по формуле

                                                                                  (1.10.1)

где Т - продолжительность смены, ч;

К - коэффициент использования рабочего времени (Кв = 0,85);

L - длина захватки, м;

Н - толщина уплотняемого слоя в плотном теле, м;

в - ширина вальца катка, м;

во - ширина полосы перекрытия следа предыдущего прохода м, (во = 0,2 м);

V - рабочая скорость, м/с;

tпов - время на поворот, с;

п - необходимое число проходов катка по одному следу.

При уплотнении грунтов вибрированием взаимное перемещение частиц возникает вследствие колебательных движений, сообщаемых вибратором. В процессе взаимных перемещений частицы постепенно занимают все более устойчивое положение, чем обеспечивается повышение плотности грунта. Уплотнению вибрированием хорошо поддаются несвязные и малосвязные грунты. Суглинки и глины, характеризуемые преобладанием мягких частиц и хорошим сцеплением, уплотнять вибрированием неэффективно. Наибольшее применение в дорожном строительстве получили прицепные вибрационные катки. Рабочим органом виброкатка является жесткий валец, сообщающий грунту колебательные движения и одновременно воздействующий на него своей массой. Значительно реже для уплотнения грунта используют виброплиты.

Основными параметрами, характеризующими вибрационные машины, являются их масса, возмущающая сила, частота колебаний и размеры рабочего органа - вальца или плиты.

Производительность вибрационных машин определяют по формуле

                                                                                 (1.10.2)

где  - коэффициент использования рабочего времени с учетом поворотов, равный 0,7...0,8. Остальные обозначения так же, как в (1.10.1).

В последние годы виброуплотнение получает все большее распространение, увеличивается разнообразие машин, особенно перспективными считают самоходные вибрационные катки комбинированного действия. Виброкатками массой 4...5 т уплотняют грунт слоями 40...50 см, катками большей массы - слои толщиной 60...80 см. Количество проходов по одному следу при оптимальной влажности грунта составляет четыре - пять.

Трамбование является эффективным универсальным способом уплотнения, пригодным для любого вида грунтов. Важным преимуществом трамбования является возможность уплотнять грунт слоями большей толщины, чем при применении других способов уплотнения, и в стесненных условиях. Наиболее простым устройством для уплотнения грунтов трамбованием является трамбующая плита, подвешенная к стреле экскаватора или крана. Масса плит от 2...3 до 12...15 т, высота подъёма и сбрасывания плиты в начале 2 м, затем 5...6 м. Толщина уплотняемого слоя равна ширине плиты. Количество ударов два - три. Уплотнение верхнего слоя производят катками или сбрасыванием плиты с высоты 0,5 м.

Наряду с трамбующими плитами для уплотнения грунта трамбованием могут быть использованы трамбующие машины со свободнопадающими плитами на базе гусеничных тракторов, дизель-трамбовочные машины, рабочими органами которых служат дизель-трамбовки и др.

Производительность трамбующей машины можно определить по формуле

                                                                                        (1.10.3)

где В - ширина плиты, м.

Оптимальную толщину уплотняемого слоя гладкими вальцовыми катками, кулачковыми катками и катками на пневматических шинах можно определить по формулам, приведенным в табл. 1.10.2.

Таблица 1.10.2.

Формулы для определения оптимальной толщины уплотняемого слоя

Уплотняющее средство

Связные грунты

Несвязные грунты

Гладкие вальцовые катки

Кулачковые катки

H = 0,65(I + 2,5b - hp)

He уплотняют

Катки на пневматических шинах

Условные обозначения:

W, - соответственно фактическая и оптимальная влажность грунта;

q - удельное линейное давление, Па;

R - радиус вальца катка, см;

I - длина кулачка, см;

b - минимальный размер опорной части поверхности кулачка, см;

hp - глубина рыхления уплотненного слоя грунта кулачками (5 см);

Q - нагрузка на колесо катка, кг.

Основные данные, характеризующие различные уплотняющие средства, и области рационального применения приведены в табл. 1.10.3.

Таблица 1.10.3

Основные характеристики уплотняющих машин

Наименование и тип машины

Оптимальная толщина слоя в плотном теле, см

Необходимое число проходов (ударов)

Примерная призводительноть, м3/ч

связный грунт

несвязный грунт

связный грунт

несвязный грунт

связный грунт

несвязный грунт

Кулачковый каток

20...25

15...20

-

6...8

8...12

-

130...170

-

Катки прицепные на пневматических шинах:

 

 

 

 

 

 

12...15 т

15...20

10...15

20...25

15...20

6...8

8...12

4...6

6...8

 

60...90

 

140...200

25...30 т

30...35

20...25

35...40

25...30

6...8

8...10

4...6

6...8

 

90...140

 

200...300

40...50 т

35...40

25...30

45...50

35...45

6...8

8...10

4...6

6...8

 

140...200

 

250...300

Трамбующая машина

40...50

30...40

50...60

40...50

 

1

 

1

 

130...150

 

450...500

Трамбующая плита массой 2 т при высоте падения 2 м

80...90

70...80

100...110

80...90

4...6

6...8

2...4

4...6

30...80

45...100

Вибрационные катки:

 

 

 

 

 

 

3 т

 

-

30...40

20...30

 

-

 

3...4

 

-

 

200...250

6 т

 

-

40...60

30...50

 

-

 

3...4

 

-

 

250...300

Примечание. В числителе данные, соответствующие требуемому коэффициенту уплотнения 0,95, в знаменателе коэффициенту уплотнения 0,98...1,0.

В настоящее время наиболее распространенными средствами уплотнения грунтов являются прицепные катки на пневматических шинах, кулачковые, вибрационные и решетчатые. Они просты в эксплуатации. Стоимость работ при их использовании ниже, в сравнении с другими уплотняющими машинами. Однако недостатками их является сравнительно небольшая толщина уплотняемого слоя и возможность применения только на участках длиной не менее 50...100 м, и шириной не менее 10...12 м.

Для уплотнения откосов используют гладкие вальцы, вибровальцы или трамбующие плиты, смонтированные в виде навесного оборудования к автомобильным кранам или экскаваторам.

1.11. Производство работ по уплотнению земляного полотна

Основными условиями обеспечения высокого качества работ по уплотнению грунтов и достижения ими требуемой плотности являются:

- правильный выбор уплотняющих средств в соответствии со свойствами уплотняемых грунтов;

- обеспечение начального состояния грунтов, способствующего их эффективному уплотнению;

- назначение толщины слоев уплотняемых грунтов в соответствии с нагрузкой на них от уплотняющих машин;

- рациональный режим уплотняющих средств: применение предварительного уплотнения, соблюдение необходимой последовательности проходов и обеспечение их требуемого числа и т.п.;

- своевременный и тщательный контроль плотности.

Важным фактором, облегчающим уплотнение и способствующим его высокому качеству, является естественная влажность грунта близкая к оптимальной. При недостаточной влажности грунтов резко возрастает необходимое количество работы по уплотнению - увеличение массы уплотняющих средств и числа их проходов. Наиболее эффективное уплотнение достигается при влажности грунтов, составляющей 0,9...1,1 оптимальной при стандартном уплотнении. Сухие грунты необходимо перед уплотнением искусственно увлажнять. Количество воды, которое необходимо добавлять к грунту, чтобы довести его влажность до оптимальной, можно рассчитать по формуле

DW = Kтр·dо(W0 - W)a,                                                                                               (1.11.1)

где DW - добавочное количество воды, т на 1 м3 грунта в плотном теле;

Ктр - требуемый коэффициент уплотнения;

- оптимальная плотность грунта, г/см3;

W0 - оптимальная влажность в долях единицы;

W - естественная влажность в долях единицы;

a - коэффициент, учитывающий испарение воды (в засушливых районах принимают a = 1,2).

Несвязные грунты увлажняют непосредственно перед уплотнением после разравнивания отсыпаемого слоя. Связные грунты лучше увлажнять в резерве после рыхления.

При избыточном увлажнении грунтов, также как и при недостаточном, невозможно получить оптимальную плотность. Допускается производить уплотнение, если грунт, отсыпаемый в насыпь, имеет влажность не более указанной в табл. 1.11.1.

Таблица 1.11.1

Максимальная допустимая влажность грунта

Грунт

Максимальная допустимая влажность в процентах от оптимальной при коэффициенте уплотнения

1,0

0,95

Пески пылеватые, супески легкие

135

160

Суглинки легкие и легкие пылеватые

125

135

Суглинки тяжелые пылеватые

115

130

Суглинки тяжелые, глины

105

120

Переувлажненные грунты подсушивают на воздухе в резерве или непосредственно в отсыпаемом слое. Если климатические условия района строительства не позволяют подсушивать переувлажненные связные грунты, разрабатываемые в резервах или выемках, их можно улучшить введением добавок негашеной извести или магнезии.

При введении добавок влажность грунта понижается в результате воздействия следующих факторов:

1. Часть влаги вступает в реакцию и переходит в твердое состояние

W1 = k1 - D,                                                                                                                 (1.11.2)

где W1 - количество воды, вступившее в реакцию;

k1 - экспериментальный коэффициент равный для негашеной извести (СаО = 0,32) для магнезии (МgО = 0,43);

D - доза извести или магнезии от массы твердой фазы, %.

2. В процессе гашения извести или магнезии выделяется тепло, которое увеличивает испарение

W2 = a·kD,                                                                                                                 (1.11.3)

где а - коэффициент, учитывающий испарения (при средних условиях а = 0,2);

k2 - относительное содержание в извести или магнезии свободной описи кальция или магния

                                                                                                                (1.11.4)

где tm, - максимальная температура гашения товарной извести или магнезии и эталона, град.;

- температура воды, град.

3. Внесенная известь или магнезия увеличивает объем сухой массы

                                                                                                          (1.11.5)

Влажность переувлажненного грунта после внесения добавок СаО или МgО с учетом этих трех факторов уменьшится и составит

                                                                                               (1.11.6)

где Wгр - влажность грунта до внесения добавки извести или магнезии.

При уплотнении укаткой для повышения предела прочности уплотняемого грунта и для возможности постепенного увеличения удельного давления на него уплотняющих средств, что является важным условием достижения высокой плотности, рыхлый свежеотсыпанный грунт каждого слоя необходимо подвергнуть предварительному уплотнению. Для предварительного уплотнения (подкатки) обычно применяют катки легких типов. Нагрузка на колесо катка на пневматических шинах, применяемого для предварительного уплотнения, должна быть примерно вдвое меньше нагрузки на колесо при основных проходах. При использовании кулачковых катков в комплекте с катками на пневматических шинах, первые используют для предварительного уплотнения, вторые - для окончательного. Предварительного уплотнения требуют только связные грунты. Нет необходимости в предварительном уплотнении и связных грунтов, если они в процессе отсыпки слоя подвергались воздействию колес скреперов или автомобилей - самосвалов.

Прицепными катками грунт уплотняют круговыми проходами (рис. 1.11.1), начиная их на расстоянии не менее 2,0...2,5 м от бровки насыпи, во избежание сползания катка под откос. Последующими проходами уплотняют края насыпи, приближаясь к бровке за каждый проход на 1/3 ширины катка, но не ближе, чем на расстояние 1,0...1,3 м между кромкой вальца или краем колеса и бровкой. После этого продолжают укатку в направлении от бровок к оси насыпи, перекрывая при каждом проходе след предыдущего прохода на 1/3...1/4 ширины катка.

Рис. 1.11.1. Схема работы прицепного катка на пневматических шинах:
1...10 - последовательность проходов; L - длина захватки

Вибрационными катками грунт можно уплотнять как по круговой схеме, как и челночным способом.

Уплотнение трамбованием начинают после тщательного разравнивания грунта слоем необходимой толщины бульдозером или автогрейдером. При применении трамбующих машин грунт уплотняют продольными проходами машин по круговой схеме, начиная от бровок насыпи и постепенно передвигаясь в направлении ее оси, с перекрытием каждым проходом следа предыдущего прохода на 0,1...0,2 м. Приближаться к бровкам на расстояние менее 0,5 м не разрешается во избежание сползания машины под откос.

При использовании трамбующих плит, подвешенных к стрелам экскаваторов, уплотнение производят в соответствии с рис. 1.11.2.

Рис. 1.11.2. Схема уплотнения грунта плитой, подвешенной к стреле экскаватора:
а - вид сбоку; б - план; 1 - плита; 2 - уплотненные слои; 3 - шаг передвижения экскаватора; 4 - направление движения экскаватора; 5 - уплотненная полоса

1.12. Контроль качества уплотнения насыпей

Контроль качества уплотнения грунта в насыпи осуществляют путем сравнения требуемой плотности по табл. 1.9.1 с плотностью скелета грунта насыпи. Ориентировочно берется один образец на каждой захватке и с каждого слоя. Контроль плотности верхнего слоя следует производить не реже чем через 50 м. При неоднородных грунтах число образцов увеличивают. Контроль осуществляют также за влажностью грунта, толщиной слоев и числом проходов уплотняющих средств. Из лабораторных методов контроля наиболее часто используют режущее кольцо («метод кольца»). В полевых условиях расчищают площадку, на слое уплотняемого грунта ставят режущее кольцо объемом около 500 см3 с приспособлением, позволяющим забивать кольцо в грунт без нарушения его структуры (рис. 1.12.1)

Плотность влажного грунта (г/см3) определяют по формуле

                                                                                                             (1.12.1)

где р1 - масса кольца с грунтом;

р2 - масса кольца;

V - объем кольца.

Рис. 1.12.1. Режущее кольцо с приспособлением для отбора проб грунта:
1 - режущее кольцо; 2 - крышка; 3 - насадка; 4 - направляющий цилиндр

Влажность грунта (%) определяют высушиванием его в термостате

                                                                                                       (1.12.2)

где р1 - масса навески грунта до высушивания;

р2 - масса навески грунта после высушивания.

Зная плотность влажного грунта и влажность, по формуле определяют плотность скелета грунта

                                                                                                               (1.12.3)

Недостатком этого способа определения плотности является длительность процесса высушивания грунта в термостате (не менее 7 ч для глинистых грунтов и 5 ч для песчаных). Для ускоренного приближенного определения плотности и влажности грунтов используют плотномер - влагомер Ковалева (рис. 1.12.2), основанный на принципе двухкратного измерения объема воды, вытесняемой при погружении в нее образца грунта: в первый раз ненарушимой структуры, во второй растертого в воде.

Рис. 1.12.2. Плотномер-влагомер Ковалева:
1 - крышка футляра; 2 - замок футляра; 3 - ведро-футляр; 4 - стальная насадка; 5 - нож; 6 - трубка поплавка; 7 - поплавок; 8 - крючки; 9 - сосуд; 10 - тарировочный груз; 11 - резиновое кольцо; 12 - крышка поплавка; 13 - замок поплавка; 14 - режущий цилиндр

Плотность влажного грунта определяют в следующей последовательности:

1. По оси земляного полотна и на расстоянии 1,5...2,0 м от бровки отбирают образцы грунта ненарушенной структуры с помощью режущего цилиндра 14 и насадки 4;

2. Цилиндр с грунтом 1 помещают в поплавок 7, закрывают крышкой поплавка 12 и защелкивают замками 13;

3. Определяют плотность влажного грунта по шкале dw прибора, погружая в воду, налитую в ведро-футляр 3, поплавок 7 вместе с цилиндром, заполненным грунтом.

Плотности скелета грунта определяют следующим образом:

1. Цилиндр с грунтом 14 извлекают из поплавка 7, грунт выталкивают в сосуд 9, наливая в него воду на 3/4 его объема и тщательно перемешивают до исчезновения комков.

2. Сосуд 9 подвешивают к поплавку на крючки 8 и погружают в ведро-футляр с водой. Вода через щель между поплавком 7 и сосудом 9 заполняет остальное его пространство, вытеснив оттуда воздух, поплавок с грунтом погружается в воду. После этого по шкале 6 берут отсчет плотности скелета грунта

В верхней части трубки поплавка 6 нанесены применительно к различным грунтам четыре шкалы. Одна шкала для определения плотности влажного грунта dw и три шкалы для плотности скелета грунтов: Ч - гумусовых, П - песчаных и Г- глинистых.

Влажность грунта (%) определяют по формуле

                                                                                                        (1.12.3)

где dw - плотность влажного грунта, г/см3;

d - плотность скелета грунта, г/см3.

При сооружении земляного полотна из крупнообломочных и скальных грунтов контроль плотности осуществляют методом «лунки». Этот метод заключается в том, что в уплотненном слое выкапывают лунку глубиной 10...15 см и объемом 3...5 л. Объем лунки измеряют, заполняя ее одномерным сухим песком, высыпаемым в лунку из мерного сосуда. Зная массу содержимого лунки и ее объем, определяют плотность грунта.

Однако этот способ весьма трудоемок и имеет ряд недостатков. В частности, на конечный результат влияют такие факторы, как крупность песка, высота и скорость засыпки лунки песком и др.

Чтобы повысить точность измерения объема лунки, в настоящее время пользуются денситометром, который снабжен резиновым мешком, куда нагнетают воду из мерного сосуда. Мешок заполняет лунку, достаточно плотно прилегая к ее стенкам. Объем лунки определяют по расходу воды. Влажность грунта определяют путем высушивания всей пробы либо ее части мельче 5 мм, внося поправку на содержание более крупных частиц по формуле

                                                                                                          (1.12.4)

где W1 - влажность грунта, просеянного через сито с отверстиями 5 мм, %;

q - содержание в грунте частиц крупнее 5 мм, %.

Для измерения плотности и влажности грунтов в полевых условиях без отбора проб применяют радиометрические методы. Гамма-плотномеры позволяют определить степень рассеяния в грунте гамма-излучения радиоактивных изотопов, что дает возможность оценивать плотность грунта в слое глубиной 20 см и более с точностью ±0,05 г/см3.

Сущность измерения плотности грунта просвечиванием гамма-лучами заключается в том, что определяют изменение интенсивности радиации при прохождении гамма-лучей через просвечиваемую среду (рис. 1.12.3).

Рис. 1.12.3. Схема расположения прибора при контроле плотности:
1 - стальная обсадная трубка d=40 мм; 2 - внутренняя труба контейнера; 3 - изотоп кобальта 60 (Со60); 4 - счетчик гамма-квантов; 5 - регистратор импульсов

Радиационный источник 3 помещают в рабочем контейнере 2 диаметром 30 мм из стали или свинца. В качестве источника гамма-лучей применяют Со60. Регистратором количества импульсов в минуту служит пересчетная схема, питаемая от сети переменного тока с выходом на электромагнитный счетчик импульсов. Падение гамма-лучей при проникновении через какую-либо среду толщиной х определяется

Jx = J0e-m´d,                                                                                                                   (1.12.5)

где Jx - интенсивность излучения на выходе импульсов в 1 мин. на 1 см2;

J0 - интенсивность излучения на входе импульсов в 1 мин. на 1 см2;

m - массовый коэффициент ослабления гамма-лучей средой.

Плотность скелета грунта

                                                                                                             (1.12.6)

Влажность грунтов с точностью до 1...2 % определяют нейтронными влагомерами. Принцип их действия основан на учете перехода активных нейтронов в медленные под влиянием атомов водорода, присутствующих во влажном грунте.

Глава 2.
Строительство водоотводных устройств и сооружений

2.1. Отвод поверхностных вод

Прочность и устойчивость земляного полотна в значительной степени зависят от наличия и исправности водоотводных сооружений и устройств. Угол внутреннего трения грунта, сила сцепления, способность его выдерживать нагрузки при намокании значительно уменьшаются. При превышении определенной скорости течения вода может размывать земляное полотно, поэтому необходимо принимать меры по предотвращению намокания грунтов и размыва земляного полотна. Эти меры заключаются в том, что прежде всего обеспечивают надежный сток поверхностных вод и отвод при понижении грунтовых вод до допустимого уровня.

Борьба с проникающей в грунт водой значительно сложнее и дороже, чем работы по отводу поверхностной воды. В состав системы поверхностного водоотвода входят боковые канавы в выемках и вдоль насыпей высотой до 1,5 м, боковые выработанные резервы, нагорные канавы у выемок, канавы для осушения болот, канавы, отводящие воду от дороги в водоемы, лотки на горных дорогах и др. Ряд водоотводных сооружений должен начать работу до возведения земляного полотна. Поэтому отсыпку насыпи начинают с разработки резервов и канав. До начала разработки выемок прорывают нагорные канавы, предварительно производят осушение оползневых склонов и болот.

Канавам с откосами 1:1,5, реже 1:2 придают уклон не менее 5‰. В равнинной местности на отдельных участках возможно снижение уклона до 3‰. Глубина боковых канав с заложением откосов 1:3 не должна превышать 0,5 м.

Канаву, имеющую крепления, конструкция которых способна воспринимать боковые давления грунта, называют лотком. Лотки делают в стесненных условиях, где затруднительно устройство открытой канавы (в населенных пунктах, а также при слабых малоустойчивых оплывающих грунтах, не способных обеспечить устойчивость откосов).

Вся площадь, с которой вода стекает в данную канаву, называется ее бассейном (рис. 2.1.1, а).

Поперечные размеры канав (рис. 2.1.1, б) устанавливают с расчетом на пропуск максимального расчетного расходы воды. Наименьшая глубина канав определяется получаемой по расчету глубиной наполнения с прибавлением к ней 0,2 м на возвышение бровки канавы над расчетным уровнем воды, но во всех случаях глубина канавы и ширина ее по дну должны быть не менее 0,6 м (на болотах не менее 0,8 м).

Расположение, поперечные размеры и уклоны канав проектируют таким образом, чтобы вода протекала в них без переполнения, а скорость ее течения была достаточной, чтобы не происходило заливания канав, и в то же время не достигала величины, при которой возможен размыв дна и откосов канавы.

Расход воды , который должен пройти через сечение А-А канавы (рис. 2.1.1, б), определяют по существующим нормам стока поверхностных вод, с учетом принятого в расчет наиболее интенсивного ливня и крутизны склонов. Основная зависимость, по которой производят гидравлический расчет канав, заключается в том, что фактический расход воды в канаве равен площади живого сечения w, м2, умноженной на среднюю скорость протекания воды V, м/с

Рис. 2.1.1. Бассейн канавы (а) и ее поперечное сечение А-А (б):
1 - ось канавы; 2 - линия водораздела; стрелками показано направление стока воды от линии водораздела

Qф = w·V,                                                                                                                    (2.1.1)

Необходимую площадь сечения канавы определяют подбором; для этого, исходя из местных условий, сначала задаются конкретными размерами сечения и уклона для канавы, затем определяют скорость течения воды в м/с по формуле

                                                                                                                  (2.1.2)

где С - коэффициент, зависящий от шероховатости русла и от гидравлического радиуса (табл. 2.1);

R - гидравлический радиус, м;

i - уклон дна водостока.

Таблица 2.1.1

Значение коэффициентов С

Род русла канавы

Гидравлический радиус R, м

0,05

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

1,00

Очень гладкие стенки (цементобетонная штукатурка, цементобетонные плиты)

48,7

54,3

60,4

64,3

67,1

69,5

76,9

Гладкие стенки (монолитный бетон)

41,0

46,2

52,0

55,7

58,4

60,7

67,8

Мощение булыжным камнем

23,1

27,3

32,2

35,3

37,8

39,7

46,0

Грунтовое русло

13,9

17,3

21,3

24,0

26,0

27,8

33,3

Величина гидравлического радиуса

R = w/n,                                                                                                                       (2.1.3)

где w - площадь сечения водного потока в канаве, м2;

n - длина смоченного периметра этого сечения, м (рис. 2.1, б)

Из рис. 2.1, б следует, что площадь живого сечения w и длина смоченного периметра n равны:

                                                                                       (2.1.4)

                                                                                       (2.1.5)

где m - величина, показывающая, во сколько раз заложение откоса канавы больше его высоты;

b - протяжение откосной части смоченного периметра, определяемого по формуле

                                                                                     (2.1.6)

где d - ширина канавы по дну, м.

Умножая полученную скорость V на площадь живого сечения w потока, получаем расход , который фактически может пропустить канава при принятых величинах i, R и С.

Расчет канавы ведут в следующем порядке. Установив крутизну откосов и ширину канав по дну, назначают продольный уклон канавы; затем задаются глубиной воды в канаве и определяют последовательно площадь живого сечения, смоченный периметр, гидравлический радиус, среднюю скорость течения воды в заданном сечении и расход воды.

Когда фактический расход оказывается значительно больше расчетного, следует уменьшить размеры канавы во избежание неоправданного удорожания ее устройства, а когда получается, что < , то надо увеличить уклон или глубину, т.е. размеры поперечного сечения канавы, которые влияют на величину гидравлического радиуса R. Подбор глубины канавы заканчивают, когда фактический расход воды отличается от расчетного не более чем на 5 %.

Работы по рытью канав состоят из следующих операций. На месте обозначают оси канав вехами, затем проводят ограничительные борозды автогрейдерами и поперечными зарезаниями бульдозером, перемещают грунт в насыпь или распределяют по прилегающей местности. Планировку откосов и точное придание им формы производят автогрейдерами с откосниками. При небольших продольных уклонах (до 20‰) канавы постепенно зарастают травой. В легкоразмачиваемых грунтах дно и боковые стенки канав укрепляют, когда земляное полотно возводят из боковых резервов, то дну резервов придают уклон в сторону от насыпи. При ширине резерва по дну более 6 м дну придают поперечный профиль с уклоном к оси резерва.

В тех случаях, когда продольный уклон канавы превышает 20...30‰, канавы укрепляют. Откосы и дно канав облицовывают бетонными плитами размером 40´40´12 см. Плиты укладывают непосредственно на грунт. Если уклон канав более 30‰, то во избежание подмыва плит водой их укладывают на слой мелкого щебня или гравия толщиной 10...12 см. Швы между плитами заливают битумной мастикой или цементным раствором, если представляется возможным обеспечить уход за ним и нормальные условия твердения.

В целях избежания трудоемких и дорогих работ по укреплению канав применяют жидкие карбамидные и фурфуроловые смолы. Этими смолами, обладающими малой вязкостью, равномерно обрабатывают грунт на глубину 3...4 см. В результате пропитки дна и откосов канав они не размываются и не зарастают травой.

Технология работ состоит из тщательной планировки поверхности дна и откосов автогрейдерами с откосником, разбрызгивания автогудронатором через шланг по поверхности канав укрепляющего материала. Всю систему поверхностного водоотвода проверяют по ее работе во время сильного дождя. Замеченные места застоя воды или размыва отмечают и исправляют.

2.2. Понижение уровня и отвод грунтовых вод

Грунтовые воды ухудшают условия устойчивости грунтов тем, что снижают коэффициент внутреннего трения и сцепления грунта, увеличивают его объемную массу и, кроме того, способствуют пучинообразованию.

В целях понижения уровня грунтовых вод, а также для полного перехвата и отвода их от земляного полотна применяют устройства, называемые дренажами. Дренажи отводят из грунта только гравитационную и связанную с ней капиллярную воду. По способу устройства и характеру сбора и отвода грунтовых вод дренажи подразделяют на горизонтальные, вертикальные и комбинированные.

Наиболее распространены горизонтальные дренажи, которые подразделяют на открытые и закрытые. К открытым относят канавы и лотки, к закрытым - дренажи траншейного типа.

К вертикальным дренажам относят водоспускные колодцы и буровые скважины для спуска воды в нижележащие пласты дренирующего грунта.

Комбинированные дренажи представляют собой различные сочетания дренажей первых двух групп. Их применяют в тех случаях, когда требуется сложная система дренажных устройств (например, для осушения крупных оползней на косогоре).

Наиболее простым дренажным устройством открытого типа является дренажная канава. Она существенно отличается от водоотводной канавы, предназначенной для регулирования стока поверхностной воды: в водоотводную канаву вода стекает по поверхности, и при устройстве ее принимают меры к тому, чтобы через ее стенки и дно возможно меньше воды проникало в грунт. В дренажную канаву попадает, главным образом, грунтовая вода, поэтому принимаемые меры должны быть направлены на обеспечение свободного вытекания ее из грунта через откосы, а иногда и через дно. Откосы дренажных канав не укрепляют, а если необходимо укрепление, то выбирают такой материал, который обеспечивает выход воды из грунта в канаву.

Если на небольшой глубине имеется подстилающий водонепроницаемый грунт и необходимо понизить уровень грунтовых вод в лежащем на нем водоносном слое, то устраивают дренажную канаву, врезая ее дно в водоупор (рис. 2.2.1) с таким расчетом, чтобы уровень воды в канаве был несколько ниже верха водоупорного слоя. Живое сечение и уклоны дренажной канавы рассчитывают на пропуск суммарного расхода попадающих в канаву грунтовых вод.

Рис. 2.2.1. Дренажная канава

Дренажные лотки бывают железобетонными, бетонными и каменными. Грунтовая вода просачивается в дренажные лотки чрез стенки. Для этого в стенках лотков (за исключением нижней их части высотой 25 см) делают специальные отверстия диаметром 25 мм или между плитами стенок оставляют щели шириной 10 мм. Общая площадь щелей и отверстий составляет 10...15 % площади стенок лотка. В глинистых и суглинистых (особенно пылевых) грунтах между стенками лотка и грунтом устраивают дренирующую засыпку из крупнозернистого песка толщиной 0,25...0,4 м, иначе грунт вместе с водой будет проникать в отверстия, засорять их и затруднять сток воды. Кроме того, из-за вымывания грунта около лотка могут появиться просадки.

Если дренажный лоток врезан в водоупор и пересекает направление течения грунтовых вод, то он полностью перехватывает грунтовую воду. В этом случае со стороны, противоположной поступлению воды в дренаж, в стенке не устраивают отверстий, а за ней делают горизонтальный экран из мятой глины (рис. 2.2.2).

Рис. 2.2.2. Надоткосный железобетонный дренажный лоток:
1 - дренажный лоток преградитель; 2 - суглинок; 3 - водоносный слой; 4 - фильтр из дренирующего материала

Из дренажей закрытого траншейного типа наибольшее распространение получили трубчатые подкюветные дренажи, назначение которых заключается в понижении уровня грунтовых вод под подошвой земляного полотна. Если водоупорный слой залегает на глубине до 0,4 м от бровки земляного полотна, то устраивают, так называемые, совершенные дренажи с полным перехватом грунтового потока. При более глубоком залегании водоупорного слоя устраивают несовершенные дренажи, которые иногда называют висячими. Дно таких дренажей находится выше водоупорного слоя.

Если поток грунтовой воды направлен поперек дороги, то совершенный дренаж закладывают с одной - нагорной стороны (рис. 2.2.3).

Рис. 2.2.3. Подкюветный односторонний совершенный дренаж:
1 - водоносный слой; 2 - уровень грунтовых вод до снижения; 3 - кривая депрессии после устройства дренажа; 4 - дренаж; 5 - замок из глины; 6 - геотекстиль; 7 - водоупорный слой

Конструкция дренажа закрытого траншейного типа предусматривает основной элемент - дренажную трубу, обернутую геотекстилем и укладываемую на щебень или гравий (рис. 2.2.4).

Рис. 2.2.4. Дренаж закрытого траншейного типа:
1 - экран из мятой глины; 2 - местный грунт; 3 - утрамбованный глинистый грунт; 4 - противозаиливающий слой; 5 - крупнозернистый песок; 6 - водоносный слой; 7 - водоупорный слой; 8 - щебень (гравий) фракции 5...10 мм; 9 - щебень (гравий) фракции 40...70 мм; 10 - щебень, втрамбованный в грунт; 11 - дренажная труба; 12 - кривая депрессии

Для дренажа применяют трубы гончарные, асбоцементные, пластмассовые, из пористого беспесчаного бетона. Внутренний диаметр труб 50...300 мм.

Для поступления воды в трубы в них делают водоприемные отверстия. Уложенные в траншею трубы в стыках обвертывают фильтровыми тканями (геотекстиль) или соединяют кольцевыми полимерными муфтами.

На всех переломах продольной линии дренажа в плане и на прямых участках через 60...80 м устраивают смотровые колодцы. Назначение колодцев - облегчить нахождение пробок и мест, препятствующих нормальному протеканию воды в трубах. Колодцы делают из сборных железобетонных колец диаметром около 1,0 м. Колодец наверху имеет горловину, закрываемую чугунной крышкой.

Технология работ по строительству дренажа закрытого типа состоит из следующих операций: снятие дерна на полосе будущего дренажа бульдозером или автогрейдером; отрывка траншеи, начиная с места выпуска воды из дренажа с применением экскаватора с обратной лопатой (при глубокой траншее и неустойчивых

грунтах необходима установка креплений с распорками), укладка на дно траншеи грунтощебеночной подушки, укладка дренажных труб с обертыванием стыков фильтровой тканью и обсыпкой крупным, а затем мелким щебнем (гравием); проверка правильности укладки труб; засыпка фильтрующим песком; укладка глинистого слоя с уплотнением; засыпка местным грунтом с уплотнителем; строительство смотровых колодцев.

2.3. Устройство водонепроницаемых и капилляропрерывающих слоев

При высоком уровне грунтовых вод для повышения устойчивости земляного полотна в теле насыпи устраивают водонепроницаемые или капилляропрерывающие прослойки.

Водонепроницаемые прослойки укладывают на всю ширину земляного полотна или, в целях экономии материалов, на ширину проезжей части с превышением ее с каждой стороны на 0,5 м.

При насыпях высотой менее 1,0 м водонепроницаемый слой устраивают на уровне подошвы насыпи путем укрепления местного грунта органическими вяжущими материалами (жидкие битумы класса МГ, СГ вязкостью 25/40, битумными эмульсиями и др.) (рис. 2.3.1). На высоких насыпях водонепроницаемую прослойку можно устраивать на глубине 0,6...1,0 м от бровки земляного полотна. Кроме обработки местного грунта, водонепроницаемую прослойку можно устраивать из битумной пасты или шлама толщиной 3,0...3,5 см.

 

Рис. 2.3.1. Конструкции водонепроницаемых прослоек:
а) при высоте насыпи менее 1 м с использованием в качестве водонепроницаемой прослойки грунта, укрепленного органическим вяжущим материалом; б) при высоте насыпи более 1 м с использованием в качестве прослойки синтетической пленки:
1 - покрытие; 2 - основание; 3 - песчаный грунт; 4 - грунт, укрепленный органическим вяжущим материалом; 5 - синтетическая пленка; 6 - уровень грунтовых вод; 7 - укрепленная обочина

В настоящее время в дорожном строительстве широкое распространение в качестве водонепроницаемой прослойки получило использование синтетической пленки из полиэтилена, поливинилхлорида и на основе полиизобутилена. Полимерные пленки промышленность выпускает шириной от 2,4 до 12,0 м и толщиной от 0,1 до 2,0 мм. Чем шире пленка, тем меньше трудовые затраты на сварку или склейку полотнищ и выше качество. Чем больше толщина пленки, тем она надежнее.

Технологический процесс укрепления грунта органическим вяжущим материалом заключается в разрыхлении и измельчении грунта подошвы насыпи на глубину 5...10 см, розливе вяжущего из расчета 2...3 л/м2, перемешивания грунта с вяжущим, разравнивания и уплотнении катками на пневматических шинах.

Рабочие операции по строительству водонепроницаемой прослойки с использованием синтетической пленки включают: планировку и уплотнение земляного полотна, распределение полотен синтетической пленки, доставку грунта, надвижку его на пленку, уплотнение грунта и строительство последующих слоев дорожной одежды.

Капилляропрерывающие прослойки располагают в насыпях на всю их ширину на глубине 1 м от бровки земляного полотна. Назначение таких прослоек - создать преграду для подъема капиллярной воды (рис. 2.3.2). Капилляропрерывающие прослойки устраивают из щебня или гравия фракции 5... 10 мм толщиной 20...40 мм. Сверху и снизу капилляропрерывающей прослойки располагают противозаиливающие слои из топочных шлаков, высевок фракции от 0,1 до 5 мм, геотекстиля толщиной 3,0...5,0 мм и других местных материалов, не подвергающихся гниению.

Рис. 2.3.2. Конструкция водонепроницаемой прослойки:
1 - дорожная одежда; 2 - грунт земляного полотна; 3 - противозаиливающие прослойки; 4 - капилляропрерывающая прослойка; 5 - уровень грунтовых вод; 6 - зона капиллярной воды; 7 - зона свободной воды

Строительство капилляропрерывающих прослоек состоит из следующих технологических процессов: устройство нижней части земляного полотна с поперечным уклоном не менее 30‰ и коэффициентом уплотнения грунта не менее 0,98; строительство нижнего противозаиливающего слоя; распределение капилляропрерывающего материала; устройство верхней противозаиливающей прослойки; вывозка и надвижка грунта для верхней части насыпи с послойным уплотнением катками на пневматических шинах.

В результате строительства водонепроницаемых и капилляропрерывающих прослоек достигают сохранения грунтов в верхней части земляного полотна с пониженной влажностью. Это обеспечивает устойчивость земляного полотна и предохраняет дорожную одежду от преждевременного разрушения. За счет повышения модуля упругости грунта верхнего слоя можно уменьшить толщину конструктивных слоев дорожной одежды.

2.4. Строительство водопропускных труб

Наиболее распространенными искусственными сооружениями на автомобильных дорогах являются водопропускные трубы, стоимость которых нередко достигает 15 % от общей стоимости дороги. В настоящее время на дорогах устраивают сборные круглые железобетонные трубы из звеньев длиной 1,0 м с внутренним диаметром 0,75...2,0 м. Гораздо реже применяют прямоугольные из звеньев длиной 1,0 м отверстием 1,0...4,0 м.

В зависимости от расхода водотока устраивают одно- и многоочковые трубы. Применение сборных труб обеспечивает сокращение продолжительности, снижение стоимости и повышение качества строительства. Монолитные трубы допускаются только в отдельных труднодоступных районах строительства.

Изготовление элементов сборных железобетонных труб состоит из следующих операций: заготовка арматурных стержней, изготовление сеток, сборка арматурных каркасов; изготовление, сборка, смазка, разборка и очистка опалубки; укладка и уплотнение бетонной смеси; отделка и пропаривание смеси.

Звенья труб изготавливают на заводах или полигонах, обслуживающих строительство автомобильной дороги. От полигона (завода) или ближайшей железнодорожной станции их доставляют к месту постройки трубы автомобилями или тракторами на прицепах.

В подготовительный период устраивают временные дороги, расчищают и планируют территорию строительной площадки, отводят существующее русло водотока при необходимости, устраивают защитные ограждения от паводков.

Строительную площадку (рис. 2.4.1) устраивают в соответствии с технологическим процессом постройки трубы. Особое внимание при этом обращают на расположение монтажного крана, который должен обслуживать, возможно, большую площадь. На площадку доставляют и устанавливают бетономешалку, электростанцию, битумоварочный агрегат и другие машины и оборудование.

Рис. 2.4.1. План строительной площадки трубы:
1 - склад блоков оголовков; 2 - склад блоков фундаментов; 3 - склад лекальных блоков; 4 - путь движения крана; 5 - склад звеньев трубы; 6 - контейнер с цементом; 7 - бетоносмеситель; 8 - бак для воды; 9 - электростанция; 10 - склад щебня; 11 - склад песка

При перевозке в кузовах автомобилей или прицепах звенья укладывают горизонтально (на бок) или устанавливают вертикально (стоя). Перевозка звеньев круглых труб в вертикальном положении в пересеченной местности и по грунтовым дорогам безопаснее, чем в горизонтальном. При перевозке в горизонтальном положении звенья необходимо надежно закрепить на транспортных средствах, подкладывая под них деревянные подкладки, которые для надежности надо прибить гвоздями к полу кузова. При перевозке звеньев в горизонтальном положении упрощаются и ускоряются погрузочно-разгрузочные работы, тогда как перевозка в вертикальном положении требует дополнительной операции переворачивания звеньев при выгрузке.

Разгрузку элементов труб проводят кранами. Сбрасывать элементы с автомобиля запрещается. В случае производственной необходимости разрешается перекатывание круглых звеньев, но только по горизонтальной поверхности. При этом рабочие должны находиться сзади перекатываемого звена.

Доставленные на строительную площадку элементы труб укладывают вдоль котлована трубы, оставляя берму шириной не менее 4,0 м для проезда крана. Все элементы доставляют на объект, как правило, до начала монтажа тубы. Порядок раскладки элементов принимают в соответствии с технологической последовательностью монтажа трубы.

Разработку котлована начинают непосредственно перед устройством фундамента. Рытье котлована шириной до 3,0 м осуществляют экскаваторами, а при ширине котлована более 3,0 м и отсутствии грунтовых вод - бульдозерами.

При продольной разработке котлована бульдозером отвалы грунта устраивают по сторонам лога, не допуская накопления воды у котлована. Дно котлована окончательно зачищают, планируют и при необходимости уплотняют. Основание без фундаментных труб устраивают при благоприятных геологических условиях. В этом случае на дне котлована устраивают основание из щебня и гравия с уплотнением пневматическими или электрическими трамбовками. Верх основания устраивают с учетом уклона и строительного подъема трубы.

Фундаменты из бетонных блоков устраивают при неблагоприятных геологических условиях. Блочный фундамент монтируют стреловым краном, грузоподъемность которого соответствует максимальной массе блока и вылета стрелы. Сначала собирают фундаменты оголовков до уровня подошвы фундаментов секций трубы. Затем скосы котлована, устраиваемые в местах сопряжения более глубоких котлованов оголовков с подошвой котлована под секции трубы, заполняют щебнем с заливкой цементным раствором или песчано-гравийной смесью слоями 10...15 см с тщательным уплотнением трамбованием.

После этого собирают по направлению от выходного оголовка к входному блоку фундамента под тело трубы. Блоки укладывают на слой цементного раствора толщиной 1...2 см по уровню и с перевязкой швов. Разница соседних блоков по высоте не должна превышать 10 мм.

После окончания сборки и приемки фундамента пазухи между стенками котлована и фундамента засыпают грунтом. Засыпку производят одновременно с обеих сторон фундамента горизонтальными слоями толщиной 15...20 см с послойным уплотнением.

Монолитные бетонные фундаменты устраивают только в тех случаях, когда вблизи строящегося объекта имеется возможность получить готовую цементобетонную смесь.

Оголовки труб собирают краном по монтажным схемам. Сборку оголовков труб устраивают в следующей последовательности: сначала устраивают песчано-гравийное (щебеночное) основание и на него укладывают фундаментные плиты, далее устраивают фундаменты под звенья оголовков и засыпают грунтом скосы котлованов, устраивают откосные крылья. После этого при сборке оголовков круглых труб устанавливают лекальные блоки и конические звенья (рис. 2.4.2, а), при сборке прямоугольных труб - повышенные или нормальные прямоугольные звенья (рис. 2.4.2, б).

Рис. 2.4.2. Последовательность (I...III) сборки оголовков труб:
а - круглой железобетонной; б - прямоугольной железобетонной:
1 - гравийно-песчаное основание; 2 - фундаментные плиты; 3 - портальная стенка; 4 - фундамент; 5 - откосные крылья; 6 - засыпка котлована; 7 - бетонный лоток; 8 - засыпка скоса котлована; 9 - лекальный блок; 10 - коническое звено; 11 - железобетонные плиты; 12 - прямоугольные звенья

Элементы оголовков устанавливают в проектное положение на слой цементного раствора. После окончания сборки оголовка котлован между откосными крыльями послойно засыпают грунтом и тщательно уплотняют. Лотки устраивают из цементобетонной смеси не ниже класса В, 12,5 толщиной 15...20 см на щебеночном или гравийном основании, толщиной 30 см.

