9.2. Сооружение высоких насыпей и глубоких выемок

Общая устойчивость. При предварительном назначении конструкции откосов крутизна их должна быть не более 1:1,75 для откосов насыпей и 1:2 для откосов выемок.

Расстояние между ярусами (полками) при наличии в их пределах глинистых грунтов не должно превышать 7 м для выемок и 10 м для насыпей. Конструктивные размеры полок выемок (ширина по верху) или контрбанкетов насыпей должны быть не менее 4,5-5,0 м.

Крутизна контрбанкетов насыпей, а также нижних ярусов выемок должна быть, как правило, меньше крутизны откосов верхних частей насыпей и ярусов выемок, по крайней мере, на один порядок. В случае глубоких выемок в слоистых толщах, представленных глинистыми грунтами, полки ярусов необходимо размещать, руководствуясь следующими правилами:

при наличии двухслойной толщи глинистых грунтов примерно одинаковой мощности, но различной прочности откос выемки делят на ярусы в пределах первого слоя, если S_pw1 > S_pw2, и на границе слоев, если S_pw2 > S_pw1 (S_pw - сопротивляемость грунта сдвигу);

при наличии многослойной толщи различной мощности и различной прочности откос выемки делят на ярусы с учётом более слабых слоев (по их прочности-сопротивляемости сдвигу), мощности и наклона слоев к горизонту.

В тех случаях, когда на откос выемки выходит водоносный горизонт с постоянным дебитом и значительного простирания (по длине выемки), необходимо устраивать перехватывающий траншейный дренаж. Если низ водоносного горизонта расположен при этом на глубине более 3 м от верха откоса или одного из ярусов, перехватывающий дренаж должен быть запроектирован на специальной конструктивной полке, которую следует располагать от верха откоса или ближайшего яруса на глубине не более 3 м. В тех случаях, когда водоносный горизонт расположен на глубине, совпадающей с разбивкой откоса на ярусы, дренаж рекомендуется располагать на полке соответствующего яруса.

Траншейный дренаж располагают таким образом, чтобы максимальное расстояние от капиллярной каймы кривой депрессии до свободной поверхности откоса или полки было не меньше расчётной глубины промерзания для данного района. В противном случае необходимо предусматривать меры по уменьшению глубины промерзания откоса.

Учитывая трещиноватость глин дочетвертичного, четвертичного возраста и в покровных отложениях в природном залегании, необходимо обеспечивать водонепроницаемость основания под дренажными трубами, устраивая экран из битумогрунта или перемятой глины.

Местная устойчивость. Крутизну откосов, назначенную на основе оценки местной устойчивости, принимают после рассмотрения вариантов по уменьшению крутизны, определённой ранее на основе оценки обшей устойчивости, и вариантов, связанных с применением специальных конструкций, обеспечивающих местную устойчивость при данной крутизне, с учётом технико-экономического обоснования.

Обеспечение местной устойчивости откосов, сложенных глинистыми грунтами, связано с применением специальных конструкций в комплексе с последующим укреплением их поверхности и регулированием водного режима. К числу таких специальных конструкций относятся: защитные слои, решетчатые конструкции, поперечные дренирующие устройства, конструкции укрепления откосов, регулирования поверхностного стока.

Поскольку глины дочетвертичного возраста при воздействии на них погодно-климатических факторов (попеременного промерзания и оттаивания, набухания и увлажнения) изменяют свою прочность в поверхностных слоях до значений, близких к нулю, необходимо в этих случаях прикрывать такие грунты в откосах защитными слоями из материалов, устойчивых к погодно-климатическим воздействиям.

Толщину защитного слоя назначают с таким расчётом, чтобы глинистый грунт в откосе был защищен от промерзания в зимнее время и высушивания до влажности на пределе усадки в летнее. Для исключения потери прочности в результате промерзания-оттаивания, а также образования усадочных трещин при высушивании толщина защитного слоя должна быть не менее 0,6-0,8 м. В качестве материалов для защитных слоев могут быть использованы местные морозостойкие неусадочные грунты.

Конструкция защитного слоя может включать погребённый под защитным слоем экран из вязкого битума, устроенный на тщательно спланированной и уплотнённой поверхности откоса. Средняя минимальная толщина такого экрана составляет 6-8 мм (из расчёта 7 кг битума на 1 м²). Экран не пропускает через грунт защитного слоя атмосферные осадки и воды снеготаяния в откосную зону. При этом толщина защитного слоя может быть уменьшена на 0,5 м.

