СПРАВОЧНИК ДОРОЖНОГО МАСТЕРА

Строительство, эксплуатация и ремонт автомобильных дорог

Учебно-практическое пособие

Москва
Инфра-Инженерия
2005

Содержание

Справочник содержит необходимые сведения по технологии возведения земляного полотна, дорожно-строительным материалам и производственным предприятиям дорожного хозяйства. Изложена технология и организация строительства дорожных одежд, а также правила ремонта и содержания автомобильных дорог.

В справочнике даны рекомендации по проектированию, строительству и эксплуатации автозимников и ледовых переправ.

В помощь руководителям дорожных хозяйств приведена тарифно-квалификационная характеристика основных профессий и должностей специалистов и рабочих, дан справочный материал по обеспечению рабочих бесплатной специальной одеждой и обувью.

Справочник предназначен для инженеров и мастеров, занятых строительством, эксплуатацией и ремонтом автомобильных дорог. Он может быть использован и студентами, обучающимися по специальности «Автомобильные дороги и аэродромы».

КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ:

С.Г. Цупиков, канд. техн. наук, проф. - введение, гл. с I по IX (кроме гл. IV п. 4.1...4.4; гл. VII п.7.1 и 7.2; гл. IX п. 9.1 и 9.2);

А.Д. Гриценко, канд. техн. наук, проф. - гл. с X по XIV;

A.M. Борцов, канд. техн. наук. доц. - гл. XVIII;

И.М. Гуряева, канд. техн. наук, доц. - гл. с XV по XVII;

Т.В. Москвитина, инж. - гл. XIX и XXIII;

Н.С. Казачек, канд. техн. наук, доц. - гл. с XX по XXII;

В.В. Кузьмин, канд. техн. наук, доц. - гл. IV п. 4.1 ...4.4 и гл. VII п.7.1 и 7.1.1;

О.А. Иванова., инж. - гл. IX п. 9.1 и 9.2.

Введение

Автомобильная дорога - это комплекс сложных и дорогостоящих инженерных сооружений, без которых не может работать автотранспорт, перевозящий около 80 % грузов страны. Транспортная сеть влияет на размещение производственных сил, освоение новых районов и природных богатств, способствует повышению эффективного использования местных ресурсов и сельскохозяйственных угодий. Чтобы народное хозяйство работало в нормальных условиях, необходимо иметь 500...600 км автомобильной дороги на 1 тыс. км² территории. В настоящее время автодорожная сеть Российской Федерации составляет менее 100 км на 1 тыс. км² территории. Для сравнения, в Испании - 260, в Польше - 980, во Франции - 2420 км на 1 тыс. км².

От сложности дорожной сети и ее качества зависит эффективность использования автомобильного транспорта и безопасность дорожного движения.

Освоение северных и северо-восточных районов немыслимо без развития сети автомобильных дорог. Строительство дорог в этих районах связано со значительными трудностями, поскольку приходится прокладывать их в сложных природных условиях (пересеченный рельеф, вечная мерзлота, болота, малая продолжительность летнего строительного сезона и др.). Рост объемов дорожно-строительных работ требует не только дальнейшего укрепления производственной мощности дорожно-строительных организаций, но и полного рационального использования техники, существенного улучшения организации и технологии строительства.

Работы по строительству автомобильных дорог можно разделить на подготовительные, строительно-монтажные, заготовительные, включающие работу производственных предприятий и складское хозяйство, транспортные. Затраты труда и материальные ресурсы на разработку месторождений нерудных материалов, переработку, обогащение, приготовление полуфабрикатов и изделий составляют около 50 % от всех затрат на строительство автомобильной дороги. Достаточно сказать, что на строительство одного километра дороги III технической категории требуется: песка - 4500 м³, щебня - 2500 м³ битума - 100 т, минерального порошка - 120 т.

Для строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог и сооружений применяют разнообразные природные и искусственные материалы. Природные строительные материалы добывают в местах их образования, обычно в верхних слоях земной коры (например, песок, гравий). Искусственные строительные материалы изготавливают по специальной технологии из природного сырья или отходов промышленности, из смеси разных материалов, причем, свойства исходных составляющих претерпевают физико-химические изменения, в результате чего получается новый материал с новыми свойствами, отличающийся от исходного сырья. Так, после смешения и уплотнения смеси щебня, песка, цемента и воды и последующего отвердевания смеси получают цементобетон.

Строительные материалы, которые могут быть получены в районе строительства из местного природного сырья или отходов промышленности с использованием для их добычи и переработки сравнительно несложного оборудования, называют местными строительными материалами. Применение местных материалов в дорожном строительстве при рациональном конструировании сооружений снижает их стоимость, экономит материалы промышленного производства, сокращает транспортные расходы и обеспечивает строительству более широкий фронт работ. К этой группе относят песок, гравий, щебень из местных каменных пород.

Материалы из сырья, имеющего ограниченное распространение и для производства которых необходимо заводское оборудование и квалифицированный персонал, называют строительными промышленного (централизованного) производства. К этой группе относят цементы, битумы, дегти, металл, которые поступают на строительство в готовом виде.

При приемке материалов, поступающих на объекты в готовом виде, задача мастера сводится к умению проверить качество, организовать их правильную перевозку, хранение и использование. При добыче, переработке и изготовлении материалов на месте строительства (например, каменных материалов, цементо- и асфальтобетонов) мастер организует и руководит работами в притрассовых карьерах, на бетонных заводах, полигонах и базах. В этом случае необходимо глубоко знать не только свойства исходного сырья, полуфабрикатов, составляющих бетона, но и умело организовать технологию производства материалов. Наряду с этим, мастер обязан организовать систематический текущий контроль производства полуфабрикатов, материалов и изделий, их хранение и использование.

За последние годы были пересмотрены многие строительные нормы и правила, государственные стандарты на материалы, полуфабрикаты, изделия, правила производства работ и другие документы. Внедрены новые технологии скоростного строительства автомобильных дорог и новые высокопроизводительные комплекты дорожных машин и оборудования производственных предприятий.

Прогресс в области дорожно-строительных материалов способствовал повышению требований к ним, а также применению новых материалов, в частности - широкому использованию геотекстиля, пластиковых георешёток, щебеночно-мастичного асфальта и др.

Таким образом, возникла необходимость в издании данного справочника с учетом требований по повышению эффективности производства и качества продукции, а также последних достижений науки и техники.

На строительстве, реконструкции и содержании автомобильных дорог в настоящее время заняты тысячи дорожно-строительных организаций, поэтому потребность в справочной литературе по дорожному строительству очень велика.

РАЗДЕЛ I
ВОЗВЕДЕНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

Глава 1.
Общие сведения о возведении земляного полотна

1.1. Состав дорожно-строительных работ

Все работы, связанные со строительством автомобильных дорог, можно разделить на три группы:

Строительно-монтажные - направлены на создание конечной продукции. При возведении земляного полотна к ним относят:

1. Подготовительные работы:

- восстановление и закрепление трассы;

- расчистка дорожной полосы от леса, кустарника, пней, камней и др.;

- разбивка земляного полотна;

- удаление растительного слоя;

- обеспечение водоотвода.

2. Основные работы:

- разрыхление грунта;

- разработка, перемещение и укладка грунта;

- послойное разравнивание;

- уплотнение.

3. Отделочные работы:

- планировка земляного полотна;

- укрепление откосов земляного полотна;

- рекультивация земель.

Строительно-монтажные работы при возведении земляного полотна подразделяют на линейные и сосредоточенные. Линейными называют работы, объемы которых равномерно распределены по всей строящейся дороге и повторяются на каждом километре лишь с небольшим отклонением. Сосредоточенными называют работы, которые резко отличаются по объему, технологии выполнения от работ, выполняемых на смежных участках.

Заготовительными называют работы по заготовке дорожно-строительных материалов, приготовлению смесей, по производству плит, блоков и др. изделий. Эти работы выполняют на производственных предприятиях; они имеют некоторые преимущества в сравнении с строительно-монтажными работами, а именно:

- постоянство места работы и технологии;

- лучшие условия труда;

- меньшая зависимость от погодно-климатических условий.

Транспортными называют работы по перемещению грунтов, дорожно-строительных материалов.

Складские работы неразрывно связаны со всеми видами работ. Они включают прием, разгрузку, сортировку, хранение в пределах складской территории. Складские работы создают гарантию ритмичной работы строительной организации, но в то же время увеличивают накладные расходы.

Строительно-монтажные, заготовительные, транспортные и складские работы должны быть тесно связаны между собой.

Технологический процесс по устройству дорожной одежды включает:

- предварительную заготовку каменных материалов;

- транспортирование и хранение материалов на складах;

- приготовление различных смесей, изделий и их транспортировку;

- распределение каменных материалов, полуфабрикатов и их уплотнение.

Строители автомобильных дорог кроме земляного полотна и дорожной одежды сооружают водопропускные трубы, мосты, здания дорожно-эксплуатационной службы, производят обустройство автомобильных дорог.

Соотношение между отдельными видами работ в процентах примерно следующее:

- подготовительные работы                                   1...3

- земляное полотно                                                 15...40

- мосты и другие искусственные сооружения      8...12

- дорожная одежда                                                  40...60

- обстановка пути                                                    3...5

- здания дорожно-эксплуатационной службы     1...2

1.2. Основы комплексной механизации и автоматизации технологических процессов

Строительство, ремонт и содержание автомобильных дорог требуют высокоэффективного обслуживания средствами механизации. Механизация работ является основным фактором повышения производительности труда и улучшения качества работ.

Работы, в которых строительные процессы полностью или частично выполняются с помощью машин и механизмов, называют механизированными. Например, к механизированным работам будет отнесено возведение земляного полотна, когда разработка грунта, перемещение, разравнивание и уплотнение его будет выполнено дорожной техникой, а планировка откосов вручную. Механизация резко повышает производительность труда. Например, выработка одного рабочего при приготовлении цементобетонной смеси вручную составляет 2,5...4,0 м³/смену, а при использовании бетономешалки 15 м³/смену, или 1 бульдозер заменяет 150 землекопов.

Уровень механизации строительства оценивают по формуле

У_м = Q_м /Q_общ ·100%,                                                                                                  (1.2.1)

где Q_м - объем механизированных работ;

Q_общ - общий объем работ в тех же единицах измерения.

Уровень механизации труда характеризует степень использования ручного труда:

У_мт = ч_м/ч_р·100%,                                                                                                       (1.2.2)

где ч_м, ч_р - численность работников, занятых на механизированных операциях и общая численность рабочих.

Комплексной механизацией называют такую организацию труда, когда комплект машин выполняет полный цикл работ

У_км = Q_км /Q_общ ·100%,                                                                                               (1.2.3)

где Q_км - объем работ, выполняемый комплектом машин без использования ручного труда.

Комплексная механизация освобождает человека от тяжелого физического труда при непосредственном выполнении рабочих операций.

Автоматизация является высшей формой комплексной механизации. Она позволяет осуществлять производственные процессы и управление ими без участия человека. Автоматизация обеспечивает резкое повышение производительности труда. Например, выработка одного рабочего на автоматизированном цементобетонном заводе составляет 80 м³ цементобетона в смену против 15 м³ на заводе без автоматизации. Кроме того, автоматизация облегчает условия труда на производстве, улучшает качество выпускаемой продукции, снижает затраты энергии на единицу продукции и стоимость.

Автоматизация может быть полной и частичной. При полной автоматизации весь технологический процесс выполняется и управляется приборами по заранее разработанной программе. Роль человека заключается в настройке и наблюдении за работой приборов. Полная автоматизация освобождает человека от физического труда по управлению машинами и облегчает умственный труд.

При частичной автоматизации управление технологическими процессами осуществляет человек. Уровень автоматизации определяют по формуле

                                                                                    (1.2.4)

где  - сумма произведений количества машино-смен на их стоимость для работ, выполняемых с применена ем автоматизации;

- то же для работ, выполняемых без применения автоматизации.

В настоящее время в дорожном машиностроении освоен выпуск новых дорожных машин и оборудования, снабженных приставками «Автоплан», «Профиль», «Стабилослой» и др. для автоматизации основных технологических операций.

Под индустриализацией дорожного строительства понимают широкое использование в строительном производстве высокопроизводительных автоматизированных комплектов машин. Например, строительство цементобетонного покрытия безрельсовым комплектом машин ДС-110, строительство искусственных сооружений из сборных конструкций. Индустриальное производство создает наилучшие условия для роста производительности труда и снижения себестоимости работ.

1.3. Выбор землеройно-транспортных машин

Грунтово-гидрологические условия по длине трассы, как правило, неоднородны, изменяются и параметры земляного полотна, что обусловливает необходимость использования разнотипных землеройно-транспортных машин для возведения земляного полотна. Каждая машина имеет определенные границы рационального использования (см. табл. 1.1, 1.2).

Таблица 1.3.1

Рациональная дальность перемещения грунта бульдозерами при совместной работе со скреперами или экскаваторами с автомобилями-самосвалами, м

Таблица 1.3.2

Рациональная дальность перемещения грунта скреперами при совместной работе на участке с экскаваторами с автомобилями-самосвалами, м

Ведущие и комплектующие машины, а также транспортные средства выбирают в зависимости от дальности перемещения грунта, высоты насыпи (глубины выемки), группы грунтов и др.

Производительности ведущих и комплектующих машин должны быть увязаны между собой, причем ведущие машины для полного их использования могут выполнять и вспомогательные операции благодаря использованию сменного оборудования (навесные рыхлители, откосники для планировки откосов и др.). Комплексная механизация земляных работ обусловливает необходимость комплектования дорожных отрядов (звеньев) различными машинами, соблюдая принципы типажа и взаимодействия их в отряде. Основные данные для выбора машин приведены в [1,2]

При выборе способа производства земляных работ обычно сравнивают следующие основные показатели:

1. Себестоимость единицы продукции

                                                                       (1.3.1)

где  - сумма произведений количества машино-смен на их стоимость, руб.;

 - суммарная трудоемкость работ, выполняемых вручную, чел.-смен;

С_р - средняя счетная дневная ставка рабочих, занятых ручным трудом, руб.;

С_п - стоимость подготовительных и вспомогательных работ, не учитываемых в стоимости машино-смен, руб.;

К₁, К₂ - коэффициенты, учитывающие увеличение стоимости производства работ за счет накладных расходов.

К₁ и K₂ = 1 + N/100,                                                                                                   (1.3.2)

где N - норма накладных расходов, принимаемых для К₁ = 14...18 % и К₂ = 60...80 %;

Q - общий объем планируемых работ, м³.

Стоимость одной машино-смены определяют по формуле

С_м = С₁ + С₂ + С₃,                                                                                                       (1.3.3)

где С₁, С₂ и С₃ - затраты соответственно первой, второй и третьей групп.

С₁ = (С'₁ + С'₂ + С'₃ + С'₄)·К₁                                                                                      (1.3.4)

где С'₁ - отчисление на восстановление первоначальной стоимости, руб.;

С'₂ - отчисление на капитальный ремонт, руб.;

С'₃ - затраты на транспортировку машин, руб.;

С'₄ - затраты на монтаж и демонтаж, руб.;

К₁ = 1,1 - коэффициент, учитывающий косвенные расходы (содержание персонала на передачу машины);

С'₁ + С'₂ - составляют амортизационные отчисления на восстановление первоначальной стоимости машины.

С₂ = (С'₅ + С'₆ + С'₇)·К₂,                                                                                              (1.3.5)

где С'₅ - затраты, связанные с износом деталей, резины и др., руб.;

С'₆ - затраты, связанные с текущим ремонтом и обслуживанием, руб.;

С'₇ - расходы на топливо, смазку и др., руб.;

К₂ = 1,1- коэффициент, учитывающий косвенные расходы (хранение машины и др.).

С₃ = С'₈·К₃,                                                                                                                 (1.3.6)

где С'₈ - заработная плата механизатора, руб.;

К₃ = 1,5 - коэффициент, учитывающий начисления на заработную плату.

Из вышеизложенного следует, что фактическая стоимость машино-смены С_ф не является величиной постоянной и в значительной степени зависит от годового и внутрисменного использования машины на объекте

С_ф = К·С₁ + a·С₂ + С₃,                                                                                               (1.3.7)

где К - коэффициент, учитывающий годовое использование машины.

К = М_п/М_ф

где М_п и М_ф - число рабочих смен в году, соответственно плановое и фактическое;

a - средний коэффициент, учитывающий использование машины в течение смены.

Таким образом, обобщающим критерием при выборе способа производства земляных работ являются приведенные затраты

З_пр = С + Е_н´К_уд,                                                                                                         (1.3.8)

где Е_н - нормативный коэффициент эффективности;

К_уд - удельные приведенные затраты.

                                                                                                            (1.3.9)

где С₀ - рыночная цена машины, руб.;

а - расходы по первоначальной доставке машины потребителю с завода, руб.;

Т_ф - фактическое время, отработанное машиной в течение года, смен;

П_э- эксплуатационная производительность машины в смену. Выработка одного рабочего составляет (м³/смену)

B = Q/m,                                                                                                                      (1.3.10)

где Q - объем работ, выполняемых отрядом за смену;

m - число рабочих в отряде (звене).

Трудоемкость единицы продукции является величиной, обратной выработке одного рабочего.

T = m/Q                                                                                                                       (1.3.11)

Энергоемкость, характеризующая расход энергии комплекта на единицу объема земляных работ (кВт/м³)

Э = SЭ/Q                                                                                                                     (1.3.12)

где SЭ - суммарная мощность двигателей всех машин, используемых в отряде (звене).

1.4. Методы организации дорожно-строительных работ

До 1940 г., когда материально-технические ресурсы были ограничены, строительство автомобильных дорог велось последовательным или параллельным методом.

Последовательный метод состоит в том, что все строительные процессы выполняют на одном участке дороги, а затем все силы и ресурсы перемещают на следующий участок и так до полного завершения строительства дороги (рис. 1.4.1).

Рис. 1.4.1. Последовательный метод организации работ:
t₁, t₂, t₃ - продолжительность выполнения работ, соответственно на 1....3 участке, смен;
l₁, l₂, l₃ - протяженность участков, км

Продолжительность строительства автомобильной дороги Т равна

T = t₁ + t₂ + t₃,                                                                                                             (1.4.1)

При этом методе достигается концентрация сил и ресурсов строительной организации на коротком участке, чем облегчается руководство работами и контроль за их качеством. Недостатком этого метода организации работ являются неизбежные перерывы в использовании технических и материальных ресурсов из-за отсутствия необходимых заделов, что в конечном итоге удлиняет и удорожает строительство дороги в целом. Тем не менее этот метод организации работ может быть использован и в настоящее время при сооружении земляного полотна в сложных условиях.

Рис. 1.4.2. Параллельный метод организации работ

Параллельный метод заключается в одновременном выполнении комплекса работ на всем протяжении строящейся дороги, разделенной на самостоятельные участки (рис. 1.4.2). Такой способ позволяет значительно ускорить строительство благодаря сосредоточению большого количества трудовых и материально-технических ресурсов многих специализированных подразделений.

Параллельный метод организации позволяет строить дороги форсированно, но требует значительной концентрации на короткий срок трудовых ресурсов и техники на всем протяжении дороги, усложняет управление, снижает использование средств производства, вызывает необходимость частых передислокаций крупных строительных организаций и удорожает строительство. Если средств производства недостаточно, то параллельное производство неминуемо приводит к их технологическому и организационному распылению. Этот метод в настоящее время применяют при необходимости ввода в эксплуатацию дороги в сжатые сроки.

Продолжительность строительства дороги при параллельном методе организации работ

                                                                                                                      (1.4.2)

или

                                                                                                                     (1.4.3)

где l_max - наибольшая продолжительность участка дороги, м;

V - средняя скорость потока, м/смену;

Q - наибольший объем работ на участке;

q - средний темп потока, м³/смену.

Быстрый рост объемов дорожно-строительных работ требует не только дальнейшего укрепления производственной мощности строек, но и полного рационального использования техники, существенного улучшения организации и технологии строительства. Снижение стоимости, повышение качества и сокращение сроков строительства во многом зависят от организации дорожно-строительных работ. Наиболее полно этим требованиям отвечает поточный метод организации строительства.

Поточный метод организации строительства - это такой метод, при котором все работы выполняют передвижные специализированные дорожно-строительные подразделения(звенья), движущиеся по дороге одно за другим в непрерывной технологической последовательности с заданной средней скоростью, обеспечивающей согласованность всего потока. В результате такого последовательного движения в заданный период заканчивается строительство участка дороги, готового к вводу в эксплуатацию.

В основе организационной структуры строительства при поточном методе лежит комплексный поток. Комплексный поток состоит из специализированных дорожно-строительных подразделений, каждое из которых выполняет отдельный вид работ.

На трассе строящейся автомобильной дороги имеются сосредоточенные работы (сооружение мостов, путепроводов, высоких насыпей и глубоких выемок, возведение земляного полотна на болоте и др.), которые могут служить задержкой для продвижения специализированных подразделений, выполняющих линейные работы. Поэтому важнейшим условием успешного применения поточного метода является заблаговременное выполнение сосредоточенных работ. Так как сосредоточенные работы резко отличаются по трудоемкости, технической сложности и другим показателям от линейных работ, для их выполнения создаются особые подразделения. Принципиальная схема поточной организации дорожного строительства показана на рис. 1.4.3.

Рис.   1.4.3.  Принципиальная схема поточной организации дорожного строительства

При изучении и внедрении поточного метода организации работ выявились параметры потока и их взаимозависимости. Параметрами потока называют основные величины, которые характеризуют поток, его построение и организационные особенности (рис. 1.4.4).

Рис. 1.4.4. Фрагмент линейного календарного графика:
1 - поток с переменной скоростью; 2 - потоки с постоянной скоростью. Параметры потока: L - годовой участок работы, А - годовое время действия потока, а - длина комплексного потока, Е - шаг потока, А₀ - период развертывания потока, А_с - период свертывания потока, А_пр - период выпуска продукции, А_уст - время установившегося потока
Условные обозначения:

Годовой участок работы потока «L». Участок дороги в км, на котором осуществляется работа потока в течение года.

Темп (интенсивность) потока «q». Средний объем работ, выполняемый дорожно-строительным подразделением в смену.

Захватка «b». Участок дороги по протяженности равный или кратный скорости потока, на котором расположены средства производства, выполняющие одну или несколько совмещенных операций.

b = V или b = п´V ,т                                                                                                 (1.4.4)

Длина комплексного потока «а». Участок дороги, на протяжении которого располагаются все средства производства, входящие в состав комплексного потока. Длина комплексного потока равна сумме захваток и разрывов (организационных и технологических) между ними.

                                                                                                           (1.4.5)

Годовое время действия потока «А». Календарная продолжительность работы потока в течение года от начала работы первого специализированного подразделения(звена) до конца работы последнего.

Механизированные дорожно-строительные подразделения, как правило, имеют постоянный состав и, соответственно, постоянную производственную мощность, хотя объем земляных работ по трассе распределен неравномерно. В связи с этим ежедневно возводятся неодинаковые по длине участки земляного полотна. При строительстве дорожной одежды объемы работ на значительных по протяженности участках остаются постоянными. Учитывая вышеизложенное, различают два вида потоков:

- с переменной скоростью;

- с постоянной скоростью (рис. 1.4.4).

Шаг потока «Е». Время в календарных сменах между вводом в поток двух очередных звеньев машин.

Период развертывания потока «А₀». Время в сменах от начала работы первого специализированного подразделения (звена) до начала работы последнего. Период развертывания потока при постоянном шаге потока, равен

А₀ = E(n - 1);                                                                                                               (1.4.6)

при переменном

                                                                                                                  (1.4.7)

где п - число специализированных подразделений (звеньев).

Период выпуска продукции А_пр. Разность между годовым временем действия потока А и временем развертывания А₀

А_пр = А - А₀                                                                                                                 (1.4.8)

Период свертывания потока А_с. Время в сменах, необходимое для последовательного вывода из работы всех специализированных потоков после полного окончания выполненных ими работ.

Время установившегося потока А_уст. Это время одновременного действия всех специализированных подразделений

А_уст = А - (А₀ + А_с)                                                                                                      (1.4.9)

Параметры потока взаимодействуют между собой. Так, длина годового участка работы L прямо пропорциональна скорости потока V и периоду выпуска продукции А_пр

L = V·(A - А₀)                                                                                                              (1.4.10)

В свою очередь скорость V и темп потока q зависят от годового времени потока и периода его развертывания

 м³/смену;                                                                                               (1.4.11)

 м³/смену;                                                                                                (1.4.12)

где Q - годовой объем земляных работ, м³

Средняя длина комплексного потока может быть определена по формуле

                                                                                                                 (1.4.13)

Для оценки эффективности поточного метода организации работ определяют условный коэффициент эффективности

                                                                                                     (1.4.14)

Чем больше коэффициент Э_п, тем выше эффективность организации работ. Принято считать, что при

Э_п > 0,7 - применение поточного метода целесообразно;

Э_п = 0,4...0,6 - возможны другие методы;

Э_п < 0,3 - поточный метод организации работ неэффективен.

Поточный метод организации работ по сравнению с последовательным и параллельным имеет следующие преимущества:

- обеспечивает расчленение процесса;

- дает возможность равномерно использовать машины и механизмы;

- облегчает снабжение и планирование работ;

- обеспечивает ритмичный выход готовой продукции;

- способствует повышению производительности труда, сокращению сроков выполнения работ, снижению себестоимости строительства, улучшению качества работ.

Для получения высоких показателей при поточной организации работ необходимо:

- наличие тщательно разработанного проекта производства работ;

- организация комплексного снабжения строительства объекта;

- правильное планирование задела;

- хорошее техническое состояние парка дорожно-строительных машин.

1.5. Классификация грунтов

Физико-механические и физические свойства грунтов оказывают существенное влияние на конструкцию земляного полотна, способы производства работ и, в конечном итоге, на стоимость всей автомобильной дороги.

Грунты, используемые для возведения насыпей, разделяют на четыре основные группы: скальные, добываемые путем разрушения естественных сплошных или трещиноватых скальных массивов; крупнообломочные, залегающие в естественных условиях в виде аллювиальных и делювиальных отложений; песчаные; глинистые.

По своим физико-механическим свойствам грунты, залегающие в верхней толще земной коры, подразделяют:

1. Щебенистый грунт - неокатанные остроугольные разрушенные горные породы размером частиц до 200 мм и насыпной плотностью 1750...1900 кг/м³, естественной влажностью 2...6 % и коэффициентом разрыхления 1,3...1,4.

2. Гравелистый грунт - обломочная горная порода, состоящая из несцементированных окатанных зерен размером до 70 мм. Окатанные частицы от 70 до 200 мм принято называть галькой. Насыпная плотность гравелистого грунта достигает 1700...1900 кг/м³, естественная влажность - 2...8 % и коэффициент разрыхления - 1,14...1,28.

3. Песок - рыхлая горная порода, состоящая из обломков различных минералов и пород в виде зерен диаметром от 0,12 до 5 мм. Песок подразделяют на крупный с преобладанием фракции 0.5...5 мм, средний с преобладанием фракции 0,25...0,5 мм; мелкий с содержанием частиц 0,1...0,25 мм более 50%. Песок, в котором преобладает фракция менее 0,1 мм, называют пылеватым. Насыпная плотность песка - 1500... 1600 кг/м³, естественная влажность - 8...12% и коэффициент разрыхления - 1,0...1,1.

4. Супесь - грунт, содержащий от 30 до 50 % песчаных частиц. Насыпная плотность 1500...1600 кг/м³, естественная влажность - 10...15 %, коэффициент разрыхления - 1,2...1,3, число пластичности - 1...7.

5. Глина представляет собой силикат, содержащий глинозем, кремнезем, примеси песка, извести и др., а также химически связанную воду. Глина содержит частиц мельче 0,005 мм более 30 %. При содержании в глине частиц мельче 0,005 мм более 60 %, ее называют тяжелой. Плотность глины при естественной влажности - 20...30 % составляет 1500...1600 кг/м³. Коэффициент разрыхления - 1,15...1,30. Число пластичности, в зависимости от содержания глинистых частиц, - 17...27.

6. Суглинок - грунт, содержащий от 10 до 30 % глинистых частиц. Плотность суглинка при естественной влажности 14...19 % составляет от 1500 до 1600 кг/м³. Коэффициент разрыхления изменяется в пределах от 1,2 до 1,3. Суглинок с числом пластичности 7...12 называют легким, а с числом пластичности свыше 12 - тяжелым.

7. Растительный грунт имеет в своем составе гумуса от 4 до 22 %. По механическим свойствам приближается к тяжелым суглинкам. Плотность растительного грунта при влажности 20...25 % составляет 1200...1300 кг/м³, а коэффициент разрыхления - 1,3...1,4.

Пригодность грунта для сооружения земляного полотна определяется его дорожно-строительными свойствами (табл. 1.5.1).

Для насыпей применяют грунты, состояние которых под действием природных факторов не изменяется или изменяется незначительно, что не влияет на их порочность и устойчивость в земляном полотне. К таким грунтам относят: скальные неразмягчаемые породы, крупнообломочные, песчаные (кроме мелких и пылеватых), супеси крупные и легкие (табл. 1.5.1).

Таблица 1.5.1

Классификация грунтов по их дорожно-строительным свойствам

Грунты глинистые, мелкие и пылеватые пески, размягчаемые скальные грунты также пригодны для возведения земляного полотна, но при этом необходимо учитывать некоторые ограничения.

Кроме грунтов природного происхождения для отсыпки насыпей применяют отходы промышленности: золошлаковые материалы, отвалы горнодобывающей промышленности и др.

Насыпи возводят из грунта, который получают при разработке выемок, грунтовых карьеров или боковых резервов. Объем потребного грунта для насыпей

V_к = V_н·k₀,                                                                                                                    (1.5.1)

где V_н - объем возводимой насыпи, м³;

k₀ - коэффициент относительного уплотнения.

k₀ = d_н/d_е,                                                                                                                    (1.5.2)

где d_н - требуемая плотность грунта в теле насыпи, кг/м³;

d_е - плотность грунта в естественном состоянии, кг/м³.

По трудности разработки дорожными машинами, грунты подразделяют на четыре группы (табл. 1.5.2).

Таблица 1.5.2

Группы грунтов по трудности разработки механизированными средствами

1.6. Расположение грунтов в теле насыпи

Грунты в пределах глубины промерзания, как правило, разнообразны. В связи с этим при возведении земляного полотна необходимо знать, какие грунты в какую часть насыпи целесообразно уложить, чтобы в теле насыпи не допустить образования висячих горизонтов воды. При правильном расположении грунтов в насыпи, плотность и влажность грунтов будет примерно одинаковой, снизится морозное лучение и не возникнут неравномерные просадки дорожного покрытия.

Для наглядности рассмотрим несколько случаев расположения грунтов в теле насыпи. Предположим, что на участке с избыточным увлажнением нижнюю часть насыпи отсыпали из пылеватых суглинков, а верхнюю часть - из песчаных грунтов. Причем, толщина слоя из пылеватого суглинка h₁, меньше высоты капиллярного поднятия воды h_к. В этом случае вода по узкому капилляру поднимется до песчаного грунта, имеющего широкий капилляр, и поднятие влаги прекратится, поскольку на границе двух капилляров появится выпуклый мениск и вода из нижнего капилляра, более узкого, не поступит в верхний с диаметром в сотни раз больше (рис. 1.6.1, а). С повышением грунтовых вод уменьшается лишь радиус мениска, значит, при обеспечении условий поверхностного стока естественная влажность верхнего песчаного слоя останется постоянной, особенно если мощность слоя хорошо фильтрующего песка h > h_к.

При отсыпке нижней части насыпи из дренирующих грунтов, а верхней из связных при h₁ < h_к (рис. 1.6.1, б), грунтовая вода из широкого капилляра, достигнув узкого капилляра суглинка, быстро поднимается на значительную высоту, пока не достигнет максимального своего значения. При таком расположении грунтов в теле насыпи, как правило, наблюдается значительное морозное пучение, что приводит в период оттаивания к потере устойчивости земляного полотна.

Рис. 1.6.1. Расположение грунтов в теле насыпи:
а - благоприятное; б - неблагоприятное; 1 - песок; 2 - пылеватый суглинок; 3 - расчетный уровень грунтовых вод; 4 - выпуклый мениск; 5 - вогнутый мениск

Если толщина нижнего песчаного слоя больше капиллярного поднятия воды h > h_к, то влажность вышележащего пылеватого суглинка повышается лишь вследствие потока влаги в парообразном состоянии и инфильтрации поверхностной воды. В этом случае нижний слой выполняет функцию капиллярно-прерывающего слоя, что предотвращает увлажнение верхнего слоя насыпи грунтовыми водами.

В тех случаях, когда верхний слой насыпи из связных грунтов отсыпан на дренирующий грунт и толщина слоя связного грунта h' меньше высоты капиллярного поднятия h_к', то при необеспеченном поверхностном водоотводе образуется висячий горизонт воды из-за процесса инфильтрации (рис. 1.6.2).

Рис. 1.6.2. Неблагоприятное расположение грунтов в теле насыпи, способствующее накоплению влаги в верхней части земляного полотна:
1 - инфильтрация поверхностной воды; 2 - связный грунт; 3 - дренирующий грунт; 4 - зона капиллярного увлажнения высотой h_к; 5 - зона грунтовой воды; 6 - уровень грунтовых вод; 7 - поверхность менисков в фильтрующем грунте; 8 - поверхность менисков в связном грунте

Зимой под воздействием отрицательной температуры происходит перераспределение внутренних запасов воды.

Наибольшее количество замерзшей воды накапливается на глубине h₀

h₀ = (0,6...0,75)h,                                                                                                         (1.6.1)

где h -толщина слоя связного грунта.

При вынужденном возведении насыпи из связных грунтов с влажностью значительно превышающей оптимальную, рекомендуется в земляном полотне устраивать прослойки из песка толщиной h ³ h_к. На участках с II или III типом увлажнения и высоте насыпи до 1,2...1,5 м, переувлажненные грунты необходимо предварительно осушить. Предварительное осушение грунта или его замену производят при коэффициенте консистенции В_к > 0,75

                                                                                                             (1.6.2)

где W - естественная влажность грунта, %;

W_p - влажность, соответствующая границе раскатывания, %;

М_п - число пластичности.

Насыпи отсыпают послойно из однородных грунтов, укладываемых на полную ширину, с постоянно обеспеченным стоком поверхностных вод. Толщину каждого слоя принимают в зависимости от свойств грунта и способов уплотнения.

При неоднородных грунтах отсыпаемым слоям нужно придавать требуемый поперечный уклон. Когда же менее дренирующие слои располагают ниже более дренирующих, то менее дренирующие грунты нужно укладывать с поперечным уклоном ³ 40 ‰. При обратном взаиморасположении слоев вышеприведенное условие не соблюдают.

Откосы земляного полотна, сложенного дренирующими грунтами, необходимо присыпать слоем менее дренирующего грунта и производить посев трав.

1.7. Теоретические предпосылки основ уплотнения земляного полотна

Уплотнение грунта - одно из важнейших условий, обеспечивающих требуемую прочность и допустимое морозное пучение. С увеличением плотности грунта возрастают его прочность, устойчивость, модуль деформации и сопротивление сдвигу, а пористость, деформируемость, водонепроницаемость, набухание и морозное пучение снижаются [9, 22, 34].

Грунт представляет собой сложное тело, в состав которого входят твердые частицы, вода и воздух. Жидкая и газообразная фазы подвижны в порах грунта, и в зависимости от действия физико-механических взаимодействий на грунт их количество может резко изменяться. Прочность грунта зависит от относительного содержания скелета и воды, т.е. от плотности и влажности грунта. Соотношение по массе и объёму трёх компонентов выражается уравнением

                                                                                                    (1.7.1)

где d - плотность скелета грунта, г/см³;

W - массовая доля влажности грунта, %;

V - объем воздуха, %;

g - плотность твердой фазы грунта (истинная плотность скелета, г/см³);

1- единичный объем грунта (1 см³).

Отсюда, плотность скелета грунта, характеризующая степень уплотнения земляного полотна

                                                                                        (1.7.2)

Из условия (1.7.2) следует, что степень плотности грунта d при одинаковой истинной плотности скелета частиц g будет тем выше, чем меньше объём воздуха и влажность грунта. Однако прочность грунта зависит не только от плотности скелета грунта, но и от его структуры, поэтому для решения основной теоретической задачи уплотнения необходимо определить, как сохраняется достигнутая плотность грунта при переменном увлажнении, промерзании и оттаивании и как влияет она на сцепление С, угол внутреннего трения j и модуль упругости Е.

На практике доказано, что для получения наиболее плотной структуры необходимо, чтобы влажность грунта была такой, при которой объем защемленного воздуха находился в пределах 4...6 %, что соответствует полному заполнению грунтовых пор водных гидратных оболочек. Как показывают многочисленные эксперименты, именно при таком объёме воздуха грунт характеризуется минимальными водопроницаемостью, морозным пучением, набуханием, а также максимальным модулем упругости и сопротивлением сдвигу. Если влажность ниже, т.е. объём пор, занятых воздухом, выше, не создается устойчивой структуры, и при увлажнении грунт легко разбухает и тем больше, чем выше влажность, а при недостаточной плотности, наоборот, доуплотняется и дает осадку, а модуль упругости в обоих случаях падает. Если влажность вытесняет указанный процент воздуха, то структура также становится неустойчивой.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что для любого вида грунта существует определенная влажность, называемая оптимальной влажностью, при которой достигается наибольшая (оптимальная) плотность грунта с минимальной затратой энергии на его уплотнение. Для соблюдения оптимального режима уплотнения до начала возведения земляного полотна проводят лабораторные испытания: определяют оптимальную плотность и влажность грунта, а также потребную для уплотнения механическую работу.

1.8. Определение оптимальной плотности и влажности грунта

Стандартное уплотнение грунта в лабораторных условиях производят на приборе СоюздорНИИ (рис 1.8.1). Отобранный из резерва или выемки образец грунта, предназначенного для устройства насыпи, высушивают до постоянного веса, растирают и просеивают через сито 5 мм.

Рис. 1.8.1. Прибор для стандартного уплотнения:
1 - поддон; 2 - разъемный цилиндр; 3 - груз массой 2,5 кг; 4 - стойка; 5 - цилиндрическая насадка; 6 - зажимное кольцо; 7 - зажимный винт; 8 - ограничитель для регулирования падения груза

Грунт, просеянный на сите, увлажняют из расчета на 4 ... 5 % ниже границы раскатывания и берут пробу для определения влажности грунта, W. Приготовленный грунт насыпают в прибор на 1/3 и уплотняют ударами груза массой 2,5 кг, падающего с высоты 30 см. Уплотнение производят в три слоя. Число ударов зависит от физико-механических свойств грунта и составляет для несвязных грунтов 20´3, для связных 40´3. Далее взвешивают разъёмный цилиндр с грунтом и без грунта. Плотность влажного грунта d_w определяют по формуле

                                                                                                               (1.8.1)

где Р₁ - общая масса цилиндра с грунтом, г;

Р₂ - масса разъёмного цилиндра, г;

V - объём цилиндра (1000 см³).

Зная влажность и плотность влажного грунта, определяют среднюю плотность скелета грунта

                                                                                                               (1.8.2)

где W - влажность грунта, %.

После этого грунт из разъёмного цилиндра высыпают в чашку, добавляют 2...3 % воды и повторяют операцию, описанную выше.

Затем по полученным значениям (W, d) строят кривую (рис. 1.8) стандартного уплотнения, отображающую зависимость плотности скелета от влажности грунта при уплотнении, максимум которой определяют два параметра: оптимальную плотность d₀ и оптимальную влажность W₀. Если грунт содержит частицы крупнее 5 мм, то в оптимальную плотность, определенную для отсеянного грунта, вводят поправки, которые приведены в табл. 1.8.1.

Рис. 1.8. Кривые для определения оптимальной плотности и влажности:
1 - стандартное уплотнение на приборе СоюздорНИИ; 2 - усиленное уплотнение (США)

Таблица 1.8.1

Ориентировочные значения поправок в зависимости от процентного содержания частиц крупнее 5 мм

При обосновании параметров прибора стандартного уплотнения в СоюздорНИИ исходили из того, чтобы полученные в нем плотности были достаточно близки плотностям грунта в насыпях, проработавших не менее 20 лет, и, вместе с тем, практически достижимы с помощью уплотняющих средств массой до 10...15 т. Полученные величины оптимальных плотности и влажности грунта не являются наилучшими, так как, повышая при уплотнении число ударов или массу груза, можно получить более высокую оптимальную плотность, меньшую оптимальную влажность грунта и соответственно более прочную структуру (рис. 1.8). В США Американская ассоциация дорожных работников (AASHO) предложила новый способ повышенного уплотнения грунтов. Он предусматривает массу уплотняющей гири 4,5 кг, высоту ее падения 45 см, уплотнение образца грунта в пять слоев 25 ударами гири на каждый слой. Этот метод теперь принят в США и ряде других стран как стандартный. Требования к плотности, установленные этим методом, выполнимы при условии использования машин для уплотнения повышенной массы и мощности и обеспечения оптимальной влажности грунта. В США для уплотнения грунтов применяют кулачковые катки массой до 100 т и на пневматических шинах массой до 300 т.