Сборку труб начинают со стороны выходного оголовка, последовательно укладывая все элементы в направлении входного. В том случае, когда элементы (блоки) сборного оголовка имеют перевязки с блоками фундамента, оголовок нужно монтировать одновременно с фундаментом. После установки всех элементов оголовка можно начинать монтаж тела трубы по раскладочной схеме, входящей в состав рабочих чертежей трубы на конкретный объект. Последовательность сборки секций труб с блочным и монолитным фундаментом показана на рис. 2.4.3. [5].

Рис. 2.4.3. Последовательность (I...III) сборки секций труб:
а - с блочным фундаментом; б - с монолитным фундаментом;
1 - гравийно-песчаная (щебеночная) подготовка; 2 - фундамент; 3 - лекальные блоки; 4 - звенья; 5 - опалубка; 6 - бетонный фундамент; 7 - деревянные подкладки; 8 - цементно-песчаный раствор

Положение устанавливаемых звеньев в плане и профиле контролируют по их внутренней поверхности. Зазоры между торцами звеньев не должны превышать проектные более чем на ±5 мм.

При установке круглых звеньев на фундамент без применения сборных лекальных блоков зазор между нижней образующей звена и плоской поверхностью фундамента обеспечивают деревянными прокладками. Звенья укладывают на предварительно уложенный слой пластичной бетонной смеси, обеспечивая этим плотное опирание звеньев.

Швы между круглыми и прямоугольными звеньями должны соответствовать проектным размерам, и после окончания сборки все должны быть снаружи и изнутри плотно заполнены жгутами из пакли, пропитанной битумом или литыми резиновыми жгутами. Жгуты, поставленные с внутренней стороны, должны быть утоплены в шов на 2...3 см.

После сборки всей трубы наружные ее поверхности, соприкасающиеся с грунтом насыпи, покрывают гидроизоляцией. Двухслойную обмазочную битумную гидроизоляцию наносят кистями. Стыки сборных элементов оклеивают полосами оклеечной гидроизоляции из пергамента и гидроизола, а швы между элементами зачеканивают цементным раствором или полимерными герметиками.

Водопропускные трубы засыпают грунтом после их освидетельствования и приемки. Засыпка труб состоит из следующих операций: заполнение грунтом пазух между стенками котлована и фундамента; устройство уплотненной грунтовой призмы по бокам трубы; возведение земляного полотна дороги над трубой до проектной отметки.

Глава 3.
Возведение земляного полотна в нескальных грунтах

3.1. Восстановление и закрепление трассы

Положение оси дороги на местности устанавливают и закрепляют в процессе изыскательных работ. Однако со времени проведения изысканий до начала строительства дороги проходит иногда значительный промежуток времени, в течение которого могут измениться условия использования выделенных для строительства дороги земельных угодий, часто бывают повреждены отдельные знаки, указывающие положение трассы. Поэтому перед началом строительных работ необходимо вновь уточнить положение дороги на местности и восстановить закрепление трассы.

Восстановление и закрепление трассы производят в следующей последовательности (рис. 3.1.1):

- находят, а в случае утраты восстанавливают, углы поворота. Вершины углов поворота (ВУ) закрепляют установкой столбов, которые закапывают на расстоянии 0,5 м от фактической вершины угла на продолжении биссектрисы. На этих столбах записывают порядковый номер угла, радиус, тангенс и биссектрису кривой;

- на прямых участках осевую линию трассы закрепляют столбами через 200...400 м, в зависимости от рельефа местности. На криволинейных участках выносные столбы располагают через 100 м;

- производят контрольный промер осевой линии с установкой дополнительных плюсовых точек и разбивают поперечные профили для более точного подсчета объемов земляных работ. Промежуточные точки на кривых разбивают через 5; 10 или 20 м в зависимости от радиуса кривой (до 100 м, от 100 до 500 и более 500 м);

- производят продольное и поперечное нивелирование и съемку поперечных профилей.

Рис. 3.1.1. Закрепление трассы дороги:
а - на прямом участке; б - на кривой;
1 - выносной столбик с отметкой; 2 - выносные колья; 3 - граница полосы отвода; 4 - ось дороги; 5 - пикеты; В - ширина полосы отвода; НК - начало кривой; КК - конец кривой; ВУ - вершина угла; Т - тангенс кривой; R - радиус кривой; К - касательная к кривой

Высотные отметки закрепляют реперами через каждые 1000...2000 м в зависимости от рельефа местности. Кроме этого, реперы обязательно устанавливают на участках пересечения с другими автомобильными или железными дорогами, около малых искусственных сооружений, на пересечениях рек, у высоких насыпей и глубоких выемок (более 5 м). Реперы устанавливают в стороне от дороги, окапывают неглубокими канавками и обсыпают землей в виде конуса. В качестве реперов можно использовать опоры мостов, крупные камни и др.

Закрепление оси дороги заключается в выносе пикетов и плюсовых точек за пределы полосы отвода. Пикетаж закрепляют сторожками, на которых указывают расстояния выноски (ведут журнал выноски пикетажа). При расхождении с изыскательским пикетажем более чем на 1 м устанавливают рубленые пикеты для увязки точек с проектным продольным профилем.

Водоотводные канавы закрепляют колышками вдоль их осей с указанием глубины в местах их установки. Резервы обозначают колышками по бровкам через 10...50 м. При широких резервах колышки устанавливают не только по бровкам, но и по оси с указанием на них глубины разработки.

3.2. Расчистка дорожной полосы

До начала сооружения земляного полотна вся отведенная для него полоса должна быть расчищена от леса, кустарника, пней, камней и других предметов, мешающих выполнению работ. Твердых утвержденных нормативов ширины полосы отвода земель на дороги разных технических категорий не существует. Временные нормативы (табл. 3.2.1) определяют лишь среднюю ширину полосы отвода для каждой категории дороги. В проекте производства работ ширину отвода обосновывают соответствующими поперечными профилями и составляют график отвода земель.

Таблица 3.2.1

Нормы отвода земель

Категория автомобильной дороги

Количество полос движения

Общая ширина полосы отвода, м при поперечном уклоне местности

от 0 до 1:20

от 1:20 до 1:10

от 0 до 1:20

от 1:20 до 1:10

на землях сельскохозяйственного назначения

на землях, не пригодных для сельского хозяйства

I

8

63

64

74

75

I

6

55

56

64

65

I

4

47

48

55

56

II

2

31

32

39

40

III

2

26

28

36

38

IV

2

24

25

35

36

V

1

21

22

33

34

К расчистке дорожной полосы приступают при наличии ведомостей отвода земель, рубки леса, строений подлежащих сносу. Если на расчищаемой полосе имеются деревья ценных и декоративных пород, то их следует выкопать и пересадить в назначенные места и сроки, установленные с учетом агротехнических требований.

Расчистку дорожной полосы от леса, кустарника и пней выполняют в такой последовательности:

- срезка кустарника и мелкого леса;

- спиливание или валка деревьев;

- очистка стволов от сучьев и удаление за пределы расчищаемой полосы;

- корчевка и уборка пней;

- засыпка ям, оставшихся после валки деревьев и корчевки пней. Наиболее трудоемкой является очистка полосы от леса. Лес разделяют по крупности и густоте согласно табл. 3.2.2; 3.2.3.

Таблица 3.2.2

Распределение деревьев по крупности

Крупность леса

Очень мелким

Мелкий

Средний

Крупный

Диаметр ствола, см

12...15

16..23

24...31

Свыше 31

Объем дерева, м3

0,02...0,04

0,05...0,21

0,22...0,5

Свыше 0,5

Объем пня, м3

0,02

0,12

0,26

Свыше 0,26

Таблица 3.2.3

Распределение леса по густоте

Наименование леса

Редкий

Средний

Густой

Среднее количество деревьев, шт./га

150

340

500

Кустарник и очень мелкий лес целесообразно срезать до удаления деревьев. Это обеспечивает удобство и безопасность работ при спиливании или валке леса. Для срезки кустарника и очень мелких деревьев лиственных пород служат кусторезы. Кусторез представляет собой навесное оборудование к трактору. Его рабочим органом является клинообразный отвал, снабженный в нижней части режущими ножами, которые могут быть пилообразными. Производительность кустореза (м2/смену) определяют по формуле

                                                                                  (3.2.1)

где b - ширина отвала, м;

V - средняя рабочая скорость, км/ч;

Т - число часов работы в смену;

кв - коэффициент использования рабочего времени;

п1 - число поворотов кустореза;

tn - время, затрачиваемое на один поворот, мин;

п - число проходов по одному следу.

Удаление деревьев можно осуществлять двумя способами: валить деревья с корнями или спиливать. Первый способ применяют при незамерзшем грунте и если деревья непригодны для использования в строительстве. Для валки деревьев используют бульдозеры, древовалы. Перед валкой деревьев бульдозером корни крупных деревьев подрезают с трех сторон, оставляя их неподрезанными только с той стороны, в которую валят дерево. Возможна также валка с помощью стального троса длиной не менее утроенной высоты дерева.

Для спиливания деревьев применяют мотопилы, электропилы. Одной мотопилой в смену спиливают и разделывают на деловую древесину до 85 деревьев диаметром 35...40 см.

Обычно деревья спиливают, оставляя пни высотой 10...15 см. Со стороны, в которую валят дерево, делают подруб (подпил) на глубину 1/3...1/4 диаметра ствола. Подруб представляет собой два прореза пилой один выше другого на 4...6 см, между которыми часть дерева вырубают топором. Затем с противоположной стороны делают глубокий пропил на уровне верха подруба, не доходя до него на 2...3 см, после чего валят дерево с помощью длинного шеста со специальной вилкой на конце.

Валку леса, очистку стволов от сучьев, вывозку хлыстов и сбор порубочных остатков целесообразно выполнять в зимнее время. Корчевать пни, остающиеся после спиливания деревьев, лучше всего весной при высокой влажности грунта, которая облегчает корчевку. Оставлять невыкорчеванными можно пни высотой до 10 см при высоте насыпи более 2,0 м.

Для корчевки пней применяют корчеватели-собиратели, бульдозеры. Производительность бульдозера при корчевке пней диаметром 35...40 см составляет 180...200 пней в смену.

Для корчевки крупных пней (диаметром более 50 см), а также пней с сильно развитой корневой системой целесообразно применять метод взрывания. Расход взрывчатого вещества для корчевки одного пня можно определить по формуле

q = d · Ky,                                                                                                                    (3.2.2)

где d - диаметр пня, см;

Ky - удельный расход взрывчатого вещества на 1 см диаметра пня (Ky » 20 г).

Камни размером до 1 м3 с дорожной полосы удаляют бульдозерами или корчевателями-собирателями. Большие камни (свыше 1,5...2 м3), которые не могут быть сдвинуты с места трактором, дробят взрывным способом на более мелкие куски.

Ямы, оставшиеся на дорожной полосе после валки деревьев, корчевки пней послойно засыпают и уплотняют. Техническая характеристика основных машин для выполнения подготовительных работ приведена в табл. 3.2.4.

Таблица 3.2.4

Дорожные машины для подготовительных работ

Показатели

Кусторезы

Корчевателн-собиратели

ДП-4

ДП-24

ДП-3 четырехстойковый

ДП-25 четырехстойковый

ДП-8 шестистойковый

Базовый трактор

Т-100М3ГП

Т-130.1Г-1

Т-100М3ГП

Т-130.1Г-1

ДТ-75Б

Мощность двигателя. кВт

79

103/118

79

103/118

55

Производительность в час

0,4...0,5 га

0,5...0,8 га

0,15 га/до 20 пней

12 м3

-

0,2 га/до

45 пней

8 м3

Диаметр срезаемых деревьев, мм

200... 300

до 400

450

450

300

Отвал:

 

 

 

 

 

ширина захвата, мм

3600

3600

1380

1380

2170

угол установки ножей в плане, град

64

64

-

-

-

Размеры отвалов (ширина, высота), мм

-

-

1250´1500

-

-

Опускание рабочих органов ниже опорной поверхности, мм:

 

 

 

 

 

зубьев корчевателя

-

-

450

400

500

бульдозерного отвала

-

-

-

-

230

3.3. Разбивка земляного полотна

После очистки дорожной полосы приступают к разбивке земляного полотна. Разбивка земляного полотна сводится к закреплению на местности основных точек его поперечного профиля. Разбивку выполняют на основе проектных материалов: плана дороги, продольного, поперечного профилей насыпей и выемок. Важным правилом разбивки является установка колышков с высотными отметками таким образом, чтобы они сохранились до окончания земляных работ. С этой целью такие колышки, как правило, выносят за пределы полосы, на которой ведут работы землеройно-транспортными машинами.

Разбивка насыпи при возведении земляного полотна из боковых резервов в равнинной местности показана на рис. 3.3.1.

Рис. 3.3.1. Схема установки колышков при разбивке насыпи:
В - ширина земляного полотна на уровне низа дорожной одежды, м; Н - высота насыпи, м; m - заложение откоса насыпи, резерва; Нр - средняя глубина бокового резерва, м

Ширину земляного полотна на уровне низа дорожной одежды рассчитывают по формуле

B = b + 2mh.                                                                                                                (3.3.1)

где b - ширина земляного полотна поверху, м;

h - толщина конструкции дорожной одежды, м.

                                                                                                               (3.3.2)

                                                                                               (3.3.3)

где l1 - расстояние от оси насыпи до линии подошвы, м;

l2 - расстояние от оси насыпи до бровки бокового резерва, м

- площадь поперечного сечения насыпи, м2

Кп - коэффициент относительного уплотнения, принимаемый в зависимости от коэффициента относительного уплотнения насыпи (Кп = 1,0...1,20).

Проектную отметку по оси низа дорожной одежды (дна корыта) определяют по формуле - в соответствии с рис. 3.3.2.

                                                                                       (3.3.4)

где Нн - высота насыпи по бровке земляного полотна, м;

bo - ширина обочины, м;

io, - уклон обочины, корыта в сотых долях единицы;

- ширина корыта, м.

Рис. 3.3.2. Схема разбивки земляного полотна при устройстве дорожной одежды в корыте

Если насыпь проходит на косогоре, то разбивку его производят согласно рис. 3.3.3. Для обозначения линий подошвы насыпи определяют точки пересечения откосов с линией косогора , .

Рис. 3.3.3. Схема разбивки насыпи на косогоре

Расстояния этих точек от оси насыпи равны:

для низового откоса

                                                                                                            (3.3.5)

для верхового откоса

                                                                                  (3.3.6)

Перед разработкой выемки точки разбивки, обозначаемые колышками, выносят за пределы поперечного профиля. На колышках делают засечки или прибивают планки для надписывания номера пикета или плюса и глубины выемки (рис. 3.3.4).

Рис. 3.3.4. Схема разбивки выемки:
а - на горизонтальном участке; б - на косогоре с одинаковым поперечным уклоном:
1 - откосное лекало; 2 - веха

На горизонтальном участке расстояние l0 от оси до бровки выемки определяют по формуле

                                                                                                                                           (3.3.7)

На косогорном участке расстояние от оси дороги до бровки выемки с низовой стороны и верховой - находят по формулам:

                                                                                           (3.3.8)

                                                                                           (3.3.9)

При разбивке земляного полотна пользуются нивелирами, а также специальными приспособлениями: визирками, откосными лекалами (рис. 3.3.5).

Рис. 3.3.5. Приспособления для разбивки земляного полотна:
а - комплект визирок; б - откосное лекало

Визирка представляет собой планку с перекладиной. Комплект из трех визирок позволяет контролировать постоянный уклон между точками, отметки которых определены нивелированием. Откосное лекало - треугольник из деревянных планок, две из которых соединены под углом, равным углу заложения откоса.

Придавая основанию лекала горизонтальное положение с помощью уровня, проверяют положение линии откоса, которая должна совпадать с наклонной стороной лекала или быть параллельной ей.

Способ высотной разбивки с использованием визирок показан на рис. 3.3.6.

Рис. 3.3.6. Схема высотной разбивки насыпи с помощью визирок

3.4. Удаление растительного слоя

Плодородный почвенный слой снимают со всей площади, отведенной для строительства дороги, и укладывают в отвалы для дальнейшего использования. Толщину снимаемого плодородного почвенного слоя устанавливают проектом на основании предварительного согласования с землепользователями. Толщина растительного слоя на задернованных участках составляет приметно 8...12 см, пахотных - 15...18 см и залесенных - 15...25 см. Растительный грунт используют при укреплении откосов земляного полотна, рекультивации восстанавливаемых или малопродуктивных сельскохозяйственных земель.

Различают следующие схемы удаления растительного слоя грунта: а) поперечная с валиками грунта, расположенными в шахматном порядке при ширине полосы менее 20...25 м; б) поперечная с валиками по обе стороны земляного полотна при ширине полосы более 20...25 м; в) продольно-поперечная при ширине полосы срезки более 35 м и значительной толщине растительного слоя грунта (рис. 3.4.1).

Рис. 3.4.1. Схема срезки и перемещения растительного грунта:
а - поперечным способом на полосе шириной 20...25 м; б - то же, на полосе шириной более 20...25 м; в - продольно-поперечным способом; I - вал растительного грунта; 1, 2, 3...n - проходы бульдозера

Для срезки и перемещения растительного слоя грунта используют бульдозеры или автогрейдеры. Способ выполнения этой работы выбирают в зависимости от ширины полосы, с которой необходимо срезать грунт и толщины срезаемого слоя. Если ширина полосы менее 20...25 м, что бывает при возведении земляного полотна из привозного грунта, растительный грунт срезают и перемещают бульдозером сразу на всю ширину (рис. 3.4.1, а). Каждый цикл зарезания и перемещения грунта осуществляют с перекрытием предыдущего слоя на 20...25 см. При большей ширине полосы, например, при необходимости срезки растительного грунта с поверхности основания насыпи и боковых резервов, грунт перемещают поочередно в обе стороны от оси дороги, начиная каждый раз зарезание от оси (рис. 3.4.1, б).

При большом объеме работ применяют продольно-поперечную схему срезки и перемещения грунта: продольными проходами бульдозера срезают грунт и собирают его в валы, затем поперечными проходами перемещают его за пределы полосы срезки. Эту работу рационально выполнять, применяя одновременно автогрейдер и бульдозер: первый для срезки грунта и его укладки в продольные валы, второй - для поперечного перемещения растительного грунта за пределы полосы снятия растительного слоя. Срезать грунт можно и скрепером, перемещая его на расстояние более 50 м. Скрепер снимает растительный слой продольными проходами, параллельно оси дороги, на полосе срезки, длиной равной захватке, но не менее 200...250 м. Путь заполнения ковша емкостью 6...8 м3 составляет 20...25 м при толщине стружки около 10 см, после чего скрепер переводят в положение выгрузки и грунт выгружают в поперечный валик. Продолжая движение, скрепер снова зарезает грунт до полного наполнения ковша и на соседнем участке снова его выгружает. Подобные операции повторяются до конца захватки, где скрепер, повернув на 180°, при обратном движении продолжает срезать растительный слой. Затем поперечные валики грунта перемещают бульдозером за пределы полосы срезки.

Производительность бульдозера П, м3/смену, при срезке и перемещении растительного слоя грунта равна

                                                                                                         (3.4.1)

где Т - продолжительность смены, ч;

Q - объем грунта, перемещаемого за один цикл, м3;

Кв - коэффициент использования времени;

Кi - коэффициент, учитывающий наличие уклона;

Кп - коэффициент, учитывающий потери грунта при его перемещении;

t - время, затрачиваемое на один цикл, ч;

Кр - коэффициент разрыхления грунта.

Растительный грунт укладывают во временные отвалы или вывозят сразу на место использования в качестве плодородного почвенного слоя. Временные отвалы располагают по краям полосы отвода или на специальных площадках, выделенных для этой цели.

Рекультивация земель или восстановление плодородного почвенного слоя производят там, где в процессе строительства он был поврежден или полностью уничтожен. К таким местам относят территории, занимавшиеся под временные дороги, стоянки дорожных машин, грунтовые, песчаные или гравийные карьеры, боковые резервы.

3.5. Рыхление нескальных грунтов

Плотные связные грунты с влажностью меньше оптимальной для повышения производительности землеройных машин предварительно разрыхляют. В зависимости от плотности, влажности и требуемой глубины разрыхления грунтов применяют различные рыхлители: прицепные и навесные. Прицепные рыхлители в сцепе с трактором мощностью двигателя более 75 кВт применяют для рыхления плотных глинистых, щебенистых, а также гравелистых грунтов. Глубина рыхления в этом случае не превышает 0,20...0,25 м. В особо тяжелых грунтовых условиях в навесном рыхлителе оставляют 1...3 зуба вместо 5. Очень плотные глинистые грунты с включением валунов, а также скальные горные породы (V группа) рыхлят навесными рыхлителями, смонтированными на базе мощного трактора (типа ДЭТ-250). Глубина рыхления достигает 0,5 м. Рыхлители данного типа можно использовать и при рыхлении мерзлых грунтов, при этом, стоимость рыхления в два раза меньше по сравнению с буровзрывным способом. Чем плотнее грунт и больше содержание включений щебня или валунов, тем целесообразнее применять более мощные навесные рыхлители мощностью до 600 кВт или уменьшить глубину разрыхления.

При возведении насыпи автогрейдером целесообразно предварительное полное рыхление грунтов II, III групп, что облегчает процесс зарезания грунта. Производительность автогрейдера зависит, прежде всего, от площади вырезаемой стружки. Если насыпь возводится грейдер-элеватором, то предварительное рыхление грунтов I, II групп не требуется.

Для повышения производительности скреперов при разработке грунтов III и IV групп производят частичное рыхление, которое состоит в прорезании зубьями рыхлителя плотного грунта без подъема пластов. Зубья рыхлителя лишь разрезают на полосы верхний слои грунта, разрабатываемого скрепером. В этом случае в ковш скрепера грунт перемещается в виде толстой стружки. В результате, за счет частичного рыхления облегчается процесс зарезания грунта и наполнение ковша скрепера.

При возведении насыпи бульдозерами, рыхлению подлежат грунты III и IV групп, а также связные сухие грунты II группы. Длину захватки рыхления устанавливают в зависимости от влажности грунта, а также погодных условий в период производства земляных работ. Если естественная влажность грунта выше оптимальной, то при солнечной погоде грунты рекомендуется рыхлить сельскохозяйственными плугами, переворачивая пласты. При влажности меньше оптимальной длину захватки уменьшают с целью предотвращения пересыхания грунта.

Объем разрыхляемого грунта не должен превышать сменной производительности звена скреперов или бульдозеров, во избежание пересыхания грунта в сухое летнее время и переувлажнения в дождливую погоду. Разрабатывая боковые резервы, первый проход рыхлители делают по полосе, ближайшей к подошве насыпи. Последующие проходы постепенно удаляют к границе дорожной полосы.

Производительность рыхлителя, м3/смену, определяют по формуле

                                                                                            (3.5.1)

где Т - продолжительность смены, ч;

в - рабочая ширина рыхлителя (в = 1,5...2,2), м;

в1 - ширина полосы перекрытия (в1= 0,1), м;

h - глубина рыхления грунта, м;

l - длина разрыхляемого участка, м;

кв - коэффициент использования рабочего времени (0,9...0,95);

Vcp - средняя скорость работы трактора, м/мин;

tп - время на 1 поворот, мин;

п - число проходов по одному следу.

При рыхлении структурных грунтов с влажностью, близкой к оптимальной, число проходов рыхлителя по одному следу и принимают равным единице. Рыхление сухих плотных грунтов с включением щебня, гальки требует большего числа проходов по одному следу. Техническая характеристика рыхлителей приведена в табл. 3.5.1.

Таблица 3.5.1

 Дорожные  машины  для  рыхления  грунтов

Показатели

Бульдозерно-рыхлительные агрегаты

 

Дп-15

трехстойковый

ДП-5

одно-

трехстойковый

ДП-22С

трехстойковый

ДП-9С

трехстойковый

Б10.02 многозубовый

Т-330 однозубовый

Базовый трактор

Т-1303ГМ

Т-100МГП

Т-180КС

ДЭТ-250М

Б10.02

Т-330

Мощность двигателя, кВт

79

79

135

228

132

330

Максимальное тяговое усилие, кН

-

-

-

-

100

250

Производительность,  м3/ч

1500

1500

1800

2500

1800

3000

Отвал:

 

 

 

 

 

 

ширина захвата, мм

1900

1460

1560

2100

1560

2200

угол установки ножей в плане, град

90

90

90

90

90

90

Размер отвала (ширина´высота), мм

3200´1200

4430´1200

-

4500´1550

-

4500´1560

Опускание рабочих органов ниже опорной поверхности, мм:

 

 

 

 

 

 

зубов рыхлителя

560

400

500

700

500

500...800

бульдозерного отвала

370

-

300

400

300

400...500

3.6. Возведение земляного полотна из боковых резервов автогрейдерами

Автогрейдеры используют для возведения земляного полотна из боковых резервов высотой до 0,75 м в равнинной местности при наличии грунтов I или II группы.

Автогрейдеры делят на легкие (мощность двигателя от 55 до 65 кВт), средние (мощность двигателя от 65 до 110 кВт), тяжелые (мощность двигателя от 110 до 180 кВт) и сверхтяжелые с мощностью двигателя более 185 кВт. По типу управления автогрейдеры бывают с механической и гидравлической системами управления. В настоящее время широко используются автогрейдеры с автоматизированной системой управления рабочим органом (табл. 3.6.1).

Таблица 3.6.1

Технические характеристики грейдеров и автогрейдеров

Марка и тип машин

Грейдеры

Автогрейдеры

прицепной ДЗ-1 к трактору Т- 100

полуприцепной базовый трактор Т -150К

ДЗ-99-1-4

ДЗ-31-1

ДЗ-98В

ДЗ-80

ДЗ-180

ДЗ-122Б

ДЗ-200

ДЗ-98Н

Мощность двигателя. кВт

74

110

66

96

368

57,4

99

99

125

198

Глубина резания, м

0,40

 

0,25

0,25

0,50

-

-

-

-

-

Длина отвала, м

3,66

3,74

3,10

3,70

3,70

3,04

3,74

3,74

3,86

4,27

Высота отвала, м

0,50

0,63

0,50

0,60

0,70

0,50

0,62

0,63

0,63

0,74

Угол при зарезании, град.

28...70

-

30...70

30...70

30...80

30...70

30...70

30...70

30...70

30...70

Угол срезаемого откоса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

град.

до 70

0...90

40..90

40...90

40...70

0...90

0...90

0...90

0...90

0...90

Боковой вынос, м

-

0,80

-

-

-

-

0.80

0.80

25

1,05

Скорость движения, км/ч

-

-

38,1

37,7

34,4

30,0

40,0

43,0

30,0

47,0

Габаритные размеры, м

7,8´2,54´2,45

-

-

-

-

7,4´2,35´2,7

9,8´2,5´3,45

10,57´2,5´3,55

10,9´2,5´3,8

10,32´3,02´3,95

Масса, кг

-

5400

-

-

-

8000

13560

14600

15000

19500

Рабочие операции автогрейдера при возведении насыпи сводятся к зарезанию, перемещению, разравниванию и планировке грунта. Производительность автогрейдера при выполнении вышеперечисленных операций зависит от установки положения ножа. При установке ножа в рабочем положении различают:

- угол захвата a, образуемый осью ножа и направлением движения автогрейдера;

- угол резания b, образуемый в вертикальной плоскости режущим ребром ножа с горизонтальной плоскостью;

- угол наклона g, образуемый линией горизонта и режущей кромкой ножа (рис. 3.6.1).

Рис. 3.6.1. Углы установки ножа автогрейдера:
1 - направление движения; 2 - поверхность земли; 3 - линия горизонта

В зависимости от угла a изменяется ширина захвата ножом, но одновременно повышается сопротивление грунта заглублению ножа. Угол захвата изменяется в пределах от 30 до 90°.

При зарезании грунта угол a уменьшают, а при перемещении - увеличивают. Ширина захвата при этом изменяется от 2,1 до 3,6 м.

С уменьшением угла b снижается сопротивление грунта резанию, чем плотнее грунт, тем больше сопротивление резанию. Опыт показывает, что успешное зарезание связного грунта возможно производить при угле резания b = 35...45°. В этом случае грунт легко скользит по ножу и отваливается в сторону.

Угол наклона g определяет глубину погружения режущего края ножа в грунт. Глубина и ширина, а также поперечный профиль вырезаемой стружки грунта связаны с углом g.

Угол наклона изменяют в зависимости от свойств и состояния грунта в пределах от 0 до 65°. Рациональные значения углов a, b и g при возведении насыпей приведены в табл. 3.6.2.

Таблица 3.6.2

Рекомендуемые значения углов a, b и g в зависимости от выполняемой работы

Вид работы

Углы, град.

захвата

резания

наклона

Зарезание грунта

Перемещение грунта

Разравнивание грунта

Планировка

30...45

35...50

до 70

до 60

35...40

35...40

до 60

до 40

До 15

11...13

до 3

до 18

Производительность автогрейдера при возведении насыпи зависит, прежде всего, от размера вырезаемой стружки грунта, скорости движения и последовательности проходов по резанию и перемещению. Увеличение размера стружки достигается предварительным рыхлением грунта и рациональной установкой ножа.

До начала возведения насыпи необходимо обозначить ее границы и границы боковых резервов. Первое зарезание грунта (борозду) делают на расстоянии равном

                                                                                              (3.6.1)

где В - ширина земляного полотна, м;

m - заложение откоса;

Н - высота насыпи, м;

l - длина отвала, м;

a - угол захвата, град.

Возведение насыпи ведут от внутренней бровки резерва (рис. 3.6.2). Перемещение грунта осуществляют за несколько проходов. Эта операция наиболее трудоемка, она составляет до 75 % от общего числа проходов.

Рис. 3.6.2. Схема разработки резерва и отсыпки насыпи автогрейдером:
1 - 1-е зарезание; 2 - 2-е зарезание

Поэтому иногда производят два зарезания, после чего выполняют перемещение этого грунта, затем вновь два зарезания и перемещение и т.д. Укладку грунта производят одним из двух способов - вполуприжим и вприжим.

При укладке грунта в насыпь вполуприжим перемещаемый вал грунта укладывают с предыдущим на расстоянии между гребнями валов 0,4...0,5 м, т.е. между ними имеются зазоры, заполняемые в последующем путем срезки гребня валов автогрейдером. В этом случае толщина отсыпаемого слоя грунта составляет 0,25...0,35 м. Этот способ, как правило, применяют при высоте насыпи 0,5...0,75 м. В тех случаях, когда высота насыпи не превышает 0,5 м, целесообразнее отсыпку производить в один слой, укладывая грунт вприжим. В этом случае вал грунта прижимают к ранее уплотненному настолько, что из двух валов образуется один сплошной широкий вал высотой до 0,5 м.

Рекомендуемая длина захватки при возведении насыпи из грунта боковых резервов - 400...500 м. Зарезание грунта производится на I передаче автогрейдера половиной длины ножа при наибольшей толщине срезаемой стружки, а перемещение и разравнивание - на II и III передачах всей длиной ножа. Углы установки ножа автогрейдера для выполнения операций по зарезанию, перемещению и разравниванию грунта устанавливают согласно табл. 3.6.2.

Производительность автогрейдера при возведении насыпи из грунта двусторонних боковых резервов определяют по формуле

                                                                                                     (3.6.2)

где Т - продолжительность смены, ч;

Кв - коэффициент использования рабочего времени;

q = 2l3f - объем грунта, перемещаемый за один рабочий цикл, м3;

l3 - длина захватки, м;

f - площадь поперечного сечения стружки в плотном теле, м2 (для средних автогрейдеров 0,12...0,16, для тяжелых 0,16...0,20);

ty - продолжительность цикла, с.

                                                                          (3.6.3)

где п - число проходов для перемещения грунта, приходящееся на один проход зарезания;

Vp- скорость движения при зарезании (0,69...0,97), м/с;

Vn - скорость движения при перемещении грунта (1,1...1,67), м/с;

tnoв - время поворота (80... 100), с;

tnep - время на перемену установки отвала (30...40), с.

Требуемое число проходов автогрейдера при зарезании пз и перемещении пп определяют по формулам

                                                                                                              (3.6.4)

(3.6.5)

где пз- число проходов автогрейдера для зарезания грунта;

- площадь резерва, м2;

Кп - коэффициент перекрытия проходов при зарезании (1,3...1,7);

пп - число проходов для перемещения грунта;

- расстояние от центра тяжести половины поперечного сечения насыпи до центра тяжести поперечного сечения резерва, м;

ln - расстояние поперечного перемещения грунта за один проход;

d - коэффициент перекрытия проходов при перемещении грунта (1,15).

Величина поперечного перемещения грунта за один проход зависит от длины отвала и угла захвата. В среднем она составляет от 2,1 до 3,6 м, а при установке к отвалу удлинителя увеличивается на 0,4..0,6 м.

Данные о производительности тяжелых автогрейдеров при возведении насыпей высотой до 0,75 м приведены в табл. 3.6.3.

Таблица 3.6.3

Производительность тяжелых автогрейдеров в зависимости от группы грунтов и расстояния перемещения

Расстояние перемещения грунта, м

Группа грунтов по трудности разработки

I

II

III

Производительность, м3/смену

10

310

260

235

20

160

135

120

30

105

92

80

3.7. Возведение земляного полотна из боковых резервов бульдозерами

Бульдозер представляет собой самоходную землеройно-транспортную машину в виде гусеничного трактора или колесного тягача с навешенным на него рабочим органом - отвалом. По типу управления отвалом различают бульдозеры с гидравлическим и канатно-блочным управлением. При гидравлическом управлении возможно принудительное заглубление отвала.

Наиболее часто на бульдозерах устанавливают прямые неповоротные отвалы. В этом случае угол в плане между отвалом и осью трактора (угол захвата) всегда равен 90°. У бульдозеров с поворотным отвалом (универсальными) положение отвала в горизонтальной плоскости (в плане) изменяется на угол 25...30°.

Бульдозеры часто снабжают рыхлителями, навешенными сзади на базовый трактор. Такие бульдозеры-рыхлители являются удобным технологическим агрегатом, производящим как послойное рыхление грунта, так и последующее его зарезание и перемещение.

По номинальному тяговому усилию и мощности двигателя бульдозеры условно разделяют на пять классов (табл. 3.7.1). Техническая характеристика бульдозеров приведена в табл. 3.7.2.

Таблица 3.7.1

Класс бульдозеров

Бульдозеры

Параметры

тяговое усилие, кН

мощность двигателя, кВт

Малогабаритные

Легкие

Средние

Тяжелые

Сверхтяжелые

До 25

Св. 25 до 135

Св. 135 до 200

Св. 200 до 300

Св. 300

До 45

Св. 45 до 120

Св. 120 до 180

Св. 180 до 300

Св. 300

Таблица 3.7.2

Техническая характеристика бульдозеров

Тип и марка машины

Базовый трактор

Максимальное тяговое усилие, кН

Мощность двигателя, кВт

Ширина отвала, м

Высота отвала, м

Заглубление отвала, м

Подъем отвала над опорной поверхностью, м

ДЗ-186

ДТ-75Н

35

70

2,52

-

-

-

ДЗ-48В

ДТ-75Н-РС2

35

70

2,52

0,8...0,9

0,41

-

T-4AП2

 

3,92

95,5

2,84

1,05

0,30

-

ДЗ-162

ДТ-75Т

52,2

70

2,52

1,0

0,41

1,0

ДЗ-171.4

T-170M.01

98

125

3,2

1,3

0,40

0,93

АМКОДОР-875

-

256

257

3,08

 

 

 

Т-25.01БР-1

-

750

272

4,2

1,7

0,60

1,30

ДЗ-141УХЛ

Т-500Р-1

850

372

4,8

2,0

0,72

1,67

ДЗ-48

К-702

-

147

3,64

1,2

0,30

1.05

ДЗ-18

Т-130МГП

-

79

3,9

1,0

0,25

1,05

ДЗ-13

Т-130М

-

79

3,2

1,2

0,10

1,10

ДЗ-28

Т-130.1Г-1

-

118

3,9

0,98

0,45

1,05

ДЗ-34С

ДЭТ-250

250

220

4,54

1,55

0,40

0,54

ДЗ-126В-1

ДЭТ-250М-2

250

243

-

-

-

-

Мощность двигателей современных бульдозеров от 15 до 600 кВт на гусеничном или колесном базовом тракторе, и до 1200 кВт для бульдозеров на специальных тягачах.

Суммарные сопротивления движению бульдозера при наборе грунта равны

Wmax = Qт.бf1 + hlf2 + qf3,                                                                                             (3.7.1)

где Qт.б - масса бульдозера, кг;

f1 - коэффициент сопротивления движению (0,1...0,12)

h - глубина зарезания, м;

l - длина ножа бульдозера, м;

f2 - коэффициент сопротивления резанию грунта, равный 80000 н/м2;

q - масса грунта, перемещаемого за один цикл, кг;

f3 - коэффициент сопротивления качению грунта по грунту (0,5).

При возведении земляного полотна из боковых резервов бульдозеры применяют при высоте насыпи до 1,5 м и дальности перемещения грунта до 50 м.

Рабочий цикл бульдозера в процессе возведения земляного полотна состоит из зарезания грунта, его перемещения, укладки и обратного холостого хода бульдозера в забой (резерв). Разработку грунта начинают с зарезения и набора. В зависимости от трудности разрабатываемого грунта применяют следующие схемы зарезания.

Начинать зарезание необходимо при максимальном заглублении отвала, уменьшая это заглубление по мере образования перед отвалом достаточного количества грунта. Стружка зарезания при этом получает форму клина (рис. 3.7.1, а).

При разработке тяжелого грунта сопротивления резанию могут быть настолько значительными, что из-за снижения частоты вращения двигателя трактора потребуется поднятие отвала даже при недостаточном наборе грунта перед ним. В этом случае следует повторить заглубление отвала, как только двигатель трактора наберет нормальные обороты, причем повторение этого приема может быть многократным. Стружка зарезания при такой работе будет иметь гребенчатую схему (рис. 3.7.1, б).

Прямоугольное зарезание (рис. 3.7.1, в) применяют, когда заглубление по условиям производства работ требуется относительно небольшим, например при снятии растительного слоя толщиной 10...15 см.

Рис. 3.7.1. Схемы зарезания грунта бульдозером:
а - клиновая; б - гребенчатая; в - прямоугольная (стрелкой показано направление движения машины)

Наиболее производительным является зарезание с образованием стружки клиновидной формы. Однако, этот способ в ряде случаев не может быть применен. Так, в твердых и пересохших грунтах, особенно, когда бульдозер имеет канатно-блочную систему управления, отвал не всегда погружается в грунт на требуемую глубину. В таких случаях зарезание следует производить по гребенчатой схеме.

Разработку грунта в резервах, перемещение и распределение его горизонтальными слоями в насыпи выполняют бульдозерами траншейным способом (рис. 3.7.2). Первое зарезание грунта бульдозер производит на внутренней части резерва, следующее - на внешней, так, чтобы образовалась одна сплошная неглубокая траншея, перпендикулярная оси дороги. Вырезанный грунт перемещают на насыпь и разравнивают слоями, также перпендикулярно оси дороги, толщиной 20...30 см (в зависимости от применяемых машин для уплотнения). Затем зарезание производят параллельно первой траншее на расстоянии от нее 0,5...0,8 м. В дальнейшем зарезание производят последовательно на всей захватке и получают грунт для отсыпки всего первого слоя на этой захватке.

Рис. 3.7.2. Схема траншейной разработки бокового резерва бульдозером:
I-1...I-3; II-1...II-3 - последовательность зарезания грунта в резерве для отсыпки первого и второго слоев насыпи; I-1'...I-3'; II-1'...II-3' - последовательность укладки грунта в первый и второй слой насыпи; а - ширина траншеи; b - ширина стенок между траншеями (0.5...0.8), м

После профилирования и уплотнения первого слоя насыпи производят зарезание грунта бульдозером вновь на месте образованных траншей и в той же последовательности, и получают грунт для отсыпки второго слоя насыпи. Этот процесс повторяют столько раз, сколько слоев необходимо отсыпать на каждом конкретном участке дороги. После разработки грунта для отсыпки верхнего слоя насыпи производят срезку «стенок», образовавшихся между траншеями и грунт от них также укладывают в верхний слой насыпи.

Производительность бульдозеров при разработке и перемещении грунта зависит от мощности трактора, трудности разработки грунта, дальности его перемещения, высоты возводимой насыпи.

В общем виде производительность (м3/смену) можно определить по формуле

                                                                             (3.7.2)

где Т - продолжительность смены, ч;

Кв - коэффициент использования рабочего времени, принимают 0,85...0,90;

q - объем грунта, перемещаемый за один цикл, м3

                                                                                                                (3.7.3)

где l - длина отвала бульдозера, м;

Н - высота отвала, м;

j - угол естественного откоса грунта, град.;

Кn - коэффициент, учитывающий потери грунта при перемещении, равный Кn = 1 - (0,005 + 0,004·Ln);

, Ln, Lx - длина пути, соответственно, набора грунта, его перемещения и обратного хода, м;

, Vn, Vx - скорость движения, соответственно, при наборе грунта (0,7...1,0), перемещении (1,0... 1,5) и обратном ходе (1,5...3,0), м/с;

п - число переключений передач;

t - время на одно переключение передачи, принимают 3...5 с;

to - время на установку отвала, 10...15 с;

Кp - коэффициент разрыхления грунта, принимают 1,05...1,35.

Данные о производительности бульдозеров на тракторах мощностью 120...180 кВт приведены в табл. 3.7.3.

Таблица 3.7.3

Производительность бульдозеров в зависимости от дальности перемещения и группы грунта

Дальность перемещения, м

Группы грунтов по трудности разработки

I

II

III

Производительность бульдозера, м /смену

10

1050

820

680

20

630

520

435

30

380

310

260

50

305

240

210

80

200

165

140

100

160

130

110

Для повышения производительности отвал бульдозера снабжают открылками и козырьками или организуют спаренную работу бульдозеров.

В процессе перемещения грунта тяговая мощность трактора на первой передаче используется не полностью. Поэтому при наличии открылков грунт перемещают через два-три зарезания, т.е. грунт в насыпь перемещают укрупненными порциями. Первое зарезание начинают в 4...6 м от внутренней кромки резерва и оставляют грунт в промежуточном вале. Затем задним ходом отводят бульдозер еще на 4...6 м от начала первого зарезания, снова зарезают грунт и подают его в насыпь вместе с промежуточным валом первого зарезания.

При спаренной работе двух бульдозеров с расстоянием между отвалами до 0,5 м для грунтов I, II групп и до 1,0 м для грунтов III группы повышается их производительность в среднем на 15 %, уменьшаются потери грунта почти в два раза, поскольку как бы увеличивается ширина захвата. Но синхронное использование бульдозеров рационально при перемещении больших объемов земляных масс и высокой квалификации машинистов.

