12.6. Повышение устойчивости откосов реконструируемого земляного полотна и совершенствование системы водоотвода

На существующих дорогах, проложенных в условиях сильно пересеченного рельефа, часто возникают сплывы откосов глубоких выемок из-за выклинивания грунтовой воды или водонасыщения грунта при промерзании и оттаивании. Нередко деформируются и откосы высоких насыпей, отсыпаемых с нарушением технологии или из неустойчивых грунтов, насыпей на косогорах или с чрезмерно большой крутизной откосов.

Радикальные меры, полностью гарантирующие устойчивость откосов, в сложных случаях, особенно если разрушение затронуло и проезжую часть, требуют выполнения инженерно-геологической съемки и последующей разработки соответствующего проекта. При этом могут сооружаться грунтовые упорные бермы, подпорные стенки, выполняться заделка вывалов грунтом с уполаживанием откосов или специальные мероприятия по повышению устойчивости (армирующие прослойки, различного исполнения габионы, укрепленный грунт и т.д.). Однако во многих случаях, как показал многолетний опыт эксплуатации дорог, при реконструкции можно с успехом ограничиться повышением устойчивости откосов путем проведения сравнительно несложных инженерных мероприятий.

Если поверхностные деформации на откосах не распространяются на большую глубину, их засыпают грунтом земляного полотна. Предварительно бульдозером нарезают на откосе борозды с учетом глубины сплыва и укладывают грунт горизонтальными слоями, тщательно уплотняя вибротрамбовкой. В местах выхода на откосы выклинивающихся родников откос снизу подрезают, устраивая в зависимости от глубины выемки полку шириной 1-3 м, и укладывают трубчатую дрену диаметром 0,15 м с обратным фильтром из чистого морозостойкого щебня или гравия (рис. 12.31). Перфорированную трубу целесообразно предварительно обернуть синтетическим нетканым материалом или стеклотканью. Место вырезки грунта засыпают морозо- и водоустойчивым материалом: гравием, камнем, щебнем, металлургическим шлаком и др. Из трубы делают вывод в понижения местности.

В последние годы успешно применяют новые конструкции перехватывающих дренажей из сплошных гофрированных пластмассовых или алюминиевых вертикальных водопроницаемых листов, в нижней части которых расположена дренажная труба. Они могут обеспечить осушение массива грунта на высоту до 3 м (рис. 12.32). В этом случае отсутствует необходимость в устройстве с низовой стороны водонепроницаемого экрана, что значительно снижает стоимость устройства дренажа. Применение пластмассовых листов существенно усиливает процесс осушения земляного полотна. Производительность работ повышается при этом не менее чем в 2,5-3 раза из-за отсутствия необходимости в устройстве обратных фильтров.

Рис. 12.31. Схема повышения устойчивости откоса выемки при выклинивании грунтовых вод:

1 - гравий или щебень: 2 - травяной покров: 3 - трубчатая дрена: 4 - направление движения выклинивающихся вод

Рис. 12.32. Дренаж с сердечником в виде водопроводящих «каналов», соединенных с трубчатой дреной:

а - дренаж с сердечником из тонкого (0,5-1 мм) гофрированного материала; б - разрез гофрированного сердечника с прямоугольными или треугольными ребрами; в - разрез дрены с просечно-вытяжным пластмассовым или металлическим сердечником; г - вид сверху на сердечник; 1 - сердечник с водопроводящими каналами; 2 - минерально-волокнистый фильтрующий материал; 3 - трубчатая дрена; 4 - водоприемные отверстия; 5 - вода, стекающая по дренажной трубе (стрелки указывают направление движения воды)

Повышению устойчивости верхней части откоса глубокой выемки обычно способствует устройство перехватывающего дренажа глубиной до 3 м на расстоянии не менее 5 м от ее бровки (рис. 12.33).

Рис. 12.33. Схема перехватывающего глубокого дренажа для повышения устойчивости верхней части откоса:

1 - нагорный дренаж; 2 - трубчатая дрена; 3 - обваловка откоса; 4 - место возможного сползания грунта; 5 - травяной покров; 6 - подлотковый дренаж

В случаях полного нарушения устойчивости откосов выемок со сплывом грунта в боковые канавы и даже на обочины рекомендации по их укреплению разрабатывают индивидуально после обстоятельных инженерно-геологических обследований.

Откосы насыпей высотой более 6 м, возведенных из иловатых грунтов, аргиллитовых или глинисто-сланцевых обломков, мергелей и других аналогичных горных пород очень часто деформируются. Особенно часто деформации наблюдаются с низовой стороны земляного полотна по отношению к склону местности. Основной причиной нарушения устойчивости откосов насыпей являются низкая водо- и морозостойкость, а также высокая дробимость горных пород, из которых они возведены. Чтобы повысить устойчивость откосов, сложенных из легковыветривающихся горных пород, с низовой стороны устраивают упорные призмы из галечника, гравия или гравелистого песка. Повышению устойчивости способствует и уширение насыпи в низовую сторону.

