КОНСТРУКЦИЯ ДОРОГИ
ROAD STRUCTURE

Изобретение относится к области строительства и широко может быть использовано при возведении земляного полотна автомобильных и железных дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов, использовано в районах, характеризующихся глубоким сезонным промерзанием грунтов и высоким уровнем грунтовых вод, а также при устройстве оснований под плиты бессвайных фундаментов зданий и сооружений.
Известна конструкция земляного полотна, включающая для ее устройства применение зернистых материалов: щебеночные, песчано-гравийные смеси, шлаки и непучинистые грунты (Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого типа, М.: Транспорт, 1985 г., с. 12).
Для возведения земляного полотна применяется послойное распределение и уплотнение грунта по всему поперечному сечению.
Уплотнение грунта должно быть близким к пределу прочности грунта. При недостаточных контактных давлениях необходимая плотность не может быть достигнута, а при превышении давлений возникают явления разуплотнения: волнообразование, выдавливание грунта в стороны (Гремышев Н.В. Технология и организация строительства автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1992 г., с. 36).
Известно также основание дорожного и аэродромного покрытия, включающее уплотненный грунт, размещенный в оболочке из грунта, укрепленного вяжущими материалами (авт. св. №601343, Е01С 3/04), а также конструкция дорожной одежды с устройством уширения в виде трапеции щебеночной подушки проезжей части (патент RU №2394959, Е01С 3/04).
Недостатком таких оснований земляного полотна является то, что устройство их трудоемкое, включает в себя применение дорогостоящих материалов, сложную технологию строительства, а также выполнено без учета образования уплотненного жесткого ядра под покрытием дороги (Цитович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1979 г., с. 109-130). Следовательно, такое дорожное основание земляного полотна находится в фазе дальнейшего уплотнения и не отвечает максимальной несущей способности грунтов, допускает значительные просадки при эксплуатации.
Наиболее близким к изобретению и принятым за прототип является дорожная конструкция, включающая земляное полотно, дорожную одежду с подстилающим слоем, обочины, продольную дренажную систему, заполненную щебнем фракции 20-40 и расположенную в теле земляного полотна вдоль оси дороги, и водоотводящие выпуски. Основание в насыпи земляного полотна под дорожное покрытие выполнено по геометрии треугольного жесткого ядра из прочных легкоуплотняемых зернистых материалов, обладающих дренирующими свойствами (патент RU №2516408, Е01С 3/04).
Недостатком этой дорожной конструкции является то, что основание в насыпи земляного полотна под дорожное покрытие выполнено по всей геометрии треугольного жесткого ядра из прочных легкоуплотняемых зернистых материалов, обладающих дренирующими свойствами, и приводит к существенному удорожанию и ограничению применения. Кроме того, на его устройство оказывает влияние положения уровня грунтовых вод в основании земляного полотна. При высоком уровне грунтовых вод, попадающего в зону треугольного жесткого ядра, появляется необходимость повышения насыпи и изменения продольного профиля дороги, что также ведет к дополнительным затратам.
Целью изобретения является усовершенствование дорожной конструкции по принятому прототипу, достижение максимальной несущей способности земляного полотна, уменьшение его просадки при эксплуатации, создание оптимального водно-теплового режима земляного полотна и дорожной одежды, удешевление строительства и расширение области применения.
Поставленная цель достигается путем возведения земляного полотна с устройством уплотненного жесткого ядра треугольной формы с уступами под дорожным покрытием в полусформированной стадии, из прочных легкоуплотняемых зернистых материалов, а также щебеночных, песчано-гравийных смесей, шлаков и непучинистых грунтов, обладающих дренирующими свойствами, с учетом φ - угла внутреннего трения грунта основания насыпи и С - сцепления грунта основания насыпи. Различие в очертании графиков, в данном случае песка и глины (обладающих способностью сцепления), обусловлено их свойствами (Фиг. 3, Фиг. 4). Максимальные касательные напряжения получаем в момент разрушения (сдвига грунта). При этом полусформированное уплотненное жесткое ядро основания насыпи земляного полотна представляет собой у нижней части треугольник с последующими формами равнобочных трапеций устроенных с уступами. В зависимости от геологических условий и применяемых грунтов в основании насыпи жесткое ядро может устраиваться на подстилающем геотекстильном материале или гидроизолирующем слое из полиэтиленовой пленки. Геотекстильный материал или полиэтиленовая пленка, уложенные из рулонов внахлест на 30-40 см в поперечном сечении, сшиваются, либо склеиваются, либо свариваются и служат для обеспечения отвода воды из основания дорожного полотна в предусмотренную продольную дренажную систему с поперечным отводом в район водостоков, а также для перераспределения передаточной нагрузки от уплотненного ядра на основание дороги. Глубина заложения полусформированного жесткого ядра определяется расчетным путем и зависит от Е - модуля деформации применяемых грунтов и составляет 0,5-0,75(Н) расчетной глубины формирования жесткого ядра.