Разравнивание грунта и планировку поверхности слоев производят бульдозерами или автогрейдерами. Предварительное разравнивание часто осуществляют в процессе послойной укладки грунта. Поверхности верхнего слоя насыпи придают поперечный уклон 20...40‰ от оси к бровкам земляного полотна. Поверхность остальных слоев планируют с таким же уклоном только при длительных перерывах в работе для обеспечения стока дождевой воды, в остальных случаях поверхность делают горизонтальной.

Производительность универсального бульдозера (м2/ч) при разравнивании грунта составляет

                                                                                   (3.7.4)

где L - длина разравниваемого участка, м;

l - длина отвала бульдозера, м;

a - угол поворота отвала в плане (45...65°);

b - часть ширины пройденной полосы, перекрываемой при последующем смежном проходе (обычно b = 0,3...0,5 м);

п - число проходов по одному следу (п = 1...2 прохода);

V - средняя скорость бульдозера при разравнивании грунта, м/с;

tnов - время на один поворот, с.

При длине разравниваемого участка 30...40 м целесообразно работать без разворота трактора, что значительно экономит время. Разнообразие видов работ, выполняемых бульдозерами, а также широкая номенклатура сменного оборудования и приспособлений к ним делают бульдозер универсальной машиной, незаменимой на любой стройке. На земляных работах в настоящее время бульдозеры выполняют 30...40 % общего объема работ.

3.8. Возведение земляного полотна из боковых и сосредоточенных резервов и грунтовых карьеров скреперами

Скрепер - землеройно-транспортная машина цикличного действия, предназначенная для послойного вырезания грунта с набором его в ковш, транспортирования набранного грунта и отсыпки его слоями в насыпь или отвал с частичным уплотнением ходовыми колесами ковша и гусеницами трактора. Скреперы ежегодно выполняют до 45 % от общего объема работ. Их применяют для возведения насыпей из грунта боковых и сосредоточенных резервов. Скреперы могут разрабатывать грунты I...III групп (при разработке III группы требуется предварительное рыхление грунта).

Промышленность выпускает прицепные скреперы к гусеничным и колесным тягачам и самоходные, в которых тяговое и рабочее оборудование объединено в одну машину. Прицепные скреперы наиболее целесообразно применять при перемещении грунта на расстояние до 300...500 м, однако при большей емкости ковша (10...15 м3) возможно использование таких скреперов для перемещения грунта и на большее расстояние (до 1,0...1,5 км). Полуприцепные и самоходные скреперы, обладающие высокой скоростью движения (до 50...60 км/ч) и достаточной маневренностью, весьма эффективны для перемещения грунта на расстояние до 2...3 км. Эти машины особенно рационально применять для возведения насыпей из грунта сосредоточенных резервов.

Главным параметром скрепера является геометрическая вместимость (объем) ковша (в м3). Вместимость «с шапкой» превышает геометрическую на 20...25 %. Типаж выпускаемых в настоящее время скреперов: 3; 4,5; 8 (7); 10; 15; 25 м3 (табл. 3.8.1).

Таблица 3.8.1

Техническая  характеристика  скреперов

Тип и марка машины

Прицепные к гусеничному трактору

Полу прицепные к колесному тягачу

 

ДЗ-33

ДЗ-111

ДЗ-20

ДЗ-20В

ДЗ-77С

ДЗ-11

ДЗ-13

ДЗ-115 двухмоторный

ДЗ-67

Трактор (тягач):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

марка

ДТ-75-С2

Т-4АП2

108

МЗГС

Т-130.1.Г

Т-30.1.Г

МАЗ-529Н

БелАЗ-531

-

-

Мощность, кВт

55

95,6

79,4

117,6

117,6

132,3

264,7

514,7

625

Объем ковша, м3

3/3,5

4,5/5,5

7/9

7/9

8/10

8/10

15/19

19,5

25

Глубина резания, м

0,20

0,25

0,30

0,30

0,35

0,30

0,35

-

0,40

Ширина резания, м

2,1

2,5

2,62

2,65

2,70

2,72

2,90

3,00

3,60

Толщина слоя отсыпки, м

0,35

0,50

0,32

0,30

0,45

0,55

0,60

-

0,75

Наибольшая скорость, км/ч (рабочая /транспортная)

4,24/10,8

3,5/9,5

2,36/10,1

2,4/10,1

2,5/10,9

3/40

3/45

-

2/35

Масса агрегата, кг

8400

13500

18000

18000

20200

20000

34000

40000

64000

Рабочее оборудование скрепера состоит из ковша с передней заслонкой и задней стенкой. Ковш имеет прямые или ступенчатые ножи, срезающие слой грунта во время движения машины на участке набора. Передняя заслонка при наборе приподнята и образует щель, через которую стружка грунта поступает в ковш. Сзади скрепер оборудован буфером для подталкивания толкачом при заполнении, когда тягового усилия трактора оказывается недостаточно. В транспортном положении ковш приподнят, заслонка закрыта. Разгружается скрепер чаще всего принудительно с помощью выдвижной задней стенки ковша, выталкивающей грунт через щель, образованную между заслонкой и ножом.

Зарезание грунта скреперами осуществляется несколькими способами (рис. 3.8.1).

Рис. 3.8.1. Способы зарезания грунтов скрепером (стрелкой показано направление движения скрепера):
а - плотных грунтов; б - рыхлых; в - средней плотности; г - песчаных

Ковш скрепера наполняют при прямолинейном движении, стремясь срезать грунт наиболее толстой стружкой. Это создает лучшие условия для заполнения ковша. Длина пути наполнения 15...25 м. Целесообразно набор грунта осуществлять при движении под уклон 3...6°, однако следует иметь ввиду, что при большем уклоне грунт поступает в ковш не полностью, затрудняя работу скрепера.

При разработке сухих песчаных грунтов зарезание грунта производят на подъем до 3° или производят его увлажнение. Зарезание грунта гребенчатым способом выполняют волнообразно с попеременным заглублением ковша. Для получения более ровного забоя каждое последующее зарезание грунта производят на одной и той же полосе с перекрытием гребней, для чего каждый следующий набор грунта начинают, отступив на 2...3 м от начала предыдущего.

В плотных неразрыхленных грунтах применяют ребристо-шахматную схему набора, которая обеспечивает хорошее наполнение ковша (рис. 3.8.2).

Рис. 3.8.2. Ребристо-шахматная схема зарезания грунта скрепером:
а - последовательность проходов в плане; б - форма вырезаемой стружки при проходах 5, 6, 7 и 8; 1...12 - проходы скрепера; I-III - ряды проходов

Для ускорения наполнения ковша скрепера производят рыхление плотных грунтов и при зарезании используют трактор-толкач. В качестве толкачей применяют гусеничные тракторы, оборудованные специальными устройствами, или бульдозеры на гусеничном ходу. Грунт рыхлят на толщину снимаемой стружки, избегая его измельчения, так как это ухудшает наполнение ковша.

Работу трактора-толкача в резерве или забое организуют по прямолинейной или ступенчатой схеме.

Продолжительность рабочего цикла толкача можно определить по формуле

Тт = tу + tн + tв,                                                                                                            (3.8.1)

где - время на подход к скреперу и упирание отвалом в буфер ( =10 с);

- подталкивание скрепера при наборе грунта ( = 80 с);

- возврат толкача в исходное положение ( = 50 с).

При рациональной организации работ один трактор-толкач может обеспечить ускоренную загрузку нескольких скреперов.

n = Tц.c/Tт,                                                                                                                   (3.8.2)

где Tц.c - время цикла скрепера, с.

Эффективность работы скреперов во многом зависит от подготовки и состояния землевозных путей, которые должны обеспечивать возможность движения тракторов со скоростью до 10 км/ч, а тягачей - до 20 км/ч. Требования к землевозным путям приведены в табл. 3.8.2 [13].

Таблица 3.8.2

Требования к землевозным путям

Движение прицепных скреперов

Подъем, ‰

Спуск, ‰

Поперечный уклон, ‰

Радиусы закруглении, м

Порожних

200

300

120

15...20

Груженых

150

250

100

15...20

Движение порожних скреперов можно использовать для выравнивания и планировки землевозных путей.

При возведении насыпей из грунта боковых резервов скрепер перемещает грунт в продольном и поперечном направлениях. Наиболее рациональна схема движения скрепера по зигзагу (рис. 3.8.3, а), однако применять ее целесообразно при длине участка работ более 200 м, так как при меньшей длине эффективность схемы снижается из-за необходимости частых поворотов. Поэтому при длине участка от 100 до 200 м применяют схему движения по восьмерке (рис. 3.8.3, б), а менее 100 м - по эллипсу (рис. 3.8.3, в). При разработке двусторонних резервов схему движения по эллипсу рационально заменить схемой движения по спирали с выгрузкой грунта в поперечном направлении (рис. 3.8.3, г), но лишь при условии, что ширина насыпи не менее пути разгрузки скрепера, а разность отметок насыпи и резервов не превышает 2,5...3,0 м, так как при большей разности отметок подготовка и содержание значительного числа въездов для груженого скрепера повышают трудоемкость работ. Эффективность использования скреперов во многом зависит от наполнения ковша, толщины вырезаемой стружки, длины пути при наборе, дальности перемещения грунта и др. (табл. 3.8.3...3.8.4).

Рис. 3.8.3. Схемы движения скреперов при возведении насыпей из грунта боковых резервов:
а - по зигзагу; б - по восьмерке; в - по эллипсу; г - по спирали;
1 - набор грунта; 2 - разгрузка грунта

Таблица 3.8.3

Коэффициент наполнения ковша скрепера

Условия работы скрепера

Значения коэффициентов Кн для грунтов

сухого рыхлого песка

сухого и среднего суглинка

тяжелого суглинка и глины

Бет толкача

0,5...0,7

0,8...0,95

0,65...0,75

С толкачом

0,8...1,0

1,0...1,2

0,0...1,2

Таблица 3.8.4

Максимально возможная толщина стружки грунта, срезаемой скрепером

Объем ковша скрепера, м3

Мощность трактора, кВт

Толщина стружки грунта, см

тягача

толкача

глины

суглинка

супеси

песка

6

73,5

58,8...66,2

9...14

12...20

15

20

10

102,9

73,5

14...18

18...25

20

30

15

176,4

102,0...132,3

16...22

21...30

25

35

Таблица 3.8.5

Радиусы поворота скрепера

Объем ковша скрепера, м3

Наименьший радиус поворота скрепера, м

Объем ковша скрепера, м3

Наименьший радиус поворота скрепера, м

Гусеничный тягач

Колесный тягач

4

5...10

11...15

5

10

12

8...10

15...25

12

15

Таблица 3.8.6

Длина пути при наборе грунта скрепером (Lmin = lc + ln)

Объем ковша скрепера, м3

Длина скрепера с трактором lc, м

Длина участка наполнения

До 3

9,5...9,6

8(10)

6...8

13,4...13,5

6,5...7,5 (10...12)

9...11

13,8...14,0

8...10 (12...14)

15...18

15,2...15,5

10...12 (19...23)

25

20

15...20 (50...54)

Таблица 3.8.7

Рекомендуемые дальности перемещения грунта скреперами

Объем ковша скрепера, м3

Пределы возки грунта, м

Объем ковша скрепера, м3

Пределы возки грунта, м

Гусеничные скреперы

Самоходные скреперы с тягачами на пневматических шинах

До 3

До 6

До 10

200

250...350

300...600

До 10

До 15

До 25

500...1500

1500...2000

2500...3000

Производительность скрепера (м3/смену) определяют по формуле

                                                                        (3.8.3)

где Т- продолжительность смены, ч;

Кв - коэффициент использования рабочего времени скрепера, равный 0,8...0,9;

q - емкость ковша скрепера, м3;

Кн - коэффициент наполнения ковша, составляющий при разработке супесей и легких суглинков 0,80...0,95, тяжелых суглинков и глин 0,65...0,75, сухого рыхлого песка 0,5...0,7 (при работе скрепера с толкачом величина Кн увеличивается на 30...50 %);

Кр - коэффициент разрыхления грунта в ковше скрепера, составляющий для песков и супесей 1,0...1,2, для легких суглинков - 1,2...1,4, для тяжелых суглинков и глин - 1,2...1,3;

tрез - время, затрачиваемое на набор (резание) грунта, с;

- время груженого хода, с;

- время на поворот, с;

- время на разгрузку ковша, с;

tx - время холостого хода, с;

п - количество переключений передач тягача за один цикл работы скрепера;

tneр - время, затрачиваемое на одно переключение передач, с.

Значения tрез, , , tx, входящие в формулу, определяют в зависимости от местных условий делением составляющих расстояний на скорости движения.

Длину пути набора грунта tрез и разгрузки можно вычислить по формулам:

                                                                                                               (3.8.4)

                                                                                                                   (3.8.5)

где h - толщина стружки, м;

а - ширина захвата ковша, м;

h1 - толщина слоя грунта при разгрузке, м.

В обычных условиях средняя скорость движения полуприцепных и самоходных скреперов составляет: при наборе грунта - 1,5...3 км/ч, при разгрузке - 5...8 км/ч, при груженом ходе - 20...30 км/ч, при холостом ходе - 40 км/ч. На один поворот затрачивается 5...10 с, на одно переключение передач - около 3 с.

Данные о производительности скреперов в зависимости от емкости ковша и дальности перемещения грунта приведены в табл. 3.8.8.

Таблица 3.8.8

Производительность скреперов

Дальность перемещения, м

Емкость ковша скрепера, м3

до 6...8

10

15

 

Производительность, м3/смену

100

470

800

980

200...250

315

500

650

500

160

360

455

1000

88

215

270

1500

60

145

190

3000

-

80

104

3.9. Особенности возведения земляного полотна на косогорах

При строительстве земляного полотна на косогорах технологию работ определяют уклон местности, конструкция земляного полотна, грунтовые условия, наличие в строительной организации землеройной техники и др. К основным особенностям возведения земляного полотна на косогорах относят:

- увеличение объема дополнительных работ (устройство въездов, нарезка уступов, устройство подпорных стенок и др.);

понижение устойчивости землеройно-транспортных машин при выполнении земляных работ;

- уменьшение производительности;

- неравномерный износ рабочих органов и ходовой части дорожных машин.

В нескальных грунтах для возведения земляного полотна на косогорах могут быть использованы: автогрейдеры, бульдозеры и экскаваторы.

Последовательность разработки грунта в резерве автогрейдером при крутизне косогора положе 1:5 и высоте насыпи до 0,7 м показана на рис. 3.9.1.

Рис. 3.9.1. Последовательность возведения земляного полотна автогрейдером:
1...6 - последовательность зарезания грунта в резерве; 1'...6' последовательность укладки грунта в насыпь

На участках при косогорности от 1:5 до 1:2,5 земляное полотно можно возводить бульдозером путем поперечного перемещения грунта вниз по склону (рис. 3.9.2)

Рис. 3.9.2. Последовательность отсыпки насыпи бульдозером путем поперечного перемещения грунтов:
1...4 - последовательность зарезания грунта в резерве; 1'...4' - последовательность укладки грунта в насыпь

При крутизне склона более чем 1:2,5 возведение земляного полотна при устройстве полувыемки целесообразно вести по схеме, показанной на рис. 3.9.3.

Рис. 3.9.3. Последовательность разработки грунта при постройке земляного полотна в полувыемке:
I - уступ расположения полки рабочего проезда; II...IV - последовательность дальнейшей разработки грунта

По данной схеме полка рабочего проезда расположена в проектных отметках земляного полотна. Дальнейшую разработку грунта производят за счет последовательного (II, III, IV) расширения полки за счет продвижения ее в сторону косогора.

Разработку грунта по данной схеме можно производить комплексным отрядом с двумя ведущими машинами бульдозером и экскаватором. В этом случае I и II проходки разрабатывают бульдозерами, a III и IV экскаваторами.

3.10. Возведение земляного полотна из привозного грунта

На ценных земляных угодьях, в населенных пунктах, на участках, где грунты из боковых резервов не пригодны для отсыпки насыпи и др., земляное полотно возводят из привозного грунта.

Для погрузки грунта в транспортные средства используют:

- одноковшовые экскаваторы (прямая лопата, обратная лопата, драглайн, грейфер);

- роторные экскаваторы;

- одноковшовые фронтальные погрузчики;

- грейдер-элеваторы.

Одноковшовые экскаваторы на гусеничном ходу применяют на сосредоточенных работах, когда не требуются частые перебазировки, при слабых основаниях, а также разработке скальных грунтов, где пневматические шины быстро выходят из стоя. Экскаваторы на пневмоколесном ходу целесообразно применять при наличии грунтов с достаточной несущей способностью. Чтобы меньше было холостых передвижений, экскаваторы на гусеничном ходу используют при значительном объеме сосредоточенных работ. Емкость ковша экскаватора выбирают исходя из объемов работ на объекте

Емкость ковша, м3

0,5

1,0

2,0

Месячный объем земляных работ, не менее, тыс. м3

20

30...60

50...100

Техническая характеристика экскаваторов, наиболее часто используемых на дорожных работах, приведена в табл. 3.10.1.

Таблица 3.10.1

Экскаваторы, применяемые на дорожных работах

Тип и марка машины

Технические характеристики

вместимость ковша, м3

максимальная глубина копания, м

максимальный радиус копания, м

максимальная высота выгрузки, м

двигатель

мощность двигателя, кВт

транспортная скорость, км/ч

масса, кг

Экскаваторы на пневматическом ходу:

 

 

 

 

 

 

 

 

Э-1514

0,15

2,2

-

2,6

МТЗ-5ЛС

-

4,56...12,95

-

Э-2514

0,25

2,0

-

2,8

Д-48Л

-

4,56...12,95

-

Э-302А

0,40

6,2

-

4,3

Д-48Л

 

1,45...14,9

-

Экскаватор-погрузчик БОРЭКС-2101

0,25

4,25

-

3,55

ЮМЗ-6АКЛ

-

20,0

6600

ЭО-2621 (ЭО-2629)

0,25

4,25

5,3

3,5

ЮМЗ-6К

-

19

6100

ЕA-17

0,65

4,0

7,2

5,9

УРАЛ-5557

81

70

17000

ЕК-06

0,4

4,0

6,65

5,42

Д-144-12

44

30

6000

ЭО-3323А

0,8

4,95

7,93

6,15

Д-243Л

59,6

19,4

13000

ЕК-18

1,15

5,8

9,4

6,2

 

77

22

16000

ATEK-4321B

1,15

5,5

8,85

5,5

СДМ-17Н

73,5

20

19500

Экскаваторы на гусеничном ходу:

 

 

 

 

 

 

 

 

Э-652А

0,6

7,9

5,5

5,6

КДМ-46

-

1,6...3

-

Э-6512

0,65

8,0

5,5

5,5

КДМ 10

-

1,1...1,2

-

Э-10011А

1,0

8,0

6,2

6,0

Д-108

-

до 2,5

-

Э-1252В

1,25

до 9,3

до 6,6

У2-6С2

-

-

до 1,5

-

ЭАГ-2

2,25

10

10

 

Д-180

-

1,2

-

ЭО-3123

0,65

4,95

7,93

6,16

-

59,6

2,8

13500

АТЕК-761

0,75; 1,15; 1,3

6,5

9,45

5,2

СДМ-17Н

73,6

2,7

19400

ET-20

1,15

5,9

9,4

6,2

-

77

2,34

18000

ЭО-4112А (прямая лопата)

0,8

6,8

10,1

6,1

-

66

3,5

23700

ЭО-4112А (обратная лопата)

0,75

7,9

7,9

5,6

-

66

3,5

24000

ЭО-4225

1,25

6,0

9,3

5,15

-

95,5

2,5

25810

ЭО-5111Б

1,0

8,2

9,2

6,1

Д-245

103

2,0

32000

ЕТ-16

0,8

6,44

9,6

6,35

-

105

2,4

16000

Роторные экскаваторы все операции рабочего процесса выполняют одновременно, т.е. вместе с копанием грунта происходит выгрузка ковшей и транспортирование грунта из забоя в транспортные средства. Принцип непрерывности рабочих процессов дает повышенную производительность. Вместе с тем эти экскаваторы менее универсальны, чем одноковшовые, и, кроме того, их применение ограничивают каменистые включения в грунте. Максимальные значения включений не должны превышать 1/3 ширины ковша. Разработку грунта роторными экскаваторами производят лобовым забоем.

Одноковшовые фронтальные погрузчики производительны, мобильны и универсальны. Погрузчики выпускают на пневматическом и гусеничном ходу грузоподъемностью до 5...10 т. Время рабочего цикла одноковшовых погрузчиков приблизительно равно времени цикла одноковшовых экскаваторов. Фронтальные погрузчики, оснащенные землеройными ковшами, могут непосредственно разрабатывать грунты I...III групп с погрузкой в транспортные средства. Погрузчик вначале черпает грунт, затем отъезжает от забоя, подъезжает к транспортному средству и разгружает ковш. После разгрузки ковша цикл повторяется (табл. 3.10.2).

Таблица 3.10.2

Техническая характеристика фронтальных погрузчиков

Тип и марки погрузчика

Грузоподъемность, кг

Вместимость ковша, м3

Ширина режущей кромки ковша

Максимальная высота разгрузки, м

Вылет кромки ковша при максимальной высоте разгрузки

Двигатель

Мощность, кВт

Максимальная скорость, км/ч

Mасса, кг

ТО-18 фронтальный, колесный, на самоходном шасси

5000

1,5

2,44

2,75

1,05

-

-

40

10700

ТО-1, гусеничный, фронтальный, с задней разгрузкой

4000

2,8

2,44

до 3,4

1,05

Т-100M3ГП

-

40

10700

ТО-10А, фронтальный, гусеничный

4000

2,0

2,9

3,2

1,1

Т-130.1.Г-1

-

11,2

20500

ПУМ-500, малогабаритный с бортовым поворотом

500

0,38

-

-

-

П120

30

9

2400

ПМТС-1200, погрузчик малогабаритный

1200

0,5

-

3,38

-

-

44

13

3700

ДЗ-133, бульдозер-погрузчик

750

0,38

1,6

2,8

-

МТЗ-82

-

-

4470

АМКОДОР-208, с бортовым поворотом

800

0,45

1,72

2,45

0,68

Д-244

40,5

10

3200

АМКОДОР-322, фронтальный

2200

1,24

2,48

2,77

0,9

Д-243

59,5

30

9000

ЗТМ-213 с телескопической стрелой

2500

1,25

-

6,0

-

-

57,4

35

8400

ТО-18Д, фронтальный

2700

1,5

2,48

2,8

1,0

Д-245

72,2

36

10000

ТО-25-1 (ПК-3), фронтальный

3000

1,7

2,5

2,83

-

T-150K

122

30,6

10150

ТО-18Б, фронтальный

3300

1,9

2,5

2,8

1,0

А-01-МКС

95,5

38

10600

ТО-28, фронтальный

4000

2,2

2,65

3,07

1,03

А-01-МКС

312

37

12950

Т0 27-2А, фронтальный

8000

4,2

3,63

3,53

1,56

ЯМАЗ-8481

246

35

28800

БелАЗ-7820, фронтальный

10000

6,0

-

3,8

-

ЯМАЗ-

8424

312

36

53700

Пневмоколесные погрузчики обладают преимуществами по сравнению с гусеничными погрузчиками в случае необходимости частого перебазирования с одного объекта на другой, в стесненных условиях, требующих повышенной маневренности погрузчика и др.

Применение гусеничных погрузчиков предпочтительно при разработке и погрузке плотных грунтов III группы и больших объемах работ на объекте.

Производительность погрузчика в транспортные средства

                                                                                        (3.10.1)

где Т - продолжительность смены, ч;

Кв - коэффициент использования рабочего времени (0,8...0,9);

q - объем ковша погрузчика, м3

Кн - коэффициент наполнения ковша (0,9...1,2 );

d - плотность грунта, т/м3;

Кр - коэффициент разрыхления грунта (1,1...1,3);

- продолжительность рабочего цикла, с;

= t1 + t2 + t3 + t4 + t5 + t6 + t7 + t8,                                                                           (3.10.2)

где t1, t8 - соответственно продолжительность наполнения ковша, подъема ковша в транспортное положение, движение погрузчика к месту разгрузки, подъема ковша до разгрузочного положения, разгрузки, опускание ковша до транспортного положения, обратного движения погрузчика к месту загрузки, переключения рычагов управления.

Продолжительность рабочего цикла одноковшовых фронтальных погрузчиков может быть определена по формулам:

для погрузчиков на пневмоколесном ходу

tц = 34,4 + 0,56qn,                                                                                                       (3.10.3)

для погрузчиков на гусеничном ходу

tц = 40 + qn,                                                                                                                 (3.10.4)

где qn - грузоподъемность погрузчика, т.

Грейдер-элеватор - землеройно-транспортная машина непрерывного действия, послойно вырезающая и транспортирующая грунт в насыпь либо в транспортные средства. При использовании грейдер-элеватора в качестве погрузчика грунта в транспортные средства погрузку осуществляют при параллельном движении грейдер-элеватора и транспортных средств по прямой. Работу начинают с устройства забоя по оси разрабатываемого карьера. Ширина разрабатываемого карьера должна быть не менее 15 м, а длина пути прохода грейдер-элеватора - не менее 200...250 м.

Число автомобилей-самосвалов, обслуживаемых одним грейдер-элеватором

                                                                                                        (3.10.5)

где Пг-э - производительность грейдер-элеватора, м3/смену;

tца - продолжительность цикла автомобиля-самосвала,ч;

d - плотность грунта, т/м3;

Т - продолжительность смены, ч;

Кв - коэффициент использования рабочего времени;

q - грузоподъемность автомобиля-самосвала, т.

Расчеты показывают, что один грейдер-элеватор может обслуживать до 10....12 автомобилей-самосвалов при дальности возки грунта до 1 км.

При выборе погрузчика, работающего в комплексе с транспортными средствами, увязывают грузоподъемность транспортного средства с грузоподъемностью погрузчика, либо вместимость кузова транспортного средства с объемом ковша погрузчика. Рациональным соотношением между объемом ковша погрузчика Vn и объемом кузова транспортного средства принято считать /Vn = 2...5.

Число ковшей, необходимых для загрузки кузова транспортного средства, определяют по формуле

                                                                                                            (3.10.6)

где qm - грузоподъемность транспортного средства, т;

Кр - коэффициент разрыхления грунта;

Vn - объем погрузчика, м3;

Кн - коэффициент наполнения ковша погрузочного средства;

d - плотность грунта, т/м3.

При выборе транспортных средств учитывают объем грунта, подлежащего перевозке, рельеф местности и возможность устройства землевозных путей, дальность транспортирования грунта, производительность погрузочных средств и др. Для перевозки грунта могут быть использованы различные виды транспорта: автомобильный, тракторный, рельсовый и др.

Учитывая высокую маневренность (минимальный радиус разворота 10...20 м, продольный уклон до 12‰), а также возможность увязки перевозки грунта с другими грузами, автомобильный транспорт при возведении земляного полотна нашел самое широкое применение (табл. 3.10.3).

Таблица 3.10.3

Техническая характеристика автомобилей-самосвалов

Модель

Грузоподъемность, т

Объем кузова (с надстроенными бортами), м3

Максимальная скорость, км/ч

Двигатель

Мощность, кВт

Полная масса, т

УАЗ-1501

0,8

1,9 (4)

110

УМЗ-417

66

2,75

ГАЗ-САЗ-3507-01

4,25

5,0 (10)

90

3M3-53.11

88,5

8,00

ГАЗ-САЗ-4509

4,25

4,97

85

Диз.

97,8

8,9

СА-ЗУ

4,5

5,5

60

ЗИЛ-508.10

110,0

10,0

ЗИЛ-ММЗ-4952

4,7

8,0

60

ЗИЛ-508.10

110,0

11,2

ЗИЛ-45067

5,3

6,0 (12,5)

95

ЗИЛ-645, диз.

106,0

11,7

ЗИЛ-ММЗ-45065

5,7

6,0

95

ЗИЛ-508.10

110,0

11,20

ЗИЛ-ММЗ-45085

5,8

3,8

90

ЗИЛ-508.10

110,0

11,20

КамАЗ-55102

7,0

7,9 (15,8)

80

КамАЗ-710.10 диз.

154,0

15,63

Урал-5557

7,0

8,8 (17,5)

75

КамАЗ-710.10 диз.

154,0

16,30

Урал-55224

7,22

7,1

80

Урал-744 диз.

172,0

17,90

Урал-55571-10

7,22

7,1

70

ЯМЗ-236М2 диз.

132,0

17,90

ЗИЛ-4508-03

7,5

5,3

95

ЗИЛ-6454 диз.

147,0

13,98

Урал-5557-31

8,0

8,8 (17,5)

-

ЯМЗ-238М2 диз.

176,0

17,78

МАЗ-5551

8,5(10)

5,5

83

ЯМЗ-236М2 диз.

132,0

17,80

ЗИЛ-4514

10,0

6,2

85

ЗИЛ-645 диз.

136,0

18,60

ЗИЛ-ММЗ-4520

10,0

7,0

85

ЗИЛ-645 диз.

136,0

18,40

ЗИЛ-4516

10,0

7,6(10,6)

85

ЗИЛ-645 диз.

136,0

78,60

КамАЗ-55118

10,0

7,2

90

КамАЗ-7409 ГАЗ диз.

155,0

19,75

Урал-55571-30

11,0

7,1

75

ЯМЗ-238М2 диз.

176,0

21,70

КамАЗ-55111

13,0

6,6

90

КамАЗ-74006.10 диз.

176,0

22,20

КрАЗ-6510

13,5

8,0

80

ЯМЗ-238М2 диз.

176,0

24,80

Урал-44223+9516

16,0

10,0

70

Урал-744 диз.

172,0

30,45

МАЗ-5516

16,5

10,5

88

ЯМЗ-238Б

220,0

28,70

КрАЗ-65034

18,0

12,0

72

ЯМЗ-238Б2

220,0

31,20

Урал-Ивеко-330-30-ANW

18,0

12,0

80

BF8L 513 диз.

225,0

33,0

КамАЗ-6520

21,0

12,0

80

КамАЗ-740 51-320 диз.

235,0

33,10

МЗКТ-75165

24,5

16,5

75

ЯМЗ-8424.10 диз.

346

47,00

Производительность автомобилей-самосвалов в м3 рассчитывают по формуле

                                                                                                                                      (3.10.7)

где Т - продолжительность рабочей смены, ч;

Кв - коэффициент использования рабочего времени;

qm - грузоподъемность автомобиля-самосвала;

Кг - коэффициент использования грузоподъемности;

d - плотность грунта, т/м3;

- время цикла автомобиля, ч;

= ( 2l/v + t) ,                                                                                                             (3.10.8)

где l - расстояние транспортирования, км;

v - средняя скорость движения автомобиля, км/ч;

t - время, затрачиваемое на погрузку и разгрузку (0,1...0,2 ч).

Число автомобилей-самосвалов п, работающих в комплекте с экскаватором, определяют по формуле

                                                                                                                                                                        (3.10.9)

где m - число ковшей грунта, погружаемых в кузов транспортного средства;

- продолжительность одного цикла экскаватора, ч.

К недостаткам автомобильного транспорта следует отнести большую зависимость от состояния проезжей части дороги и потребность в дорогостоящем жидком топливе.

В последние годы все большее применение для перевозки грунта находит тракторный транспорт. Землевозы (думпкары) успешно конкурируют с автомобилями-самосвалами при перевозке грунта до 3 км. Думпкары выгодней автомобилей-самосвалов вследствие небольшой мощности двигателя на единицу грузоподъемности, широкой колеи и большого дорожного просвета. Думпкар разгружает грунт в 2...3 раза быстрее, чем автомобиль-самосвал, благодаря самоопрокидывающемуся кузову.

При дальности возки до 1 км и скорости движения думпкара с грунтом 12...18 км/ч, его производительность достигает 100 м3 в смену и превышает производительность автомобиля-самосвала грузоподъемностью 8...10 т на 15 %.

Рельсовый транспорт находит применение при дальности возки грунта более 10 км и сосредоточенном объеме земляных работ более 100 тыс. м3, например, при строительстве земляного полотна через болото.

Отсыпку насыпи из привезенного грунта ведут послойно по способу «с головы» в зависимости от условий производства работ. При послойной отсыпке работы ведут на двух захватках - на одной из них производят разгрузку транспортных средств и разравнивание грунта, на другой - уплотнение. Укладку и разравнивание грунта производят от краев к середине.

При достаточной ширине земляного полотна транспортные средства разворачиваются на насыпи и подходят под разгрузку задним ходом. Если ширина насыпи меньше 11 м, то устраивают специальные въезды и съезды шириной 4,5...5 м. Предельный уклон въездов должен быть не более 100‰.

3.11. Разработка выемок в нескальных грунтах бульдозерами и скреперами

Способ разработки выемок бульдозером назначают с учетом группы грунта и дальности его перемещения. Бульдозером, как правило, разрабатывают неглубокие выемки (примерно до 6,0 м) небольшого протяжения и из полученного грунта возводят участки прилегающих насыпей. В этом случае расстояние перемещения грунта не превышает 100 м. Разработку выемки ведут ярусно-траншейным способом, сущность которого заключается в последовательной поярусной разработке выемки продольными траншеями с послойной укладкой грунта в насыпь продольными полосами. После перемещения в насыпь грунта траншей каждого яруса разрабатывают и перемещают в насыпь грунт стенок, оставленных между траншеями (рис. 3.11.1).

Рис. 3.11.1. Ярусно-траншейная схема разработки бульдозером грунта в выемке с перемещением его в насыпь:
1 - ярусы; 2 - слои; 3 - стенки; 4 - траншеи яруса; 5 - отвал бульдозера; 6 - грунт, перемещаемый по траншее

Вблизи откосов выемки грунт разрабатывают, оставляя полки - продольные уступы (рис. 3.11.2). После окончания разработки выемки полки срезают бульдозером, передвигающимся по откосу сверху вниз в поперечном направлении. При этом грунт полок сдвигают в крайние траншеи, оставляемые в нижнем ярусе выемки, по которым затем перемещают грунт в насыпь. Одновременно разрабатывают и перемещают грунт стенок этих траншей. Срезку грунта полок откосов начинают с участка выемки, наиболее удаленного от насыпи, постепенно приближаясь к ней.

Рис. 3.11.2. Схема разработки бульдозером грунта вблизи откосов выемки:
1...3 - ярусы; 4 - крайние стенки; 5 - крайние траншеи; 6 - полки; а - ширина захвата при проходе бульдозера

Использовать бульдозер для доработки откосов выемки можно лишь при крутизне не более 1:2.

Если дальность перемещения грунта не превышает 20...25 м, его перемещают за один прием. При большей дальности перемещения значительная часть грунта теряется в пути, образуя боковые выемки по обе стороны отвала бульдозера. Во избежание этого применяют метод перемещения грунта с промежуточными валами: вначале грунт перемещают на расстояние 20...25 м в промежуточный вал, затем после наполнения грунта в валу сдвигают его на такое же расстояние, повторяя эту операцию до тех пор, пока не будет достигнуто место укладки.

Когда по местным условиям можно вести разработку грунта при движении под уклон, это значительно повышает производительность машин. При работе под уклон увеличивается сила тяги машин, уменьшается сопротивление перемещаемого грунта и увеличивается объем грунта, перемещаемый отвалом. При разработке грунта на подъем наблюдается обратное явление - сила тяжести машины и перемещаемого грунта значительно снижают силу тяги трактора, соответственно объем перемещаемого отвалом грунта резко уменьшается.

Увеличение производительности бульдозеров при работе под уклоном по сравнению с работой на горизонтальном участке характеризуется следующими данными: на горизонтальных участках - 100 %; на участках с уклоном 10 град. - 150...200 %; на участках с уклоном 20 град. - до 250 %; на участках с подъемом 10 град. - 60...70 %.

Разработку неглубоких раскрытых выемок с перемещением грунта в кавальеры ведут также по ярусно-траншейной схеме, но поперечными переходами бульдозера, располагая кавальеры вдоль бровок выемок.

При устройстве выемок скреперы используют для разработки и транспортировки грунта на расстояния более 50 м, при меньших расстояниях эффективнее использовать бульдозеры. Прицепные скреперы рекомендуется применять при дальности возки грунта до 500 м. При больших расстояниях транспортирования прицепные скреперы уступают по рентабельности самоходным, а также автомобилям-самосвалам, загружаемым экскаваторами или фронтальными погрузчиками.

Полуприцепные (самоходные) скреперы работают в агрегате с базовыми быстроходными пневмоколесными тягачами, их используют при дальности транспортирования от 300 до 3000 м.

Скреперы применяют преимущественно для разработки сравнительно легких грунтов. Плотные грунты требуют предварительного рыхления. Скреперы при разработке выемок не могут быть использованы в сыпучих песках и в грунтах с включениями крупных камней. Эффективность работы скреперов зависит от подготовки и состояния землевозных путей, которые должны обеспечить возможность движения тракторов со скоростью до 10 км/ч, а тягачей - до 20 км/ч [29].

Подъездные пути прокладывают с учетом движения в груженом направлении с уклонами на подъем до 150 ‰, на спуск - до 200 ‰, с поперечным уклоном до 100 ‰, для движения в порожнем направлении соответственно до 200 ‰ на подъем, до 300 ‰ - на спуск, с поперечным уклоном до 120 ‰. В обоих направлениях радиусы закругления должны быть не менее 15...20 м. Движение порожних скреперов можно использовать для выравнивания и планировки землевозных путей.

Разгрузку скреперов производят только на ходу при прямолинейном движении с малой скоростью (3...4 км/ч). Разгрузка позволяет производить послойную укладку грунта. Кромку ножа скрепера устанавливают на уровне, обеспечивающем требуемую толщину слоя грунта.

Работы по сооружению земляного полотна организуют таким образом, чтобы осуществлять загрузку ковша скрепера под уклон 80...100 ‰. Разработку выемок ведут в одну смежную насыпь или одновременно в две насыпи; во втором случае движение происходит сквозное без разворотов в выемке. При близком расположении двух выемок и насыпи между ними можно вести разработку обеих выемок, одновременно перемещая грунт в одну насыпь (рис. 3.11.3).

Рис. 3.11.3. Схема движения скрепера при разработке грунта в выемке с перемещением его в насыпь:
а - из выемки в насыпь; б - из выемки в две насыпи; в - из двух выемок в одну насыпь;
1 - набор грунта; 2 - разгрузка грунта

Зарезание грунта в выемках производят в шахматной последовательности по шахматно-гребенчатой (рис. 3.11.4) или ребристо-шахматной схеме [8]. Забой для набора грунта должен быть достаточной длины для полного наполнения ковша (табл. 3.11.1), а путь движения скрепера - кратчайшим без крутых поворотов, особенно для груженого скрепера.

Рис. 3.11.4. Шахматно-гребенчатая схема зарезания грунта скрепером:
а, б, в - последовательность зарезания грунта на каждой полосе;
1-7 - последовательность разработки полос

Таблица 3.11.1

Длина пути набора грунта скрепером в зависимости от вместимости ковша

Грунт

Вместимость ковша, м3

3...4,5

6...8

10

15

Супесь

15...20

25...30

20...30

35...45

30

45

35

55

Суглинок легкий

20...25

30....35

25...35

40...50

40

55

40

60

Суглинок тяжелый

25...35

35...40

40...50

55...65

60

75

70

90

Примечание. В числителе указана длина пути набора с толкачом, в знаменателе - без толкача.

Отсыпку грунта в насыпь производят параллельными полосами при движении скрепера вдоль оси дороги в последовательности от краев к середине, при этом насыпь с каждой стороны отсыпают на 10...15 см шире проектной (рис. 3.11.5).

Рис. 3.11.5. Схема отсыпки насыпи скрепером:
1...7 - последовательность укладки грунта в тело насыпи

Технологические процессы по разработке выемки и возведению насыпи состоят из следующих операций: подготовка подошвы насыпи и поверхности выемки; уплотнение подошвы насыпи; рыхление грунта рыхлителем послойно по мере разработки выемки (если грунты плотные); разработка грунта скрепером, транспортирование его в насыпь и распределение слоем проектной толщины; послойное разравнивание грунта в насыпи бульдозером или автогрейдером; послойное уплотнение грунта; планировка верхней части насыпи и откосов насыпи и выемки.

В зависимости от величины и крутизны откосов применяют бульдозеры, автогрейдеры, экскаваторы с телескопической стрелой или специальным оборудованием для планировки.

3.12. Разработка выемок экскаваторами

Экскаваторы - это самоходные землеройные машины с ковшовым рабочим оборудованием. Они предназначены для разработки грунтов и горных пород в транспортные средства или в отвал. По характеру рабочих процессов различают экскаваторы цикличного и непрерывного действия. К экскаваторам цикличного действия относят одноковшовые экскаваторы, а к непрерывного действия - роторные.

По ходовому оборудованию экскаваторы разделяют на гусеничные. Типы и марки экскаваторов, применяемых на дорожных работах, приведены в табл. 3.12.1. При разработке выемок в зависимости от вида выполняемых работ экскаваторы могут иметь следующее рабочее оборудование: прямую лопату (рис. 3.12.1, а), обратную лопату (рис. 3.12.1, б) драглайн (рис. 3.12.2).

Рис. 3.12.1. Одноковшовые экскаваторы:
а - прямая лопата; б - обратная лопата

Рис. 3.12.2. Экскаватор с оборудованием драглайна:
I - ковш в верхнем положении; II - в исходном положении перед заполнением; III - в процессе заполнения

Экскаваторы, оборудованные прямой лопатой, ведут разработку грунта выше уровня своей стоянки. Ковш при этом движется снизу вверх и от экскаватора. Прямой лопатой разрабатывают грунт чаще с погрузкой в транспортные средства.

Экскаватор, оборудованный обратной лопатой, ведет разработку грунта ниже уровня его стояния. При копании ковш движется сверху вниз и вверх к экскаватору.

Отличительной особенностью экскаваторов с оборудованием драглайнов (рис. 3.12.2) является наличие удлиненной решетчатой стрелы и гибкой канатной подвески ковша. Копание грунта ковшом драглайна и наполнение его грунтом осуществляется подтягиванием ковша к экскаватору при расположении самой машины выше выемки.

По сравнению с прямой и обратной лопатами драглайн имеет большие радиус действия и глубину копания, что позволяет разрабатывать большие по поперечному сечению выемки с отсыпкой грунта в отвал или в транспортные средства.

Разработку выемки экскаватором, оборудованном прямой лопатой, производят: боковым забоем, когда транспортные средства размещают сбоку экскаватора в одном или разном уровнях с ним (рис. 3.12.3); лобовым забоем, когда экскаватор, разрабатывая выемку, грунт выгружает в транспортное средство, расположенное сзади экскаватора (рис. 3.12.4).

Рис. 3.12.3. Схема бокового забоя:
а - при погрузке грунта в автомобили-самосвалы на уровне стоянки экскаватора; б - то же при размещении самосвалов выше, чем стоянка экскаватора

Рис. 3.12.4. Схема разработки выемки:
а - лобовым забоем; б - уширенным лобовым забоем;
1 - траектория перемещения экскаватора

Разработка боковым забоем предпочтительна, так как обеспечиваются лучшие условия для подъезда и погрузки транспортных средств, уменьшается угол поворота экскаватора, что способствует более производительной работе машин.