Для предупреждения заиливания упорной призмы грунтом уширяемой насыпи желательно между ней и призмой закладывать противозаиливающую прокладку из стеклоткани, полимерного материала и т. п.

Крутизна наружного откоса призм, отсыпаемых из каменных материалов, не должна превышать 1:1,3. Выкладывая наружный откос крупным камнем, можно допустить увеличение крутизны до 1:1 (рис 12.34, а). Иногда в целях снижения стоимости строительства призмы отсыпают из непылеватых глинистых грунтов (рис. 12.34, б). Наружный откос призмы, отсыпаемой из глинистых грунтов, должен быть не круче 1:2,5.

Рис. 12.34. Пример повышения устойчивости низового откоса высоких насыпей устройством упорных призм:

а - из крупноскелетных материалов; б - из глинистых практически непроницаемых грунтов; 1 - упорная призма; 2 - противозаиливающий слой; 3 - искусственный травяной покров; 4 - врезка в косогор

Для стока просачивающейся через насыпь воды подошву призмы планируют в сторону падения косогора, придавая ей уклон 10-20 ‰. Но если грунт насыпи за период эксплуатации стал водонепроницаемым и призму также осыпают из практически водонепроницаемых грунтов, то ее врезают уступами в косогор с уклоном до 100 ‰ в сторону оси насыпи.

Размеры упорных призм определяют расчетом [46, 52]. Повышение устойчивости низовых откосов упорными призмами или контрбанкетами широко применяют в России, особенно в северных районах страны.

На откосах упорных призм и насыпей, устроенных из крупнообломочных горных пород, укладывают защитный слой водонепроницаемого грунта толщиной не менее 0,6 м. При использовании грунтов, обработанных вяжущими материалами, в том числе и местными малоактивными, толщину защитного слоя можно уменьшить до 0,15-0,2 м.

При деформациях, возникающих в грунте поверхностного слоя откосов в результате снижения их прочности под влиянием погодно-климатических факторов, а также для защиты от температурных и силовых воздействий паводковых или поверхностных вод устраивают более капитальное укрепление - специальные покрытия различного исполнения. К ним относятся решетчатые конструкции из бетонных элементов с заполнением ячеек щебнем, камнем, обработанным вяжущим грунтом. В ином исполнении это пластмассовые пространственные георешетки (геовебы) с высотой ребра 15-20 см и различным заполнением ячеек, устраиваемые для защиты от вымывания грунта и фильтрации грунтовых и поверхностных вод на подстилке из нетканого материала.

В зависимости от условий подтопления при укреплении откосов применяют различные бетонные или железобетонные плиты с устройством обратного фильтра из щебня или геосинтетического материала нетканого типа с высоким коэффициентом фильтрации, геоматы, каменную наброску, габионы на основе сетчатых металлических каркасов, заполняемых камнем различного грансостава, слои из бетона, укладываемого на металлическую сетку пневмопогрузчиком и др. (рис. 12.35 и 12.36). В качестве термозащитных слоев используют торфопесчаные и мохоторфяные смеси, прослойки из геоматериала, пенопласт, пенополистирол. Каждый из этих видов укрепления имеет свою область наиболее эффективной работы в сооружении и защиты поверхности откоса.

Рис. 12.35. Конструкции укрепления откосов:

а - покрытие из геотекстиля; б - укрепление каменной наброской, в том числе по геотекстильной прослойке; в - укрепление различными плитами, в том числе по обратному фильтру из геотекстиля; г - габион из металлической каркасной сетки, заполненной камнем; 1 - геотекстиль; 2 - элемент крепления; 3 - канавка; 4 - каменная наброска; 5 - плита; 6 - обратный фильтр; 7 - упор; 8 - габионный элемент; 9 - зона подмыва.

В последние годы широкое применение получили химические способы закрепления откосов. В табл. 12.4 приведен перечень мероприятий, по ликвидации и предупреждению деформаций, связанных как с потерей общей, так и местной устойчивости, выполняемых химическим способом (рис. 12.37).