Практически каждому средству уплотнения соответствует некоторый предел затрат работы, после которого эффект уплотнения, если и повышается, то весьма незначительно (рис. 1.8.2).

Рис. 1.8.2. Увеличение плотности грунта по мере роста работы, затраченной на уплотнение:
1 - трамбовка (один удар соответствует пяти рабочим проходам катка массой 5 т); 2 - кулачковый каток массой 5 т; 3 - гладкий каток массой 8 т; 4 - каток на пневматических шинах массой 15 т

Грунт земляного полотна, уплотненный до оптимальной плотности по методике СоюздорНИИ, обеспечивает отсутствие осадок насыпи и в то же время остается во время замерзания и последующего оттаивания грунта без существенных изменений. Следует иметь в виду, что в северных районах стабильное уплотнение грунта в верхнем промерзающем слое обычно не превышает 0,95...1,0 от оптимального уплотнения; по, этой причине в северных районах нет необходимости производить усиленное уплотнение грунта. В то же время в южных районах усиленное уплотнение (1,05...1,1) позволит уменьшить расходы на строительство дорожной одежды.

1.9. Требования к плотности грунта в теле насыпи

Распределение величин вертикальных давлений в теле земляного полотна по высоте насыпи показано на рис 1.9.1. В верхних слоях насыпи действует в основном давление от временной нагрузки, которое при отсутствии дорожной одежды составляет до 0,7 МПа, а при наличии дорожной одежды не превышает 0,2 МПа. В нижних слоях давление от временной нагрузки понижается и на глубине 1,0 м не превосходит 0,03...0,04 МПа, далее оно быстро затухает. Давление от собственной массы насыпи на глубине 1,0 м достигает 0,2 МПа, а при большей глубине оно превышает давление от временной нагрузки.

Рис. 1.9.1. Распределение вертикальных давлений в зоне земляного полотна:
а - от временной нагрузки; б - от собственной массы

Давление от горизонтальных усилий, возникающих на колесах автомобилей при торможении, трогании с места и перемене скоростей, быстро затухает и на глубине 1,2...1,0 м в расчете его можно не учитывать. При этом следует иметь в виду, что в верхней части земляного полотна давление действует не постоянно, а периодически при наличии временной нагрузки, тогда как в нижней части оно создается собственной массой, и поэтому действует постоянно.

При определении требуемой степени уплотнения грунта по высоте земляного полотна необходимо учитывать изменение влажности и температуры в течение года.

Отсюда следует, что требуемое уплотнение по высоте насыпи не должно быть обязательно одинаковым. Назначаемая плотность должна учитывать эксплуатационные условия, в которых фактически будет находиться грунт (рис. 1.9.2).

Рис. 1.9.2. Распределение требуемой плотности по высоте насыпи

В верхних слоях земляного полотна на глубине 1,5...1,2 м имеют место наибольшие удельные давления от временной нагрузки, требующие максимально возможного уплотнения в целях повышения несущей способности грунта. Кроме того, нужно учитывать возможное изменение плотности грунта за счет сезонных колебаний влажности и промерзания.

В слоях ниже 1,5...1,2 м, где суммарное давление от временной нагрузки и собственной массы грунта невелико, а сезонные колебания влажности и промерзания имеются только на откосах насыпей, требования к уплотнению земляного полотна могут быть снижены.

В нижних слоях насыпи плотность грунта необходимо задавать из условия соответствия ее давлению от собственной массы насыпи.

Плотность грунта, которая должна быть достигнута при сооружении земляного полотна, определяют по формуле

d_тр = d₀·K_тр                                                                                                                                                      (1.9.1)

где d₀ - оптимальная плотность скелета грунта, г/см³;

K_тр - коэффициент уплотнения, установленный действующими нормами (табл. 1.9.1).

Таблица 1.9.1

Значения минимального требуемого коэффициента К_тр от оптимального уплотнения К_о

Примечание. Большие значения коэффициента уплотнения относятся к дорогам с цементобе-тонными и цементогрунтовыми покрытиями и основаниями, а также с усовершенствованными облегченными покрытиями.

Необходимость уплотнения грунтов в выемках, нулевых местах и естественных основаниях устанавливают путем определения фактической плотности этих грунтов и её сопоставления с требуемой. Изменения плотности грунтов в результате искусственного уплотнения, учитываемые при подсчете объёмов земляных работ, характеризуют коэффициентом относительного уплотнения К_отн (табл. 1.9.2).

                                                                                                     (1.9.2)

где V_peз - объем грунта взятого из резерва;

V_нac - объем того же грунта в насыпи после уплотнения;

d_тр - требуемая плотность грунта в теле насыпи;

d_рез - плотность грунта в естественном состоянии.

Плотность грунта в естественном состоянии d_рез определяют непосредственно взятием проб грунта из резерва. Берут одну пробу на 1500...2000 м³ грунта. Ориентировочные значения К_отн приведены в табл. 1.9.2.

Таблица 1.9.2

Значения коэффициента относительного уплотнения

Если влажность грунта на 2...3 % больше или меньше оптимальной, то оптимальную плотность получить нельзя. Оптимальная влажность способствует повышению сцепления в грунте за счет образования более прочно адсорбированных водных пленок.

1.10. Выбор машин для уплотнения земляного полотна

Для достижения требуемой плотности грунта в теле насыпи требуется искусственное уплотнение, поскольку плотность отсыпаемого грунта гораздо меньше требуемой. Так, при возведении земляного полотна бульдозерами плотность грунта, укладываемого ими в насыпь, не превышает 0,7...0,8 от оптимальной. При использовании грейдер-элеваторов эта величина ещё ниже и чаще всего находится в пределах 0,55...0,70. Скреперы и автомобили-самосвалы обеспечивают более высокую плотность (0,80...0,95) благодаря укатке грунта колесами при транспортировке грунта по возводимому слою насыпи.

Существуют три основных способа уплотнения грунтов: укаткой, вибрированием и трамбованием. Выбор способа уплотнения зависит от вида грунта, его влажности, толщины уплотняемого слоя, потребной степени уплотнения, производительности и маневренности машин. Техническая характеристика машин для уплотнения грунтов приведена в табл. 1.10.1 [53].

Таблица 1.10.1

Машины для уплотнения грунтов

При уплотнении укаткой сближение частиц грунта и придание ему устойчивой структуры обеспечивается благодаря действию массы катка, многократно проехавшего по поверхности уплотняемого грунта. Моторные катки с гладкими вальцами из-за малой эффективности используют только при завершающей стадии укатки верхнего слоя насыпи для придания ему ровности. Пневмоколесные катки могут уплотнять все виды грунтов. Их основные преимущества по сравнению с катками с гладкими вальцами заключаются в большей площади контакта с поверхностью грунта, более равномерным распределением давления по этой площади, а также в том, что благодаря эластичности шины эта площадь в процессе укатки сравнительно мало изменяется. Все это способствует увеличению глубины распространения напряжений в уплотняемом грунте и длительности их воздействия по сравнению с катками с гладкими вальцами, при повторных проходах которых площадь контакта и глубина распространения напряжений постоянно уменьшается.

Эффективное уплотнение грунта укаткой обеспечивается при условии, что удельное давление рабочего органа катка на грунт близко к его пределу прочности. При недостаточных контактных давлениях необходимая плотность не может быть достигнута, а при превышении давления возникают явления местного разуплотнения (волнообразование перед колесами катков). При уплотнении катками на пневматических шинах предел прочности составляет: песков и супесей 3...4, легких суглинков 4...6, тяжелых суглинков 6...8, глин 8...10 Па. В соответствии с этим, при уплотнении связных грунтов рекомендуется применять катки с давлением в шинах 5...6 атм., а при уплотнении несвязных грунтов - в пределах 2...3 атм. Конструкция катков на пневматических шинах позволяет регулировать как давление в шинах, так и массу катка, зависящую от его загрузки балластом.

Самоходные катки на пневматических шинах отличаются от прицепных большей маневренностью, поэтому они находят широкое применение на участках небольшого протяжения и при ограниченном фронте работ.

Кулачковые катки рекомендуется использовать для уплотнения тяжелых связных грунтов, особенно комковатых. Особенность работы этих катков заключается в том, что они уплотняют грунт, расположенный ниже уровня заглубления кулачков, верхнюю же часть слоя, находящуюся выше этого уровня, разрыхляют. Уплотнение этой части слоя, толщина которой обычно не превышает 5...6 см, достигается после отсыпки и укатки следующего слоя. Барабаны кулачковых катков изготавливают полыми для возможности их загрузки балластом.

Для уплотнения несвязных грунтов кулачковые катки неэффективны, так как такие грунты они только разрыхляют. Хорошие результаты достигаются при использовании кулачковых катков в комплекте с катками на пневматических шинах. В этом случае в начальной стадии уплотнения рыхлый грунт укатывают кулачковыми катками, а для окончательного уплотнения и придания требуемой плотности и ровности верхней части слоя, используют катки на пневматических шинах.

Решетчатые катки эффективны для уплотнения комковатых связных грунтов, гравелистых, а также содержащих мерзлые комья. Вальцы этих катков сделаны из сварной или литой решетки с квадратными ячейками 15´15 или 20´20 см. Решетчатые катки, также как кулачковые, рационально применять в комплекте с катками на пневматических шинах.

Производительность катка, м³/смену, можно определить по формуле

                                                                                  (1.10.1)

где Т - продолжительность смены, ч;

К - коэффициент использования рабочего времени (К_в = 0,85);

L - длина захватки, м;

Н - толщина уплотняемого слоя в плотном теле, м;

в - ширина вальца катка, м;

в_о - ширина полосы перекрытия следа предыдущего прохода м, (в_о = 0,2 м);

V - рабочая скорость, м/с;

t_пов - время на поворот, с;

п - необходимое число проходов катка по одному следу.

При уплотнении грунтов вибрированием взаимное перемещение частиц возникает вследствие колебательных движений, сообщаемых вибратором. В процессе взаимных перемещений частицы постепенно занимают все более устойчивое положение, чем обеспечивается повышение плотности грунта. Уплотнению вибрированием хорошо поддаются несвязные и малосвязные грунты. Суглинки и глины, характеризуемые преобладанием мягких частиц и хорошим сцеплением, уплотнять вибрированием неэффективно. Наибольшее применение в дорожном строительстве получили прицепные вибрационные катки. Рабочим органом виброкатка является жесткий валец, сообщающий грунту колебательные движения и одновременно воздействующий на него своей массой. Значительно реже для уплотнения грунта используют виброплиты.

Основными параметрами, характеризующими вибрационные машины, являются их масса, возмущающая сила, частота колебаний и размеры рабочего органа - вальца или плиты.

Производительность вибрационных машин определяют по формуле

                                                                                 (1.10.2)

где  - коэффициент использования рабочего времени с учетом поворотов, равный 0,7...0,8. Остальные обозначения так же, как в (1.10.1).

В последние годы виброуплотнение получает все большее распространение, увеличивается разнообразие машин, особенно перспективными считают самоходные вибрационные катки комбинированного действия. Виброкатками массой 4...5 т уплотняют грунт слоями 40...50 см, катками большей массы - слои толщиной 60...80 см. Количество проходов по одному следу при оптимальной влажности грунта составляет четыре - пять.

Трамбование является эффективным универсальным способом уплотнения, пригодным для любого вида грунтов. Важным преимуществом трамбования является возможность уплотнять грунт слоями большей толщины, чем при применении других способов уплотнения, и в стесненных условиях. Наиболее простым устройством для уплотнения грунтов трамбованием является трамбующая плита, подвешенная к стреле экскаватора или крана. Масса плит от 2...3 до 12...15 т, высота подъёма и сбрасывания плиты в начале 2 м, затем 5...6 м. Толщина уплотняемого слоя равна ширине плиты. Количество ударов два - три. Уплотнение верхнего слоя производят катками или сбрасыванием плиты с высоты 0,5 м.

Наряду с трамбующими плитами для уплотнения грунта трамбованием могут быть использованы трамбующие машины со свободнопадающими плитами на базе гусеничных тракторов, дизель-трамбовочные машины, рабочими органами которых служат дизель-трамбовки и др.

Производительность трамбующей машины можно определить по формуле

                                                                                        (1.10.3)

где В - ширина плиты, м.

Оптимальную толщину уплотняемого слоя гладкими вальцовыми катками, кулачковыми катками и катками на пневматических шинах можно определить по формулам, приведенным в табл. 1.10.2.

Таблица 1.10.2.

Формулы для определения оптимальной толщины уплотняемого слоя

Условные обозначения:

W, W_о - соответственно фактическая и оптимальная влажность грунта;

q - удельное линейное давление, Па;

R - радиус вальца катка, см;

I - длина кулачка, см;

b - минимальный размер опорной части поверхности кулачка, см;

h_p - глубина рыхления уплотненного слоя грунта кулачками (5 см);

Q - нагрузка на колесо катка, кг.

Основные данные, характеризующие различные уплотняющие средства, и области рационального применения приведены в табл. 1.10.3.

Таблица 1.10.3

Основные характеристики уплотняющих машин

Примечание. В числителе данные, соответствующие требуемому коэффициенту уплотнения 0,95, в знаменателе коэффициенту уплотнения 0,98...1,0.

В настоящее время наиболее распространенными средствами уплотнения грунтов являются прицепные катки на пневматических шинах, кулачковые, вибрационные и решетчатые. Они просты в эксплуатации. Стоимость работ при их использовании ниже, в сравнении с другими уплотняющими машинами. Однако недостатками их является сравнительно небольшая толщина уплотняемого слоя и возможность применения только на участках длиной не менее 50...100 м, и шириной не менее 10...12 м.

Для уплотнения откосов используют гладкие вальцы, вибровальцы или трамбующие плиты, смонтированные в виде навесного оборудования к автомобильным кранам или экскаваторам.

1.11. Производство работ по уплотнению земляного полотна

Основными условиями обеспечения высокого качества работ по уплотнению грунтов и достижения ими требуемой плотности являются:

- правильный выбор уплотняющих средств в соответствии со свойствами уплотняемых грунтов;

- обеспечение начального состояния грунтов, способствующего их эффективному уплотнению;

- назначение толщины слоев уплотняемых грунтов в соответствии с нагрузкой на них от уплотняющих машин;

- рациональный режим уплотняющих средств: применение предварительного уплотнения, соблюдение необходимой последовательности проходов и обеспечение их требуемого числа и т.п.;

- своевременный и тщательный контроль плотности.

Важным фактором, облегчающим уплотнение и способствующим его высокому качеству, является естественная влажность грунта близкая к оптимальной. При недостаточной влажности грунтов резко возрастает необходимое количество работы по уплотнению - увеличение массы уплотняющих средств и числа их проходов. Наиболее эффективное уплотнение достигается при влажности грунтов, составляющей 0,9...1,1 оптимальной при стандартном уплотнении. Сухие грунты необходимо перед уплотнением искусственно увлажнять. Количество воды, которое необходимо добавлять к грунту, чтобы довести его влажность до оптимальной, можно рассчитать по формуле

DW = K_тр·d_о(W₀ - W)a,                                                                                               (1.11.1)

где DW - добавочное количество воды, т на 1 м³ грунта в плотном теле;

К_тр - требуемый коэффициент уплотнения;

d_о - оптимальная плотность грунта, г/см³;

W₀ - оптимальная влажность в долях единицы;

W - естественная влажность в долях единицы;

a - коэффициент, учитывающий испарение воды (в засушливых районах принимают a = 1,2).

Несвязные грунты увлажняют непосредственно перед уплотнением после разравнивания отсыпаемого слоя. Связные грунты лучше увлажнять в резерве после рыхления.

При избыточном увлажнении грунтов, также как и при недостаточном, невозможно получить оптимальную плотность. Допускается производить уплотнение, если грунт, отсыпаемый в насыпь, имеет влажность не более указанной в табл. 1.11.1.

Таблица 1.11.1

Максимальная допустимая влажность грунта

Переувлажненные грунты подсушивают на воздухе в резерве или непосредственно в отсыпаемом слое. Если климатические условия района строительства не позволяют подсушивать переувлажненные связные грунты, разрабатываемые в резервах или выемках, их можно улучшить введением добавок негашеной извести или магнезии.

При введении добавок влажность грунта понижается в результате воздействия следующих факторов:

1. Часть влаги вступает в реакцию и переходит в твердое состояние

W₁ = k₁ - D,                                                                                                                 (1.11.2)

где W₁ - количество воды, вступившее в реакцию;

k₁ - экспериментальный коэффициент равный для негашеной извести (СаО = 0,32) для магнезии (МgО = 0,43);

D - доза извести или магнезии от массы твердой фазы, %.

2. В процессе гашения извести или магнезии выделяется тепло, которое увеличивает испарение

W₂ = a·k₂·D,                                                                                                                 (1.11.3)

где а - коэффициент, учитывающий испарения (при средних условиях а = 0,2);

k₂ - относительное содержание в извести или магнезии свободной описи кальция или магния

                                                                                                                (1.11.4)

где t_m, t_э - максимальная температура гашения товарной извести или магнезии и эталона, град.;

t_в - температура воды, град.

3. Внесенная известь или магнезия увеличивает объем сухой массы

                                                                                                          (1.11.5)

Влажность переувлажненного грунта после внесения добавок СаО или МgО с учетом этих трех факторов уменьшится и составит

                                                                                               (1.11.6)

где W_гр - влажность грунта до внесения добавки извести или магнезии.

При уплотнении укаткой для повышения предела прочности уплотняемого грунта и для возможности постепенного увеличения удельного давления на него уплотняющих средств, что является важным условием достижения высокой плотности, рыхлый свежеотсыпанный грунт каждого слоя необходимо подвергнуть предварительному уплотнению. Для предварительного уплотнения (подкатки) обычно применяют катки легких типов. Нагрузка на колесо катка на пневматических шинах, применяемого для предварительного уплотнения, должна быть примерно вдвое меньше нагрузки на колесо при основных проходах. При использовании кулачковых катков в комплекте с катками на пневматических шинах, первые используют для предварительного уплотнения, вторые - для окончательного. Предварительного уплотнения требуют только связные грунты. Нет необходимости в предварительном уплотнении и связных грунтов, если они в процессе отсыпки слоя подвергались воздействию колес скреперов или автомобилей - самосвалов.

Прицепными катками грунт уплотняют круговыми проходами (рис. 1.11.1), начиная их на расстоянии не менее 2,0...2,5 м от бровки насыпи, во избежание сползания катка под откос. Последующими проходами уплотняют края насыпи, приближаясь к бровке за каждый проход на 1/3 ширины катка, но не ближе, чем на расстояние 1,0...1,3 м между кромкой вальца или краем колеса и бровкой. После этого продолжают укатку в направлении от бровок к оси насыпи, перекрывая при каждом проходе след предыдущего прохода на 1/3...1/4 ширины катка.

Рис. 1.11.1. Схема работы прицепного катка на пневматических шинах:
1...10 - последовательность проходов; L - длина захватки

Вибрационными катками грунт можно уплотнять как по круговой схеме, как и челночным способом.

Уплотнение трамбованием начинают после тщательного разравнивания грунта слоем необходимой толщины бульдозером или автогрейдером. При применении трамбующих машин грунт уплотняют продольными проходами машин по круговой схеме, начиная от бровок насыпи и постепенно передвигаясь в направлении ее оси, с перекрытием каждым проходом следа предыдущего прохода на 0,1...0,2 м. Приближаться к бровкам на расстояние менее 0,5 м не разрешается во избежание сползания машины под откос.

При использовании трамбующих плит, подвешенных к стрелам экскаваторов, уплотнение производят в соответствии с рис. 1.11.2.

Рис. 1.11.2. Схема уплотнения грунта плитой, подвешенной к стреле экскаватора:
а - вид сбоку; б - план; 1 - плита; 2 - уплотненные слои; 3 - шаг передвижения экскаватора; 4 - направление движения экскаватора; 5 - уплотненная полоса

1.12. Контроль качества уплотнения насыпей

Контроль качества уплотнения грунта в насыпи осуществляют путем сравнения требуемой плотности по табл. 1.9.1 с плотностью скелета грунта насыпи. Ориентировочно берется один образец на каждой захватке и с каждого слоя. Контроль плотности верхнего слоя следует производить не реже чем через 50 м. При неоднородных грунтах число образцов увеличивают. Контроль осуществляют также за влажностью грунта, толщиной слоев и числом проходов уплотняющих средств. Из лабораторных методов контроля наиболее часто используют режущее кольцо («метод кольца»). В полевых условиях расчищают площадку, на слое уплотняемого грунта ставят режущее кольцо объемом около 500 см³ с приспособлением, позволяющим забивать кольцо в грунт без нарушения его структуры (рис. 1.12.1)

Плотность влажного грунта (г/см³) определяют по формуле

                                                                                                             (1.12.1)

где р₁ - масса кольца с грунтом;

р₂ - масса кольца;

V - объем кольца.

Рис. 1.12.1. Режущее кольцо с приспособлением для отбора проб грунта:
1 - режущее кольцо; 2 - крышка; 3 - насадка; 4 - направляющий цилиндр

Влажность грунта (%) определяют высушиванием его в термостате

                                                                                                       (1.12.2)

где р₁ - масса навески грунта до высушивания;

р₂ - масса навески грунта после высушивания.

Зная плотность влажного грунта и влажность, по формуле определяют плотность скелета грунта

                                                                                                               (1.12.3)

Недостатком этого способа определения плотности является длительность процесса высушивания грунта в термостате (не менее 7 ч для глинистых грунтов и 5 ч для песчаных). Для ускоренного приближенного определения плотности и влажности грунтов используют плотномер - влагомер Ковалева (рис. 1.12.2), основанный на принципе двухкратного измерения объема воды, вытесняемой при погружении в нее образца грунта: в первый раз ненарушимой структуры, во второй растертого в воде.

Рис. 1.12.2. Плотномер-влагомер Ковалева:
1 - крышка футляра; 2 - замок футляра; 3 - ведро-футляр; 4 - стальная насадка; 5 - нож; 6 - трубка поплавка; 7 - поплавок; 8 - крючки; 9 - сосуд; 10 - тарировочный груз; 11 - резиновое кольцо; 12 - крышка поплавка; 13 - замок поплавка; 14 - режущий цилиндр

Плотность влажного грунта определяют в следующей последовательности:

1. По оси земляного полотна и на расстоянии 1,5...2,0 м от бровки отбирают образцы грунта ненарушенной структуры с помощью режущего цилиндра 14 и насадки 4;

2. Цилиндр с грунтом 1 помещают в поплавок 7, закрывают крышкой поплавка 12 и защелкивают замками 13;

3. Определяют плотность влажного грунта по шкале d_w прибора, погружая в воду, налитую в ведро-футляр 3, поплавок 7 вместе с цилиндром, заполненным грунтом.

Плотности скелета грунта определяют следующим образом:

1. Цилиндр с грунтом 14 извлекают из поплавка 7, грунт выталкивают в сосуд 9, наливая в него воду на 3/4 его объема и тщательно перемешивают до исчезновения комков.

2. Сосуд 9 подвешивают к поплавку на крючки 8 и погружают в ведро-футляр с водой. Вода через щель между поплавком 7 и сосудом 9 заполняет остальное его пространство, вытеснив оттуда воздух, поплавок с грунтом погружается в воду. После этого по шкале 6 берут отсчет плотности скелета грунта

В верхней части трубки поплавка 6 нанесены применительно к различным грунтам четыре шкалы. Одна шкала для определения плотности влажного грунта d_w и три шкалы для плотности скелета грунтов: Ч - гумусовых, П - песчаных и Г- глинистых.

Влажность грунта (%) определяют по формуле

                                                                                                        (1.12.3)

где d_w - плотность влажного грунта, г/см³;

d - плотность скелета грунта, г/см³.

При сооружении земляного полотна из крупнообломочных и скальных грунтов контроль плотности осуществляют методом «лунки». Этот метод заключается в том, что в уплотненном слое выкапывают лунку глубиной 10...15 см и объемом 3...5 л. Объем лунки измеряют, заполняя ее одномерным сухим песком, высыпаемым в лунку из мерного сосуда. Зная массу содержимого лунки и ее объем, определяют плотность грунта.

Однако этот способ весьма трудоемок и имеет ряд недостатков. В частности, на конечный результат влияют такие факторы, как крупность песка, высота и скорость засыпки лунки песком и др.

Чтобы повысить точность измерения объема лунки, в настоящее время пользуются денситометром, который снабжен резиновым мешком, куда нагнетают воду из мерного сосуда. Мешок заполняет лунку, достаточно плотно прилегая к ее стенкам. Объем лунки определяют по расходу воды. Влажность грунта определяют путем высушивания всей пробы либо ее части мельче 5 мм, внося поправку на содержание более крупных частиц по формуле

                                                                                                          (1.12.4)

где W₁ - влажность грунта, просеянного через сито с отверстиями 5 мм, %;

q - содержание в грунте частиц крупнее 5 мм, %.

Для измерения плотности и влажности грунтов в полевых условиях без отбора проб применяют радиометрические методы. Гамма-плотномеры позволяют определить степень рассеяния в грунте гамма-излучения радиоактивных изотопов, что дает возможность оценивать плотность грунта в слое глубиной 20 см и более с точностью ±0,05 г/см³.

Сущность измерения плотности грунта просвечиванием гамма-лучами заключается в том, что определяют изменение интенсивности радиации при прохождении гамма-лучей через просвечиваемую среду (рис. 1.12.3).

Рис. 1.12.3. Схема расположения прибора при контроле плотности:
1 - стальная обсадная трубка d=40 мм; 2 - внутренняя труба контейнера; 3 - изотоп кобальта 60 (С_о⁶⁰); 4 - счетчик гамма-квантов; 5 - регистратор импульсов

Радиационный источник 3 помещают в рабочем контейнере 2 диаметром 30 мм из стали или свинца. В качестве источника гамма-лучей применяют С_о⁶⁰. Регистратором количества импульсов в минуту служит пересчетная схема, питаемая от сети переменного тока с выходом на электромагнитный счетчик импульсов. Падение гамма-лучей при проникновении через какую-либо среду толщиной х определяется

J_x = J₀e^-m´d,                                                                                                                   (1.12.5)

где J_x - интенсивность излучения на выходе импульсов в 1 мин. на 1 см²;

J₀ - интенсивность излучения на входе импульсов в 1 мин. на 1 см²;

m - массовый коэффициент ослабления гамма-лучей средой.

Плотность скелета грунта

                                                                                                             (1.12.6)

Влажность грунтов с точностью до 1...2 % определяют нейтронными влагомерами. Принцип их действия основан на учете перехода активных нейтронов в медленные под влиянием атомов водорода, присутствующих во влажном грунте.

Глава 2.
Строительство водоотводных устройств и сооружений

2.1. Отвод поверхностных вод

Прочность и устойчивость земляного полотна в значительной степени зависят от наличия и исправности водоотводных сооружений и устройств. Угол внутреннего трения грунта, сила сцепления, способность его выдерживать нагрузки при намокании значительно уменьшаются. При превышении определенной скорости течения вода может размывать земляное полотно, поэтому необходимо принимать меры по предотвращению намокания грунтов и размыва земляного полотна. Эти меры заключаются в том, что прежде всего обеспечивают надежный сток поверхностных вод и отвод при понижении грунтовых вод до допустимого уровня.

Борьба с проникающей в грунт водой значительно сложнее и дороже, чем работы по отводу поверхностной воды. В состав системы поверхностного водоотвода входят боковые канавы в выемках и вдоль насыпей высотой до 1,5 м, боковые выработанные резервы, нагорные канавы у выемок, канавы для осушения болот, канавы, отводящие воду от дороги в водоемы, лотки на горных дорогах и др. Ряд водоотводных сооружений должен начать работу до возведения земляного полотна. Поэтому отсыпку насыпи начинают с разработки резервов и канав. До начала разработки выемок прорывают нагорные канавы, предварительно производят осушение оползневых склонов и болот.

Канавам с откосами 1:1,5, реже 1:2 придают уклон не менее 5‰. В равнинной местности на отдельных участках возможно снижение уклона до 3‰. Глубина боковых канав с заложением откосов 1:3 не должна превышать 0,5 м.

Канаву, имеющую крепления, конструкция которых способна воспринимать боковые давления грунта, называют лотком. Лотки делают в стесненных условиях, где затруднительно устройство открытой канавы (в населенных пунктах, а также при слабых малоустойчивых оплывающих грунтах, не способных обеспечить устойчивость откосов).

Вся площадь, с которой вода стекает в данную канаву, называется ее бассейном (рис. 2.1.1, а).

Поперечные размеры канав (рис. 2.1.1, б) устанавливают с расчетом на пропуск максимального расчетного расходы воды. Наименьшая глубина канав определяется получаемой по расчету глубиной наполнения с прибавлением к ней 0,2 м на возвышение бровки канавы над расчетным уровнем воды, но во всех случаях глубина канавы и ширина ее по дну должны быть не менее 0,6 м (на болотах не менее 0,8 м).

Расположение, поперечные размеры и уклоны канав проектируют таким образом, чтобы вода протекала в них без переполнения, а скорость ее течения была достаточной, чтобы не происходило заливания канав, и в то же время не достигала величины, при которой возможен размыв дна и откосов канавы.

Расход воды Q_ф, который должен пройти через сечение А-А канавы (рис. 2.1.1, б), определяют по существующим нормам стока поверхностных вод, с учетом принятого в расчет наиболее интенсивного ливня и крутизны склонов. Основная зависимость, по которой производят гидравлический расчет канав, заключается в том, что фактический расход воды в канаве Q_ф равен площади живого сечения w, м², умноженной на среднюю скорость протекания воды V, м/с

Рис. 2.1.1. Бассейн канавы (а) и ее поперечное сечение А-А (б):
1 - ось канавы; 2 - линия водораздела; стрелками показано направление стока воды от линии водораздела

Q_ф = w·V,                                                                                                                    (2.1.1)

Необходимую площадь сечения канавы определяют подбором; для этого, исходя из местных условий, сначала задаются конкретными размерами сечения и уклона для канавы, затем определяют скорость течения воды в м/с по формуле

                                                                                                                  (2.1.2)

где С - коэффициент, зависящий от шероховатости русла и от гидравлического радиуса (табл. 2.1);

R - гидравлический радиус, м;

i - уклон дна водостока.

Таблица 2.1.1

Значение коэффициентов С

Величина гидравлического радиуса

R = w/n,                                                                                                                       (2.1.3)

где w - площадь сечения водного потока в канаве, м²;

n - длина смоченного периметра этого сечения, м (рис. 2.1, б)

Из рис. 2.1, б следует, что площадь живого сечения w и длина смоченного периметра n равны:

                                                                                       (2.1.4)

                                                                                       (2.1.5)

где m - величина, показывающая, во сколько раз заложение откоса канавы больше его высоты;

b - протяжение откосной части смоченного периметра, определяемого по формуле

                                                                                     (2.1.6)

где d - ширина канавы по дну, м.

Умножая полученную скорость V на площадь живого сечения w потока, получаем расход Q_ф, который фактически может пропустить канава при принятых величинах i, R и С.

Расчет канавы ведут в следующем порядке. Установив крутизну откосов и ширину канав по дну, назначают продольный уклон канавы; затем задаются глубиной воды в канаве и определяют последовательно площадь живого сечения, смоченный периметр, гидравлический радиус, среднюю скорость течения воды в заданном сечении и расход воды.

Когда фактический расход оказывается значительно больше расчетного, следует уменьшить размеры канавы во избежание неоправданного удорожания ее устройства, а когда получается, что Q_ф < Q_р, то надо увеличить уклон или глубину, т.е. размеры поперечного сечения канавы, которые влияют на величину гидравлического радиуса R. Подбор глубины канавы заканчивают, когда фактический расход воды отличается от расчетного не более чем на 5 %.

Работы по рытью канав состоят из следующих операций. На месте обозначают оси канав вехами, затем проводят ограничительные борозды автогрейдерами и поперечными зарезаниями бульдозером, перемещают грунт в насыпь или распределяют по прилегающей местности. Планировку откосов и точное придание им формы производят автогрейдерами с откосниками. При небольших продольных уклонах (до 20‰) канавы постепенно зарастают травой. В легкоразмачиваемых грунтах дно и боковые стенки канав укрепляют, когда земляное полотно возводят из боковых резервов, то дну резервов придают уклон в сторону от насыпи. При ширине резерва по дну более 6 м дну придают поперечный профиль с уклоном к оси резерва.

В тех случаях, когда продольный уклон канавы превышает 20...30‰, канавы укрепляют. Откосы и дно канав облицовывают бетонными плитами размером 40´40´12 см. Плиты укладывают непосредственно на грунт. Если уклон канав более 30‰, то во избежание подмыва плит водой их укладывают на слой мелкого щебня или гравия толщиной 10...12 см. Швы между плитами заливают битумной мастикой или цементным раствором, если представляется возможным обеспечить уход за ним и нормальные условия твердения.

В целях избежания трудоемких и дорогих работ по укреплению канав применяют жидкие карбамидные и фурфуроловые смолы. Этими смолами, обладающими малой вязкостью, равномерно обрабатывают грунт на глубину 3...4 см. В результате пропитки дна и откосов канав они не размываются и не зарастают травой.

Технология работ состоит из тщательной планировки поверхности дна и откосов автогрейдерами с откосником, разбрызгивания автогудронатором через шланг по поверхности канав укрепляющего материала. Всю систему поверхностного водоотвода проверяют по ее работе во время сильного дождя. Замеченные места застоя воды или размыва отмечают и исправляют.

2.2. Понижение уровня и отвод грунтовых вод

Грунтовые воды ухудшают условия устойчивости грунтов тем, что снижают коэффициент внутреннего трения и сцепления грунта, увеличивают его объемную массу и, кроме того, способствуют пучинообразованию.

В целях понижения уровня грунтовых вод, а также для полного перехвата и отвода их от земляного полотна применяют устройства, называемые дренажами. Дренажи отводят из грунта только гравитационную и связанную с ней капиллярную воду. По способу устройства и характеру сбора и отвода грунтовых вод дренажи подразделяют на горизонтальные, вертикальные и комбинированные.

Наиболее распространены горизонтальные дренажи, которые подразделяют на открытые и закрытые. К открытым относят канавы и лотки, к закрытым - дренажи траншейного типа.

К вертикальным дренажам относят водоспускные колодцы и буровые скважины для спуска воды в нижележащие пласты дренирующего грунта.

Комбинированные дренажи представляют собой различные сочетания дренажей первых двух групп. Их применяют в тех случаях, когда требуется сложная система дренажных устройств (например, для осушения крупных оползней на косогоре).

Наиболее простым дренажным устройством открытого типа является дренажная канава. Она существенно отличается от водоотводной канавы, предназначенной для регулирования стока поверхностной воды: в водоотводную канаву вода стекает по поверхности, и при устройстве ее принимают меры к тому, чтобы через ее стенки и дно возможно меньше воды проникало в грунт. В дренажную канаву попадает, главным образом, грунтовая вода, поэтому принимаемые меры должны быть направлены на обеспечение свободного вытекания ее из грунта через откосы, а иногда и через дно. Откосы дренажных канав не укрепляют, а если необходимо укрепление, то выбирают такой материал, который обеспечивает выход воды из грунта в канаву.

Если на небольшой глубине имеется подстилающий водонепроницаемый грунт и необходимо понизить уровень грунтовых вод в лежащем на нем водоносном слое, то устраивают дренажную канаву, врезая ее дно в водоупор (рис. 2.2.1) с таким расчетом, чтобы уровень воды в канаве был несколько ниже верха водоупорного слоя. Живое сечение и уклоны дренажной канавы рассчитывают на пропуск суммарного расхода попадающих в канаву грунтовых вод.

Рис. 2.2.1. Дренажная канава

Дренажные лотки бывают железобетонными, бетонными и каменными. Грунтовая вода просачивается в дренажные лотки чрез стенки. Для этого в стенках лотков (за исключением нижней их части высотой 25 см) делают специальные отверстия диаметром 25 мм или между плитами стенок оставляют щели шириной 10 мм. Общая площадь щелей и отверстий составляет 10...15 % площади стенок лотка. В глинистых и суглинистых (особенно пылевых) грунтах между стенками лотка и грунтом устраивают дренирующую засыпку из крупнозернистого песка толщиной 0,25...0,4 м, иначе грунт вместе с водой будет проникать в отверстия, засорять их и затруднять сток воды. Кроме того, из-за вымывания грунта около лотка могут появиться просадки.

Если дренажный лоток врезан в водоупор и пересекает направление течения грунтовых вод, то он полностью перехватывает грунтовую воду. В этом случае со стороны, противоположной поступлению воды в дренаж, в стенке не устраивают отверстий, а за ней делают горизонтальный экран из мятой глины (рис. 2.2.2).

Рис. 2.2.2. Надоткосный железобетонный дренажный лоток:
1 - дренажный лоток преградитель; 2 - суглинок; 3 - водоносный слой; 4 - фильтр из дренирующего материала

Из дренажей закрытого траншейного типа наибольшее распространение получили трубчатые подкюветные дренажи, назначение которых заключается в понижении уровня грунтовых вод под подошвой земляного полотна. Если водоупорный слой залегает на глубине до 0,4 м от бровки земляного полотна, то устраивают, так называемые, совершенные дренажи с полным перехватом грунтового потока. При более глубоком залегании водоупорного слоя устраивают несовершенные дренажи, которые иногда называют висячими. Дно таких дренажей находится выше водоупорного слоя.

Если поток грунтовой воды направлен поперек дороги, то совершенный дренаж закладывают с одной - нагорной стороны (рис. 2.2.3).

Рис. 2.2.3. Подкюветный односторонний совершенный дренаж:
1 - водоносный слой; 2 - уровень грунтовых вод до снижения; 3 - кривая депрессии после устройства дренажа; 4 - дренаж; 5 - замок из глины; 6 - геотекстиль; 7 - водоупорный слой

Конструкция дренажа закрытого траншейного типа предусматривает основной элемент - дренажную трубу, обернутую геотекстилем и укладываемую на щебень или гравий (рис. 2.2.4).

Рис. 2.2.4. Дренаж закрытого траншейного типа:
1 - экран из мятой глины; 2 - местный грунт; 3 - утрамбованный глинистый грунт; 4 - противозаиливающий слой; 5 - крупнозернистый песок; 6 - водоносный слой; 7 - водоупорный слой; 8 - щебень (гравий) фракции 5...10 мм; 9 - щебень (гравий) фракции 40...70 мм; 10 - щебень, втрамбованный в грунт; 11 - дренажная труба; 12 - кривая депрессии

Для дренажа применяют трубы гончарные, асбоцементные, пластмассовые, из пористого беспесчаного бетона. Внутренний диаметр труб 50...300 мм.

Для поступления воды в трубы в них делают водоприемные отверстия. Уложенные в траншею трубы в стыках обвертывают фильтровыми тканями (геотекстиль) или соединяют кольцевыми полимерными муфтами.

На всех переломах продольной линии дренажа в плане и на прямых участках через 60...80 м устраивают смотровые колодцы. Назначение колодцев - облегчить нахождение пробок и мест, препятствующих нормальному протеканию воды в трубах. Колодцы делают из сборных железобетонных колец диаметром около 1,0 м. Колодец наверху имеет горловину, закрываемую чугунной крышкой.

Технология работ по строительству дренажа закрытого типа состоит из следующих операций: снятие дерна на полосе будущего дренажа бульдозером или автогрейдером; отрывка траншеи, начиная с места выпуска воды из дренажа с применением экскаватора с обратной лопатой (при глубокой траншее и неустойчивых

грунтах необходима установка креплений с распорками), укладка на дно траншеи грунтощебеночной подушки, укладка дренажных труб с обертыванием стыков фильтровой тканью и обсыпкой крупным, а затем мелким щебнем (гравием); проверка правильности укладки труб; засыпка фильтрующим песком; укладка глинистого слоя с уплотнением; засыпка местным грунтом с уплотнителем; строительство смотровых колодцев.

2.3. Устройство водонепроницаемых и капилляропрерывающих слоев

При высоком уровне грунтовых вод для повышения устойчивости земляного полотна в теле насыпи устраивают водонепроницаемые или капилляропрерывающие прослойки.

Водонепроницаемые прослойки укладывают на всю ширину земляного полотна или, в целях экономии материалов, на ширину проезжей части с превышением ее с каждой стороны на 0,5 м.

