768
.pdf
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
М.Я. КРИЦКИЙ, А.Л. ЛАНИС
УСИЛЕНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
Новосибирск
2013
1
УДК
ББК
К22
625.731.2
39.311 К22
Крицкий, М.Я.
Усиление земляного полотна автомобильных дорог / М.Я. Крицкий, А.Л. Ланис. – Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2013. – 182 с.
ISBN 978-5-93461-583-4
Работа посвящена исследованию основных причин возникновения и характера протекания деформаций земляного полотна автомобильных дорог, методов их обследования и диагностики, стабилизации и устранения последствий, их дальнейшего мониторинга после проведения стабилизационных мероприятий. Проведен анализ, и дана оценка эффективности применения наиболее распространенных мероприятий по стабилизации деформаций. Представлена информация о методах закрепления, уплотнения и армирования грунтов, появившихся в геотехнике за последние десятилетия.
Предназначена для специалистов транспортной отрасли, студентов, аспирантов, тех, кто интересуется данной проблемой.
УДК 625.731.2 ББК 39.311
Монография рассмотрена и утверждена редакционно-изда- тельским советом СГУПСа.
Ответственный редактор канд. геол-минер. наук, проф. С.И. Черноусов
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. СГУПСа А.Л. Исаков; гл. инженер Сибжелдорпроект – филиала ОАО «Росжел-
дорпоект» А.В. Кузин
ISBN 978-5-93461-583-4
©Крицкий М.Я., Ланис А.Л., 2013
©Сибирский государственный университет путей сообщения, 2013
2
ВВЕДЕНИЕ
Несоответствие уровня развития автомобильных дорог спросу на автомобильные перевозки приводит к существенному росту расходов, снижению скорости движения, продолжительным простоям транспортных средств, повышению уровня аварийности. Текущее состояние сети автомобильных дорог является серьезным ограничением на пути перехода к инновационной модели социально-экономического развития страны [1].
Одной из основных причин такого положения дел являются ускоренные старение и деградация дорожных конструкций в условиях возрастающего разрыва между темпами работ по модернизации дорог и роста транспортных нагрузок на дорожную сеть.
За период с 1998 по 2008 гг. при увеличении уровня автомобильных перевозок на 85 % увеличение протяженности автомобильных дорог общего пользования составило лишь 15,7 %, т.е. темпы роста автомобильных перевозок значительно опережают темпы роста протяженности сети автомобильных дорог [1].
По оценкам экспертов, потери Российской Федерации, обусловленные неразвитостью и низкой пропускной способностью сети автомобильных дорог, составляют 3 % внутреннего валового продукта, что в шесть раз выше, чем в странах Европейского союза [1]. А по мнению некоторых экспертов, с 2021 г. Россия может ежегодно терять 12 % ВВП из-за неразвитой дорожной сети [2].
В 2005–2010 гг. протяженность дорог с твердым покрытием федерального значения в России выросла с 47,1 до 50,1 тыс. км, увеличиваясь в среднем на 1 тыс. км в год. Вместе с этим уровень инвестиций в дорожное хозяйство сократился с 2,9 % до 1,5 % ВВП (700 млрд р.) [2, 3]. В большинстве развитых стран объемы финансирования дорожной отрасли составляют порядка 4 % от внутреннего валового продукта. Исключение составляют Япония и США (около 2 %), однако они имеют более современную до-
3
рожную систему и более высокий ВВП [2]. По данным Росавтодора [2], инвестируя 700 млрд р. в развитие дорожной сети, российская экономика потеряет около 1–2 трлн р. из-за недостаточных темпов ее модернизации.
Федеральным бюджетом России предусмотрено значительное увеличение финансирования дорожного хозяйства в 2011– 2013 гг., однако это увеличение будет все же ниже уровня, необходимого для обеспечения надлежащего содержания и ремонта существующей дорожной сети. Согласно имеющимся оценкам, к 2013 г. запланированный уровень финансирования дорожного хозяйства позволит сократить, но отнюдь не ликвидировать денежный дефицит. Проведенные экспертами расчеты подтверждают: разрыв между потребностями и фактическим финансированием составляет около 1,1 % ВВП, причем наибольший дефицит финансирования характерен для региональной дорожной сети. Если к этому прибавить расходы на расширение базовой дорожной сети, то дефицит финансирования превысит 2 % ВВП [3].