Место разработки грунта экскаватором называется забоем, а продольную траншею, выработанную за один проход, - проходкой. Размеры забоев определяют рабочими параметрами применяемых моделей экскаваторов (табл. 3.12.1).

Таблица 3.12.1

Рекомендуемые параметры забоев

Объем ковша экскаватора, м3

Расположение транспортных средств

Радиус выгрузки R, м

Высота выгрузки Нв, м

Высота забоя Нз, м

в одном уровне

в разных уровнях

в

r

В

в

r

В

0,5

4,6

4,8

9,4

2,1

4,8

6,9

6,6

4,1

6,6

0,65

5,4

6,3

11,7

2,2

6,3

8,5

7,4

4,8

7,3

1,0

5,8

6,4

12,2

2,4

6,7

9,1

7,8

5,0

8,0

2,0

7,0

7,4

14,4

4,9

7,4

12,3

10,2

5,5

9,3

Наименьшая высота забоя для одноковшового экскаватора должна быть такой, чтобы обеспечить наполнение ковша (табл. 3.12.2).

Таблица 3.12.2

Наименьшая высота забоя

Группа грунта

Вместимость ковша, м3

0,65

1,0

2,0

I и II

2,5

3,0

3,0

III

4,5

4,5

4,5

IV

5,5

6,0

6,0

Для повышения производительности экскаватора (прямая лопата) целесообразно высоту забоя назначать, руководствуясь данными табл. 3.12.3.

Таблица 3.12.3

Высота забоя в зависимости от емкости ковша и угла наклона стрелы экскаватора

Объем ковша, м3

Угол наклона стрелы к горизонту, град.

Наибольшая высота забоя, м

0,65

45...60

6,8...7,8

1,0

45...60

7,8...0,3

2,0

45...60

9,3...10,8

Когда транспортные средства под погрузку располагают выше уровня стоянки экскаватора, то высоту уступа h (рис. 3.12.3, б) определяют по формуле

h = Hв - (Hтр + 0,5),                                                                                                     (3.12.1)

где - наибольшая высота выгрузки, м;

Hтр - высота транспортного средства, м;

0,5 - зазор безопасности над транспортным средством, м.

При большой глубине и ширине выемки разработку ее ведут несколькими проходками. Сечение забоя проходок должно соответствовать рабочим параметрам применяемого экскаватора. По численным значениям этих параметров (табл. 3.12.1) для выбранного экскаватора вычерчивают сечение забоя и по нему разбивают поперечник выемки на проходки (рис. 3.12.5). Расчет ведут по наибольшей глубине выемки. Проходки с минимальной глубиной назначают для верхнего яруса, где они самые короткие. Разработку первых (пионерных) траншей производят лобовым забоем нормальной ширины или уширенным. Разработку неглубоких пионерных траншей для создания погрузочной площадки можно вести бульдозером или скрепером с перемещением грунта в отвал или насыпь. Ширина пионерной траншеи понизу должна быть не менее 4,0 м. Подошва каждого яруса, кроме последнего, должна иметь уклон 20‰ в сторону начала разработки для обеспечения отвода воды.

Рис. 3.12.5. Схема разбивки выемки на проходки:
1 и 5 - уширенные лобовые; 2,3,4,6,7 - проходки боковыми забоями

Лобовым забоем разрабатывают неглубокие короткие выемки, если работу можно выполнить за одну проходку экскаватора. Работа в более широких лобовых забоях (рис. 3.12.4, б) способствует уменьшению угла поворота, повышению его производительности и улучшает маневренность автомобилей-самосвалов или других транспортных средств.

Разработку выемок экскаваторами - драглайн можно вести двумя способами:

1) проходками с лобовым забоем, когда экскаватор перемещается в пределах разрабатываемой им полосы;

2) проходками с боковым забоем, когда экскаватор перемещается за пределами разрабатываемой им полосы.

По сравнению с боковым забоем лобовой имеет преимущество, так как за одну проходку дает возможность разрабатывать грунт на полосе шириной почти равной удвоенному наибольшему радиусу резания. Глубина лобового забоя может быть значительно больше глубины бокового.

Разработку грунта драглайном осуществляют ниже уровня стоянки экскаватора с выгрузкой в отвал или транспортные средства, которые подают по верху или по дну выемки. Наибольшая глубина разработки выемок драглайном приведена в табл. 3.12.4.

Таблица 3.12.4

Глубина разработки выемки драглайном

Объем ковша, м

Длина стрелы, м

Угол наклона стрелы к горизонту, град

Глубина разработки, м, при проходке:

боковой

торцевой

0,65

10

30...45

4,4...3,8

7,3...6,5

0,65

13

30...45

6,6...5,9

10,0...7,8

1,0

12,5

30...45

6,0...4,9

9,5...7,4

1,0

15

30...45

7,4...6,5

12,0...9,6

2,0

20

30...45

10,7...9,4

16,3...13,1

Производительность одноковшовых экскаваторов можно рассчитать по формуле

                                                                                                      (3.12.2)

где Т- продолжительность смены, ч ;

Кв - коэффициент использования времени;

q - объем ковша экскаватора, м3;

Кн - коэффициент наполнения ковша (табл. 3.12.5);

- продолжительность рабочего цикла экскаватора (табл. 3.12.6), с;

Кр - коэффициент разрыхления грунта.

Продолжительность цикла включает в себя время, необходимое на копание t1, подъем ковша t2, поворот стрелы с ковшом t3, выгрузка ковша t4, поворот стрелы в забой t5 и опускание ковша t6

= t1 + t2 + t3 + t4 + t5 + t6                                                                                          (3.12.3)

Ориентировочные усредненные значения продолжительности рабочего цикла одноковшовых экскаваторов для средних параметров забоя и угла поворота при выгрузке 90° приведены в табл. 3.12.6.

Таблица 3.12.5

Наполнение ковша экскаватора

Грунт

Группа грунта

Коэффициент наклона ковша, Кн

прямая лопата

драглайн

Глина:

 

 

 

средняя

II

1,08. ..1,18

0,98...1,06

влажная

III

1,30...1,50

1,18...1,28

тяжелая

IV

1,0...1,10

0,95...1,0

Суглинок при естественной влажности

II

1,05...1,12

0,80...1,0

Песок, гравий

I, II

1,15...1,23

1,10...1,20

Скальные породы

V, VI

0,75...0,90

0,55...0,80

Таблица 3.12.6

Продолжительность рабочего цикла одноковшовых экскаваторов

Объем ковша экскаватора, м3

Продолжительность цикла, с.

прямой лопаты

обратной лопаты

драглайна

0,65

16...18

16...23

21...23

1,0

16...21

20...26

24...26

2,0

21...23

27...30

28...30

Для повышения производительности экскаваторов необходимо увеличить наполнение ковша, сокращать продолжительность цикла, рационально организовать работу экскаватора в забое. При выгрузке грунта в отвал или транспортные средства уменьшение угла поворота стрелы с 90° до 70° сокращает цикл не менее чем на 10 %.

Производительность экскаватора при работе с транспортными средствами во многом определяется непрерывностью их подачи и правильной установкой в забое с тем, чтобы угол поворота экскаватора был наименьшим.

Глава 4.
Сооружение земляного полотна в особых условиях

4.1. Особенности возведения земляного полотна в горных условиях

Земляное полотно в горных районах существенно отличается от земляного полотна в равнинной местности: дорога часто проходит по склонам, высокие насыпи чередуются с глубокими выемками. Для повышения устойчивости земляного полотна и безопасности движения приходится строить специальные сооружения. Строительство земляного полотна в скальных грунтах, как правило, требует выполнения взрывных работ.

Взрывные работы осуществляют двумя способами:

- рыхление скального грунта на куски определённых размеров с последующей разработкой разрыхлённого грунта землеройно-транспортными машинами (взрывание на рыхление);

- полным или частичным удалением грунта силой взрыва за пределы выемки (взрывание на выброс) или полувыемки (взрывание на сброс), при котором взорванный грунт сбрасывают вниз по косогору).

При возведении земляного полотна в горных условиях следует учитывать наличие таких особенностей как:

- слабая сеть автомобильных дорог, отсутствие ж/д. транспорта;

- резкая смена геометрических параметров земляного полотна, что обуславливает необходимость в изменении технологии и организации дорожно-строительных работ;

- необходимость устройства защитных сооружений (противообвальные, противооползневые, противоселевые, противолавинные и др.);

- возможность резкой перемены погодных условий (ливни, катастрофическое повышение уровня воды горных потоков и выходы селей, оттепели, которые способствуют образованию лавин);

- необходимость проведения буровзрывных работ.

Взрывы производят с целью рыхления скального грунта или с целью его выброса. Направленные взрывы на выброс производят на косогоре в условиях чередующихся выемок и насыпей, а также на участках серпантин. Доработка до проектных отметок в этих случаях составляет не более 10...30 %.

Стоимость возведения земляного полотна в скальных грунтах составляет 50...60 % (вместо 12...20 % в равнинной местности) от общей стоимости автомобильной дороги.

4.1.1. Бурение скальных пород

Под буримостью скальных пород понимают скорость, с которой буровой инструмент внедряется в породу. Для размещения взрывчатых веществ (ВВ) в породе делают специальные углубления, называемые взрывными выработками (рис. 4.1.1).

В зависимости от размеров, конфигурации и назначения взрывные выработки подразделяют на шпуры, скважины, котловые шпуры и скважины, имеющие в основании уширение в виде котла, рукава - горизонтальные или слегка наклонённые выработки небольшого сечения (до 0,4´0,4 м), зарядные камеры - специальные углубления в форме куба или параллелепипеда для размещения больших зарядов ВВ и для улучшения условий забивки этих зарядов. Шурфы - вертикальные, штольни, рассечки - горизонтальные вспомогательные выработки, предназначенные для образования зарядных камер. Поперечные сечения шурфов 1,0´1,2 м, а штолен и рассечек 1,0´1,6 м позволяют производительно работать проходчикам. Шпуры и скважины бывают вертикальные, наклонные и горизонтальные.

 

Рис. 4.1.1. Взрывные выработки:
1- шпур; 2 - скважины; 3 - котловая скважина; 4 - шурф; 5 - рукав; 6 - штольня; 7 - рассечка; 8 - зарядные камеры

Процесс бурения состоит в разрушении породы и удалении измельченной породы из взрывной выработки. Бурение можно производить механическим и немеханическим способом. Из нескольких разновидностей механического способа бурения наибольшее распространение получили:

а) шарошечный;

б) пневмоударный;

в) перфораторный.

При шарошечном бурении разрушение породы достигается за счет смятия и скола каждым зубцом конусообразной шарошки при перекатывании вокруг оси шарошечного долота за счет сообщаемого осевого давления. Машина шарошечного бурения пробуривает скважины на глубину до 30 м диаметром в скальных грунтах до 140...150 мм, а в нескальных - до 350 мм. Угол бурения по отношению к вертикали от 0 до 90°. Эти машины монтируют на базе гусеничного трактора. Измельченную породу из выработки удаляют воздухом под давлением 50 Па. Расход воздуха составляет от 4,5 до 9,0 м3/мин. Производительность бурения составляет от 15 до 80 м в смену в зависимости от прочности скального грунта [3].

Пневмоударное и перфораторное бурение выполняют пневматическими машинами. Лучшие результаты при бурении достигаются при использовании пневмоударных машин, поскольку рабочий орган находится в конце штанги, у забоя, вследствие чего потери энергии удара практически не зависят от глубины погружения рабочего органа. Разрушение породы достигают главным образом за счет удара, энергия которого определяется большой скоростью движения поршня. Число ударов достигает 1500...3000 в минуту. Вращательные движения бура играют при разрушении породы второстепенную роль. Измельченную породу из выработок удаляют продувкой сжатым воздухом. Машину (станок) пневмоударного действия применяют там, где невозможно использовать машину шарошечного бурения, для установки которой требуется горизонтальная площадка шириной не менее 4...5 м. Станок пневмоударного бурения пробуривает шурфы и скважины диаметром до 105 мм и глубиной до 25...35 м. Производительность станка от 10 до 35 м в смену. Для упрощения передвижения станки устанавливают на салазки, гусеничную или колесную базу. Масса станка около 350 кг.

Перфоратор, являющийся рабочим органом, всегда остается на поверхности, а плоскость разрушаемой породы достигают увеличением длины штанги. За счет этого растут потери энергии удара. Перфораторы делят на ручные массой до 35 кг и станочные - более 35 кг. Все перфораторы работают совместно с компрессорами. Перфораторы обеспечивают глубину бурения до 1,5 м, скорость бурения от 8 до 30 м/смену, диаметр пробуриваемых шпуров 40...45 мм.

Термическое бурение находит применение, главным образом, в породах, имеющих кремнистое основание. Для бурения применяют горелку реактивного типа, в которую подают смесь топлива, состоящую из керосина и кислорода. Горелку охлаждают водой, которая под действием высоких температур переходит в пар и выносит на поверхность разрушенную породу. Диаметр пробуриваемых скважин равен 120...500 мм, глубина бурения 8...20 м. Производительность установки - 6...8 м/ч. При этом расход керосина составляет 150 л, кислорода - 250 м3, воды - 3,5 м3. При сгорании керосина выбрасывается струя газа с температурой 1600...2200°С под давлением 10 атм. и скоростью 1800...2000 м/с.

Рациональный способ бурения и выбор бурильного станка определяется технико-экономическими расчетами.

4.1.2. Взрывчатые вещества, способы и средства взрывания

Взрывом называется чрезвычайно быстрое химическое превращение вещества из одного состояния в другое, сопровождающееся выделением энергии, способной производить механическую работу.

Взрывчатые вещества, применяемые для взрывных работ, имеют различные свойства, определяющие области их применения.

Инициирующие ВВ - гремучая ртуть, азид свинца - обладают самой высокой чувствительностью к внешним воздействиям. Они взрываются от небольшого пламени, удара или трения и вызывают инициирование (возбуждение взрыва) зарядов других ВВ. Их применяют для изготовления капсюль-детонаторов, электродетонаторов.

Бризантные ВВ (дробящие) производят работу разрушения, дробления. В обычных условиях они не взрываются от удара, трения и действия огня, вследствие чего удобны для ведения взрывных работ. К ним относят нитросоединения и аммиачно-селитренные ВВ. Наиболее чувствительны к внешним воздействиям нитросоединения (гексоген, тэн, тетрил, тол). Тетрил применяют в детонаторах, а также в шашках в качестве боевиков; тэн - в детонаторах и детонирующем шнуре; гексоген находит применение как составная часть скальных аммонитов и в детонирующих шнурах; тол и его сплавы с гексогеном (62 % динамит) применяют для ведения взрывных работ.

Самое широкое применение при производстве взрывных работ находят аммиачно-селитренные (аммониты, аммоналы, динамиты, гранулиты и др.), так как они наиболее безопасны, имеют достаточную мощность и невысокую стоимость. Основной недостаток этих ВВ - гигроскопичность. При влажности более 5...7 % они теряют взрывные свойства. К гидрофобным сортам аммонита относят №6 ЖВ и №7 ЖВ.

Фугасные (метательные). К ним относят дымный и бездымный порох. Дымный (черный) порох используют для изготовления огнепроводного (бикфордова) шнура.

Применяют следующие способы взрывания: огневой, электрический, детонирующим шнуром, электроогневой.

Огневой способ применяют для взрывания одиночных зарядов или группы, когда взрыв одного из них не может повредить другой заряд. Средствами взрывания в данном случае служат капсюли-детонаторы и огнепроводный шнур, служащий для возбуждения взрыва капсюлей-детанаторов (рис. 4.1.2, а). Огнепроводный шнур состоит из сердцевины (черный порох) и нитяных оплеток, покрытых водонепроницаемым составом. Скорость горения огнепроводного шнура на воздухе примерно равна 1 см/с. Поджигание огнепроводного шнура, срезанного по косой линии, производят тлеющим фитилем или спичкой подрывника, которая не гаснет от ветра.

Рис. 4.1.2. Средство взрывания:
а - капсюль-детонатор; б - электродетонатор;
1 - гильза; 2 - чашечка; 3 - гремучая ртуть (0,5 г); 4 - тетрил, тэн или гексоген (1 г); 5 - воспламенительная головка; 6 - пластиковая пробка; 7 - мостик накаливания; 8 - электропровод

Электрический способ взрывания применяют для одновременного взрыва нескольких зарядов или для производства взрыва в точно установленное время. Этот способ более безопасен в сравнении с огневым, но требует довольно сложного оборудования. Для осуществления электрического способа взрывания необходимы: электродетонаторы, провода, источники тока, проверочные и измерительные электроприборы. Электродетонатор (рис. 4.1.2, б) мгновенного действия, поскольку огонь от воспламенительной головки 8, которая загорается от мостика накаливания 12, непосредственно соприкасается с инициирующим ВВ - гремучей ртутью, помещенной в чашечку 2.

Наиболее удобными и распространенными источниками тока являются конденсаторные подрывные машинки. Они удобны при переноске, просты и надежны в эксплуатации. С помощью подрывной машинки КПМ-1 можно взорвать до 100 шт. последовательно соединенных в сеть электродетонаторов.

Взрывание зарядов ВВ детонирующим шнуром (бескапсюльное взрывание) осуществляют взрывом введенного в заряд боевика отрезка детонирующего шнура (ДШ), оканчивающегося узлом. Взрывание ДШ производят капсюлем-детонатором зажигательной трубки или электродетонатором, который плотно с ним соединяется. ДШ взрывается со скоростью 6500 м/с.

В настоящее время взрывание ДШ получило широкое распространение в силу того, что при этом значительно уменьшается опасность выполнения работ из-за отсутствия детонатора в заряде; упрощаются работы по подготовке к взрыву, более полно взрываются удлиненные заряды, так как ДШ пропускается через весь заряд.

Электроогневой способ взрывания состоит в инициировании каждого заряда зажигательной трубкой с воспламенением огнепроводного шнура средствами, действующими от электрического тока. Этим способом взрывают с безопасного места, и появляется возможность взрывания зарядов с определенными интервалами замедления.

Чтобы улучшить качество взрыва и получить хорошее и равномерное дробление пород применяют рассредоточенные заряды в скважинах (рис. 4.1.3). Для этого по длине заряда создают незаполненные ВВ промежутки с помощью деревянных приспособлений. Массу заряда определяют по расчетным формулам. В скважинах глубиной до 20 м заряд делят на две части. В нижнюю часть помещают 50...70 % ВВ, а остальную часть ВВ делят на равные части, пропорционально принятому числу воздушных промежутков. Общую высоту воздушных промежутков рекомендуется принимать в пределах 0,17...0,35 от общей длины заряда в шпуре или скважине.

 

Рис. 4.1.3. Схема заряда с воздушными промежутками:
1 - электропровод; 2 - забойка; 3 - заряд ВВ; 4 - электродетонатор; 5 - стойка-распорка; 6 - фанерный кружок

4.1.3. Производство взрывных работ

Взрывание вне зависимости от способа состоит из подготовки к взрыву, изготовления патронов-боевиков, заряжения, забойки и взрыва. Подготовка к взрыву включает буровые работы, оформление исполнительной документации и имеет специфические особенности по каждому способу взрывания, которые рассмотрены ранее. Патроны-боевики (детонирующие патроны) изготовляют в специально отведенном месте или помещении, расположенном не ближе 50 м от места заряжения. Патроном-боевиком называют упакованные ВВ с введенным в него детонатором или собранным в узел детонирующим шнуром. Детонатор надежно закрепляют, чтобы исключить возможность его выдергивания при последующем заряжении и забойке заряда ВВ. Опускать патроны-боевики в скважину или шпур нужно с помощью специальных устройств без передачи усилия на огнепроводный шнур, детонирующий шнур или электрические провода.

При взрывании ВВ, имеющих пониженную детонационную способность (например, гранулиты и зеррогранулиты), применяют промежуточные детонаторы в виде шашек тротила, тротила-тетрила. Для заряжения взрывчатыми веществами шпуров и скважин применяют различные средства механизации. Так, для заряжения скважин ВВ применяют машины, обладающие производительностью до 4000 кг в час. Качество заряжения и безопасность работ при этом значительно возрастают. Уплотнение ВВ в скважине или шпуре производят специальными деревянными трамбовками, имеющими в середине полость для размещения огнепроводного шнура либо электропровода. Верхнюю часть выработки засыпают сухим песком и закрывают деревянной пробкой.

Расчет взрывных работ состоит в определении количества зарядов, их расположения и массы. По способу расположения в среде различают заряды внутренние и наружные. Зарядом называют определенную массу ВВ, подготовленную к взрыву. По форме заряды могут быть сосредоточенными, когда длина заряда L меньше шести диаметров d скважины или шпура (L < 6d) и удлиненными (L > 6d).

При наличии однородного сопротивления среды взрыв проявляет свое действие во все стороны с одинаковой силой, а взрывная волна распространяется в среде концентрически. Различают четыре сферы действия взрыва (рис. 4.1.4, а): 1 - сфера сжатия и измельчения; 2 - сфера выброса; 3 - сфера разрыхления; 4 - сфера сотрясения.

Если в каком-либо направлении сопротивление среды несколько ослаблено (открытая поверхность взрываемой породы проходит в пределах сферы разрушения), то главная сила взрыва будет направлена в эту сторону, образуя воронку взрыва. Воронка взрыва (рис. 4.1.4, б) характеризуется радиусом действия заряда R, радиусом воронки r и линией наименьшего сопротивления W.

Рис. 4.1.4. Действие взрыва:
а - сферы действия взрыва; б - воронка выброса;
r - радиус воронки взрыва; R - радиус действия заряда; W - линия наименьшего сопротивления (ЛНС), т.е. наименьшее расстояние от заряда до открытой поверхности, м

Отношение r/w называют показателем действия взрыва (выброса) п. Выброс следует считать нормальным при п = 1, уменьшенным при п < 1 и усиленным при п > 1. При п < 0,75 происходит рыхление породы без выброса. Заряд в этом случае называют выпирающим. Заряд, действие которого не дошло до открытой поверхности, называют «камуфлетным».

Объем воронки нормального выброса (п = r/w = 1) определяют по формуле

                                                                                         (4.1.1)

Масса заряда нормального выброса, кг

Q = Kн·w3                                                                                                                    (4.1.2)

где - расчетный расход ВВ, кг/м3.

Расчетный расход ВВ для зарядов на выброс и разрыхление приведен в табл. 4.1.1.

Таблица 4.1.1

Средний расход взрывчатого вещества в расчете на аммонит №6

Горная порода

Категория прочности породы по ЕНиР

Расход аммонита, кг/м3, для зарядов

на выброс

на рыхление

Суглинок тяжёлый

I

1,0...1,15

0,35...0,40

Крепкие глины

III

1,01...1,30

0,35...0,45

Лесс

III, IV

0,90...1,30

0,30...0,15

Гипс

IV, V

1,00...1,30

0,35...0,45

Известняк, ракушечник

V, VI

1,50...1,75

0,50...0,60

Известняк, песчаник

VII

1,30...2,10

0,45...0,70

Гранит, гранодиарит

VII...X

1,50...2,15

0,50...0,70

Базальт, андезит

XI...XI

1,75...2,30

0,60...0,75

При использовании иного взрывчатого вещества (ВВ) вместо аммонита вводят переводные коэффициенты:

Скальные аммониты - 0,85;

Тетрил, зерногранулит 30/70 - 1,0...1,10;

Водоустойчивые аммониты В-3, 6-ЖВ - 1,00;

Аммонит №7 - 1,05;

Аммонит №9, 10 - 1,20;

Аммиачная селитра - 1,60;

Игданит - 1,15.

При показании выброса п > 1, очевидно, потребуется больше ВВ, чем при п = 1. В этом случае формула (4.1.2) примет вид

Q = Kн·w3f(n)                                                                                                               (4.1.3)

На основании экспериментальных данных горный инженер Боресков в 1871 установил значение функции n f(n)

f(n) = 0,4 + 0,6n3                                                                                                         (4.1.4)

С учетом (4.1.4) формулу (4.1.3) можно представить как

Q = Kн·w3(0,4 + 0,6n3)                                                                                                (4.1.5)

В случае, когда линия наименьшего сопротивления w > 25 м формула (4.1.5) дает заниженный результат. В этом случае в формулу (4.1.5) вносят поправку

                                                                                      (4.1.6)

Расстояние между зарядами в ряду, м

a = 0,5w(n + l)                                                                                                             (4.1.7)

Расстояние между рядами зарядов, м

b = 0,85а = 0,43w(n + l)                                                                                              (4.1.8)

Массу заряда на рыхление определяют по формуле

Q = 0,5·Kн·w3                                                                                                              (4.1.9)

Расстояние между зарядами в ряду, м

a = (0,8...1,2)w                                                                                                            (4.1.10)

Расстояние между рядами зарядов

b = 0,85а                                                                                                                     (4.1.11)

Расчёт скважинных (удлинённых L > 6d) зарядов производят также на основе объёмного метода. Массу заряда в таком случае получают по формуле

Q = ⅓ Kн·w·a·H ,                                                                                                         (4.1.12)

где w - линия наименьшего сопротивления, м;

а - расстояние между зарядами в ряду, м;

Н - высота забоя, т.е. проектная высота взрываемого слоя, м.

Величина ЛНС может быть принята равной: 32d - при взрывании легкодробимых пород; 25d - при взрывании среднедробимых и 20d - при взрывании труднодробимых пород (d - диаметр скважины). Рекомендуемый диаметр скважины приведён в табл. 4.1.2

Таблица 4.1.2

Рекомендуемые диаметры скважин

Категория породы

Степень крепости породы

Диаметр скважины, мм

I

Высшая степень крепости

105...140

II

Очень крепкие

105...160

III, IIIа

Крепкие

140...200

IV, IVa

Довольно крепкие

140...220

V, Va

Средине

160...280

VI, VIa

Довольно мягкие

160...300

Расстояние между скважинными зарядами

a = (1...2)w                                                                                                                  (4.1.13)

Для полного разрушения скальной породы до отметки основания взрываемого слоя скважины разбуривают ниже этой отметки. Величину перебура принимают

DL = (10...15)d                                                                                                            (4.1.14)

Тогда общая глубина скважины

L = H + DL                                                                                                                  (4.1.15)

4.1.4. Технология возведения земляного полотна в скальных грунтах

Возведение земляного полотна автомобильных дорог в скальных грунтах включает устройство пешеходной тропы, обеспечение рабочего проезда, сооружение земляного полотна полного профиля.

Устройство пешеходной тропы, располагаемой по возможности ближе или непосредственно на трассе строящейся дороги, необходимо для осмотра мест проложения дороги перед принятием решения по организации работ, для размещения рабочих в местах сосредоточения работ, предназначенных к выполнению в первую очередь. Тропа служит также для выноса и закрепления трассы строящейся дороги.

Пешеходную тропу прокладывают специализированные бригады, в состав которых входят: подрывники, подносчики взрывчатки, дорожные рабочие, скалолазы и др.

Обеспечение рабочего проезда необходимо на всем протяжении дороги, на котором должны быть развернуты строительно-монтажные работы. Рабочий проезд обеспечивают:

а) за счет скальных работ по уширению пешеходной тропы, если дорога располагается в полувыемке;

б) устройством сухой кладки из камня, если при проложении дороги предусмотрена постройка подпорной стены и кладка в застенном пространстве;

в) комбинацией решений согласно пунктам а и б;

г) выносом рабочего проезда на временные эстакады, полубалконы, балконы.

Обеспечение рабочего проезда за счет выполнения скальных работ осуществляют специальная бригада подрывников и, как правило, два бульдозера. Работая на узкой полке, бульдозеры не всегда опираются на нее всей площадью гусениц; попадающие под гусеницы бульдозера камни приводят к необходимости форсировать работу двигателя, а камни, попадающие между гусеницей и катками, способствуют сходу гусениц с катков. Такие сложные условия работы нередко требуют помощи второго бульдозера. Необходимость взаимной помощи увеличивается, когда оставлены негабариты, для сбрасывания которых под откос нужно усилие двух бульдозеров.

Взрывные работы ведут методом взрыва скважных зарядов или мелкошпуровым методом. Уширение пешеходной тропы взрывами мелкошпуровым методом с уборкой взорванной породы бульдозерами применяют из-за его простоты, минимального сейсмического действия, а также малой массы бурового оборудования. Глубина шпуров обычно составляет 1,0...1,1 толщины взрываемого слоя. Раздробление отдельных крупных камней можно производить накладными зарядами. Расход ВВ в этом случае составляет

Q = (0,8...2,2)·V,                                                                                                         (4.1.16)

где 0,8...2,2 - расход ВВ в зависимости от прочности раздробляем породы и свойств используемого ВВ;

V - объем камня, м3.

Осуществление рабочего проезда каменной кладкой насухо осуществляют в случаях, когда такая кладка предусмотрена проектом. За счет камня, получаемого в результате разборки верхней полки скалы, выкладывается каменная кладка насухо. Ее необходимо выложить так, чтобы она в последующем не мешала строить низовую подпорную стенку при сохранении движения по ней построечного транспорта.

Обеспечение рабочего проезда по балконам, полубалконам и временным эстакадам осуществляют на наиболее сложных участках скальных обрывов и в местах преодоления глубоких каньонов. Временные полубалконы устраивают простейших конструкций с использованием различных профилей металла. Балками перекрывают местные сужения в скальной полке, а проезжую часть устраивают деревянной.

Разработка скальных пород на всю ширину земляного полотна заключается в выполнении основных объемов скальных работ до 80 % и более. Технология этих работ определяется: типом поперечного профиля, наличием и типом специальных сооружений; геологическими или гидрогеологическими условиями, определяющими степень устойчивости склона; технологией взрывных работ и возможностью дальнейшего использования взорванной породы.

Скальные породы при мощности 3,0...3,5 м взрывают шпуровым методом, при большей мощности - скважинными зарядами.

Взрывание скальной породы в выемках в случае достаточной устойчивости и экономической целесообразности производят взрывом на выброс (рис. 4.1.5). Грунт из выемки направляют в одну или две стороны, а общее количество породы, подлежащее уборке после взрыва, не должно превышать 15...20 % общего объема. Для обеспечения проектных размеров выемки должно быть соблюдено условие (рис. 4.1.5)

2nw £ B + 2mH                                                                                                           (4.1.17)

Рис. 4.1.5. Схема разработки выемки взрывом на вынос

Если глубина выемки не превышает значения по (4.1.5), то скважины располагают по оси в один ряд.

                                                                                                             (4.1.18)

При разработке скального грунта в выемках взрывами на рыхление для его перемещения в насыпь или отвал используют автомобили - самосвалы, в которые разрыхленный грунт грузят экскаваторами. Поперечное перемещение грунта из полувыемок в полунасыпи осуществляют бульдозерами.

Верхняя часть насыпей (до 1,0 м по высоте) не должна содержать включений кусков крупнее 25 см, в остальной части насыпи - не более 2/3 толщины уплотняемого слоя. Скальные грунты уплотняют в два этапа: сначала при помощи решетчатых катков, а затем тяжелых пневмоколесных катков при толщине слоев 0,3...0,4 м. Степень уплотнения крупнообломочных грунтов при содержании более 60 % крупных обломков считают достаточной, если осадка составляет 10...12 % для верхней части насыпи толщиной 1,0...1,2 м и 8...10 % для остальной ее части.

Перед началом взрывных работ устанавливают границы опасной зоны, которые отмечают на местности условными знаками. На границах опасной зоны во время взрывных работ выставляют посты охраны этой зоны. Охрану организуют так, чтобы все пути, ведущие к месту выполнения взрывных работ, находились под постоянным наблюдением.

Сейсмические безопасные расстояния от места взрыва до жилых и промышленных зданий при мгновенном взрывании сосредоточенных зарядов определяют по формуле

                                                                                                               (4.1.19)

где Кс - коэффициент, зависящий от свойств грунта в основании охраняемых сооружений, принимаемый по табл. 4.1.3.

a - коэффициент, зависящий от показателя действия взрыва п, который принимают по табл. 4.1.4.

Q - полная масса заряда ВВ, кг.

Таблица 4.1.3

Значение коэффициента Кс для расчёта сейсмически безопасных расстояний

Порода грунта в основании охраняемого сооружения

Значения, Кс

Породы скальные плотные

3,0

То же, нарушенные

5,0

Грунты галечниковые н щебенистые

7,0

То же, песчаные

8,0

То же, глинистые

9,0

То же, насыпные и почвенные

15,0

То же, водонасыщенные (плывуны и торфяники)

20,0

Таблица 4.1.4

Значение коэффициента a от показателя действия взрыва п

Показатель действия взрыва, п

Значение, a

0,5

1,20

1,0

1,00

1,5

0,90

2,0

0,80

2,5

0,75

3,0

0,70

При заданном расстоянии от места взрыва до охраняемого объекта допустимая масса сосредоточенного заряда равна

                                                                                                                (4.1.20)

При производстве взрывных работ в светлое время суток обязательна подача звуковых сигналов, а в темное - звуковых и световых. Воспрещается подача сигналов голосом.

Для ликвидации отказавших шпуровых зарядов параллельно бурят вспомогательные шпуры или скважины на расстоянии 30 см, при котловых шпурах - на расстоянии 50 см.

Отказавшие скваженные заряды ликвидируют несколькими методами в зависимости от расположения заряда и причины отказа. При отказе внешней взрывной сети производят повторное взрывание. Если повторно взорвать невозможно, то отказы ликвидируют по одному из следующих способов: разработка породы и извлечение заряда из скважины; бурение новой скважины на расстоянии 3,0 м от отказа с последующим взрыванием заряда новой скважины.

До ликвидации отказов такие заряды охраняют и вблизи других работ не производят. Отказы ликвидируют под руководством лиц технадзора.

Дальность разлета кусков породы определяется по формуле

L = 20n3w                                                                                                                    (4.1.21)

Для предохранения людей от поражения кусками породы или воздушной ударной волны во время взрывных работ устраивают укрытия (блиндажи). Высоту укрытия (блиндажей) принимают не менее1,8 м, толщину верхнего деревянного перекрытия не менее 15 см.

4.2. Возведение земляного полотна на болотах

4.2.1 Типы болот и способы возведения на них насыпей

Болота занимают около 10 % территории нашей страны. На долю России приходится 3/4 болот земного шара, другими словами, на каждого жителя Российской Федерации приходится около 1 га болот. Болотами принято называть места с затруднёнными поверхностным и внутренним стоком, занятые естественными залежами высокопористых водонасыщенных грунтов. Границу болота принято считать с глубины 0,5 м.

Основы научного решения проблемы строительства дорог через болота были разработаны в 30-х годах прошлого столетия Н.П. Кузнецовой. Её труды совместно с работами А.А. Арсеньева, Л.А. Братцева не потеряли своей актуальности и в настоящее время. В железнодорожном строительстве близкие задачи решали К.С. Ордуянц, Н.Н. Сидоров, Г.М. Шахунянц и др. Значительный вклад в проектирование и технологию возведения земляного полотна на болоте внесли ученые МАДИ, СоюздорНИИ, БелдорНИИ и др.

Несмотря на научные разработки, технический уровень строительства дорог в заболоченных местах повышается медленно. Проектные организации недостаточно учитывают современные достижения науки, не ориентируют строителей на применение экономичных конструкций и технологических приемов, освоенных мировой практикой. Выторфовывание закладывается часто без достаточного обоснования, в результате чего средняя стоимость 1 км земляного полотна через болота в 3...5 раз выше, чем в обычных условиях.

По источникам питания болота подразделяют на:

- низинные, питаемые грунтовыми водами. Эти болота содержат хорошо разложившиеся плотные древесные, травяные или моховые торфы;

- верховые, образовались в результате заболачивания суши. Торф характеризуется небольшой степенью разложения и малой плотностью;

- переходимые - смешанного грунтового и атмосферного питания. Торф по свойствам занимает промежуточное положение между низовыми и верховыми болотами.

Болота по своему строению с некоторым допущением можно разделить на три типа:

I тип - болота, до дна заполненные торфом устойчивой консистенции;

II тип - болота, заполненные слабым торфом неустойчивой консистенции (сапропеловые);

III тип - болота с торфяным слоем, плавающим на воде или сапропеле (сплавинные).

Насыпи на болотах в зависимости от типа болота, технической категории автомобильной дороги могут быть возведены:

- без выторфовывания с отсыпкой непосредственно на поверхности болота;

- после полного или частичного выторфовывания;

- с отсыпкой на слое торфа с последующей посадкой насыпи на минеральное дно болота;

- на поверхности болота после устройства дренажных прорезей или вертикальных дрен.

Конструкцию земляного полотна и способ работ выбирают в зависимости от: плотности торфа, глубины болота, технической категории автомобильной дороги, наличия средств механизации с учётом приведённых затрат Эпр.

Эпр = (С1-С2)+(Э1-Э2/Ен)+Нр(Т1-Т2/Т1)+Пр(Т1-Т2)+(S2P2-SlP1)+Ен(Ф1T1-Ф2T2),       (4.2.1)

где С1, С2 - сметные стоимости строительства дороги по первому и второму вариантам;

Э1, Э2 - среднегодовые эксплуатационные затраты по первому и второму вариантам, руб.;

Ен - нормативный коэффициент эффективности;

Нр - условно-постоянные накладные расходы, по первому варианту;

Т1, Т2 - продолжительность строительства по первому и второму вариантам, лет;

Пр - среднегодовая прибыль в транспортной отрасли за счет ввода в действие автомобильной дороги, руб.;

Sl, S2 - величина ущерба от аварийного выхода объекта из строя для первого и второго вариантов, руб.;

P1, Р2 - вероятность аварийных разрушений для первого и второго вариантов за срок службы конструкции;

Ф1, Ф2 - средний размер основных производственных фондов и оборотных средств для первого и второго вариантов.

К основным производственным фондам относят машины, оборудование, промышленные здания, к оборонным средствам - сырьё, топливо, инструменты, запасные части.

Расчет производят на весь нормативный срок работы дороги на всю протяженность перехода через болото.

4.2.2. Возведение земляного полотна на поверхности болота

На поверхности болота I типа глубиной до 4,0 м допускается возведение земляного полотна для автомобильных дорог IV,V технических категорий при соблюдении следующих условий, направленных на повышение устойчивости насыпи. К таким мерам можно отнести: осушение болота; укладка грунта в тело насыпи на конструктивную прослойку из нетканого синтетического материала (НСМ); метод предварительной (опережающей) консолидации; метод временной пригрузки. В северных районах страны опробован метод промораживания болотной массы с сохранением мерзлоты в летний период.

Для повышения устойчивости насыпи, возводимой на поверхности болота, необходимо соблюдать следующее условие:

                                                                                                          (4.2.2)

где - глубина болота под насыпью;

Н - высота насыпи, устраиваемая на слое торфа.

Конструкция поперечного профиля земляного полотна на поверхности болота I типа показана на рис. 4.2.1.

Рис. 4.2.1. Схема конструкции земляного полотна на болоте I типа без выторфовывания

Использование слабых болотных грунтов в качестве основания насыпи резко снижает объёмы земляных работ и, как правило, стоимость возведения земляного полотна. Поэтому данный вариант должен всегда рассматриваться как основной из конкурирующих [1].

Однако его осуществление требует выполнения дополнительных требований к земляному полотну:

- боковое выдавливание слабого грунта в основании насыпи в период эксплуатации должно быть исключено;

- интенсивная часть осадки основания должна завершаться до устройства покрытия (исключение допускается при применении сборных покрытий в условиях двухстадийного строительства);

- упругие колебания насыпей на торфяных основаниях при движении транспортных средств не должны превышать значений, допустимых для данного типа дорожной одежды.

4.2.3. Возведение земляного полотна на болоте с полным или частичным выторфовыванием

Выторфовывание (удаление торфа) на болотах I и II типов можно производить:

- механическим способом;

- взрывным;

- гидромеханическим.

В зависимости от принятого способа выторфовывания до начала основных работ выполняют подготовительные работы (расчистка дорожной полосы от леса, кустарника, устройство подъездов, осушение и др.).

Несущая способность болотных грунтов очень низкая, поэтому для выторфовывания применяют машины специальной болотной модернизации, давление которых на грунт не превышает 20...25 кПа, что также часто превышает допустимую нагрузку

                                                                                                                    (4.2.3)

где s - давление на единицу площади;

Р - масса экскаватора, кг;

- площадь гусеницы экскаватора, см2.

При недостаточной устойчивости экскаватора на поверхности болота под гусеницы укладывают щиты из круглого леса диаметром 16...22 см или работы выполняют в зимний период, когда при достаточной глубине промерзания можно применять не только машины специальной болотной модификации, но и обычные дорожные машины.

Площадь щита, обеспечивающего устойчивость экскаватора на поверхности болота, можно определить по формуле

                                                                                                                    (4.2.4)

где s - несущая способность болотного грунта (14...18 кПа).

Выторфовывание механическим способом можно производить с использованием бульдозеров или экскаваторов. При неглубоких осушенных болотах (до 1 м) или при естественном невысоком уровне воды над минеральным дном выторфовывание производят бульдозером путем послойной разработки торфа перпендикулярно оси дороги. Отвалы торфа располагают по краям выработки. Отсыпку насыпи после удаления торфа производят послойно. Для отсыпки нижней части насыпи используют только дренирующие грунты: песчаные крупные или средней крупности, крупнообломочные или скальные, а также супеси легкие с содержанием глинистых частиц не более 6,0 %. Толщина дренирующего слоя должна быть на 0,5 м больше глубины выторфовывания и осадки основания.

При выторфовывании экскаватором-драглайном возможны два способа разработки торфа: экскаватор перемещается непосредственно по поверхности болота или по переносным щитам и производит работу "на себя" (рис. 4.2.2, а); экскаватор перемещается по отсыпаемой насыпи и работает "от себя" (рис. 4.2.2, б).

Рис. 4.2.2. Схема организации работ при выторфовывании:
а - экскаватор перемещается по поверхности болота; б - экскаватор перемещается по отсыпаемой насыпи;
1 - разработка торфа экскаватором; 2 - подвозка грунта автомобилями-самосвалами; 3 - послойное разравнивание грунта бульдозером; 4 - надвижка грунта в траншею бульдозером; 5 - разравнивание торфа, вынутого из траншеи бульдозером. Римскими цифрами обозначен порядок разработки захваток

Второй способ применяют, когда несущая способность торфа недостаточна для безопасной работы техники. Торф вывозят автомобилями- самосвалами или складывают в отвалы. Одновременно с разработкой траншей для насыпи тем же экскаватором роют боковые канавы.

Траншею, образующуюся после выторфовывания немедленно засыпают грунтом, так как откосы ее оплывают и незаполненная грунтом траншея заполняется водой или жидкой болотной массой.

Отсыпку земляного полотна вначале ведут способом "с головы" до уровня выше поверхности болота на 50...60 см. Остальную часть насыпи отсыпают послойно.

Для уплотнения нижней части насыпи применяют метод временной пригрузки, механическое уплотнение трамбующими плитами и глубинное виброуплотнение. Грунт верхней части насыпи уплотняют послойно катками. Схемы организации работ при выторфовывании экскаваторами показана на рис. 4.2.2.