При насыпях высотой менее 1,0 м водонепроницаемый слой устраивают на уровне подошвы насыпи путем укрепления местного грунта органическими вяжущими материалами (жидкие битумы класса МГ, СГ вязкостью 25/40, битумными эмульсиями и др.) (рис. 2.3.1). На высоких насыпях водонепроницаемую прослойку можно устраивать на глубине 0,6...1,0 м от бровки земляного полотна. Кроме обработки местного грунта, водонепроницаемую прослойку можно устраивать из битумной пасты или шлама толщиной 3,0...3,5 см.

 

Рис. 2.3.1. Конструкции водонепроницаемых прослоек:
а) при высоте насыпи менее 1 м с использованием в качестве водонепроницаемой прослойки грунта, укрепленного органическим вяжущим материалом; б) при высоте насыпи более 1 м с использованием в качестве прослойки синтетической пленки:
1 - покрытие; 2 - основание; 3 - песчаный грунт; 4 - грунт, укрепленный органическим вяжущим материалом; 5 - синтетическая пленка; 6 - уровень грунтовых вод; 7 - укрепленная обочина

В настоящее время в дорожном строительстве широкое распространение в качестве водонепроницаемой прослойки получило использование синтетической пленки из полиэтилена, поливинилхлорида и на основе полиизобутилена. Полимерные пленки промышленность выпускает шириной от 2,4 до 12,0 м и толщиной от 0,1 до 2,0 мм. Чем шире пленка, тем меньше трудовые затраты на сварку или склейку полотнищ и выше качество. Чем больше толщина пленки, тем она надежнее.

Технологический процесс укрепления грунта органическим вяжущим материалом заключается в разрыхлении и измельчении грунта подошвы насыпи на глубину 5...10 см, розливе вяжущего из расчета 2...3 л/м², перемешивания грунта с вяжущим, разравнивания и уплотнении катками на пневматических шинах.

Рабочие операции по строительству водонепроницаемой прослойки с использованием синтетической пленки включают: планировку и уплотнение земляного полотна, распределение полотен синтетической пленки, доставку грунта, надвижку его на пленку, уплотнение грунта и строительство последующих слоев дорожной одежды.

Капилляропрерывающие прослойки располагают в насыпях на всю их ширину на глубине 1 м от бровки земляного полотна. Назначение таких прослоек - создать преграду для подъема капиллярной воды (рис. 2.3.2). Капилляропрерывающие прослойки устраивают из щебня или гравия фракции 5... 10 мм толщиной 20...40 мм. Сверху и снизу капилляропрерывающей прослойки располагают противозаиливающие слои из топочных шлаков, высевок фракции от 0,1 до 5 мм, геотекстиля толщиной 3,0...5,0 мм и других местных материалов, не подвергающихся гниению.

Рис. 2.3.2. Конструкция водонепроницаемой прослойки:
1 - дорожная одежда; 2 - грунт земляного полотна; 3 - противозаиливающие прослойки; 4 - капилляропрерывающая прослойка; 5 - уровень грунтовых вод; 6 - зона капиллярной воды; 7 - зона свободной воды

Строительство капилляропрерывающих прослоек состоит из следующих технологических процессов: устройство нижней части земляного полотна с поперечным уклоном не менее 30‰ и коэффициентом уплотнения грунта не менее 0,98; строительство нижнего противозаиливающего слоя; распределение капилляропрерывающего материала; устройство верхней противозаиливающей прослойки; вывозка и надвижка грунта для верхней части насыпи с послойным уплотнением катками на пневматических шинах.

В результате строительства водонепроницаемых и капилляропрерывающих прослоек достигают сохранения грунтов в верхней части земляного полотна с пониженной влажностью. Это обеспечивает устойчивость земляного полотна и предохраняет дорожную одежду от преждевременного разрушения. За счет повышения модуля упругости грунта верхнего слоя можно уменьшить толщину конструктивных слоев дорожной одежды.

2.4. Строительство водопропускных труб

Наиболее распространенными искусственными сооружениями на автомобильных дорогах являются водопропускные трубы, стоимость которых нередко достигает 15 % от общей стоимости дороги. В настоящее время на дорогах устраивают сборные круглые железобетонные трубы из звеньев длиной 1,0 м с внутренним диаметром 0,75...2,0 м. Гораздо реже применяют прямоугольные из звеньев длиной 1,0 м отверстием 1,0...4,0 м.

В зависимости от расхода водотока устраивают одно- и многоочковые трубы. Применение сборных труб обеспечивает сокращение продолжительности, снижение стоимости и повышение качества строительства. Монолитные трубы допускаются только в отдельных труднодоступных районах строительства.

Изготовление элементов сборных железобетонных труб состоит из следующих операций: заготовка арматурных стержней, изготовление сеток, сборка арматурных каркасов; изготовление, сборка, смазка, разборка и очистка опалубки; укладка и уплотнение бетонной смеси; отделка и пропаривание смеси.

Звенья труб изготавливают на заводах или полигонах, обслуживающих строительство автомобильной дороги. От полигона (завода) или ближайшей железнодорожной станции их доставляют к месту постройки трубы автомобилями или тракторами на прицепах.

В подготовительный период устраивают временные дороги, расчищают и планируют территорию строительной площадки, отводят существующее русло водотока при необходимости, устраивают защитные ограждения от паводков.

Строительную площадку (рис. 2.4.1) устраивают в соответствии с технологическим процессом постройки трубы. Особое внимание при этом обращают на расположение монтажного крана, который должен обслуживать, возможно, большую площадь. На площадку доставляют и устанавливают бетономешалку, электростанцию, битумоварочный агрегат и другие машины и оборудование.

Рис. 2.4.1. План строительной площадки трубы:
1 - склад блоков оголовков; 2 - склад блоков фундаментов; 3 - склад лекальных блоков; 4 - путь движения крана; 5 - склад звеньев трубы; 6 - контейнер с цементом; 7 - бетоносмеситель; 8 - бак для воды; 9 - электростанция; 10 - склад щебня; 11 - склад песка

При перевозке в кузовах автомобилей или прицепах звенья укладывают горизонтально (на бок) или устанавливают вертикально (стоя). Перевозка звеньев круглых труб в вертикальном положении в пересеченной местности и по грунтовым дорогам безопаснее, чем в горизонтальном. При перевозке в горизонтальном положении звенья необходимо надежно закрепить на транспортных средствах, подкладывая под них деревянные подкладки, которые для надежности надо прибить гвоздями к полу кузова. При перевозке звеньев в горизонтальном положении упрощаются и ускоряются погрузочно-разгрузочные работы, тогда как перевозка в вертикальном положении требует дополнительной операции переворачивания звеньев при выгрузке.

Разгрузку элементов труб проводят кранами. Сбрасывать элементы с автомобиля запрещается. В случае производственной необходимости разрешается перекатывание круглых звеньев, но только по горизонтальной поверхности. При этом рабочие должны находиться сзади перекатываемого звена.

Доставленные на строительную площадку элементы труб укладывают вдоль котлована трубы, оставляя берму шириной не менее 4,0 м для проезда крана. Все элементы доставляют на объект, как правило, до начала монтажа тубы. Порядок раскладки элементов принимают в соответствии с технологической последовательностью монтажа трубы.

Разработку котлована начинают непосредственно перед устройством фундамента. Рытье котлована шириной до 3,0 м осуществляют экскаваторами, а при ширине котлована более 3,0 м и отсутствии грунтовых вод - бульдозерами.

При продольной разработке котлована бульдозером отвалы грунта устраивают по сторонам лога, не допуская накопления воды у котлована. Дно котлована окончательно зачищают, планируют и при необходимости уплотняют. Основание без фундаментных труб устраивают при благоприятных геологических условиях. В этом случае на дне котлована устраивают основание из щебня и гравия с уплотнением пневматическими или электрическими трамбовками. Верх основания устраивают с учетом уклона и строительного подъема трубы.

Фундаменты из бетонных блоков устраивают при неблагоприятных геологических условиях. Блочный фундамент монтируют стреловым краном, грузоподъемность которого соответствует максимальной массе блока и вылета стрелы. Сначала собирают фундаменты оголовков до уровня подошвы фундаментов секций трубы. Затем скосы котлована, устраиваемые в местах сопряжения более глубоких котлованов оголовков с подошвой котлована под секции трубы, заполняют щебнем с заливкой цементным раствором или песчано-гравийной смесью слоями 10...15 см с тщательным уплотнением трамбованием.

После этого собирают по направлению от выходного оголовка к входному блоку фундамента под тело трубы. Блоки укладывают на слой цементного раствора толщиной 1...2 см по уровню и с перевязкой швов. Разница соседних блоков по высоте не должна превышать 10 мм.

После окончания сборки и приемки фундамента пазухи между стенками котлована и фундамента засыпают грунтом. Засыпку производят одновременно с обеих сторон фундамента горизонтальными слоями толщиной 15...20 см с послойным уплотнением.

Монолитные бетонные фундаменты устраивают только в тех случаях, когда вблизи строящегося объекта имеется возможность получить готовую цементобетонную смесь.

Оголовки труб собирают краном по монтажным схемам. Сборку оголовков труб устраивают в следующей последовательности: сначала устраивают песчано-гравийное (щебеночное) основание и на него укладывают фундаментные плиты, далее устраивают фундаменты под звенья оголовков и засыпают грунтом скосы котлованов, устраивают откосные крылья. После этого при сборке оголовков круглых труб устанавливают лекальные блоки и конические звенья (рис. 2.4.2, а), при сборке прямоугольных труб - повышенные или нормальные прямоугольные звенья (рис. 2.4.2, б).

Рис. 2.4.2. Последовательность (I...III) сборки оголовков труб:
а - круглой железобетонной; б - прямоугольной железобетонной:
1 - гравийно-песчаное основание; 2 - фундаментные плиты; 3 - портальная стенка; 4 - фундамент; 5 - откосные крылья; 6 - засыпка котлована; 7 - бетонный лоток; 8 - засыпка скоса котлована; 9 - лекальный блок; 10 - коническое звено; 11 - железобетонные плиты; 12 - прямоугольные звенья

Элементы оголовков устанавливают в проектное положение на слой цементного раствора. После окончания сборки оголовка котлован между откосными крыльями послойно засыпают грунтом и тщательно уплотняют. Лотки устраивают из цементобетонной смеси не ниже класса В, 12,5 толщиной 15...20 см на щебеночном или гравийном основании, толщиной 30 см.

Сборку труб начинают со стороны выходного оголовка, последовательно укладывая все элементы в направлении входного. В том случае, когда элементы (блоки) сборного оголовка имеют перевязки с блоками фундамента, оголовок нужно монтировать одновременно с фундаментом. После установки всех элементов оголовка можно начинать монтаж тела трубы по раскладочной схеме, входящей в состав рабочих чертежей трубы на конкретный объект. Последовательность сборки секций труб с блочным и монолитным фундаментом показана на рис. 2.4.3. [5].

Рис. 2.4.3. Последовательность (I...III) сборки секций труб:
а - с блочным фундаментом; б - с монолитным фундаментом;
1 - гравийно-песчаная (щебеночная) подготовка; 2 - фундамент; 3 - лекальные блоки; 4 - звенья; 5 - опалубка; 6 - бетонный фундамент; 7 - деревянные подкладки; 8 - цементно-песчаный раствор

Положение устанавливаемых звеньев в плане и профиле контролируют по их внутренней поверхности. Зазоры между торцами звеньев не должны превышать проектные более чем на ±5 мм.

При установке круглых звеньев на фундамент без применения сборных лекальных блоков зазор между нижней образующей звена и плоской поверхностью фундамента обеспечивают деревянными прокладками. Звенья укладывают на предварительно уложенный слой пластичной бетонной смеси, обеспечивая этим плотное опирание звеньев.

Швы между круглыми и прямоугольными звеньями должны соответствовать проектным размерам, и после окончания сборки все должны быть снаружи и изнутри плотно заполнены жгутами из пакли, пропитанной битумом или литыми резиновыми жгутами. Жгуты, поставленные с внутренней стороны, должны быть утоплены в шов на 2...3 см.

После сборки всей трубы наружные ее поверхности, соприкасающиеся с грунтом насыпи, покрывают гидроизоляцией. Двухслойную обмазочную битумную гидроизоляцию наносят кистями. Стыки сборных элементов оклеивают полосами оклеечной гидроизоляции из пергамента и гидроизола, а швы между элементами зачеканивают цементным раствором или полимерными герметиками.

Водопропускные трубы засыпают грунтом после их освидетельствования и приемки. Засыпка труб состоит из следующих операций: заполнение грунтом пазух между стенками котлована и фундамента; устройство уплотненной грунтовой призмы по бокам трубы; возведение земляного полотна дороги над трубой до проектной отметки.

Глава 3.
Возведение земляного полотна в нескальных грунтах

3.1. Восстановление и закрепление трассы

Положение оси дороги на местности устанавливают и закрепляют в процессе изыскательных работ. Однако со времени проведения изысканий до начала строительства дороги проходит иногда значительный промежуток времени, в течение которого могут измениться условия использования выделенных для строительства дороги земельных угодий, часто бывают повреждены отдельные знаки, указывающие положение трассы. Поэтому перед началом строительных работ необходимо вновь уточнить положение дороги на местности и восстановить закрепление трассы.

Восстановление и закрепление трассы производят в следующей последовательности (рис. 3.1.1):

- находят, а в случае утраты восстанавливают, углы поворота. Вершины углов поворота (ВУ) закрепляют установкой столбов, которые закапывают на расстоянии 0,5 м от фактической вершины угла на продолжении биссектрисы. На этих столбах записывают порядковый номер угла, радиус, тангенс и биссектрису кривой;

- на прямых участках осевую линию трассы закрепляют столбами через 200...400 м, в зависимости от рельефа местности. На криволинейных участках выносные столбы располагают через 100 м;

- производят контрольный промер осевой линии с установкой дополнительных плюсовых точек и разбивают поперечные профили для более точного подсчета объемов земляных работ. Промежуточные точки на кривых разбивают через 5; 10 или 20 м в зависимости от радиуса кривой (до 100 м, от 100 до 500 и более 500 м);

- производят продольное и поперечное нивелирование и съемку поперечных профилей.

Рис. 3.1.1. Закрепление трассы дороги:
а - на прямом участке; б - на кривой;
1 - выносной столбик с отметкой; 2 - выносные колья; 3 - граница полосы отвода; 4 - ось дороги; 5 - пикеты; В - ширина полосы отвода; НК - начало кривой; КК - конец кривой; ВУ - вершина угла; Т - тангенс кривой; R - радиус кривой; К - касательная к кривой

Высотные отметки закрепляют реперами через каждые 1000...2000 м в зависимости от рельефа местности. Кроме этого, реперы обязательно устанавливают на участках пересечения с другими автомобильными или железными дорогами, около малых искусственных сооружений, на пересечениях рек, у высоких насыпей и глубоких выемок (более 5 м). Реперы устанавливают в стороне от дороги, окапывают неглубокими канавками и обсыпают землей в виде конуса. В качестве реперов можно использовать опоры мостов, крупные камни и др.

Закрепление оси дороги заключается в выносе пикетов и плюсовых точек за пределы полосы отвода. Пикетаж закрепляют сторожками, на которых указывают расстояния выноски (ведут журнал выноски пикетажа). При расхождении с изыскательским пикетажем более чем на 1 м устанавливают рубленые пикеты для увязки точек с проектным продольным профилем.

Водоотводные канавы закрепляют колышками вдоль их осей с указанием глубины в местах их установки. Резервы обозначают колышками по бровкам через 10...50 м. При широких резервах колышки устанавливают не только по бровкам, но и по оси с указанием на них глубины разработки.

3.2. Расчистка дорожной полосы

До начала сооружения земляного полотна вся отведенная для него полоса должна быть расчищена от леса, кустарника, пней, камней и других предметов, мешающих выполнению работ. Твердых утвержденных нормативов ширины полосы отвода земель на дороги разных технических категорий не существует. Временные нормативы (табл. 3.2.1) определяют лишь среднюю ширину полосы отвода для каждой категории дороги. В проекте производства работ ширину отвода обосновывают соответствующими поперечными профилями и составляют график отвода земель.

Таблица 3.2.1

Нормы отвода земель

К расчистке дорожной полосы приступают при наличии ведомостей отвода земель, рубки леса, строений подлежащих сносу. Если на расчищаемой полосе имеются деревья ценных и декоративных пород, то их следует выкопать и пересадить в назначенные места и сроки, установленные с учетом агротехнических требований.

Расчистку дорожной полосы от леса, кустарника и пней выполняют в такой последовательности:

- срезка кустарника и мелкого леса;

- спиливание или валка деревьев;

- очистка стволов от сучьев и удаление за пределы расчищаемой полосы;

- корчевка и уборка пней;

- засыпка ям, оставшихся после валки деревьев и корчевки пней. Наиболее трудоемкой является очистка полосы от леса. Лес разделяют по крупности и густоте согласно табл. 3.2.2; 3.2.3.

Таблица 3.2.2

Распределение деревьев по крупности

Таблица 3.2.3

Распределение леса по густоте

Кустарник и очень мелкий лес целесообразно срезать до удаления деревьев. Это обеспечивает удобство и безопасность работ при спиливании или валке леса. Для срезки кустарника и очень мелких деревьев лиственных пород служат кусторезы. Кусторез представляет собой навесное оборудование к трактору. Его рабочим органом является клинообразный отвал, снабженный в нижней части режущими ножами, которые могут быть пилообразными. Производительность кустореза (м²/смену) определяют по формуле

                                                                                  (3.2.1)

где b - ширина отвала, м;

V - средняя рабочая скорость, км/ч;

Т - число часов работы в смену;

к_в - коэффициент использования рабочего времени;

п₁ - число поворотов кустореза;

t_n - время, затрачиваемое на один поворот, мин;

п - число проходов по одному следу.

Удаление деревьев можно осуществлять двумя способами: валить деревья с корнями или спиливать. Первый способ применяют при незамерзшем грунте и если деревья непригодны для использования в строительстве. Для валки деревьев используют бульдозеры, древовалы. Перед валкой деревьев бульдозером корни крупных деревьев подрезают с трех сторон, оставляя их неподрезанными только с той стороны, в которую валят дерево. Возможна также валка с помощью стального троса длиной не менее утроенной высоты дерева.

Для спиливания деревьев применяют мотопилы, электропилы. Одной мотопилой в смену спиливают и разделывают на деловую древесину до 85 деревьев диаметром 35...40 см.

Обычно деревья спиливают, оставляя пни высотой 10...15 см. Со стороны, в которую валят дерево, делают подруб (подпил) на глубину 1/3...1/4 диаметра ствола. Подруб представляет собой два прореза пилой один выше другого на 4...6 см, между которыми часть дерева вырубают топором. Затем с противоположной стороны делают глубокий пропил на уровне верха подруба, не доходя до него на 2...3 см, после чего валят дерево с помощью длинного шеста со специальной вилкой на конце.

Валку леса, очистку стволов от сучьев, вывозку хлыстов и сбор порубочных остатков целесообразно выполнять в зимнее время. Корчевать пни, остающиеся после спиливания деревьев, лучше всего весной при высокой влажности грунта, которая облегчает корчевку. Оставлять невыкорчеванными можно пни высотой до 10 см при высоте насыпи более 2,0 м.

Для корчевки пней применяют корчеватели-собиратели, бульдозеры. Производительность бульдозера при корчевке пней диаметром 35...40 см составляет 180...200 пней в смену.

Для корчевки крупных пней (диаметром более 50 см), а также пней с сильно развитой корневой системой целесообразно применять метод взрывания. Расход взрывчатого вещества для корчевки одного пня можно определить по формуле

q = d · K_y,                                                                                                                    (3.2.2)

где d - диаметр пня, см;

K_y - удельный расход взрывчатого вещества на 1 см диаметра пня (K_y » 20 г).

Камни размером до 1 м³ с дорожной полосы удаляют бульдозерами или корчевателями-собирателями. Большие камни (свыше 1,5...2 м³), которые не могут быть сдвинуты с места трактором, дробят взрывным способом на более мелкие куски.

Ямы, оставшиеся на дорожной полосе после валки деревьев, корчевки пней послойно засыпают и уплотняют. Техническая характеристика основных машин для выполнения подготовительных работ приведена в табл. 3.2.4.

Таблица 3.2.4

Дорожные машины для подготовительных работ

3.3. Разбивка земляного полотна

После очистки дорожной полосы приступают к разбивке земляного полотна. Разбивка земляного полотна сводится к закреплению на местности основных точек его поперечного профиля. Разбивку выполняют на основе проектных материалов: плана дороги, продольного, поперечного профилей насыпей и выемок. Важным правилом разбивки является установка колышков с высотными отметками таким образом, чтобы они сохранились до окончания земляных работ. С этой целью такие колышки, как правило, выносят за пределы полосы, на которой ведут работы землеройно-транспортными машинами.

Разбивка насыпи при возведении земляного полотна из боковых резервов в равнинной местности показана на рис. 3.3.1.

Рис. 3.3.1. Схема установки колышков при разбивке насыпи:
В - ширина земляного полотна на уровне низа дорожной одежды, м; Н - высота насыпи, м; m - заложение откоса насыпи, резерва; Н_р - средняя глубина бокового резерва, м

Ширину земляного полотна на уровне низа дорожной одежды рассчитывают по формуле

B = b + 2mh.                                                                                                                (3.3.1)

где b - ширина земляного полотна поверху, м;

h - толщина конструкции дорожной одежды, м.

                                                                                                               (3.3.2)

                                                                                               (3.3.3)

где l₁ - расстояние от оси насыпи до линии подошвы, м;

l₂ - расстояние от оси насыпи до бровки бокового резерва, м

W_н - площадь поперечного сечения насыпи, м²

К_п - коэффициент относительного уплотнения, принимаемый в зависимости от коэффициента относительного уплотнения насыпи (К_п = 1,0...1,20).

Проектную отметку по оси низа дорожной одежды (дна корыта) определяют по формуле - в соответствии с рис. 3.3.2.

                                                                                       (3.3.4)

где Н_н - высота насыпи по бровке земляного полотна, м;

b_o - ширина обочины, м;

i_o, i_к - уклон обочины, корыта в сотых долях единицы;

b_к - ширина корыта, м.

Рис. 3.3.2. Схема разбивки земляного полотна при устройстве дорожной одежды в корыте

Если насыпь проходит на косогоре, то разбивку его производят согласно рис. 3.3.3. Для обозначения линий подошвы насыпи определяют точки пересечения откосов с линией косогора l_н, l_в.

Рис. 3.3.3. Схема разбивки насыпи на косогоре

Расстояния этих точек от оси насыпи равны:

для низового откоса

                                                                                                            (3.3.5)

для верхового откоса

                                                                                  (3.3.6)

Перед разработкой выемки точки разбивки, обозначаемые колышками, выносят за пределы поперечного профиля. На колышках делают засечки или прибивают планки для надписывания номера пикета или плюса и глубины выемки (рис. 3.3.4).

Рис. 3.3.4. Схема разбивки выемки:
а - на горизонтальном участке; б - на косогоре с одинаковым поперечным уклоном:
1 - откосное лекало; 2 - веха

На горизонтальном участке расстояние l₀ от оси до бровки выемки определяют по формуле

                                                                                                                                           (3.3.7)

На косогорном участке расстояние от оси дороги до бровки выемки с низовой стороны l_н и верховой - l_в находят по формулам:

                                                                                           (3.3.8)

                                                                                           (3.3.9)

При разбивке земляного полотна пользуются нивелирами, а также специальными приспособлениями: визирками, откосными лекалами (рис. 3.3.5).

Рис. 3.3.5. Приспособления для разбивки земляного полотна:
а - комплект визирок; б - откосное лекало

Визирка представляет собой планку с перекладиной. Комплект из трех визирок позволяет контролировать постоянный уклон между точками, отметки которых определены нивелированием. Откосное лекало - треугольник из деревянных планок, две из которых соединены под углом, равным углу заложения откоса.

Придавая основанию лекала горизонтальное положение с помощью уровня, проверяют положение линии откоса, которая должна совпадать с наклонной стороной лекала или быть параллельной ей.

Способ высотной разбивки с использованием визирок показан на рис. 3.3.6.

Рис. 3.3.6. Схема высотной разбивки насыпи с помощью визирок

3.4. Удаление растительного слоя

Плодородный почвенный слой снимают со всей площади, отведенной для строительства дороги, и укладывают в отвалы для дальнейшего использования. Толщину снимаемого плодородного почвенного слоя устанавливают проектом на основании предварительного согласования с землепользователями. Толщина растительного слоя на задернованных участках составляет приметно 8...12 см, пахотных - 15...18 см и залесенных - 15...25 см. Растительный грунт используют при укреплении откосов земляного полотна, рекультивации восстанавливаемых или малопродуктивных сельскохозяйственных земель.

Различают следующие схемы удаления растительного слоя грунта: а) поперечная с валиками грунта, расположенными в шахматном порядке при ширине полосы менее 20...25 м; б) поперечная с валиками по обе стороны земляного полотна при ширине полосы более 20...25 м; в) продольно-поперечная при ширине полосы срезки более 35 м и значительной толщине растительного слоя грунта (рис. 3.4.1).

Рис. 3.4.1. Схема срезки и перемещения растительного грунта:
а - поперечным способом на полосе шириной 20...25 м; б - то же, на полосе шириной более 20...25 м; в - продольно-поперечным способом; I - вал растительного грунта; 1, 2, 3...n - проходы бульдозера

Для срезки и перемещения растительного слоя грунта используют бульдозеры или автогрейдеры. Способ выполнения этой работы выбирают в зависимости от ширины полосы, с которой необходимо срезать грунт и толщины срезаемого слоя. Если ширина полосы менее 20...25 м, что бывает при возведении земляного полотна из привозного грунта, растительный грунт срезают и перемещают бульдозером сразу на всю ширину (рис. 3.4.1, а). Каждый цикл зарезания и перемещения грунта осуществляют с перекрытием предыдущего слоя на 20...25 см. При большей ширине полосы, например, при необходимости срезки растительного грунта с поверхности основания насыпи и боковых резервов, грунт перемещают поочередно в обе стороны от оси дороги, начиная каждый раз зарезание от оси (рис. 3.4.1, б).

При большом объеме работ применяют продольно-поперечную схему срезки и перемещения грунта: продольными проходами бульдозера срезают грунт и собирают его в валы, затем поперечными проходами перемещают его за пределы полосы срезки. Эту работу рационально выполнять, применяя одновременно автогрейдер и бульдозер: первый для срезки грунта и его укладки в продольные валы, второй - для поперечного перемещения растительного грунта за пределы полосы снятия растительного слоя. Срезать грунт можно и скрепером, перемещая его на расстояние более 50 м. Скрепер снимает растительный слой продольными проходами, параллельно оси дороги, на полосе срезки, длиной равной захватке, но не менее 200...250 м. Путь заполнения ковша емкостью 6...8 м³ составляет 20...25 м при толщине стружки около 10 см, после чего скрепер переводят в положение выгрузки и грунт выгружают в поперечный валик. Продолжая движение, скрепер снова зарезает грунт до полного наполнения ковша и на соседнем участке снова его выгружает. Подобные операции повторяются до конца захватки, где скрепер, повернув на 180°, при обратном движении продолжает срезать растительный слой. Затем поперечные валики грунта перемещают бульдозером за пределы полосы срезки.

Производительность бульдозера П, м³/смену, при срезке и перемещении растительного слоя грунта равна

                                                                                                         (3.4.1)

где Т - продолжительность смены, ч;

Q - объем грунта, перемещаемого за один цикл, м³;

К_в - коэффициент использования времени;

К_i - коэффициент, учитывающий наличие уклона;

К_п - коэффициент, учитывающий потери грунта при его перемещении;

t - время, затрачиваемое на один цикл, ч;

К_р - коэффициент разрыхления грунта.

Растительный грунт укладывают во временные отвалы или вывозят сразу на место использования в качестве плодородного почвенного слоя. Временные отвалы располагают по краям полосы отвода или на специальных площадках, выделенных для этой цели.

Рекультивация земель или восстановление плодородного почвенного слоя производят там, где в процессе строительства он был поврежден или полностью уничтожен. К таким местам относят территории, занимавшиеся под временные дороги, стоянки дорожных машин, грунтовые, песчаные или гравийные карьеры, боковые резервы.

3.5. Рыхление нескальных грунтов

Плотные связные грунты с влажностью меньше оптимальной для повышения производительности землеройных машин предварительно разрыхляют. В зависимости от плотности, влажности и требуемой глубины разрыхления грунтов применяют различные рыхлители: прицепные и навесные. Прицепные рыхлители в сцепе с трактором мощностью двигателя более 75 кВт применяют для рыхления плотных глинистых, щебенистых, а также гравелистых грунтов. Глубина рыхления в этом случае не превышает 0,20...0,25 м. В особо тяжелых грунтовых условиях в навесном рыхлителе оставляют 1...3 зуба вместо 5. Очень плотные глинистые грунты с включением валунов, а также скальные горные породы (V группа) рыхлят навесными рыхлителями, смонтированными на базе мощного трактора (типа ДЭТ-250). Глубина рыхления достигает 0,5 м. Рыхлители данного типа можно использовать и при рыхлении мерзлых грунтов, при этом, стоимость рыхления в два раза меньше по сравнению с буровзрывным способом. Чем плотнее грунт и больше содержание включений щебня или валунов, тем целесообразнее применять более мощные навесные рыхлители мощностью до 600 кВт или уменьшить глубину разрыхления.

При возведении насыпи автогрейдером целесообразно предварительное полное рыхление грунтов II, III групп, что облегчает процесс зарезания грунта. Производительность автогрейдера зависит, прежде всего, от площади вырезаемой стружки. Если насыпь возводится грейдер-элеватором, то предварительное рыхление грунтов I, II групп не требуется.

Для повышения производительности скреперов при разработке грунтов III и IV групп производят частичное рыхление, которое состоит в прорезании зубьями рыхлителя плотного грунта без подъема пластов. Зубья рыхлителя лишь разрезают на полосы верхний слои грунта, разрабатываемого скрепером. В этом случае в ковш скрепера грунт перемещается в виде толстой стружки. В результате, за счет частичного рыхления облегчается процесс зарезания грунта и наполнение ковша скрепера.

При возведении насыпи бульдозерами, рыхлению подлежат грунты III и IV групп, а также связные сухие грунты II группы. Длину захватки рыхления устанавливают в зависимости от влажности грунта, а также погодных условий в период производства земляных работ. Если естественная влажность грунта выше оптимальной, то при солнечной погоде грунты рекомендуется рыхлить сельскохозяйственными плугами, переворачивая пласты. При влажности меньше оптимальной длину захватки уменьшают с целью предотвращения пересыхания грунта.

Объем разрыхляемого грунта не должен превышать сменной производительности звена скреперов или бульдозеров, во избежание пересыхания грунта в сухое летнее время и переувлажнения в дождливую погоду. Разрабатывая боковые резервы, первый проход рыхлители делают по полосе, ближайшей к подошве насыпи. Последующие проходы постепенно удаляют к границе дорожной полосы.

Производительность рыхлителя, м³/смену, определяют по формуле

                                                                                            (3.5.1)

где Т - продолжительность смены, ч;

в - рабочая ширина рыхлителя (в = 1,5...2,2), м;

в₁ - ширина полосы перекрытия (в₁= 0,1), м;

h - глубина рыхления грунта, м;

l - длина разрыхляемого участка, м;

к_в - коэффициент использования рабочего времени (0,9...0,95);

V_cp - средняя скорость работы трактора, м/мин;

t_п - время на 1 поворот, мин;

п - число проходов по одному следу.

При рыхлении структурных грунтов с влажностью, близкой к оптимальной, число проходов рыхлителя по одному следу и принимают равным единице. Рыхление сухих плотных грунтов с включением щебня, гальки требует большего числа проходов по одному следу. Техническая характеристика рыхлителей приведена в табл. 3.5.1.

Таблица 3.5.1

 Дорожные  машины  для  рыхления  грунтов

3.6. Возведение земляного полотна из боковых резервов автогрейдерами

Автогрейдеры используют для возведения земляного полотна из боковых резервов высотой до 0,75 м в равнинной местности при наличии грунтов I или II группы.

Автогрейдеры делят на легкие (мощность двигателя от 55 до 65 кВт), средние (мощность двигателя от 65 до 110 кВт), тяжелые (мощность двигателя от 110 до 180 кВт) и сверхтяжелые с мощностью двигателя более 185 кВт. По типу управления автогрейдеры бывают с механической и гидравлической системами управления. В настоящее время широко используются автогрейдеры с автоматизированной системой управления рабочим органом (табл. 3.6.1).

Таблица 3.6.1

Технические характеристики грейдеров и автогрейдеров

Рабочие операции автогрейдера при возведении насыпи сводятся к зарезанию, перемещению, разравниванию и планировке грунта. Производительность автогрейдера при выполнении вышеперечисленных операций зависит от установки положения ножа. При установке ножа в рабочем положении различают:

- угол захвата a, образуемый осью ножа и направлением движения автогрейдера;

- угол резания b, образуемый в вертикальной плоскости режущим ребром ножа с горизонтальной плоскостью;

- угол наклона g, образуемый линией горизонта и режущей кромкой ножа (рис. 3.6.1).

Рис. 3.6.1. Углы установки ножа автогрейдера:
1 - направление движения; 2 - поверхность земли; 3 - линия горизонта

В зависимости от угла a изменяется ширина захвата ножом, но одновременно повышается сопротивление грунта заглублению ножа. Угол захвата изменяется в пределах от 30 до 90°.

При зарезании грунта угол a уменьшают, а при перемещении - увеличивают. Ширина захвата при этом изменяется от 2,1 до 3,6 м.

С уменьшением угла b снижается сопротивление грунта резанию, чем плотнее грунт, тем больше сопротивление резанию. Опыт показывает, что успешное зарезание связного грунта возможно производить при угле резания b = 35...45°. В этом случае грунт легко скользит по ножу и отваливается в сторону.

Угол наклона g определяет глубину погружения режущего края ножа в грунт. Глубина и ширина, а также поперечный профиль вырезаемой стружки грунта связаны с углом g.

Угол наклона изменяют в зависимости от свойств и состояния грунта в пределах от 0 до 65°. Рациональные значения углов a, b и g при возведении насыпей приведены в табл. 3.6.2.

Таблица 3.6.2

Рекомендуемые значения углов a, b и g в зависимости от выполняемой работы

Производительность автогрейдера при возведении насыпи зависит, прежде всего, от размера вырезаемой стружки грунта, скорости движения и последовательности проходов по резанию и перемещению. Увеличение размера стружки достигается предварительным рыхлением грунта и рациональной установкой ножа.

До начала возведения насыпи необходимо обозначить ее границы и границы боковых резервов. Первое зарезание грунта (борозду) делают на расстоянии равном

                                                                                              (3.6.1)

где В - ширина земляного полотна, м;

m - заложение откоса;

Н - высота насыпи, м;

l - длина отвала, м;

a - угол захвата, град.

Возведение насыпи ведут от внутренней бровки резерва (рис. 3.6.2). Перемещение грунта осуществляют за несколько проходов. Эта операция наиболее трудоемка, она составляет до 75 % от общего числа проходов.

Рис. 3.6.2. Схема разработки резерва и отсыпки насыпи автогрейдером:
1 - 1-е зарезание; 2 - 2-е зарезание

Поэтому иногда производят два зарезания, после чего выполняют перемещение этого грунта, затем вновь два зарезания и перемещение и т.д. Укладку грунта производят одним из двух способов - вполуприжим и вприжим.

При укладке грунта в насыпь вполуприжим перемещаемый вал грунта укладывают с предыдущим на расстоянии между гребнями валов 0,4...0,5 м, т.е. между ними имеются зазоры, заполняемые в последующем путем срезки гребня валов автогрейдером. В этом случае толщина отсыпаемого слоя грунта составляет 0,25...0,35 м. Этот способ, как правило, применяют при высоте насыпи 0,5...0,75 м. В тех случаях, когда высота насыпи не превышает 0,5 м, целесообразнее отсыпку производить в один слой, укладывая грунт вприжим. В этом случае вал грунта прижимают к ранее уплотненному настолько, что из двух валов образуется один сплошной широкий вал высотой до 0,5 м.

Рекомендуемая длина захватки при возведении насыпи из грунта боковых резервов - 400...500 м. Зарезание грунта производится на I передаче автогрейдера половиной длины ножа при наибольшей толщине срезаемой стружки, а перемещение и разравнивание - на II и III передачах всей длиной ножа. Углы установки ножа автогрейдера для выполнения операций по зарезанию, перемещению и разравниванию грунта устанавливают согласно табл. 3.6.2.

Производительность автогрейдера при возведении насыпи из грунта двусторонних боковых резервов определяют по формуле

                                                                                                     (3.6.2)

где Т - продолжительность смены, ч;

К_в - коэффициент использования рабочего времени;

q = 2l₃f - объем грунта, перемещаемый за один рабочий цикл, м³;

l₃ - длина захватки, м;

f - площадь поперечного сечения стружки в плотном теле, м² (для средних автогрейдеров 0,12...0,16, для тяжелых 0,16...0,20);

t_y - продолжительность цикла, с.

                                                                          (3.6.3)

где п - число проходов для перемещения грунта, приходящееся на один проход зарезания;

V_p- скорость движения при зарезании (0,69...0,97), м/с;

V_n - скорость движения при перемещении грунта (1,1...1,67), м/с;

t_noв - время поворота (80... 100), с;

t_nep - время на перемену установки отвала (30...40), с.

Требуемое число проходов автогрейдера при зарезании п_з и перемещении п_п определяют по формулам

                                                                                                              (3.6.4)

(3.6.5)

где п_з- число проходов автогрейдера для зарезания грунта;

F_р - площадь резерва, м²;

К_п - коэффициент перекрытия проходов при зарезании (1,3...1,7);

п_п - число проходов для перемещения грунта;

l_ц- расстояние от центра тяжести половины поперечного сечения насыпи до центра тяжести поперечного сечения резерва, м;

l_n - расстояние поперечного перемещения грунта за один проход;

d - коэффициент перекрытия проходов при перемещении грунта (1,15).

Величина поперечного перемещения грунта за один проход зависит от длины отвала и угла захвата. В среднем она составляет от 2,1 до 3,6 м, а при установке к отвалу удлинителя увеличивается на 0,4..0,6 м.

Данные о производительности тяжелых автогрейдеров при возведении насыпей высотой до 0,75 м приведены в табл. 3.6.3.

Таблица 3.6.3

Производительность тяжелых автогрейдеров в зависимости от группы грунтов и расстояния перемещения

3.7. Возведение земляного полотна из боковых резервов бульдозерами

Бульдозер представляет собой самоходную землеройно-транспортную машину в виде гусеничного трактора или колесного тягача с навешенным на него рабочим органом - отвалом. По типу управления отвалом различают бульдозеры с гидравлическим и канатно-блочным управлением. При гидравлическом управлении возможно принудительное заглубление отвала.

Наиболее часто на бульдозерах устанавливают прямые неповоротные отвалы. В этом случае угол в плане между отвалом и осью трактора (угол захвата) всегда равен 90°. У бульдозеров с поворотным отвалом (универсальными) положение отвала в горизонтальной плоскости (в плане) изменяется на угол 25...30°.

Бульдозеры часто снабжают рыхлителями, навешенными сзади на базовый трактор. Такие бульдозеры-рыхлители являются удобным технологическим агрегатом, производящим как послойное рыхление грунта, так и последующее его зарезание и перемещение.

По номинальному тяговому усилию и мощности двигателя бульдозеры условно разделяют на пять классов (табл. 3.7.1). Техническая характеристика бульдозеров приведена в табл. 3.7.2.

Таблица 3.7.1

Класс бульдозеров

Таблица 3.7.2

Техническая характеристика бульдозеров

Мощность двигателей современных бульдозеров от 15 до 600 кВт на гусеничном или колесном базовом тракторе, и до 1200 кВт для бульдозеров на специальных тягачах.

Суммарные сопротивления движению бульдозера при наборе грунта равны

W_max = Q_т.бf₁ + hlf₂ + qf₃,                                                                                             (3.7.1)

где Q_т.б - масса бульдозера, кг;

f₁ - коэффициент сопротивления движению (0,1...0,12)

h - глубина зарезания, м;

l - длина ножа бульдозера, м;

f₂ - коэффициент сопротивления резанию грунта, равный 80000 н/м²;

q - масса грунта, перемещаемого за один цикл, кг;

f₃ - коэффициент сопротивления качению грунта по грунту (0,5).

При возведении земляного полотна из боковых резервов бульдозеры применяют при высоте насыпи до 1,5 м и дальности перемещения грунта до 50 м.

Рабочий цикл бульдозера в процессе возведения земляного полотна состоит из зарезания грунта, его перемещения, укладки и обратного холостого хода бульдозера в забой (резерв). Разработку грунта начинают с зарезения и набора. В зависимости от трудности разрабатываемого грунта применяют следующие схемы зарезания.

