ТехЛиб СПБ УВТ

Проектирование земляного полотна 

Прочность земляного полотна обеспечивает устойчивость дорожной одежды, ее долговечность. При проектировании земляного полотна необходимо учитывать следующие основные факторы:

• качество грунтов;
• уровень грунтовых вод;
• рельеф местности;
• климатические условия;
• тип водоотводящих сооружений;
• возведение земляного полотна, его уплотнение.

Способы устройства корыта 

Дорожные одежды размещаются в корыте – углублении в поверхности земляного полотна. Глубина корыта соответствует толщине дорожной одежды, но если обочины присыпные, то глубина корыта меньше, если с бортами – то больше (рис. 2.6).

Первый способ устройства корыта: разработка котлована в грунте земляного полотна с вывозом грунта. Применяют в устойчивых грунтах при постройке дорог в выемках или нулевых отметках.

Второй способ: устройство обочин за счет грунта, вынимаемого из корыта (полукорытный профиль).

Третий способ: отсыпка обочин из привозных грунтов (присыпные обочины),используется при малопригодных грунтах земляных полотен (например, сыпучих).

Способы устройства земляного полотна 

 Земляное полотно может устраиваться и в нулевых отметках, что используются на местных дорогах, в пустынях и т.п. Но в стесненных городских условиях, чаще всего, устройство земляного полотна происходит в условиях пересеченной местности.

При устройстве загородных дорог грунт для возведения земляного полотна берут из резервов, из выемкив насыпь, складывают в кавальеры (на обрезах дороги); земляное полотно на городских улицах и дорогах проектируют в соответствии с проектом вертикальной планировки улиц по всей их ширине и в увязке с планировкой прилегающих территорий. Используют, главным образом, привозные грунты, которые должны быть обязательно дренирующими – гравийные, песчаные, скальные. Не допускаются илистые, торфяные, солевые грунты, смерзшиеся, пылеватые суглинки и глины. При высоком уровне грунтовых вод нельзя применять грунты, имеющие способность к высокому капиллярному подъему воды. Насыпи устраивают из однородных грунтов, отсыпаемых на всю ширину земляного полотна горизонтальными слоями толщиной, обеспечивающей необходимое их уплотнение. Плотность грунтов земляного полотна должна составлять 95…98 % от оптимальной (). Ширину земляного полотна под проезжие части принимают на 1 метр больше ширины проезжей части с учетом установки бортовых камней и сопряжения дренирующих слоев проезжей части и тротуаров. Поверхности земляного полотна под дорожными одеждами придают уклоны, соответствующие уклонам проезжей части (), направленные в сторону лотков, кюветов, дренажей. Для обеспечения устойчивости земляного полотна большое значение имеет тип грунта.

Типы глинистых грунтов

Группы грунтов по степеням пучинистости

Пучинами называют деформации дорожных одежд, проявляющиеся зимой во взбугривании и потере ровности дорожной одежды, а в период оттаивания – в проломах дорожной одежды, вызываемых резким снижением прочности грунта земляного полотна.

Пучины вызываются накоплением в земляном полотне зимой большого количества влаги. Образуются ледяные прослойки (донники), раздвигающие грунт, вызывая поднятие (пучение дорожной одежды). Весеннее оттаивание – вскрытие пучин – ведет к снижению прочности грунта и дорожной одежды. Дорожные одежды начинают разрушаться под действием движения автомобилей. Образованию пучин способствуют грунты, имеющие высокий капиллярный подъем (до 2 м.), а также высокий уровень грунтовых вод.

Возвышение поверхности земляного полотна над уровнем грунтовых вод устанавливают с учетом гидрологических и климатических условий. При этом нормируется возвышение дна корыта над наивысшем уровнем грунтовых вод. В городских условиях, при невозможности поднять земляное полотно, предусматривают следующие мероприятия:

— понижение уровня грунтовых вод на величину H-h, где H – отметка основания подстилающего слоя, а h – высота капиллярного подъема воды в грунте земляного полотна;

— устройство теплоизолирующих и капиллярнопрерывающих слоев из шлака, щебня, гравия, геотекстиля;

— если под проезжей частью проходит траншея для подземных коммуникаций, то её засыпают песчаными грунтами, с отводом воды из траншеи.