При назначении конструкции защитного слоя для откоса выемки необходимо учитывать, что пласты глин дочетвертичного возраста отличаются значительной трещиноватостью в природном залегании, часто включают маломощные прослойки песка, не являющиеся абсолютным водоупорным слоем. Поэтому при расположении над слоем таких глин водоносного горизонта необходимо внутреннюю часть защитного слоя устраивать в виде дренирующего слоя, применяя дренирующие грунты с коэффициентом фильтрации не менее 1 м/сут. Толщину дренирующего слоя назначают в зависимости от расчётного дебита воды. При капельном дебите (что часто имеет место) толщину дренирующей части защитного слоя принимают 0,2-0,3 м.

Дренирующий слой на откосе устраивают таким образом, чтобы вода, поступающая из глинистого пласта, могла проникать в песчаные слои, подстилающий глинистый пласт. В тех случаях, когда вода через глинистый пласт поступает в виде ключей, необходимо предусмотреть каптаж. При значительном дебите воды, фильтрующейся через глинистый пласт на откосе, защитный слой можно совмещать с откосным присыпным дренажом.

Присыпной откосный дренаж целесообразно размещать таким образом, чтобы его нижняя часть была расположена на полке. При этом должна быть обеспечена водонепроницаемость основания под дренажными трубами путём устройства экранов из перемятой глины, грунта, обработанного вяжущими или из вязкого битума. Толщина конструкции откосного дренажа должна быть не менее 0,8 м.

Для обеспечения устойчивости поверхностных слоев высоких откосов насыпей и выемок (с учётом возможного снижения прочности глинистых грунтов) можно использовать решетчатые конструкции из сборных железобетонных элементов или геосинтетики. Решетчатые конструкции применяют в качестве несущих для предотвращения деформаций, приводящих к сплывам и оплывинам; в качестве защитных - для поверхностного укрепления.

Поперечные дренирующие устройства применяются для осушения откосов выемок, сложенных трещиноватыми глинистыми грунтами, переслаивающимися песчаными водоносными прослойками малой мощности и прерывистого простирания. Такие устройства целесообразно устраивать в неглубоких выемках (до 6-8 м) и предусматривать дренажные выпуски непосредственно в водоотводные канавы (кюветы).

Горизонтальные дренажные скважины, обсаженные трубофильтрами из керамзитобетона и других материалов с высокой пористостью, располагают у подошвы откоса или у подошвы его отдельных частей (ярусов). Дренажные скважины снимают избыточный напор в грунте, осушают грунт в радиусе своего влияния, создавая призму упора в основании откоса, отводят свободную воду в период оттаивания грунта с повышенной водопроницаемостью. Целесообразно применять дренажные скважины с внешним диаметром 100 мм.

При глубине выемки до 4 м скважины располагают в один ряд на высоте 0,5 м от основания откоса. Расстояние между скважинами в ряду определяют по формуле

L_p1 = a+b×f, где (9.2)

f - интенсивность пучения, доли единицы;

a, b - коэффициенты, зависящие от вида грунта (табл. 9.2).

Таблица 9.2

При глубине выемки более 4 м скважины располагают в два ряда. Расстояние между скважинами во втором ряду увеличивают: L_p2 = 1,8 L_pl.

Регулирование поверхностного стока обеспечивают конструктивными мероприятиями, с помощью которых ограничивают проникание жидких атмосферных осадков, а также снеготаяния в откосную часть земляного полотна.

Для регулирования поверхностного стока глубоких выемок и высоких насыпей (при их делении на отдельные ярусы) необходимо при наличии глинистых грунтов на поверхности полки каждого яруса предусматривать водонепроницаемый слой, например, из грунта, обработанного битумом или битумной эмульсией. Если полка устроена в глинистом грунте дочетвертичного возраста, на её поверхности предварительно устраивают защитный слой. Водонепроницаемый слой необходимо также укладывать на поверхности выше- и нижележащих откосных частей по 0,5 м с каждой стороны.

Сток поверхностных вод с поверхности полки осуществляют лотками треугольного, полукруглого или трапецеидального сечения, располагая их в средней части полок (по ширине). При этом следует предусмотреть дальнейший отвод или устройство поперечных водосбросных лотков.

Для исключения скопления на полках талых вод (при возможном заиливании водоотводных лотков) полкам придают поперечный уклон 3-4 % в низовую сторону. Если глубокие выемки располагают на косогорах, устраивают нагорные канавы со сбросом воды в пониженные места. Для предотвращения попадания в кюветы выемок грунта, смываемого с откосов талыми водами и атмосферными осадками, предусматриваются закюветные полки шириной не менее 3,5 м.

