Особенности проектирования лесовозных дорог в районах с избыточным увлажнением
Значительная часть лесных территорий, на которых сегодня ведется хозяйственная деятельность, могут быть отнесены к категории увлажненных и избыточно-увлажненных. Дорожное строительство в подобных условиях затруднено, и основная задача автора настоящей статьи - дать некоторые рекомендации по рациональному подбору дорожных конструкций, которые позволили бы сделать лесные участки транспортно доступными на максимально длительный срок.
Избыточное увлажнение земляного полотна является одной из основных причин разрушения дорог, поэтому в первую очередь следует рассмотреть основные источники попадания воды в дорожную конструкцию. К ним относят: атмосферные осадки, поверхностную воду, капиллярную воду, парообразную воду, пленочную воду.
Атмосферные осадки могут просачиваться в земляное полотно через дорожную одежду (например, гравийную или щебеночную), а также через обочины и боковые откосы. Поверхностная вода из-за затрудненного водоотвода может увлажнять грунтовое основание в результате молекулярного и капиллярного движения. Капиллярная вода попадает в земляное полотно, поднимаясь от грунтовых или от верхних вод. Парообразная вода конденсируется в земляном полотне, перемещаясь от теплых слоев к холодным. Пленочная вода перемещается в промерзающих грунтах в зону с температурой от 0 до 3°С путем миграции от расположенных ниже талых слоев.
Закономерности изменения влажности грунта и температуры в разных точках земляного полотна называются водно-тепловым режимом. Важнейшими климатическими факторами, влияющими на водно-тепловой режим автомобильной дороги, являются осадки, испарение влаги, амплитуда и быстрота колебаний температуры воздуха и грунта, продолжительность холодного периода, направление и скорость ветра, мощность снежного покрова, глубина промерзания грунта.
Динамику изменений водно-теплового режима можно описать следующим образом. Осенью, в дождливый период, из-за снижения интенсивности испарения и подъема грунтовых вод содержание воды в порах грунта увеличивается и, как следствие, снижается сопротивляемость земляного полотна воздействию нагрузок от автотранспорта. В первой половине зимы при постепенном промерзании земляного полотна вода от уровня грунтовых вод постепенно поднимается по капиллярам к уровню промерзания, где замерзает и тем самым обеспечивает повышенное содержание влаги в дорожной конструкции. Кроме того, влажность повышается за счет перемещения к границе промерзания водяного пара, а также за счет увлажнения от кюветов, боковых канав и резервов в осенний период. Вода, замерзшая в результате зимнего влагонакопления, образует кристаллы льда, которые постепенно увеличиваются в объеме и превращаются в ледяные прослойки, вызывая поднятие грунтового основания, т. е. его пучение. Во второй половине зимы слой мерзлого грунта под дорожной одеждой увеличивается, что приводит к повышению относительной влажности грунта. Грунт глубоко промерзает под проезжей частью дороги, этому способствует регулярная расчистка проезжей части и большая теплопроводность дорожной одежды. На обочинах, под канавами и кюветами грунт промерзает меньше. В весенний период верхняя часть промерзшего грунта под проезжей частью оттаивает быстрее. В результате таяния ледяных прослоек вода оказывается в своеобразном корыте, образованном неоттаявшим грунтом, в результате чего участок земляного полотна под проезжей частью теряет несущую способность. Этот период и представляет собой распутицу.
По климатическим условиям, влияющим на водно-тепловой режим, территория России разделена на пять дорожно-климатических зон: I - зона вечной мерзлоты; II - зона с избыточным увлажнением; III - зона со значительным увлажнением в отдельные годы; IV - зона с недостаточным увлажнением; V - засушливая зона. Большая часть лесов произрастает во II зоне, часть - в I и III зонах.
В описанных выше условиях можно указать на следующие основные особенности строительства лесовозных дорог:
- на значительной части лесной территории основными видами грунтов являются влагоемкие, неустойчивые во влажном состоянии и подверженные пучению при промерзании; однако в силу безвыходного положения их приходится использовать в дорожном строительстве;
- затяжной весенне-осенний период и сырое короткое лето негативно влияют на водно-тепловой режим;
- летний период дорожно-строительных работ составляет всего 4-5 месяцев, причем в ряде регионов в этот период может выпасть около 40% годового количества осадков;
- на значительной части территории объем осадков превышает объем испарения, поверхностный сток затруднен, что вызывает избыточное увлажнение грунта в осенне-весенний период;
- водоотвод в пониженных и заболоченных местах затруднен;
- наблюдаемые в последние годы климатические аномалии также влияют на формирование неблагоприятного водно-теплового режима лесовозной дороги.