Начинать зарезание необходимо при максимальном заглублении отвала, уменьшая это заглубление по мере образования перед отвалом достаточного количества грунта. Стружка зарезания при этом получает форму клина (рис. 3.7.1, а).

При разработке тяжелого грунта сопротивления резанию могут быть настолько значительными, что из-за снижения частоты вращения двигателя трактора потребуется поднятие отвала даже при недостаточном наборе грунта перед ним. В этом случае следует повторить заглубление отвала, как только двигатель трактора наберет нормальные обороты, причем повторение этого приема может быть многократным. Стружка зарезания при такой работе будет иметь гребенчатую схему (рис. 3.7.1, б).

Прямоугольное зарезание (рис. 3.7.1, в) применяют, когда заглубление по условиям производства работ требуется относительно небольшим, например при снятии растительного слоя толщиной 10...15 см.

Рис. 3.7.1. Схемы зарезания грунта бульдозером:
а - клиновая; б - гребенчатая; в - прямоугольная (стрелкой показано направление движения машины)

Наиболее производительным является зарезание с образованием стружки клиновидной формы. Однако, этот способ в ряде случаев не может быть применен. Так, в твердых и пересохших грунтах, особенно, когда бульдозер имеет канатно-блочную систему управления, отвал не всегда погружается в грунт на требуемую глубину. В таких случаях зарезание следует производить по гребенчатой схеме.

Разработку грунта в резервах, перемещение и распределение его горизонтальными слоями в насыпи выполняют бульдозерами траншейным способом (рис. 3.7.2). Первое зарезание грунта бульдозер производит на внутренней части резерва, следующее - на внешней, так, чтобы образовалась одна сплошная неглубокая траншея, перпендикулярная оси дороги. Вырезанный грунт перемещают на насыпь и разравнивают слоями, также перпендикулярно оси дороги, толщиной 20...30 см (в зависимости от применяемых машин для уплотнения). Затем зарезание производят параллельно первой траншее на расстоянии от нее 0,5...0,8 м. В дальнейшем зарезание производят последовательно на всей захватке и получают грунт для отсыпки всего первого слоя на этой захватке.

Рис. 3.7.2. Схема траншейной разработки бокового резерва бульдозером:
I-1...I-3; II-1...II-3 - последовательность зарезания грунта в резерве для отсыпки первого и второго слоев насыпи; I-1'...I-3'; II-1'...II-3' - последовательность укладки грунта в первый и второй слой насыпи; а - ширина траншеи; b - ширина стенок между траншеями (0.5...0.8), м

После профилирования и уплотнения первого слоя насыпи производят зарезание грунта бульдозером вновь на месте образованных траншей и в той же последовательности, и получают грунт для отсыпки второго слоя насыпи. Этот процесс повторяют столько раз, сколько слоев необходимо отсыпать на каждом конкретном участке дороги. После разработки грунта для отсыпки верхнего слоя насыпи производят срезку «стенок», образовавшихся между траншеями и грунт от них также укладывают в верхний слой насыпи.

Производительность бульдозеров при разработке и перемещении грунта зависит от мощности трактора, трудности разработки грунта, дальности его перемещения, высоты возводимой насыпи.

В общем виде производительность (м³/смену) можно определить по формуле

                                                                             (3.7.2)

где Т - продолжительность смены, ч;

К_в - коэффициент использования рабочего времени, принимают 0,85...0,90;

q - объем грунта, перемещаемый за один цикл, м³

                                                                                                                (3.7.3)

где l - длина отвала бульдозера, м;

Н - высота отвала, м;

j - угол естественного откоса грунта, град.;

К_n - коэффициент, учитывающий потери грунта при перемещении, равный К_n = 1 - (0,005 + 0,004·L_n);

L_н, L_n, L_x - длина пути, соответственно, набора грунта, его перемещения и обратного хода, м;

V_н, V_n, V_x - скорость движения, соответственно, при наборе грунта (0,7...1,0), перемещении (1,0... 1,5) и обратном ходе (1,5...3,0), м/с;

п - число переключений передач;

t - время на одно переключение передачи, принимают 3...5 с;

t_o - время на установку отвала, 10...15 с;

К_p - коэффициент разрыхления грунта, принимают 1,05...1,35.

Данные о производительности бульдозеров на тракторах мощностью 120...180 кВт приведены в табл. 3.7.3.

Таблица 3.7.3

Производительность бульдозеров в зависимости от дальности перемещения и группы грунта

Для повышения производительности отвал бульдозера снабжают открылками и козырьками или организуют спаренную работу бульдозеров.

В процессе перемещения грунта тяговая мощность трактора на первой передаче используется не полностью. Поэтому при наличии открылков грунт перемещают через два-три зарезания, т.е. грунт в насыпь перемещают укрупненными порциями. Первое зарезание начинают в 4...6 м от внутренней кромки резерва и оставляют грунт в промежуточном вале. Затем задним ходом отводят бульдозер еще на 4...6 м от начала первого зарезания, снова зарезают грунт и подают его в насыпь вместе с промежуточным валом первого зарезания.

При спаренной работе двух бульдозеров с расстоянием между отвалами до 0,5 м для грунтов I, II групп и до 1,0 м для грунтов III группы повышается их производительность в среднем на 15 %, уменьшаются потери грунта почти в два раза, поскольку как бы увеличивается ширина захвата. Но синхронное использование бульдозеров рационально при перемещении больших объемов земляных масс и высокой квалификации машинистов.

Разравнивание грунта и планировку поверхности слоев производят бульдозерами или автогрейдерами. Предварительное разравнивание часто осуществляют в процессе послойной укладки грунта. Поверхности верхнего слоя насыпи придают поперечный уклон 20...40‰ от оси к бровкам земляного полотна. Поверхность остальных слоев планируют с таким же уклоном только при длительных перерывах в работе для обеспечения стока дождевой воды, в остальных случаях поверхность делают горизонтальной.

Производительность универсального бульдозера (м²/ч) при разравнивании грунта составляет

                                                                                   (3.7.4)

где L - длина разравниваемого участка, м;

l - длина отвала бульдозера, м;

a - угол поворота отвала в плане (45...65°);

b - часть ширины пройденной полосы, перекрываемой при последующем смежном проходе (обычно b = 0,3...0,5 м);

п - число проходов по одному следу (п = 1...2 прохода);

V - средняя скорость бульдозера при разравнивании грунта, м/с;

t_nов - время на один поворот, с.

При длине разравниваемого участка 30...40 м целесообразно работать без разворота трактора, что значительно экономит время. Разнообразие видов работ, выполняемых бульдозерами, а также широкая номенклатура сменного оборудования и приспособлений к ним делают бульдозер универсальной машиной, незаменимой на любой стройке. На земляных работах в настоящее время бульдозеры выполняют 30...40 % общего объема работ.

3.8. Возведение земляного полотна из боковых и сосредоточенных резервов и грунтовых карьеров скреперами

Скрепер - землеройно-транспортная машина цикличного действия, предназначенная для послойного вырезания грунта с набором его в ковш, транспортирования набранного грунта и отсыпки его слоями в насыпь или отвал с частичным уплотнением ходовыми колесами ковша и гусеницами трактора. Скреперы ежегодно выполняют до 45 % от общего объема работ. Их применяют для возведения насыпей из грунта боковых и сосредоточенных резервов. Скреперы могут разрабатывать грунты I...III групп (при разработке III группы требуется предварительное рыхление грунта).

Промышленность выпускает прицепные скреперы к гусеничным и колесным тягачам и самоходные, в которых тяговое и рабочее оборудование объединено в одну машину. Прицепные скреперы наиболее целесообразно применять при перемещении грунта на расстояние до 300...500 м, однако при большей емкости ковша (10...15 м³) возможно использование таких скреперов для перемещения грунта и на большее расстояние (до 1,0...1,5 км). Полуприцепные и самоходные скреперы, обладающие высокой скоростью движения (до 50...60 км/ч) и достаточной маневренностью, весьма эффективны для перемещения грунта на расстояние до 2...3 км. Эти машины особенно рационально применять для возведения насыпей из грунта сосредоточенных резервов.

Главным параметром скрепера является геометрическая вместимость (объем) ковша (в м³). Вместимость «с шапкой» превышает геометрическую на 20...25 %. Типаж выпускаемых в настоящее время скреперов: 3; 4,5; 8 (7); 10; 15; 25 м³ (табл. 3.8.1).

Таблица 3.8.1

Техническая  характеристика  скреперов

Рабочее оборудование скрепера состоит из ковша с передней заслонкой и задней стенкой. Ковш имеет прямые или ступенчатые ножи, срезающие слой грунта во время движения машины на участке набора. Передняя заслонка при наборе приподнята и образует щель, через которую стружка грунта поступает в ковш. Сзади скрепер оборудован буфером для подталкивания толкачом при заполнении, когда тягового усилия трактора оказывается недостаточно. В транспортном положении ковш приподнят, заслонка закрыта. Разгружается скрепер чаще всего принудительно с помощью выдвижной задней стенки ковша, выталкивающей грунт через щель, образованную между заслонкой и ножом.

Зарезание грунта скреперами осуществляется несколькими способами (рис. 3.8.1).

Рис. 3.8.1. Способы зарезания грунтов скрепером (стрелкой показано направление движения скрепера):
а - плотных грунтов; б - рыхлых; в - средней плотности; г - песчаных

Ковш скрепера наполняют при прямолинейном движении, стремясь срезать грунт наиболее толстой стружкой. Это создает лучшие условия для заполнения ковша. Длина пути наполнения 15...25 м. Целесообразно набор грунта осуществлять при движении под уклон 3...6°, однако следует иметь ввиду, что при большем уклоне грунт поступает в ковш не полностью, затрудняя работу скрепера.

При разработке сухих песчаных грунтов зарезание грунта производят на подъем до 3° или производят его увлажнение. Зарезание грунта гребенчатым способом выполняют волнообразно с попеременным заглублением ковша. Для получения более ровного забоя каждое последующее зарезание грунта производят на одной и той же полосе с перекрытием гребней, для чего каждый следующий набор грунта начинают, отступив на 2...3 м от начала предыдущего.

В плотных неразрыхленных грунтах применяют ребристо-шахматную схему набора, которая обеспечивает хорошее наполнение ковша (рис. 3.8.2).

Рис. 3.8.2. Ребристо-шахматная схема зарезания грунта скрепером:
а - последовательность проходов в плане; б - форма вырезаемой стружки при проходах 5, 6, 7 и 8; 1...12 - проходы скрепера; I-III - ряды проходов

Для ускорения наполнения ковша скрепера производят рыхление плотных грунтов и при зарезании используют трактор-толкач. В качестве толкачей применяют гусеничные тракторы, оборудованные специальными устройствами, или бульдозеры на гусеничном ходу. Грунт рыхлят на толщину снимаемой стружки, избегая его измельчения, так как это ухудшает наполнение ковша.

Работу трактора-толкача в резерве или забое организуют по прямолинейной или ступенчатой схеме.

Продолжительность рабочего цикла толкача можно определить по формуле

Т_т = t_у + t_н + t_в,                                                                                                            (3.8.1)

где t_у - время на подход к скреперу и упирание отвалом в буфер (t_у =10 с);

t_н - подталкивание скрепера при наборе грунта (t_н = 80 с);

t_в - возврат толкача в исходное положение (t_в = 50 с).

При рациональной организации работ один трактор-толкач может обеспечить ускоренную загрузку нескольких скреперов.

n = T_ц.c/T_т,                                                                                                                   (3.8.2)

где T_ц.c - время цикла скрепера, с.

Эффективность работы скреперов во многом зависит от подготовки и состояния землевозных путей, которые должны обеспечивать возможность движения тракторов со скоростью до 10 км/ч, а тягачей - до 20 км/ч. Требования к землевозным путям приведены в табл. 3.8.2 [13].

Таблица 3.8.2

Требования к землевозным путям

Движение порожних скреперов можно использовать для выравнивания и планировки землевозных путей.

При возведении насыпей из грунта боковых резервов скрепер перемещает грунт в продольном и поперечном направлениях. Наиболее рациональна схема движения скрепера по зигзагу (рис. 3.8.3, а), однако применять ее целесообразно при длине участка работ более 200 м, так как при меньшей длине эффективность схемы снижается из-за необходимости частых поворотов. Поэтому при длине участка от 100 до 200 м применяют схему движения по восьмерке (рис. 3.8.3, б), а менее 100 м - по эллипсу (рис. 3.8.3, в). При разработке двусторонних резервов схему движения по эллипсу рационально заменить схемой движения по спирали с выгрузкой грунта в поперечном направлении (рис. 3.8.3, г), но лишь при условии, что ширина насыпи не менее пути разгрузки скрепера, а разность отметок насыпи и резервов не превышает 2,5...3,0 м, так как при большей разности отметок подготовка и содержание значительного числа въездов для груженого скрепера повышают трудоемкость работ. Эффективность использования скреперов во многом зависит от наполнения ковша, толщины вырезаемой стружки, длины пути при наборе, дальности перемещения грунта и др. (табл. 3.8.3...3.8.4).

Рис. 3.8.3. Схемы движения скреперов при возведении насыпей из грунта боковых резервов:
а - по зигзагу; б - по восьмерке; в - по эллипсу; г - по спирали;
1 - набор грунта; 2 - разгрузка грунта

Таблица 3.8.3

Коэффициент наполнения ковша скрепера

Таблица 3.8.4

Максимально возможная толщина стружки грунта, срезаемой скрепером

Таблица 3.8.5

Радиусы поворота скрепера

Таблица 3.8.6

Длина пути при наборе грунта скрепером (L_min = l_c + l_n)

Таблица 3.8.7

Рекомендуемые дальности перемещения грунта скреперами

Производительность скрепера (м³/смену) определяют по формуле

                                                                        (3.8.3)

где Т- продолжительность смены, ч;

К_в - коэффициент использования рабочего времени скрепера, равный 0,8...0,9;

q - емкость ковша скрепера, м³;

К_н - коэффициент наполнения ковша, составляющий при разработке супесей и легких суглинков 0,80...0,95, тяжелых суглинков и глин 0,65...0,75, сухого рыхлого песка 0,5...0,7 (при работе скрепера с толкачом величина К_н увеличивается на 30...50 %);

К_р - коэффициент разрыхления грунта в ковше скрепера, составляющий для песков и супесей 1,0...1,2, для легких суглинков - 1,2...1,4, для тяжелых суглинков и глин - 1,2...1,3;

t_рез - время, затрачиваемое на набор (резание) грунта, с;

t_г - время груженого хода, с;

t_н - время на поворот, с;

t_р - время на разгрузку ковша, с;

t_x - время холостого хода, с;

п - количество переключений передач тягача за один цикл работы скрепера;

t_neр - время, затрачиваемое на одно переключение передач, с.

Значения t_рез, t_г, t_р, t_x, входящие в формулу, определяют в зависимости от местных условий делением составляющих расстояний на скорости движения.

Длину пути набора грунта t_рез и разгрузки t_р можно вычислить по формулам:

                                                                                                               (3.8.4)

                                                                                                                   (3.8.5)

где h - толщина стружки, м;

а - ширина захвата ковша, м;

h₁ - толщина слоя грунта при разгрузке, м.

В обычных условиях средняя скорость движения полуприцепных и самоходных скреперов составляет: при наборе грунта - 1,5...3 км/ч, при разгрузке - 5...8 км/ч, при груженом ходе - 20...30 км/ч, при холостом ходе - 40 км/ч. На один поворот затрачивается 5...10 с, на одно переключение передач - около 3 с.

Данные о производительности скреперов в зависимости от емкости ковша и дальности перемещения грунта приведены в табл. 3.8.8.

Таблица 3.8.8

Производительность скреперов

3.9. Особенности возведения земляного полотна на косогорах

При строительстве земляного полотна на косогорах технологию работ определяют уклон местности, конструкция земляного полотна, грунтовые условия, наличие в строительной организации землеройной техники и др. К основным особенностям возведения земляного полотна на косогорах относят:

- увеличение объема дополнительных работ (устройство въездов, нарезка уступов, устройство подпорных стенок и др.);

понижение устойчивости землеройно-транспортных машин при выполнении земляных работ;

- уменьшение производительности;

- неравномерный износ рабочих органов и ходовой части дорожных машин.

В нескальных грунтах для возведения земляного полотна на косогорах могут быть использованы: автогрейдеры, бульдозеры и экскаваторы.

Последовательность разработки грунта в резерве автогрейдером при крутизне косогора положе 1:5 и высоте насыпи до 0,7 м показана на рис. 3.9.1.

Рис. 3.9.1. Последовательность возведения земляного полотна автогрейдером:
1...6 - последовательность зарезания грунта в резерве; 1'...6' последовательность укладки грунта в насыпь

На участках при косогорности от 1:5 до 1:2,5 земляное полотно можно возводить бульдозером путем поперечного перемещения грунта вниз по склону (рис. 3.9.2)

Рис. 3.9.2. Последовательность отсыпки насыпи бульдозером путем поперечного перемещения грунтов:
1...4 - последовательность зарезания грунта в резерве; 1'...4' - последовательность укладки грунта в насыпь

При крутизне склона более чем 1:2,5 возведение земляного полотна при устройстве полувыемки целесообразно вести по схеме, показанной на рис. 3.9.3.

Рис. 3.9.3. Последовательность разработки грунта при постройке земляного полотна в полувыемке:
I - уступ расположения полки рабочего проезда; II...IV - последовательность дальнейшей разработки грунта

По данной схеме полка рабочего проезда расположена в проектных отметках земляного полотна. Дальнейшую разработку грунта производят за счет последовательного (II, III, IV) расширения полки за счет продвижения ее в сторону косогора.

Разработку грунта по данной схеме можно производить комплексным отрядом с двумя ведущими машинами бульдозером и экскаватором. В этом случае I и II проходки разрабатывают бульдозерами, a III и IV экскаваторами.

3.10. Возведение земляного полотна из привозного грунта

На ценных земляных угодьях, в населенных пунктах, на участках, где грунты из боковых резервов не пригодны для отсыпки насыпи и др., земляное полотно возводят из привозного грунта.

Для погрузки грунта в транспортные средства используют:

- одноковшовые экскаваторы (прямая лопата, обратная лопата, драглайн, грейфер);

- роторные экскаваторы;

- одноковшовые фронтальные погрузчики;

- грейдер-элеваторы.

Одноковшовые экскаваторы на гусеничном ходу применяют на сосредоточенных работах, когда не требуются частые перебазировки, при слабых основаниях, а также разработке скальных грунтов, где пневматические шины быстро выходят из стоя. Экскаваторы на пневмоколесном ходу целесообразно применять при наличии грунтов с достаточной несущей способностью. Чтобы меньше было холостых передвижений, экскаваторы на гусеничном ходу используют при значительном объеме сосредоточенных работ. Емкость ковша экскаватора выбирают исходя из объемов работ на объекте

Техническая характеристика экскаваторов, наиболее часто используемых на дорожных работах, приведена в табл. 3.10.1.

Таблица 3.10.1

Экскаваторы, применяемые на дорожных работах

Роторные экскаваторы все операции рабочего процесса выполняют одновременно, т.е. вместе с копанием грунта происходит выгрузка ковшей и транспортирование грунта из забоя в транспортные средства. Принцип непрерывности рабочих процессов дает повышенную производительность. Вместе с тем эти экскаваторы менее универсальны, чем одноковшовые, и, кроме того, их применение ограничивают каменистые включения в грунте. Максимальные значения включений не должны превышать 1/3 ширины ковша. Разработку грунта роторными экскаваторами производят лобовым забоем.

Одноковшовые фронтальные погрузчики производительны, мобильны и универсальны. Погрузчики выпускают на пневматическом и гусеничном ходу грузоподъемностью до 5...10 т. Время рабочего цикла одноковшовых погрузчиков приблизительно равно времени цикла одноковшовых экскаваторов. Фронтальные погрузчики, оснащенные землеройными ковшами, могут непосредственно разрабатывать грунты I...III групп с погрузкой в транспортные средства. Погрузчик вначале черпает грунт, затем отъезжает от забоя, подъезжает к транспортному средству и разгружает ковш. После разгрузки ковша цикл повторяется (табл. 3.10.2).

Таблица 3.10.2

Техническая характеристика фронтальных погрузчиков

Пневмоколесные погрузчики обладают преимуществами по сравнению с гусеничными погрузчиками в случае необходимости частого перебазирования с одного объекта на другой, в стесненных условиях, требующих повышенной маневренности погрузчика и др.

Применение гусеничных погрузчиков предпочтительно при разработке и погрузке плотных грунтов III группы и больших объемах работ на объекте.

Производительность погрузчика в транспортные средства

                                                                                        (3.10.1)

где Т - продолжительность смены, ч;

К_в - коэффициент использования рабочего времени (0,8...0,9);

q - объем ковша погрузчика, м³

К_н - коэффициент наполнения ковша (0,9...1,2 );

d - плотность грунта, т/м³;

К_р - коэффициент разрыхления грунта (1,1...1,3);

t_ц - продолжительность рабочего цикла, с;

t_ц = t₁ + t₂ + t₃ + t₄ + t₅ + t₆ + t₇ + t₈,                                                                           (3.10.2)

где t₁, t₈ - соответственно продолжительность наполнения ковша, подъема ковша в транспортное положение, движение погрузчика к месту разгрузки, подъема ковша до разгрузочного положения, разгрузки, опускание ковша до транспортного положения, обратного движения погрузчика к месту загрузки, переключения рычагов управления.

Продолжительность рабочего цикла одноковшовых фронтальных погрузчиков может быть определена по формулам:

для погрузчиков на пневмоколесном ходу

t_ц = 34,4 + 0,56q_n,                                                                                                       (3.10.3)

для погрузчиков на гусеничном ходу

t_ц = 40 + q_n,                                                                                                                 (3.10.4)

где q_n - грузоподъемность погрузчика, т.

Грейдер-элеватор - землеройно-транспортная машина непрерывного действия, послойно вырезающая и транспортирующая грунт в насыпь либо в транспортные средства. При использовании грейдер-элеватора в качестве погрузчика грунта в транспортные средства погрузку осуществляют при параллельном движении грейдер-элеватора и транспортных средств по прямой. Работу начинают с устройства забоя по оси разрабатываемого карьера. Ширина разрабатываемого карьера должна быть не менее 15 м, а длина пути прохода грейдер-элеватора - не менее 200...250 м.

Число автомобилей-самосвалов, обслуживаемых одним грейдер-элеватором

                                                                                                        (3.10.5)

где П_г-э - производительность грейдер-элеватора, м³/смену;

t_ца - продолжительность цикла автомобиля-самосвала,ч;

d - плотность грунта, т/м³;

Т - продолжительность смены, ч;

К_в - коэффициент использования рабочего времени;

q - грузоподъемность автомобиля-самосвала, т.

Расчеты показывают, что один грейдер-элеватор может обслуживать до 10....12 автомобилей-самосвалов при дальности возки грунта до 1 км.

При выборе погрузчика, работающего в комплексе с транспортными средствами, увязывают грузоподъемность транспортного средства с грузоподъемностью погрузчика, либо вместимость кузова транспортного средства с объемом ковша погрузчика. Рациональным соотношением между объемом ковша погрузчика V_n и объемом кузова V_т транспортного средства принято считать V_т/V_n = 2...5.

Число ковшей, необходимых для загрузки кузова транспортного средства, определяют по формуле

                                                                                                            (3.10.6)

где q_m - грузоподъемность транспортного средства, т;

К_р - коэффициент разрыхления грунта;

V_n - объем погрузчика, м³;

К_н - коэффициент наполнения ковша погрузочного средства;

d - плотность грунта, т/м³.

При выборе транспортных средств учитывают объем грунта, подлежащего перевозке, рельеф местности и возможность устройства землевозных путей, дальность транспортирования грунта, производительность погрузочных средств и др. Для перевозки грунта могут быть использованы различные виды транспорта: автомобильный, тракторный, рельсовый и др.

Учитывая высокую маневренность (минимальный радиус разворота 10...20 м, продольный уклон до 12‰), а также возможность увязки перевозки грунта с другими грузами, автомобильный транспорт при возведении земляного полотна нашел самое широкое применение (табл. 3.10.3).

Таблица 3.10.3

Техническая характеристика автомобилей-самосвалов

Производительность автомобилей-самосвалов в м³ рассчитывают по формуле

                                                                                                                                      (3.10.7)

где Т - продолжительность рабочей смены, ч;

К_в - коэффициент использования рабочего времени;

q_m - грузоподъемность автомобиля-самосвала;

К_г - коэффициент использования грузоподъемности;

d - плотность грунта, т/м³;

t_ц - время цикла автомобиля, ч;

t_ц = ( 2l/v + t) ,                                                                                                             (3.10.8)

где l - расстояние транспортирования, км;

v - средняя скорость движения автомобиля, км/ч;

t - время, затрачиваемое на погрузку и разгрузку (0,1...0,2 ч).

Число автомобилей-самосвалов п, работающих в комплекте с экскаватором, определяют по формуле

                                                                                                                                                                        (3.10.9)

где m - число ковшей грунта, погружаемых в кузов транспортного средства;

t_э - продолжительность одного цикла экскаватора, ч.

К недостаткам автомобильного транспорта следует отнести большую зависимость от состояния проезжей части дороги и потребность в дорогостоящем жидком топливе.

В последние годы все большее применение для перевозки грунта находит тракторный транспорт. Землевозы (думпкары) успешно конкурируют с автомобилями-самосвалами при перевозке грунта до 3 км. Думпкары выгодней автомобилей-самосвалов вследствие небольшой мощности двигателя на единицу грузоподъемности, широкой колеи и большого дорожного просвета. Думпкар разгружает грунт в 2...3 раза быстрее, чем автомобиль-самосвал, благодаря самоопрокидывающемуся кузову.

При дальности возки до 1 км и скорости движения думпкара с грунтом 12...18 км/ч, его производительность достигает 100 м³ в смену и превышает производительность автомобиля-самосвала грузоподъемностью 8...10 т на 15 %.

Рельсовый транспорт находит применение при дальности возки грунта более 10 км и сосредоточенном объеме земляных работ более 100 тыс. м³, например, при строительстве земляного полотна через болото.

Отсыпку насыпи из привезенного грунта ведут послойно по способу «с головы» в зависимости от условий производства работ. При послойной отсыпке работы ведут на двух захватках - на одной из них производят разгрузку транспортных средств и разравнивание грунта, на другой - уплотнение. Укладку и разравнивание грунта производят от краев к середине.

При достаточной ширине земляного полотна транспортные средства разворачиваются на насыпи и подходят под разгрузку задним ходом. Если ширина насыпи меньше 11 м, то устраивают специальные въезды и съезды шириной 4,5...5 м. Предельный уклон въездов должен быть не более 100‰.

3.11. Разработка выемок в нескальных грунтах бульдозерами и скреперами

Способ разработки выемок бульдозером назначают с учетом группы грунта и дальности его перемещения. Бульдозером, как правило, разрабатывают неглубокие выемки (примерно до 6,0 м) небольшого протяжения и из полученного грунта возводят участки прилегающих насыпей. В этом случае расстояние перемещения грунта не превышает 100 м. Разработку выемки ведут ярусно-траншейным способом, сущность которого заключается в последовательной поярусной разработке выемки продольными траншеями с послойной укладкой грунта в насыпь продольными полосами. После перемещения в насыпь грунта траншей каждого яруса разрабатывают и перемещают в насыпь грунт стенок, оставленных между траншеями (рис. 3.11.1).

Рис. 3.11.1. Ярусно-траншейная схема разработки бульдозером грунта в выемке с перемещением его в насыпь:
1 - ярусы; 2 - слои; 3 - стенки; 4 - траншеи яруса; 5 - отвал бульдозера; 6 - грунт, перемещаемый по траншее

Вблизи откосов выемки грунт разрабатывают, оставляя полки - продольные уступы (рис. 3.11.2). После окончания разработки выемки полки срезают бульдозером, передвигающимся по откосу сверху вниз в поперечном направлении. При этом грунт полок сдвигают в крайние траншеи, оставляемые в нижнем ярусе выемки, по которым затем перемещают грунт в насыпь. Одновременно разрабатывают и перемещают грунт стенок этих траншей. Срезку грунта полок откосов начинают с участка выемки, наиболее удаленного от насыпи, постепенно приближаясь к ней.

Рис. 3.11.2. Схема разработки бульдозером грунта вблизи откосов выемки:
1...3 - ярусы; 4 - крайние стенки; 5 - крайние траншеи; 6 - полки; а - ширина захвата при проходе бульдозера

Использовать бульдозер для доработки откосов выемки можно лишь при крутизне не более 1:2.

Если дальность перемещения грунта не превышает 20...25 м, его перемещают за один прием. При большей дальности перемещения значительная часть грунта теряется в пути, образуя боковые выемки по обе стороны отвала бульдозера. Во избежание этого применяют метод перемещения грунта с промежуточными валами: вначале грунт перемещают на расстояние 20...25 м в промежуточный вал, затем после наполнения грунта в валу сдвигают его на такое же расстояние, повторяя эту операцию до тех пор, пока не будет достигнуто место укладки.

Когда по местным условиям можно вести разработку грунта при движении под уклон, это значительно повышает производительность машин. При работе под уклон увеличивается сила тяги машин, уменьшается сопротивление перемещаемого грунта и увеличивается объем грунта, перемещаемый отвалом. При разработке грунта на подъем наблюдается обратное явление - сила тяжести машины и перемещаемого грунта значительно снижают силу тяги трактора, соответственно объем перемещаемого отвалом грунта резко уменьшается.

Увеличение производительности бульдозеров при работе под уклоном по сравнению с работой на горизонтальном участке характеризуется следующими данными: на горизонтальных участках - 100 %; на участках с уклоном 10 град. - 150...200 %; на участках с уклоном 20 град. - до 250 %; на участках с подъемом 10 град. - 60...70 %.

Разработку неглубоких раскрытых выемок с перемещением грунта в кавальеры ведут также по ярусно-траншейной схеме, но поперечными переходами бульдозера, располагая кавальеры вдоль бровок выемок.

При устройстве выемок скреперы используют для разработки и транспортировки грунта на расстояния более 50 м, при меньших расстояниях эффективнее использовать бульдозеры. Прицепные скреперы рекомендуется применять при дальности возки грунта до 500 м. При больших расстояниях транспортирования прицепные скреперы уступают по рентабельности самоходным, а также автомобилям-самосвалам, загружаемым экскаваторами или фронтальными погрузчиками.

Полуприцепные (самоходные) скреперы работают в агрегате с базовыми быстроходными пневмоколесными тягачами, их используют при дальности транспортирования от 300 до 3000 м.

Скреперы применяют преимущественно для разработки сравнительно легких грунтов. Плотные грунты требуют предварительного рыхления. Скреперы при разработке выемок не могут быть использованы в сыпучих песках и в грунтах с включениями крупных камней. Эффективность работы скреперов зависит от подготовки и состояния землевозных путей, которые должны обеспечить возможность движения тракторов со скоростью до 10 км/ч, а тягачей - до 20 км/ч [29].

Подъездные пути прокладывают с учетом движения в груженом направлении с уклонами на подъем до 150 ‰, на спуск - до 200 ‰, с поперечным уклоном до 100 ‰, для движения в порожнем направлении соответственно до 200 ‰ на подъем, до 300 ‰ - на спуск, с поперечным уклоном до 120 ‰. В обоих направлениях радиусы закругления должны быть не менее 15...20 м. Движение порожних скреперов можно использовать для выравнивания и планировки землевозных путей.

Разгрузку скреперов производят только на ходу при прямолинейном движении с малой скоростью (3...4 км/ч). Разгрузка позволяет производить послойную укладку грунта. Кромку ножа скрепера устанавливают на уровне, обеспечивающем требуемую толщину слоя грунта.

Работы по сооружению земляного полотна организуют таким образом, чтобы осуществлять загрузку ковша скрепера под уклон 80...100 ‰. Разработку выемок ведут в одну смежную насыпь или одновременно в две насыпи; во втором случае движение происходит сквозное без разворотов в выемке. При близком расположении двух выемок и насыпи между ними можно вести разработку обеих выемок, одновременно перемещая грунт в одну насыпь (рис. 3.11.3).

Рис. 3.11.3. Схема движения скрепера при разработке грунта в выемке с перемещением его в насыпь:
а - из выемки в насыпь; б - из выемки в две насыпи; в - из двух выемок в одну насыпь;
1 - набор грунта; 2 - разгрузка грунта

Зарезание грунта в выемках производят в шахматной последовательности по шахматно-гребенчатой (рис. 3.11.4) или ребристо-шахматной схеме [8]. Забой для набора грунта должен быть достаточной длины для полного наполнения ковша (табл. 3.11.1), а путь движения скрепера - кратчайшим без крутых поворотов, особенно для груженого скрепера.

Рис. 3.11.4. Шахматно-гребенчатая схема зарезания грунта скрепером:
а, б, в - последовательность зарезания грунта на каждой полосе;
1-7 - последовательность разработки полос

Таблица 3.11.1

Длина пути набора грунта скрепером в зависимости от вместимости ковша

Примечание. В числителе указана длина пути набора с толкачом, в знаменателе - без толкача.

Отсыпку грунта в насыпь производят параллельными полосами при движении скрепера вдоль оси дороги в последовательности от краев к середине, при этом насыпь с каждой стороны отсыпают на 10...15 см шире проектной (рис. 3.11.5).

Рис. 3.11.5. Схема отсыпки насыпи скрепером:
1...7 - последовательность укладки грунта в тело насыпи

Технологические процессы по разработке выемки и возведению насыпи состоят из следующих операций: подготовка подошвы насыпи и поверхности выемки; уплотнение подошвы насыпи; рыхление грунта рыхлителем послойно по мере разработки выемки (если грунты плотные); разработка грунта скрепером, транспортирование его в насыпь и распределение слоем проектной толщины; послойное разравнивание грунта в насыпи бульдозером или автогрейдером; послойное уплотнение грунта; планировка верхней части насыпи и откосов насыпи и выемки.

В зависимости от величины и крутизны откосов применяют бульдозеры, автогрейдеры, экскаваторы с телескопической стрелой или специальным оборудованием для планировки.

3.12. Разработка выемок экскаваторами

Экскаваторы - это самоходные землеройные машины с ковшовым рабочим оборудованием. Они предназначены для разработки грунтов и горных пород в транспортные средства или в отвал. По характеру рабочих процессов различают экскаваторы цикличного и непрерывного действия. К экскаваторам цикличного действия относят одноковшовые экскаваторы, а к непрерывного действия - роторные.

По ходовому оборудованию экскаваторы разделяют на гусеничные. Типы и марки экскаваторов, применяемых на дорожных работах, приведены в табл. 3.12.1. При разработке выемок в зависимости от вида выполняемых работ экскаваторы могут иметь следующее рабочее оборудование: прямую лопату (рис. 3.12.1, а), обратную лопату (рис. 3.12.1, б) драглайн (рис. 3.12.2).

Рис. 3.12.1. Одноковшовые экскаваторы:
а - прямая лопата; б - обратная лопата

Рис. 3.12.2. Экскаватор с оборудованием драглайна:
I - ковш в верхнем положении; II - в исходном положении перед заполнением; III - в процессе заполнения

Экскаваторы, оборудованные прямой лопатой, ведут разработку грунта выше уровня своей стоянки. Ковш при этом движется снизу вверх и от экскаватора. Прямой лопатой разрабатывают грунт чаще с погрузкой в транспортные средства.

Экскаватор, оборудованный обратной лопатой, ведет разработку грунта ниже уровня его стояния. При копании ковш движется сверху вниз и вверх к экскаватору.

Отличительной особенностью экскаваторов с оборудованием драглайнов (рис. 3.12.2) является наличие удлиненной решетчатой стрелы и гибкой канатной подвески ковша. Копание грунта ковшом драглайна и наполнение его грунтом осуществляется подтягиванием ковша к экскаватору при расположении самой машины выше выемки.

По сравнению с прямой и обратной лопатами драглайн имеет большие радиус действия и глубину копания, что позволяет разрабатывать большие по поперечному сечению выемки с отсыпкой грунта в отвал или в транспортные средства.

Разработку выемки экскаватором, оборудованном прямой лопатой, производят: боковым забоем, когда транспортные средства размещают сбоку экскаватора в одном или разном уровнях с ним (рис. 3.12.3); лобовым забоем, когда экскаватор, разрабатывая выемку, грунт выгружает в транспортное средство, расположенное сзади экскаватора (рис. 3.12.4).

Рис. 3.12.3. Схема бокового забоя:
а - при погрузке грунта в автомобили-самосвалы на уровне стоянки экскаватора; б - то же при размещении самосвалов выше, чем стоянка экскаватора

Рис. 3.12.4. Схема разработки выемки:
а - лобовым забоем; б - уширенным лобовым забоем;
1 - траектория перемещения экскаватора

Разработка боковым забоем предпочтительна, так как обеспечиваются лучшие условия для подъезда и погрузки транспортных средств, уменьшается угол поворота экскаватора, что способствует более производительной работе машин.

Место разработки грунта экскаватором называется забоем, а продольную траншею, выработанную за один проход, - проходкой. Размеры забоев определяют рабочими параметрами применяемых моделей экскаваторов (табл. 3.12.1).

Таблица 3.12.1

Рекомендуемые параметры забоев

Наименьшая высота забоя для одноковшового экскаватора должна быть такой, чтобы обеспечить наполнение ковша (табл. 3.12.2).

Таблица 3.12.2

Наименьшая высота забоя

Для повышения производительности экскаватора (прямая лопата) целесообразно высоту забоя назначать, руководствуясь данными табл. 3.12.3.

Таблица 3.12.3

Высота забоя в зависимости от емкости ковша и угла наклона стрелы экскаватора

Когда транспортные средства под погрузку располагают выше уровня стоянки экскаватора, то высоту уступа h (рис. 3.12.3, б) определяют по формуле

h = H_в - (H_тр + 0,5),                                                                                                     (3.12.1)

где H_в - наибольшая высота выгрузки, м;

H_тр - высота транспортного средства, м;

0,5 - зазор безопасности над транспортным средством, м.

При большой глубине и ширине выемки разработку ее ведут несколькими проходками. Сечение забоя проходок должно соответствовать рабочим параметрам применяемого экскаватора. По численным значениям этих параметров (табл. 3.12.1) для выбранного экскаватора вычерчивают сечение забоя и по нему разбивают поперечник выемки на проходки (рис. 3.12.5). Расчет ведут по наибольшей глубине выемки. Проходки с минимальной глубиной назначают для верхнего яруса, где они самые короткие. Разработку первых (пионерных) траншей производят лобовым забоем нормальной ширины или уширенным. Разработку неглубоких пионерных траншей для создания погрузочной площадки можно вести бульдозером или скрепером с перемещением грунта в отвал или насыпь. Ширина пионерной траншеи понизу должна быть не менее 4,0 м. Подошва каждого яруса, кроме последнего, должна иметь уклон 20‰ в сторону начала разработки для обеспечения отвода воды.

Рис. 3.12.5. Схема разбивки выемки на проходки:
1 и 5 - уширенные лобовые; 2,3,4,6,7 - проходки боковыми забоями

Лобовым забоем разрабатывают неглубокие короткие выемки, если работу можно выполнить за одну проходку экскаватора. Работа в более широких лобовых забоях (рис. 3.12.4, б) способствует уменьшению угла поворота, повышению его производительности и улучшает маневренность автомобилей-самосвалов или других транспортных средств.

Разработку выемок экскаваторами - драглайн можно вести двумя способами:

1) проходками с лобовым забоем, когда экскаватор перемещается в пределах разрабатываемой им полосы;

2) проходками с боковым забоем, когда экскаватор перемещается за пределами разрабатываемой им полосы.

По сравнению с боковым забоем лобовой имеет преимущество, так как за одну проходку дает возможность разрабатывать грунт на полосе шириной почти равной удвоенному наибольшему радиусу резания. Глубина лобового забоя может быть значительно больше глубины бокового.

Разработку грунта драглайном осуществляют ниже уровня стоянки экскаватора с выгрузкой в отвал или транспортные средства, которые подают по верху или по дну выемки. Наибольшая глубина разработки выемок драглайном приведена в табл. 3.12.4.

Таблица 3.12.4

Глубина разработки выемки драглайном

Производительность одноковшовых экскаваторов можно рассчитать по формуле

                                                                                                      (3.12.2)

где Т- продолжительность смены, ч ;

К_в - коэффициент использования времени;

q - объем ковша экскаватора, м³;

К_н - коэффициент наполнения ковша (табл. 3.12.5);

t_ц - продолжительность рабочего цикла экскаватора (табл. 3.12.6), с;

К_р - коэффициент разрыхления грунта.