При нарушении местной устойчивости неукрепленных откосов выполняют профилирование их поверхности и укрепление. Укрепление травой используется для защиты неподтопляемых или кратковременно подтапляемых откосов от водной и ветровой эрозии, для лечения и предотвращения сплывов, оплывин и других нарушений местной устойчивости в районах с благоприятными условиями для прорастания трав и развития корневой системы. Травосеяние может использоваться и в комплексе с другими методами укрепления, например, решетчатыми конструкциями, геовебами. Разновидностью этого метода можно считать одерновку. Наиболее технологичным является биологическое укрепление с помощью геоматериалов с включенными в их структуру семенами трав оптимального состава или травосеяние с покрытиями из геоматериалов, обеспечивающими защиту прорастающих семян. На подтопляемых откосах с невысокими скоростями потока и малой высотой подтопления возможно биологическое укрепление в виде посадки кустарника, плетневого прорастающего укрепления, прорастающей выстилки, фашинные конструкции.

Рис. 12.36, Варианты конструкции укрепления откосов:

а - решетчатая конструкция из бетонных элементов; б - пространственная георешетка; в - укрепление откоса георешеткой; 1, 2 - бетонные элементы; 3 - анкеры; 4 - тяжи анкеров

Совершенствование системы водоотвода. В процессе реконструкции дороги производят восстановление и перестройку размытых и разрушенных водоотводных и нагорных канав и других водоотводных сооружений.

При изменении профиля водоотводного сооружения в результате вспучивания или просадки отдельных цементобетонных плит необходимо произвести их переукладку. Вспученные или просевшие плиты вырубаются по продольным и поперечным швам. Освобожденные от соединения с соседними плиты вынимаются из общего укрепления вручную (при массе 10-12 кг) или краном. Грунт под изъятыми плитами выбирают вручную на глубину 30-40 см, заменяют непылеватым песком крупным и средней крупности, тщательно уплотняют трамбовкой и выравнивают. После подгрунтовки боковых и нижних поверхностей неповрежденные плиты укладывают на старое место, поврежденные заменяют новыми, а швы заделывают битумной мастикой.

Мероприятия по обеспечению устойчивости земляного полотна химическим способом

Таблица 12.4

Виды деформаций, повреждений и разрушений земляного полотна	Формы проявления деформаций, повреждений и разрушений	Противодеформационные мероприятия по обеспечению устойчивости химическим способом
Повреждения и разрушения откосов в однородных грунтах	Оползни со срезом и вращением и образованием явно выраженной поверхности скольжения;	Сваи-шпоны из закрепленного грунта на откосах, входящие в устойчивый массив, водозащитное покрытие на откосах из закрепленного грунта;
	Оползни с перемещением по подстилающему слою и образованием явно выраженной поверхности скольжения;	То же, в верхней части откоса;
	Пластичные оползни без явно выраженной поверхности скольжения	Сваи-шпоны из закрепленного грунта на откосах, расположенные на разной глубине; водозащитное покрытие на откосах из закрепленного грунта
Повреждения и разрушения откосов в неоднородных грунтах	Оползни со сколом (перерезанием) слоев и оползни выдавливания;	Сплошное закрепление грунта, водозащитное покрытие на откосах из закрепленного грунта;
	Оползни с перемещением по фиксированной поверхности скольжения;	Сваи-шпоны из закрепленного грунта на откосах, входящие в устойчивый массив; водозащитное покрытие на откосах из закрепленного грунта;
	Оползни со скольжением слоя по слою; оползни с перемещением по горизонтальной поверхности скольжения	Шпоны из закрепленного грунта на подошве сползающего слоя, входящие в подстилающий слой; закрепление поверхности скольжения; водозащитное покрытие на откосах из закрепленного грунта
Другие повреждения откосов	Сплывы (оплывины);	Сваи-шпоны из закрепленного грунта на откосах; закрепление поверхности скольжения, трещин и отрывов грунта; водозащитное покрытие на откосах из закрепленного грунта;
	Суффозионные оползни и разрушения	Сплошное закрепление грунта слабого слоя; противофильтрационные завесы и экраны из закрепленного грунта

Рис 12.37. Схема предупреждения и ликвидации оползневых деформаций откосов в однородных грунтах химическим способом:

а - оползень со срезом и вращением; б - локальный оползень; 1 - сползающий грунт; 2 - предполагаемая поверхность скольжения; 3 - свая-шпона из закрепленного грунта; 4 - гидроизолирующее покрытие на откосе; 5 - дорожная одежда; 6 - границы отрыва грунта

В качестве материалов для укрепления водоотводных канав, лотков могут быть использованы и геотекстильные материалы. Для повышения допустимой (неразмывающей) скорости воды, светостойкости, срока службы материал обрабатывается битумом.