Для исключения чрезмерного впитывания воды через обочины насыпей необходимо предусмотреть их водонепроницаемое укрепление. Кроме того, для отвода воды, стекающей с проезжей части покрытия, а также с обочины устраиваются прикромочные лотки. Уклон обочинам следует придавать в сторону прикромочного лотка.

Конструкция прикромочных лотков должна исключать возможность отхода лотка от кромки проезжей части, для чего лоток к плите покрытия прикрепляют с помощью выпусков арматуры. Швы между прикреплёнными лотками и плитой проезжей части заливаются битумной мастикой.

Для исключения просадок прикромочных лотков под ними устраивают надёжное основание. С этой целью ширину слоев основания дорожной одежды увеличивают на ширину краевых полос с лотками.

Сброс воды из прикромочных лотков насыпей осуществляют равномерно по всей длине насыпи, не создавая отдельных очагов концентрированного сброса. Для этой цели применяют сборные водосбросные лотки телескопического типа. Сечение лотков и расстояние между ними в плане обосновывают гидрологическими расчётами. При расположении водосбросного лотка на полке яруса (или на контрбанкете) необходимо предусмотреть устройство водобойных колодцев.

В тех случаях, когда контрбанкет устроен из глинистых грунтов, ширину которого назначают из условия обеспечения обшей устойчивости насыпи, поверхность контрбанкетов укрепляют водонепроницаемым слоем (например, грунтом, обработанным битумом) на ширину не более 6 м в пределах полосы, прилегающей к вышележащему откосу. Остальная часть поверхности контрбанкета должна быть прикрыта слоем морозостойкого неусадочного грунта и тщательно спланирована с уклоном в сторону низового откоса. Сверху следует уложить слой растительного грунта и предусмотреть посадку кустарника или деревьев.

При назначении конструкции водоотводных лотков, размещаемых на полках, а также прикромочных и сбросных лотков необходимо предусмотреть меры, исключающие проникание воды из лотка в подстилающий грунт. Для этого сечение лотка во всех случаях должно быть обосновано расчётом, а сама конструкция лотка и его основание исключали бы утечку воды.

Для предотвращения оплывания откосов кюветов, водоотводных и нагорных канав и для обеспечения нормальной работы необходимо предусмотреть их водонепроницаемое укрепление на всём протяжении, даже при малых продольных уклонах. В качестве материала для укрепления водоотводных канав рекомендуется применять сборные железобетонные плитки, монолитный цементобетон, грунт, обработанный вяжущими.

Технологические мероприятия. Выемки всегда разрабатывают при заранее обеспеченном регулярном отводе поверхностных и грунтовых вод. Для этой цели необходимо устраивать временный водоотвод при разработке каждого яруса.

При разработке глубоких выемок целесообразно использовать комбинированные схемы производства работ, например, сначала скреперным отрядом до первого водоносного горизонта, далее экскаватором с автотранспортированием грунта и его укладкой в земляное полотно соседних насыпей. Все работы по устройству дренажей выполняют непосредственно в процессе разработки выемок в едином комплексе. При этом часть выемки, расположенная ниже верха траншейного дренажа, разрабатывается только после устройства последнего.

Устройство защитных слоев и укрепление откосов выполняют после разработки выемки (или её яруса), чтобы не допускать высушивания глинистых грунтов, а также чрезмерного увлажнения их атмосферными водами. Защитный слой укладывают после разработки выемки и планировки откоса. Защитный слой на полке устраивают после окончания работ по сооружению дренажа.

Выемки необходимо разрабатывать «с недобором». Последующую срезку грунта и планировку откосов осуществляют экскаватором-драглайном или бульдозером.

Все работы по сооружению выемок в сложных инженерно-геологических условиях необходимо проводить, как правило, в летний период при минимальном дебите грунтовых вод, При этом во всех случаях до наступления осеннего периода должен быть выполнен в полном объёме комплекс мероприятий по обеспечению местной устойчивости.

В осенне-весенний периоды допускают разработку верхних частей выемки до горизонта, расположенного не менее чем на 2 м выше уровня грунтовых вод первого (с верха) водоносного горизонта. При этом по ширине выемку разрабатывают «с недобором» не менее 2 м с каждой стороны.