Сегодня доля протяженности автомобильных дорог федерального значения, работающих в режиме перегрузки, достигла 29 % (14 тыс. км), а в пределах Московского транспортного узла – более 60 %. Около 50 % общего объема перевозок по автомобильным дорогам федерального значения осуществляется в условиях превышения нормативного уровня загрузки дорожной сети, что приводит к увеличению себестоимости перевозок, снижению безопасности движения. Количество дорожно-транспортных происшествий, связанных с автомобильным транспортом, в последние годы увеличивалось в среднем на 10 % в год. Транспортные происшествия негативно влияют на экономическое развитие страны. По оценкам экспертов, ежегодные потери от транспортных аварий достигают 8 % ВВП [1].
Как показывают исследования, земляное полотно, построенное по техническим условиям, не учитывающим современных нагрузок, скоростей и грузонапряженности дорог, уже не отвечает в полной мере эксплуатационным требованиям, предъявляемым в настоящее время.
Наибольшие объемы работ по строительству и реконструкции дорог были выполнены в период 60–70-х гг. прошлого столетия. Дороги рассчитывались на пропуск автомобилей с нагрузка-
4
ми 6–10 т на ось, дорожные одежды устраивались с широким применением низкопрочных местных материалов, земляное полотно часто возводилось из слабых гумуссированных грунтов придорожной полосы. С учетом этих факторов и исходя из тридцатилетней продолжительности жизненного цикла дорог, их прочностные характеристики не соответствуют современным требованиям, что приводит к их быстрому износу.
В этих условиях деформирование земляного полотна автомобильных дорог становится массовым явлением. При этом в отличие от железнодорожного транспорта на автомобильных дорогах системный учет и наблюдение за деформированными участками земляного полотна практически отсутствуют.
Значительная часть средств, выделяемых на капитальный ремонт, тратится на текущий (ямочный) ремонт покрытия. Однако в подавляющем большинстве случаев разрушение дорожного покрытия напрямую связано с состоянием земляного полотна, наличием в нем тех или иных дефектов. Деформации земляного полотна, как правило, обусловлены недоработками при проведении проектно-изыскательских работ, нарушением технологии строительства, неудовлетворительным текущим содержанием дорог, низким качеством ремонтно-восстановительных работ. Разрушение асфальтобетонного покрытия чаще всего является лишь следствием и внешним проявлением негативных процессов, протекающих в земляном полотне и его основании. Причины, по которым происходит разрушение покрытия, обычно не устанавливаются и не устраняются. Поэтому ямочный и иной ремонт покрытия не дают требуемого эффекта в долгосрочной перспективе. Нестабильные зоны в земляном полотне продолжают накапливаться и развиваться и на определенном этапе приводят к опасным деформациям, создающим аварийные ситуации.
Деформации земляного полотна автомобильных дорог достаточно разнообразны по своему характеру. Чаще всего они проявляются в процессе эксплуатации при недостаточной несущей способности грунтов земляного полотна и его основания, ненадежной защите этих грунтов от негативных инженерно-геологи- ческих процессов, неудовлетворительном качестве текущего содержания и т.д. В последние годы ситуация усугубляется ростом
5
интенсивности движения, увеличением нагрузок на ось, изменением климатических условий, связанных с увеличением количества выпадающих осадков, глобальным потеплением и, в конечном итоге, с деградацией вечной мерзлоты. В этих условиях стандартные мероприятия по ремонту автомобильных дорог часто оказываются неэффективными. Кроме того, использование традиционных методов ремонта связано с большими материальными и финансовыми затратами, обусловленными необходимостью перевода движения на объезды или его ограничения на период ремонта.