На заболоченных участках принимают следующие решения: сохранение, частичное или полное удаление торфяного слоя, так как насыпи на болотах подвергаются значительным осадкам. На магистральных улицах делают полное выторфовывание. При большой толщине торфа устраивают песчаные сваи (вертикальные дрены): пробуривают скважины до плотного основания и засыпают их песком. В основании насыпи делают прослойки из дренирующего грунта толщиной 0,5 – 2 м.

Крутизну откосов насыпей и выемок принимают с учетом их высоты (глубины), типа грунтов земляного полотна, гидрологических и климатические условий.

Например: 1:1,5 используют для песка, гравия, щебня; 1:1 — для крупнообломочных грунтов. Для обеспечения устойчивости и декоративности используют засев трав, одерновку, георешетки, мощение, бетонные и железобетонные плиты, подпорные стенки.

Конструирование и расчет дорожных одежд 

Дорожные одежды, как было указано ранее, делятся на капитальные и переходные. Выбор типа одежды зависит от категория улицы и дороги, состава и размеров движения, особых условий эксплуатации. Выбор производится по вариантам с учетом экономической эффективности конструкций равной прочности. Сроки службы отдельных дорожных одежд: асфальтобетон – 17 лет, цементобетон – 35 лет, брусчатые и мозаиковые -50 лет, грунтовые — 5 лет.

При проектировании следует учитывать возможность использования местных материалов, наличие предприятий сборных элементов и т.д. Основной составляющей стоимости дорожных одежд является стоимость материалов (в т. ч. транспортные расходы). В большинстве случаев применяют типовые конструкции дорожных одежд. Возможно устройство комбинированных покрытий на полосах основного движения, второстепенного, тротуарах.

Конструктивные типы дорожной одежды:

• жесткие или упруго-жесткие (бетон железобетон);
• нежесткие (необработанные минеральные материалы).

Расчетная схема конструкции – слоистое упругое пространство, равномерно нагруженное по площади круга. При многослойной одежде напряжения, возникающие в нижних слоях и влияние динамических воздействий резко снижаются. Поэтому их можно устраивать из менее прочных материалов, чем верхние слои. Грунтовые основания играют важную роль в обеспечении прочности дорожной одежды, поэтому при проектировании рассматривается прочность комплексной конструкции «одежда – земляное полотно». В многослойной конструкции различают следующие элементы:

• покрытие – верхняя часть дорожной одежды, воспринимающая усилия от колес автомобилей и подвергающаяся непосредственному воздействию атмосферных факторов;
• основание – несущая часть дорожной одежды, обеспечивающая совместно с покрытием перераспределение и снижение давления на расположенные ниже дополнительные слои или грунт земляного полотна. Основания должны быть монолитными, сдвигоустойчивыми и хорошо сопротивляться растяжению при изгибе;
• нижние слои основания (подстилающие слои) менее прочны, но морозо- и водостойкие. Подстилающий слой воспринимает нагрузку от основания, перераспределяет её и передает на грунт;
• дополнительные слои основания устраивают между основанием и грунтом на участках с неблагоприятными климатическими и грунтово-гидрологическими условиями. Они обеспечивают морозоустойчивость и дренирование конструкций. В соответствии с основной функцией их называют морозозащитными, теплоизоляционными, дренирующими; могут быть также прослойки гидро-пароизоляционные, капиллярно-прерывающие, противозаиливающие. В основном – это песок, прослойки из дренирующих тканей типа «геотекстиль». В районах вечной мерзлоты теплоизоляционные слои устраивают из современных высокоэффективных материалов.

Задачи конструирования дорожной одежды:

• назначение типа покрытия;
• выбор материалов и размещение их в конструкции так, чтобы лучше проявились их грузораспределяющая и деформативная способность, прочностные и теплофизические свойства;
• установление числа слоев и их ориентировочных толщин;
• назначение морозо- или теплозащитных мер, мер по повышению трещиностойкости и сдвигоустойчивости.

Принципы конструирования:

• тип покрытия, конструкции дорожной одежды должны удовлетворять транспортно-эксплуатационным требованиям в соответствии с категорией улицы;
• конструкцию выбирают типовую или разрабатывают вновь, но пspan style=»font-family: Times New Roman;»/spanредпочтение отдается проверенной на практике конструкции;
• использование местных материалов с улучшением их свойств добавками вяжущих;
• максимальная механизация и индустриализация работ;
• для предотвращения появления «копирующихся» трещин на покрытии минимальную допустимую толщину слоев из материалов на органических вяжущих и укладкой на p style=»text-align: justify;»основание из материалов укрепленных цементом, принимают 10… 16 см.