Выторфовывание взрывным способом эффективно, и его применяют во всех случаях, когда позволяют условия обеспечения безопасности. Взрывами можно производить полное или частичное удаление торфа, рыхление торфа (разрушение структуры), устройство торфоприемников, канав, выравнивание минерального дна или устройство упорных канав при уклоне дна болота для предотвращения скольжения насыпи.

Глубину выторфовывания взрывным способом на болотах I типа назначают в зависимости от высоты насыпи, но не менее указанной в табл. 4.2.1.

Таблица 4.2.1

Минимальная глубина выторфовывания

Высота насыпи над поверхностью болота, м

Глубина выторфовывания, м

От 1,2 до 1,5

2,0

Св. 1,5 до 2,0

1,5

Св. 2,0 до 2,5

1,0

На болотах II и III типов производят полное выторфовывание. Его можно осуществлять продольными или поперечными траншеями. При удалении торфа продольными траншеями по оси трассы устраивают ряд буровых скважин, в которые закладывают заряды и одновременно взрывают. Образовавшуюся траншею немедленно засыпают грунтом. Затем взрывают направленными зарядами две боковые траншеи. Скважины для удаления торфа взрывом из боковых траншей закладывают под углом a = 50°. Осевую траншею засыпают выше уровня болот на 0,5...1,0 м. Способ продольных траншей применяют при использовании узкоколейного железнодорожного транспорта (рис. 4.2.3.)

Рис. 4.2.3. Схема выторфовывания продольными траншеями:
а - последовательность выторфовывания взрывом:
I - осевая, II - боковая траншея;
б - схема размещения заряда при взрыве боковых траншей

Способ поперечных траншей применяют, когда проезд по болоту невозможен или затруднителен. Для образования поперечных траншей в толще торфа пробуривают ряд наклонных скважин, образующих клин (рис. 4.2.4).

Рис. 4.2.4. Схема выторфовывания поперечными траншеями

Заряды размещают в наклонных удлиненных скважинах под углом 50° к горизонту.

Середину болота, протяжённостью около 20 м, где накапливается много торфа при взрыве, выторфовывают по способу продольных траншей или механическим путём.

Величину зарядов и их размещение производят в следующей последовательности:

1. Определяют глубину заложения заряда W по формуле

W = 0,9H,                                                                                                                    (4.2.5)

где Н - глубина выторфовывания, м.

2. Рассчитывают длину скважин L, м

                                                                                                                    (4.2.6)

3. Определяют показатель выброса при взрывании поперечных и продольных траншей

                                                                                                           (4.2.7)

                                                                                                                  (4.2.8)

где ппоп, ппр - показатель выброса при взрыве поперечных и продольных траншей;

bпоп, bпр - ширина поперечной и продольной траншеи, м.

4. Рассчитывают массу заряда

Q = gw3f(n),                                                                                                                 (4.2.9)

где g - расчетный удельный расход ВВ, зависящий от зольности торфа (табл. 4.2.2), кг/м3;

f(n) - функция, зависящая от показателя выброса п (табл. 4.2.3).

Таблица 4.2.2

Удельный расход ВВ

Удельный расход ВВ, кг/м

% зольности торфа

0,68

20

0,72

40

0,83

60

0,95

70

Таблица 4.2.3

Значение f(n)

Показатель выброса п

Функция, зависящая от n, f(n)

1,0

1,5

2,0

2,5

1,0

1,2

2,1

3,6

5. Устанавливают длину заряда l

l = 0,75L,                                                                                                                     (4.2.10)

где L - длина скважины в дм.

6. Определяют диаметр заряда d

                                                                                                                   (4.2.11)

где Q - масса заряда, кг,

l - длина заряда, дм;

D - плотность заряда ВВ кг/дм3 .

7. Определяют расстояние между скважинами в ряду и между рядами:

- при взрывании поперечных и боковых продольных траншей

                                                                                                        (4.2.12)

- при взрывании продольной осевой траншеи

                                                                                                                (4.2.13)

Способ гидромеханизации эффективен при сооружении земляного полотна в следующих случаях, а именно:

- достаточно больших объемах работ, сосредоточенных на небольшом участке дороги;

- наличия достаточного объема воды и дешевой электроэнергии.

Сущность работ состоит в размыве торфа мощной струей воды, истекающей из гидромонитора. В результате чего образуется рыхлая жидкая масса, которая легко отжимается грунтом возводимой насыпи.

На болотах I типа торф размывают гидромонитором, гидросмесь перекачивают передвижными землесосными установками в отвал. Образовавшуюся траншею заполняют грунтом насыпи при отсыпке ее "с головы" или комбинированным способом.

На болотах II и III типов производят только размыв верхнего плотного слоя торфа гидромониторами. Разжиженный торф не удаляют, а отжимают грунтом насыпи в боковые прорези, сделанные также гидромониторами. Транспорт грунта для отсыпки насыпи можно осуществлять путем инъекции песчаного грунта, подаваемого по пульпопроводу непосредственно в разжиженную торфяную массу, где песок выдавливает разжиженный торф.

4.2.4. Возведение земляного полотна на поверхности болота после устройства дренажных прорезей или дрен

С целью уменьшения объёмов работ по выторфовыванию, и особенно, уменьшению транспортных расходов по транспортировке грунта на болотах I и II строительных типов и глубиной до 3,0 м устраивают прорези-траншеи, которые впоследствии заполняют песком. При большей глубине применяют конструкцию с вертикальными дренами.

Прорези разрабатывают одноковшовыми или многоковшовыми экскаваторами с ходовой частью болотной модификации. Технология работ включает: разработку прорезей экскаватором; доставку дренирующего грунта (песка) к месту укладки; перемещение песка и засыпку прорезей с помощью бульдозера; послойную отсыпку насыпи до проектной высоты.

Разработку прорезей экскаватором производят "на себя", переходя с одной траншеи на другую. Заполнение траншей ведут одновременно с возведением первого слоя насыпи. Схема производства работ по строительству земляного полотна с дренажными прорезями показана на рис. 4.2.5.

Рис. 4.2.5. Технология устройства земляного полотна с дренажными прорезями:
1 - устройство прорезей многоковшовым экскаватором; 2 - заполнение прорезей и послойное разравнивание грунта в насыпи бульдозером; 3 - подвозка грунта автомобилями-самосвалами; I - V - порядок устройства прорезей

При устройстве вертикального дренажа на поверхности болота отсыпают песчаный слой толщиной более 30 см. Затем через каждые 3...4 м устраивают дрены в шахматном порядке, которые засыпают сухим песком. Если при отсутствии вертикальных дрен путь воды отжимаемой насыпью составляет 8...10 м, то при устройстве дрен он сокращается до 1,5...2,0 м. Следовательно, время стабилизации осадки насыпи сокращается в 25...30 раз.

Вертикальные дрены можно устраивать различными способами: забивкой специального рабочего органа (пуансона), а затем засыпкой образовавшейся скважины песком; забивкой или вибропогружением специальной обсадной грубы, которую заполняют песком, а затем извлекают, оставляя столб из песка в болотной массе; гидробурением скважины с последующей засыпкой её песком; погружение картонных фитилей или лент из геотекстиля.

Погружение лент и фитилей осуществляют с использованием специального оборудования. Рабочий орган, имеющий прямоугольное сечение (или круглое малого диаметра), имеет внутреннюю полость, куда помещается дренирующая лента. Болотная масса пробивается рабочим органом, а при его извлечении дренирующая лента остаётся в болотной массе.

На рис. 4.2.6 показана схема возведения земляного полотна с вертикальными дренами. Диаметр дрен составляет 30...40 см. Глубина от 3,0 до 10,0 м. Производительность установки достигает 50...30 дрен в смену.

Рис. 4.2.6. Технологическая схема возведения земляного полотна с применением вертикальных дрен:
1 - надвижка бульдозером рабочего слоя; 2 - устройство дрен с загрузкой песком; 3 - наращивание земляного полотна до проектной отметки и устройство временной пригрузки; 4 - контроль осадки; 5 - снятие пригрузочного слоя; 6 - доуплотнение земляного полотна; 7 - устройство дорожной одежды

При сооружении вертикальных дрен путем продавливания торфа происходит его уплотнение вокруг скважины, что ухудшает фильтрацию воды.

Применение гидробурения устраняет этот недостаток, кроме того, этот способ считают более экономичным. Оборудование для гидробурения, состоящее из гидробура, в который подают воду под давлением 0,3...0,5 МПа, и обсадной трубы, по которой выводят гидросмесь, монтируют на кране или экскаваторе со стрелой драглайна, а также на тракторе со специальным обустройством.

Песчаный материал, используемый для заполнения дрен и прорезей, должен обладать высокой водопроницаемостью: коэффициент фильтрации песка для заполнения прорезей должен быть не менее 3,0, а дрен - более 6,0 м/сут.

4.3. Возведение земляного полотна в зимних условиях

Ритмичность сооружения земляного полотна в течение года - одно из непременных условий успешной производственной деятельности любой дорожно-строительной организации. Объемы строительно-монтажных работ, выполняемые в I квартале, увеличились и составляют более 15 % от годового задания. Значительно увеличились объемы работ, выполняемые в IV квартале. Рост объема выполнения земляных работ в зимних условиях играет положительную роль. Однако важно в каждом отдельном случае установить слагаемые этого успеха и определить пути, которые ведут к повышению эффективности работы в зимних условиях.

Проблема преодоления сезонности дорожного строительства сложна и многообразна. Она охватывает все стороны деятельности проектных, научных и производственных организаций, требует решения неотложных текущих задач и коренных проблем в части повышения качества землеройной техники. Продление строительного сезона создает благоприятные условия для повышения темпов дорожного строительства, способствует закреплению постоянных кадров, позволяет в течение года равномерно использовать технику и в конечном итоге ведет к снижению стоимости строительства.

В руководстве по сооружению земляного полотна автомобильных дорог [15] рекомендовано в зимний период выполнять следующие работы: возведение насыпей из крупнообломочных и песчаных грунтов, разработку выемок и резервов в необводненных песках, гравийно-галечных и скальных грунтах; возведение насыпей из глинистых грунтов при влажности близкой к оптимальной, на устойчивых основаниях; разработку в непереувлажненных глинистых грунтах выемок глубиной более 3 м; устройство насыпей на болотах; выторфовывание.

Технологические схемы производства работ в зимних условиях в значительной степени имеют региональный характер [40]. Их построение зависит от абсолютных значений отрицательных температур, длительности морозного периода, глубин промерзания грунта и других климатических условий. Большое значение имеют применяемые грунты, материалы, конструкции дорожных одежд, имеющиеся машины и оборудование. Все эти особенности следует учитывать при проектирование работ на стадии составления проектов организации строительства и производства работ. Здесь же необходимо решить следующие вопросы:

1. Определить виды и объемы работ для выполнения их в зимнее время.

2. Выбрать участки производства этих работ.

3. Провести технологические расчеты, подтверждающие возможность производства данных работ в конкретных зимних условиях.

4. Выполнить привязку типовых технологических схем производства работ к местным климатическим условиям,

5. Обосновать экономическую целесообразность производства в зимнее время намеченных видов и объемов работ.

4.3.1. Правила производства земляных работ в зимних условиях

Для успешного выполнения земляных работ в зимний период необходимо до наступления холодов выполнить следующие работы:

1) построить вспомогательные помещения;

2) подготовить подъездные дороги;

3) произвести снятие плодородного слоя почвы с основания насыпи;

4) обеспечить водоотвод;

5) заготовить необходимые материалы и оборудование;

6) подготовить к зимней эксплуатации технику;

7) предохранить грунты от промерзания. Минимальный объем сосредоточенных земляных работ, меньше которого неэкономично вести работы в зимних условиях, составляет более 50 тыс. м3. В первую очередь, исходя из этих условий, и необходимо планировать и производить земляные работы в зимний период.

При возведении насыпей в зимний период не допускаются к укладке без предварительного измельчения мерзлые комья грунта размером более 30 см при уплотнении трамбующими машинами и 20 см при уплотнении грунтов катками массой более 25 т. Укладку комьев мерзлого грунта допускают на расстоянии более 1,0 м от поверхности откосов насыпи. Количество мерзлого грунта не должно превышать 70 % общего объема грунта, укладываемого в насыпь [16, 17, 41].

Мерзлый грунт должен быть равномерно распределен по отсыпаемому слою, нельзя допускать скопление мерзлых комьев в теле насыпи и особенно снега или льда.

Влажность плохо дренирующих грунтов не должна превышать величину

                                                                                                           (4.3.1)

где Wp - нижний предел пластичности;

Мp - число пластичности.

Для дорог с усовершенствованными типами покрытий верхнюю часть насыпи на высоту не менее 1,0 м следует возводить из талого грунта с послойной отсыпкой и уплотнением, как правило, в летнее время года [15]. В табл. 4.3.1; 4.3.2 приведены основные технические требования к возведению земляного полотна автомобильных дорог в зимнее время.

Таблица 4.3.1

Допустимая высота земляного полотна в зависимости от температуры воздуха

Средняя температура воздуха за период производства работ, °С

Высота насыпи, м

-5

-10

-15

-20

Не ограничивается

4,5

3,5

2,5

Таблица 4.3.2

Запас на осадку для неуплотняемых насыпей из мерзлого грунта, % от высоты земляного полотна

Виды грунта

Запас на осадку при содержании мерзлого грунта, % от общего объема насыпи

10...20

20...40

40...50

50...60

Песчаный

Супесчаный

Глинистый

6

10

16

8

14

20

10

17

24

12

20

28

Для обеспечения необходимого уплотнения грунта до его смерзания промежуток времени от выемки грунта в карьере до момента окончания его уплотнения в насыпи не должен превышать;

2...3 ч при температуре воздуха до -10°С;

1...2 ч при температуре воздуха от -10 до -20°С;

1 ч при температуре воздуха ниже -20°С.

При скорости ветра 15...20 м/с эти промежутки времени должны быть уменьшены в 2 раза. При расчете предельной дальности возки грунта необходимо учитывать время начала смерзания вынутого из забоя влажного грунта в зависимости от температуры наружного воздуха (табл. 4.3.3).

Таблица 4.3.3

Время начала смерзания вынутого из забоя влажного грунта

Температура наружного воздуха, С

Время начала смерзания грунта, мин

-5

90

-10

60

-20

40

-30 и ниже

20

В соответствии с этим заблаговременно определяют участки возведения земляного полотна в зимний период, состав дорожно-строительного отряда, скорость потока и другие параметры [4, 42, 43].

Разработка грунтов в зимнее время осложняется их промерзанием и резким повышением сопротивляемости резанию, что влечет за собой удорожание работ, а зачастую и невозможность их разработки имеющимся парком машин. В связи с этим грунты, подлежащие разработке в зимний период, должны быть соответствующим образом подготовлены. Подготовка грунтов может быть произведена одним из трех способов: предохранением грунтов от промерзания, рыхлением или их оттаиванием.

4.3.2. Предохранение грунтов от промерзания

Предохранение грунтов от промерзания является наиболее экономичным видом подготовки грунтов к разработке в первой половине зимы [18, 40, 41, 44].

Мероприятия по предохранению грунтов от промерзания могут быть сведены к следующим трем группам:

1. Предварительная механическая обработка поверхности грунта.

2. Укрытия поверхности грунта разного рода утеплителями.

3. Специальные предохранительные мероприятия.

Уменьшение глубины промерзания грунта в резервах или полное устранение промерзания повышает производительность землеройных машин. Предварительная механическая обработка поверхности грунта(вспахивание, боронование с последующим снегозадержанием) в качестве мер предохранения грунтов от промерзания может быть применена во II дорожно-климатической зоне при разработке грунтов до 01...19 декабря, а в I дорожно-климатической зоне не позднее 20...25 ноября.

Вспашку поверхности карьера производят осенью до промерзания грунта на глубину до 40 см с последующим боронованием верхнего слоя. В результате разрыхления грунта резко увеличивается объем пор, которые уменьшают теплопроводность грунта. Теплоизолирующие свойства вспаханного грунта увеличиваются, если он будет покрыт снегом. Для увеличения снежного покрова производят снегозадержание с помощью валов снега или путем установки снегозадерживающих щитов размером 1,5´2,0 м с просветами площадью 35...50 % от общей площади щита. Ряды щитов или валов снега располагают поперек направления господствующих ветров на расстоянии 10...15-кратной высоты щитов или снежных валов.

Эффективность предохранения грунта от промерзания вспашкой, боронованием и снегозадержанием в районе г. Хабаровска приведена в табл. 4.3.4.

Таблица 4.3.4

Глубина промерзания грунта при вспашке, бороновании, снегозадержании

Способ уплотнения

Глубина промерзания грунта, см

на 1,12

на 1,01

на 1,02

на 1,03

Без утепления при снятом растительном слое

70

180

230

240

Вспашка на глубину 40 см

50

120

170

190

Вспашка на глубину 40 см и боронование

35

105

155

180

Вспашка, боронование и снегозадержание (слой снега 50 см)

20

70

110

130

Часть вспаханного и разрыхленного грунта, покрытого слоем снега, все же промерзает. Глубину промерзания в этом случае определяют по формуле

Н = А(4Р - Р2),                                                                                                            (4.3.2)

где А - коэффициент, учитывающий способ утепления (табл. 4.3.5);

                                                                                                                  (4.3.3)

где Т - отрицательная среднемесячная температура;

N - количество дней с отрицательной температурой для рассчитываемого периода зимы.

Таблица 4.3.5

Значение коэффициента А (по данным [41])

Способ уплотнения поверхности грунта

Значение А при Р, равном:

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,0

1,5

2,0

Вспашка на глубину 25 см и боронование

15

17

20

24

28

30

30

30

Засыпка разрыхленного грунта слоем снега не менее 0,5 м

35

34

41

47

55

59

60

60

Пример. Определить глубину промерзания суглинка в районе г. Хабаровска на 1.01 при условии, что дневная поверхность грунта будет вспахана на глубину 25 см и заборонована. Средняя температура в ноябре -7°С; в декабре - 18°С. Промерзание грунта начинается с 1 ноября.

Вначале определяем величину Р по формуле (4.3.3).

По табл. 4.3.5 находим величину А = 26, соответственно найденному значению Р. По формуле (4.3.2) определяем глубину промерзания грунта при вспаханной и заборонованной поверхности

Н = 28(4·0,8 - 0,82) = 67 см

Влияние слоя снега на глубину промерзания приближенно определяют по формуле

Н = 60(4Р - Р2)Ку - B·hсн ,                                                                                          (4.3.4)

где Ку - коэффициент, принимаемый при утеплении глинистого грунта равным 1,5, супесчаного и суглинистого - 2,0 песчаного - 2,5;

В - коэффициент сравнительной теплопроводности снега: для рыхлого снега В = 3,0, для слежавшегося и насыпного В = 2,0, для подтаявшего В = 1,5;

hсн - средняя высота снежного покрова, см.

Способ предохранения грунтов от промерзания глубоким рыхлением до 1,5 м применяется при обеспеченном водоотводе и низком уровне грунтовых вод. Глубокое рыхление осуществляют экскаватором, оборудованным прямой лопатой, путем перелопачивания грунта поздней осенью. Образующаяся при этом волнистая поверхность задерживает снег, который в свою очередь еще в большей степени способствует предохранению грунта от промерзания. Глубина промерзания разрыхленного слоя на 0,6...1,0 м меньше глубины промерзания грунта в естественном состоянии. Разрыхленный мерзлый верхний слой грунта сравнительно легко разрабатывается экскаватором с ковшом емкостью более 1,0 м3. Данный способ оправдывает себя при предохранении от промерзания глинистых и малосвязных грунтов.

Одним из способов, снижающих стоимость производства земляных работ в зимних условиях, является утепление поверхности грунта теплоизоляционными материалами (опилки, солома, листва, шлак, торф и др.).

В качестве утеплителей принимают материалы с малой теплопроводностью. Толщина слоя утепления зависит от его теплоизоляционных свойств, климатических условий, влажности грунта, температуры грунта в момент утепления и времени разработки резерва.

Существуют различные формулы расчета толщины утепляющих слоев. Все они являются в значительной степени приближенными, так как заранее учесть изменение климатических факторов на строительной площадке в течение зимы весьма трудно. В частности, можно использовать следующую приближенную формулу [16]

                                                                                               (4.3.5)

где hyт - толщина утепляющего слоя, м;

hh - расчетная глубина промерзания грунта, определяемая на день окончания разработки грунтового карьера зимой, м;

- толщина снежного покрова, м;

Кс - коэффициент теплоизоляционных свойств снега;

hg - допустимая глубина промерзания грунта, зависящая от способа разработки;

Кут -коэффициент теплоизоляционных свойств утепляющего материала (табл. 4.3.6);

h - коэффициент, учитывающий повышение теплопроводности и снижение теплоизоляционных качеств при уплотнении материалов утепляющего слоя под действием транспортных средств и сил тяжести (h » 1,3).

Таблица 4.3.6

Приближенные значения коэффициента теплоизоляционных свойств утепляющего материала Кут

Утепляющий материал

Грунт

песчаный

супесчаный

суглинистый

глинистый

Листва

3,3

3,1

2,7

2,2

Стружка древесная

3,2

3,1

2,8

2,1

Опилки древесные, мох болотный, торф мелкий

2,8

2,7

2,3

1,9

Котельный шлак:

 

 

 

 

- сухой

- влажный

2,0

1,6

1,9

1,6

1,6

1,3

1,3

1,1

Снег

2,5

2,0

2,0

1,5

Солома обычная

2,5

2,4

2,0

1,6

Для определения глубины промерзания грунта используют климатические справочники или формулу проф. А.Н. Будникова [31]. Во втором случае в формуле (4.3.5) второй член в числителе не учитывают

                                                                                             (4.3.6)

где lм - коэффициент теплопроводности мерзлого грунта (табл. 4.3.7);

tcp- средняя из среднемесячных температура воздуха зимой за период Т;

Т - число дней с отрицательной температурой воздуха с начала зимы до момента окончания разработки карьера;

С - коэффициент уменьшения глубины промерзания в зависимости от толщины снега (табл. 4.3.8).

Таблица 4.3.7

Теплофизические показатели грунтов

Грунт

Влажность, % по массе

Плотность,

кг/м3

Коэффициент теплопроводности грунта, Вт/(м·к)

мерзлого lм

талого lт

Глинистый

18

1300

1,08

0,85

27

1250

1,48

1,05

27

1350

1,68

1,20

40

1200

1,83

1,29

40

1300

2,03

1,43

40

1350

2,25

1,58

40

1450

2,44

1,72

Дренирующий

15

1200

1,23

0,89

15

1300

1,45

1,03

20

1250

1,55

1,08

20

1350

1,77

1,23

20

1400

2,05

1,28

25

1300

1,90

1,40

25

1350

2,20

1,46

Таблица 4.3.8

Значение коэффициента уменьшения глубины промерзания С, от толщины слоя снега

Средняя толщина слоя снега, см

Коэффициент С

10

0,5

20

0,4

25

0,35

40

0,3

Толщина снежного покрова, среднемесячные температуры и число дней с отрицательными температурами для крупных населенных пунктов дальневосточного региона приведены в табл. 4.3.9.

Таблица  4.3.9

Метеорологические данные  по  ряду географических  пунктов

Географический пункт

Показатель

Месяц

I

II

III

IV

V

IX

X

XI

XII

Владивосток

средняя толщина снега, см

11

7

4

0

0

0

0

4

8

среднемесячная температура воздуха. °С

-14,4

-10,9

-3,60

4,1

9,0

15,9

8,8

-1,3

-10,3

число дней с отрицательной температурой воздуха

31

28

24

2

0

0

0

17

30

Хабаровск

средняя толщина снега, см

10

10

4

0

0

0

0

5

10

среднемесячная температура воздуха. °С

-22,3

-17,2

-8,5

3,1

11,1

13,9

4,7

-8,1

-18,5

число дней с отрицательной температурой воздуха

31

28

29

7

0

0

5

28

31

Благовещенск

средняя толщина снега, см

14

13

6

0

0

0

7

13

14

среднемесячная температура воздуха. °С

-24,3

-18,6

-9,4

2,6

10,9

12,2

2,1

-11,5

-21,8

число дней с отрицательной температурой воздуха

31

28

31

24

3

1

21

30

31

Тында

средняя толщина снега, см

31

33

30

20

0

0

10

24

29

среднемесячная температура воздуха. °С

-31,7

-25,9

-16,2

-3,8

6,0

6,3

-5,7

-21,5

-30,2

число дней с отрицательной температурой воздуха

31

28

30

20

1

1

20

30

31

Магадан

средняя толщина снега, см

33

33

33

28

0

0

11

26

30

среднемесячная температура воздуха. °С

-21,0

-19,8

-15,2

-6,2

2,8

6,5

-4,3

-13,4

-18,3

число дней с отрицательной температурой воздуха

31

28

31

20

2

0

12

29

31

Анадырь

средняя толщина снега, см

18

18

19

15

4

0

11

14

15

среднемесячная температура воздуха. °С

-20,8

-21,9

-20,6

-13,7

-2,9

4,1

-5,2

-13,5

-19,5

число дней с отрицательной температурой воздуха

31

28

31

27

12

0

20

28

31

Южно-Сахалинск

средняя толщина снега, см

37

38

37

23

0

0

0

10

24

среднемесячная температура воздуха. °С

-13,8

-12,3

-7,0

1,2

6,2

13,0

6,0

-2,2

-9,1

число дней с отрицательной температурой воздуха

31

28

31

13

1

0

1

20

31

Оха

средняя толщина снега, см

35

36

43

31

6

0

3

18

28

среднемесячная температура воздуха. °С

-19,9

-18,0

-12,8

-4,2

0

10,3

2,6

-6,4

-14,9

число дней с отрицательной температурой воздуха

31

28

31

18

2

-

2

22

31

Петропавловск-Камчатский

средняя толщина снега, см

72

82

71

27

0

0

0

27

60

среднемесячная температура воздуха. °С

-8,4

-8,5

-5,4

-0,6

3,8

10,2

4,8

-1,7

-6,0

число дней с отрицательной температурой воздуха

31

28

31

24

4

0

2

22

30

Мильково

средняя толщина снега, см

82

91

94

66

12

0

7

28

55

среднемесячная температура воздуха. °С

-21,4

-18,3

-12,5

-2,8

5,0

7,6

0,2

-10,8

-18,6

число дней с отрицательной температурой воздуха

31

28

31

22

1

0

15

29

31

При отсутствии утеплителя из естественных материалов в последние годы стали использовать в качестве утеплителя сборный пенопласт, стекловату, быстротвердеющую пену БТП и др. Для устранения процесса диффузии и обеспечения поверхностного стока эти материалы необходимо прикрывать полиэтиленовой пленкой.

Технология утепления полимерными смолами (полиуретановыми, карбамидными) заключается в том, что до наступления морозов по грунту разливают быстротвердеющую смесь, состоящую из 35 % мочевино-формальдегидной смолы (крепитель М), 4 % пенообразователя (ПО-1), 16 % технической соляной кислоты (5 % концентрации) и 45 % воды. Расход компонентов из расчета на 1000 м2 поверхности при толщине слоя пены 10 см составляет:

1,92 т - мочевино-формальдегидной смолы (крепитель М);

0,22 т - пенообразователь (ПО - 1);

0,11 т - соляная кислота (35 % концентрации);

2,47 м3 - вода.

Крепитель М представляет собой однородную жидкость (раствор мочевино-формальдегидной смолы, стабилизированный аммиаком), которую получают конденсацией мочевины с формальдегидом в присутствии уротропина. Пенообразователь ПО-1 - обезмасленная осветленная сульфокислота, нейтрализованная едким натрием. Соляная кислота, как правило, поступает на объект 33 % концентрации. Пену БТП готовят в установке. Модификацией быстротвердеющей пены является пенолед. Необходимая толщина теплоизоляции к концу зимы при глубине промерзания грунта до 3,0 м составляет из БТП -30 см, пенольда - 50 см.

Эффективность утепления грунтов повышается при укладке утепляющих слоев до наступления отрицательных температур. Чем выше температура грунта в момент утепления, тем длительнее будет процесс его остывания. Обращает на себя внимания химический способ предохранения грунта от промерзания [44, 46, 48]. Сущность его в том, что поверхность грунта обрабатывается сухой солью или раствором. Рекомендуют применять сухой реагент, а в случае обработки слабодренирующих грунтов - водный раствор (табл. 4.3.10).

Таблица 4.3.10

Расход соли (технический хлористый натрий) на 1 м2 площади

Влажность, %

Расход соли при глубине промерзания, м

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,4

Сухая соль, кг

15

5

9

12

15

19

22

26

28

20

7

3

17

20

36

32

33

38

25

10

16

22

27

32

36

41

45

23%-й раствор соли, л

15

21

30

40

47

58

70

-

-

20

34

42

50

70

85

100

-

-

25

35

45

65

80

100

-

-

-

Наиболее дешевым реагентом является технический хлористый натрий, 23-процентный раствор соли замерзает только при - 23...-25°С и грунт, обработанный солью, сохраняется в талом состоянии в течение всей зимы, не примерзает к рабочим органам землеройных машин и кузовам транспортных средств, хорошо поддается уплотнению. Этот способ пригоден при любой глубине промерзания.

4.3.3. Рыхление мерзлых грунтов

Многолетний опыт сооружения земляного полотна в зимний период показывает, что землеройными машинами без предварительного рыхления можно разрабатывать в начале зимы корку мерзлого грунта в соответствие с рекомендациями табл. 4.3.11.

Таблица 4.3.11

Возможная толщина разрыхления мерзлого грунта землеройными машинами

Землеройные машины

Глубина рыхления, см

Скреперы прицепные, полуприцепные с ковшом емкостью до 6,0 м3, автогрейдеры легкие и средние

5...10

Скреперы с ковшом емкостью более 6,0 м3, автогрейдеры тяжелые

10...20

Рыхлители навесные, бульдозеры на тракторе Т-100

20...30

Рыхлители на ДЭТ-250

30...45

Экскаваторы с ковшом емкостью более 1,0 м3

35...45

Бульдозеры с навесным рыхлителем на тракторе Т-330

50...70

Экскаваторы     ЭО-4121     с    навесным     рабочим     органом     (клык-рыхлителем)

100...120

Экскаваторы ЭО-10011, ЭО-1252 с ковшом активного действия

100...140

Баровые машины (используют для нарезки блоков в мерзлом грунте)

120...250

Разрабатываемую поверхность карьера или выемки очищают от снега, льда не более чем на одну смену вперед. Работа в забое должна вестись круглосуточно и непрерывно во избежание промерзания грунта. Рыхление ведут на захватке, равной шириной забоя, с учетом призмы обрушения у экскаваторных забоев. Длину захватки определяют с учетом часовой производительности рыхлителей и температуры воздуха.

Рыхление взрывом экономически оправдано при глубине промерзания более 1,5 м. При этом удельный расход взрывных веществ на 1,0 м3 грунта в 7...10 раз меньше, чем при глубине промерзания до 0,5 м. В зависимости от глубины промерзания взрывные работы производят методом шпуровых зарядов при глубине промерзания до 2,0 м, а более 2,0 м методом скважинных зарядов.

Величину заряда определяют по формуле

Q = g·w3, кг                                                                                                                 (4.3.7)

где w3 -расчетная линия сопротивления, равна глубине промерзания, м;

g - удельный расход взрывных веществ, кг/м3.

Для глинистых грунтов (аммонит N 9) g = 0,8...1,0, кг/м3, для растительных и песчаных - g = 0,4...0,6, кг/м3. Более точно массу заряда определяют пробными взрывами. При температуре воздуха ниже - 20°С взрывные работы должны производиться каждую смену. Расстояние между зарядами в ряду зависит от глубины промерзания, диаметра шпуров или скважин (табл. 4.3.12).

Таблица 4.3.12

Расстояние между зарядами в ряду

Диаметр шпура

или скважины,

мм

Глубина промерзания Н, м

1,0

1,5

2,0

3,0

Расстояние между зарядами L, м

Шпуры:

 

 

 

 

45...50

60...70

1,55Н

-

Н

0,95Н

-

0,75Н

-

-

Скважины:

90... 100

 

-

 

-

 

0,8Н

 

0,6Н

Расстояние между рядами зарядов равно

a = (0,85...0,90)L                                                                                                         (4.3.8)

Скважины и шпуры располагают в шахматном порядке. Готовые шпуры и скважины до размещения заряда закрывают деревянными пробками длиной 25 см.

Для бурения шпуров и скважин применяют буровые машины БТС-60, БТС-М и др. Разработку взорванного грунта ведут двумя захватками: на первой производят расчистку поверхности грунта от снега, бурят шпуры или скважины и подготавливают их к взрыванию; на второй - разрабатывают ранее взорванный грунт и грузят в транспортные средства. Грунт разрабатывают лобовым забоем максимальной высоты с целью увеличения объема талого грунта. Крупные мерзлые глыбы дробят накладками или шпуровыми зарядами. Величину захватки устанавливают в зависимости от сменной выработки экскаватора.

4.3.4. Оттаивание мерзлых грунтов

Подготовку мерзлых грунтов к разработке можно производить оттаиванием [8, 14, 19, 20].

Различают четыре основных метода оттаивания:

1. Поверхностное оттаивание. При этом методе тепловой поток распространяется сверху вниз. Такое оттаивание осуществляется дымовыми газами и электронагревателями, расположенными на поверхности.

2. Радиальное оттаивание - тепловой поток распространяется в горизонтальном направлении, по радиусу нагревателя, заглубленного на 3/4 толщины мерзлого слоя.

3. Глубинное оттаивание - тепловой поток распространяется от нагревателя, расположенного ниже мерзлого слоя, к поверхности.

4. Комбинированное оттаивание - тепловой поток распространяется сверху вниз и в горизонтальном направлении.

Из вышеперечисленных способов оттаивания грунта самым эффективным способом является электрооттаивание мерзлого грунта глубинными электродами при наличии дешевой электроэнергии.

При наличии дешевой электроэнергии для оттаивания грунтов могут быть применены горизонтальные электроды или вертикальные глубинные электроды. Горизонтальные электроды изготовляют из полосовой стали 50´5 мм длиной 2...3 м. В качестве вертикальных электродов применяют круглую арматурную сталь диаметром 12...20 мм и длиной 1,5...2,0 м. Горизонтальные электроды укладывают на очищенную от снега поверхность и засыпают слоем утрамбованных опилок, смоченных 1...2 % раствором поваренной соли. Вертикальные поверхностные электроды забивают в слой опилок толщиной 20...25 см, обработанных солью. Вертикальные глубинные электроды забивают на расстоянии 0,4...0,7 м друг от друга на всю толщину мерзлого грунта так, чтобы на 8...10 см электроды вошли в незамерзший грунт. Сущность электрооттаивания грунта заключается в том, что при замыкании электрической цепи ток проходит по слою опилок или талому грунту (мерзлый грунт не пропускает электрический ток), выделяемое тепло будет оттаивать мерзлый грунт, который по мере оттаивания становится проводником электричества и сам начинает выделять тепло. Расход электроэнергии на оттаивание 1,0 м3 грунта в северо-восточных районах страны составляет от 35 кВт/ч при использовании вертикальных глубинных электродов до 85 кВт/ч при применении поверхностных электродов. Продолжительность электрооттаивания грунта при глубине промерзания 2,0 м составляет от 17 до 28 ч.

Способ оттаивания очень энергоемок. В практике дорожного строительства подготовку резервов оттаиванием осуществляют лишь в исключительных случаях при малых объемах грунта, при производстве работ в населенных пунктах, в непосредственной близости к трубопроводам, кабелям и другим подземным коммуникациям, когда нельзя рыхлить грунты механическим и взрывным способами. Применение данного способа возможно только при технико-экономическом обосновании.

4.3.5. Технико-экономическое обоснование способа подготовки грунта к разработке в зимнее время

Рассмотренные выше способы подготовки к разработке грунтов в зимнее время весьма разнообразны.

При выборе способа подготовки грунтов к разработке в зимний период необходимо руководствоваться соображениями экономии, оперативности и надежности. Технология должна быть проста и базироваться на использовании широко распространяемых материалов или машин, имеющихся в распоряжении строительной организации.

Все перечисленные выше способы предохранения грунта от промерзания, имея те или иные положительные или отрицательные стороны, обладают одним неоспоримым преимуществом - позволяют работать только с талым грунтом.

При химическом способе предохранения грунта от промерзания достигается двойной эффект - предохраняется грунт от промерзания и улучшаются условия более качественного уплотнения земляного полотна автомобильной дороги.

Все методы разработки мерзлых грунтов в зимнее время имеют два существенных недостатка - нарушается баланс земляных масс и может снизиться качество работ из-за наличия комьев мерзлого грунта. Большинство машин, предназначенных для рыхления мерзлых грунтов, можно использовать только в зимний период, что приводит к низким показателям по фондоотдаче. Машины рыхлят мерзлый грунт крупными кусками, делая невозможным его использование при возведении насыпи.

Оттаивание грунта, как уже указывалось, требует значительных энергетических и трудовых затрат.

При проведении технико-экономического обоснования способа подготовки грунта к разработке и зимнее время нужно придерживаться следующей последовательности:

1. Для намеченных объемов земляных работ назначают конкурентоспособные варианты.

2 На конец каждого месяца зимнего периода (про необходимости чаще) определяют глубину промерзания незащищенного грунта.

3. По каждому варианту определяют объем работ, связанный с подготовкой грунта к разработке зимой, при различных глубинах промерзания грунта.

4. Определяют стоимость выполнения этих paбoт.

5. Определяют величину затрат, связанных с подготовкой грунта к разработке в зимнее время, приходящихся на единицу талого грунта в карьере или выемке, по формуле

Sij = (Мij + Зij + Эij)/Qij,                                                                                               (4.3.9)

где Sij - стоимость дополнительных затрат по i...j варианту для j-й глубины промерзания грунта, руб/м3;

Мij - затраты па материалы по i...j варианту для j-й глубины промерзания грунта, руб. (определяются на основании составления калькуляции стоимости материалов);

Зij - величина заработной платы рабочих по i...j варианту для j-й глубины промерзания грунта;

Эij - затраты на эксплуатацию машин по i...j варианту для j-й глубины промерзания грунта, руб .;

Qij - объем талого грунта по i...j варианту для j-й глубины промерзания грунта.

По полученным данным строят график зависимости величины дополнительных затрат от глубины промерзания грунта (рис. 4.3.1).

Рис. 4.3.1. Зависимость величины дополнительных затрат на подготовку грунтов к разработке от глубины промерзания

Такой график позволяет определить наиболее эффективный способ подготовки грунта к разработке в зимний период для различных моментов времени, характеризующихся различной глубиной промерзания грунтов.

Экономический эффект Э от удлинения строительного сезона рассчитывают по формуле

                                                                                                                    (4.3.10)

где Ен - нормативный коэффициент эффективности, установленный для отрасли, к которой относится строящееся предприятие или объект;

ф - сметная стоимость вводимых в действие основных фондов, руб.;

DТ- период продления строительного сезона.

Расчеты показывают, что за счет улучшения использования основных средств в течение года, снижения затрат по накладным расходам себестоимость строительства дорог может быть снижена на 5...8 %. Сокращение сроков строительства при удлинении строительного сезона дает существенный народнохозяйственный эффект за счет уменьшения времени, на которое отвлекаются средства в незавершенном строительстве.

Анализ показал, что в подавляющем большинстве при расчетах экономической эффективности сооружения земляного полотна в зимний период не учитывают резкого увеличения поломок машин и снижение их производительности при низких температурах и сильных ветрах. Расчеты ведут для средней полосы европейской части России, где температура воздуха редко опускается ниже -15°С. Скорость ветра не учитывают, хотя число дней со скоростью ветра более 10...15 м/с за устойчивый зимний период достигает, например, в Амурской области до 54. При отрицательной температуре и скорости ветра более 10 м/с производительность землеройных машин резко падает. Например, при температуре воздуха -15°С и скорости ветра 18 м/с простои машин составили столько же, сколько в безветренную погоду при температуре -20...-25°С. Хронометраж работы землеройно-транспортных машин, проведенный нами, показал, что наименьшие затраты времени на осмотр машин, отдых и личные надобности были при температуре воздуха от 8 до 20'С. При понижении температуры воздуха до -10°С время на осмотр машин и личной надобности возрастает в среднем на 10...16 % от нормативного. При температуре воздуха ниже -20...-25°С эти потери резко возрастали и достигали 20 % от рабочего времени. Значительно увеличивается время пуска и заправки машин. Время пуска при температуре -20...-25°С увеличивается по сравнению с оптимальной летней температурой в 8...10 раз.

Для того, чтобы сделать окончательные выводы о влиянии температуры воздуха и скорости ветра на производительность землеройной техники, требуются многолетние данные. При этом следует учитывать техническое состояние парка машин, квалификацию механизаторов, грунтовые условия, оснащенность ремонтной базы, условия хранения техники и т.д. [28]. Наши исследования были ограничены во времени, но несмотря на это данные хронометража работы землеройно-транспортных машин представляют бесспорный интерес. Нами установлена зависимость производительности экскаваторов, скреперов и бульдозеров от температуры воздуха и скорости ветра до 15 м/с (рис. 4.3.12).

Рис. 4.3.2. Изменение производительности бульдозеров, скреперов, экскаваторов в зависимости от температуры воздуха:
1 - экскаваторы с ковшом емкостью 0,65 м3; 2 - бульдозеры на тракторе Т-100; 3-скреперы с ковшом емкостью 6...8 м3

При расчете производительности учитывались целодневные простои машин, находящихся на ремонте из-за поломок. Потери времени, связанные с болезнью механизаторов или отсутствием горючего, в расчет не принимались.

В зимний период технико-эксплуатационные показатели работы машин резко снижаются, увеличивается число простоев из-за поломок узлов и деталей. Разрушению подвергаются базисные и вспомогательные узлы, детали машин. Существует функциональная зависимость числа поломок деталей машин (бульдозеров, экскаваторов, скреперов) от периода эксплуатации, причем количество поломок в зимний период в 3...7 раз больше, чем в летний. Объясняется это тем, что с понижением температуры воздуха начинает проявляться хладноломкость или склонность сталей к хрупкому разрушению. Переход в хрупкое состояние для каждой марки стали происходит при определенной температуре, при которой ударная вязкость металла достигает минимально допустимого предела (0,2...0,4 МПа). Низкие температуры воздуха в сочетании с динамическими нагрузками при разработке мерзлых грунтов способствуют увеличению числа поломок и простоев. В связи с этим основным климатическим фактором, влияющим на работу машин, считается температура воздуха, при определенных значениях которой углеродистые стали металлоконструкций переходят в хрупкое состояние и разрушаются. Эти стали имеют порог хладноломкости в узком интервале температур от -18 до -20°С.