Укладку полотен в канавах (кюветах) выполняют в продольном направлении, начиная с низовой части с перекрытием полотен не менее 0,5 м. Если раскатка рулонов непосредственно у канавы затруднена, выполняют предварительную подготовку полотен за пределами строительства. В тех случаях, когда требуется полная обработка поверхности геотекстиля битумом (битумной эмульсией), розлив битума при температуре t = 140...160 °С производят после укладки полотен в канаве или на горизонтальном участке за пределами площадки строительства. Непосредственно после розлива битума его равномерно распределяют щетками по всей поверхности и посыпают тонким слоем песка с последующей прикаткой. Обработку геотекстиля битумом на дне канавы производят после его укладки. Закрепление полотен производится Г-образными металлическими анкерами или заделкой краев геосинтетического материала в подготовленных заранее ровиках.

На участках массового разрушения асфальтобетонного (монолитного или сборного) укрепления в виде сетки трещин, пучинообразных или просадочных изменений поперечного профиля, наблюдающихся на значительном протяжении, целесообразно производить замену такого укрепления на цементобетонное. В этом случае разрушенные участки укрепления полностью вырубают и устраивают новое цементобетонное укрепление. В случае изменения на значительном протяжении поперечного профиля канавы с укреплением сборными цементобетонными плитами без разрушения производят переукладку этих плит. Поверхностные повреждения цементобетонных укреплений: канав, лотков и других водоотводных сооружений (например, сплошное шелушение) могут ремонтироваться с использованием асфальтобетонной смеси, цементного раствора или теста. Подлежащая ремонту поверхность с помощью асфальтобетонной смеси должна быть равномерно подгрунтована разжиженным битумом или битумной эмульсией в количестве 0,5 л/м². Для ремонта может применяться мелкий щебень с максимальным размером зерна 8-12 мм при толщине слоя до 20 мм. Смесь укладывается и уплотняется вручную до уровня первоначального укрепления. Подгрунтовка подготовленных к заделке участков цементобетонными или полимербетонными смесями заключается в смазывании их дна и стенок клеящими материалами. В зависимости от ремонтного состава применяют для цементобетонных смесей - цементный клей; для полимербетонных смесей - полимерное вяжущее.

Для заделки поврежденных участков в качестве цементобетонной смеси применяют мелкозернистый (песчаный) цементобетон. Его приготавливают на высокоактивном цементе марки не ниже 500, а также вводят в воду затворения бетонной смеси добавку хлористого кальция до 2 % от массы цемента. Бетонные смеси укладывают с превышением над поверхностью укрепления 1-2 см, затем уплотняют штыкованием мастерком, приглаживают и затирают. Полимербетонные смеси приготовляют на основе эпоксидного вяжущего. Применяемые составы вяжущего приведены в табл. 12.5, а минеральной смеси в табл. 12.6.

Таблица 12.5

Материалы	Содержание в частях по массе для составов
	1	2
Эпоксидная смола	100	100
Полиэтиленполиамин	8-10	20-25
Дибутилфталат	20-25	-
Каменноугольный деготь (или жидкий битум)	-	50-100

Таблица 12.6

Материалы	Содержание материала, %. по массе для составов
	1	2	3	4
Каменные высевки (из прочных изверженных пород) крупностью, мм: 1,25-0,63; 2,5-1,25 или 5-2,5	-	65-70	65	70
5-0,63	100	-	-	-
Среднезернистый кварцевый песок	-	35-30	25	20
Цемент, минеральный порошок или каменная мука	-	-	10	10

При заполнении выбоин глубиной более 3 см соотношение между вяжущим и минеральным материалом принимают 1:7 (по массе), при более мелких выбоинах - соответственно 1:4-1:6. Подгрунтовку выбоины производят эпоксидным вяжущим из расчета 0,3-0,4 л/м². После этого выбоину заделывают готовым полимербетоном и присыпают песком.

При использовании асфальтобетонной смеси поврежденный участок подвергают подгрунтовке разжиженным битумом или битумной эмульсией из расчета 0,3-0,5 л/м². Уложенную асфальтобетонную смесь уплотняют вручную и присыпают песком. Для выравнивания отдельных перекосившихся или просевших крупных плит или тяжелых сборных элементов может быть использован метод инъецирования под плиту жидкого цементного раствора.

Перестройка закрытых дренажей состоит в замене звеньев дренажных труб, устьев и выпусков из дрен, ремонте колодцев, замене фильтровальной обсыпки. Если дренажная система быстро заиливается, при замене фильтровальной обсыпки в дренаж вводится хорошо фильтрующий нетканый синтетический материал, устраиваются дополнительные выпуски из дренажей. Разрушенные выпуски заменяют новыми с приданием им уклона, обеспечивающего быстрый отвод воды. На участках с избыточным увлажнением или недостаточной эффективностью работы дренирующих слоев устраивают новые продольные и прикромочные дренажи, дренажные скважины.