Общую толщину дорожной одежды назначают по расчету на прочность и морозоустойчивость. Если толщина дорожной одежды по прочности меньше толщины дорожной одежды по морозоустойчивости, то предусматривают дополнительный слой. Необходимо предусматривать как можно меньше число слоев (от 2 до 4 без учета дополнительных слоев) из разных материалов.

Прочность и устойчивость дорожных одежд должна быть достаточной для предотвращения возможностей превышения допустимых деформаций с учетом многократного приложеня нагрузок, создаваемых проходящим автомобильным транспортом. Деформативная способность дорожных одежд характеризуется модулями их деформаций. Многослойную одежду приводят условно к эквивалентной по прочности однослойной одежде.

При этом принимают:

Е — модули деформации материала дорожной одежды;

Еэкв- эквивалентный модуль деформации на поверхности каждого слоя.

Наряду с прочностью дорожной одежды должно обеспечиваться условие необходимой её устойчивости, для чего нагрузки на грунт земляного полотна не должны превышать допускаемых. Упругие свойства грунтов характеризуют модулем упругости. Если модуль упругости  меньше 40 МПа – рекомендуется укрепление верхней части земляного полотна небольшим количеством вяжущего (цемент 3 — 4 %, зола уноса 10…15%, шлаки, и т.п.). Это стабилизирует физико-механические свойства и повышает его модуль упругости.

Расчет дорожной одежды на прочность 

Задача расчета: определение толщины слоев дорожной одежды в вариантах, пользуясь деформативными и прочностными характеристиками исходных маp class=»MsoNormal» style=»margin-bottom: .0001pt; line-height: normal;»териалов.

Расчет основан на следующих предпосылках:

— зависимость деформации от напряжения для материалов и грунтов при расчетных нагрузках, влажности, плотности и температуры является линейной;

— напряженно-деформативное состояние дорожной одежды под действием местной нагрузки определяется решениями теории упругости для слоистого полупространства с учетом условий сопряжения слоев на контактах;

— влияние продолжительности и повторности действия нагрузок от движения транспорта на напряженно-деформативного состояния дорожной одежды учитывается введением характеристик усталостных свойств;

— силы инерции не учитывают;

— реальные многослойные конструкции приводятся к двух и трехслойным моделям;

— одежды на остановках общественного транспорта, перекрестках и т.п. рассчитаны на многократное кратковременное действие;

— дорожную одежду нужно рассчитывать с учетом надежности, под которой подразумевают вероятность безотказной работы конструкции в течение всего периода между капитальными ремонтами.

Отказ – это такое состояние дорожной одежды и соответствующий ему коэффициент прочности, при котором требуется проведение капитального ремонта ранее срока, установленного действующими нормами. Количественный показатель – уровень надежности, определяемый по формуле:

, при K_проч= 0,9 — 1, 0, где

L – протяженность участка дороги, не требующего ремонта;

Lобщ – общая протяженность дороги;

Kпроч — коэффициент прочности.

Допустимый уровень надежности дорожной одежды:

— капитального типа Кн=0,95, Kпроч =1;

— облегченного типа Кн=0,85, Kпроч =0,9.

С учетом уровня надежности определяют расчетные значения сопротивления растяжению при изгибе асфальтобетона и влажности грунта (Wгр).

Основа расчета – перспективная приведенная интенсивность воздействия нагрузки в период, неблагоприятный для работы дорожных одежд. Устанавливается при экономических обследованиях путем анализа закономерностей изменения интенсивности движения и объемов перевозок.

Перспективный срок:

П= X +Y+ Z, где

X –число лет от года последнего учета движения на существующей дороге до начала строительства;

Y – число лет от начала строительства до ввода в эксплуатацию;

Z – продолжительность периода между капитальными ремонтами.

Критерии прочности:

— сопротивление сдвигу в грунтах и слоях из слабосвязных материалов;

— сопротивление растяжению при изгибе монолитных слоев;

— сопротивление упругому прогибу всей конструкции.