За последние годы появилось много новых технологий, механизмов и материалов, которые применяются для усиления, упрочнения и армирования грунтов в основании зданий и сооружений. Некоторые из этих технологий с успехом используются для ликвидации последствий и предупреждения деформаций земляного полотна железных дорог, в том числе в условиях Сибири. В то же время на сети автомобильных дорог по-прежнему используются традиционные методы их ремонта, заключающиеся в укладке нового покрытия, досыпке деформируемых обочин, восстановлении откосов и т.д. Новые ресурсосберегающие технологии внедряются в практику содержания земляного полотна недостаточно активно. В результате общая ситуация в условиях снижения расходов на эксплуатацию только усугубляется. По нашему мнению, назрела необходимость систематизации, доработки и внедрения экономичных технологий стабилизации деформаций земляного полотна автомобильных дорог применительно к климатическим и инженерно-геологическим условиям каждого конкретного региона.
Предлагаемые прогрессивные технологии восстановления эксплуатационной надежности земляного полотна в условиях эксплуатируемых дорог отличаются принципиальной новизной, просты в осуществлении, обладают высокой экономической эффективностью и не связаны с организацией длительных перерывов в движении транспорта. Их особенностью является высокая степень механизации выполняемых работ. Технологии основаны на использовании современного оборудования, которое обладает малой энергоемкостью, просто в обращении, имеет небольшие массу и габаритные размеры. Это позволяет применять его в лю-
6
бых труднодоступных местах, в том числе на откосах и склонах, на подходах к мостам, в тоннелях и водопропускных трубах, на основной площадке земляного полотна в условиях непрерывного движения транспорта. Новые технологии дают возможность выполнять полный комплекс работ по стабилизации деформаций земляного полотна без ограничения или остановки движения. Для работы оборудования не требуется организация технологических окон. Конструкции многих машин и технологии их использования защищены патентами и свидетельствами на полезную модель. Они прекрасно зарекомендовали себя в суровых климатических условиях Сибири.
Разработанные технологии и методики позволят эффективно решать задачи, связанные с усилением, осушением, армированием земляного полотна и его основания, отводом избыточной воды из основания и обводненных мест насыпей и выемок, стабилизацией оползневых и пучинистых деформаций, устранением разуплотнений грунта и пустот над водопропускными трубами, устройством противофильтрационных завес, анкерных и стягивающих конструкций, а также многих других работ.
Внедрение этих технологий обеспечивает улучшение условий эксплуатации автомобильных дорог, снижение затрат на ремонт и текущее содержание земляного полотна и дорожной одежды. Экономический эффект достигается за счет увеличения пропускной способности деформируемых участков и скорости движения по ним, уменьшения износа автомобильного транспорта, экономии эксплуатационных расходов по текущему содержанию дороги, сокращения транспортных издержек и потерь в производстве и социальной сфере. Главным экономическим эффектом является обеспечение безопасности прохождения транспорта по деформируемым участкам земляного полотна.
7
1. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СТАБИЛЬНОСТЬ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
1.1.Взаимодействие автомобильной дороги
сокружающей средой
Автомобильная дорога находится в постоянном динамическом взаимодействии с окружающей средой, и это взаимодействие сложно и многообразно. Строительство автомобильной дороги неизбежно связано с нарушением существовавшего до этого равновесия в природной среде. Функционирование дорожнотранспортного комплекса приводит к резким изменениям в ландшафтной структуре и возникновению разного рода негативных процессов и явлений. Поскольку автомобильные дороги являются сооружениями линейными и протяженными, такое физическое, экологическое и биологическое нарушение равновесия охватывает огромные территории. Зона влияния дорожной сети России на прилегающие территории достигла 14,6 млн га, что составляет 0,86 % всей территории РФ.
При возведении и эксплуатации автомобильных и железных дорог наблюдаются следующие экзогенные процессы:
1)перераспределение огромных масс дисперсных и скальных грунтов;
2)изменение существующих и возникновение новых геоморфологических структур;
3)возникновение новых инженерно-геологических процессов;
4)усиление дефляции;
5)изменение гидрохимического состава и режима грунтовых
вод;
6)изменение гидротермического режима грунтов. Строительство дорог приводит к нарушению гидрогеологи-
ческого режима местности, изменяя сток дождевых и талых вод с естественных водосборных бассейнов. Дорожные водопропускные и водоотводные сооружения являются дополнительными источниками водной эрозии в полосе отвода и за ее пределами. Кроме нарушения гидрогеологического режима и изменения поверхностного стока к факторам, активизирующим дорожную эрозию, можно отнести: изменение рельефа при строительстве дорог
8
(подрезка склонов, разработка выемок, планировка местности и др.), уничтожение растительности, некачественную рекультивацию нарушенных земель, отсутствие или плохое укрепление откосов земляного полотна, влияние сопутствующих геологических процессов и т.д. Адаптация рельефа трасс автодорог к новым условиям охватывает период 8–10 лет.