Продолжительность цикла t_ц включает в себя время, необходимое на копание t₁, подъем ковша t₂, поворот стрелы с ковшом t₃, выгрузка ковша t₄, поворот стрелы в забой t₅ и опускание ковша t₆

t_ц = t₁ + t₂ + t₃ + t₄ + t₅ + t₆                                                                                          (3.12.3)

Ориентировочные усредненные значения продолжительности рабочего цикла одноковшовых экскаваторов для средних параметров забоя и угла поворота при выгрузке 90° приведены в табл. 3.12.6.

Таблица 3.12.5

Наполнение ковша экскаватора

Таблица 3.12.6

Продолжительность рабочего цикла одноковшовых экскаваторов

Для повышения производительности экскаваторов необходимо увеличить наполнение ковша, сокращать продолжительность цикла, рационально организовать работу экскаватора в забое. При выгрузке грунта в отвал или транспортные средства уменьшение угла поворота стрелы с 90° до 70° сокращает цикл не менее чем на 10 %.

Производительность экскаватора при работе с транспортными средствами во многом определяется непрерывностью их подачи и правильной установкой в забое с тем, чтобы угол поворота экскаватора был наименьшим.

Глава 4.
Сооружение земляного полотна в особых условиях

4.1. Особенности возведения земляного полотна в горных условиях

Земляное полотно в горных районах существенно отличается от земляного полотна в равнинной местности: дорога часто проходит по склонам, высокие насыпи чередуются с глубокими выемками. Для повышения устойчивости земляного полотна и безопасности движения приходится строить специальные сооружения. Строительство земляного полотна в скальных грунтах, как правило, требует выполнения взрывных работ.

Взрывные работы осуществляют двумя способами:

- рыхление скального грунта на куски определённых размеров с последующей разработкой разрыхлённого грунта землеройно-транспортными машинами (взрывание на рыхление);

- полным или частичным удалением грунта силой взрыва за пределы выемки (взрывание на выброс) или полувыемки (взрывание на сброс), при котором взорванный грунт сбрасывают вниз по косогору).

При возведении земляного полотна в горных условиях следует учитывать наличие таких особенностей как:

- слабая сеть автомобильных дорог, отсутствие ж/д. транспорта;

- резкая смена геометрических параметров земляного полотна, что обуславливает необходимость в изменении технологии и организации дорожно-строительных работ;

- необходимость устройства защитных сооружений (противообвальные, противооползневые, противоселевые, противолавинные и др.);

- возможность резкой перемены погодных условий (ливни, катастрофическое повышение уровня воды горных потоков и выходы селей, оттепели, которые способствуют образованию лавин);

- необходимость проведения буровзрывных работ.

Взрывы производят с целью рыхления скального грунта или с целью его выброса. Направленные взрывы на выброс производят на косогоре в условиях чередующихся выемок и насыпей, а также на участках серпантин. Доработка до проектных отметок в этих случаях составляет не более 10...30 %.

Стоимость возведения земляного полотна в скальных грунтах составляет 50...60 % (вместо 12...20 % в равнинной местности) от общей стоимости автомобильной дороги.

4.1.1. Бурение скальных пород

Под буримостью скальных пород понимают скорость, с которой буровой инструмент внедряется в породу. Для размещения взрывчатых веществ (ВВ) в породе делают специальные углубления, называемые взрывными выработками (рис. 4.1.1).

В зависимости от размеров, конфигурации и назначения взрывные выработки подразделяют на шпуры, скважины, котловые шпуры и скважины, имеющие в основании уширение в виде котла, рукава - горизонтальные или слегка наклонённые выработки небольшого сечения (до 0,4´0,4 м), зарядные камеры - специальные углубления в форме куба или параллелепипеда для размещения больших зарядов ВВ и для улучшения условий забивки этих зарядов. Шурфы - вертикальные, штольни, рассечки - горизонтальные вспомогательные выработки, предназначенные для образования зарядных камер. Поперечные сечения шурфов 1,0´1,2 м, а штолен и рассечек 1,0´1,6 м позволяют производительно работать проходчикам. Шпуры и скважины бывают вертикальные, наклонные и горизонтальные.

 

Рис. 4.1.1. Взрывные выработки:
1- шпур; 2 - скважины; 3 - котловая скважина; 4 - шурф; 5 - рукав; 6 - штольня; 7 - рассечка; 8 - зарядные камеры

Процесс бурения состоит в разрушении породы и удалении измельченной породы из взрывной выработки. Бурение можно производить механическим и немеханическим способом. Из нескольких разновидностей механического способа бурения наибольшее распространение получили:

а) шарошечный;

б) пневмоударный;

в) перфораторный.

При шарошечном бурении разрушение породы достигается за счет смятия и скола каждым зубцом конусообразной шарошки при перекатывании вокруг оси шарошечного долота за счет сообщаемого осевого давления. Машина шарошечного бурения пробуривает скважины на глубину до 30 м диаметром в скальных грунтах до 140...150 мм, а в нескальных - до 350 мм. Угол бурения по отношению к вертикали от 0 до 90°. Эти машины монтируют на базе гусеничного трактора. Измельченную породу из выработки удаляют воздухом под давлением 50 Па. Расход воздуха составляет от 4,5 до 9,0 м³/мин. Производительность бурения составляет от 15 до 80 м в смену в зависимости от прочности скального грунта [3].

Пневмоударное и перфораторное бурение выполняют пневматическими машинами. Лучшие результаты при бурении достигаются при использовании пневмоударных машин, поскольку рабочий орган находится в конце штанги, у забоя, вследствие чего потери энергии удара практически не зависят от глубины погружения рабочего органа. Разрушение породы достигают главным образом за счет удара, энергия которого определяется большой скоростью движения поршня. Число ударов достигает 1500...3000 в минуту. Вращательные движения бура играют при разрушении породы второстепенную роль. Измельченную породу из выработок удаляют продувкой сжатым воздухом. Машину (станок) пневмоударного действия применяют там, где невозможно использовать машину шарошечного бурения, для установки которой требуется горизонтальная площадка шириной не менее 4...5 м. Станок пневмоударного бурения пробуривает шурфы и скважины диаметром до 105 мм и глубиной до 25...35 м. Производительность станка от 10 до 35 м в смену. Для упрощения передвижения станки устанавливают на салазки, гусеничную или колесную базу. Масса станка около 350 кг.

Перфоратор, являющийся рабочим органом, всегда остается на поверхности, а плоскость разрушаемой породы достигают увеличением длины штанги. За счет этого растут потери энергии удара. Перфораторы делят на ручные массой до 35 кг и станочные - более 35 кг. Все перфораторы работают совместно с компрессорами. Перфораторы обеспечивают глубину бурения до 1,5 м, скорость бурения от 8 до 30 м/смену, диаметр пробуриваемых шпуров 40...45 мм.

Термическое бурение находит применение, главным образом, в породах, имеющих кремнистое основание. Для бурения применяют горелку реактивного типа, в которую подают смесь топлива, состоящую из керосина и кислорода. Горелку охлаждают водой, которая под действием высоких температур переходит в пар и выносит на поверхность разрушенную породу. Диаметр пробуриваемых скважин равен 120...500 мм, глубина бурения 8...20 м. Производительность установки - 6...8 м/ч. При этом расход керосина составляет 150 л, кислорода - 250 м³, воды - 3,5 м³. При сгорании керосина выбрасывается струя газа с температурой 1600...2200°С под давлением 10 атм. и скоростью 1800...2000 м/с.

Рациональный способ бурения и выбор бурильного станка определяется технико-экономическими расчетами.

4.1.2. Взрывчатые вещества, способы и средства взрывания

Взрывом называется чрезвычайно быстрое химическое превращение вещества из одного состояния в другое, сопровождающееся выделением энергии, способной производить механическую работу.

Взрывчатые вещества, применяемые для взрывных работ, имеют различные свойства, определяющие области их применения.

Инициирующие ВВ - гремучая ртуть, азид свинца - обладают самой высокой чувствительностью к внешним воздействиям. Они взрываются от небольшого пламени, удара или трения и вызывают инициирование (возбуждение взрыва) зарядов других ВВ. Их применяют для изготовления капсюль-детонаторов, электродетонаторов.

Бризантные ВВ (дробящие) производят работу разрушения, дробления. В обычных условиях они не взрываются от удара, трения и действия огня, вследствие чего удобны для ведения взрывных работ. К ним относят нитросоединения и аммиачно-селитренные ВВ. Наиболее чувствительны к внешним воздействиям нитросоединения (гексоген, тэн, тетрил, тол). Тетрил применяют в детонаторах, а также в шашках в качестве боевиков; тэн - в детонаторах и детонирующем шнуре; гексоген находит применение как составная часть скальных аммонитов и в детонирующих шнурах; тол и его сплавы с гексогеном (62 % динамит) применяют для ведения взрывных работ.

Самое широкое применение при производстве взрывных работ находят аммиачно-селитренные (аммониты, аммоналы, динамиты, гранулиты и др.), так как они наиболее безопасны, имеют достаточную мощность и невысокую стоимость. Основной недостаток этих ВВ - гигроскопичность. При влажности более 5...7 % они теряют взрывные свойства. К гидрофобным сортам аммонита относят №6 ЖВ и №7 ЖВ.

Фугасные (метательные). К ним относят дымный и бездымный порох. Дымный (черный) порох используют для изготовления огнепроводного (бикфордова) шнура.

Применяют следующие способы взрывания: огневой, электрический, детонирующим шнуром, электроогневой.

Огневой способ применяют для взрывания одиночных зарядов или группы, когда взрыв одного из них не может повредить другой заряд. Средствами взрывания в данном случае служат капсюли-детонаторы и огнепроводный шнур, служащий для возбуждения взрыва капсюлей-детанаторов (рис. 4.1.2, а). Огнепроводный шнур состоит из сердцевины (черный порох) и нитяных оплеток, покрытых водонепроницаемым составом. Скорость горения огнепроводного шнура на воздухе примерно равна 1 см/с. Поджигание огнепроводного шнура, срезанного по косой линии, производят тлеющим фитилем или спичкой подрывника, которая не гаснет от ветра.

Рис. 4.1.2. Средство взрывания:
а - капсюль-детонатор; б - электродетонатор;
1 - гильза; 2 - чашечка; 3 - гремучая ртуть (0,5 г); 4 - тетрил, тэн или гексоген (1 г); 5 - воспламенительная головка; 6 - пластиковая пробка; 7 - мостик накаливания; 8 - электропровод

Электрический способ взрывания применяют для одновременного взрыва нескольких зарядов или для производства взрыва в точно установленное время. Этот способ более безопасен в сравнении с огневым, но требует довольно сложного оборудования. Для осуществления электрического способа взрывания необходимы: электродетонаторы, провода, источники тока, проверочные и измерительные электроприборы. Электродетонатор (рис. 4.1.2, б) мгновенного действия, поскольку огонь от воспламенительной головки 8, которая загорается от мостика накаливания 12, непосредственно соприкасается с инициирующим ВВ - гремучей ртутью, помещенной в чашечку 2.

Наиболее удобными и распространенными источниками тока являются конденсаторные подрывные машинки. Они удобны при переноске, просты и надежны в эксплуатации. С помощью подрывной машинки КПМ-1 можно взорвать до 100 шт. последовательно соединенных в сеть электродетонаторов.

Взрывание зарядов ВВ детонирующим шнуром (бескапсюльное взрывание) осуществляют взрывом введенного в заряд боевика отрезка детонирующего шнура (ДШ), оканчивающегося узлом. Взрывание ДШ производят капсюлем-детонатором зажигательной трубки или электродетонатором, который плотно с ним соединяется. ДШ взрывается со скоростью 6500 м/с.

В настоящее время взрывание ДШ получило широкое распространение в силу того, что при этом значительно уменьшается опасность выполнения работ из-за отсутствия детонатора в заряде; упрощаются работы по подготовке к взрыву, более полно взрываются удлиненные заряды, так как ДШ пропускается через весь заряд.

Электроогневой способ взрывания состоит в инициировании каждого заряда зажигательной трубкой с воспламенением огнепроводного шнура средствами, действующими от электрического тока. Этим способом взрывают с безопасного места, и появляется возможность взрывания зарядов с определенными интервалами замедления.

Чтобы улучшить качество взрыва и получить хорошее и равномерное дробление пород применяют рассредоточенные заряды в скважинах (рис. 4.1.3). Для этого по длине заряда создают незаполненные ВВ промежутки с помощью деревянных приспособлений. Массу заряда определяют по расчетным формулам. В скважинах глубиной до 20 м заряд делят на две части. В нижнюю часть помещают 50...70 % ВВ, а остальную часть ВВ делят на равные части, пропорционально принятому числу воздушных промежутков. Общую высоту воздушных промежутков рекомендуется принимать в пределах 0,17...0,35 от общей длины заряда в шпуре или скважине.

 

Рис. 4.1.3. Схема заряда с воздушными промежутками:
1 - электропровод; 2 - забойка; 3 - заряд ВВ; 4 - электродетонатор; 5 - стойка-распорка; 6 - фанерный кружок

4.1.3. Производство взрывных работ

Взрывание вне зависимости от способа состоит из подготовки к взрыву, изготовления патронов-боевиков, заряжения, забойки и взрыва. Подготовка к взрыву включает буровые работы, оформление исполнительной документации и имеет специфические особенности по каждому способу взрывания, которые рассмотрены ранее. Патроны-боевики (детонирующие патроны) изготовляют в специально отведенном месте или помещении, расположенном не ближе 50 м от места заряжения. Патроном-боевиком называют упакованные ВВ с введенным в него детонатором или собранным в узел детонирующим шнуром. Детонатор надежно закрепляют, чтобы исключить возможность его выдергивания при последующем заряжении и забойке заряда ВВ. Опускать патроны-боевики в скважину или шпур нужно с помощью специальных устройств без передачи усилия на огнепроводный шнур, детонирующий шнур или электрические провода.

При взрывании ВВ, имеющих пониженную детонационную способность (например, гранулиты и зеррогранулиты), применяют промежуточные детонаторы в виде шашек тротила, тротила-тетрила. Для заряжения взрывчатыми веществами шпуров и скважин применяют различные средства механизации. Так, для заряжения скважин ВВ применяют машины, обладающие производительностью до 4000 кг в час. Качество заряжения и безопасность работ при этом значительно возрастают. Уплотнение ВВ в скважине или шпуре производят специальными деревянными трамбовками, имеющими в середине полость для размещения огнепроводного шнура либо электропровода. Верхнюю часть выработки засыпают сухим песком и закрывают деревянной пробкой.

Расчет взрывных работ состоит в определении количества зарядов, их расположения и массы. По способу расположения в среде различают заряды внутренние и наружные. Зарядом называют определенную массу ВВ, подготовленную к взрыву. По форме заряды могут быть сосредоточенными, когда длина заряда L меньше шести диаметров d скважины или шпура (L < 6d) и удлиненными (L > 6d).

При наличии однородного сопротивления среды взрыв проявляет свое действие во все стороны с одинаковой силой, а взрывная волна распространяется в среде концентрически. Различают четыре сферы действия взрыва (рис. 4.1.4, а): 1 - сфера сжатия и измельчения; 2 - сфера выброса; 3 - сфера разрыхления; 4 - сфера сотрясения.

Если в каком-либо направлении сопротивление среды несколько ослаблено (открытая поверхность взрываемой породы проходит в пределах сферы разрушения), то главная сила взрыва будет направлена в эту сторону, образуя воронку взрыва. Воронка взрыва (рис. 4.1.4, б) характеризуется радиусом действия заряда R, радиусом воронки r и линией наименьшего сопротивления W.

Рис. 4.1.4. Действие взрыва:
а - сферы действия взрыва; б - воронка выброса;
r - радиус воронки взрыва; R - радиус действия заряда; W - линия наименьшего сопротивления (ЛНС), т.е. наименьшее расстояние от заряда до открытой поверхности, м

Отношение r/w называют показателем действия взрыва (выброса) п. Выброс следует считать нормальным при п = 1, уменьшенным при п < 1 и усиленным при п > 1. При п < 0,75 происходит рыхление породы без выброса. Заряд в этом случае называют выпирающим. Заряд, действие которого не дошло до открытой поверхности, называют «камуфлетным».

Объем воронки нормального выброса (п = r/w = 1) определяют по формуле

                                                                                         (4.1.1)

Масса заряда нормального выброса, кг

Q = K_н·w³                                                                                                                    (4.1.2)

где K_н - расчетный расход ВВ, кг/м³.

Расчетный расход ВВ для зарядов на выброс и разрыхление приведен в табл. 4.1.1.

Таблица 4.1.1

Средний расход взрывчатого вещества в расчете на аммонит №6

При использовании иного взрывчатого вещества (ВВ) вместо аммонита вводят переводные коэффициенты:

Скальные аммониты - 0,85;

Тетрил, зерногранулит 30/70 - 1,0...1,10;

Водоустойчивые аммониты В-3, 6-ЖВ - 1,00;

Аммонит №7 - 1,05;

Аммонит №9, 10 - 1,20;

Аммиачная селитра - 1,60;

Игданит - 1,15.

При показании выброса п > 1, очевидно, потребуется больше ВВ, чем при п = 1. В этом случае формула (4.1.2) примет вид

Q = K_н·w³f(n)                                                                                                               (4.1.3)

На основании экспериментальных данных горный инженер Боресков в 1871 установил значение функции n f(n)

f(n) = 0,4 + 0,6n³                                                                                                         (4.1.4)

С учетом (4.1.4) формулу (4.1.3) можно представить как

Q = K_н·w³(0,4 + 0,6n³)                                                                                                (4.1.5)

В случае, когда линия наименьшего сопротивления w > 25 м формула (4.1.5) дает заниженный результат. В этом случае в формулу (4.1.5) вносят поправку

                                                                                      (4.1.6)

Расстояние между зарядами в ряду, м

a = 0,5w(n + l)                                                                                                             (4.1.7)

Расстояние между рядами зарядов, м

b = 0,85а = 0,43w(n + l)                                                                                              (4.1.8)

Массу заряда на рыхление определяют по формуле

Q = 0,5·K_н·w³                                                                                                              (4.1.9)

Расстояние между зарядами в ряду, м

a = (0,8...1,2)w                                                                                                            (4.1.10)

Расстояние между рядами зарядов

b = 0,85а                                                                                                                     (4.1.11)

Расчёт скважинных (удлинённых L > 6d) зарядов производят также на основе объёмного метода. Массу заряда в таком случае получают по формуле

Q = ⅓ K_н·w·a·H ,                                                                                                         (4.1.12)

где w - линия наименьшего сопротивления, м;

а - расстояние между зарядами в ряду, м;

Н - высота забоя, т.е. проектная высота взрываемого слоя, м.

Величина ЛНС может быть принята равной: 32d - при взрывании легкодробимых пород; 25d - при взрывании среднедробимых и 20d - при взрывании труднодробимых пород (d - диаметр скважины). Рекомендуемый диаметр скважины приведён в табл. 4.1.2

Таблица 4.1.2

Рекомендуемые диаметры скважин

Расстояние между скважинными зарядами

a = (1...2)w                                                                                                                  (4.1.13)

Для полного разрушения скальной породы до отметки основания взрываемого слоя скважины разбуривают ниже этой отметки. Величину перебура принимают

DL = (10...15)d                                                                                                            (4.1.14)

Тогда общая глубина скважины

L = H + DL                                                                                                                  (4.1.15)

4.1.4. Технология возведения земляного полотна в скальных грунтах

Возведение земляного полотна автомобильных дорог в скальных грунтах включает устройство пешеходной тропы, обеспечение рабочего проезда, сооружение земляного полотна полного профиля.

Устройство пешеходной тропы, располагаемой по возможности ближе или непосредственно на трассе строящейся дороги, необходимо для осмотра мест проложения дороги перед принятием решения по организации работ, для размещения рабочих в местах сосредоточения работ, предназначенных к выполнению в первую очередь. Тропа служит также для выноса и закрепления трассы строящейся дороги.

Пешеходную тропу прокладывают специализированные бригады, в состав которых входят: подрывники, подносчики взрывчатки, дорожные рабочие, скалолазы и др.

Обеспечение рабочего проезда необходимо на всем протяжении дороги, на котором должны быть развернуты строительно-монтажные работы. Рабочий проезд обеспечивают:

а) за счет скальных работ по уширению пешеходной тропы, если дорога располагается в полувыемке;

б) устройством сухой кладки из камня, если при проложении дороги предусмотрена постройка подпорной стены и кладка в застенном пространстве;

в) комбинацией решений согласно пунктам а и б;

г) выносом рабочего проезда на временные эстакады, полубалконы, балконы.

Обеспечение рабочего проезда за счет выполнения скальных работ осуществляют специальная бригада подрывников и, как правило, два бульдозера. Работая на узкой полке, бульдозеры не всегда опираются на нее всей площадью гусениц; попадающие под гусеницы бульдозера камни приводят к необходимости форсировать работу двигателя, а камни, попадающие между гусеницей и катками, способствуют сходу гусениц с катков. Такие сложные условия работы нередко требуют помощи второго бульдозера. Необходимость взаимной помощи увеличивается, когда оставлены негабариты, для сбрасывания которых под откос нужно усилие двух бульдозеров.

Взрывные работы ведут методом взрыва скважных зарядов или мелкошпуровым методом. Уширение пешеходной тропы взрывами мелкошпуровым методом с уборкой взорванной породы бульдозерами применяют из-за его простоты, минимального сейсмического действия, а также малой массы бурового оборудования. Глубина шпуров обычно составляет 1,0...1,1 толщины взрываемого слоя. Раздробление отдельных крупных камней можно производить накладными зарядами. Расход ВВ в этом случае составляет

Q = (0,8...2,2)·V,                                                                                                         (4.1.16)

где 0,8...2,2 - расход ВВ в зависимости от прочности раздробляем породы и свойств используемого ВВ;

V - объем камня, м³.

Осуществление рабочего проезда каменной кладкой насухо осуществляют в случаях, когда такая кладка предусмотрена проектом. За счет камня, получаемого в результате разборки верхней полки скалы, выкладывается каменная кладка насухо. Ее необходимо выложить так, чтобы она в последующем не мешала строить низовую подпорную стенку при сохранении движения по ней построечного транспорта.

Обеспечение рабочего проезда по балконам, полубалконам и временным эстакадам осуществляют на наиболее сложных участках скальных обрывов и в местах преодоления глубоких каньонов. Временные полубалконы устраивают простейших конструкций с использованием различных профилей металла. Балками перекрывают местные сужения в скальной полке, а проезжую часть устраивают деревянной.

Разработка скальных пород на всю ширину земляного полотна заключается в выполнении основных объемов скальных работ до 80 % и более. Технология этих работ определяется: типом поперечного профиля, наличием и типом специальных сооружений; геологическими или гидрогеологическими условиями, определяющими степень устойчивости склона; технологией взрывных работ и возможностью дальнейшего использования взорванной породы.

Скальные породы при мощности 3,0...3,5 м взрывают шпуровым методом, при большей мощности - скважинными зарядами.

Взрывание скальной породы в выемках в случае достаточной устойчивости и экономической целесообразности производят взрывом на выброс (рис. 4.1.5). Грунт из выемки направляют в одну или две стороны, а общее количество породы, подлежащее уборке после взрыва, не должно превышать 15...20 % общего объема. Для обеспечения проектных размеров выемки должно быть соблюдено условие (рис. 4.1.5)

2nw £ B + 2mH                                                                                                           (4.1.17)

Рис. 4.1.5. Схема разработки выемки взрывом на вынос

Если глубина выемки не превышает значения по (4.1.5), то скважины располагают по оси в один ряд.

                                                                                                             (4.1.18)

При разработке скального грунта в выемках взрывами на рыхление для его перемещения в насыпь или отвал используют автомобили - самосвалы, в которые разрыхленный грунт грузят экскаваторами. Поперечное перемещение грунта из полувыемок в полунасыпи осуществляют бульдозерами.

Верхняя часть насыпей (до 1,0 м по высоте) не должна содержать включений кусков крупнее 25 см, в остальной части насыпи - не более 2/3 толщины уплотняемого слоя. Скальные грунты уплотняют в два этапа: сначала при помощи решетчатых катков, а затем тяжелых пневмоколесных катков при толщине слоев 0,3...0,4 м. Степень уплотнения крупнообломочных грунтов при содержании более 60 % крупных обломков считают достаточной, если осадка составляет 10...12 % для верхней части насыпи толщиной 1,0...1,2 м и 8...10 % для остальной ее части.

Перед началом взрывных работ устанавливают границы опасной зоны, которые отмечают на местности условными знаками. На границах опасной зоны во время взрывных работ выставляют посты охраны этой зоны. Охрану организуют так, чтобы все пути, ведущие к месту выполнения взрывных работ, находились под постоянным наблюдением.

Сейсмические безопасные расстояния от места взрыва до жилых и промышленных зданий при мгновенном взрывании сосредоточенных зарядов определяют по формуле

                                                                                                               (4.1.19)

где К_с - коэффициент, зависящий от свойств грунта в основании охраняемых сооружений, принимаемый по табл. 4.1.3.

a - коэффициент, зависящий от показателя действия взрыва п, который принимают по табл. 4.1.4.

Q - полная масса заряда ВВ, кг.

Таблица 4.1.3

Значение коэффициента К_с для расчёта сейсмически безопасных расстояний

Таблица 4.1.4

Значение коэффициента a от показателя действия взрыва п

При заданном расстоянии от места взрыва до охраняемого объекта допустимая масса сосредоточенного заряда равна

                                                                                                                (4.1.20)

При производстве взрывных работ в светлое время суток обязательна подача звуковых сигналов, а в темное - звуковых и световых. Воспрещается подача сигналов голосом.

Для ликвидации отказавших шпуровых зарядов параллельно бурят вспомогательные шпуры или скважины на расстоянии 30 см, при котловых шпурах - на расстоянии 50 см.

Отказавшие скваженные заряды ликвидируют несколькими методами в зависимости от расположения заряда и причины отказа. При отказе внешней взрывной сети производят повторное взрывание. Если повторно взорвать невозможно, то отказы ликвидируют по одному из следующих способов: разработка породы и извлечение заряда из скважины; бурение новой скважины на расстоянии 3,0 м от отказа с последующим взрыванием заряда новой скважины.

До ликвидации отказов такие заряды охраняют и вблизи других работ не производят. Отказы ликвидируют под руководством лиц технадзора.

Дальность разлета кусков породы определяется по формуле

L = 20n³w                                                                                                                    (4.1.21)

Для предохранения людей от поражения кусками породы или воздушной ударной волны во время взрывных работ устраивают укрытия (блиндажи). Высоту укрытия (блиндажей) принимают не менее1,8 м, толщину верхнего деревянного перекрытия не менее 15 см.

4.2. Возведение земляного полотна на болотах

4.2.1 Типы болот и способы возведения на них насыпей

Болота занимают около 10 % территории нашей страны. На долю России приходится 3/4 болот земного шара, другими словами, на каждого жителя Российской Федерации приходится около 1 га болот. Болотами принято называть места с затруднёнными поверхностным и внутренним стоком, занятые естественными залежами высокопористых водонасыщенных грунтов. Границу болота принято считать с глубины 0,5 м.

Основы научного решения проблемы строительства дорог через болота были разработаны в 30-х годах прошлого столетия Н.П. Кузнецовой. Её труды совместно с работами А.А. Арсеньева, Л.А. Братцева не потеряли своей актуальности и в настоящее время. В железнодорожном строительстве близкие задачи решали К.С. Ордуянц, Н.Н. Сидоров, Г.М. Шахунянц и др. Значительный вклад в проектирование и технологию возведения земляного полотна на болоте внесли ученые МАДИ, СоюздорНИИ, БелдорНИИ и др.

Несмотря на научные разработки, технический уровень строительства дорог в заболоченных местах повышается медленно. Проектные организации недостаточно учитывают современные достижения науки, не ориентируют строителей на применение экономичных конструкций и технологических приемов, освоенных мировой практикой. Выторфовывание закладывается часто без достаточного обоснования, в результате чего средняя стоимость 1 км земляного полотна через болота в 3...5 раз выше, чем в обычных условиях.

По источникам питания болота подразделяют на:

- низинные, питаемые грунтовыми водами. Эти болота содержат хорошо разложившиеся плотные древесные, травяные или моховые торфы;

- верховые, образовались в результате заболачивания суши. Торф характеризуется небольшой степенью разложения и малой плотностью;

- переходимые - смешанного грунтового и атмосферного питания. Торф по свойствам занимает промежуточное положение между низовыми и верховыми болотами.

Болота по своему строению с некоторым допущением можно разделить на три типа:

I тип - болота, до дна заполненные торфом устойчивой консистенции;

II тип - болота, заполненные слабым торфом неустойчивой консистенции (сапропеловые);

III тип - болота с торфяным слоем, плавающим на воде или сапропеле (сплавинные).

Насыпи на болотах в зависимости от типа болота, технической категории автомобильной дороги могут быть возведены:

- без выторфовывания с отсыпкой непосредственно на поверхности болота;

- после полного или частичного выторфовывания;

- с отсыпкой на слое торфа с последующей посадкой насыпи на минеральное дно болота;

- на поверхности болота после устройства дренажных прорезей или вертикальных дрен.

Конструкцию земляного полотна и способ работ выбирают в зависимости от: плотности торфа, глубины болота, технической категории автомобильной дороги, наличия средств механизации с учётом приведённых затрат Э_пр.

Э_пр = (С₁-С₂)+(Э₁-Э₂/Е_н)+Н_р(Т₁-Т₂/Т₁)+П_р(Т₁-Т₂)+(S₂P₂-S_lP₁)+Е_н(Ф₁T₁-Ф₂T₂),       (4.2.1)

где С₁, С₂ - сметные стоимости строительства дороги по первому и второму вариантам;

Э₁, Э₂ - среднегодовые эксплуатационные затраты по первому и второму вариантам, руб.;

Е_н - нормативный коэффициент эффективности;

Н_р - условно-постоянные накладные расходы, по первому варианту;

Т₁, Т₂ - продолжительность строительства по первому и второму вариантам, лет;

П_р - среднегодовая прибыль в транспортной отрасли за счет ввода в действие автомобильной дороги, руб.;

S_l, S₂ - величина ущерба от аварийного выхода объекта из строя для первого и второго вариантов, руб.;

P₁, Р₂ - вероятность аварийных разрушений для первого и второго вариантов за срок службы конструкции;

Ф₁, Ф₂ - средний размер основных производственных фондов и оборотных средств для первого и второго вариантов.

К основным производственным фондам относят машины, оборудование, промышленные здания, к оборонным средствам - сырьё, топливо, инструменты, запасные части.

Расчет производят на весь нормативный срок работы дороги на всю протяженность перехода через болото.

4.2.2. Возведение земляного полотна на поверхности болота

На поверхности болота I типа глубиной до 4,0 м допускается возведение земляного полотна для автомобильных дорог IV,V технических категорий при соблюдении следующих условий, направленных на повышение устойчивости насыпи. К таким мерам можно отнести: осушение болота; укладка грунта в тело насыпи на конструктивную прослойку из нетканого синтетического материала (НСМ); метод предварительной (опережающей) консолидации; метод временной пригрузки. В северных районах страны опробован метод промораживания болотной массы с сохранением мерзлоты в летний период.

Для повышения устойчивости насыпи, возводимой на поверхности болота, необходимо соблюдать следующее условие:

                                                                                                          (4.2.2)

где h_б - глубина болота под насыпью;

Н - высота насыпи, устраиваемая на слое торфа.

Конструкция поперечного профиля земляного полотна на поверхности болота I типа показана на рис. 4.2.1.

Рис. 4.2.1. Схема конструкции земляного полотна на болоте I типа без выторфовывания

Использование слабых болотных грунтов в качестве основания насыпи резко снижает объёмы земляных работ и, как правило, стоимость возведения земляного полотна. Поэтому данный вариант должен всегда рассматриваться как основной из конкурирующих [1].

Однако его осуществление требует выполнения дополнительных требований к земляному полотну:

- боковое выдавливание слабого грунта в основании насыпи в период эксплуатации должно быть исключено;

- интенсивная часть осадки основания должна завершаться до устройства покрытия (исключение допускается при применении сборных покрытий в условиях двухстадийного строительства);

- упругие колебания насыпей на торфяных основаниях при движении транспортных средств не должны превышать значений, допустимых для данного типа дорожной одежды.

4.2.3. Возведение земляного полотна на болоте с полным или частичным выторфовыванием

Выторфовывание (удаление торфа) на болотах I и II типов можно производить:

- механическим способом;

- взрывным;

- гидромеханическим.

В зависимости от принятого способа выторфовывания до начала основных работ выполняют подготовительные работы (расчистка дорожной полосы от леса, кустарника, устройство подъездов, осушение и др.).

Несущая способность болотных грунтов очень низкая, поэтому для выторфовывания применяют машины специальной болотной модернизации, давление которых на грунт не превышает 20...25 кПа, что также часто превышает допустимую нагрузку

                                                                                                                    (4.2.3)

где s - давление на единицу площади;

Р - масса экскаватора, кг;

F_г - площадь гусеницы экскаватора, см².

При недостаточной устойчивости экскаватора на поверхности болота под гусеницы укладывают щиты из круглого леса диаметром 16...22 см или работы выполняют в зимний период, когда при достаточной глубине промерзания можно применять не только машины специальной болотной модификации, но и обычные дорожные машины.

Площадь щита, обеспечивающего устойчивость экскаватора на поверхности болота, можно определить по формуле

                                                                                                                    (4.2.4)

где s - несущая способность болотного грунта (14...18 кПа).

Выторфовывание механическим способом можно производить с использованием бульдозеров или экскаваторов. При неглубоких осушенных болотах (до 1 м) или при естественном невысоком уровне воды над минеральным дном выторфовывание производят бульдозером путем послойной разработки торфа перпендикулярно оси дороги. Отвалы торфа располагают по краям выработки. Отсыпку насыпи после удаления торфа производят послойно. Для отсыпки нижней части насыпи используют только дренирующие грунты: песчаные крупные или средней крупности, крупнообломочные или скальные, а также супеси легкие с содержанием глинистых частиц не более 6,0 %. Толщина дренирующего слоя должна быть на 0,5 м больше глубины выторфовывания и осадки основания.

При выторфовывании экскаватором-драглайном возможны два способа разработки торфа: экскаватор перемещается непосредственно по поверхности болота или по переносным щитам и производит работу "на себя" (рис. 4.2.2, а); экскаватор перемещается по отсыпаемой насыпи и работает "от себя" (рис. 4.2.2, б).

Рис. 4.2.2. Схема организации работ при выторфовывании:
а - экскаватор перемещается по поверхности болота; б - экскаватор перемещается по отсыпаемой насыпи;
1 - разработка торфа экскаватором; 2 - подвозка грунта автомобилями-самосвалами; 3 - послойное разравнивание грунта бульдозером; 4 - надвижка грунта в траншею бульдозером; 5 - разравнивание торфа, вынутого из траншеи бульдозером. Римскими цифрами обозначен порядок разработки захваток

Второй способ применяют, когда несущая способность торфа недостаточна для безопасной работы техники. Торф вывозят автомобилями- самосвалами или складывают в отвалы. Одновременно с разработкой траншей для насыпи тем же экскаватором роют боковые канавы.

Траншею, образующуюся после выторфовывания немедленно засыпают грунтом, так как откосы ее оплывают и незаполненная грунтом траншея заполняется водой или жидкой болотной массой.

Отсыпку земляного полотна вначале ведут способом "с головы" до уровня выше поверхности болота на 50...60 см. Остальную часть насыпи отсыпают послойно.

Для уплотнения нижней части насыпи применяют метод временной пригрузки, механическое уплотнение трамбующими плитами и глубинное виброуплотнение. Грунт верхней части насыпи уплотняют послойно катками. Схемы организации работ при выторфовывании экскаваторами показана на рис. 4.2.2.

Выторфовывание взрывным способом эффективно, и его применяют во всех случаях, когда позволяют условия обеспечения безопасности. Взрывами можно производить полное или частичное удаление торфа, рыхление торфа (разрушение структуры), устройство торфоприемников, канав, выравнивание минерального дна или устройство упорных канав при уклоне дна болота для предотвращения скольжения насыпи.

Глубину выторфовывания взрывным способом на болотах I типа назначают в зависимости от высоты насыпи, но не менее указанной в табл. 4.2.1.

Таблица 4.2.1

Минимальная глубина выторфовывания

На болотах II и III типов производят полное выторфовывание. Его можно осуществлять продольными или поперечными траншеями. При удалении торфа продольными траншеями по оси трассы устраивают ряд буровых скважин, в которые закладывают заряды и одновременно взрывают. Образовавшуюся траншею немедленно засыпают грунтом. Затем взрывают направленными зарядами две боковые траншеи. Скважины для удаления торфа взрывом из боковых траншей закладывают под углом a = 50°. Осевую траншею засыпают выше уровня болот на 0,5...1,0 м. Способ продольных траншей применяют при использовании узкоколейного железнодорожного транспорта (рис. 4.2.3.)

Рис. 4.2.3. Схема выторфовывания продольными траншеями:
а - последовательность выторфовывания взрывом:
I - осевая, II - боковая траншея;
б - схема размещения заряда при взрыве боковых траншей

Способ поперечных траншей применяют, когда проезд по болоту невозможен или затруднителен. Для образования поперечных траншей в толще торфа пробуривают ряд наклонных скважин, образующих клин (рис. 4.2.4).

Рис. 4.2.4. Схема выторфовывания поперечными траншеями

Заряды размещают в наклонных удлиненных скважинах под углом 50° к горизонту.

Середину болота, протяжённостью около 20 м, где накапливается много торфа при взрыве, выторфовывают по способу продольных траншей или механическим путём.

Величину зарядов и их размещение производят в следующей последовательности:

1. Определяют глубину заложения заряда W по формуле

W = 0,9H,                                                                                                                    (4.2.5)

где Н - глубина выторфовывания, м.

2. Рассчитывают длину скважин L, м

                                                                                                                    (4.2.6)

3. Определяют показатель выброса при взрывании поперечных и продольных траншей

                                                                                                           (4.2.7)

                                                                                                                  (4.2.8)

где п_поп, п_пр - показатель выброса при взрыве поперечных и продольных траншей;

b_поп, b_пр - ширина поперечной и продольной траншеи, м.

4. Рассчитывают массу заряда

Q = gw³f(n),                                                                                                                 (4.2.9)

где g - расчетный удельный расход ВВ, зависящий от зольности торфа (табл. 4.2.2), кг/м³;

f(n) - функция, зависящая от показателя выброса п (табл. 4.2.3).

Таблица 4.2.2

Удельный расход ВВ

Таблица 4.2.3

Значение f(n)

5. Устанавливают длину заряда l

l = 0,75L,                                                                                                                     (4.2.10)

где L - длина скважины в дм.

6. Определяют диаметр заряда d

                                                                                                                   (4.2.11)

где Q - масса заряда, кг,

l - длина заряда, дм;

D - плотность заряда ВВ кг/дм³ .

7. Определяют расстояние между скважинами в ряду и между рядами:

- при взрывании поперечных и боковых продольных траншей

                                                                                                        (4.2.12)

- при взрывании продольной осевой траншеи

                                                                                                                (4.2.13)

Способ гидромеханизации эффективен при сооружении земляного полотна в следующих случаях, а именно:

- достаточно больших объемах работ, сосредоточенных на небольшом участке дороги;

- наличия достаточного объема воды и дешевой электроэнергии.

Сущность работ состоит в размыве торфа мощной струей воды, истекающей из гидромонитора. В результате чего образуется рыхлая жидкая масса, которая легко отжимается грунтом возводимой насыпи.

На болотах I типа торф размывают гидромонитором, гидросмесь перекачивают передвижными землесосными установками в отвал. Образовавшуюся траншею заполняют грунтом насыпи при отсыпке ее "с головы" или комбинированным способом.

На болотах II и III типов производят только размыв верхнего плотного слоя торфа гидромониторами. Разжиженный торф не удаляют, а отжимают грунтом насыпи в боковые прорези, сделанные также гидромониторами. Транспорт грунта для отсыпки насыпи можно осуществлять путем инъекции песчаного грунта, подаваемого по пульпопроводу непосредственно в разжиженную торфяную массу, где песок выдавливает разжиженный торф.

4.2.4. Возведение земляного полотна на поверхности болота после устройства дренажных прорезей или дрен

С целью уменьшения объёмов работ по выторфовыванию, и особенно, уменьшению транспортных расходов по транспортировке грунта на болотах I и II строительных типов и глубиной до 3,0 м устраивают прорези-траншеи, которые впоследствии заполняют песком. При большей глубине применяют конструкцию с вертикальными дренами.

Прорези разрабатывают одноковшовыми или многоковшовыми экскаваторами с ходовой частью болотной модификации. Технология работ включает: разработку прорезей экскаватором; доставку дренирующего грунта (песка) к месту укладки; перемещение песка и засыпку прорезей с помощью бульдозера; послойную отсыпку насыпи до проектной высоты.