Конструкция дорожной одежды считается прочной, если коэффициент прочности по каждому из критериев больше или равен критерию прочности, найденному с учетом требуемого уровня надежности. Минимальные значения толщины слоев (независимо от прочности) нормируются: асфальтобетон крупнозернистый – 6-7 см.; асфальтобетон мелкозернистый — 3 – 5 см.; щебень, гравий — 15 см. При проектировании усиления дорожной одежды (сетка трещин, выбоины) минимальную толщину слоя усиления из материала, содержащего органическое вяжущее, назначают с учетом интенсивности движения: приведенная интенсивность 100 ед/сут. — 7 см.; 2000ед/сут. — 13 см..

По результатам расчета принимают конструкцию дорожной одежды. Проверка деформативных свойств проводится непосредственно на дороге штамповыми испытаниями или специальными приборами. Модуль упругости сравнивают с требованиями СНиП: Eупр ≥ E (СНиП)

Проектирование водостоков 

Система водостоков бывает открытая и закрытая. Допускаемая длина свободного пробега поверхностных вод до водоприемных и водоотводящих сооружений не должна превышать определенных величин в зависимости от продольного уклона:

i_прод ≤ 4 промилей – 100 м.; i_прод = 4 –6 промилей – 150 м.; i_прод ≥ 6 промилей – 250 – 300 м. Водосток отдельных участков проектируют, увязывая с общей генеральной схемой водоотвода города. Проектирование включает: — размещение водосточной системы на плане; — гидравлические расчеты и выбор типа и конструкции водостоков; — проектирование продольного профиля; — размещение водоприемных и смотровых колодцев и т.д.

Проектирование начинается с определения границ и площадей бассейна стока. По расчетам расхода воды устанавливают типы и размеры поперечных сечений труб, коллекторов, открытых канав. Водоприемные колодцы закрытых водостоков размещают у перекрестков (перед пешеходными переходами), у выездов из дворов и кварталов, в интервалах между ними на расстояниях шага проектирования по нормативным правилам (в зависимости от уклона i_прод — от 50 до 90 м, при большой ширине проезжей части – до 70 м.). Трассы водостоков проектируют прямолинейными участками с минимальным количеством углов поворотов.

Для гидравлического расчета определяют расчетный расход воды – количество воды в или , которое должно пропустить рассчитываемое сооружение в единицу времени (сек). Наибольший расход воды (в период ливневых дождей) определяется по формуле:

л/сек., где

-расчетная интенсивность дождя в л/сек. на га;

— средний коэффициент стока или части его, тяготеющего к рассматриваемому сооружению;

— площадь бассейна стока, га.

Бассейном стока называют участок территории, ограниченный водораздельными линиями, по которым происходит сток поверхностных вод в направлении водоотводящего сооружения.

Коэффициентом стока называют отношение интенсивности стока к интенсивности дождя. < 1, так как сток снижается за счет различных факторов, главным из которых является просачивание в грунт. Чем больше площадь грунта, тем меньше . Коэффициент стока принимают в зависимости от типа поверхности стока: крыши зданий — 0,95, асфальтобетонные и цементобетонные покрытия — 0,9, булыжные мостовые, щебеночные и гравийные покрытия, озелененные участки — 0,1…0,2.

Средние значения коэффициента стока принимают в зависимости от типа застройки:

Небольшие города – 0,25… 0,35;

Малоэтажные застройки – 0,3…0,4;

Многоэтажные застройки – 0,4…0,6;

Старые города со сплошной застройкой – 0,6…0,9.

Расчетную интенсивность дождяопределяют по формуле:

, л/сек. на 1 га, где

— расчетная продолжительность дождя для данной местности, мин.;

и — параметры, зависящие от местных климатических условий.

(7 +), где

q₂₀— расчетная интенсивность дождя для данной местности;

— повторяемость расчетных дождей в годах;

— климатический коэффициент;

— параметр, определяемый по карте с изолиниями.

t, А, n, q20 , С определяют по специальным картам или таблицам. Повторяемость расчетных дождей p принимают в зависимости от типа территории (магистральные улицы, площади, застроенные территории, парки) и условий проложения водостоков. Колеблется от 1 (парки) до 100 лет (для магистральных улиц и благоприятного водоотвода).

Например, для Москвы: с=85, n=0,65.

Условия проложения водостока могут быть:

— благоприятные — водосток проходит близко к водоразделу;

— средние — водосток проходит по пологому склону;

— неблагоприятные — по дну глубокого тальвега;

— особо неблагоприятные — отвод из котловины.