Таким образом, при проектировании лесовозной автодороги следует предусмотреть ряд мероприятий по улучшению водно-теплового режима земляного полотна, например:
- устройство насыпей с учетом требований СНиП 2.02.05-85 по возвышению покрытия в зависимости от грунтовых условий (см. таблицу);
- сооружение водоотвода;
- устройство дренажей для понижения уровня грунтовых вод, особенно в выемках;
- строительство верхних частей насыпей высотой 0,4-0,5 м из песчаного грунта, а также замену местного материала в выемках песком;
- устройство капиллярно-прерывающих прослоек из щебня, гравия или крупного песка толщиной не менее 0,15 м с поперечным уклоном в сторону от оси земляного полотна (рис. 1). Чтобы фильтрующий материал прослойки не заиливался, сверху и снизу следует укладывать геотекстиль или другие подобные материалы. В качестве капиллярно-прерывающей прослойки на ветках и усах хорошо себя зарекомендовали лесосечные отходы.
Рис. 1. Устройство водонепроницаемых прослоек в теле земляного полотна:
а – из пористых материалов; б – из водонепроницаемых материалов;
1 – дорожная одежда; 2 – противозаиливающая прослойка; 3 – слой гравия; 4 – горизонт воды; 5 – прослойка из влагонепроницаемого материала.
Рис. 2. Конструкция земляного полотна на болотах: а – на болотах I типа; б – на болотах II и III типов с полным или частичным выторфовованием; в – на болотах III типа с устройством прорезей и посадкой насыпи на минеральное дно; г – то же, но без устройства прорезей в сплавине; д – с устройством сланей из нетоварной древесины; 1 – уровень болота; 2 – плотный торф; 3 – минеральное дно; 4 – сплавина; 5 – жидкий торф.
Отдельно следует остановиться на особенностях конструкции земляного полотна на болотах. Конструкция земляного полотна лесовозных дорог, пересекающих болота, зависит от категории дороги, типа и глубины болота, от свойств грунтов, входящих в состав болота.
Различают три типа болот: I - болота, полностью заполненные торфом устойчивой консистенции, подстилаемые довольно плотными минеральными грунтами; II - болота с торфом неустойчивой консистенции, подстилаемые органическими или полуорганическими илами (сапропелями); III - болота, заполненные жидкими торфами с плавающей торфяной коркой (т. н. сплавинные болота).
В зависимости от категории дороги и типа болота насыпь лесовозной дороги возводят без выторфовывания, с отсыпкой грунта непосредственно на поверхность болота или на слани, с полным или частичным выторфовыванием, с посадкой на минеральное дно (рис. 2).
Земляное полотно дорог с переходными и низшими покрытиями на болотах I типа возводят без выторфовывания или с частичным выторфовыванием. Полностью удаляют торф при строительстве дорог с капитальными усовершенствованными покрытиями на болотах глубиной до 4 м, а с облегченными усовершенствованными покрытиями - при глубине до 2 м. На болотах II и III типов насыпи возводят с посадкой на минеральное дно болота. Дороги с переходными и низшими покрытиями допускается строить на сланях при условии постоянного нахождения сланей ниже уровня воды в болоте. Высота насыпей магистралей, веток летнего действия и лесохозяйственных дорог должна быть не менее 0,6 м при полном выторфовывании и 0,8 м - при сохранении торфа.
В последнее время все большее применение находит способ возведения насыпей без удаления (выторфовывания) слабых грунтов, с их последующим использованием в качестве основания насыпей. При проектировании земляного полотна выполняют расчет устойчивости насыпей заданной высоты для конкретных условий. Расчетам должны предшествовать детальные инженерно-геологические обследования, при которых следует определить влажность, плотность грунтов, их сопротивление сдвигу и другие показатели состава и состояния грунтов естественного залегания.
При строительстве дорог через болота рекомендуется применять метод предварительной консолидации, а для ускорения осадки - временную пригрузку. Метод предварительной консолидации заключается в возведении насыпей с определенной интенсивностью, соответствующей росту несущей способности основания в результате его уплотнения под весом возводимой насыпи.
Насыпь отсыпают бульдозерами с продольным перемещением грунта или вывозкой автомобилями (самосвалами), которые разгружаются на отсыпанной части насыпи, не заходя на болото, разравнивание и подачу грунта на болото выполняют бульдозерами. Насыпь возводят до проектных отметок или с превышением на толщину пригрузочного слоя, если для ускорения осадки используют метод временной пригрузки. После завершения срока консолидации (окончания осадок насыпи) пригрузочный слой срезают. В некоторых случаях для предупреждения бокового выпирания выполняют боковую пригрузку. В заключение хотелось бы упомянуть о таком способе строительства земляного полотна из переувлажненных грунтов, как обработка активными добавками, применяемыми для осушения глинистых грунтов в основании и верхней части земляного полотна.
Наиболее эффективна обработка пылеватых песков, супесей и легких суглинков. Переувлажненные жирные глины и грунты с большим количеством органических частиц обрабатывать добавками нецелесообразно и включать их в земляное полотно недопустимо. Для обработки грунтов применяются молотая негашеная известь с содержанием CaO и MgO (более 60%) и разные виды цементов. Работы по внесению извести или цемента, перемешиванию с грунтом и уплотнению выполняются без перерывов при положительной температуре и только в сухую погоду.
Тарас КОВАЛЕНКО, доцент кафедры промышленного транспорта СПбГЛТУ