Разработку прорезей экскаватором производят "на себя", переходя с одной траншеи на другую. Заполнение траншей ведут одновременно с возведением первого слоя насыпи. Схема производства работ по строительству земляного полотна с дренажными прорезями показана на рис. 4.2.5.

Рис. 4.2.5. Технология устройства земляного полотна с дренажными прорезями:
1 - устройство прорезей многоковшовым экскаватором; 2 - заполнение прорезей и послойное разравнивание грунта в насыпи бульдозером; 3 - подвозка грунта автомобилями-самосвалами; I - V - порядок устройства прорезей

При устройстве вертикального дренажа на поверхности болота отсыпают песчаный слой толщиной более 30 см. Затем через каждые 3...4 м устраивают дрены в шахматном порядке, которые засыпают сухим песком. Если при отсутствии вертикальных дрен путь воды отжимаемой насыпью составляет 8...10 м, то при устройстве дрен он сокращается до 1,5...2,0 м. Следовательно, время стабилизации осадки насыпи сокращается в 25...30 раз.

Вертикальные дрены можно устраивать различными способами: забивкой специального рабочего органа (пуансона), а затем засыпкой образовавшейся скважины песком; забивкой или вибропогружением специальной обсадной грубы, которую заполняют песком, а затем извлекают, оставляя столб из песка в болотной массе; гидробурением скважины с последующей засыпкой её песком; погружение картонных фитилей или лент из геотекстиля.

Погружение лент и фитилей осуществляют с использованием специального оборудования. Рабочий орган, имеющий прямоугольное сечение (или круглое малого диаметра), имеет внутреннюю полость, куда помещается дренирующая лента. Болотная масса пробивается рабочим органом, а при его извлечении дренирующая лента остаётся в болотной массе.

На рис. 4.2.6 показана схема возведения земляного полотна с вертикальными дренами. Диаметр дрен составляет 30...40 см. Глубина от 3,0 до 10,0 м. Производительность установки достигает 50...30 дрен в смену.

Рис. 4.2.6. Технологическая схема возведения земляного полотна с применением вертикальных дрен:
1 - надвижка бульдозером рабочего слоя; 2 - устройство дрен с загрузкой песком; 3 - наращивание земляного полотна до проектной отметки и устройство временной пригрузки; 4 - контроль осадки; 5 - снятие пригрузочного слоя; 6 - доуплотнение земляного полотна; 7 - устройство дорожной одежды

При сооружении вертикальных дрен путем продавливания торфа происходит его уплотнение вокруг скважины, что ухудшает фильтрацию воды.

Применение гидробурения устраняет этот недостаток, кроме того, этот способ считают более экономичным. Оборудование для гидробурения, состоящее из гидробура, в который подают воду под давлением 0,3...0,5 МПа, и обсадной трубы, по которой выводят гидросмесь, монтируют на кране или экскаваторе со стрелой драглайна, а также на тракторе со специальным обустройством.

Песчаный материал, используемый для заполнения дрен и прорезей, должен обладать высокой водопроницаемостью: коэффициент фильтрации песка для заполнения прорезей должен быть не менее 3,0, а дрен - более 6,0 м/сут.

4.3. Возведение земляного полотна в зимних условиях

Ритмичность сооружения земляного полотна в течение года - одно из непременных условий успешной производственной деятельности любой дорожно-строительной организации. Объемы строительно-монтажных работ, выполняемые в I квартале, увеличились и составляют более 15 % от годового задания. Значительно увеличились объемы работ, выполняемые в IV квартале. Рост объема выполнения земляных работ в зимних условиях играет положительную роль. Однако важно в каждом отдельном случае установить слагаемые этого успеха и определить пути, которые ведут к повышению эффективности работы в зимних условиях.

Проблема преодоления сезонности дорожного строительства сложна и многообразна. Она охватывает все стороны деятельности проектных, научных и производственных организаций, требует решения неотложных текущих задач и коренных проблем в части повышения качества землеройной техники. Продление строительного сезона создает благоприятные условия для повышения темпов дорожного строительства, способствует закреплению постоянных кадров, позволяет в течение года равномерно использовать технику и в конечном итоге ведет к снижению стоимости строительства.

В руководстве по сооружению земляного полотна автомобильных дорог [15] рекомендовано в зимний период выполнять следующие работы: возведение насыпей из крупнообломочных и песчаных грунтов, разработку выемок и резервов в необводненных песках, гравийно-галечных и скальных грунтах; возведение насыпей из глинистых грунтов при влажности близкой к оптимальной, на устойчивых основаниях; разработку в непереувлажненных глинистых грунтах выемок глубиной более 3 м; устройство насыпей на болотах; выторфовывание.

Технологические схемы производства работ в зимних условиях в значительной степени имеют региональный характер [40]. Их построение зависит от абсолютных значений отрицательных температур, длительности морозного периода, глубин промерзания грунта и других климатических условий. Большое значение имеют применяемые грунты, материалы, конструкции дорожных одежд, имеющиеся машины и оборудование. Все эти особенности следует учитывать при проектирование работ на стадии составления проектов организации строительства и производства работ. Здесь же необходимо решить следующие вопросы:

1. Определить виды и объемы работ для выполнения их в зимнее время.

2. Выбрать участки производства этих работ.

3. Провести технологические расчеты, подтверждающие возможность производства данных работ в конкретных зимних условиях.

4. Выполнить привязку типовых технологических схем производства работ к местным климатическим условиям,

5. Обосновать экономическую целесообразность производства в зимнее время намеченных видов и объемов работ.

4.3.1. Правила производства земляных работ в зимних условиях

Для успешного выполнения земляных работ в зимний период необходимо до наступления холодов выполнить следующие работы:

1) построить вспомогательные помещения;

2) подготовить подъездные дороги;

3) произвести снятие плодородного слоя почвы с основания насыпи;

4) обеспечить водоотвод;

5) заготовить необходимые материалы и оборудование;

6) подготовить к зимней эксплуатации технику;

7) предохранить грунты от промерзания. Минимальный объем сосредоточенных земляных работ, меньше которого неэкономично вести работы в зимних условиях, составляет более 50 тыс. м³. В первую очередь, исходя из этих условий, и необходимо планировать и производить земляные работы в зимний период.

При возведении насыпей в зимний период не допускаются к укладке без предварительного измельчения мерзлые комья грунта размером более 30 см при уплотнении трамбующими машинами и 20 см при уплотнении грунтов катками массой более 25 т. Укладку комьев мерзлого грунта допускают на расстоянии более 1,0 м от поверхности откосов насыпи. Количество мерзлого грунта не должно превышать 70 % общего объема грунта, укладываемого в насыпь [16, 17, 41].

Мерзлый грунт должен быть равномерно распределен по отсыпаемому слою, нельзя допускать скопление мерзлых комьев в теле насыпи и особенно снега или льда.

Влажность плохо дренирующих грунтов не должна превышать величину

                                                                                                           (4.3.1)

где W_p - нижний предел пластичности;

М_p - число пластичности.

Для дорог с усовершенствованными типами покрытий верхнюю часть насыпи на высоту не менее 1,0 м следует возводить из талого грунта с послойной отсыпкой и уплотнением, как правило, в летнее время года [15]. В табл. 4.3.1; 4.3.2 приведены основные технические требования к возведению земляного полотна автомобильных дорог в зимнее время.

Таблица 4.3.1

Допустимая высота земляного полотна в зависимости от температуры воздуха

Таблица 4.3.2

Запас на осадку для неуплотняемых насыпей из мерзлого грунта, % от высоты земляного полотна

Для обеспечения необходимого уплотнения грунта до его смерзания промежуток времени от выемки грунта в карьере до момента окончания его уплотнения в насыпи не должен превышать;

2...3 ч при температуре воздуха до -10°С;

1...2 ч при температуре воздуха от -10 до -20°С;

1 ч при температуре воздуха ниже -20°С.

При скорости ветра 15...20 м/с эти промежутки времени должны быть уменьшены в 2 раза. При расчете предельной дальности возки грунта необходимо учитывать время начала смерзания вынутого из забоя влажного грунта в зависимости от температуры наружного воздуха (табл. 4.3.3).

Таблица 4.3.3

Время начала смерзания вынутого из забоя влажного грунта

В соответствии с этим заблаговременно определяют участки возведения земляного полотна в зимний период, состав дорожно-строительного отряда, скорость потока и другие параметры [4, 42, 43].

Разработка грунтов в зимнее время осложняется их промерзанием и резким повышением сопротивляемости резанию, что влечет за собой удорожание работ, а зачастую и невозможность их разработки имеющимся парком машин. В связи с этим грунты, подлежащие разработке в зимний период, должны быть соответствующим образом подготовлены. Подготовка грунтов может быть произведена одним из трех способов: предохранением грунтов от промерзания, рыхлением или их оттаиванием.

4.3.2. Предохранение грунтов от промерзания

Предохранение грунтов от промерзания является наиболее экономичным видом подготовки грунтов к разработке в первой половине зимы [18, 40, 41, 44].

Мероприятия по предохранению грунтов от промерзания могут быть сведены к следующим трем группам:

1. Предварительная механическая обработка поверхности грунта.

2. Укрытия поверхности грунта разного рода утеплителями.

3. Специальные предохранительные мероприятия.

Уменьшение глубины промерзания грунта в резервах или полное устранение промерзания повышает производительность землеройных машин. Предварительная механическая обработка поверхности грунта(вспахивание, боронование с последующим снегозадержанием) в качестве мер предохранения грунтов от промерзания может быть применена во II дорожно-климатической зоне при разработке грунтов до 01...19 декабря, а в I дорожно-климатической зоне не позднее 20...25 ноября.

Вспашку поверхности карьера производят осенью до промерзания грунта на глубину до 40 см с последующим боронованием верхнего слоя. В результате разрыхления грунта резко увеличивается объем пор, которые уменьшают теплопроводность грунта. Теплоизолирующие свойства вспаханного грунта увеличиваются, если он будет покрыт снегом. Для увеличения снежного покрова производят снегозадержание с помощью валов снега или путем установки снегозадерживающих щитов размером 1,5´2,0 м с просветами площадью 35...50 % от общей площади щита. Ряды щитов или валов снега располагают поперек направления господствующих ветров на расстоянии 10...15-кратной высоты щитов или снежных валов.

Эффективность предохранения грунта от промерзания вспашкой, боронованием и снегозадержанием в районе г. Хабаровска приведена в табл. 4.3.4.

Таблица 4.3.4

Глубина промерзания грунта при вспашке, бороновании, снегозадержании

Часть вспаханного и разрыхленного грунта, покрытого слоем снега, все же промерзает. Глубину промерзания в этом случае определяют по формуле

Н = А(4Р - Р²),                                                                                                            (4.3.2)

где А - коэффициент, учитывающий способ утепления (табл. 4.3.5);

                                                                                                                  (4.3.3)

где Т - отрицательная среднемесячная температура;

N - количество дней с отрицательной температурой для рассчитываемого периода зимы.

Таблица 4.3.5

Значение коэффициента А (по данным [41])

Пример. Определить глубину промерзания суглинка в районе г. Хабаровска на 1.01 при условии, что дневная поверхность грунта будет вспахана на глубину 25 см и заборонована. Средняя температура в ноябре -7°С; в декабре - 18°С. Промерзание грунта начинается с 1 ноября.

Вначале определяем величину Р по формуле (4.3.3).

По табл. 4.3.5 находим величину А = 26, соответственно найденному значению Р. По формуле (4.3.2) определяем глубину промерзания грунта при вспаханной и заборонованной поверхности

Н = 28(4·0,8 - 0,8²) = 67 см

Влияние слоя снега на глубину промерзания приближенно определяют по формуле

Н = 60(4Р - Р²)К_у - B·h_сн ,                                                                                          (4.3.4)

где К_у - коэффициент, принимаемый при утеплении глинистого грунта равным 1,5, супесчаного и суглинистого - 2,0 песчаного - 2,5;

В - коэффициент сравнительной теплопроводности снега: для рыхлого снега В = 3,0, для слежавшегося и насыпного В = 2,0, для подтаявшего В = 1,5;

h_сн - средняя высота снежного покрова, см.

Способ предохранения грунтов от промерзания глубоким рыхлением до 1,5 м применяется при обеспеченном водоотводе и низком уровне грунтовых вод. Глубокое рыхление осуществляют экскаватором, оборудованным прямой лопатой, путем перелопачивания грунта поздней осенью. Образующаяся при этом волнистая поверхность задерживает снег, который в свою очередь еще в большей степени способствует предохранению грунта от промерзания. Глубина промерзания разрыхленного слоя на 0,6...1,0 м меньше глубины промерзания грунта в естественном состоянии. Разрыхленный мерзлый верхний слой грунта сравнительно легко разрабатывается экскаватором с ковшом емкостью более 1,0 м³. Данный способ оправдывает себя при предохранении от промерзания глинистых и малосвязных грунтов.

Одним из способов, снижающих стоимость производства земляных работ в зимних условиях, является утепление поверхности грунта теплоизоляционными материалами (опилки, солома, листва, шлак, торф и др.).

В качестве утеплителей принимают материалы с малой теплопроводностью. Толщина слоя утепления зависит от его теплоизоляционных свойств, климатических условий, влажности грунта, температуры грунта в момент утепления и времени разработки резерва.

Существуют различные формулы расчета толщины утепляющих слоев. Все они являются в значительной степени приближенными, так как заранее учесть изменение климатических факторов на строительной площадке в течение зимы весьма трудно. В частности, можно использовать следующую приближенную формулу [16]

                                                                                               (4.3.5)

где h_yт - толщина утепляющего слоя, м;

h_h - расчетная глубина промерзания грунта, определяемая на день окончания разработки грунтового карьера зимой, м;

h_с - толщина снежного покрова, м;

К_с - коэффициент теплоизоляционных свойств снега;

h_g - допустимая глубина промерзания грунта, зависящая от способа разработки;

К_ут -коэффициент теплоизоляционных свойств утепляющего материала (табл. 4.3.6);

h - коэффициент, учитывающий повышение теплопроводности и снижение теплоизоляционных качеств при уплотнении материалов утепляющего слоя под действием транспортных средств и сил тяжести (h » 1,3).

Таблица 4.3.6

Приближенные значения коэффициента теплоизоляционных свойств утепляющего материала К_ут

Для определения глубины промерзания грунта используют климатические справочники или формулу проф. А.Н. Будникова [31]. Во втором случае в формуле (4.3.5) второй член в числителе не учитывают

                                                                                             (4.3.6)

где l_м - коэффициент теплопроводности мерзлого грунта (табл. 4.3.7);

t_cp- средняя из среднемесячных температура воздуха зимой за период Т;

Т - число дней с отрицательной температурой воздуха с начала зимы до момента окончания разработки карьера;

С - коэффициент уменьшения глубины промерзания в зависимости от толщины снега (табл. 4.3.8).

Таблица 4.3.7

Теплофизические показатели грунтов

Таблица 4.3.8

Значение коэффициента уменьшения глубины промерзания С, от толщины слоя снега

Толщина снежного покрова, среднемесячные температуры и число дней с отрицательными температурами для крупных населенных пунктов дальневосточного региона приведены в табл. 4.3.9.

Таблица  4.3.9

Метеорологические данные  по  ряду географических  пунктов

При отсутствии утеплителя из естественных материалов в последние годы стали использовать в качестве утеплителя сборный пенопласт, стекловату, быстротвердеющую пену БТП и др. Для устранения процесса диффузии и обеспечения поверхностного стока эти материалы необходимо прикрывать полиэтиленовой пленкой.

Технология утепления полимерными смолами (полиуретановыми, карбамидными) заключается в том, что до наступления морозов по грунту разливают быстротвердеющую смесь, состоящую из 35 % мочевино-формальдегидной смолы (крепитель М), 4 % пенообразователя (ПО-1), 16 % технической соляной кислоты (5 % концентрации) и 45 % воды. Расход компонентов из расчета на 1000 м² поверхности при толщине слоя пены 10 см составляет:

1,92 т - мочевино-формальдегидной смолы (крепитель М);

0,22 т - пенообразователь (ПО - 1);

0,11 т - соляная кислота (35 % концентрации);

2,47 м³ - вода.

Крепитель М представляет собой однородную жидкость (раствор мочевино-формальдегидной смолы, стабилизированный аммиаком), которую получают конденсацией мочевины с формальдегидом в присутствии уротропина. Пенообразователь ПО-1 - обезмасленная осветленная сульфокислота, нейтрализованная едким натрием. Соляная кислота, как правило, поступает на объект 33 % концентрации. Пену БТП готовят в установке. Модификацией быстротвердеющей пены является пенолед. Необходимая толщина теплоизоляции к концу зимы при глубине промерзания грунта до 3,0 м составляет из БТП -30 см, пенольда - 50 см.

Эффективность утепления грунтов повышается при укладке утепляющих слоев до наступления отрицательных температур. Чем выше температура грунта в момент утепления, тем длительнее будет процесс его остывания. Обращает на себя внимания химический способ предохранения грунта от промерзания [44, 46, 48]. Сущность его в том, что поверхность грунта обрабатывается сухой солью или раствором. Рекомендуют применять сухой реагент, а в случае обработки слабодренирующих грунтов - водный раствор (табл. 4.3.10).

Таблица 4.3.10

Расход соли (технический хлористый натрий) на 1 м² площади

Наиболее дешевым реагентом является технический хлористый натрий, 23-процентный раствор соли замерзает только при - 23...-25°С и грунт, обработанный солью, сохраняется в талом состоянии в течение всей зимы, не примерзает к рабочим органам землеройных машин и кузовам транспортных средств, хорошо поддается уплотнению. Этот способ пригоден при любой глубине промерзания.

4.3.3. Рыхление мерзлых грунтов

Многолетний опыт сооружения земляного полотна в зимний период показывает, что землеройными машинами без предварительного рыхления можно разрабатывать в начале зимы корку мерзлого грунта в соответствие с рекомендациями табл. 4.3.11.

Таблица 4.3.11

Возможная толщина разрыхления мерзлого грунта землеройными машинами

Разрабатываемую поверхность карьера или выемки очищают от снега, льда не более чем на одну смену вперед. Работа в забое должна вестись круглосуточно и непрерывно во избежание промерзания грунта. Рыхление ведут на захватке, равной шириной забоя, с учетом призмы обрушения у экскаваторных забоев. Длину захватки определяют с учетом часовой производительности рыхлителей и температуры воздуха.

Рыхление взрывом экономически оправдано при глубине промерзания более 1,5 м. При этом удельный расход взрывных веществ на 1,0 м³ грунта в 7...10 раз меньше, чем при глубине промерзания до 0,5 м. В зависимости от глубины промерзания взрывные работы производят методом шпуровых зарядов при глубине промерзания до 2,0 м, а более 2,0 м методом скважинных зарядов.

Величину заряда определяют по формуле

Q = g·w³, кг                                                                                                                 (4.3.7)

где w³ -расчетная линия сопротивления, равна глубине промерзания, м;

g - удельный расход взрывных веществ, кг/м³.

Для глинистых грунтов (аммонит N 9) g = 0,8...1,0, кг/м³, для растительных и песчаных - g = 0,4...0,6, кг/м³. Более точно массу заряда определяют пробными взрывами. При температуре воздуха ниже - 20°С взрывные работы должны производиться каждую смену. Расстояние между зарядами в ряду зависит от глубины промерзания, диаметра шпуров или скважин (табл. 4.3.12).

Таблица 4.3.12

Расстояние между зарядами в ряду

Расстояние между рядами зарядов равно

a = (0,85...0,90)L                                                                                                         (4.3.8)

Скважины и шпуры располагают в шахматном порядке. Готовые шпуры и скважины до размещения заряда закрывают деревянными пробками длиной 25 см.

Для бурения шпуров и скважин применяют буровые машины БТС-60, БТС-М и др. Разработку взорванного грунта ведут двумя захватками: на первой производят расчистку поверхности грунта от снега, бурят шпуры или скважины и подготавливают их к взрыванию; на второй - разрабатывают ранее взорванный грунт и грузят в транспортные средства. Грунт разрабатывают лобовым забоем максимальной высоты с целью увеличения объема талого грунта. Крупные мерзлые глыбы дробят накладками или шпуровыми зарядами. Величину захватки устанавливают в зависимости от сменной выработки экскаватора.

4.3.4. Оттаивание мерзлых грунтов

Подготовку мерзлых грунтов к разработке можно производить оттаиванием [8, 14, 19, 20].

Различают четыре основных метода оттаивания:

1. Поверхностное оттаивание. При этом методе тепловой поток распространяется сверху вниз. Такое оттаивание осуществляется дымовыми газами и электронагревателями, расположенными на поверхности.

2. Радиальное оттаивание - тепловой поток распространяется в горизонтальном направлении, по радиусу нагревателя, заглубленного на 3/4 толщины мерзлого слоя.

3. Глубинное оттаивание - тепловой поток распространяется от нагревателя, расположенного ниже мерзлого слоя, к поверхности.

4. Комбинированное оттаивание - тепловой поток распространяется сверху вниз и в горизонтальном направлении.

Из вышеперечисленных способов оттаивания грунта самым эффективным способом является электрооттаивание мерзлого грунта глубинными электродами при наличии дешевой электроэнергии.

При наличии дешевой электроэнергии для оттаивания грунтов могут быть применены горизонтальные электроды или вертикальные глубинные электроды. Горизонтальные электроды изготовляют из полосовой стали 50´5 мм длиной 2...3 м. В качестве вертикальных электродов применяют круглую арматурную сталь диаметром 12...20 мм и длиной 1,5...2,0 м. Горизонтальные электроды укладывают на очищенную от снега поверхность и засыпают слоем утрамбованных опилок, смоченных 1...2 % раствором поваренной соли. Вертикальные поверхностные электроды забивают в слой опилок толщиной 20...25 см, обработанных солью. Вертикальные глубинные электроды забивают на расстоянии 0,4...0,7 м друг от друга на всю толщину мерзлого грунта так, чтобы на 8...10 см электроды вошли в незамерзший грунт. Сущность электрооттаивания грунта заключается в том, что при замыкании электрической цепи ток проходит по слою опилок или талому грунту (мерзлый грунт не пропускает электрический ток), выделяемое тепло будет оттаивать мерзлый грунт, который по мере оттаивания становится проводником электричества и сам начинает выделять тепло. Расход электроэнергии на оттаивание 1,0 м³ грунта в северо-восточных районах страны составляет от 35 кВт/ч при использовании вертикальных глубинных электродов до 85 кВт/ч при применении поверхностных электродов. Продолжительность электрооттаивания грунта при глубине промерзания 2,0 м составляет от 17 до 28 ч.

Способ оттаивания очень энергоемок. В практике дорожного строительства подготовку резервов оттаиванием осуществляют лишь в исключительных случаях при малых объемах грунта, при производстве работ в населенных пунктах, в непосредственной близости к трубопроводам, кабелям и другим подземным коммуникациям, когда нельзя рыхлить грунты механическим и взрывным способами. Применение данного способа возможно только при технико-экономическом обосновании.

4.3.5. Технико-экономическое обоснование способа подготовки грунта к разработке в зимнее время

Рассмотренные выше способы подготовки к разработке грунтов в зимнее время весьма разнообразны.

При выборе способа подготовки грунтов к разработке в зимний период необходимо руководствоваться соображениями экономии, оперативности и надежности. Технология должна быть проста и базироваться на использовании широко распространяемых материалов или машин, имеющихся в распоряжении строительной организации.

Все перечисленные выше способы предохранения грунта от промерзания, имея те или иные положительные или отрицательные стороны, обладают одним неоспоримым преимуществом - позволяют работать только с талым грунтом.

При химическом способе предохранения грунта от промерзания достигается двойной эффект - предохраняется грунт от промерзания и улучшаются условия более качественного уплотнения земляного полотна автомобильной дороги.

Все методы разработки мерзлых грунтов в зимнее время имеют два существенных недостатка - нарушается баланс земляных масс и может снизиться качество работ из-за наличия комьев мерзлого грунта. Большинство машин, предназначенных для рыхления мерзлых грунтов, можно использовать только в зимний период, что приводит к низким показателям по фондоотдаче. Машины рыхлят мерзлый грунт крупными кусками, делая невозможным его использование при возведении насыпи.

Оттаивание грунта, как уже указывалось, требует значительных энергетических и трудовых затрат.

При проведении технико-экономического обоснования способа подготовки грунта к разработке и зимнее время нужно придерживаться следующей последовательности:

1. Для намеченных объемов земляных работ назначают конкурентоспособные варианты.

2 На конец каждого месяца зимнего периода (про необходимости чаще) определяют глубину промерзания незащищенного грунта.

3. По каждому варианту определяют объем работ, связанный с подготовкой грунта к разработке зимой, при различных глубинах промерзания грунта.

4. Определяют стоимость выполнения этих paбoт.

5. Определяют величину затрат, связанных с подготовкой грунта к разработке в зимнее время, приходящихся на единицу талого грунта в карьере или выемке, по формуле

S_ij = (М_ij + З_ij + Э_ij)/Q_ij,                                                                                               (4.3.9)

где S_ij - стоимость дополнительных затрат по i...j варианту для j-й глубины промерзания грунта, руб/м³;

М_ij - затраты па материалы по i...j варианту для j-й глубины промерзания грунта, руб. (определяются на основании составления калькуляции стоимости материалов);

З_ij - величина заработной платы рабочих по i...j варианту для j-й глубины промерзания грунта;

Э_ij - затраты на эксплуатацию машин по i...j варианту для j-й глубины промерзания грунта, руб .;

Q_ij - объем талого грунта по i...j варианту для j-й глубины промерзания грунта.

По полученным данным строят график зависимости величины дополнительных затрат от глубины промерзания грунта (рис. 4.3.1).

Рис. 4.3.1. Зависимость величины дополнительных затрат на подготовку грунтов к разработке от глубины промерзания

Такой график позволяет определить наиболее эффективный способ подготовки грунта к разработке в зимний период для различных моментов времени, характеризующихся различной глубиной промерзания грунтов.

Экономический эффект Э от удлинения строительного сезона рассчитывают по формуле

                                                                                                                    (4.3.10)

где Е_н - нормативный коэффициент эффективности, установленный для отрасли, к которой относится строящееся предприятие или объект;

ф - сметная стоимость вводимых в действие основных фондов, руб.;

DТ- период продления строительного сезона.

Расчеты показывают, что за счет улучшения использования основных средств в течение года, снижения затрат по накладным расходам себестоимость строительства дорог может быть снижена на 5...8 %. Сокращение сроков строительства при удлинении строительного сезона дает существенный народнохозяйственный эффект за счет уменьшения времени, на которое отвлекаются средства в незавершенном строительстве.

Анализ показал, что в подавляющем большинстве при расчетах экономической эффективности сооружения земляного полотна в зимний период не учитывают резкого увеличения поломок машин и снижение их производительности при низких температурах и сильных ветрах. Расчеты ведут для средней полосы европейской части России, где температура воздуха редко опускается ниже -15°С. Скорость ветра не учитывают, хотя число дней со скоростью ветра более 10...15 м/с за устойчивый зимний период достигает, например, в Амурской области до 54. При отрицательной температуре и скорости ветра более 10 м/с производительность землеройных машин резко падает. Например, при температуре воздуха -15°С и скорости ветра 18 м/с простои машин составили столько же, сколько в безветренную погоду при температуре -20...-25°С. Хронометраж работы землеройно-транспортных машин, проведенный нами, показал, что наименьшие затраты времени на осмотр машин, отдых и личные надобности были при температуре воздуха от 8 до 20'С. При понижении температуры воздуха до -10°С время на осмотр машин и личной надобности возрастает в среднем на 10...16 % от нормативного. При температуре воздуха ниже -20...-25°С эти потери резко возрастали и достигали 20 % от рабочего времени. Значительно увеличивается время пуска и заправки машин. Время пуска при температуре -20...-25°С увеличивается по сравнению с оптимальной летней температурой в 8...10 раз.

Для того, чтобы сделать окончательные выводы о влиянии температуры воздуха и скорости ветра на производительность землеройной техники, требуются многолетние данные. При этом следует учитывать техническое состояние парка машин, квалификацию механизаторов, грунтовые условия, оснащенность ремонтной базы, условия хранения техники и т.д. [28]. Наши исследования были ограничены во времени, но несмотря на это данные хронометража работы землеройно-транспортных машин представляют бесспорный интерес. Нами установлена зависимость производительности экскаваторов, скреперов и бульдозеров от температуры воздуха и скорости ветра до 15 м/с (рис. 4.3.12).

Рис. 4.3.2. Изменение производительности бульдозеров, скреперов, экскаваторов в зависимости от температуры воздуха:
1 - экскаваторы с ковшом емкостью 0,65 м³; 2 - бульдозеры на тракторе Т-100; 3-скреперы с ковшом емкостью 6...8 м³

При расчете производительности учитывались целодневные простои машин, находящихся на ремонте из-за поломок. Потери времени, связанные с болезнью механизаторов или отсутствием горючего, в расчет не принимались.

В зимний период технико-эксплуатационные показатели работы машин резко снижаются, увеличивается число простоев из-за поломок узлов и деталей. Разрушению подвергаются базисные и вспомогательные узлы, детали машин. Существует функциональная зависимость числа поломок деталей машин (бульдозеров, экскаваторов, скреперов) от периода эксплуатации, причем количество поломок в зимний период в 3...7 раз больше, чем в летний. Объясняется это тем, что с понижением температуры воздуха начинает проявляться хладноломкость или склонность сталей к хрупкому разрушению. Переход в хрупкое состояние для каждой марки стали происходит при определенной температуре, при которой ударная вязкость металла достигает минимально допустимого предела (0,2...0,4 МПа). Низкие температуры воздуха в сочетании с динамическими нагрузками при разработке мерзлых грунтов способствуют увеличению числа поломок и простоев. В связи с этим основным климатическим фактором, влияющим на работу машин, считается температура воздуха, при определенных значениях которой углеродистые стали металлоконструкций переходят в хрупкое состояние и разрушаются. Эти стали имеют порог хладноломкости в узком интервале температур от -18 до -20°С.

Установлено, что начиная с температуры -20°С, происходят поломки большинства небазисных деталей, а при температуре -35°С начинают выходить из строя базисные узлы. В связи с этим температура воздуха -20°С считается критической, снижающей надежность работы машин. Кроме абсолютного значения критической температуры нужно учитывать вероятность ее повторения. Хронометраж работы дорожных машин, проведенный нами в Хабаровском крае при сооружении земляного полотна в зимний период, показал, что при температуре - 20...-25°С и скорости ветра более 10...15 м/с резко увеличилось число поломок деталей и узлов. Простои машин только из-за поломок составили до 35...45 % от всего времени наблюдения. Учитывая увеличение затрат времени на заправку, пуск, подготовку к работе и т.д., общие потери рабочего времени были еще значительнее. Производительность землеройно-строительных машин при этом снизилась на 40...60 % (рис. 4.3.2).

4.3.6. Особенность возведения земляного полотна в зимнее время

Высота насыпей, возводимых в зимнее время, не должна превышать величин, приведенных в табл. 4.3.13.

При необходимости возведения в зимнее время насыпей, указанных в табл. 4.3.13, следует использовать дренирующий грунт, а при его отсутствии - разрабатывать индивидуальный проект насыпи из глинистого грунта [21].

Таблица 4.3.13

Наибольшая высота насыпи из глинистых грунтов, возводимая в зимнее время

Высоту насыпей, возводимых из глинистых грунтов, ограничивают исходя из требований обеспечения оттаивания их в первый летний сезон.

Возведение земляного полотна в зимнее время организуют различными способами в зависимости от поставленных задач и местных условий.

Наиболее часто встречаются две задачи. Первая - устройство выемок с удалением грунта в отвал или в насыпь. Вторая - разработка грунтового карьера с укладкой грунта в насыпь. В общем виде технологическая схема работ по разработке выемок или отсыпке насыпей в зимних условиях состоит из следующих операций: подготовка выемки или основания насыпи; подготовка грунта в выемке или карьере к разработке; разработка грунта; погрузка грунта в транспортные средства, перевозка и разгрузка его на месте укладки; разравнивание; уплотнение.

Под подготовкой основания насыпи понимают:

1) расчистку полосы отвода от всех предметов, мешающих нормальному производству работ зимой;

2) снятие растительного слоя;

3) устройство постоянных и временных водоотводных устройств;

4) доуплотнение основания насыпи.

Недоуплотненное основание насыпи после оттаивания может дать неравномерные осадки, что приведет к деформациям насыпи.

Все перечисленные операции необходимо выполнять до наступления морозов.

Разработку грунта в выемке или карьере следует вести в 2...3 смены, что уменьшает глубину промерзания забоя.

Утепляющий материал убирают с площади, соответствующей сменному объему работ (рис. 4.3.3).

Рис. 4.3.3. Схема разработки выемки:
1 - разрыхленный мерзлый грунт; 2 - теплоизоляционный материал; 3 - слой неразрыхленного мерзлого грунта толщиной 0,4 м; 4 - опасная зона для работы рыхлителя; 0,2- недобор грунта в выемке

Для уменьшения намерзания грунта ковши экскаваторов, скреперов и кузова автосамосвалов рекомендуется смазывать

несколько раз в смену концентрированным раствором технического хлористого кальция или водным раствором хлористого натрия.

Транспортирование, разравнивание и уплотнение грунта должно производиться в максимально короткие сроки. Это связано с потерями тепла грунтом и ухудшением уплотнения талого грунта. Уплотнение необходимо заканчивать раньше, чем температура связанного талого грунта упадет ниже +2°С, а несвязанного - ниже 1°С (табл. 4.3.14).

Таблица 4.3.14

Время, в течение которого грунт обладает способностью к уплотнению

Наибольшие потери тепла грунтом происходят при разравнивании и уплотнении грунта. Поэтому рекомендуется эти операции проводить на минимально небольшом участке работ высокопроизводительными машинами.

В целях уменьшения теплопотерь необходимо отсыпать насыпь слоями возможно большей толщины. Наилучшие результаты при уплотнении дают катки с большеразмерными пневматическими шинами, поскольку глубина уплотнения пропорциональна площади контакта рабочего органа уплотнителя с грунтом.

Важное значение имеет вопрос использование мерзлого грунта при возведении насыпей в зимнее время.

Для обеспечения высокого качества уплотнения грунтов и уменьшения их последующей осадки отсыпку насыпи следует производить из талых грунтов (грунты, имеющие к моменту уплотнения температуру 0,5°С и выше). Однако в производственных условиях трудно полностью исключить попадание мерзлого грунта в насыпь (табл. 4.3.15).

Таблица 4.3.15

Допускаемые размер и содержание мерзлого грунта в насыпи

Если в тело насыпи уложено более 30 % мерзлого грунта, то в процессе оттаивания осадка насыпи может достигнуть 10 % и более полной высоты. При высокой влажности мерзлых комьев грунта возможно расползание насыпи.

Насыпи в зимних условиях необходимо отсыпать с некоторым запасом на их осадку после оттаивания. Дополнительная высота насыпи определяется по методике, предложенной Ю.М. Васильевым.

Насыпи, возводимые в зимнее время, должны иметь такую же устойчивость, как и насыпи, возводимые в теплый период года. Для достижения требуемого качества возведения земляного полотна необходимо выполнять ряд требований [17]:

1. Насыпи необходимо возводить только из талого грунта, ограничивая количество и размер мерзлых комьев грунта в насыпи (табл. 4.3.15).

2. Наличие снега и льда в насыпи не допускается. Укладка грунта во время сильных снегопадов и метелей должна прекращаться.

3. Основания под насыпи, возводимые в зимнее время, следует подготовить заблаговременно при положительной температуре воздуха.

4. Верхнюю часть насыпи на толщину 0,8...1,2 м следует отсыпать только из талого грунта. Укладка мерзлого грунта допускается на расстоянии не ближе 1 м от поверхности откосов насыпи.

5. Несвязанные грунты допускается укладывать в насыпь при влажности, превышающей оптимальную не более чем в 1,2...1,3 раза, а связанные грунты - при влажности, не более чем в 1,1 раза превышающей оптимальную.

6. После прекращения снегопадов и метелей необходимо полностью удалить снег и лед с насыпи.

7. Основание под насыпь тщательно очищать от снега и льда

8. Отдельные участки насыпи должны сопрягаться между собой уступами шириной не менее 1 м по каждому слою.

9. Земляное полотно должно быть par бито на местности до начала заморозков.

10. Технический контроль работ по возведению земляного полотна непрерывно проводится лабораторией, для чего на месте работ организуют контрольные посты.

Контрольные посты выполняют следующие задачи:

1. Обследование выемок и резервов осенью и перед началом разработки грунта зимой. В задачу обследования входит определение влажности и плотности грунтов.

2. Контроль за соблюдением установленных требований по очистке поверхности насыпи и ее основания от снега и льда, а также за прекращением работ при снегопадах и метелях.

3. Определение режима работ уплотняющих машин на месте опытным путем.

4. Контроль качества уплотнения грунтов согласно действующим инструкциям.

5. Контроль за содержанием мерзлых комьев в грунте. Контрольные пробы отбираются до уплотнения грунта на каждые 300...500 м³, уложенных в тело насыпи.

4.4. Возведение земляного полотна в районе вечной мерзлоты

Вечномерзлыми называют грунты и материковые породы с отрицательной температурой, не подверженные сезонным колебаниям.

Вечная мерзлота занимает более 50 % всей территории России, а на Дальнем Востоке она охватывает 80 % территории. Среднегодовая температура воздуха в этих районах отрицательная и на Крайнем Севере понижается до -16°С. В приморских тундрах часты ураганные ветры. Годовое количество осадков на большей части территории невелико и составляет 140...320 мм. Толщина снежного покрова, особенно в тундре, не превышает 30...40 см.

Большинство вечномерзлых грунтов насыщено льдом. В ряде случаев льдистость мерзлых грунтов достигает 80 %, а иногда он полностью замещен мощными ледяными включениями.

Мощность вечной мерзлоты по глубине весьма различна и составляет от нескольких метров в южных районах вечной мерзлоты до 500 м у берегов Северного Ледовитого океана. Температура верхнего слоя мерзлых горных пород обычно колеблется от -3 до -8°С, причем она на 4...10°С выше среднегодовой температуры воздуха. Вечная мерзлота сверху и снизу ограничена слоем грунта, имеющим температуру 0°С. Эти поверхности, с нулевой температурой, соответственно называются верхней и нижней границами вечной мерзлоты [18, 49, 51].

Грунты с отрицательной температурой, но не содержащие воды или включающие ее в небольшом количестве, а потому не смерзшиеся и оставшиеся сыпучим телом, называются сухой мерзлотой.

Существенное значение в условиях вечной мерзлоты имеет состояние подземных и грунтовых вод. В зависимости от расположения относительно слоя вечной мерзлоты они подразделяются на три взаимосвязанные категории:

а) надмерзлотные - залегающие над верхней границей многолетней мерзлоты;

б) межмерзлотные - расположенные в толще многолетней мерзлоты;

в) подмерзлотные - залегают под слоем многолетней мерзлоты.

По характеру залегания вечномерзлой толщи под деятельным слоем различают типы сливающейся, несливающейся и слоистой вечной мерзлоты.

Несливающаяся вечная мерзлота. Верхняя граница вечномерзлых грунтов не сливается с подошвой сезонного промерзания. Между ними остается пласт постоянно талого грунта. Несливающаяся вечная мерзлота встречается в южных районах мерзлотного региона, главным образом в котловинах, долинах и других отрицательных формах рельефа, где происходят мощные снеговые заносы, а летом протекает вода.

Сливающаяся вечная мерзлота. Верхняя граница вечномерзлых грунтов сливается с подошвой деятельного слоя. Имеет основное региональное распространение на севере Азии.

Слоистая вечная мерзлота. Слоистой вечной мерзлотой принято называть чередование нескольких слоев вечномерзлых горных пород с пластами талых пород. Она встречается в долинах мигрирующих водотоков. Талые пласты могут быть исчезающими или поддерживаться за счет фильтрационного потока.

От поверхности земли вечная мерзлота отделена слоем грунта с сезонным промерзанием - оттаиванием, который называют деятельным слоем.

При замерзании деятельного слоя происходит пучение, и поверхность грунта поднимается, при оттаивании наблюдается обратное явление - осадка. По данным П.И. Мельникова, деятельный слой промерзает с двух сторон одновременно - и от земной поверхности, и от своей подошвы, то есть от верхней границы вечномерзлых грунтов.

Мощность деятельного слоя колеблется в пределах 0,8...1,6 м в песчаных грунтах и 0,2...0,4 м в торфяно-болотистых почвах. На болотах и заболоченных склонах с толстым слоем мохового покрова верхняя граница вечной мерзлоты залегает непосредственно под слоем мха. Все склоны гор северных экспозиций имеют верхнюю границу многолетней мерзлоты на глубине 0,15...0,2 м. В районах пойм, русел средних и больших рек, с гравийно-галечными и песчаными грунтами, она достигает 10 м.