Гидравлический расчет водостоков 

Пропускная способность водоотводящего сооружения зависит от размеров поперечного сечения, степени его заполнения и скорости течения воды:

,  где

— площадь живого (сжатого) сечения труб, лотков (с учетом коэффициента их наполнения);

— скорость течения воды, м/сек.

Площадью живого сечения называют площадь сечения воды в водосточном сооружении. При полном заполнении трубы площадь живого сечения равна площади внутреннего сечения трубы. Скорость определяют по формуле:

, где

— коэффициент шероховатости дна и стенок водоотводящего сооружения;

— гидравлический радиус;

, где

— коэффициент шероховатости (0,012 — для асбестоцемента.; 0,014 – для бетона);

 где

— смоченный периметр, т.е. длина линии контакта дна и стенок сооружения с водой. При полном заполнения:

 где

— внутренний диаметр сооружения; — наибольший уклон (принимают из расчета допустимых скоростей течения воды).

Уклоны водостоков должны приближаться к уклону поверхности, вдоль которой их прокладывают, для уменьшения объемов земляных работ и облегчения и удешевления работ по устройству водостоков. Наименьшую скорость течения воды во избежение заиливания принимают 0,6 м/сек.

При расчете пользуются специальными таблицами, графиками, которые упрощают проектирование.

Реконструкция городских улиц и дорог 

Реконструкция улиц и дорог может проводиться в следующих вариантах

— Проведение отдельных мероприятий по усилению дорожной одежды, увеличению радиусов поворотов, смягчению уклонов и т.п.

— Капитальное переустройство: уширение проезжих частей и других элементов улицы, изменение трассы, расширение улиц со сносом и т.д.

При вертикальной планировке, связанной с преобразованием рельефа, следует у зданий, сооружений, деревьев проектные отметки приближать к существующим. При уширении улиц предусматривается минимальный снос и сохранение опорной застройки.

Простейшими являются работы с усилением проезжей части в пределах существующей ширины. Например, булыжные мостовые используют в качестве оснований под асфальтобетонные покрытия. При необходимости изменения профиля улицы или дороги используют дополнительное щебеночное основание, чтобы избежать перерасхода асфальтобетона. Проезжие части и тротуары можно уширять за счет газонов, снятия трамвайных путей и т.п.

При невозможности уширения проезжей части и тротуаров в пределах ширины улиц можно принять следующие решения:

— устройство пересечений в разных уровнях для повышения пропускной способности улиц;

— снос строений;

— перенос части движения на параллельные улицы;

— устройство тротуаров в первых этажах зданий;

— пробивка новых улиц;

— устройство эстакад и тоннелей.

Учет региональных особенностей при проектировании и реконструкции городских улиц и дорог

— сохранение вечной мерзлоты в основании насыпи в течение всего периода эксплуатации;

— частичное оттаивание;

— полное оттаивание и осушение до начала строительства. Насыпи назначают по тепло-техническому расчету, но не менее 1,2 – 1,5 м.; в дорожной одежде предусматриваются дополнительные теплоизолирующие слои.

Орошаемые земли характеризуются повышенным уровнем грунтовых вод. Поэтому земляное полотно проектируют только в насыпи, а толщину дорожной одежды принимают на 20-35 % больше.

Список литературы

1. Автомобильные дороги. СНиП 2.05.02-85
2. Гезенцвей. Л.Б., Гуревич Л.В. Городские улицы и дороги. — М., Стройиздат, 1968
3. Строительство автомобильных дорог. / справочник под редакцией В.А. Бочина . – М.: Транспорт, 1980.
4. Славуцкий А.К. Сельскохозяйственные дороги и площадки. – М.: Высшая школа, 1980.
5. Бабков В.Ф. Автомобильные дороги. – М.: Транспорт, 1989.
6. Строительство улиц и городских дорого. – М.: Стройиздат, 1974.
7. Евгеньев И.Е., Б.Б. Каримов. Автомобильные дороги в окружающей среде. – М.: Транспорт наука, 1997
8. Рохман В.А., Визгалов В.М., Поляков М.П. Пересечение и примыкания автомобильных дорог. М.: — Высшая школа, 1997.
9. Материалы и изделия для строительства дорог: Справочник / под редакцией М.В. Горелышева. – М.: Транспорт, 1986.