1
2
2
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем: при устройстве конструкции дорожного основания, где верхний слой грунта является более хорошим (малосжимаемым), то есть Е - модуль деформации грунта верхнего слоя больше Е - модуля деформации грунта нижнего слоя, то эпюра δ под центром тяжести дорожного покрытия будет с глубиной затухать быстрее (осадка минимальна). И наоборот, если верхний слой грунта является более слабым (с малым значением модуля деформации), то эпюра δ под центром тяжести дорожного покрытия будет с глубиной затухать медленнее, а следовательно, и осадка на таком грунте будет больше. Таким образом, возведение земляного полотна с устройством под дорожным покрытием полусформированного жесткого ядра из прочных материалов, в зоне наибольших напряжений, обеспечит его оптимальную просадку. Изменение эпюры вертикальных сжимающих напряжений в зависимости от деформируемости подстилающего слоя показано на (Фиг. 5). Глубина (Н) заложения формируемого жесткого ядра в основании насыпи земляного полотна определяется шириной дорожного покрытия проезжей части, φ - углом внутреннего трения грунта и С - сцеплением грунта. Чем больше С - сцепление грунта, тем меньше глубина (Н) формирования жесткого ядра (Фиг. 6).
Предлагаемую конструкцию дороги устраивают в насыпи следующим образом. Сначала снимают верхний растительный слой с уплотнением грунта, затем методом послойного распределения и уплотнения грунта по всему поперечному сечению укладывают основание 1 из местного грунта близраположенных кюветов или резервов. Высота основания определяется продольным профилем дороги с учетом геометрии полусформированного уплотненного жесткого ядра 2 для применяемых в основании земельного полотна грунтов. Затем в клине уплотненного полусформированного треугольного жесткого ядра устраивается продольный дренаж 3 с поперечными дренажными отводами 4 и водоотводными лотками насыпи 5 в районе водосборников. При этом поперечные дренажные отводы 4 устраиваются с уклоном не менее 2%, что обеспечивает сток воды из дренажной системы земляного полотна. Дальнейшая уплотнительная отсыпка основания земляного полотна производится традиционными методами с учетом устройства полусформированного жесткого ядра по геометрии треугольника у нижней части и равнобочных трапеций с уступами у верхней части, из прочных легкоуплотняемых зернистых материалов, а также щебеночных, песчано-гравийных смесей, шлаков и непучинистых грунтов, обладающих дренирующими свойствами, до проектной отметки. Сначала отсыпаются боковые части насыпи с уступами, а затем равнобочные трапеции зоны полусформированного жесткого ядра. Уступы равнобочных трапеций слоев земляного полотна имеют поперечный уклон не менее 2% для отвода воды с земляного полотна в дренажную систему, что предотвращает замачивание боковой насыпи. Затем устраивается щебеночная подушка проезжей части 6 и двухслойное асфальтобетонное покрытие 7. В зависимости от геологических условий и применяемых грунтов в основании насыпи жесткое ядро может устраиваться на подстилающем геотекстильном материале или гидроизолирующем слое из полиэтиленовой пленки 8 (Фиг. 1).
Для устройства земельного полотна в выемке производятся работы сначала по разработке грунта выемки 1 основания, затем разрабатывается грунт с учетом геометрии полусформированного треугольного жесткого ядра 2 и укладывается в основание насыпи дороги 3. Затем отсыпаются боковые части насыпи и треугольный клин полусформированного жесткого ядра. При этом в клине уплотненного жесткого ядра устраивается продольный дренаж 3 с поперечными дренажными отводами 4 и водоотводными лотками насыпи 5 в районе водосборников. Дальнейшая уплотнительная отсыпка основания земляного полотна производится традиционными способами и методом «от себя» с учетом устройства треугольного с уступами жесткого ядра из прочных легкоуплотняемых зернистых материалов, а также щебеночных, песчано-гравийных смесей, шлаков и непучинистых грунтов, обладающих дренирующими свойствами, до проектной отметки. Затем устраивается щебеночная подушка проезжей части 6 и асфальтобетонное покрытие 7. В зависимости от геологических условий и применяемых грунтов в основании насыпи жесткое ядро может устраиваться на подстилающем геотекстильном материале или гидроизолирующем слое из полиэтиленовой пленки 8 (Фиг. 2).
Работает такая конструкция дороги следующим образом: в зоне, непосредственно под покрытием дороги, образован полусформированный клин треугольного жесткого ядра из уплотненного грунта, который представляет собой равнобедренный треугольник у нижней части и равнобочные трапеции с уступами у верхней части (зона В). С образованием его основание земляного полотна обладает большей несущей способностью, работает как единое целое, и давление от него передается на боковые стороны насыпи. В процессе эксплуатации дороги в земляном полотне будут происходить незначительные уплотнения, не оказывающие существенного влияния на эксплуатационные характеристики, до момента полного формирования жесткого ядра (зона А).
Такое выполнение конструкции дороги позволяет производить отвод воды из основания земляного полотна через дренажную систему в водостоки, что исключает возникновение пучин.
В предложенной конструкции удается повысить прочность основания земляного полотна, уменьшить просадки при эксплуатации.
Высокие прочность и морозоустойчивость предлагаемой конструкции дороги объясняются тем, что влага, попавшая в процессе строительства или эксплуатации в зону треугольного жесткого ядра, устроенного из уплотненного дренирующего грунта, будет отведена в дренажную систему, а из обочин откосов насыпи - естественным путем. Поэтому влажность грунта в течение всего периода службы дорожной конструкции не будет превышать оптимального значения.
Применение предлагаемой дорожной конструкции позволяет: восстановить высокие транспортно-эксплуатационные характеристики автомобильных дорог на длительный период времени, снизить последующие эксплуатационные затраты, увеличить несущую способность (модуля упругости) дорожной одежды, что обеспечивает пропуск автомобильного транспорта с большими нагрузками на ось, и исключит закрытие дорог в зимне-весенний период.
Предлагаемая конструкция дороги рекомендуется для автомобильных и железных дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов, а также для районов, характеризующихся глубоким сезонным уровнем грунтовых вод.