Мощность деятельного слоя зависит от многих факторов. Остановимся на основных:

1. Радиационный баланс поверхности земли. Радиационный или лучистый баланс тепловой энергии слагается из трех компонентов: суммарная солнечная радиация, минус отраженная часть этой радиации в космос, минус длинноволновое эффективное излучение почвы. Теплоприход суммарной солнечной радиации слагается из тепла прямой солнечной радиации при ясном небе и тепла рассеянной солнечной радиации при облачном небе. Максимум прямой солнечной радиации наблюдается на экваторе, минимум - на полюсах. Естественно, что поступление рассеянной облаками радиации также убывает с юга на север.

Величина отраженной части радиации зависит от отражательной способности поверхности земли. Наибольшим поверхностным излучением обладает заснеженная поверхность земли, от которой больше 80 % солнечной энергии бесполезно отражается в атмосферу. Наименьшей способностью отражения обладает свежевспаханная темная влажная почва, которая усваивает более 90 % суммарной радиации.

2. Конвективный теплообмен. Конвективный теплообмен между поверхностью земли и воздухом равен произведению коэффициента теплообмена a на разность температур почвы и воздуха. Если летняя температура верхнего слоя грунта t_г больше температуры воздуха t_в, то земля теряет тепло. Если наоборот, t_г < t_в, например, при вторжении теплых масс воздуха с юга, то происходит нагрев грунта. Коэффициент теплообмена конвекцией определяют по формуле Вирца

                                                                                                                  (4.4.1)

где V - скорость ветра, м/с.

Если принять, что конвективный теплообмен в энергетическом отношении равен тепловому радиационному балансу r, то температура верхнего слоя грунта равна

t_г = t_в + r /a                                                                                                                 (4.4.2)

3. Испарение и конденсация. Наибольшие затраты тепла в общем тепловом балансе влажных грунтов приходятся на испарение. Особенно велики эти потери на моховых и болотистых тундрах, где грунт за целое лето оттаивает только на 30...40 см. При наличии сухих скелетных грунтов теплопотери на испарение незначительны.

Теплоприход от конденсации в естественных условиях невелик. Однако при послойной вскрыше грунтов по мере их оттаивания конденсация, а, следовательно, и выделение тепла, резко возрастают. В этом случае теплый воздух соприкасается с холодной, периодически обнаженной поверхностью мерзлых грунтов, и происходит обильное выпадение росы.

4. Снежный покров, его мощность и рыхлость. Теплопроводность рыхлого снега близка к теплопроводности такого теплоизолятора, как сухой торф, поэтому потери тепла из литосферы в атмосферу резко уменьшаются. Разница среднемесячных температур на поверхности снега и под снегом может достигнуть 40°С и более.

5. Растительный покров, характер растительности. На побережье арктических и северо-восточных морей преобладают мхи, лишайники и тундровые травы. Мхи, особенно сфагновые, в летнее время быстро подсыхают сверху и становятся отличным теплоизолятором. Кроме того, мхи испаряют большое количество влаги и этим резко понижают свою температуру. В зимний же период они быстро замерзают и по своим теплоизоляционным свойствам мало отличаются от обычного льдистого грунта. В результате такого различия в теплопроводности талого и мерзлого мхов, вечная мерзлота подо мхом и торфяником прослеживается даже в относительно южных районах, где под другой растительностью она не встречается.

А.И. Мамаев установил, что в безветренных районах под любым растительным покровом, экранирующим летом грунт от солнца, вечная мерзлота устойчивее, чем на оголенных участках. В районах с интенсивными зимними ветрами наблюдается обратный эффект в связи с переотложением снега с оголенных участков в залесенные.

Развитая высокоствольная древесная растительность по берегам северных рек и озер часто указывает на присутствие русловых таликов глубиной до 5 м.

6. Экспозиция склона и рельеф. Южная экспозиция горных склонов повышает среднегодовую температуру поверхности земли на 0,5...1,5°С относительно температуры на северной экспозиции.

Возвышенности хорошо обдуваются ветром, и снег переносится в низкие места. Поэтому мощность вечной мерзлоты под оголенными возвышенностями в большинстве случаев больше, чем под снегозаносимыми пониженными местами. Однако, даже при одинаковой льдонасыщенности грунтов, глубина сезонного оттаивания на возвышенностях больше, чем в долинах, за счет увеличения амплитуды сезонных колебаний температуры грунта.

7. Цитологические особенности грунта. Различие в теплопроводности разных грунтов не превышает 2...2,5 раз. Наибольшей теплопроводностью обладают подземные льды и крупноскелетные льдонасыщенные грунты, наименьшей - сухие пески. Глубина сезонного протаивания, прежде всего, зависит от общей льдонасыщенности грунта. Сухие насыпные грунты протаивают на глубину в 3...4 раза больше, чем льдистые.

4.4.1. Особенности приложения трассы в районе вечной мерзлоты

Сооружение автомобильной дороги вносит большие изменения в природный режим вечномерзлых грунтов. Вырубка на полосе отвода деревьев, кустарника и удаление мохового покрова способствуют увеличению толщины деятельного слоя. При оттаивании льдонасыщенные грунты вечной мерзлоты переходят в разжиженное состояние и растекаются под действием собственной массы.

Оттаивание льдонасыщенного вечномерзлого грунта под невысокой насыпью вызывает дополнительные осадки или полное расползание насыпей. При проектировании земляного полотна в районе вечной мерзлоты прокладку трассы по возможности следует производить на участках:

а) с близким залеганием коренных скальных пород;

б) сложенных на глубину 10 м и более каменистыми, гравелистыми и песчаными сухими грунтами;

в) с залеганием сухой вечной мерзлоты на глубине 5...6 м;

г) с обеспеченным водоотводом;

д) со слабопокатными склонами южной экспозиции.

Дорогу проектируют в насыпях с рабочими отметками, гарантирующими снегонезаносимость. Выемки допускаются лишь в случаях крайней необходимости и только в сухих грунтах.

Нежелательными для проложения трассы являются участки:

а) заболоченные, осушение которых по условиям рельефа затруднительно;

б) с пылеватыми грунтами, которые при оттаивании приходят в плывунное состояние;

в) с высоким уровнем стояния грунтовых подмерзлотных вод, понижение которых в условиях вечной мерзлоты сопряжено с большими трудностями;

г) с близким расположением линз ископаемого льда или с интенсивными наледными процессами.

В зависимости от состава и льдонасыщенности грунтов, режима деятельного слоя, глубины залегания погребенных льдов, возможны три принципа строительства:

1. Обеспечение поднятия верхнего горизонта вечной мерзлоты до подошвы насыпи и сохранения ее на этом уровне в течение всего периода эксплуатации дороги. Этот принцип применяют при наличии глинистых грунтов, с влажностью выше предела текучести, и при особо сложных мерзлотно-грунтовых условиях (мари, заболоченные тальвеги, замкнутые впадины с мохоторфяным покровом и мощностью деятельного слоя до 1,0 м). Земляное полотно по первому принципу возводят из привозных грунтов.

2. Ограничение глубины оттаивания грунтов основания. Этот принцип находит применение при проложении полотна дороги на плоских водоразделах, пологих склонах гор с мощностью деятельного слоя от 1,0 до 2,5 м. Земляное полотно проектируют в насыпях из несцементированных обломочных или глинистых грунтов.

3. Обеспечение оттаивания и осушения грунтов под дорожной конструкцией. Строительство по этому принципу ведут на легкоосушаемых просадочных грунтах. Третий принцип применяют чаще всего на сухих участках местности, с мощностью деятельного слоя более 2,5 м, когда предусматривается заблаговременное оттаивание вечномерзлых грунтов и осушение дорожной полосы.

Опыт показывает, что деформации земляного полотна происходят при оттаивании вечной мерзлоты, но вместе с этим грунты в мерзлом состоянии представляют вполне надежное основание, поскольку грунты как бы сцементированы мерзлотой.

Выбор конструкции земляного полотна в каждом конкретном случае решается на основе технико-экономического сравнения вариантов с учетом не только капитальных, но и эксплуатационных затрат.

Размеры и формы земляного полотна на различных участках зависят от рельефа местности, продольного профиля дороги, грунтовых, гидрологических и гидрогеологических условий, а также проектируемых на данном полотне дорожных одежд.

Поперечные профили земляного полотна, устраиваемые по первому принципу - обеспечение поднятия верхнего горизонта вечной мерзлоты до подошвы насыпи и сохранения ее на этом уровне в течение всего периода эксплуатации (сохранение вечной мерзлоты), даны на рис. 4.4.1...4.4.4.

При возведении насыпи по первому принципу обязательным условием является сохранение в неразрушенном состоянии растительного покрова не только в основании насыпи, но и на всей дорожной полосе (рис. 4.4.1, тип I). Для предохранения мохорастительного покрова от разрушения в нижней части насыпи устраивают прослойки из дренирующих грунтов мелких фракций (не крупнее 50...100 мм) толщиной 0,3...0,5 м (рис. 4.4.1, тип II).

При необходимости уменьшения высоты насыпи или при наличии дешевых местных теплоизоляционных материалов в основании земляного полотна укладывают теплоизоляционные прослойки (мох, торф, нестроевая древесина, шлак) различной толщины (рис. 4.4.1, тип III).

Рис. 4.4.1. Поперечные профили насыпи на льдонасыщенном основании:
1 - мохорастительный покров; 2 - защитный слой из дренирующего грунта мелких фракций; 3 - несцементированный обломочный грунт; 4 - термоизоляция изо мха (по расчету); 5 - верхний горизонт вечной мерзлоты (ВГВМ) до постройки насыпи; 6 - ВГВМ после постройки насыпи

Если высокие насыпи сооружают в две стадии, то на первой (зимней) стадии применяют только несцементированные обломочные грунты (рис. 4.4.2, типы IV и V), а на второй (летней) допускаются глинистые грунты. В таких случаях верхняя часть насыпи отсыпается из щебеночного или гравийного материала слоем не менее 0,5 м (рис. 4.4.2, тип IV).

Рис. 4.4.2. Поперечные профили насыпи на льдонасыщенном основании, отсыпаемой в две стадии:
1 - щебень или гравий по расчету на прочность (но не менее 0,5 м); 2 - несцементированный обломочный грунт; 3 - мохорастительныйпокров; 4 - глинистый грунт; 5 - ВГВМ до постройки насыпи; 6 - ВГВМ после постройки насыпи

На косогорных участках (не круче 1:5) земляное полотно проектируют в насыпи. Во избежание нарушения мерзлотного режима местности, увеличения глубины оттаивания и снижения устойчивости сооружения уступы на косогоре не устраивают. В низовой части откоса насыпи защищают от теплового воздействия присыпкой из мохоторфа (рис. 4.4.3).

Рис. 4.4.3. Поперечный профиль насыпи на льдонасыщенном косогоре крутизной меньше 1:5:
1 - несцементированный обломочный грунт; 2 - теплоизоляция изо мха или торфа толщиной не менее 0,5 м; 3 - глинистый грунт толщиной 15 см; 4 - дренирующая присыпка; 5 - мохорастительный покров; 6 - ВГВМ до постройки насыпи; 7 - ВГВМ после постройки насыпи; 8 - каменное мощение; 9 - нагорный валик; d - величина поднятия ВГВМ по оси насыпи

На участках автомобильных дорог, где в основании залегают подземные льды или супеси с льдистостью около 80 %, а также в сильно заболоченных местах под насыпью ранее устраивали так называемую cлань, а в последние годы прослойки из геотекстиля (рис. 4.4.4), что уменьшает удельное давление на грунт от подвижной нагрузки и служит теплоизоляционной прокладкой под насыпью.

Рис. 4.4.4. Поперечный профиль насыпи с прослойкой из синтетического нетканого материала по типу замкнутой обоймы:
1 - насыпь земляного полотна; 2 - синтетический нетканый материал «Дорниит Ф-2»; 3 - слабое основание; 0,3 - ширина перекрытия полос геотекстиля

При проектировании автомобильных дорог, по принципу ограничения глубины оттаивания грунтов основания, земляное полотно конструируют в соответствии с поперечными профилями, приведенными на рис. 4.4.5 (типы VIII, IX). Если при понижении уровня вечной мерзлоты обеспечивается устойчивость земляного полотна и дорожной одежды, то допускают возведение насыпи из местных глинистых грунтов с закладкой боковых резервов. При этом запрещается убирать или разрушать мохорастительный покров в основании насыпи.

Рис. 4.4.5. Поперечные профили насыпи из местных глинистых грунтов:
1 - щебень или гравий по расчету на прочность (но не менее 0,5 м); 2 - глинистый грунт; 3 - земляная берма; 4 - мохорастительный покров; 5 - ВГВМ до постройки насыпи; 6 - ВГВМ после постройки насыпи; 7 - боковой резерв; 8 - водоотводная канава; d - величина поднятия ВГВМ по оси насыпи

Резервы можно располагать непосредственно у подошвы насыпи (рис. 4.4.5, тип VIII), если высота насыпи не превышает 1,5 м, или предусмотреть между подошвой насыпи и внутренней бровкой резерва земляные бермы шириной 3...5 м (рис. 4.4.5, тип IX).

При проектировании автомобильных дорог по принципу обеспечения оттаивания и осушения грунтов основания (третий принцип), исходя из допускаемых деформаций, земляное полотно конструируют в насыпях (рис. 4.4.6, типы X, XI). При этом расчищать дорожную полосу от леса и кустарника, сплошь снимать мохорастительный покров в пределах дорожной полосы, устраивать водоотводные канавы необходимо не менее чем за год до начала основных работ.

Рис. 4.4.6. Поперечные профили земляного полотна на легкоосушаемых грунтах:
1 - глинистый легкоосушаемый грунт с примесью крупного песка, щебня или гравия; 2 - супесчаный грунт; 3 - мохорастительный покров; 4 - ВГВМ до постройки насыпи; 5 - ВГВМ после постройки насыпи; 6 - боковой резерв; 7 - водоотводная канава

На косогорных участках (круче 1:5) земляное полотно в низовой части нужно поддерживать специальными подпорными стенками, предусматривая их заглубления в вечномерзлый грунт по расчету на выпучивание (рис. 4.4.7).

Рис. 4.4.7. Поперечный профиль насыпи на косогоре крутизной более 1:5:
1 - подпорная стенка; 2 - несцементированный обломочный грунт; 3 - мохорастительный покров; 4 - мерзлотный валик; 5 - каменное мощение; 6 - ВГВМ до постройки насыпи; 7 - ВГВМ после постройки насыпи

На затапливаемых участках и на подходах к мостам земляное полотно возводят из несцементированных обломочных грунтов. Бровка земляного полотна должна быть выше расчетного горизонта воды на высоту волны с набегом на откос, но не менее 0,5 м. В случае низкого расчетного горизонта воды верхнюю часть насыпи можно отсыпать из глинистых грунтов. При этом нижняя часть насыпи, отсыпаемая из несцементированных обломочных грунтов, должна быть выше расчетного горизонта воды более чем на 0,5 м (рис. 4.4.8, тип XIII).

Высокие насыпи на затапливаемых участках конструируют в соответствии с рис. 4.4.8 (типы XIV, XV).

Рис. 4.4.8. Поперечные профили высокой насыпи на затопляемом участке или пойме:
1 - щебень или гравий по расчету на прочность; 2 - глинистый грунт; 3 - несцементированный обломочный грунт; 4 - ВГВМ до постройки насыпи; 5 - ВГВМ после постройки насыпи; РПВ - расчетный уровень поверхностных вод

Выемки в зоне вечной мерзлоты допускается проектировать главным образом на участках местности с благоприятными грунто-гидрогеологическими условиями (скальные, щебенистые грунты) при отсутствии линз и прослоек льда (рис. 4.4.9).

Рис 4.4.9. Поперечный профиль выемки в скальных грунтах:
1 - нагорная водоотводная канава; 2 - легковыветривающаяся скальная порода; 3 - рыхлый грунт

В сырых местах выемки нужно проектировать с соответствующим обеспечением теплоизоляции откосов, заменой переувлажненных пылеватых глинистых грунтов песчаным или другим качественным материалом с устройством в основании дорожной одежды морозозащитных слоев (рис. 4.4.10, тип XVII). Мелкие выемки раскрывают под насыпь для повышения их устойчивости (рис. 4.4.10, тип XVIII). Толщину совмещаемого в выемках грунта определяют по теплотехническому расчету из условия обеспечения требуемой устойчивости дорожной одежды. Крутизну откосов выемок назначают в каждом случае исходя из устойчивости.

Рис. 4.4.10. Поперечные профили выемок в слабольдонасыщенных грунтах:
1 - щебень или гравий; 2 - глинистый грунт; 3 - каменное мощение; 4 - теплоизоляция изо мха по расчету; 5 - ВГВМ до устройства выемки, 6 - ВГВМ после устройства выемки; 7 - водоотводная канава

4.4.2. Характеристика условий строительства земляного полотна в районе вечной мерзлоты

При возведении земляного полотна в районе вечной мерзлоты необходимо учитывать природно-климатические и грунто-гидрогеологические особенности, которые определяют условия работы дорожно-строительных машин, основные способы и технологические схемы возведения земляного полотна, а также сроки производства работ.

Характеристику условий района строительства составляют по данным ближайших метеорологических станций. Пользуясь данными метеостанций, делают анализ температурного режима воздуха, его изменение по месяцам. Устанавливают максимальную и минимальную температуру, мощность деятельного слоя, количество осадков в виде дождя и снега, направление ветров. Разрабатывают дорожно-климатический график, на основании которого устанавливают период распутицы, простои в работе из-за осадков в летний период и из-за метелей в зимний период, время разработки талого и мерзлого грунтов. Каждому принятому принципу проектирования земляного полотна соответствует свой способ его возведения (табл. 4.4.1).

Таблица 4.4.1

Способы возведения земляного полотна

На участках, где земляное полотно запроектировано по первому принципу, все подготовительные и основные работы выполняют с таким расчетом, чтобы обеспечить сохранение водно-мерзлого режима местности. Это определяет особенности возведения земляного полотна и сроки производства работ. Подготовительные работы выполняют только в зимний период.

Не допускается оставлять расчищенную просеку на летний период, чтобы не вызвать протаивание льдонасыщенных грунтов. Земляное полотно возводят в зимний период из несцементированных обломочных грунтов. Отсыпанное в зимний период полотно предохраняет основание от протаивания. Экономически целесообразно двухстадийное возведение земляного полотна, когда нижнюю часть насыпи возводят зимой, а верхнюю - в летний период. В этом случае снижается стоимость возведения земляного полотна за счет выполнения части объемов работ в летний период.

При втором принципе все работы выполняют так, чтобы обеспечить как можно большее осушение грунтов в притрассовых резервах и возможно меньшее протаивание их в основании насыпи. В этом случае подготовительные работы выполняют за год до начала земляных работ. Лес вырубают и удаляют с просеки в зимний период, чтобы не нарушать мохорастительного покрова в основании насыпи. С полосы резервов мохорастительный покров удаляют сразу после его протаивания, а в основании его сохраняют полностью.

Земляное полотно в основном возводят из местных грунтов с использованием бульдозеров, скреперов и других дорожных машин.

При третьем принципе выполняют так же, как и при втором, с той лишь разницей, что мероприятия по осушению грунтов проводят на всей дорожной полосе. Мохорастительный покров в основании насыпи не сохраняют.

Строительство автомобильных дорог в условиях вечной мерзлоты так же, как и в других районах страны, осуществляют поточным методом.

В летний период производят те работы, выполнение которых в зимний период затруднительно (удаление мохорастительного покрова, разработка, перемещение, уплотнение глинистых грунтов, устройство водоотводных канав).

В зимний период следует производить: постройку временных зданий и сооружений; расчистку дорожной полосы от леса, кустарника; буровзрывные работы в мерзлых грунтах, переходящих при оттаивании в текучее состояние; возведение насыпей из скальных и несмерзающихся дренирующих грунтов, на участках, устраиваемых по первому принципу; отсыпку берм и утепление откосов.

Возведение насыпей из несцементированных грунтов производят круглогодично. Расчетное годовое число рабочих смен определяют по формуле

Т_ср = (Т_к - Т_в -Т_м - Т_о) К_с,                                                                                            (4.4.3)

где Т_к - календарная продолжительность строительного сезона, дни;

Т_в - количество выходных и праздничных дней;

Т_м - простои по метеоусловиям, дни;

Т_о - количество дней на ремонт и профилактику машин, а также внутриобъектную переброску, простои по организационным причинам, дни;

К_с - среднее количество смен за один рабочий день.

Расчетное количество рабочих смен в летнем строительном сезоне определяют по формуле

Т_л = [Т_б - (Т_гр + Т_в) - Т_бa(1 + Т_пр)]К_с                                                                          (4.4.4)

где Т_б - длительность безморозного периода в сутках;

Т_гр - время, необходимое для протаивания грунта на 20...25 см (табл. 4.4.2);

Т_в - количество выходных и праздничных дней за безморозный период;

a - вероятность выпадения осадков в долях длительности безморозного периода (табл. 4.4.3);

Т_пр - время, необходимое для просушивания грунта после дождя в сутках (табл. 4.4.4).

Таблица 4.4.2

Скорость протаивания грунта

Таблица 4.4.3

Вероятность выпадения осадков

Время, необходимое для протаивания грунта в районе вечной мерзлоты южнее 65-й параллели на глубину, позволяющую рационально использовать дорожные машины, принимают по табл. 4.4.2.

Вероятность выпадения осадков определяют по средним, многолетним данным метеостанций. Расчет ведут по формуле

a = п/Т_б,                                                                                                                     (4.4.5)

где п - количество дней с осадками более 5 или 8 мм в сутки.

Ориентировочные значения снижения влажности и времени просыхания слоя грунта глубиной 0,2 м в резервах по данным [49] приведены в табл. 4.4.4

Таблица 4.4.4

Снижение влажности и время просыхания грунта

Более быстрое просыхание грунта наблюдается при его рыхлении за один-два дня до разработки.

Расчистку дорожной полосы от леса, кустарника, пней производят при сооружении земляного полотна по первому и второму принципам только в зимний период. При строительстве земляного полотна по третьему принципу расчистку дорожной полосы можно производить в любое время года.

Мохорастительный слой удаляют с поверхности боковых резервов при строительстве земляного полотна по второму принципу и на всю ширину дорожной полосы при сооружении земляного полотна по третьему.

Толщина мохорастительного слоя зависит от множества различных факторов и составляет в среднем от 5 до 30 см. Большая мощность слоя наблюдается во II, III типах местности (сырые и мокрые места).

4.4.3. Технико-экономическое обоснование и технология производства работ

Одним из основных вопросов организации строительства земляного полотна является выбор наиболее эффективных способов производства работ, обеспечивающих возведение полотна в заданные сроки, требуемое качество работ, максимальную производительность труда и минимальную себестоимость.

Вследствие влияния большого числа факторов чаще всего разрабатывают несколько вариантов производства работ. При сравнении вариантов в качестве основных технико-экономических показателей принимают себестоимость единицы продукции, выработку на одного рабочего в смену и использование машин в течение смены.

Технологическая последовательность возведения земляного полотна в районе вечной мерзлоты зависит, прежде всего, от принципа проложения трассы и принятой конструкции земляного полотна. Так, технологическая последовательность возведения земляного полотна по первому принципу значительно отличается от последовательности работ, выполняемых по третьему принципу. Например, последовательность сооружения земляного полотна на косогоре с сохранением вечной мерзлоты (рис. 4.4.3) может быть следующей:

а) восстановление и закрепление трассы;

б) расчистка дорожной полосы в зимний период от снега, леса, кустарника;

в) разбивка земляных сооружений;

г) устройство нагорного валика для отвода поверхностных вод;

д) устройство подъездных путей;

е) послойная отсыпка земляного полотна из привозного грунта;

ж) послойное разравнивание и уплотнение грунта;

з) профилирование земляного полотна;

и) укрепление откоса насыпи с верховой стороны глинистым грунтом с последующим мощением камнем;

к) устройство дренирующей присыпки с низовой стороны;

л) укладка теплоизоляционного слоя из мха или торфа на откосе насыпи с низовой стороны косогора;

м) укладка глинистого грунта поверх теплоизоляционного слоя;

н) рекультивация земель в грунтовых карьерах.

Одновременно с проектированием технологической последовательности производят уточнение объемов работ на отдельных операциях.

При строительстве земляного полотна в районе вечной мерзлоты затраты на эксплуатацию дорожно-строительных машин составляют 40...60 %. В связи с этим большое значение приобретает задача подбора дорожно-строительных машин, максимально приспособленных к условиям строительства. Специфика условий производства работ определяет критерии подбора машин.

Выбор рациональных типов машин для возведения земляного полотна автомобильных дорог зависит от следующих факторов:

а) технической возможности применения тех или иных машин в данных условиях рельефа;

б) конструкции земляного полотна, расположения резервов грунта, его физико-механических свойств;

в) организационных условий производства работ, главными из которых являются сроки начала и окончания возведения земляного полотна;

г) условий полной загрузки выбранных машин в течение всего периода выполнения работ.

При составлении вариантов производства работ необходимо стремиться к комплексной механизации и полному использованию в течение смены всех дорожных машин в отряде.

Для предварительных соображений по рациональному подбору машин при разработке различных групп грунтов можно руководствоваться рекомендациями табл. 4.4.5

Таблица 4.4.5

Выбор средств механизации для выполнения основных земляных работ

Учитывая, что рациональные области применения дорожных машин ограничены, а условия выполнения земляных работ непрерывно меняются, в состав отрядов необходимо включать несколько типов машин для выполнения основных земляных работ. В этом случае каждая землеройная машина может быть использована наиболее эффективно. Например, если земляное полотно возводят по третьему принципу бульдозером в условиях значительного колебания рабочих отметок, то одновременно с бульдозером следует применять скреперы для продольного перемещения грунта. В глубоких выемках также выгодно применять комплексный способ разработки, при котором участки выемок, прилегающие к насыпи, разрабатывают бульдозерами, а остальную часть, в зависимости от группы грунта и дальности перемещения, скреперами или экскаваторами с транспортными средствами.

При комплектовании отрядов следует увязать между собой выработку всех машин.

Основные машины могут быть использованы для выполнения вспомогательных работ. В этом случае потребность в них определяется комплексным расчетом из условия выполнения ими вспомогательных операций с учетом использования дополнительного навесного рабочего оборудования.

Технологические карты устройства земляного полотна представляют собой дальнейшую детализацию проекта организации работ. Их составляют на отдельные участки земляного полотна, имеющие свои особенности в организации работ. При расстановке машин по захваткам необходимо полнее загружать работой каждую машину. При неполной загрузке какой-либо машины на отдельной захватке она должна быть использована на другой.

Исходными данными для разработки технологической карты являются:

а) длина захватки b, равна или кратна скорости потока V;

б) темп потока при выполнении подготовительных работ (расчистка полосы, проведение мероприятий по осушению переувлажненных грунтов, устройство землевозных путей и временных дорог, заготовка мохоторфа для устройства теплоизоляционных слоев и присыпок и т.д.);

в) темп потока основных работ (послойная отсыпка, уплотнение насыпи и т.д.);

г) темп потока отделочных работ (профилирование земполотна, теплоизоляция откосов, рекультивация земель и т.д.);

д) средние дальности перемещения грунта при снятии мохорастительного слоя, сооружении земляного полотна и рекультивации земель, занятых резервами и грунтовыми карьерами.

На участках, где земляное полотно запроектировано по первому принципу, подготовительные работы выполняют с соблюдением следующих правил. Расчистку дорожной полосы от леса, кустарника производят только в зимний период, чтобы исключить возможность нарушения мохорастительного покрова транспортными средствами и гусеницами тракторов. Просеку делают равной ширине насыпи по низу. Не разрешается корчевка пней на просеке и нарушение мохорастительного покрова на расстоянии ближе 100 м в обе стороны от границы дорожной полосы. На маревых и других обводненных участках во избежание просадки насыпи за счет протаивания льда производят очистку основания. На месте удаленного льда укладывают cлань из малоценного леса и кустарника.

В тех случаях, когда земляное полотно строят по второму принципу, расчистку полосы от леса производят в зимний период. Мохорастительный покров с площади резервов удаляют весной сразу после его протаивания (рис. 4.4.11).

Рис. 4.4.11. Схема удаления мохорастительного покрова с поверхности резервов при  сохранении  его  в  основании  насыпи:
I - насыпь, II - промежуточные валы мохорастительного покрова после продольного прохода бульдозера; III - мохорастительный покров, уложенный в валы по обе стороны резервов; IV - грунт резервов; 1...3 - последовательность работы бульдозеров

На участках, где земляное полотно запроектировано по третьему принципу, подготовительные работы можно выполнять круглогодично, а мохорастительный покров удаляют весной по мере его оттаивания.

При наличии переувлажненных грунтов на участках, запроектированных по второму и третьему принципам, проводят комплекс мероприятий по их заблаговременному осушению. Наименее трудоемким и экономически целесообразным является способ рационального (естественного) осушения грунтов.

В качестве дополнительных мероприятий, ускоряющих естественный процесс осушения грунтов, являются:

а) устройство водоотводных канав;

б) снятие мохорастительного слоя;

в) удаление снега с полосы резервов в весенний период;

г) рыхление грунта перед разработкой;

д) послойная разработка грунта в резервах по мере их просыхания.

Мохоторф для теплоизоляционных прослоек заготавливают весной, разрабатывая его сразу после протаивания и перемещения в валы для просушивания в течение всего лета.

Несцементированные обломочные грунты применяют в основном для возведения земляного полотна, запроектированного по первому принципу. При втором и третьем принципах проектирования несцементированные обломочные грунты применяют лишь в случаях, когда они являются местными.

Земляное полотно, запроектированное по первому принципу, возводят в зимний период с соблюдением следующих правил:

а) работы начинают после промерзания грунта основания на глубину не менее 30 см;

б) нижние слои насыпи на высоту до 0,5 м отсыпают по способу «от себя», а последующие - «на себя»;

в) временные дороги устраивают за пределами дорожной полосы на расстоянии не менее 100 м.

Соблюдение этих правил обеспечивает полное сохранение грунтов в мерзлом состоянии. Земляное полотно отсыпают в одну или две стадии. На первой стадии строительства (в зимний период) отсыпают нижние слои насыпи толщиной более 1,2 м. На второй стадии (в летний период) отсыпают верхние слои насыпи.

Глинистые грунты применяют при сооружении земляного полотна, запроектированного по второму и третьему принципам. Для разработки и перемещения грунтов в насыпь применяют бульдозеры, скреперы, экскаваторы с транспортными средствами (табл. 4.4.5).

Переувлажненные грунты в резервах разрабатывают бульдозерами повышенной проходимости после протаивания слоя на глубину 20...25 см. Порядок укладки грунта в насыпь устанавливают в зависимости от дальности его перемещения и поперечного уклона местности.

Для уменьшения потери грунта отвал бульдозера оборудуют открылками, которые позволяют значительно увеличить объем грунта, перемещаемого перед отвалом за один цикл, а это дает возможность примерно в 1,5 раза повысить производительность бульдозера. Применение козырьков исключает возможность пересыпания грунта через верх отвала. К недостаткам бульдозеров, отвалы которых оборудованы открылками и другими уширителями, относят уменьшение их маневренности и увеличение сопротивления грунтов резанию.

Длину фронта работ L при двусторонних резервах определяют по формуле

                                                                                                 (4.4.6)

где П - производительность бульдозера, м³/сутки;

В_p - ширина резерва, м;

h_г - толщина слоя талого грунта для бульдозера 0,20...0,25 м;

V_г - скорость протаивания грунта в резерве слоя 20...25 см/сутки.

При возведении насыпи из глинистых грунтов соблюдают следующие требования:

а) разработку резервов начинают с низовой стороны для обеспечения стока дождевых вод;

б) после перемещения грунта в насыпь производят его разравнивание с приданием поверхности уклона 30...50‰ от оси к бровкам;

в) дно и откосы резерва планируют, а валы мохорастительного покрова разравнивают сразу после окончания земляных работ.

Насыпи из местных глинистых грунтов возводят по типовым технологическим схемам с учетом особенностей, обусловленных местными условиями.

Выемки в глинистых грунтах разрабатывают после проведения мероприятий по осушению. Грунт в выемке разрабатывают в талом или мерзлом состоянии. Разработку выемок в глинистых грунтах бульдозерами, скреперами ведут по мере оттаивания грунта на глубину 20...25 см. Выемки разрабатывают с низовой стороны для стока дождевых вод.

Глава 5.
Планировочные и укрепительные работы

5.1. Планировка земляного полотна

Планировку земляного полотна производят для придания полотну правильной формы, отвечающей техническим и эстетическим требованиям, улучшению водоотвода и для обеспечения устойчивости.

Планировочные работы ведут вслед за основными работами по возведению насыпей или разработке выемок. Чтобы при планировке приходилось только срезать лишний грунт, а не присыпать недостающий, рекомендуется отсыпать насыпи с запасом грунта на откосах 5...10 см, а откосы выемок устраивать с недобором 10...15 см. Присыпка недостающего грунта нежелательна, так как его трудно уплотнить до требуемой плотности и обеспечить устойчивое объединение свежеприсыпанного грунта с уложенным и уплотненным ранее или с естественным грунтом откоса выемки. В тех случаях, когда намечено распределение по откосу растительного грунта для посева трав, запаса на планировку не делают.

Основными машинами для планировочных работ служат автогрейдеры с дополнительным навесным оборудованием: удлинителями и уширителями отвала и специальными откосниками, прикрепляемыми к отвалу с помощью болтов. Автогрейдерами планируют верхнюю часть земляного полотна, откосы насыпей высотой до 2,0 м и выемок глубиной до 2,0 м. Пологие откосы насыпей с заложением 1:3 и более планируют автогрейдером при непосредственном движении по ним (рис. 5.1.1).

Рис. 5.1.1. Схема планировки земляного полотна автогрейдером:
а - планировка поверхности земляного полотна; б - планировка откосов крутизной 1:3

Планировочные работы выполняют в следующей последовательности: вначале планируют поверхность земляного полотна и откосы, затем внешние откосы резервов, а в последнюю очередь - дно резервов, на котором разравнивают грунт, срезанный при планировке откосов. Планировку земляного полотна и откосов следует производить автогрейдерами, оборудованными системой автоматического управления отвалом, принцип работы которого основан на функционировании автоматической системы от датчиков, перемещающихся по специально установленной копирной струне, спланированной поверхности земляного полотна или работающим по лазерным направляющим.

Пологие откосы с заложением 1:3 и более можно планировать бульдозером при движении непосредственно по откосу перпендикулярно оси дороги сверху вниз. Крутые откосы с заложением менее 1:2 планируют автогрейдером или бульдозером, оборудованным удлинителем ножа с выносом его в сторону (рис. 5.1.2).

Рис. 5.1.2.Оборудование бульдозера и автогрейдера для планировки крутых откосов:
а - вынос ножа автогрейдера в сторону, б - удлинитель отвала бульдозера, 1 и 2 - секции удлинителя; a - угол, соответствующий уклону откоса

Откосы высоких насыпей и глубоких выемок планируют с помощью экскаваторов. При насыпях до 5...7 м целесообразно применять экскаватор - планировщик с телескопической стрелой (рис. 5.1.3), при большей высоте насыпей (до 14 м) - экскаватор с двухотвальным планировщиком (рис. 5.1.4) или драглайн с обычным ковшом. Планировку экскаваторами- планировщиками производят с верхней и нижней стоянок экскаватора, планировку экскаватором-драглайном - только с верхней стоянки.

Рис. 5.1.3. Планировка откосов экскаватором-планировщиком с телескопической стрелой:
а - планировка верхней части откоса; б - планировка нижней части откоса; А - первая зона планировки; В - вторая зона планировки

Рис. 5.1.4. Планировка откосов экскаватором с двухотвальным планировщиком:
а - планировка верхней части откоса; б - планировка нижней части откоса

При планировке откосов глубоких выемок срезаемый грунт должен быть вывезен за пределы выемки. При планировке резервов с разравниванием грунта, срезаемого с поверхности откосов, необходимо следить за тем, чтобы были точно выдержаны продольный и поперечный уклоны дна резерва и тем самым обеспечен водоотвод.

В процессе планировочных работ тщательно контролируют высотные отметки и крутизну откосов на всех пикетах, переломных и промежуточных точках, закрепленных при разбивке земляного полотна. Техническая характеристика экскаваторов-планировщиков приведена в табл. 5.1.1.

Таблица 5.1.1

Экскаваторы-планировщики

5.2. Укрепление земляного полотна

Откосы земляного полотна, а также дно и откосы кюветов и канав укрепляют для предохранения от размыва текущими поверхностными водами, а также во избежание повреждения откосов дождями и выдуванием грунтов ветром (особенно при мелкозернистых песках). Конструкцию укрепления выбирают в зависимости от рода грунта и сил воздействия природно-климатических факторов на земляное полотно с учетом технико-экономической эффективности различных укрепительных конструкций. При этом предпочтение отдают таким конструкциям укреплений, устройство которых возможно индустриальными способами.

Способ укрепления предусматривается проектом с учетом условий сооружения земляного полотна и возможного воздействия на него природных факторов в процессе эксплуатации дороги. При выборе типа укрепления исходят из необходимости надежного обеспечения устойчивости земляного полотна [12, 15].

Основным методом укрепления откосов насыпей, неподтопляемых водой, и откосов выемок является посев многолетних трав, обеспечивающий быстрое создание на откосе дернового покрова и надежное закрепление грунта корневой системой трав. Посев может быть осуществлен двумя способами: механизированным посевом трав по слою растительного грунта, уложенного на откосах; гидропосевом трав без предварительного создания растительного слоя на откосах.

При первом способе на откос укладывают растительный грунт слоем 10...15 см, а затем производят посев трав. Смесь семян многолетних трав, например, тимофеевка луговая, костер безосный, люцерна, высевают агрегатом АДТС-2, который перемещается по откосам драглайном или тракторным краном. Этот агрегат одновременно вносит минеральные удобрения, рыхлит комья растительного грунта, прикатывает засеянную поверхность. Производительность агрегата от 4000 до 9000 м² в смену в зависимости от высоты насыпи и глубины выемки.

Второй способ (гидропосев) предпочтителен, так как при этом отпадает трудоемкий процесс по созданию растительного слоя грунта на откосах. При гидропосеве применяют смесь, состоящую из семян трав, минеральных удобрений, мульчирующего материала, пленкообразующего компонента и воды. Мульчирующий материал (измельченная солома, опилки) и пленкообразующий материал (битумная эмульсия или латекс) создают на откосе благоприятные условия для роста и развития трав и предохраняют откос от водной и ветровой эрозии.

Для гидропосева применяют специальные машины типа ДЭ-16, состоящие из цистерны с лопастной мешалкой, насоса, шлангов и гидромонитора для разбрызгивания смеси по откосу. Производительность гидросеялки в среднем составляет около 4000 м² в смену.

Гидропосев многолетних трав следует производить на предварительно увлажненную поверхность откосов.

Когда требуется ускорить получение укрепительного слоя, производят одерновку откосов, т.е. поверхность грунта покрывают готовым дерном, срезанным с применением машины дернореза-дерноукладчика (сменное оборудование к гидравлическому экскаватору). При одерновке в клетку на откос укладывают дерновые ленты в двух взаимно перпендикулярных направлениях с последующей засыпкой клеток между лентами растительным грунтом. При сплошной одерновке плашмя дернины укладывают горизонтальными рядами от подошвы насыпи к бровкам с размещением швов между дернинами в перевязку. Дерн на откосах закрепляют деревянными спицами.

Способ укрепления откосов одерновкой в настоящее время применяется крайне редко ввиду его большой трудоемкости.

В районах, где климатические и почвенные условия не позволяют укреплять неподтопляемые откосы посевом трав, их укрепляют укладкой слоя гравия или щебня толщиной 10...15 см. В засушливых районах для защиты песчаных насыпей от развевания ветром на откосы укладывают слой связного грунта (глина с добавлением песка). В этом случае по низу откосов устраивают дренажные выпуски для выхода воды из тела насыпи.

Для укрепления песчаных грунтов применяют органические вяжущие материалы: битум, деготь, нефтяные остатки и отходы промышленности. Откосы обрабатывают путем розлива вяжущих или распределения по откосу предварительно приготовленной смеси из обработанного грунта.

Одно из перспективных направлений укрепительных работ - использование в откосах или на их поверхности прослоек из геотекстиля. Для укрепления откосов земляного полотна используют как сплошной геотекстиль, так и мелкоячеистый, при использовании которого предусматривается покрытие откоса растительным грунтом с последующим посевом трав.

Конструкции укрепления из геотекстиля могут быть защитными и несущими. Их использование предполагает широкую комбинацию с применением естественных материалов (засыпка грунтом, посев трав, каменная наброска и др.) и искусственных (сборные плиты, решетчатые конструкции и др.).