Неправильно запроектированное или некачественно выполненное укрепление нижнего бьефа малых мостов и дорожных труб, устройство неукрепленных канав, лотков, кюветов при больших уклонах местности становятся причиной активизации оврагообразования. Овражная эрозия приводит к разрушению дорог и транспортных сооружений, способствует возникновению и развитию оползней. Продукты поверхностного смыва и размыва, вынесенные из оврага, в свою очередь, заиливают водопропускные трубы, канавы и кюветы [4].
При аккумуляции воды перед искусственными сооружениями затапливаются и заболачиваются прилегающие земли. Нарушение естественного режима рек в процессе строительства мостовых переходов сопровождается значительными размывами подмостовой части русел.
Необоснованное и непродуманное использование больших объемов песка и гравия с пляжей в качестве строительных материалов нарушает естественные процессы в прибрежной части морей и озер, активизирует разрушительную деятельность прибоя. В результате приходится возводить сложные берегоукрепительные сооружения, стоимость которых может многократно превышать стоимость используемых строительных материалов.
Большие проблемы охраны окружающей среды возникают при строительстве автомобильных дорог в сложных природных условиях: в горных районах, пустынях, на болотах, в условиях вечномерзлых грунтов.
При строительстве в горных условиях непродуманная подрезка склонов при устройстве выемок или их пригрузка при отсыпке насыпей изменяет напряженное состояние горных пород, слагающих эти склоны, и часто приводит к возникновению обвалов, оползней, осыпей, лавин. Вырубка деревьев в полосе отвода, нарушение растительного покрова на склонах и естественных условий залегания рыхлых скальных продуктов выветривания уси-
9
ливают эрозионную деятельность и могут служить причиной селеобразования. Нередко при строительстве дорог приходится иметь дело с древними оползнями, относительно стабилизировавшимися и замаскированными растительностью. Нарушение растительности в придорожной полосе приводит к разгрузке элювиальных отложений по кровле коренных пород и активизации склоновых процессов [5].
При подрезке устойчивого, но крутого склона путем устройства выемки или полувыемки не только нарушается устойчивость вышележащего грунтового массива, но и вскрываются неглубокие водоносные горизонты. Вытекающая вода насыщает нижележащие массивы и вызывает появление оползней ниже уровня дороги.
Устройство глубоких выемок в легковыветривающихся горных породах в результате их обнажения активизирует процессы выветривания. Слабопрочные породы начинают интенсивно разрушаться, на склонах возникают обильные осыпи, иногда вывалы и даже большие обвалы. В связи с этим возникает необходимость привлечения средств на устройство дорогостоящих укрепительных сооружений.
Иногда при строительстве автомобильных дорог проводят мероприятия по понижению грунтовых вод или производят дренирование местности с помощью глубоких выемок. Однако водопонижение прилегающих к дороге массивов изменяет гидрогеологический режим подземных вод и приводит к нарушению микроклимата местности. В результате увеличиваются гидравлические градиенты подземных вод, повышается скорость их фильтрации, возникают или активизируются процессы карстообразования. Это явление, называемое вторичным карстом, приводит к появлению карстовых пустот и воронок там, где до постройки дороги их не было [4].
Взасушливых районах с песчаными грунтами дорожностроительная техника разрушает скудный растительный покров, приводя к возникновению ветровой эрозии и движению барханов.
Врезультате возведения на болоте насыпи происходит изменение его гидрологического режима. Поверхностный сток воды, выпадающий в виде осадков, при наличии уклона поверхности болота или подводный сток при наличии уклона дна приводит к
10