Установлено, что начиная с температуры -20°С, происходят поломки большинства небазисных деталей, а при температуре -35°С начинают выходить из строя базисные узлы. В связи с этим температура воздуха -20°С считается критической, снижающей надежность работы машин. Кроме абсолютного значения критической температуры нужно учитывать вероятность ее повторения. Хронометраж работы дорожных машин, проведенный нами в Хабаровском крае при сооружении земляного полотна в зимний период, показал, что при температуре - 20...-25°С и скорости ветра более 10...15 м/с резко увеличилось число поломок деталей и узлов. Простои машин только из-за поломок составили до 35...45 % от всего времени наблюдения. Учитывая увеличение затрат времени на заправку, пуск, подготовку к работе и т.д., общие потери рабочего времени были еще значительнее. Производительность землеройно-строительных машин при этом снизилась на 40...60 % (рис. 4.3.2).

4.3.6. Особенность возведения земляного полотна в зимнее время

Высота насыпей, возводимых в зимнее время, не должна превышать величин, приведенных в табл. 4.3.13.

При необходимости возведения в зимнее время насыпей, указанных в табл. 4.3.13, следует использовать дренирующий грунт, а при его отсутствии - разрабатывать индивидуальный проект насыпи из глинистого грунта [21].

Таблица 4.3.13

Наибольшая высота насыпи из глинистых грунтов, возводимая в зимнее время

Климат района строительства

Среднегодовая температура воздуха, °С

Максимальная высота насыпи, м

Суровый

Холодный

Умеренный

Теплый

ниже -2

от -2 до 1

от 1 до 6

более 6

2,5

3,5

4,5

без ограничения

Высоту насыпей, возводимых из глинистых грунтов, ограничивают исходя из требований обеспечения оттаивания их в первый летний сезон.

Возведение земляного полотна в зимнее время организуют различными способами в зависимости от поставленных задач и местных условий.

Наиболее часто встречаются две задачи. Первая - устройство выемок с удалением грунта в отвал или в насыпь. Вторая - разработка грунтового карьера с укладкой грунта в насыпь. В общем виде технологическая схема работ по разработке выемок или отсыпке насыпей в зимних условиях состоит из следующих операций: подготовка выемки или основания насыпи; подготовка грунта в выемке или карьере к разработке; разработка грунта; погрузка грунта в транспортные средства, перевозка и разгрузка его на месте укладки; разравнивание; уплотнение.

Под подготовкой основания насыпи понимают:

1) расчистку полосы отвода от всех предметов, мешающих нормальному производству работ зимой;

2) снятие растительного слоя;

3) устройство постоянных и временных водоотводных устройств;

4) доуплотнение основания насыпи.

Недоуплотненное основание насыпи после оттаивания может дать неравномерные осадки, что приведет к деформациям насыпи.

Все перечисленные операции необходимо выполнять до наступления морозов.

Разработку грунта в выемке или карьере следует вести в 2...3 смены, что уменьшает глубину промерзания забоя.

Утепляющий материал убирают с площади, соответствующей сменному объему работ (рис. 4.3.3).

Рис. 4.3.3. Схема разработки выемки:
1 - разрыхленный мерзлый грунт; 2 - теплоизоляционный материал; 3 - слой неразрыхленного мерзлого грунта толщиной 0,4 м; 4 - опасная зона для работы рыхлителя; 0,2- недобор грунта в выемке

Для уменьшения намерзания грунта ковши экскаваторов, скреперов и кузова автосамосвалов рекомендуется смазывать

несколько раз в смену концентрированным раствором технического хлористого кальция или водным раствором хлористого натрия.

Транспортирование, разравнивание и уплотнение грунта должно производиться в максимально короткие сроки. Это связано с потерями тепла грунтом и ухудшением уплотнения талого грунта. Уплотнение необходимо заканчивать раньше, чем температура связанного талого грунта упадет ниже +2°С, а несвязанного - ниже 1°С (табл. 4.3.14).

Таблица 4.3.14

Время, в течение которого грунт обладает способностью к уплотнению

Температура воздуха, °С

Содержание комьев, % общего объема грунта

Время, мин, при скорости ветра, м/с

3

7

10

Более 10

выше -10

до 10

10...20

20...30

240

180

120

180

130

90

140

130

75

120

90

60

-10...-17

до 10

10...20

20...30

150

110

90

120

90

80

100

75

50

80

60

40

-17...-25

до 10

10...20

20...30

120

70

60

90

60

45

70

50

30

60

45

20

Наибольшие потери тепла грунтом происходят при разравнивании и уплотнении грунта. Поэтому рекомендуется эти операции проводить на минимально небольшом участке работ высокопроизводительными машинами.

В целях уменьшения теплопотерь необходимо отсыпать насыпь слоями возможно большей толщины. Наилучшие результаты при уплотнении дают катки с большеразмерными пневматическими шинами, поскольку глубина уплотнения пропорциональна площади контакта рабочего органа уплотнителя с грунтом.

Важное значение имеет вопрос использование мерзлого грунта при возведении насыпей в зимнее время.

Для обеспечения высокого качества уплотнения грунтов и уменьшения их последующей осадки отсыпку насыпи следует производить из талых грунтов (грунты, имеющие к моменту уплотнения температуру 0,5°С и выше). Однако в производственных условиях трудно полностью исключить попадание мерзлого грунта в насыпь (табл. 4.3.15).

Таблица 4.3.15

Допускаемые размер и содержание мерзлого грунта в насыпи

Тип уплотняющей машины

Предельное содержание мерзлого грунта, %

Максимальный размер комьев, см

Трамбующая плита или машина

25...30

25...30

Каток на пневматических шинах:

 

 

массой 50 т

массой 25 т

20...25

15...20

20...25

15...20

Если в тело насыпи уложено более 30 % мерзлого грунта, то в процессе оттаивания осадка насыпи может достигнуть 10 % и более полной высоты. При высокой влажности мерзлых комьев грунта возможно расползание насыпи.

Насыпи в зимних условиях необходимо отсыпать с некоторым запасом на их осадку после оттаивания. Дополнительная высота насыпи определяется по методике, предложенной Ю.М. Васильевым.

Насыпи, возводимые в зимнее время, должны иметь такую же устойчивость, как и насыпи, возводимые в теплый период года. Для достижения требуемого качества возведения земляного полотна необходимо выполнять ряд требований [17]:

1. Насыпи необходимо возводить только из талого грунта, ограничивая количество и размер мерзлых комьев грунта в насыпи (табл. 4.3.15).

2. Наличие снега и льда в насыпи не допускается. Укладка грунта во время сильных снегопадов и метелей должна прекращаться.

3. Основания под насыпи, возводимые в зимнее время, следует подготовить заблаговременно при положительной температуре воздуха.

4. Верхнюю часть насыпи на толщину 0,8...1,2 м следует отсыпать только из талого грунта. Укладка мерзлого грунта допускается на расстоянии не ближе 1 м от поверхности откосов насыпи.

5. Несвязанные грунты допускается укладывать в насыпь при влажности, превышающей оптимальную не более чем в 1,2...1,3 раза, а связанные грунты - при влажности, не более чем в 1,1 раза превышающей оптимальную.

6. После прекращения снегопадов и метелей необходимо полностью удалить снег и лед с насыпи.

7. Основание под насыпь тщательно очищать от снега и льда

8. Отдельные участки насыпи должны сопрягаться между собой уступами шириной не менее 1 м по каждому слою.

9. Земляное полотно должно быть par бито на местности до начала заморозков.

10. Технический контроль работ по возведению земляного полотна непрерывно проводится лабораторией, для чего на месте работ организуют контрольные посты.

Контрольные посты выполняют следующие задачи:

1. Обследование выемок и резервов осенью и перед началом разработки грунта зимой. В задачу обследования входит определение влажности и плотности грунтов.

2. Контроль за соблюдением установленных требований по очистке поверхности насыпи и ее основания от снега и льда, а также за прекращением работ при снегопадах и метелях.

3. Определение режима работ уплотняющих машин на месте опытным путем.

4. Контроль качества уплотнения грунтов согласно действующим инструкциям.

5. Контроль за содержанием мерзлых комьев в грунте. Контрольные пробы отбираются до уплотнения грунта на каждые 300...500 м3, уложенных в тело насыпи.

4.4. Возведение земляного полотна в районе вечной мерзлоты

Вечномерзлыми называют грунты и материковые породы с отрицательной температурой, не подверженные сезонным колебаниям.

Вечная мерзлота занимает более 50 % всей территории России, а на Дальнем Востоке она охватывает 80 % территории. Среднегодовая температура воздуха в этих районах отрицательная и на Крайнем Севере понижается до -16°С. В приморских тундрах часты ураганные ветры. Годовое количество осадков на большей части территории невелико и составляет 140...320 мм. Толщина снежного покрова, особенно в тундре, не превышает 30...40 см.

Большинство вечномерзлых грунтов насыщено льдом. В ряде случаев льдистость мерзлых грунтов достигает 80 %, а иногда он полностью замещен мощными ледяными включениями.

Мощность вечной мерзлоты по глубине весьма различна и составляет от нескольких метров в южных районах вечной мерзлоты до 500 м у берегов Северного Ледовитого океана. Температура верхнего слоя мерзлых горных пород обычно колеблется от -3 до -8°С, причем она на 4...10°С выше среднегодовой температуры воздуха. Вечная мерзлота сверху и снизу ограничена слоем грунта, имеющим температуру 0°С. Эти поверхности, с нулевой температурой, соответственно называются верхней и нижней границами вечной мерзлоты [18, 49, 51].

Грунты с отрицательной температурой, но не содержащие воды или включающие ее в небольшом количестве, а потому не смерзшиеся и оставшиеся сыпучим телом, называются сухой мерзлотой.

Существенное значение в условиях вечной мерзлоты имеет состояние подземных и грунтовых вод. В зависимости от расположения относительно слоя вечной мерзлоты они подразделяются на три взаимосвязанные категории:

а) надмерзлотные - залегающие над верхней границей многолетней мерзлоты;

б) межмерзлотные - расположенные в толще многолетней мерзлоты;

в) подмерзлотные - залегают под слоем многолетней мерзлоты.

По характеру залегания вечномерзлой толщи под деятельным слоем различают типы сливающейся, несливающейся и слоистой вечной мерзлоты.

Несливающаяся вечная мерзлота. Верхняя граница вечномерзлых грунтов не сливается с подошвой сезонного промерзания. Между ними остается пласт постоянно талого грунта. Несливающаяся вечная мерзлота встречается в южных районах мерзлотного региона, главным образом в котловинах, долинах и других отрицательных формах рельефа, где происходят мощные снеговые заносы, а летом протекает вода.

Сливающаяся вечная мерзлота. Верхняя граница вечномерзлых грунтов сливается с подошвой деятельного слоя. Имеет основное региональное распространение на севере Азии.

Слоистая вечная мерзлота. Слоистой вечной мерзлотой принято называть чередование нескольких слоев вечномерзлых горных пород с пластами талых пород. Она встречается в долинах мигрирующих водотоков. Талые пласты могут быть исчезающими или поддерживаться за счет фильтрационного потока.

От поверхности земли вечная мерзлота отделена слоем грунта с сезонным промерзанием - оттаиванием, который называют деятельным слоем.

При замерзании деятельного слоя происходит пучение, и поверхность грунта поднимается, при оттаивании наблюдается обратное явление - осадка. По данным П.И. Мельникова, деятельный слой промерзает с двух сторон одновременно - и от земной поверхности, и от своей подошвы, то есть от верхней границы вечномерзлых грунтов.

Мощность деятельного слоя колеблется в пределах 0,8...1,6 м в песчаных грунтах и 0,2...0,4 м в торфяно-болотистых почвах. На болотах и заболоченных склонах с толстым слоем мохового покрова верхняя граница вечной мерзлоты залегает непосредственно под слоем мха. Все склоны гор северных экспозиций имеют верхнюю границу многолетней мерзлоты на глубине 0,15...0,2 м. В районах пойм, русел средних и больших рек, с гравийно-галечными и песчаными грунтами, она достигает 10 м.

Мощность деятельного слоя зависит от многих факторов. Остановимся на основных:

1. Радиационный баланс поверхности земли. Радиационный или лучистый баланс тепловой энергии слагается из трех компонентов: суммарная солнечная радиация, минус отраженная часть этой радиации в космос, минус длинноволновое эффективное излучение почвы. Теплоприход суммарной солнечной радиации слагается из тепла прямой солнечной радиации при ясном небе и тепла рассеянной солнечной радиации при облачном небе. Максимум прямой солнечной радиации наблюдается на экваторе, минимум - на полюсах. Естественно, что поступление рассеянной облаками радиации также убывает с юга на север.

Величина отраженной части радиации зависит от отражательной способности поверхности земли. Наибольшим поверхностным излучением обладает заснеженная поверхность земли, от которой больше 80 % солнечной энергии бесполезно отражается в атмосферу. Наименьшей способностью отражения обладает свежевспаханная темная влажная почва, которая усваивает более 90 % суммарной радиации.

2. Конвективный теплообмен. Конвективный теплообмен между поверхностью земли и воздухом равен произведению коэффициента теплообмена a на разность температур почвы и воздуха. Если летняя температура верхнего слоя грунта больше температуры воздуха , то земля теряет тепло. Если наоборот, < , например, при вторжении теплых масс воздуха с юга, то происходит нагрев грунта. Коэффициент теплообмена конвекцией определяют по формуле Вирца

                                                                                                                  (4.4.1)

где V - скорость ветра, м/с.

Если принять, что конвективный теплообмен в энергетическом отношении равен тепловому радиационному балансу r, то температура верхнего слоя грунта равна

= + r /a                                                                                                                 (4.4.2)

3. Испарение и конденсация. Наибольшие затраты тепла в общем тепловом балансе влажных грунтов приходятся на испарение. Особенно велики эти потери на моховых и болотистых тундрах, где грунт за целое лето оттаивает только на 30...40 см. При наличии сухих скелетных грунтов теплопотери на испарение незначительны.

Теплоприход от конденсации в естественных условиях невелик. Однако при послойной вскрыше грунтов по мере их оттаивания конденсация, а, следовательно, и выделение тепла, резко возрастают. В этом случае теплый воздух соприкасается с холодной, периодически обнаженной поверхностью мерзлых грунтов, и происходит обильное выпадение росы.

4. Снежный покров, его мощность и рыхлость. Теплопроводность рыхлого снега близка к теплопроводности такого теплоизолятора, как сухой торф, поэтому потери тепла из литосферы в атмосферу резко уменьшаются. Разница среднемесячных температур на поверхности снега и под снегом может достигнуть 40°С и более.

5. Растительный покров, характер растительности. На побережье арктических и северо-восточных морей преобладают мхи, лишайники и тундровые травы. Мхи, особенно сфагновые, в летнее время быстро подсыхают сверху и становятся отличным теплоизолятором. Кроме того, мхи испаряют большое количество влаги и этим резко понижают свою температуру. В зимний же период они быстро замерзают и по своим теплоизоляционным свойствам мало отличаются от обычного льдистого грунта. В результате такого различия в теплопроводности талого и мерзлого мхов, вечная мерзлота подо мхом и торфяником прослеживается даже в относительно южных районах, где под другой растительностью она не встречается.

А.И. Мамаев установил, что в безветренных районах под любым растительным покровом, экранирующим летом грунт от солнца, вечная мерзлота устойчивее, чем на оголенных участках. В районах с интенсивными зимними ветрами наблюдается обратный эффект в связи с переотложением снега с оголенных участков в залесенные.

Развитая высокоствольная древесная растительность по берегам северных рек и озер часто указывает на присутствие русловых таликов глубиной до 5 м.

6. Экспозиция склона и рельеф. Южная экспозиция горных склонов повышает среднегодовую температуру поверхности земли на 0,5...1,5°С относительно температуры на северной экспозиции.

Возвышенности хорошо обдуваются ветром, и снег переносится в низкие места. Поэтому мощность вечной мерзлоты под оголенными возвышенностями в большинстве случаев больше, чем под снегозаносимыми пониженными местами. Однако, даже при одинаковой льдонасыщенности грунтов, глубина сезонного оттаивания на возвышенностях больше, чем в долинах, за счет увеличения амплитуды сезонных колебаний температуры грунта.

7. Цитологические особенности грунта. Различие в теплопроводности разных грунтов не превышает 2...2,5 раз. Наибольшей теплопроводностью обладают подземные льды и крупноскелетные льдонасыщенные грунты, наименьшей - сухие пески. Глубина сезонного протаивания, прежде всего, зависит от общей льдонасыщенности грунта. Сухие насыпные грунты протаивают на глубину в 3...4 раза больше, чем льдистые.

4.4.1. Особенности приложения трассы в районе вечной мерзлоты

Сооружение автомобильной дороги вносит большие изменения в природный режим вечномерзлых грунтов. Вырубка на полосе отвода деревьев, кустарника и удаление мохового покрова способствуют увеличению толщины деятельного слоя. При оттаивании льдонасыщенные грунты вечной мерзлоты переходят в разжиженное состояние и растекаются под действием собственной массы.

Оттаивание льдонасыщенного вечномерзлого грунта под невысокой насыпью вызывает дополнительные осадки или полное расползание насыпей. При проектировании земляного полотна в районе вечной мерзлоты прокладку трассы по возможности следует производить на участках:

а) с близким залеганием коренных скальных пород;

б) сложенных на глубину 10 м и более каменистыми, гравелистыми и песчаными сухими грунтами;

в) с залеганием сухой вечной мерзлоты на глубине 5...6 м;

г) с обеспеченным водоотводом;

д) со слабопокатными склонами южной экспозиции.

Дорогу проектируют в насыпях с рабочими отметками, гарантирующими снегонезаносимость. Выемки допускаются лишь в случаях крайней необходимости и только в сухих грунтах.

Нежелательными для проложения трассы являются участки:

а) заболоченные, осушение которых по условиям рельефа затруднительно;

б) с пылеватыми грунтами, которые при оттаивании приходят в плывунное состояние;

в) с высоким уровнем стояния грунтовых подмерзлотных вод, понижение которых в условиях вечной мерзлоты сопряжено с большими трудностями;

г) с близким расположением линз ископаемого льда или с интенсивными наледными процессами.

В зависимости от состава и льдонасыщенности грунтов, режима деятельного слоя, глубины залегания погребенных льдов, возможны три принципа строительства:

1. Обеспечение поднятия верхнего горизонта вечной мерзлоты до подошвы насыпи и сохранения ее на этом уровне в течение всего периода эксплуатации дороги. Этот принцип применяют при наличии глинистых грунтов, с влажностью выше предела текучести, и при особо сложных мерзлотно-грунтовых условиях (мари, заболоченные тальвеги, замкнутые впадины с мохоторфяным покровом и мощностью деятельного слоя до 1,0 м). Земляное полотно по первому принципу возводят из привозных грунтов.

2. Ограничение глубины оттаивания грунтов основания. Этот принцип находит применение при проложении полотна дороги на плоских водоразделах, пологих склонах гор с мощностью деятельного слоя от 1,0 до 2,5 м. Земляное полотно проектируют в насыпях из несцементированных обломочных или глинистых грунтов.

3. Обеспечение оттаивания и осушения грунтов под дорожной конструкцией. Строительство по этому принципу ведут на легкоосушаемых просадочных грунтах. Третий принцип применяют чаще всего на сухих участках местности, с мощностью деятельного слоя более 2,5 м, когда предусматривается заблаговременное оттаивание вечномерзлых грунтов и осушение дорожной полосы.

Опыт показывает, что деформации земляного полотна происходят при оттаивании вечной мерзлоты, но вместе с этим грунты в мерзлом состоянии представляют вполне надежное основание, поскольку грунты как бы сцементированы мерзлотой.

Выбор конструкции земляного полотна в каждом конкретном случае решается на основе технико-экономического сравнения вариантов с учетом не только капитальных, но и эксплуатационных затрат.

Размеры и формы земляного полотна на различных участках зависят от рельефа местности, продольного профиля дороги, грунтовых, гидрологических и гидрогеологических условий, а также проектируемых на данном полотне дорожных одежд.

Поперечные профили земляного полотна, устраиваемые по первому принципу - обеспечение поднятия верхнего горизонта вечной мерзлоты до подошвы насыпи и сохранения ее на этом уровне в течение всего периода эксплуатации (сохранение вечной мерзлоты), даны на рис. 4.4.1...4.4.4.

При возведении насыпи по первому принципу обязательным условием является сохранение в неразрушенном состоянии растительного покрова не только в основании насыпи, но и на всей дорожной полосе (рис. 4.4.1, тип I). Для предохранения мохорастительного покрова от разрушения в нижней части насыпи устраивают прослойки из дренирующих грунтов мелких фракций (не крупнее 50...100 мм) толщиной 0,3...0,5 м (рис. 4.4.1, тип II).

При необходимости уменьшения высоты насыпи или при наличии дешевых местных теплоизоляционных материалов в основании земляного полотна укладывают теплоизоляционные прослойки (мох, торф, нестроевая древесина, шлак) различной толщины (рис. 4.4.1, тип III).

Рис. 4.4.1. Поперечные профили насыпи на льдонасыщенном основании:
1 - мохорастительный покров; 2 - защитный слой из дренирующего грунта мелких фракций; 3 - несцементированный обломочный грунт; 4 - термоизоляция изо мха (по расчету); 5 - верхний горизонт вечной мерзлоты (ВГВМ) до постройки насыпи; 6 - ВГВМ после постройки насыпи

Если высокие насыпи сооружают в две стадии, то на первой (зимней) стадии применяют только несцементированные обломочные грунты (рис. 4.4.2, типы IV и V), а на второй (летней) допускаются глинистые грунты. В таких случаях верхняя часть насыпи отсыпается из щебеночного или гравийного материала слоем не менее 0,5 м (рис. 4.4.2, тип IV).

Рис. 4.4.2. Поперечные профили насыпи на льдонасыщенном основании, отсыпаемой в две стадии:
1 - щебень или гравий по расчету на прочность (но не менее 0,5 м); 2 - несцементированный обломочный грунт; 3 - мохорастительныйпокров; 4 - глинистый грунт; 5 - ВГВМ до постройки насыпи; 6 - ВГВМ после постройки насыпи

На косогорных участках (не круче 1:5) земляное полотно проектируют в насыпи. Во избежание нарушения мерзлотного режима местности, увеличения глубины оттаивания и снижения устойчивости сооружения уступы на косогоре не устраивают. В низовой части откоса насыпи защищают от теплового воздействия присыпкой из мохоторфа (рис. 4.4.3).

Рис. 4.4.3. Поперечный профиль насыпи на льдонасыщенном косогоре крутизной меньше 1:5:
1 - несцементированный обломочный грунт; 2 - теплоизоляция изо мха или торфа толщиной не менее 0,5 м; 3 - глинистый грунт толщиной 15 см; 4 - дренирующая присыпка; 5 - мохорастительный покров; 6 - ВГВМ до постройки насыпи; 7 - ВГВМ после постройки насыпи; 8 - каменное мощение; 9 - нагорный валик; d - величина поднятия ВГВМ по оси насыпи

На участках автомобильных дорог, где в основании залегают подземные льды или супеси с льдистостью около 80 %, а также в сильно заболоченных местах под насыпью ранее устраивали так называемую cлань, а в последние годы прослойки из геотекстиля (рис. 4.4.4), что уменьшает удельное давление на грунт от подвижной нагрузки и служит теплоизоляционной прокладкой под насыпью.

Рис. 4.4.4. Поперечный профиль насыпи с прослойкой из синтетического нетканого материала по типу замкнутой обоймы:
1 - насыпь земляного полотна; 2 - синтетический нетканый материал «Дорниит Ф-2»; 3 - слабое основание; 0,3 - ширина перекрытия полос геотекстиля

При проектировании автомобильных дорог, по принципу ограничения глубины оттаивания грунтов основания, земляное полотно конструируют в соответствии с поперечными профилями, приведенными на рис. 4.4.5 (типы VIII, IX). Если при понижении уровня вечной мерзлоты обеспечивается устойчивость земляного полотна и дорожной одежды, то допускают возведение насыпи из местных глинистых грунтов с закладкой боковых резервов. При этом запрещается убирать или разрушать мохорастительный покров в основании насыпи.

Рис. 4.4.5. Поперечные профили насыпи из местных глинистых грунтов:
1 - щебень или гравий по расчету на прочность (но не менее 0,5 м); 2 - глинистый грунт; 3 - земляная берма; 4 - мохорастительный покров; 5 - ВГВМ до постройки насыпи; 6 - ВГВМ после постройки насыпи; 7 - боковой резерв; 8 - водоотводная канава; d - величина поднятия ВГВМ по оси насыпи

Резервы можно располагать непосредственно у подошвы насыпи (рис. 4.4.5, тип VIII), если высота насыпи не превышает 1,5 м, или предусмотреть между подошвой насыпи и внутренней бровкой резерва земляные бермы шириной 3...5 м (рис. 4.4.5, тип IX).

При проектировании автомобильных дорог по принципу обеспечения оттаивания и осушения грунтов основания (третий принцип), исходя из допускаемых деформаций, земляное полотно конструируют в насыпях (рис. 4.4.6, типы X, XI). При этом расчищать дорожную полосу от леса и кустарника, сплошь снимать мохорастительный покров в пределах дорожной полосы, устраивать водоотводные канавы необходимо не менее чем за год до начала основных работ.

Рис. 4.4.6. Поперечные профили земляного полотна на легкоосушаемых грунтах:
1 - глинистый легкоосушаемый грунт с примесью крупного песка, щебня или гравия; 2 - супесчаный грунт; 3 - мохорастительный покров; 4 - ВГВМ до постройки насыпи; 5 - ВГВМ после постройки насыпи; 6 - боковой резерв; 7 - водоотводная канава

На косогорных участках (круче 1:5) земляное полотно в низовой части нужно поддерживать специальными подпорными стенками, предусматривая их заглубления в вечномерзлый грунт по расчету на выпучивание (рис. 4.4.7).

Рис. 4.4.7. Поперечный профиль насыпи на косогоре крутизной более 1:5:
1 - подпорная стенка; 2 - несцементированный обломочный грунт; 3 - мохорастительный покров; 4 - мерзлотный валик; 5 - каменное мощение; 6 - ВГВМ до постройки насыпи; 7 - ВГВМ после постройки насыпи

На затапливаемых участках и на подходах к мостам земляное полотно возводят из несцементированных обломочных грунтов. Бровка земляного полотна должна быть выше расчетного горизонта воды на высоту волны с набегом на откос, но не менее 0,5 м. В случае низкого расчетного горизонта воды верхнюю часть насыпи можно отсыпать из глинистых грунтов. При этом нижняя часть насыпи, отсыпаемая из несцементированных обломочных грунтов, должна быть выше расчетного горизонта воды более чем на 0,5 м (рис. 4.4.8, тип XIII).

Высокие насыпи на затапливаемых участках конструируют в соответствии с рис. 4.4.8 (типы XIV, XV).

Рис. 4.4.8. Поперечные профили высокой насыпи на затопляемом участке или пойме:
1 - щебень или гравий по расчету на прочность; 2 - глинистый грунт; 3 - несцементированный обломочный грунт; 4 - ВГВМ до постройки насыпи; 5 - ВГВМ после постройки насыпи; РПВ - расчетный уровень поверхностных вод

Выемки в зоне вечной мерзлоты допускается проектировать главным образом на участках местности с благоприятными грунто-гидрогеологическими условиями (скальные, щебенистые грунты) при отсутствии линз и прослоек льда (рис. 4.4.9).

Рис 4.4.9. Поперечный профиль выемки в скальных грунтах:
1 - нагорная водоотводная канава; 2 - легковыветривающаяся скальная порода; 3 - рыхлый грунт

В сырых местах выемки нужно проектировать с соответствующим обеспечением теплоизоляции откосов, заменой переувлажненных пылеватых глинистых грунтов песчаным или другим качественным материалом с устройством в основании дорожной одежды морозозащитных слоев (рис. 4.4.10, тип XVII). Мелкие выемки раскрывают под насыпь для повышения их устойчивости (рис. 4.4.10, тип XVIII). Толщину совмещаемого в выемках грунта определяют по теплотехническому расчету из условия обеспечения требуемой устойчивости дорожной одежды. Крутизну откосов выемок назначают в каждом случае исходя из устойчивости.

Рис. 4.4.10. Поперечные профили выемок в слабольдонасыщенных грунтах:
1 - щебень или гравий; 2 - глинистый грунт; 3 - каменное мощение; 4 - теплоизоляция изо мха по расчету; 5 - ВГВМ до устройства выемки, 6 - ВГВМ после устройства выемки; 7 - водоотводная канава

4.4.2. Характеристика условий строительства земляного полотна в районе вечной мерзлоты

При возведении земляного полотна в районе вечной мерзлоты необходимо учитывать природно-климатические и грунто-гидрогеологические особенности, которые определяют условия работы дорожно-строительных машин, основные способы и технологические схемы возведения земляного полотна, а также сроки производства работ.

Характеристику условий района строительства составляют по данным ближайших метеорологических станций. Пользуясь данными метеостанций, делают анализ температурного режима воздуха, его изменение по месяцам. Устанавливают максимальную и минимальную температуру, мощность деятельного слоя, количество осадков в виде дождя и снега, направление ветров. Разрабатывают дорожно-климатический график, на основании которого устанавливают период распутицы, простои в работе из-за осадков в летний период и из-за метелей в зимний период, время разработки талого и мерзлого грунтов. Каждому принятому принципу проектирования земляного полотна соответствует свой способ его возведения (табл. 4.4.1).

Таблица 4.4.1

Способы возведения земляного полотна

Принцип проектирования

Способ возведения

I. Обеспечение поднятия верхнего горизонта вечной мерзлоты до подошвы насыпи и ее сохранение на этом уровне в течение всего периода эксплуатации дороги

I. Максимальное сохранение естественного режима местности в период производства работ и в течение всего периода эксплуатации. Устройство просеки только в зимний период с незначительным опережением фронта работ. Отсыпка земляного полотна из несцементированных обломочных грунтов автовозкой в зимний период на полную высоту или в две стадии: нижнюю часть насыпи в зимний период, а верхнюю до проектной отметки - летом

II. Ограничение глубины оттаивания грунтов основания

II. Обеспечение минимального протаивания грунтов основания в строительный период за счет полного сохранения мохорастительного покрова под насыпью и начала работ ранней весной. Устройство просеки только в зимний период. Проведение мероприятий по осушению грунтов за год до основных земляных работ. Отсыпка земляного полотна из местных глинистых и несцементированных обломочных грунтов

III. Обеспечение оттаивания и осушения вечномерзлых грунтов под дорожной конструкцией

III. Обеспечение максимальною протаивания и осушения грунтов путем заблаговременной подготовки и проведения мероприятий по осушению всей дорожной полосы. Отсыпка земляного полотна из местных грунтов

На участках, где земляное полотно запроектировано по первому принципу, все подготовительные и основные работы выполняют с таким расчетом, чтобы обеспечить сохранение водно-мерзлого режима местности. Это определяет особенности возведения земляного полотна и сроки производства работ. Подготовительные работы выполняют только в зимний период.

Не допускается оставлять расчищенную просеку на летний период, чтобы не вызвать протаивание льдонасыщенных грунтов. Земляное полотно возводят в зимний период из несцементированных обломочных грунтов. Отсыпанное в зимний период полотно предохраняет основание от протаивания. Экономически целесообразно двухстадийное возведение земляного полотна, когда нижнюю часть насыпи возводят зимой, а верхнюю - в летний период. В этом случае снижается стоимость возведения земляного полотна за счет выполнения части объемов работ в летний период.

При втором принципе все работы выполняют так, чтобы обеспечить как можно большее осушение грунтов в притрассовых резервах и возможно меньшее протаивание их в основании насыпи. В этом случае подготовительные работы выполняют за год до начала земляных работ. Лес вырубают и удаляют с просеки в зимний период, чтобы не нарушать мохорастительного покрова в основании насыпи. С полосы резервов мохорастительный покров удаляют сразу после его протаивания, а в основании его сохраняют полностью.

Земляное полотно в основном возводят из местных грунтов с использованием бульдозеров, скреперов и других дорожных машин.

При третьем принципе выполняют так же, как и при втором, с той лишь разницей, что мероприятия по осушению грунтов проводят на всей дорожной полосе. Мохорастительный покров в основании насыпи не сохраняют.

Строительство автомобильных дорог в условиях вечной мерзлоты так же, как и в других районах страны, осуществляют поточным методом.

В летний период производят те работы, выполнение которых в зимний период затруднительно (удаление мохорастительного покрова, разработка, перемещение, уплотнение глинистых грунтов, устройство водоотводных канав).

В зимний период следует производить: постройку временных зданий и сооружений; расчистку дорожной полосы от леса, кустарника; буровзрывные работы в мерзлых грунтах, переходящих при оттаивании в текучее состояние; возведение насыпей из скальных и несмерзающихся дренирующих грунтов, на участках, устраиваемых по первому принципу; отсыпку берм и утепление откосов.

Возведение насыпей из несцементированных грунтов производят круглогодично. Расчетное годовое число рабочих смен определяют по формуле

Тср = (Тк - Тв -Тм - То) Кс,                                                                                            (4.4.3)

где Тк - календарная продолжительность строительного сезона, дни;

Тв - количество выходных и праздничных дней;

Тм - простои по метеоусловиям, дни;

То - количество дней на ремонт и профилактику машин, а также внутриобъектную переброску, простои по организационным причинам, дни;

Кс - среднее количество смен за один рабочий день.

Расчетное количество рабочих смен в летнем строительном сезоне определяют по формуле

Тл = [Тб - (Тгр + Тв) - Тбa(1 + Тпр)]Кс                                                                          (4.4.4)

где Тб - длительность безморозного периода в сутках;

Тгр - время, необходимое для протаивания грунта на 20...25 см (табл. 4.4.2);

Тв - количество выходных и праздничных дней за безморозный период;

a - вероятность выпадения осадков в долях длительности безморозного периода (табл. 4.4.3);

Тпр - время, необходимое для просушивания грунта после дождя в сутках (табл. 4.4.4).

Таблица 4.4.2

Скорость протаивания грунта

Район дорожно-климатической зоны

Грунт

Скорости протаивания, см/сутки

май

июнь-июль

1 южнее 65-й параллели

Супесь

4...5,5

7...9

Суглинок легкий

3...4.5

5...7

Суглинок тяжелый, глина

2,5...4

4...6

Таблица 4.4.3

Вероятность выпадения осадков

Метеорологические станции

Вероятность выпадения осадков a (в долях длительности безморозного периода)

5 мм/сутки

8 мм/сутки

Якутск

0,06

0,021

Иркутск

0,12

0,06

Улан-Удэ

0,08

0,04

Чита

0,127

0,062

Богучаны

0,10

0,038

Время, необходимое для протаивания грунта в районе вечной мерзлоты южнее 65-й параллели на глубину, позволяющую рационально использовать дорожные машины, принимают по табл. 4.4.2.

Вероятность выпадения осадков определяют по средним, многолетним данным метеостанций. Расчет ведут по формуле

a = п/Тб,                                                                                                                     (4.4.5)

где п - количество дней с осадками более 5 или 8 мм в сутки.

Ориентировочные значения снижения влажности и времени просыхания слоя грунта глубиной 0,2 м в резервах по данным [49] приведены в табл. 4.4.4

Таблица 4.4.4

Снижение влажности и время просыхания грунта

Грунт

Влажность грунта до осушения в долях от оптимальной влажности

Средняя величина просыхания за сутки в долях оптимальном влажности

Время на просушивание допустимой влажности, сутки

Суглинок легкий

1,8...1,5

0,10

1...2

Суглинок пылеватый

1,5...2,0

0,12

2...6

Суглинок тяжелый

1,4...1,8

0,09

7...9

Глина

1,8...2,0

0,08

9...10

Более быстрое просыхание грунта наблюдается при его рыхлении за один-два дня до разработки.

Расчистку дорожной полосы от леса, кустарника, пней производят при сооружении земляного полотна по первому и второму принципам только в зимний период. При строительстве земляного полотна по третьему принципу расчистку дорожной полосы можно производить в любое время года.

Мохорастительный слой удаляют с поверхности боковых резервов при строительстве земляного полотна по второму принципу и на всю ширину дорожной полосы при сооружении земляного полотна по третьему.

Толщина мохорастительного слоя зависит от множества различных факторов и составляет в среднем от 5 до 30 см. Большая мощность слоя наблюдается во II, III типах местности (сырые и мокрые места).

4.4.3. Технико-экономическое обоснование и технология производства работ

Одним из основных вопросов организации строительства земляного полотна является выбор наиболее эффективных способов производства работ, обеспечивающих возведение полотна в заданные сроки, требуемое качество работ, максимальную производительность труда и минимальную себестоимость.

Вследствие влияния большого числа факторов чаще всего разрабатывают несколько вариантов производства работ. При сравнении вариантов в качестве основных технико-экономических показателей принимают себестоимость единицы продукции, выработку на одного рабочего в смену и использование машин в течение смены.

Технологическая последовательность возведения земляного полотна в районе вечной мерзлоты зависит, прежде всего, от принципа проложения трассы и принятой конструкции земляного полотна. Так, технологическая последовательность возведения земляного полотна по первому принципу значительно отличается от последовательности работ, выполняемых по третьему принципу. Например, последовательность сооружения земляного полотна на косогоре с сохранением вечной мерзлоты (рис. 4.4.3) может быть следующей:

а) восстановление и закрепление трассы;

б) расчистка дорожной полосы в зимний период от снега, леса, кустарника;

в) разбивка земляных сооружений;

г) устройство нагорного валика для отвода поверхностных вод;

д) устройство подъездных путей;

е) послойная отсыпка земляного полотна из привозного грунта;

ж) послойное разравнивание и уплотнение грунта;

з) профилирование земляного полотна;

и) укрепление откоса насыпи с верховой стороны глинистым грунтом с последующим мощением камнем;

к) устройство дренирующей присыпки с низовой стороны;

л) укладка теплоизоляционного слоя из мха или торфа на откосе насыпи с низовой стороны косогора;

м) укладка глинистого грунта поверх теплоизоляционного слоя;

н) рекультивация земель в грунтовых карьерах.

Одновременно с проектированием технологической последовательности производят уточнение объемов работ на отдельных операциях.

При строительстве земляного полотна в районе вечной мерзлоты затраты на эксплуатацию дорожно-строительных машин составляют 40...60 %. В связи с этим большое значение приобретает задача подбора дорожно-строительных машин, максимально приспособленных к условиям строительства. Специфика условий производства работ определяет критерии подбора машин.

Выбор рациональных типов машин для возведения земляного полотна автомобильных дорог зависит от следующих факторов:

а) технической возможности применения тех или иных машин в данных условиях рельефа;

б) конструкции земляного полотна, расположения резервов грунта, его физико-механических свойств;

в) организационных условий производства работ, главными из которых являются сроки начала и окончания возведения земляного полотна;

г) условий полной загрузки выбранных машин в течение всего периода выполнения работ.

При составлении вариантов производства работ необходимо стремиться к комплексной механизации и полному использованию в течение смены всех дорожных машин в отряде.

Для предварительных соображений по рациональному подбору машин при разработке различных групп грунтов можно руководствоваться рекомендациями табл. 4.4.5

Таблица 4.4.5

Выбор средств механизации для выполнения основных земляных работ

Тип земляного полотна

Условия производства работ

Высота насыпи, м

Дальность перемещения грунта, м

Тип ведущих машин

Насыпь из выемок или грунтовых карьеров

Грунты несцементированные обломочные: а) зимний период

Не ограничена

Не регламентируется

Экскаваторы с транспортными средствами в северном исполнении

б) весенне-летний период

То же

То же

Экскаваторы с транспортными средствами

в) весенне-летний период

До 1,5

До 100

Бульдозеры

Глинистые грунты:

а) весенне-летний период

До 2

До 100

Бульдозеры повышенной проходимости

б) летний период

Не ограничена

От 100 до 800

Скреперы

в) летний период

То же

От 500 до 3000

Скреперы самоходные

г) летний период

То же

От 1000 и более

Экскаваторы с транспортными средствами

Насыпь из грунтов боковых резервов

а) весенне-летний период

До 2

 

Бульдозеры, скреперы

Учитывая, что рациональные области применения дорожных машин ограничены, а условия выполнения земляных работ непрерывно меняются, в состав отрядов необходимо включать несколько типов машин для выполнения основных земляных работ. В этом случае каждая землеройная машина может быть использована наиболее эффективно. Например, если земляное полотно возводят по третьему принципу бульдозером в условиях значительного колебания рабочих отметок, то одновременно с бульдозером следует применять скреперы для продольного перемещения грунта. В глубоких выемках также выгодно применять комплексный способ разработки, при котором участки выемок, прилегающие к насыпи, разрабатывают бульдозерами, а остальную часть, в зависимости от группы грунта и дальности перемещения, скреперами или экскаваторами с транспортными средствами.

При комплектовании отрядов следует увязать между собой выработку всех машин.

Основные машины могут быть использованы для выполнения вспомогательных работ. В этом случае потребность в них определяется комплексным расчетом из условия выполнения ими вспомогательных операций с учетом использования дополнительного навесного рабочего оборудования.

Технологические карты устройства земляного полотна представляют собой дальнейшую детализацию проекта организации работ. Их составляют на отдельные участки земляного полотна, имеющие свои особенности в организации работ. При расстановке машин по захваткам необходимо полнее загружать работой каждую машину. При неполной загрузке какой-либо машины на отдельной захватке она должна быть использована на другой.

Исходными данными для разработки технологической карты являются:

а) длина захватки b, равна или кратна скорости потока V;

б) темп потока при выполнении подготовительных работ (расчистка полосы, проведение мероприятий по осушению переувлажненных грунтов, устройство землевозных путей и временных дорог, заготовка мохоторфа для устройства теплоизоляционных слоев и присыпок и т.д.);

в) темп потока основных работ (послойная отсыпка, уплотнение насыпи и т.д.);

г) темп потока отделочных работ (профилирование земполотна, теплоизоляция откосов, рекультивация земель и т.д.);

д) средние дальности перемещения грунта при снятии мохорастительного слоя, сооружении земляного полотна и рекультивации земель, занятых резервами и грунтовыми карьерами.

На участках, где земляное полотно запроектировано по первому принципу, подготовительные работы выполняют с соблюдением следующих правил. Расчистку дорожной полосы от леса, кустарника производят только в зимний период, чтобы исключить возможность нарушения мохорастительного покрова транспортными средствами и гусеницами тракторов. Просеку делают равной ширине насыпи по низу. Не разрешается корчевка пней на просеке и нарушение мохорастительного покрова на расстоянии ближе 100 м в обе стороны от границы дорожной полосы. На маревых и других обводненных участках во избежание просадки насыпи за счет протаивания льда производят очистку основания. На месте удаленного льда укладывают cлань из малоценного леса и кустарника.

В тех случаях, когда земляное полотно строят по второму принципу, расчистку полосы от леса производят в зимний период. Мохорастительный покров с площади резервов удаляют весной сразу после его протаивания (рис. 4.4.11).

Рис. 4.4.11. Схема удаления мохорастительного покрова с поверхности резервов при  сохранении  его  в  основании  насыпи:
I - насыпь, II - промежуточные валы мохорастительного покрова после продольного прохода бульдозера; III - мохорастительный покров, уложенный в валы по обе стороны резервов; IV - грунт резервов; 1...3 - последовательность работы бульдозеров

На участках, где земляное полотно запроектировано по третьему принципу, подготовительные работы можно выполнять круглогодично, а мохорастительный покров удаляют весной по мере его оттаивания.