Если по тем или иным причинам незаконченную выемку оставляют на зиму, требуется предусмотреть мероприятия по её содержанию в период снеготаяния (прочистку временного водоотвода, уборку снега и т. п.). До начала зимы дно выемки должно быть тщательно спланировано и устроен временный водоотвод.

При сооружении высоких насыпей уплотнение откосной части земляного полотна обеспечивается до плотности не менее 0,95 от максимальной при стандартном уплотнении. Для этого земляное полотно насыпи отсыпают слоями не более 0,3 м (в плотном теле) и уплотняют катками на пневматических шинах типа ЗУ-25, а оставшийся на откосе недоуплотнённый слой (около 0,5 м) уплотняют дополнительно, например, с помощью трамбующей плиты или вальца катка на экскаваторе-драглайне.

Если по тем или иным причинам нет возможности доуплотнить откосную часть, насыпь отсыпают на большую ширину (примерно по 0,5 м в каждую сторону) с последующей срезкой бульдозером или экскаватором-драглайном. При этом срезанный грунт укладывают либо на поверхность ниже- или вышележащей полки с последующим уплотнением, либо загружают в самосвалы и перемещают в насыпь на соседнем участке.

Контрбанкеты сооружают одновременно с возведением земляного полотна насыпи. При этом к плотности грунта в контрбанкетах предъявляются такие же требования, как и к соответствующим горизонтам насыпи.

Все работы по сооружению высоких насыпей из глинистых грунтов рекомендуется проводить в весенний и летний периоды. При этом укрепление откосов насыпей, а также поверхности откосов контрбанкетов должно быть закончено до наступления осенне-зимнего периода.

Защитные слои на откосах насыпей из глинистых грунтов устраивают непосредственно в процессе возведения насыпи. Применяют два варианта схем производства работ:

защитный слой на откосе укладывают и уплотняют одновременно с отсыпкой и уплотнением слоев насыпи; оставшуюся в этом случае недоуплотнённую внешнюю часть защитного слоя (примерно 0,5 м) затем планируют и доуплотняют трамбованием;

насыпь из глинистого грунта отсыпают предварительно на высоту одного яруса, после чего откосную часть планируют и доуплотняют трамбованием, затем немедленно с помощью бульдозера на откос укладывают и разравнивают грунт защитного слоя, уплотняя последний трамбованием.

Защитный слой на поверхности полок (контрбанкетов) укладывают одновременно с устройством защитного слоя на вышележащей части откоса.

Во всех случаях при перерыве в производстве работ необходимо тщательно спланировать поверхность земляного полотна насыпи, придав ей поперечный уклон не менее 6-8 %. При длительном перерыве работ требуется предусмотреть устройство на поверхности насыпи слоя из дренирующих грунтов.

Укрепление поверхности откосов высоких насыпей (выше 12 м) и глубоких выемок (глубже 12 м) необходимо начинать немедленно после сооружения и окончательной отделки каждого яруса (уплотнения и планировки поверхности откосов). Если по тем или иным причинам недостроенная насыпь оставляется на зиму, предусматриваются мероприятия по её содержанию в период снеготаяния. Поверхность откосов планируют экскаватором-планировщиком Э-4010 при высоте ярусов (откосов) до 6 м или планировочной рамой на экскаваторе-драглайне при высоте более 6 м.

В тех случаях, когда крутизна откосов не более 1:2, планировочные работы целесообразно выполнять бульдозерами с гидравлическим управлением.

Устройство укрепления откосов с помощью решетчатой конструкции и заполнением ячеек растительным грунтом с посевом трав следует начинать с нанесения последнего на поверхность откосов. При этом сначала отсыпают слой растительного грунта толщиной не менее 10 см, который служит одновременно выравнивающим. Далее сеют траву агрегатом ЦНИИС, а затем на его поверхность укладывают сборные элементы, объединяя их в решетчатые конструкции, ячейки которых заполняют растительным грунтом заподлицо.

Растительный грунт транспортируют самосвалами и выгружают на обочину или верхнюю часть откоса. Распределяют растительный грунт равномерным слоем по всей поверхности откоса экскаватором-планировщиком Э-4010 при высоте яруса до 6 м или экскаватором-драглайном при высоте более 6 м. Растительный грунт на откосы с крутизной не более 1:2 рекомендуется наносить прицепными скреперами с ёмкостью ковша не более 6 м³.

Для окончательного распределения и планировки выравнивающего слоя растительного грунта целесообразно использовать бульдозер с универсальным отвалом и гидравлическим управлением. При использовании метода гидропосева травы засевают после окончания монтажа сборных элементов решетчатых конструкций.