При наличии переувлажненных грунтов на участках, запроектированных по второму и третьему принципам, проводят комплекс мероприятий по их заблаговременному осушению. Наименее трудоемким и экономически целесообразным является способ рационального (естественного) осушения грунтов.

В качестве дополнительных мероприятий, ускоряющих естественный процесс осушения грунтов, являются:

а) устройство водоотводных канав;

б) снятие мохорастительного слоя;

в) удаление снега с полосы резервов в весенний период;

г) рыхление грунта перед разработкой;

д) послойная разработка грунта в резервах по мере их просыхания.

Мохоторф для теплоизоляционных прослоек заготавливают весной, разрабатывая его сразу после протаивания и перемещения в валы для просушивания в течение всего лета.

Несцементированные обломочные грунты применяют в основном для возведения земляного полотна, запроектированного по первому принципу. При втором и третьем принципах проектирования несцементированные обломочные грунты применяют лишь в случаях, когда они являются местными.

Земляное полотно, запроектированное по первому принципу, возводят в зимний период с соблюдением следующих правил:

а) работы начинают после промерзания грунта основания на глубину не менее 30 см;

б) нижние слои насыпи на высоту до 0,5 м отсыпают по способу «от себя», а последующие - «на себя»;

в) временные дороги устраивают за пределами дорожной полосы на расстоянии не менее 100 м.

Соблюдение этих правил обеспечивает полное сохранение грунтов в мерзлом состоянии. Земляное полотно отсыпают в одну или две стадии. На первой стадии строительства (в зимний период) отсыпают нижние слои насыпи толщиной более 1,2 м. На второй стадии (в летний период) отсыпают верхние слои насыпи.

Глинистые грунты применяют при сооружении земляного полотна, запроектированного по второму и третьему принципам. Для разработки и перемещения грунтов в насыпь применяют бульдозеры, скреперы, экскаваторы с транспортными средствами (табл. 4.4.5).

Переувлажненные грунты в резервах разрабатывают бульдозерами повышенной проходимости после протаивания слоя на глубину 20...25 см. Порядок укладки грунта в насыпь устанавливают в зависимости от дальности его перемещения и поперечного уклона местности.

Для уменьшения потери грунта отвал бульдозера оборудуют открылками, которые позволяют значительно увеличить объем грунта, перемещаемого перед отвалом за один цикл, а это дает возможность примерно в 1,5 раза повысить производительность бульдозера. Применение козырьков исключает возможность пересыпания грунта через верх отвала. К недостаткам бульдозеров, отвалы которых оборудованы открылками и другими уширителями, относят уменьшение их маневренности и увеличение сопротивления грунтов резанию.

Длину фронта работ L при двусторонних резервах определяют по формуле

                                                                                                 (4.4.6)

где П - производительность бульдозера, м3/сутки;

Вp - ширина резерва, м;

- толщина слоя талого грунта для бульдозера 0,20...0,25 м;

- скорость протаивания грунта в резерве слоя 20...25 см/сутки.

При возведении насыпи из глинистых грунтов соблюдают следующие требования:

а) разработку резервов начинают с низовой стороны для обеспечения стока дождевых вод;

б) после перемещения грунта в насыпь производят его разравнивание с приданием поверхности уклона 30...50‰ от оси к бровкам;

в) дно и откосы резерва планируют, а валы мохорастительного покрова разравнивают сразу после окончания земляных работ.

Насыпи из местных глинистых грунтов возводят по типовым технологическим схемам с учетом особенностей, обусловленных местными условиями.

Выемки в глинистых грунтах разрабатывают после проведения мероприятий по осушению. Грунт в выемке разрабатывают в талом или мерзлом состоянии. Разработку выемок в глинистых грунтах бульдозерами, скреперами ведут по мере оттаивания грунта на глубину 20...25 см. Выемки разрабатывают с низовой стороны для стока дождевых вод.

Глава 5.
Планировочные и укрепительные работы

5.1. Планировка земляного полотна

Планировку земляного полотна производят для придания полотну правильной формы, отвечающей техническим и эстетическим требованиям, улучшению водоотвода и для обеспечения устойчивости.

Планировочные работы ведут вслед за основными работами по возведению насыпей или разработке выемок. Чтобы при планировке приходилось только срезать лишний грунт, а не присыпать недостающий, рекомендуется отсыпать насыпи с запасом грунта на откосах 5...10 см, а откосы выемок устраивать с недобором 10...15 см. Присыпка недостающего грунта нежелательна, так как его трудно уплотнить до требуемой плотности и обеспечить устойчивое объединение свежеприсыпанного грунта с уложенным и уплотненным ранее или с естественным грунтом откоса выемки. В тех случаях, когда намечено распределение по откосу растительного грунта для посева трав, запаса на планировку не делают.

Основными машинами для планировочных работ служат автогрейдеры с дополнительным навесным оборудованием: удлинителями и уширителями отвала и специальными откосниками, прикрепляемыми к отвалу с помощью болтов. Автогрейдерами планируют верхнюю часть земляного полотна, откосы насыпей высотой до 2,0 м и выемок глубиной до 2,0 м. Пологие откосы насыпей с заложением 1:3 и более планируют автогрейдером при непосредственном движении по ним (рис. 5.1.1).

Рис. 5.1.1. Схема планировки земляного полотна автогрейдером:
а - планировка поверхности земляного полотна; б - планировка откосов крутизной 1:3

Планировочные работы выполняют в следующей последовательности: вначале планируют поверхность земляного полотна и откосы, затем внешние откосы резервов, а в последнюю очередь - дно резервов, на котором разравнивают грунт, срезанный при планировке откосов. Планировку земляного полотна и откосов следует производить автогрейдерами, оборудованными системой автоматического управления отвалом, принцип работы которого основан на функционировании автоматической системы от датчиков, перемещающихся по специально установленной копирной струне, спланированной поверхности земляного полотна или работающим по лазерным направляющим.

Пологие откосы с заложением 1:3 и более можно планировать бульдозером при движении непосредственно по откосу перпендикулярно оси дороги сверху вниз. Крутые откосы с заложением менее 1:2 планируют автогрейдером или бульдозером, оборудованным удлинителем ножа с выносом его в сторону (рис. 5.1.2).

Рис. 5.1.2.Оборудование бульдозера и автогрейдера для планировки крутых откосов:
а - вынос ножа автогрейдера в сторону, б - удлинитель отвала бульдозера, 1 и 2 - секции удлинителя; a - угол, соответствующий уклону откоса

Откосы высоких насыпей и глубоких выемок планируют с помощью экскаваторов. При насыпях до 5...7 м целесообразно применять экскаватор - планировщик с телескопической стрелой (рис. 5.1.3), при большей высоте насыпей (до 14 м) - экскаватор с двухотвальным планировщиком (рис. 5.1.4) или драглайн с обычным ковшом. Планировку экскаваторами- планировщиками производят с верхней и нижней стоянок экскаватора, планировку экскаватором-драглайном - только с верхней стоянки.

Рис. 5.1.3. Планировка откосов экскаватором-планировщиком с телескопической стрелой:
а - планировка верхней части откоса; б - планировка нижней части откоса; А - первая зона планировки; В - вторая зона планировки

Рис. 5.1.4. Планировка откосов экскаватором с двухотвальным планировщиком:
а - планировка верхней части откоса; б - планировка нижней части откоса

При планировке откосов глубоких выемок срезаемый грунт должен быть вывезен за пределы выемки. При планировке резервов с разравниванием грунта, срезаемого с поверхности откосов, необходимо следить за тем, чтобы были точно выдержаны продольный и поперечный уклоны дна резерва и тем самым обеспечен водоотвод.

В процессе планировочных работ тщательно контролируют высотные отметки и крутизну откосов на всех пикетах, переломных и промежуточных точках, закрепленных при разбивке земляного полотна. Техническая характеристика экскаваторов-планировщиков приведена в табл. 5.1.1.

Таблица 5.1.1

Экскаваторы-планировщики

Показатели

ЭО-3523А-1

ЭО-3532А

660Е

Базовые шасси

МЛЗ-5337

-

КрАЗ-250

Вместимость ковша обратной лопаты, м3

0,5

0,63

0,67

Максимальная глубина копания, м

4,6

4,7

6,6

Максимальный радиус копания, м

8,3

8,4

7,3

Максимальная высота выгрузки

4,8

4,8

3,6

Угол поворота ковша вокруг продольной оси стрелы, град

45

45

-

Длина планируемого участка с одной стоянки, м

3,2

5,6

3,6

Транспортная скорость, км/ч

60

70

80

Масса, кг

16000

18000

23133

Габаритные размеры, м

7,9´2,5´3,85

7,9´2,5´3,65

-

5.2. Укрепление земляного полотна

Откосы земляного полотна, а также дно и откосы кюветов и канав укрепляют для предохранения от размыва текущими поверхностными водами, а также во избежание повреждения откосов дождями и выдуванием грунтов ветром (особенно при мелкозернистых песках). Конструкцию укрепления выбирают в зависимости от рода грунта и сил воздействия природно-климатических факторов на земляное полотно с учетом технико-экономической эффективности различных укрепительных конструкций. При этом предпочтение отдают таким конструкциям укреплений, устройство которых возможно индустриальными способами.

Способ укрепления предусматривается проектом с учетом условий сооружения земляного полотна и возможного воздействия на него природных факторов в процессе эксплуатации дороги. При выборе типа укрепления исходят из необходимости надежного обеспечения устойчивости земляного полотна [12, 15].

Основным методом укрепления откосов насыпей, неподтопляемых водой, и откосов выемок является посев многолетних трав, обеспечивающий быстрое создание на откосе дернового покрова и надежное закрепление грунта корневой системой трав. Посев может быть осуществлен двумя способами: механизированным посевом трав по слою растительного грунта, уложенного на откосах; гидропосевом трав без предварительного создания растительного слоя на откосах.

При первом способе на откос укладывают растительный грунт слоем 10...15 см, а затем производят посев трав. Смесь семян многолетних трав, например, тимофеевка луговая, костер безосный, люцерна, высевают агрегатом АДТС-2, который перемещается по откосам драглайном или тракторным краном. Этот агрегат одновременно вносит минеральные удобрения, рыхлит комья растительного грунта, прикатывает засеянную поверхность. Производительность агрегата от 4000 до 9000 м2 в смену в зависимости от высоты насыпи и глубины выемки.

Второй способ (гидропосев) предпочтителен, так как при этом отпадает трудоемкий процесс по созданию растительного слоя грунта на откосах. При гидропосеве применяют смесь, состоящую из семян трав, минеральных удобрений, мульчирующего материала, пленкообразующего компонента и воды. Мульчирующий материал (измельченная солома, опилки) и пленкообразующий материал (битумная эмульсия или латекс) создают на откосе благоприятные условия для роста и развития трав и предохраняют откос от водной и ветровой эрозии.

Для гидропосева применяют специальные машины типа ДЭ-16, состоящие из цистерны с лопастной мешалкой, насоса, шлангов и гидромонитора для разбрызгивания смеси по откосу. Производительность гидросеялки в среднем составляет около 4000 м2 в смену.

Гидропосев многолетних трав следует производить на предварительно увлажненную поверхность откосов.

Когда требуется ускорить получение укрепительного слоя, производят одерновку откосов, т.е. поверхность грунта покрывают готовым дерном, срезанным с применением машины дернореза-дерноукладчика (сменное оборудование к гидравлическому экскаватору). При одерновке в клетку на откос укладывают дерновые ленты в двух взаимно перпендикулярных направлениях с последующей засыпкой клеток между лентами растительным грунтом. При сплошной одерновке плашмя дернины укладывают горизонтальными рядами от подошвы насыпи к бровкам с размещением швов между дернинами в перевязку. Дерн на откосах закрепляют деревянными спицами.

Способ укрепления откосов одерновкой в настоящее время применяется крайне редко ввиду его большой трудоемкости.

В районах, где климатические и почвенные условия не позволяют укреплять неподтопляемые откосы посевом трав, их укрепляют укладкой слоя гравия или щебня толщиной 10...15 см. В засушливых районах для защиты песчаных насыпей от развевания ветром на откосы укладывают слой связного грунта (глина с добавлением песка). В этом случае по низу откосов устраивают дренажные выпуски для выхода воды из тела насыпи.

Для укрепления песчаных грунтов применяют органические вяжущие материалы: битум, деготь, нефтяные остатки и отходы промышленности. Откосы обрабатывают путем розлива вяжущих или распределения по откосу предварительно приготовленной смеси из обработанного грунта.

Одно из перспективных направлений укрепительных работ - использование в откосах или на их поверхности прослоек из геотекстиля. Для укрепления откосов земляного полотна используют как сплошной геотекстиль, так и мелкоячеистый, при использовании которого предусматривается покрытие откоса растительным грунтом с последующим посевом трав.

Конструкции укрепления из геотекстиля могут быть защитными и несущими. Их использование предполагает широкую комбинацию с применением естественных материалов (засыпка грунтом, посев трав, каменная наброска и др.) и искусственных (сборные плиты, решетчатые конструкции и др.).

Применение геотекстиля для укрепления откосов основано на использовании их в качестве армирующего грунт поверхностного слоя (или более глубокой части откоса) элемента или фильтра. При этом в зависимости от вида, назначения и условий работы конструкции укрепления прослойки из геотекстиля выполняют роль покрытия (сплошного или мелкоячеистого), защищающего откос от водной или ветровой эрозии, армирующего элемента, повышающего устойчивость откосов, а также роль обратного фильтра и фильтра, предотвращающего вынос частиц грунтовыми водами.

Для защиты неподтапливаемых откосов от водной и ветровой эрозии геотекстиль расстилают по всей поверхности откоса в виде сплошного покрытия. Верхний край выводят на обочину и далее до укрепительной полосы. Нижний край закрепляют у подошвы насыпи.

В тех случаях, когда необходимо повысить устойчивость откосов или увеличить крутизну, геотекстиль располагают в пределах откосной части насыпи в виде многослойного армирующего элемента (рис. 5.2.1). Такую конструкцию целесообразно сочетать с поверхностной защитой от размыва путем вывода свободных концов полотна на откос с последующим засевом их поверхности гидропосевом или устройством засыпки. Глубина закладки полотен в тело насыпи определяется расчетом в зависимости от необходимой степени обеспечения устойчивости.

Рис. 5.2.1. Поперечные разрезы земляного полотна с откосами, укрепленными геотекстилем:
а - армирование откоса; б - то же, и защитной поверхности откоса:
1 - покрытие; 2 - обочина; 3 - геотекстиль

Укрепление откосов высоких насыпей с заложением откосов от 1:2 до 1:3 нередко осуществляют с использованием сборных железобетонных элементов решетчатой конструкции. Работы по укреплению откосов производят в следующей технологической последовательности: подготовка откосов - планировка и уплотнение; устройство бетонного упора у подошвы откоса; монтаж железобетонных элементов решетчатой конструкции; заполнение клеток растительным грунтом с посевом трав (клетки могут быть заполнены также щебнем или гравием).

Монтаж решетчатой конструкции укрепления из сборных элементов осуществляют снизу вверх. Подачу деталей производят краном; места стыковки омоноличивают; грунт, гравий или щебень для заполнения ячеек подают также краном.

Решетчатая конструкция с диагональным расположением элементов разработана СоюздорНИИ для защиты откосов от эрозийных деформаций (показана на рис. 5.2.2.)

Рис. 5.2.2. Решетчатая конструкция с диагональным расположением элементов:
а - поперечный разрез укрепления насыпи; б - вид сбоку:
1 - продольный элемент; 2 - диагональный элемент

Кроме сборных решетчатых конструкций, для укрепления неподтопляемых откосов применяют укладку гравия или щебня слоем 10...15 см. После распределения и разравнивания этого материала на откосе производят его уплотнение с помощью площадочных вибраторов или катков, монтируемых на тросах к экскаватору-драглайну.

Укрепление скальных откосов в выемках и полувыемках, подверженных естественному разрушению, выполняют методом пневмонабрызга бетоношприцмашиной. При этом способе на поверхность откоса с помощью сжатого воздуха распределяют известково-гипсовую, цементо-песчаную или цементобетонную смесь. Пневмонабрызг позволяет укладывать смесь без опалубки и не требует последующего уплотнения смеси. Толщина наносимого слоя различна.

Применяют конструкции:

- облегченные толщиной 25 мм;

- средние - 40...60 мм;

- усиленные до 100 мм (с металлической сеткой);

- мощные толщиной более 100 мм с металлической сеткой и закреплением анкерами.

Технология работ включает: подготовительные работы; нанесение смеси на откос; уход за покрытием.

Подготовительные работы состоят из приготовления смеси и подготовки самого откоса. Поверхность откоса планируют и удаляют отдельные крупные включения. Если конструкция укрепления предусматривает применение металлической сетки (арматуры), то ее навешивают на откос и закрепляют анкерами. Перед нанесением смеси на откос его предварительно увлажняют. Рабочую смесь наносят на откос снизу вверх. Основное оборудование для пневмонабрызга монтируют на автомобильном прицепе. Уход за укрепленным откосом осуществляют путем его увлажнения.

На подтопляемых участках при возможности интенсивного размыва (например, на подходах к мостам, на поймах рек, вблизи озер, морей и крупных водохранилищ и др.) на откосах создают прочную неразмываемую облицовку из готовых сборных элементов - бетонных и железобетонных плит, монолитного железобетона. Применение этих способов укрепления возможно при крутизне откоса не более 1:2.

Бетонные плиты размером в плане 100´100 см и толщиной 16...20 см (рис. 5.2.3) рекомендуется укладывать на откосы при возможной скорости течения воды до 3 м/с и высоте волны не более 0,7 м. Плиты укладывают горизонтальными рядами снизу вверх по откосу с перевязкой швов. У подошвы откоса устраивают бетонный упор из сборных элементов сечением 40´50 см. Под плитами устраивают гравийную или щебеночную прослойку толщиной 10...20 см.

Рис. 5.2.3. Укрепление откоса подтопляемой насыпи бетонными плитами:
1 - бетонные плиты; 2 - слой щебня или гравия толщиной 10...20 см; 3 - бетонный упор; 4 - каменная наброска; 5 - укрепление гравием, щебнем или посевом трав

На участках трассы с меньшей вероятностью подтопления и малой скоростью течения воды для укрепления откосов применяют плиты меньших размеров в плане 40´40...60´60 см, толщиной 8...10 см.

Для укрепления откосов постоянно или периодически подтопляемых насыпей при высоте волны до 1,0...1,5 м применяют сборные железобетонные плиты размером в плане 3,0´2,5 м и толщиной 15...20 см, армированные стальными сетками. Плиты укладывают на обратный фильтр, состоящий из трех слоев: песка (10 см); мелкого щебня или гравия (10 см) и крупного гравия или щебня (15 см). У подошвы откоса устраивают упорную призму из камня. Плиты соединяют стальными хомутами, надеваемыми по одному на каждую сторону плиты, на крюки, загибаемые на выпусках арматуры или путем сварки этих выпусков.

При большей высоте волны (до 3 м) откосы укрепляют сборными железобетонными плитами, омоноличенными по контуру с помощью железобетонных подкладок и стальных закладных деталей, или монолитными железобетонными плитами размерами в плане 5,0´5,0 до 10,0´10,0 м и толщиной от 15 до 30 см.

Монолитные плиты укладывают на подготовку из гравия или щебня толщиной 15 см. У подошвы откоса устраивают каменный или бетонный упор. Плиты армируют сетками. Бетонирование ведут сверху вниз горизонтальными рядами. Бетонную смесь к месту укладки подают автомобильным краном в бадьях с разгрузочными затворами. Для уплотнения бетона применяют виброрейки, площадочные и глубинные вибраторы.

В районах, где имеются местные дешевые каменные материалы, подтопляемые откосы от размыва можно защищать каменной наброской. Этот способ укрепления откосов широко распространен благодаря его простоте и возможности полной механизации работ по добыче камня в карьерах, его транспортированию и укладке в дело. Каменную наброску укладывают на подготовку, устраиваемую из местных песчано-гравийных материалов.

Размер камня, толщина наброски и подготовки под нее предусматриваются проектом в зависимости от скорости течения воды и высоты воды.

Способ укрепления подтопляемых откосов мощением камнем имеет в настоящее время ограниченное распространение из-за его трудоемкости. Этот способ применяют главным образом при выполнении ремонтных работ небольшого объема. Камни (обычно размером 15...20 см) кладут снизу вверх по откосу горизонтальными рядами на слой мха, соломы или песка толщиной 5...10 см. У подошвы откоса устраивают упорную берму шириной не менее 1,0 м из более крупного камня. Мощение должно быть настолько плотным, чтобы отдельные камни нельзя было вытащить рукой.

Как видно из вышеизложенного, конструкции укрепления подтопляемых откосов весьма разнообразны. В современных условиях применяют преимущественно такие, детали которых можно изготовить индустриальным методом и укладывать с применением машин.

Основными условиями, определяющими конструкцию укрепления подтопляемых насыпей, являются скорости течения воды, а также сила и направление волнения воды при ветре (табл. 5.2.1).

Конструкции укрепления откосов выбирают на основе технико-экономического сравнения вариантов с учетом природно-климатических факторов, наличия местных материалов и других условий.

Таблица 5.2.1

Допустимые средние (неразмывающие) скорости воды при различных укреплениях грунта, м/с

Вид укрепления

Средняя глубина потока, м

0,4

1,0

2,0

3,0

Одерновка плашмя па прочном основании

0,9

1,2

1,3

1,4

Каменная наброска из камня размерами 15...20 см

3,0...3,5

3,35...3,8

3,75...4,3

4,1...4,65

Каменная наброска из камня размерами 20...30 см

3,5...3,85

3,8...4,35

4,3...4,7

4,65...4,9

Одиночное мощение слоем не менее 10 см при размерах камня 15...25 см

2,5...3,5

3,0...4,0

3,5...4,5

4,0...5,0

Железобетонные плиты

5,0...6,5

6,0...8,0

7,0...10,0

7,5...12,0

5.3. Контроль качества земляного полотна и правила его приемки

До начала работы по возведению земляного полотна проверяют соответствие принятых в проекте показателей состава (крупность частиц, пластичность глинистых грунтов) и состояния (влажность, плотность) грунта в карьерах, резервах, выемках с фактическими характеристиками грунтов.

При операционном контроле качества сооружения земляного полотна проверяют:

- правильность размещения осевой линии земляного полотна в плане и высотные отметки;

- толщину снимаемого плодородного слоя грунта;

- плотность грунта в основании земляного полотна;

- влажность отсыпаемого в насыпь грунта;

- толщину уплотняемых слоев;

- однородность грунта в слоях насыпи;

- плотность грунта в слоях насыпи;

- ровность поверхности;

- поперечный профиль земляного полотна (расстояние между осью и бровкой, поперечный уклон, крутизну откосов);

- правильность выполнения водоотводных и дренажных сооружений, укрепления откосов и обочин.

Проверку правильности размещения оси земляного полотна, высотных отметок, обочин, водоотводных и дренажных сооружений и толщин слоев следует производить не реже чем через 100 м (в трех точках на поперечнике) с помощью геодезических инструментов и шаблонов.

Для контроля высотных отметок земляного полотна можно использовать лазерный измерительный прибор ПИЛ - 1 (рис. 5.3.1) [1, 2].

Рис. 5.3.1. Схема установки ПИЛ-1:
1 - измерительная рейка; 2 - фотоприемник; 3 - регистр результатов измерений (стрелочный прибор); 4 - лазерный передатчик; 5 - штатив; 6 - блок питания

Во время работы фотоприемник 2 перемещают вдоль рейки 1 до появления показаний на стрелочном приборе 3, после чего снимают отсчет со шкалы рейки. Применение ПИЛ - 1 позволяет повысить точность измерений и увеличить производительность труда геодезистов.

Проверку крутизны откосов выполняют с помощью переносных лекал-шаблонов. Для оперативного контроля качества планировки откосов и определения высоты земляного полотна можно воспользоваться способом, предложенным Н.А. Михайленко. Сущность его заключается в том, что эклиметром и рейкой можно заменить использование шаблонов и геодезических инструментов. При проверке крутизны заложения откоса и высоты насыпи на откос укладывают рейку 1 длиной не менее 3,0 м, к ней прикладывают эклиметр 2 и измеряют угол наклона a (рис. 5.3.2).

Рис. 5.3.2. Схема контроля крутизны откоса насыпи:
1- рейка; 2 - эклиметр

Рейкой измеряют длину откоса насыпи l, высоту насыпи (глубину выемки) рассчитывают по формуле

h = l · sina,                                                                                                                  (5.3.1)

С помощью рейки выявляют неровности на поверхности откосов и устанавливают маяки для срезки или подсыпки грунта.

При контроле ведут журнал, в который записывают дату проверки, проектные и фактические параметры земляного полотна и их отклонения, объемы выполненных работ, а также предложения по оценке качества контролируемых работ. По результатам контроля выполняют исполнительные чертежи земляного полотна. Результаты контроля используют для выявления отклонений фактических параметров земляного полотна от проектных.

В случае выполнения земельных работ дорожными машинами (автогрейдерами, профилировщиками) со следящей системой управления, обеспечивающей их высотное положение и автоматическое движение по заданному курсу, осуществляют контроль качества установки копирных струн на всех этапах этого процесса. Копирную струну устанавливают у бровки насыпи. Крепят ее на металлических стойках, устанавливаемых через 20...30 м друг от друга. Возвышение копирной струны над бровкой земляного полотна - 50...60 см. Опорные стойки и копирную струну устанавливают по нивелиру (рис. 5.3.3).

Рис. 5.3.3. Схема установки копирной струны для автоматического регулирования работы автогрейдера:
1 - стойка; 2 - лебедка; 3 - промежуточные стойки; 4 - копирная струна; 5 - растяжка; 6 - барабан

Применение различных автоматизированных систем должно гарантировать строгое соблюдение проектных геометрических элементов земляного полотна. Допустимые отклонения от проектных размеров земляного полотна приведены в табл. 5.3.1.

Таблица 5.3.1

Допустимые отклонения параметров земляного полотна от проектных значений

Показатели

Допустимые отклонения

Порядок контроля

Высотные отметки продольного профиля полотна и каналов

±5 см

Продольное нивелирование

Отклонение по ширине земляного полотна

±10 см

Через каждые 50 м

Крутизна откосов (увеличение)

10 %

То же

Поперечные размеры (по дну) нагорных и боковых канав

±5 см

"

Глубина канав

±5 см

"

Поперечные размеры дренажей

±5 см

Через каждые 50 м и в местах выпуска вод

Продольные уклоны дренажей

±10 %

Продольное нивелирование

Снижение плотности от проектных значений нескальных грунтов в слоях земляного полотна не более чем в 10 % определений от их общего числа

2...4 %

Через 50 м верхнего слоя земляного полотна

Приемку выполненных работ проводят в целях соответствия возведенного земляного полотна конструкции, предусмотренной в проекте, а также с целью проверки фактически выполненных объемов работ.

Без приемки земляного полотна (с участием представителей технического надзора заказчика, авторского надзора проектной организации и др.) с оформлением соответствующего акта не допускают работы по строительству конструктивных слоев дорожной одежды.

Приемка работ - это одно из мероприятий, способствующее повышению качества строительных работ. Приемку, как правило, производят в несколько этапов:

- приемка «скрытых работ»;

- промежуточная приемка законченных отдельных конструктивных элементов;

- приемка готового земляного полотна.

К «скрытым» относят работы, которые при последующем осуществлении конструкции будут скрыты и недоступны для внешнего осмотра, обмера или взятия проб для лабораторного анализа. К скрытым работам относят подготовку основания насыпи - удаление растительного грунта, уплотнение естественного основания под насыпью, устройство уступов на косогорах и др. Приемку скрытых работ осуществляют по мере их выполнения. До составления актов о приемке скрытых работ приступать к последующим работам не разрешается.

Промежуточные приемки законченных отдельных конструктивных элементов (дренажи, трубы, подпорные стенки, водоотводные канавы и др.) имеют цель установить количество и объем выполненных работ, соответствие их проектным решениям и техническим нормативам. При промежуточной приемке определяется возможность производства последующих работ. Промежуточные приемки законченных сооружений осуществляют по мере их готовности, однако ее можно делать и позже, если сооружение не будет скрыто последующими работами.

Приемку готового земляного полотна принимает комиссия в составе: представителя технического надзора заказчика, автора проекта или его представителя, руководителя строительного подразделения, выполнявшего работы и др.

Приемной комиссии представляют следующие документы:

- технический проект (или рабочие чертежи) принимаемого сооружения;

- акты на скрытые работы, выполненные ранее;

- акты геодезической разбивки и установки реперов;

- исполнительные (или рабочие) чертежи с отметкой о допущенных отступлениях от проектных решений;

- журналы и акты лабораторных испытаний;

- журналы производства работ.

В процессе работ по приемке комиссии руководствуются техническими правилами на рассматриваемый вид работ или конструкцию сооружения и утвержденными допустимыми отклонениями, которые обычно приводятся в соответствующих инструкциях и технических правилах, Некоторые данные, которыми следует руководствоваться при приемке земляного полотна, приведены в табл. 5.3.2.

Таблица 5.3.2

Параметры, используемые при оценке качества возведения земляного полотна, и условия их оценки

Конструктивный элемент, вид работ и контролируемый параметр

Условия оценки на

"хорошо"

"отлично"

1. Подготовка основания земляного полотна:

1.1 Толщина снимаемого плодородного слоя грунта

Не более 10 % результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до ±40 %, остальные до ±20 %

Не более 5 % результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до ±40 %, остальные до ±20 %

1.2. Снижение плотности естественного основания

Не более 10 %  результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до 4 %, остальные должны быть не ниже проектных значений

Не более 10 %  результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до 2 %, остальные должны быть не ниже проектных значений

2. Возведение насыпей и разработка выемок:

2.1. Снижение плотности слоев земляного полотна из нескальных грунтов

Не более 10 %  результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до 4 %, остальные должны быть не ниже проектных значений

Не более 10 %  результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до 2 %, остальные должны быть не ниже проектных значений

2.2. Высота отметки продольного профиля

Не более 10 %  результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до ±100 (20) мм, остальные - до ±50 (10) мм

Не более 5 %  результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до ±100 (20) мм, остальные - до ±50 (10) мм

2.3. Расстояние между осью и бровкой земляного полотна

Не более 10 %  результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до ±20 см, остальные - ±10 см

Не более 5 % результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до ±20 см, остальные - до ±10 см

2.4. Поперечные уклоны

Не более 10 %  результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах от минус 0,015 (-0,010) до -0,030 (-0,015), остальные - до ±0,010 (±0,005)

Не более 5 % результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах от минус 0,015 (-0,010) до -0,030 (-0,015), остальные -до ±0,010 (±0,005)

2.5. Уменьшение крутизны откосов

Не более 10%  результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до 20%, остальные - до 10 %;

Не более 5%  результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до 20%, остальные - до 10 %;

3. Устройство водоотвода:

3.1. Увеличение поперечных размеров кюветов, нагорных и других канав (по дну)

Не более 10 %  результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до 10 см, остальные - до 5 см

Не более 5 %   результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до 10 см, остальные - до 5 см

3.2. Глубина кюветов нагорных и других канав (при условии обеспечения стока)

Не более 10 %  результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до ±10 см. остальные - до ±5 см

Не более 5 %   результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до ±10 см, остальные - до ±5 см

3.3. Поперечные размеры дренажей

Не более 10 %   результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до ±10 см, остальные - до ±5 см

Не более 5 %   результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до ±10 см, остальные - до ±5 см

3.4. Продольные уклоны дренажей

Не более 10 %   результатов определений могут иметь отклонения от проектных значении в пределах до ±20 %, остальные - до ±10 %

Не более 5 %   результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до ±20 %, остальные - до ±10 %

4. Устройство присыпных обочин:

4.1. Снижение плотности грунта в обочинах

Не более 10 % результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до 4 %, остальные должны быть не ниже проектных значений

Не более 10 % результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах до 2 %, остальные должны быть не ниже проектных значений

4.2. Поперечные уклоны обочин

Не более 10 % результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений и пределах от 1,5 до 3 % (1,0...1,5), остальные - до ±0,1 % (0,5)

Не более 5 % результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах от 1,5 до 3 % (1,0...1,5), остальные - до ±0,1 % (0,5)

5. Укрепление откосов:

5.1. Толщина укрепления

Не более 10 % результатов определений могут имен, отклонения от проектных значений н пределах от минус 22 до 30 мм. остальные - до ±15 мм

Не более 5 % результатов определений могут иметь отклонения от проектных значений в пределах от минус 22 до 30 мм, остальные - до ±15 мм

Примечание. Данные в скобках относятся и к работам, выполняемым с применением машин с автоматической системой задания вертикальных отметок.

Оценку качества устройства земляного полотна следует производить на основе расчета комплексного показателя по формуле

                                                                            (5.3.2)

где Р - комплексный показатель;

s1...s5 - соответственно оценка качества подготовки основания земляного полотна, возведения насыпей и разработки выемок, устройства водоотвода, присыпных обочин и укрепительных работ в баллах;

a1...a5 - коэффициенты значимости видов работ, принимаемые соответственно 0,7; 1,0; 0,8; 0,6; 0,7.

Оценку качества отдельных видов работ следует производить по результатам осредненных оценок степени соответствия параметров требованиям проекта и нормативных документов по формуле

                                                                                                              (5.3.3)

где Si - оценка качества подготовки основания земляного полотна;

Pi - оценка степени соответствия i-го параметра требованиям проекта и нормативных документов, выраженных в баллах;

п - количество параметров, подлежащих оценке по каждому виду работ.

Например, качество подготовки основания земляного полотна оценено баллами: удаление плодородного слоя грунта - 5; плотность естественного основания подошвы насыпи - 4

Качество возведение насыпи: плотность слоев земляного полотна - 4; высота насыпи земляного полотна - 4; ширина земляного полотна - 5; поперечный уклон - 5; крутизна откосов - 4.

Оценку качества устройства земляного полотна определяют по формуле (5.3.2) в зависимости от значения показателя Р:

«отлично» при Р = 4,61...5,0;

«хорошо» при Р = 3,91...4,6;

«удовлетворительно» при Р = 3,0...3,9.

В случае, если земляное полотно возведено с малозначительными отклонениями параметров, не указанных в табл. 5.3.2, от требований технической документации, согласованными с проектной организацией и заказчиком, значение комплексного показателя Р, рассчитанного по формуле (5.3.2) для соответствующего вида работ, снижается на 0,25 (за каждый параметр). Если значение этого показателя получится меньше трех, данный вид работ оценивается на «удовлетворительно».

Если при оценки степени соответствия параметров по какому-либо виду работ требования проекта и нормативных документов не выполнены, то работы подлежат повторной приемке и оценке после переделки (исправления).

РАЗДЕЛ II
ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Глава 6.
Основы дорожно-строительных материалов

6.1. Свойства дорожно-строительных материалов

Дорожно-строительные материалы в период эксплуатации в сооружении (дорожная одежда, искусственные сооружения и другие) подвергаются воздействию внешних механических сил и физико-химических факторов окружающей среды. К внешним механическим воздействиям относят ударные и статические нагрузки транспортных средств, механическую работу воды, ветра и другие. К физико-химическим факторам относят колебания температуры воздуха, инсоляцию, атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые воды.

В зависимости от того, в каком элементе дорожной конструкции работают материалы, они по-разному подвергаются воздействию внешних сил и физико-химическим процессам окружающей среды. Так, атмосферные воды, попадая в отдельные слои дорожной одежды, могут нарушать структурные связи в материале, растворять и вымывать некоторые вещества. Минерализованные воды постепенно разрушают такие материалы, как грунтоцемент, цементобетон и др. Колебания температуры периодически изменяют внутренние напряжения в материалах, а также изменяют их состояние, что приводит к ослаблению структурных связей, появлению микротрещин, сдвигов под воздействием транспортных средств. С течением времени, под влиянием сложного комплекса механических, физических и химических факторов, строительные материалы в дорожных конструкциях постепенно разрушаются. Интенсивность разрушения определяется особенностями внешних воздействий, конструкцией дорожной одежды и свойствами материалов - объективными признаками, проявляющимися при производстве, применении и работе материалов в конструкциях. Пригодность материалов для конкретных условий определяют по их свойствам. Свойства материалов многообразны, что обусловлено, главным образом, их вещественным составом.

6.1.1. Физические свойства

Физические свойства характеризуют физическое состояние материала, а также определяют его отношение к физическим процессам окружающей среды. При этом физические процессы в материале не изменяют строение его молекул. Обычно к таким свойствам относят истинную плотность (удельный вес), среднюю плотность (объемную массу), насыпную плотность (насыпная масса), пористость, пустотность, влажность, водопоглощение, водонасыщение, усадку, огнеупорность, огнестойкость, светостойкость.

Истинная плотность - масса вещества материала в единице объема (без пор и пустот). Истинную плотность выражают отношением массы материала в сухом состоянии к объему материала в абсолютно плотном состоянии. Истинную плотность выражают в кг/м3. Для определения истинной плотности хрупких материалов, обладающих пористостью, их тонко размельчают, получая частицы размером менее 0,25 мм. Истинная плотность основных дорожно-строительных материалов колеблется от 2500 до 3300 кг/м3.

Средняя плотность (объемная масса) - масса единицы объема материала в естественном состоянии (с порами, пустотами, микротрещинами и т.д.). Средняя плотность строительных материалов меньше истинной плотности. Чем меньше пористость материала, тем ближе значение средней плотности к истинной плотности.

Насыпная плотность (насыпная масса) - масса единицы объема материала в рыхлом состоянии, Насыпная плотность включает, кроме пор, пустот и трещин в зернах материала, пустоты между зернами. Чем больше средняя плотность материала, тем меньше его пористость и лучше он проводит тепло, звук и т.д.

Таблица 6.1.1

Плотность строительных материалов

Материал

Истинная плотность, кг/м3

Средняя плотность, кг/м3

Насыпная плотность, кг/м3

Гранит

2600...2800

2500...2700

-

Известняк плотный

2400...2600

1800...2400

-

Кирпич глиняный

2900...3100

1600...1800

-

Древесина

1500...1600

500...1000

-

Битум

1000...1200

1000

-

Сталь

7800...7900

7 800...7900

-

Щебень гранитный

2600...2800

-

1400...1600

Песок кварцевый

2600...2700

-

1350...1600

Портландцемент

2900...3300

-

1200...1300

Пористость характеризует количество пор и микротрещин в единице объема материала

                                                                                                   (6.1.1)

где - средняя плотность материала, кг/м3;

- истинная плотность материала, кг/м3.

Пористость в значительной мере обуславливает физические, механические и другие свойства материалов. Чем больше пористость, тем меньше прочность и теплопроводность, больше водо- и газопроницаемость. Опытный инженер по пористости ориентировочно может определить многие свойства материалов.

Пустотность - характеризует объем пустот между зернами рыхлого материала

Vпуст = (1 - rн /rи)·100,                                                                                                (6.1.2)

где - насыпная плотность материала, кг/м3;

Влажность - содержание воды в единице объема или массы в процентах:

Wо = (mв - mc)/V·100 или Wm =( mв - mc)/mв·100,                                                      (6.1.3)

где и mc - масса влажного и сухого образца материала, г;

V - объем материала, см3.

Природная влажность материала зависит от его гигроскопичности, т.е. способности материала поглощать водяной пар из влажного воздуха за счет адсорбации пара на внутренней поверхности пор и капилляров. Чем больше внутренняя поверхность материала, тем больше гигроскопичность, а следовательно, и природная влажность. Для древесины она - 12...18 %, для стеновых каменных материалов - 4...7 % по массе.

Водопоглощение - количество воды, которое может поглотить погруженный в воду материал, а затем удержать его молекулярными и капиллярными силами при атмосферном давлении.

Средняя плотность (объемная масса) материала одного и того же состава зависит от влажности и пористости материала (рис. 6.1.1). С увеличением пористости, а следовательно и влажности, средняя плотность увеличивается.

Водонасыщение определяется количеством воды, которое может поглотить материал при вакууме или повышенном давлении. В этом случае из открытых пор вытесняется воздух, вследствие чего материал насыщается водой больше, чем при атмосферном давлении. Водопоглощение и водонасыщение изменяются в пределах: у гранита от 0,02 до 0,7, у асфальтобетона - от 2 до 5, у кирпича - от 8 до 15 %.

 

Рис. 6.1.1. Зависимость средней плотности известняков rср от их водопоглощения W

Усадка - изменение размеров материала при его высыхании.

Набухание - увеличение объема материала при насыщении его водой.

Многократное высыхание и увлажнение материала ускоряет его разрушение.

Водонепроницаемость - способность материала не пропускать воду. Водонепроницаемость тесно связана с естественной влажностью материала, водопоглощением и водонасыщением.

Теплопроводность - способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникший вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Коэффициент теплопроводности колеблется от 0,06 (минеральная вата) до 58 (сталь), для кирпича он равен 0,82, для бетона - 1,28...1,55, для гранита - 2,92.

6.1.2. Механические свойства

Механические свойства - способность материала сопротивляться деформированию и разрушению под действием напряжений, возникающих в результате приложения внешних сил.

Нагрузки вызывают в материалах нормальные (растягивающие, сжимающие) и касательные напряжения, обуславливающие процессы деформирования материала. К основным показателям, характеризующим механические свойства, относят: прочность, упругость, пластичность, хрупкость, ползучесть.

Прочность - важнейшее свойство материала, в большинстве случаев, определяет возможность его использования в строительной конструкции. Показатели прочности в значительной степени являются условными. Они зависят от размера и формы образца, скорости его нагружения и других факторов. Поэтому методика определения прочности строительных материалов строго регламентируется нормативно-техническими документами. Прочность материала измеряется мегапаскалями (МПа).

Прочность при сжатии стандартного образца в форме куба определяют по формуле

Rк = Р/а2 , МПа,                                                                                                          (6.1.4)

где Р - разрушающее усилие, кг;

а - размер ребра куба (для бетона 15´15´15), см.

Прочность при сжатии стандартного образца в виде цилиндра

Rц = 4P/pd2,                                                                                                                (6.1.5)

где d - диаметр цилиндра (для испытания бетона принять цилиндр диаметром d = 15 см и высотой h = 30 см).

Наиболее прочными являются металлы, например, сталь (150...500 МПа), прочность гранита при сжатии - 120...150 МПа, при растяжении - менее 10 МПа. Прочность бетона при сжатии изменяется от 1 до 100 МПа, а при растяжении их прочность в 10...15 раз меньше. Прочность асфальтобетонов при сжатии - 5...7 МПа (температура при испытании - 20...25°С).

Предел прочности бетона на растяжении при изгибе определяют на балочке в виде призмы размером 15´15´60 см по формуле

Rр.и. = pl/bh2, МПа,                                                                                                      (6.1.6)

где l, b, h - соответственно, длина, ширина и высота балочки, см.

Упругость выражается в восстановлении первоначальной формы и объема образца после прекращения действия внешних сил.

Вязкость - свойство твердых тел под воздействием внешних сил необратимо поглощать механическую энергию при пластической деформации. Абсолютно упругих и абсолютно вязких материалов нет, все дорожно-строительные материалы обладают в той или иной степени упругостью и вязкостью.

Упругость и вязкость материала характеризуется, соответственно, модулем упругости и коэффициентом вязкости:

Е = s/e,                                                                                                                       (6.1.7)

h = s : de/dt,                                                                                                               (6.1.8)

где Е, h - модуль упругости и коэффициент вязкости;

s - напряжение, МПа;

e, de/dt - относительная деформация и скорость изменения относительной деформации, С-1.

Пластичность - способность материала необратимо деформироваться под влиянием действующих на него усилий без разрыва сплошности (образования трещин).

Хрупкость - свойства материалов под влиянием внешних сил разрушаться, не давая остаточных пластических деформаций. Хрупкость противоположна пластичности. Хрупкость и пластичность материалов зависят от температуры и режима нагружения. Например, битумы хрупки при пониженной температуре и быстро нарастающей нагрузке, пластичны при медленно действующей нагрузке и повышенной температуре. Хрупкие материалы плохо сопротивляются напряжению, динамическим и повторным нагрузкам.

Ползучесть - способность материалов длительно деформироваться под действием постоянной нагрузки. Ползучесть материалов возрастает с уменьшением их вязкости, поэтому большей ползучестью обладают вязкие пластичные материалы (например, асфальтобетон) и меньшей - хрупкие, упругие материалы (например, цементобетон).

6.1.3. Химические свойства

Химические свойства материала определяют его способность вступать в химические взаимодействия с веществами среды, в которой он находится, при этом появляются новые вещества. К химическим свойствам можно отнести: растворимость, коррозийную стойкость, атмосферостойкость, твердение, адгезию и др.

Химические свойства учитывают при оценке пригодности материала для тех или иных целей в строительстве.

Растворимость - способность образовывать истинные растворы в результате взаимодействия материала с водой или с другими растворителями. Строительные материалы, в большинстве случаев, должны быть нерастворимы в условиях их эксплуатации.

Коррозийная стойкость - свойства материала не разрушаться в агрессивных средах. Наиболее стойкими по отношению к агрессивным средам являются керамические материалы. Неустойчивы в кислой среде известняки, доломиты, древесина, портландцементы; к щелочной среде - древесина, битумы.

Атмосферостойкость - свойство материала не разрушаться под воздействием климатических условий. С атмосферостойкостью материала часто связана его склонность к старению вследствие протекания в нем физико-химических процессов и ухудшения свойств. Старение характерно для битумов, асфальтобетонов.

Твердение - свойство материалов затвердевать в результате химических и физико-химических процессов и приобретать ряд новых свойств - сопротивляемость различным по виду и характеру нагрузкам, агрессивным воздействиям внешней среды. Твердение обычно оценивают показателями прочности и их изменением во времени.

Адгезия - свойство одного материала прилипать к поверхности другого. Измеряют адгезию прочностью сцепления при отрыве одного из них от другого. Адгезия имеет важное значение в технологии изготовления материалов и конструкций.

6.1.4. Конструкционные свойства

Они обуславливают возможность создания из материала конструкций с заданными механическими свойствами. К этой группе относят твердость, истираемость, износ и т.д.

Твердость - способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого материала. От твердости зависит, в частности, истираемость поверхности слоев дорожных покрытий. Твердость каменных материалов можно определить по шкале твердости (табл. 6.1.2).

Таблица 6.1.2

Шкала твердости

Показатель твердости

Минерал

Характеристика твердости

1

Тальк или мел

Легко чертится ногтем

2

Каменная соль

Чертится ногтем

3

Кальцит или ангидрит

Легко чертится стальным ножом

4

Плавиковый шпат

Чертится стальным ножом под небольшим давлением

5

Апатит

Чертится стальным ножом под большим нажимом, стекло не чертится

6

Ортоклаз

Слегка царапает стекло, стальным ножом не чертится

7

Кварц

Легко чертит стекло, стальным ножом не чертится

Истираемость - способность материала уменьшаться в массе и объеме под действием истирающих усилий. Истираемость определяют на стандартных машинах, вычисляя массу истертого образца к его площади (г/см2). Истираемость имеет большое значение для строительных материалов, используемых в дорожных покрытиях.

Износ - свойства материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Износ определяют на образцах, которые испытывают во вращающихся барабанах со стальными шарами. Показатель износа - потеря массы образца (%) в процессе испытания.

Истираемость щебня (гравия) оценивают путем испытания в полочном барабане. Количество чугунных или стальных шаров в барабане, а также количество оборотов барабана назначают в зависимости от размера испытуемого материала (табл. 6.1.3).

Таблица 6.1.3

Количество шаров и оборотов барабана

Размер фракции, мм

Количество чугунных или стальных шаров в барабане

Количество оборотов барабана

5-10

8

500

10-20

11

500

20-40

12

1000

Класс щебня (гравия) по истираемости оценивают по потере в массе. Скорость вращения барабана - 30 оборотов в мин. (рис. 6.1.2).

                                                                                                       (6.1.9)

где И - показатель истираемости;

Р1 - масса щебня (гравия) до испытания;

Р2 - масса щебня (гравия) после просеивания пробы, прошедшей испытание.

Рис. 6.1.2. Полочный барабан для определения прочности при износе: 1 - полка

По потере массы при износе (истирании) в полочном барабане щебень подразделяют на очень прочный (износ менее 20 %), прочный - 21...30 %, средней прочности - 31...45 %, слабый - 46...55 %, очень слабый - более 56 %.

Коэффициент конструктивного качества (удельная прочность) материала представляет собой отношение прочности (МПа) к средней плотности. Лучшие конструктивные материалы имеют высокую прочность при малой и средней плотности, что способствует созданию легких конструкций. У сплавов из алюминия коэффициент конструктивного качества превышает 250, бетонов - 12...25, кирпича - 5...6.

6.1.5. Технологические свойства

Они характеризуют поведение материалов при технологических процессах, их обработке и переработке (например, буримость, дробимость горных скальных пород; формуемость, слеживаемость, нерасслаиваемость бетонных смесей; вязкость жидкообразных минералов и смесей, твердение, адгезия и др.). По технологическим свойствам судят о возможности переработки и получения доброкачественной продукции из исходных материалов при принятой технологии и имеющемся техническом оборудовании.

Очень часто не представляется возможным определить ту или иную характеристику материала, необходимую для расчетов в технологических и эксплуатационных процессах, точными методами физики, механики и химии. Поэтому в практике используют условные показатели, которые определяют приближенными методами.

Например, вязкость битумов трудно измерить строгими физическими методами, поэтому предложено вязкость вязких битумов определять путем пенетрации (глубина погружения стандартной иглы в битум при температуре 25°С). Вязкость жидких битумов и дегтей определяют с помощью стандартного вискозиметра по времени истечения вяжущего через калиброванное отверстие 5 мм при 60°С.

Удобоукладываемость бетонных смесей - скорость переформования в секундах стандартного конуса из бетонной смеси в равновеликий цилиндр.

Формуемость - свойство смесей, составленных из различных компонентов, приобретать заданную форму при минимальных затратах средств.

Нерасслаиваемость - свойство смеси сохранять неоднородность при транспортировании и формовании.

Названные и многие другие свойства оцениваются количественно условными показателями, несогласующимися с принятой международной системой единиц. Поэтому эти показатели в разных странах неодинаковы, в большинстве случаев они нормированы в пределах одной страны, а иногда - в пределах отрасли.

6.1.6. Эксплуатационные свойства

Эксплуатационные свойства обуславливают работу материала в элементах дорожных конструкций на протяжении определенного отрезка времени. К этим свойствам относят долговечность, выносливость, морозостойкость и др.

Долговечность обусловлена способностью материала сопротивляться комплексному воздействию механических нагрузок, изменению температуры и влажности, действию растворов солей и др. Критерии долговечности материала комплексны, они зависят от его физических, механических и химических свойств.

Выносливость - способность материала многократно сопротивляться прилагаемым механическим воздействиям, которые ускоряют разрушение строительных материалов, вследствие чего ухудшается их долговечность. Выносливость обычно измеряется количеством нагружений, которое выдержал материал до разрушения.

С долговечностью материалов связывают выносливость.

Долговечность материалов также нормируется. Например, для железобетонных конструкций предусмотрены три степени долговечности: I - соответствует сроку службы не менее 100 лет; II - 50 лет; III - 20 лет. Часто долговечность материала характеризуется морозостойкостью.

Морозостойкость - способность материала при попеременном замораживании и оттаивании не проявлять заметных признаков разрушения. Более интенсивно проявляется воздействие переменных температур на водонасыщенные каменные материалы. В этом случае вода, находящаяся в порах и микротрещинах, замерзая при понижении температуры, переходит в твердое состояние и увеличивается в объеме примерно на 10 %. Возникающее давление льда при многократном повторении замораживания-оттаивания постепенно разрушает материал.

Чем меньше кристаллы, больше плотность и меньше открытых пор, тем выше морозостойкость. Чем меньше диаметр пор, тем ниже температура замерзания воды, заключенной в них. Так, при диаметре капилляра 1,5 мм, температура замерзания воды - 6,4°С, прим 0,06 мм - 18,4°С.

В зависимости от климатических условий, в которых будет работать материал, к нему предъявляют различные требования по показателю морозостойкости, определяемой количеством циклов попеременного замораживания и оттаивания до разрушения материала. Часто коэффициент морозостойкости определяют как отношение показателя прочности материала в водонасыщенном состоянии после испытания на морозостойкость к показателю прочности до испытания.

6.2. Природные каменные материалы

Природные каменные материалы, являясь продуктом механической переработки горных пород, отличаются от последних формой и размерами, а также состоянием поверхности раскола отдельностей. Поэтому, их свойства зависят от состава исходной горной породы и ее состояния (трещиностойкости, степени выветривания и др.). Природные каменные материалы получают из скальных и обломочных горных пород, в соответствии с ГОСТ 8267-93.

Скальные горные породы с жесткими структурными связями обладают достаточно высокой прочностью и залегают в земной коре в виде массивов или трещиноватых слоев.

Обломочные горные породы - рыхлые (сыпучие), состоят из обломков скальных горных пород без прочных связей между ними и залегают в виде скоплений.

В зависимости от назначения и условий, в которых будет работать материал, применяют дробленые материалы (щебень, высевки), а также колотые (бутовый камень, шашку для мощения и др.).

К природным обломочным горным породам относят валунный камень, гравий и песок, которые уже в естественном виде могут быть использованы в строительстве.

6.2.1. Горные породы, их происхождение и классификация

Наибольшее применение в дорожном строительстве получили горные породы магматического, осадочного и метаморфического происхождения.

Магматические (изверженные) горные породы по химическому составу характеризуются содержанием, главным образом, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, калия и натрия. Основными породообразующими минералами изверженных горных пород являются: кварц, полевые шпаты, слюды и др. Характерной особенностью химического состава изверженных пород является содержание в них кремнезема в свободном или связанном состоянии. По содержанию кремнезема эти породы делят на кислые, средние и основные. В кислых породах (группа гранитов) содержание кремнезема доходит до 65...75 %, в средних (группа сиенита и диорита) - от 52 до 65, в основных (группа габбро) - от 40 до 52 %. Характеристика магматических (изверженных) пород приведена в табл. 6.2.1.

Таблица 6.2.1

Характеристика магматических (изверженных) горных пород

Горные породы

Основные физико-механические свойства

Структурно-текстурные признаки

Физико-механические и технологические свойства

предел прочности при расколе, МПа, более

степень хрупкости, более

энергоемкость (удельная работа при статической нагрузке), более

водопоглощение, %

марка породы

1. Граниты, сиениты, диориты, порфиты, диабазы, габбро

Породы (свежие) прочностью при сжатии более 120 МПа; морозостойкость более F200

Породы полнокристаллической структуры (мелко-, средне- и крупно-) плотные, поверхность раската шероховатая

6

1

0.8

0,5

I

2. Лимариты, дезиты, шрахиты, базальты

Породы (свежие) прочностью при сжатии более 120 МПа; морозостойкость более F50... 200

Породы мелко- и скрытокристаллической структуры, плотные, реже пористые, поверхность раскола гладкая или слабошероховатая

6

4

0.2

0,1...0,5

I

3. Граниты, сиениты, диориты, порфиты, диабазы,

андезиты, габбро, лимариты, трахиты

Породы пониженной прочности (частично затронутые выветриванием), прочностью при сжатии от 80 до 120 МПа. морозостойкость F50... 100

Породы полно-, мелко- и скрыто кристаллической структуры от плотной до сильнопористой текстуры, поверхность раскола от гладкой до шероховатой

5

4

2

5

0,5

0,4

0,5...1,0 0,5...2,0

II

III

Осадочные горные породы залегают в верхних слоях земной коры. В общей толще земной коры осадочные породы составляют примерно 5 %. Скальные горные породы осадочного происхождения (известняки, доломиты, гипс, ангидрит, песчаники, конгломераты, брекчии), в отличие от магматических, в той или иной мере растворимы в воде и снижают свою прочность при водонасыщении, за исключением сцементированных пород с кремнистым цементом.

Осадочные породы органогенного происхождения образовались в результате уплотнения и цементации отмерших организмов, отличаются значительной пористостью и многие из них растворяются в воде.

В дорожном строительстве используют карбонатные (известняки, мел, известняки-ракушечники) и кремнистые (диатомиты, трепелы, опоки) органогенные осадочные породы.

Осадочные породы химического происхождения образовались в результате выпадения из растворов химических осадков. Наиболее распространенными являются доломиты, магнезиты, известняковые туфы, гипс, ангидрит. Для осадочных пород химического происхождения характерна растворимость в воде и наличие пустот и трещин. Характеристика осадочных пород приведена в табл. 6.2.2.

Таблица 6.2.2

Характеристика осадочных горных пород

Горные породы

Основные физико-механические свойства

Структурно-текстурные признаки

Физико-механические и технологические свойства

предел прочности при расколе, МПа, более

степень хрупкости, более

энергоемкость (удельная работа при статической нагрузке), более

водопоглощение, %

марка породы

1. Песчаники

Породы (свежие и затронутые выветриванием) прочностью при сжатии 60 MПa; морозостойкость F25...150

Породы от плотнокристаллических до слабоцементированных зернистых, площадь раскола от гладкой до слабошероховатой

6

5

4

3

2

2,5

4

6

0,6

0,5

0,1

0

0,5...5,0

I

II

III

IV

2. Известняки и доломиты

Породы (свежие и затронутые выветриванием) прочностью при сжатии

60...150 МПа; морозостойкость F25...150

Породы от плотнокристаллических до слабоцементированных зернистых, площадь раскола гладкая и шероховатая

6

5

4

3

2,5

4

6

8

0,5

0,4

0,0

0.0

0,5...5,0

I

II

III

IV

Метаморфические горные породы образовались в результате изменения магматических (изверженных) и осадочных горных пород под влиянием высокой температуры, давления, химически активных веществ. В результате метаморфизма первичные породы в большей или меньшей степени могут изменять текстуру, минералогический, а иногда и химический составы. Метаморфизация изверженных пород, как правило, ухудшает их физико-механические свойства. Метаморфизация осадочных пород, наоборот, улучшает механические свойства. К наиболее часто встречающимся в недрах земной коры метаморфическим породам относят гнейсы, кварциты, мрамор.

Гнейсы - горные породы грубо- или тонкосланцеватой и ленточной текстур, получившиеся в результате видоизменения гранитов, гранодиоритов и др. В гнейсах минералы как бы сжаты и располагаются параллельно некоторой плоскости, что обуславливает неодинаковые их свойства в разных направлениях. Обычно гнейсы в направлении, перпендикулярном к сланцеватости, обладают значительной прочностью при сжатии (150...200 МПа), но наличие хорошо выраженной сланцеватости в ряде случаев несколько ограничивает область применения в дорожном строительстве. При дроблении гнейсов на щебень образуется заметное количество плоских и вытянутых щебенок, что снижает качество щебня.

Кварциты - равномерно кристаллическая, плотная горная порода, состоящая из мелких зерен кварца, сцементированных кремнистым веществом. При этом цементирующее вещество отличимо (без микроскопа) от зерен кварца. Кварциты характеризуются большой плотностью, прочностью, хрупкостью и твердостью, при разломе они образуют гладкую поверхность с острыми режущими ребрами. Кварциты используют для строительных работ в виде бутового камня, щебня, реже - шашки для мощения.

Мрамор - плотный кристаллический известняк, состоящий, в основном, из тесно сросшихся кристаллов кальция (кальцитовый мрамор). Часто в мраморах наблюдаются примеси магнезита. Иногда эта примесь настолько значительна, что порода носит название доломитового мрамора. Цвет чистого мрамора - белый, но в зависимости от примесей он может быть красным, серым, черным и др. Вследствие высоких механических свойств (прочность при сжатии от 50 до 100 МПа) и красивого рисунка, мрамор применяют для различных отделочных и декоративных работ. Разновидности мрамора, непригодные для изготовления штучных изделий, а также отходы при обработке дробят для получения мраморной крошки и порошка, которые применяют как заполнители в мозаичных и асфальтобетонных работах в качестве минерального порошка.

6.2.2. Обломочные горные породы

К обломочным горным породам или механическим отложениям относят продукты выветривания изверженных, метаморфических или ранее образованных осадочных пород. Различают рыхлые и сцементированные обломочные породы.

По крупности окатанных обломков рыхлые горные породы условно делят на валуны, гальку, гравий, песок.

Валунный камень - грубокатанные, преимущественно округлой формы, обломки скальных пород размером более 100 мм. Валуны размером до 250 мм называют сырцом, так как их можно применять для дорожных работ (например, мощения) без дополнительной обработки. Более крупные валуны используют для получения шашки, щебня.

Галька представляет собой окатанные водой обломки горных пород размером от 100 до 70 (40) мм. Она обладает теми же свойствами, что и мелкий валунный камень. Качество гальки обуславливается петрографическим составом породы, крупностью и формой обломков, а также степенью выветривания. Гальку применяют для устройства оснований, дренажей, но чаще измельчают и используют как щебень.

Гравий - рыхлая горная окатанная порода размером частиц от 5 (3) до 70 мм.

В природе в чистом виде гравий встречается редко. Если в гравии содержится более 50 % песчаных частиц, то смесь называют песчано-гравийной (ПГС), а если менее 50 % - гравийно-песчаной (ГПС).

По зерновому составу для устройства оснований используют ПГС до 70 мм, а для устройства покрытий - до 40 мм.

Основные показатели, характеризующие механические свойства гравия, приведены в табл. 6.2.3...6.2.5.

Таблица 6.2.3

Марка по дробимости щебня из гравия и гравия

Марка по дробимости щебня из гравия и гравия

Потеря массы при испытании, %

щебня из гравия

гравия

1000

800

600

400

До 10 включ.

Свыше 10 до 14

Свыше 14 до 18

Свыше 18 до 26

До 8 включ.

Свыше 8 до 12

Свыше 12 до 16

Свыше 16 до 24

Таблица 6.2.4

Марка гравия по истираемости

Марка гравия по истираемости

Потеря массы после испытания, %

Марка гравия по истираемости

Потеря массы после испытания, %

И 1

До 20

И 3

Свыше 30 до 40

И 2

Свыше 20 до 30

И 4

Свыше 40 до 50

Таблица 6.2.5

Морозостойкость

Марка по морозостойкости

Число циклов замораживания и оттаивания

Потеря массы после испытания, % не более

F 15

15

10

F 25

25

10

F50

50

5

Добытый в карьере гравий (рядовой) может содержать различное количество мелкозема. Крупный рядовой гравий состоит из зерен 5...70 мм, а средний рядовой - 5...40 мм. Карьерный гравий после перегрохотки и отделения песка называют сортовым. Его разделяют на следующие фракции:

крупный - 70...40 мм;

средний - 40...20 мм;

мелкий - 20...10 мм;

мелкозем - 10...5 (3) мм.

Гравийный материал применяют для устройства гравийных оснований и покрытий, дренажных сооружений, в качестве крупного заполнителя в цементобетоне. Гравий, имеющий марку по дробимости не выше 16, может быть использован для приготовления асфальтобетонных смесей II марки типа В и III марки типа Б, В.

Песок - рыхлая зернистая порода, образованная в результате естественного разрушения горных пород, крупностью зерен до 5 (3) мм. В песке иногда имеются частицы мельче 0,55 мм, которые называют пылеватыми (0,05...0,0005 мм) и глинистыми (мельче 0,0005 мм).

Качество песка для строительных работ определяют минералогическим составом, формой зерен, зерновым составом, содержанием пылевато-глинистых частиц, плотностью, пустотностью, фильтрационной способностью, влажностью и содержанием органических примесей.

В дорожном строительстве используют песок природный и дробленый, получаемый путем дробления горных пород. Разделение песка по зерновому составу приведено в табл. 6.2.6.

Таблица 6.2.6

Группы природного песка по крупности

Группа песка

Массовая доля полного остатка на сите №0,63, %

Модуль крупности, Мк

Крупный

Свыше 45 до 65

Более 2,5

Средний

Свыше 30 до 45

2,5...2,0

Мелкий

Свыше 10 до 30

2,0...1,5

Очень мелкий

Менее 10

1,5...1,0

Модуль крупности песка определяют по формуле

Мк = (Р0,14 + Р0,315 + Р0,63 + Р1,25 + Р2,5 + Р5)/100,                                                     (6.2.1)

где Р0,14..... Р5 - полный остаток на сите 0,14...5 мм, %.

Пески с Мк меньше 1 не должны применяться для строительных работ.

По величине коэффициента фильтрации различают пески:

- хорошо фильтрующие         6...10 м/сут;

- среднефильтрующие            3...6 м/сут;

- слабофильтрующие              1...3 м/сут.

Песок применяют для устройства подстилающих слоев дорожной одежды, приготовления строительных растворов, цементо- и асфальтобетонов, для устройства дренажей. Для улучшения качества мелкозернистый песок обогащают добавками искусственного (дробленого) песка (крупностью менее 5 мм) из невыветренных изверженных и метаморфических пород прочностью более 80 МПа, а из осадочных - прочностью более 40 МПа.

Дресва - промежуточный продукт выветривания скальных горных пород, оставшийся на месте образования и сохранивший камневидное состояние. Дресва, в зависимости от исходной горной породы и стадии выветренности, может применяться для устройства различных слоев одежды на дорогах местного значения.

Щебень для дорожного строительства по зерновому составу делят по крупности на фракции:

более 120 мм - гигантский;

70...120 мм - очень крупный;

40...70 мм - крупный;

25...40 мм - нормальный;

15...25 мм - мелкий;

10...15 мм - клинец;

3 (5)...10 мм - каменная мелочь;

< 3 (5) мм - высевки.

Качество щебня, т.е. степень соответствия показателей его признаков своему проектируемому назначению определяют на месте его производства (в карьере) и на месте его потребления (на строительном объекте) путем изучения внешних признаков и испытания отобранных проб. При этом определяют петрографические признаки и однородность горной породы, из которой получен щебень: крупность, зерновой состав, форму зерен; шероховатость поверхности; количество и качество примесей (глинистых, органических и др.); количество смятых (раздробленных) зерен; физические и механические свойства.

Физические свойства щебня оценивают по средней и насыпной плотностям, пустотности, влажности, водопоглощению.

Механические свойства щебня оценивают, прежде всего, по дробимости, износу, а также по морозостойкости (табл. 6.2.7...6.2.10). Определение качества щебня по прочности при сжатии исходной горной породы является приближенным, так как показатель прочности зависит не только от качества исходной горной породы, но и от размеров, формы и других признаков щебня. Поэтому в настоящее время прочность щебня оценивают косвенно по показателю дробимости. Марку щебня по дробимости в цилиндре оценивают по потере в массе после приложения нагрузки. Так, марку щебня по дробимости принимают 1200, если потеря в массе после раздавливания не превысит 11 %. При потере свыше 11 до 13 % - марка щебня по дробимости - 1000, а при потере в массе свыше 28 до 35 % - 200.

Таблица 6.2.7

Марка щебня из осадочных и метаморфических пород по дробимости при сжатии (раздавливании) в цилиндре [64]

Марка щебня по дробимости

Потеря в массе, % при испытании щебня

в сухом состоянии

в насыщенном водой состоянии

1200

До 11

До 11

1000

Свыше 11 до 13

Свыше 11 до 13

800

Свыше 13 до 15

Свыше 13 до 15

600

Свыше 15 до 19

Свыше 15 до 20

400

Свыше 19 до 24

Свыше 20 до 28

300

Свыше 24 до 28

Свыше 28 до 38

200

Свыше 28 до 35

Свыше 38 до 54

Таблица 6.2.8

Марка щебня из изверженных пород по дробимости его при сжатии (раздавливании) в цилиндре [64]

Марка щебня по дробимости

Потеря массы, % при испытании щебня

из интрузивных (глубинных) пород

из эффузивных (излившихся) пород

1400

До 12

До 9

1200

Свыше 12 до 16

Свыше 9 до 11

1000

Свыше 16 до 20

Свыше 11 до 13

800

Свыше 20 до 25

Свыше 13 до 15

600

Свыше 25 до 34

Свыше 15 до 20

По прочности при износе (истираемости) в полочном барабане щебень подразделяют на 4 марки (табл. 6.2.9). Износ характеризует сопротивление материала истирающим и ударным усилиям, обламыванию кромок. Показателем истираемости является потеря массы (г) образца площадью 1 см2 за определенный путь (м). Истираемость - способность каменного материала сопротивляться истирающим усилиям. Чем больше твердость, тем меньше истираемость. Щебень из мелкозернистых кварцевых пород в меньшей степени подвержен истираемости.

Таблица 6.2.9

Марка щебня по износу (истираемости) в полочном барабане [64]

Марка щебня по плюсу

Износ

Потеря массы при испытании, %

известняки, доломиты

изверженные метаморфические и другие осадочные породы

И 1

И 2

И 3

И 4

£ 30

31...40

41...50

51...60

£_25

26...35

36...45

46...55

Таблица 6.2.10

Марка щебня по морозостойкости [64]

Марка по морозостойкости

Непосредственнoe замораживание - оттаивание

Насыщение в растворе сернокислого натрия - высушивание

число циклов

потеря массы после испытания, %

число циклов

потеря массы после испытания, %

F 15

15

10

3

10

F 25

25

10

5

10

F 50

50

5

10

10

F 100

100

5

10

5

F 150

150

5

15

5

F 200

200

5

15

3

F 300

300

5

15

2

F 400

400

5

15

1

Морозостойкость щебня (гравия) оценивают по потере в массе после попеременного замораживания и оттаивания (табл. 6.2.10):

Dq = [(q1 - q2)/q1]·100,                                                                                                 (6.2.2)

где Dq - потеря в массе после испытания на морозостойкость;

q1 - масса пробы щебня (гравия) до испытания;

q2 - масса пробы после соответствующего цикла замораживания и оттаивания.

Щебень из естественного камня для дорожно-строительных работ для удобства составления нормативных указаний разделен на четыре класса, приведенные в табл. 6.2.11.

Таблица 6.2.11

Классификация щебня

Группа горных пород

Класс щебня

Марка по дробимости

Марка по износу

1. Изверженные породы:

граниты, сиениты, диориты, габбро, базальты, андезиты, трахиты и др.

1

1200

И 1

2

1000

И 2

3

800

И 3

4

600

И 4

2. Метаморфические породы:

кристаллические сланцы, гнейсы, амфиболиты, кварциты

1

1200

И 1

2

1000

И 2

3

800

И 3

4

600

И 4

3. Осадочные и карбонатные горные породы:

известняки, доломиты

1

1000

И 1

2

800

И 2

3

600

И 3

4

300

И 4

4. Осадочные породы:

песчаники, туфы, туфобрекчии, брекчии, конгломераты

1

1000

И 1

2

800

И 2

3

600

И 3

4

300

И 4

Для получения щебня повышенного качества, однородного по прочности и улучшенной формы, применяют обогащение - избирательное дробление, обогащение по прочности, по форме зерен и др. При избирательном дроблении в дробилках-грануляторах улучшение формы зерен происходит вследствие разрушения слабых зерен и примесей, что дает возможность удалить их при последующем грохочении. При наличии разнопрочного щебня в необходимых случаях прибегают к разделению по прочности предварительно отгрохоченного щебня в классификаторах.

Значительно улучшить качество щебня можно путем повышения активности поверхности зерен. Обработка зерен поверхностно-активными веществами повышает сцепление их с вяжущими веществами или придает зернам щебня водоотталкивающие свойства.

6.3. Минеральные вяжущие материалы

Минеральные вяжущие материалы представляют собой обычно порошкообразные вещества, которые после затворения водой способны постепенно переходить из пастообразного состояния в твердое, приобретая свойства камня.

Минеральные вяжущие по характеру твердения делят на две группы:

воздушного твердения, обладающие способностью после затворения водой твердеть в сухой среде (воздушная известь, гипсовые и магнезитовые вяжущие, жидкое стекло);

водного твердения (или гидравлические вяжущие материалы), после затворения их водой твердеющие на воздухе и в воде, причем во влажной среде вяжущие приобретают большую прочность. Представителями этой группы являются цементы.

Гидравлическая известь и романцемент по составу и особенностям процессов твердения занимают как бы промежуточное место между воздушными и гидравлическими вяжущими: после затворения водой, начав твердеть на воздухе, они продолжают твердеть как на воздухе, так и во влажной среде. При дальнейшем твердении во влажной среде они приобретают большую прочность.

6.3.1. Воздушная известь

Воздушную известь получают в результате обжига до возможно полного разложения чистых или доломитизированных известняков или мела, содержащих глинистого вещества не более 6...8 %. Полученную таким способом известь СаО в виде кусков белого или сероватого цвета называют негашеной (комковой или кипелкой).

Производство воздушной извести заключается в том, что вращающиеся печи загружают мелкодробленым известняком, который при медленном вращении печи подвергается равномерному обжигу. В процессе обжига известняк (или мел), нагреваясь до температуры 900...1200°С, диссоциирует с большим поглощением тепла по реакции СаСО3 + 180кДж → Са + СО2. Недожог и пережог отрицательно сказываются на качестве извести. Пережженные куски при затворении водой медленно гасятся. Поэтому наличие зерен пережига в строительном растворе приводит к тому, что при гидротации зерен связанное с этим увеличение объема вызывает растрескивание уже затвердевшего раствора.

Гашение извести протекает по реакции:

СаО + Н2О → Са(ОН)2 + 66,52 кДж,

т.е. при гашении выделяется значительное количество тепла. Полученная при гашении малым количеством воды гидратная известь, значительно разрыхленная за счет резкого увеличения пустотности, называется пушонкой.

В дорожном строительстве известь используют для укрепления грунтов, а также в качестве активатора при приготовлении асфальтобетонных смесей.

6.3.2. Портландцемент

Портландцемент представляет собой гидравлическое вяжущее, получаемое тонким помолом цементного клинкера, минеральных добавок и природного гипса (1,5...3,5 % в пересчете на SО3). Цементный клинкер получают путем обжига до спекания природных мергелей определенного химического состава или искусственных смесей известняка с глиной (доменными шлаками), подобранных в соответствии с требуемым химическим составом. Обычно клинкер имеет следующий химический состав: СаО - 63...67 %; АlO3 - 4...7 %; 2SiО2 - 20...24 %; Fe2O3 - 2...6 %; MgO, SO3 и др. - 1,5...3 %.

Свойства портландцемента зависят от его минералогического состава, наличия добавок, а также тонкости помола клинкера. По этим признакам определяют вид портландцемента (алитовый, белитовый, быстротвердеющий и так далее).

Тонкость помола цемента характеризуют массой порошка, прошедшего сито № 0,08 (не менее 85 %), и удельной поверхностью зерен, содержащихся в единице массы цемента. Удельная поверхность обычных портландцементов 2000...3000, быстротвердеющих 3500...5000 см2/г.

Плотность портландцемента составляет - 900...1300 кг/м3. При расчете вместимости складов принимают насыпную плотность портландцемента - 1200, а при его дозировании для приготовления бетона - 1300 кг/м3.

Активность - способность затвердевать при затворении водой, превращаясь в прочное камневидное тело.

Активность и марку цемента характеризуют показателем прочности при изгибе образцов - балочек и их половинок при сжатии в возрасте 28 суток.

Предел прочности при изгибе определяют на балочках размером 40´40´160 мм, изготовленных из раствора пластичной консистенции состава 1:3 - одна часть цемента и три части песка по массе при водоцементном отношении 0,4, уплотненных на стандартной виброплощадке и выдержанных в воде при температуре 20+3°С 28 суток. Предел прочности при сжатии определяют после испытания на изгиб на половинках балочки. Нарастание прочности происходит неравномерно: вначале на 3 сутки она достигает 50 %, а на 7 сутки - 70 % от прочности в 28-суточном возрасте.

По прочности на сжатие портландцементы подразделяют на классы 22,5; 32,5; 42,5; 52,5.

Водопотребность цемента характеризуют показателем нормальной густоты - количество воды, которое необходимо для достижения заданной пластичности. Обычно для портландцемента нормальная густота составляет 21...28 %. Чем меньше водопотребность (нормальная густота ), тем выше качество цемента.

Скорость схватывания цемента зависит от минералогического состава, тонкости помола, количества воды затворения, температуры. Скорость схватывания является важной технологической характеристикой цемента. У портландцемента начало схватывания должно наступить не ранее 45 мин., а конец - не позднее 12 часов от начала затворения. Обычно начало схватывания у портландцемента наступает через 2...3 часа, а конец - через 5...8 часов. Как быстрое, так и медленное схватывание затрудняет и усложняет организацию производства строительных работ.

Равномерность изменения объема при твердении определяют путем испытания цементных лепешек стандартного размера кипячением их в парах воды; при этом они не должны обнаружить усадочных деформаций. Неравномерность изменения объема может быть обусловлена наличием в цементе окиси кальция, окиси магния и гипса. Цемент, неравномерно изменяющий объем при твердении, является недоброкачественным.

Цемент хранят в силосах, реже в сараях с обшивкой стен и крыш, непроницаемых для воды. Пол сарая должен быть плотным и приподнятым над поверхностью земли не менее чем на 30 см. При длительном хранении активность цемента снижается. Интенсивность снижения активности зависит от минералогического состава, тонкости помола и др. Наименее устойчивы тонкомолотые цементы, содержащие повышенное количество С3А (трехкальциевого алюмината), C3S (трехкальциевого силиката). Влажный воздух, соприкасающийся с цементом, значительно снижает его активность. В среднем активность портландцемента снижается через 3 месяца на 10...20 %, через 6 месяцев на 15...30 % и через 12 месяцев - на 25...40 %.

6.3.3. Особые виды портландцемента

Быстротвердеющий портландцемент представляет собой минеральное вяжущее, которое содержит C3S около 50...60 % С3А - 8...14 %. При повышенном содержании С3А увеличивают добавку гипса. Тонкость помола 3500...4000 см2/г.

Быстротвердеющий портландцемент обладает более интенсивным нарастанием прочности в начальный период твердения; при этом в возрасте 1 суток прочность его должна быть не менее 20 МПа, 3 суток - не менее 30 МПа.

Пластифицированный портландцемент приготавливают путем введения при помоле клинкера поверхностно-активных пластифицирующих добавок. В качестве пластифицирующей добавки обычно применяют сульфитно-дрожжевую бражку (сдб) в количестве 0,15...0,25 % (в пересчете на сухое вещество). Пластифицирующие добавки придают цементному тесту большую подвижность, что позволяет снизить количество воды затворения, а это, в свою очередь, позволяет несколько уменьшить расход цемента в строительном растворе и бетоне. В то же время пластифицирующие добавки несколько увеличивают водопроницаемость и понижают морозостойкость цементного камня. Пластифицированные цементы выпускают марок 400 и 500.

Гидрофобный портландцемент изготавливают совместным помолом цементного клинкера и гидрофобных поверхностно-активных добавок (0,15...0,3 %). В качестве таких добавок применяют мылонафт, асидол, олеиновую кислоту и др. Эти вещества, сорбируясь на поверхности зерен цемента, создают гидрофобную пленку, которая понижает способность цемента взаимодействовать с влагой воздуха. В результате гидрофобный цемент не снижает активность и не комкуется при хранении и менее чувствителен к влажной воздушной среде.

При затворении гидрофобного цемента водой поверхностно-активные добавки вступают в реакцию с Са(ОН)2, образуют микропены, в результате чего происходит воздухововлечение. Цементное тесто при этом получается более пластичным, а цементный камень более морозостойким.

Сульфатостойкий портландцемент - продукт тонкого помола клинкера, имеющего пониженное содержание С3А (не более 5 %), C3S (не более 50 %) и глиноземный модуль  не менее 0,6; сульфатостойкий портландцемент выпускают марок 400 и 500. Его применяют для бетонных и железобетонных элементов сооружений, подвергающихся воздействию агрессивных (сульфатных) вод, а также переменному увлажнению и высыханию, замораживанию и оттаиванию. Для элементов сооружения, работающих в морской воде, предпочтительно применять сульфатостойкий портландцемент.

Пуццолановый портландцемент - гидравлическое вяжущее, получаемое совместным помолом портландцементного клинкера повышенного качества с 20...50 % активных добавок и природного гипса. Гипса добавляют столько, чтобы содержание SО3 в цементе не превышало 3,5 %. Количество добавок зависит от ее активности. Например, трепела добавляют 20...30, вулканических пород (пемзу, пепел, туфы, трассы) - 25...40 %.

Пуццолановый портландцемент выпускают марок 300 и 400 плотностью 2700...2900 кг/м3. Из-за того, что в пуццолановых цементах меньше гидроалюмината кальция и гидратной извести, они обладают большей стойкостью к проточным и слабоминерализованным водам. Наряду с этим частицы активной добавки при взаимодействии с гидратной известью, образующейся при твердении цемента, во влажной среде набухают, что обуславливает уплотнение бетона. Это также способствует большей устойчивости бетонов на пуццолановых цементах, так как повышенная плотность препятствует проникновению воды в тело бетона.

Шлакопортландцемент - продукт тонкого совместного помола портландцементного клинкера с 20...60 % доменного гранулированного шлака и гипса (не более 3 % при пересчете на SО3). Гранулированный шлак по химическому составу приближается к портландцементу, но содержит меньше СаО и больше глинозема и кремнезема. Кроме окислов СаО, SiО2 и Al2О3, шлаки содержат в небольшом количестве MgO, МnО, FeO, CaS, FeS.

Шлакопортландцемент может быть получен также путем тщательного смешения раздельно измельченных компонентов. Этот цемент, по сути, является разновидностью пуццоланового портландцемента, в котором активной добавкой служит доменный гранулированный шлак. Шлакопортландцемент, в основном, имеет те же показания, что и пуццолановый портландцемент.

Активность шлакопортландцемента со временем понижается быстрее, чем портландцемента, поэтому его не рекомендуется долго хранить на складах.

Расширяющийся цемент изготавливают путем смешения глиноземистого цемента 65...75 % и расширяющейся добавки, состоящей из 10 % высокоосновного гидроалюмината и 20 % гипса. Начало схватывания такого цемента не ранее 4 мин., а конец не позднее 10 мин. Линейное расширение во влажной среде 0,5...1,0 %, на воздухе - не менее 0,05 %. Для замедления схватывания цемента в необходимых случаях к нему добавляют сульфитно-дрожжевую бражку в количестве 0,5 %.

Глиноземистый цемент - продукт тонкого помола предварительно измельченного клинкера, полученного сплавлением или спеканием пород, богатых глиноземом, известняком, взятых в определенном соотношении.

Глиноземистый цемент содержит около 50 % глинозема, до 45 % окиси кальция, 5...10 % кремнезема и 1...15 % окиси железа.

При затворении глиноземистого цемента водой основное соединение - однокальцевый алюминат, входящий в его состав, энергично реагирует с водой, образуя

2(СаО´А1203) + 10Н2О → 2СаО´А12О3´8Н2О + А12О3´3Н2О

Отсутствие в затвердевшем при нормальных условиях цементе свободной гидратной извести и, как правило, трехкальциевого гидроалюмината обуславливает его устойчивость в проточных и агрессивных водах.

Глиноземистый цемент - быстротвердеющий вяжущий материал. Его марки (400, 500, 600) устанавливают по показателю прочности нормального раствора на 3 сутки. Глиноземистые цементы можно также выпускать марки 700.

При схватывании и твердении цемент выделяет много тепла. Оптимальная температура твердения 10...20°С. При температуре более 25°С бетон нуждается в охлаждении и усиленной поливке водой. Сроки схватывания цемента: начало - не ранее 30 мин, а конец - не позднее 12 ч.

Глиноземистый цемент применяют при срочных бетонных работах, при производстве работ зимой, восстановительных работах, для тампонажных работ и элементов бетонных сооружений, находящихся в зоне агрессивных вод.

6.4. Цементобетоны

Бетоном называют строительный материал, полученный в результате перемешивания, укладки, уплотнения и затвердевания рационально рассчитанной смеси щебня (или гравия), песка, цемента, воды и добавок. Смесь перечисленных компонентов до затвердевания называют бетонной смесью.

Основной квалификацией бетонов по структурным признакам является деление по объемной массе:

особо тяжелые с объемной массой более 2600 кг/м3 имеют сложную структуру и изготавливаются с применением заполнителей, например, стальных опилок, барита и др.;

тяжелые с объемной массой 2100...2600 кг/м3, у которых структура плотная, щебень из плотных и тяжелых горных пород или плотных металлургических шлаков, песок кварцевый;

облегченные с объемной массой 1800...2000 кг/м3 могут иметь плотную структуру, но с применением щебня из пород пониженной плотности или крупнопористую с применением щебня из плотных пород;

легкие с объемной массой 1000...1800 кг/м3, обладающие плотным или крупнозернистым строением, с применением пористого щебня и песка, шлаковой пемзы (термозита), кремнезита, перлита;

особо легкие с объемной массой менее 1000 кг/м3 с пористой структурой без щебня и песка (ячеистый бетон) или с применением пористого песка или пористого щебня в сочетании с поризованным цементным камнем.

Наибольшее распространение в строительстве получил тяжелый бетон. Его применяют для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, пролетных строений и опор мостов, устройства дорожных покрытий и др.

Важной характеристикой бетона является пористость, которая в значительной степени определяет его свойства. С увеличением пористости заметно возрастают водопоглощение, водонасыщение, водопроницаемость, уменьшается прочность, морозостойкость и долговечность бетона.

Ориентировочно пористость бетонов можно определить по формуле

Vпор = (l - gо/g).                                                                                                            (6.4.1)

где gо - объемная масса бетона, кг/м3;

g - плотность бетона, полученная как средневзвешенная величина от плотности щебня, песка и цементного камня, кг/м3.

Обычно пористость тяжелых бетонов составляет 10... 15 %, в отдельных случаях - 5...7 %.

Водопоглощение у тяжелых бетонов колеблется в пределах 2...4 % по массе (или 5...10 % по объему).

Водонасыщение несколько больше водопоглощения. Разница между водопоглощением и водонасыщением обусловлена объемом замкнутых пор в бетоне.

Показателем водонепроницаемости бетона служит гидростатическое давление, при котором вода не просачивается через образец, испытуемый по стандартной методике. По водонепроницаемости бе