Применение геотекстиля для укрепления откосов основано на использовании их в качестве армирующего грунт поверхностного слоя (или более глубокой части откоса) элемента или фильтра. При этом в зависимости от вида, назначения и условий работы конструкции укрепления прослойки из геотекстиля выполняют роль покрытия (сплошного или мелкоячеистого), защищающего откос от водной или ветровой эрозии, армирующего элемента, повышающего устойчивость откосов, а также роль обратного фильтра и фильтра, предотвращающего вынос частиц грунтовыми водами.

Для защиты неподтапливаемых откосов от водной и ветровой эрозии геотекстиль расстилают по всей поверхности откоса в виде сплошного покрытия. Верхний край выводят на обочину и далее до укрепительной полосы. Нижний край закрепляют у подошвы насыпи.

В тех случаях, когда необходимо повысить устойчивость откосов или увеличить крутизну, геотекстиль располагают в пределах откосной части насыпи в виде многослойного армирующего элемента (рис. 5.2.1). Такую конструкцию целесообразно сочетать с поверхностной защитой от размыва путем вывода свободных концов полотна на откос с последующим засевом их поверхности гидропосевом или устройством засыпки. Глубина закладки полотен в тело насыпи определяется расчетом в зависимости от необходимой степени обеспечения устойчивости.

Рис. 5.2.1. Поперечные разрезы земляного полотна с откосами, укрепленными геотекстилем:
а - армирование откоса; б - то же, и защитной поверхности откоса:
1 - покрытие; 2 - обочина; 3 - геотекстиль

Укрепление откосов высоких насыпей с заложением откосов от 1:2 до 1:3 нередко осуществляют с использованием сборных железобетонных элементов решетчатой конструкции. Работы по укреплению откосов производят в следующей технологической последовательности: подготовка откосов - планировка и уплотнение; устройство бетонного упора у подошвы откоса; монтаж железобетонных элементов решетчатой конструкции; заполнение клеток растительным грунтом с посевом трав (клетки могут быть заполнены также щебнем или гравием).

Монтаж решетчатой конструкции укрепления из сборных элементов осуществляют снизу вверх. Подачу деталей производят краном; места стыковки омоноличивают; грунт, гравий или щебень для заполнения ячеек подают также краном.

Решетчатая конструкция с диагональным расположением элементов разработана СоюздорНИИ для защиты откосов от эрозийных деформаций (показана на рис. 5.2.2.)

Рис. 5.2.2. Решетчатая конструкция с диагональным расположением элементов:
а - поперечный разрез укрепления насыпи; б - вид сбоку:
1 - продольный элемент; 2 - диагональный элемент

Кроме сборных решетчатых конструкций, для укрепления неподтопляемых откосов применяют укладку гравия или щебня слоем 10...15 см. После распределения и разравнивания этого материала на откосе производят его уплотнение с помощью площадочных вибраторов или катков, монтируемых на тросах к экскаватору-драглайну.

Укрепление скальных откосов в выемках и полувыемках, подверженных естественному разрушению, выполняют методом пневмонабрызга бетоношприцмашиной. При этом способе на поверхность откоса с помощью сжатого воздуха распределяют известково-гипсовую, цементо-песчаную или цементобетонную смесь. Пневмонабрызг позволяет укладывать смесь без опалубки и не требует последующего уплотнения смеси. Толщина наносимого слоя различна.

Применяют конструкции:

- облегченные толщиной 25 мм;

- средние - 40...60 мм;

- усиленные до 100 мм (с металлической сеткой);

- мощные толщиной более 100 мм с металлической сеткой и закреплением анкерами.

Технология работ включает: подготовительные работы; нанесение смеси на откос; уход за покрытием.

Подготовительные работы состоят из приготовления смеси и подготовки самого откоса. Поверхность откоса планируют и удаляют отдельные крупные включения. Если конструкция укрепления предусматривает применение металлической сетки (арматуры), то ее навешивают на откос и закрепляют анкерами. Перед нанесением смеси на откос его предварительно увлажняют. Рабочую смесь наносят на откос снизу вверх. Основное оборудование для пневмонабрызга монтируют на автомобильном прицепе. Уход за укрепленным откосом осуществляют путем его увлажнения.

На подтопляемых участках при возможности интенсивного размыва (например, на подходах к мостам, на поймах рек, вблизи озер, морей и крупных водохранилищ и др.) на откосах создают прочную неразмываемую облицовку из готовых сборных элементов - бетонных и железобетонных плит, монолитного железобетона. Применение этих способов укрепления возможно при крутизне откоса не более 1:2.

Бетонные плиты размером в плане 100´100 см и толщиной 16...20 см (рис. 5.2.3) рекомендуется укладывать на откосы при возможной скорости течения воды до 3 м/с и высоте волны не более 0,7 м. Плиты укладывают горизонтальными рядами снизу вверх по откосу с перевязкой швов. У подошвы откоса устраивают бетонный упор из сборных элементов сечением 40´50 см. Под плитами устраивают гравийную или щебеночную прослойку толщиной 10...20 см.

Рис. 5.2.3. Укрепление откоса подтопляемой насыпи бетонными плитами:
1 - бетонные плиты; 2 - слой щебня или гравия толщиной 10...20 см; 3 - бетонный упор; 4 - каменная наброска; 5 - укрепление гравием, щебнем или посевом трав

На участках трассы с меньшей вероятностью подтопления и малой скоростью течения воды для укрепления откосов применяют плиты меньших размеров в плане 40´40...60´60 см, толщиной 8...10 см.

Для укрепления откосов постоянно или периодически подтопляемых насыпей при высоте волны до 1,0...1,5 м применяют сборные железобетонные плиты размером в плане 3,0´2,5 м и толщиной 15...20 см, армированные стальными сетками. Плиты укладывают на обратный фильтр, состоящий из трех слоев: песка (10 см); мелкого щебня или гравия (10 см) и крупного гравия или щебня (15 см). У подошвы откоса устраивают упорную призму из камня. Плиты соединяют стальными хомутами, надеваемыми по одному на каждую сторону плиты, на крюки, загибаемые на выпусках арматуры или путем сварки этих выпусков.

При большей высоте волны (до 3 м) откосы укрепляют сборными железобетонными плитами, омоноличенными по контуру с помощью железобетонных подкладок и стальных закладных деталей, или монолитными железобетонными плитами размерами в плане 5,0´5,0 до 10,0´10,0 м и толщиной от 15 до 30 см.

Монолитные плиты укладывают на подготовку из гравия или щебня толщиной 15 см. У подошвы откоса устраивают каменный или бетонный упор. Плиты армируют сетками. Бетонирование ведут сверху вниз горизонтальными рядами. Бетонную смесь к месту укладки подают автомобильным краном в бадьях с разгрузочными затворами. Для уплотнения бетона применяют виброрейки, площадочные и глубинные вибраторы.

В районах, где имеются местные дешевые каменные материалы, подтопляемые откосы от размыва можно защищать каменной наброской. Этот способ укрепления откосов широко распространен благодаря его простоте и возможности полной механизации работ по добыче камня в карьерах, его транспортированию и укладке в дело. Каменную наброску укладывают на подготовку, устраиваемую из местных песчано-гравийных материалов.

Размер камня, толщина наброски и подготовки под нее предусматриваются проектом в зависимости от скорости течения воды и высоты воды.

Способ укрепления подтопляемых откосов мощением камнем имеет в настоящее время ограниченное распространение из-за его трудоемкости. Этот способ применяют главным образом при выполнении ремонтных работ небольшого объема. Камни (обычно размером 15...20 см) кладут снизу вверх по откосу горизонтальными рядами на слой мха, соломы или песка толщиной 5...10 см. У подошвы откоса устраивают упорную берму шириной не менее 1,0 м из более крупного камня. Мощение должно быть настолько плотным, чтобы отдельные камни нельзя было вытащить рукой.

Как видно из вышеизложенного, конструкции укрепления подтопляемых откосов весьма разнообразны. В современных условиях применяют преимущественно такие, детали которых можно изготовить индустриальным методом и укладывать с применением машин.

Основными условиями, определяющими конструкцию укрепления подтопляемых насыпей, являются скорости течения воды, а также сила и направление волнения воды при ветре (табл. 5.2.1).

Конструкции укрепления откосов выбирают на основе технико-экономического сравнения вариантов с учетом природно-климатических факторов, наличия местных материалов и других условий.

Таблица 5.2.1

Допустимые средние (неразмывающие) скорости воды при различных укреплениях грунта, м/с

5.3. Контроль качества земляного полотна и правила его приемки

До начала работы по возведению земляного полотна проверяют соответствие принятых в проекте показателей состава (крупность частиц, пластичность глинистых грунтов) и состояния (влажность, плотность) грунта в карьерах, резервах, выемках с фактическими характеристиками грунтов.

При операционном контроле качества сооружения земляного полотна проверяют:

- правильность размещения осевой линии земляного полотна в плане и высотные отметки;

- толщину снимаемого плодородного слоя грунта;

- плотность грунта в основании земляного полотна;

- влажность отсыпаемого в насыпь грунта;

- толщину уплотняемых слоев;

- однородность грунта в слоях насыпи;

- плотность грунта в слоях насыпи;

- ровность поверхности;

- поперечный профиль земляного полотна (расстояние между осью и бровкой, поперечный уклон, крутизну откосов);

- правильность выполнения водоотводных и дренажных сооружений, укрепления откосов и обочин.

Проверку правильности размещения оси земляного полотна, высотных отметок, обочин, водоотводных и дренажных сооружений и толщин слоев следует производить не реже чем через 100 м (в трех точках на поперечнике) с помощью геодезических инструментов и шаблонов.

Для контроля высотных отметок земляного полотна можно использовать лазерный измерительный прибор ПИЛ - 1 (рис. 5.3.1) [1, 2].

Рис. 5.3.1. Схема установки ПИЛ-1:
1 - измерительная рейка; 2 - фотоприемник; 3 - регистр результатов измерений (стрелочный прибор); 4 - лазерный передатчик; 5 - штатив; 6 - блок питания

Во время работы фотоприемник 2 перемещают вдоль рейки 1 до появления показаний на стрелочном приборе 3, после чего снимают отсчет со шкалы рейки. Применение ПИЛ - 1 позволяет повысить точность измерений и увеличить производительность труда геодезистов.

Проверку крутизны откосов выполняют с помощью переносных лекал-шаблонов. Для оперативного контроля качества планировки откосов и определения высоты земляного полотна можно воспользоваться способом, предложенным Н.А. Михайленко. Сущность его заключается в том, что эклиметром и рейкой можно заменить использование шаблонов и геодезических инструментов. При проверке крутизны заложения откоса и высоты насыпи на откос укладывают рейку 1 длиной не менее 3,0 м, к ней прикладывают эклиметр 2 и измеряют угол наклона a (рис. 5.3.2).

Рис. 5.3.2. Схема контроля крутизны откоса насыпи:
1- рейка; 2 - эклиметр

Рейкой измеряют длину откоса насыпи l, высоту насыпи (глубину выемки) рассчитывают по формуле

h = l · sina,                                                                                                                  (5.3.1)

С помощью рейки выявляют неровности на поверхности откосов и устанавливают маяки для срезки или подсыпки грунта.

При контроле ведут журнал, в который записывают дату проверки, проектные и фактические параметры земляного полотна и их отклонения, объемы выполненных работ, а также предложения по оценке качества контролируемых работ. По результатам контроля выполняют исполнительные чертежи земляного полотна. Результаты контроля используют для выявления отклонений фактических параметров земляного полотна от проектных.

В случае выполнения земельных работ дорожными машинами (автогрейдерами, профилировщиками) со следящей системой управления, обеспечивающей их высотное положение и автоматическое движение по заданному курсу, осуществляют контроль качества установки копирных струн на всех этапах этого процесса. Копирную струну устанавливают у бровки насыпи. Крепят ее на металлических стойках, устанавливаемых через 20...30 м друг от друга. Возвышение копирной струны над бровкой земляного полотна - 50...60 см. Опорные стойки и копирную струну устанавливают по нивелиру (рис. 5.3.3).

Рис. 5.3.3. Схема установки копирной струны для автоматического регулирования работы автогрейдера:
1 - стойка; 2 - лебедка; 3 - промежуточные стойки; 4 - копирная струна; 5 - растяжка; 6 - барабан

Применение различных автоматизированных систем должно гарантировать строгое соблюдение проектных геометрических элементов земляного полотна. Допустимые отклонения от проектных размеров земляного полотна приведены в табл. 5.3.1.

Таблица 5.3.1

Допустимые отклонения параметров земляного полотна от проектных значений

Приемку выполненных работ проводят в целях соответствия возведенного земляного полотна конструкции, предусмотренной в проекте, а также с целью проверки фактически выполненных объемов работ.

Без приемки земляного полотна (с участием представителей технического надзора заказчика, авторского надзора проектной организации и др.) с оформлением соответствующего акта не допускают работы по строительству конструктивных слоев дорожной одежды.

Приемка работ - это одно из мероприятий, способствующее повышению качества строительных работ. Приемку, как правило, производят в несколько этапов:

- приемка «скрытых работ»;

- промежуточная приемка законченных отдельных конструктивных элементов;

- приемка готового земляного полотна.

К «скрытым» относят работы, которые при последующем осуществлении конструкции будут скрыты и недоступны для внешнего осмотра, обмера или взятия проб для лабораторного анализа. К скрытым работам относят подготовку основания насыпи - удаление растительного грунта, уплотнение естественного основания под насыпью, устройство уступов на косогорах и др. Приемку скрытых работ осуществляют по мере их выполнения. До составления актов о приемке скрытых работ приступать к последующим работам не разрешается.

Промежуточные приемки законченных отдельных конструктивных элементов (дренажи, трубы, подпорные стенки, водоотводные канавы и др.) имеют цель установить количество и объем выполненных работ, соответствие их проектным решениям и техническим нормативам. При промежуточной приемке определяется возможность производства последующих работ. Промежуточные приемки законченных сооружений осуществляют по мере их готовности, однако ее можно делать и позже, если сооружение не будет скрыто последующими работами.

Приемку готового земляного полотна принимает комиссия в составе: представителя технического надзора заказчика, автора проекта или его представителя, руководителя строительного подразделения, выполнявшего работы и др.

Приемной комиссии представляют следующие документы:

- технический проект (или рабочие чертежи) принимаемого сооружения;

- акты на скрытые работы, выполненные ранее;

- акты геодезической разбивки и установки реперов;

- исполнительные (или рабочие) чертежи с отметкой о допущенных отступлениях от проектных решений;

- журналы и акты лабораторных испытаний;

- журналы производства работ.

В процессе работ по приемке комиссии руководствуются техническими правилами на рассматриваемый вид работ или конструкцию сооружения и утвержденными допустимыми отклонениями, которые обычно приводятся в соответствующих инструкциях и технических правилах, Некоторые данные, которыми следует руководствоваться при приемке земляного полотна, приведены в табл. 5.3.2.

Таблица 5.3.2

Параметры, используемые при оценке качества возведения земляного полотна, и условия их оценки

Примечание. Данные в скобках относятся и к работам, выполняемым с применением машин с автоматической системой задания вертикальных отметок.

Оценку качества устройства земляного полотна следует производить на основе расчета комплексного показателя по формуле

                                                                            (5.3.2)

где Р - комплексный показатель;

s₁...s₅ - соответственно оценка качества подготовки основания земляного полотна, возведения насыпей и разработки выемок, устройства водоотвода, присыпных обочин и укрепительных работ в баллах;

a₁...a₅ - коэффициенты значимости видов работ, принимаемые соответственно 0,7; 1,0; 0,8; 0,6; 0,7.

Оценку качества отдельных видов работ следует производить по результатам осредненных оценок степени соответствия параметров требованиям проекта и нормативных документов по формуле

                                                                                                              (5.3.3)

где S_i - оценка качества подготовки основания земляного полотна;

P_i - оценка степени соответствия i-го параметра требованиям проекта и нормативных документов, выраженных в баллах;

п - количество параметров, подлежащих оценке по каждому виду работ.

Например, качество подготовки основания земляного полотна оценено баллами: удаление плодородного слоя грунта - 5; плотность естественного основания подошвы насыпи - 4

Качество возведение насыпи: плотность слоев земляного полотна - 4; высота насыпи земляного полотна - 4; ширина земляного полотна - 5; поперечный уклон - 5; крутизна откосов - 4.

Оценку качества устройства земляного полотна определяют по формуле (5.3.2) в зависимости от значения показателя Р:

«отлично» при Р = 4,61...5,0;

«хорошо» при Р = 3,91...4,6;

«удовлетворительно» при Р = 3,0...3,9.

В случае, если земляное полотно возведено с малозначительными отклонениями параметров, не указанных в табл. 5.3.2, от требований технической документации, согласованными с проектной организацией и заказчиком, значение комплексного показателя Р, рассчитанного по формуле (5.3.2) для соответствующего вида работ, снижается на 0,25 (за каждый параметр). Если значение этого показателя получится меньше трех, данный вид работ оценивается на «удовлетворительно».

Если при оценки степени соответствия параметров по какому-либо виду работ требования проекта и нормативных документов не выполнены, то работы подлежат повторной приемке и оценке после переделки (исправления).

РАЗДЕЛ II
ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Глава 6.
Основы дорожно-строительных материалов

6.1. Свойства дорожно-строительных материалов

Дорожно-строительные материалы в период эксплуатации в сооружении (дорожная одежда, искусственные сооружения и другие) подвергаются воздействию внешних механических сил и физико-химических факторов окружающей среды. К внешним механическим воздействиям относят ударные и статические нагрузки транспортных средств, механическую работу воды, ветра и другие. К физико-химическим факторам относят колебания температуры воздуха, инсоляцию, атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые воды.

В зависимости от того, в каком элементе дорожной конструкции работают материалы, они по-разному подвергаются воздействию внешних сил и физико-химическим процессам окружающей среды. Так, атмосферные воды, попадая в отдельные слои дорожной одежды, могут нарушать структурные связи в материале, растворять и вымывать некоторые вещества. Минерализованные воды постепенно разрушают такие материалы, как грунтоцемент, цементобетон и др. Колебания температуры периодически изменяют внутренние напряжения в материалах, а также изменяют их состояние, что приводит к ослаблению структурных связей, появлению микротрещин, сдвигов под воздействием транспортных средств. С течением времени, под влиянием сложного комплекса механических, физических и химических факторов, строительные материалы в дорожных конструкциях постепенно разрушаются. Интенсивность разрушения определяется особенностями внешних воздействий, конструкцией дорожной одежды и свойствами материалов - объективными признаками, проявляющимися при производстве, применении и работе материалов в конструкциях. Пригодность материалов для конкретных условий определяют по их свойствам. Свойства материалов многообразны, что обусловлено, главным образом, их вещественным составом.

6.1.1. Физические свойства

Физические свойства характеризуют физическое состояние материала, а также определяют его отношение к физическим процессам окружающей среды. При этом физические процессы в материале не изменяют строение его молекул. Обычно к таким свойствам относят истинную плотность (удельный вес), среднюю плотность (объемную массу), насыпную плотность (насыпная масса), пористость, пустотность, влажность, водопоглощение, водонасыщение, усадку, огнеупорность, огнестойкость, светостойкость.

Истинная плотность - масса вещества материала в единице объема (без пор и пустот). Истинную плотность r_и выражают отношением массы материала в сухом состоянии к объему материала в абсолютно плотном состоянии. Истинную плотность выражают в кг/м³. Для определения истинной плотности хрупких материалов, обладающих пористостью, их тонко размельчают, получая частицы размером менее 0,25 мм. Истинная плотность основных дорожно-строительных материалов колеблется от 2500 до 3300 кг/м³.

Средняя плотность (объемная масса) - масса единицы объема материала в естественном состоянии (с порами, пустотами, микротрещинами и т.д.). Средняя плотность строительных материалов меньше истинной плотности. Чем меньше пористость материала, тем ближе значение средней плотности к истинной плотности.

Насыпная плотность (насыпная масса) - масса единицы объема материала в рыхлом состоянии, Насыпная плотность включает, кроме пор, пустот и трещин в зернах материала, пустоты между зернами. Чем больше средняя плотность материала, тем меньше его пористость и лучше он проводит тепло, звук и т.д.

Таблица 6.1.1

Плотность строительных материалов

Пористость характеризует количество пор и микротрещин в единице объема материала

                                                                                                   (6.1.1)

где r_с - средняя плотность материала, кг/м³;

r_и - истинная плотность материала, кг/м³.

Пористость в значительной мере обуславливает физические, механические и другие свойства материалов. Чем больше пористость, тем меньше прочность и теплопроводность, больше водо- и газопроницаемость. Опытный инженер по пористости ориентировочно может определить многие свойства материалов.

Пустотность - характеризует объем пустот между зернами рыхлого материала

V_пуст = (1 - r_н /r_и)·100,                                                                                                (6.1.2)

где r_н - насыпная плотность материала, кг/м³;

Влажность - содержание воды в единице объема или массы в процентах:

W_о = (m_в - m_c)/V·100 или W_m =( m_в - m_c)/m_в·100,                                                      (6.1.3)

где m_в и m_c - масса влажного и сухого образца материала, г;

V - объем материала, см³.

Природная влажность материала зависит от его гигроскопичности, т.е. способности материала поглощать водяной пар из влажного воздуха за счет адсорбации пара на внутренней поверхности пор и капилляров. Чем больше внутренняя поверхность материала, тем больше гигроскопичность, а следовательно, и природная влажность. Для древесины она - 12...18 %, для стеновых каменных материалов - 4...7 % по массе.

Водопоглощение - количество воды, которое может поглотить погруженный в воду материал, а затем удержать его молекулярными и капиллярными силами при атмосферном давлении.

Средняя плотность (объемная масса) материала одного и того же состава зависит от влажности и пористости материала (рис. 6.1.1). С увеличением пористости, а следовательно и влажности, средняя плотность увеличивается.

Водонасыщение определяется количеством воды, которое может поглотить материал при вакууме или повышенном давлении. В этом случае из открытых пор вытесняется воздух, вследствие чего материал насыщается водой больше, чем при атмосферном давлении. Водопоглощение и водонасыщение изменяются в пределах: у гранита от 0,02 до 0,7, у асфальтобетона - от 2 до 5, у кирпича - от 8 до 15 %.

 

Рис. 6.1.1. Зависимость средней плотности известняков r_ср от их водопоглощения W

Усадка - изменение размеров материала при его высыхании.

Набухание - увеличение объема материала при насыщении его водой.

Многократное высыхание и увлажнение материала ускоряет его разрушение.

Водонепроницаемость - способность материала не пропускать воду. Водонепроницаемость тесно связана с естественной влажностью материала, водопоглощением и водонасыщением.

Теплопроводность - способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникший вследствие разности температур на поверхностях, ограничивающих материал. Коэффициент теплопроводности колеблется от 0,06 (минеральная вата) до 58 (сталь), для кирпича он равен 0,82, для бетона - 1,28...1,55, для гранита - 2,92.

6.1.2. Механические свойства

Механические свойства - способность материала сопротивляться деформированию и разрушению под действием напряжений, возникающих в результате приложения внешних сил.

Нагрузки вызывают в материалах нормальные (растягивающие, сжимающие) и касательные напряжения, обуславливающие процессы деформирования материала. К основным показателям, характеризующим механические свойства, относят: прочность, упругость, пластичность, хрупкость, ползучесть.

Прочность - важнейшее свойство материала, в большинстве случаев, определяет возможность его использования в строительной конструкции. Показатели прочности в значительной степени являются условными. Они зависят от размера и формы образца, скорости его нагружения и других факторов. Поэтому методика определения прочности строительных материалов строго регламентируется нормативно-техническими документами. Прочность материала измеряется мегапаскалями (МПа).

Прочность при сжатии стандартного образца в форме куба определяют по формуле

R_к = Р/а² , МПа,                                                                                                          (6.1.4)

где Р - разрушающее усилие, кг;

а - размер ребра куба (для бетона 15´15´15), см.

Прочность при сжатии стандартного образца в виде цилиндра

R_ц = 4P/pd²,                                                                                                                (6.1.5)

где d - диаметр цилиндра (для испытания бетона принять цилиндр диаметром d = 15 см и высотой h = 30 см).

Наиболее прочными являются металлы, например, сталь (150...500 МПа), прочность гранита при сжатии - 120...150 МПа, при растяжении - менее 10 МПа. Прочность бетона при сжатии изменяется от 1 до 100 МПа, а при растяжении их прочность в 10...15 раз меньше. Прочность асфальтобетонов при сжатии - 5...7 МПа (температура при испытании - 20...25°С).

Предел прочности бетона на растяжении при изгибе определяют на балочке в виде призмы размером 15´15´60 см по формуле

R_р.и. = pl/bh², МПа,                                                                                                      (6.1.6)

где l, b, h - соответственно, длина, ширина и высота балочки, см.

Упругость выражается в восстановлении первоначальной формы и объема образца после прекращения действия внешних сил.

Вязкость - свойство твердых тел под воздействием внешних сил необратимо поглощать механическую энергию при пластической деформации. Абсолютно упругих и абсолютно вязких материалов нет, все дорожно-строительные материалы обладают в той или иной степени упругостью и вязкостью.

Упругость и вязкость материала характеризуется, соответственно, модулем упругости и коэффициентом вязкости:

Е = s/e,                                                                                                                       (6.1.7)

h = s : de/dt,                                                                                                               (6.1.8)

где Е, h - модуль упругости и коэффициент вязкости;

s - напряжение, МПа;

e, de/dt - относительная деформация и скорость изменения относительной деформации, С^-1.

Пластичность - способность материала необратимо деформироваться под влиянием действующих на него усилий без разрыва сплошности (образования трещин).

Хрупкость - свойства материалов под влиянием внешних сил разрушаться, не давая остаточных пластических деформаций. Хрупкость противоположна пластичности. Хрупкость и пластичность материалов зависят от температуры и режима нагружения. Например, битумы хрупки при пониженной температуре и быстро нарастающей нагрузке, пластичны при медленно действующей нагрузке и повышенной температуре. Хрупкие материалы плохо сопротивляются напряжению, динамическим и повторным нагрузкам.

Ползучесть - способность материалов длительно деформироваться под действием постоянной нагрузки. Ползучесть материалов возрастает с уменьшением их вязкости, поэтому большей ползучестью обладают вязкие пластичные материалы (например, асфальтобетон) и меньшей - хрупкие, упругие материалы (например, цементобетон).

6.1.3. Химические свойства

Химические свойства материала определяют его способность вступать в химические взаимодействия с веществами среды, в которой он находится, при этом появляются новые вещества. К химическим свойствам можно отнести: растворимость, коррозийную стойкость, атмосферостойкость, твердение, адгезию и др.

Химические свойства учитывают при оценке пригодности материала для тех или иных целей в строительстве.

Растворимость - способность образовывать истинные растворы в результате взаимодействия материала с водой или с другими растворителями. Строительные материалы, в большинстве случаев, должны быть нерастворимы в условиях их эксплуатации.

Коррозийная стойкость - свойства материала не разрушаться в агрессивных средах. Наиболее стойкими по отношению к агрессивным средам являются керамические материалы. Неустойчивы в кислой среде известняки, доломиты, древесина, портландцементы; к щелочной среде - древесина, битумы.

Атмосферостойкость - свойство материала не разрушаться под воздействием климатических условий. С атмосферостойкостью материала часто связана его склонность к старению вследствие протекания в нем физико-химических процессов и ухудшения свойств. Старение характерно для битумов, асфальтобетонов.

Твердение - свойство материалов затвердевать в результате химических и физико-химических процессов и приобретать ряд новых свойств - сопротивляемость различным по виду и характеру нагрузкам, агрессивным воздействиям внешней среды. Твердение обычно оценивают показателями прочности и их изменением во времени.

Адгезия - свойство одного материала прилипать к поверхности другого. Измеряют адгезию прочностью сцепления при отрыве одного из них от другого. Адгезия имеет важное значение в технологии изготовления материалов и конструкций.

6.1.4. Конструкционные свойства

Они обуславливают возможность создания из материала конструкций с заданными механическими свойствами. К этой группе относят твердость, истираемость, износ и т.д.

Твердость - способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого материала. От твердости зависит, в частности, истираемость поверхности слоев дорожных покрытий. Твердость каменных материалов можно определить по шкале твердости (табл. 6.1.2).

Таблица 6.1.2

Шкала твердости

Истираемость - способность материала уменьшаться в массе и объеме под действием истирающих усилий. Истираемость определяют на стандартных машинах, вычисляя массу истертого образца к его площади (г/см²). Истираемость имеет большое значение для строительных материалов, используемых в дорожных покрытиях.

Износ - свойства материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Износ определяют на образцах, которые испытывают во вращающихся барабанах со стальными шарами. Показатель износа - потеря массы образца (%) в процессе испытания.

Истираемость щебня (гравия) оценивают путем испытания в полочном барабане. Количество чугунных или стальных шаров в барабане, а также количество оборотов барабана назначают в зависимости от размера испытуемого материала (табл. 6.1.3).

Таблица 6.1.3

Количество шаров и оборотов барабана

Класс щебня (гравия) по истираемости оценивают по потере в массе. Скорость вращения барабана - 30 оборотов в мин. (рис. 6.1.2).

                                                                                                       (6.1.9)

где И - показатель истираемости;

Р₁ - масса щебня (гравия) до испытания;

Р₂ - масса щебня (гравия) после просеивания пробы, прошедшей испытание.

Рис. 6.1.2. Полочный барабан для определения прочности при износе: 1 - полка

По потере массы при износе (истирании) в полочном барабане щебень подразделяют на очень прочный (износ менее 20 %), прочный - 21...30 %, средней прочности - 31...45 %, слабый - 46...55 %, очень слабый - более 56 %.

Коэффициент конструктивного качества (удельная прочность) материала представляет собой отношение прочности (МПа) к средней плотности. Лучшие конструктивные материалы имеют высокую прочность при малой и средней плотности, что способствует созданию легких конструкций. У сплавов из алюминия коэффициент конструктивного качества превышает 250, бетонов - 12...25, кирпича - 5...6.

6.1.5. Технологические свойства

Они характеризуют поведение материалов при технологических процессах, их обработке и переработке (например, буримость, дробимость горных скальных пород; формуемость, слеживаемость, нерасслаиваемость бетонных смесей; вязкость жидкообразных минералов и смесей, твердение, адгезия и др.). По технологическим свойствам судят о возможности переработки и получения доброкачественной продукции из исходных материалов при принятой технологии и имеющемся техническом оборудовании.

Очень часто не представляется возможным определить ту или иную характеристику материала, необходимую для расчетов в технологических и эксплуатационных процессах, точными методами физики, механики и химии. Поэтому в практике используют условные показатели, которые определяют приближенными методами.

Например, вязкость битумов трудно измерить строгими физическими методами, поэтому предложено вязкость вязких битумов определять путем пенетрации (глубина погружения стандартной иглы в битум при температуре 25°С). Вязкость жидких битумов и дегтей определяют с помощью стандартного вискозиметра по времени истечения вяжущего через калиброванное отверстие 5 мм при 60°С.

Удобоукладываемость бетонных смесей - скорость переформования в секундах стандартного конуса из бетонной смеси в равновеликий цилиндр.

Формуемость - свойство смесей, составленных из различных компонентов, приобретать заданную форму при минимальных затратах средств.

Нерасслаиваемость - свойство смеси сохранять неоднородность при транспортировании и формовании.

Названные и многие другие свойства оцениваются количественно условными показателями, несогласующимися с принятой международной системой единиц. Поэтому эти показатели в разных странах неодинаковы, в большинстве случаев они нормированы в пределах одной страны, а иногда - в пределах отрасли.

6.1.6. Эксплуатационные свойства

Эксплуатационные свойства обуславливают работу материала в элементах дорожных конструкций на протяжении определенного отрезка времени. К этим свойствам относят долговечность, выносливость, морозостойкость и др.

Долговечность обусловлена способностью материала сопротивляться комплексному воздействию механических нагрузок, изменению температуры и влажности, действию растворов солей и др. Критерии долговечности материала комплексны, они зависят от его физических, механических и химических свойств.

Выносливость - способность материала многократно сопротивляться прилагаемым механическим воздействиям, которые ускоряют разрушение строительных материалов, вследствие чего ухудшается их долговечность. Выносливость обычно измеряется количеством нагружений, которое выдержал материал до разрушения.

С долговечностью материалов связывают выносливость.

Долговечность материалов также нормируется. Например, для железобетонных конструкций предусмотрены три степени долговечности: I - соответствует сроку службы не менее 100 лет; II - 50 лет; III - 20 лет. Часто долговечность материала характеризуется морозостойкостью.

Морозостойкость - способность материала при попеременном замораживании и оттаивании не проявлять заметных признаков разрушения. Более интенсивно проявляется воздействие переменных температур на водонасыщенные каменные материалы. В этом случае вода, находящаяся в порах и микротрещинах, замерзая при понижении температуры, переходит в твердое состояние и увеличивается в объеме примерно на 10 %. Возникающее давление льда при многократном повторении замораживания-оттаивания постепенно разрушает материал.

Чем меньше кристаллы, больше плотность и меньше открытых пор, тем выше морозостойкость. Чем меньше диаметр пор, тем ниже температура замерзания воды, заключенной в них. Так, при диаметре капилляра 1,5 мм, температура замерзания воды - 6,4°С, прим 0,06 мм - 18,4°С.

В зависимости от климатических условий, в которых будет работать материал, к нему предъявляют различные требования по показателю морозостойкости, определяемой количеством циклов попеременного замораживания и оттаивания до разрушения материала. Часто коэффициент морозостойкости определяют как отношение показателя прочности материала в водонасыщенном состоянии после испытания на морозостойкость к показателю прочности до испытания.

6.2. Природные каменные материалы

Природные каменные материалы, являясь продуктом механической переработки горных пород, отличаются от последних формой и размерами, а также состоянием поверхности раскола отдельностей. Поэтому, их свойства зависят от состава исходной горной породы и ее состояния (трещиностойкости, степени выветривания и др.). Природные каменные материалы получают из скальных и обломочных горных пород, в соответствии с ГОСТ 8267-93.

Скальные горные породы с жесткими структурными связями обладают достаточно высокой прочностью и залегают в земной коре в виде массивов или трещиноватых слоев.

Обломочные горные породы - рыхлые (сыпучие), состоят из обломков скальных горных пород без прочных связей между ними и залегают в виде скоплений.

В зависимости от назначения и условий, в которых будет работать материал, применяют дробленые материалы (щебень, высевки), а также колотые (бутовый камень, шашку для мощения и др.).

К природным обломочным горным породам относят валунный камень, гравий и песок, которые уже в естественном виде могут быть использованы в строительстве.

6.2.1. Горные породы, их происхождение и классификация

Наибольшее применение в дорожном строительстве получили горные породы магматического, осадочного и метаморфического происхождения.

Магматические (изверженные) горные породы по химическому составу характеризуются содержанием, главным образом, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, калия и натрия. Основными породообразующими минералами изверженных горных пород являются: кварц, полевые шпаты, слюды и др. Характерной особенностью химического состава изверженных пород является содержание в них кремнезема в свободном или связанном состоянии. По содержанию кремнезема эти породы делят на кислые, средние и основные. В кислых породах (группа гранитов) содержание кремнезема доходит до 65...75 %, в средних (группа сиенита и диорита) - от 52 до 65, в основных (группа габбро) - от 40 до 52 %. Характеристика магматических (изверженных) пород приведена в табл. 6.2.1.

Таблица 6.2.1

Характеристика магматических (изверженных) горных пород

Осадочные горные породы залегают в верхних слоях земной коры. В общей толще земной коры осадочные породы составляют примерно 5 %. Скальные горные породы осадочного происхождения (известняки, доломиты, гипс, ангидрит, песчаники, конгломераты, брекчии), в отличие от магматических, в той или иной мере растворимы в воде и снижают свою прочность при водонасыщении, за исключением сцементированных пород с кремнистым цементом.

Осадочные породы органогенного происхождения образовались в результате уплотнения и цементации отмерших организмов, отличаются значительной пористостью и многие из них растворяются в воде.

В дорожном строительстве используют карбонатные (известняки, мел, известняки-ракушечники) и кремнистые (диатомиты, трепелы, опоки) органогенные осадочные породы.

Осадочные породы химического происхождения образовались в результате выпадения из растворов химических осадков. Наиболее распространенными являются доломиты, магнезиты, известняковые туфы, гипс, ангидрит. Для осадочных пород химического происхождения характерна растворимость в воде и наличие пустот и трещин. Характеристика осадочных пород приведена в табл. 6.2.2.

Таблица 6.2.2

Характеристика осадочных горных пород

Метаморфические горные породы образовались в результате изменения магматических (изверженных) и осадочных горных пород под влиянием высокой температуры, давления, химически активных веществ. В результате метаморфизма первичные породы в большей или меньшей степени могут изменять текстуру, минералогический, а иногда и химический составы. Метаморфизация изверженных пород, как правило, ухудшает их физико-механические свойства. Метаморфизация осадочных пород, наоборот, улучшает механические свойства. К наиболее часто встречающимся в недрах земной коры метаморфическим породам относят гнейсы, кварциты, мрамор.

Гнейсы - горные породы грубо- или тонкосланцеватой и ленточной текстур, получившиеся в результате видоизменения гранитов, гранодиоритов и др. В гнейсах минералы как бы сжаты и располагаются параллельно некоторой плоскости, что обуславливает неодинаковые их свойства в разных направлениях. Обычно гнейсы в направлении, перпендикулярном к сланцеватости, обладают значительной прочностью при сжатии (150...200 МПа), но наличие хорошо выраженной сланцеватости в ряде случаев несколько ограничивает область применения в дорожном строительстве. При дроблении гнейсов на щебень образуется заметное количество плоских и вытянутых щебенок, что снижает качество щебня.

Кварциты - равномерно кристаллическая, плотная горная порода, состоящая из мелких зерен кварца, сцементированных кремнистым веществом. При этом цементирующее вещество отличимо (без микроскопа) от зерен кварца. Кварциты характеризуются большой плотностью, прочностью, хрупкостью и твердостью, при разломе они образуют гладкую поверхность с острыми режущими ребрами. Кварциты используют для строительных работ в виде бутового камня, щебня, реже - шашки для мощения.

Мрамор - плотный кристаллический известняк, состоящий, в основном, из тесно сросшихся кристаллов кальция (кальцитовый мрамор). Часто в мраморах наблюдаются примеси магнезита. Иногда эта примесь настолько значительна, что порода носит название доломитового мрамора. Цвет чистого мрамора - белый, но в зависимости от примесей он может быть красным, серым, черным и др. Вследствие высоких механических свойств (прочность при сжатии от 50 до 100 МПа) и красивого рисунка, мрамор применяют для различных отделочных и декоративных работ. Разновидности мрамора, непригодные для изготовления штучных изделий, а также отходы при обработке дробят для получения мраморной крошки и порошка, которые применяют как заполнители в мозаичных и асфальтобетонных работах в качестве минерального порошка.

6.2.2. Обломочные горные породы

К обломочным горным породам или механическим отложениям относят продукты выветривания изверженных, метаморфических или ранее образованных осадочных пород. Различают рыхлые и сцементированные обломочные породы.

По крупности окатанных обломков рыхлые горные породы условно делят на валуны, гальку, гравий, песок.

Валунный камень - грубокатанные, преимущественно округлой формы, обломки скальных пород размером более 100 мм. Валуны размером до 250 мм называют сырцом, так как их можно применять для дорожных работ (например, мощения) без дополнительной обработки. Более крупные валуны используют для получения шашки, щебня.

Галька представляет собой окатанные водой обломки горных пород размером от 100 до 70 (40) мм. Она обладает теми же свойствами, что и мелкий валунный камень. Качество гальки обуславливается петрографическим составом породы, крупностью и формой обломков, а также степенью выветривания. Гальку применяют для устройства оснований, дренажей, но чаще измельчают и используют как щебень.

Гравий - рыхлая горная окатанная порода размером частиц от 5 (3) до 70 мм.

В природе в чистом виде гравий встречается редко. Если в гравии содержится более 50 % песчаных частиц, то смесь называют песчано-гравийной (ПГС), а если менее 50 % - гравийно-песчаной (ГПС).

По зерновому составу для устройства оснований используют ПГС до 70 мм, а для устройства покрытий - до 40 мм.

Основные показатели, характеризующие механические свойства гравия, приведены в табл. 6.2.3...6.2.5.

Таблица 6.2.3

Марка по дробимости щебня из гравия и гравия

Таблица 6.2.4

Марка гравия по истираемости

Таблица 6.2.5

Морозостойкость

Добытый в карьере гравий (рядовой) может содержать различное количество мелкозема. Крупный рядовой гравий состоит из зерен 5...70 мм, а средний рядовой - 5...40 мм. Карьерный гравий после перегрохотки и отделения песка называют сортовым. Его разделяют на следующие фракции:

крупный - 70...40 мм;

средний - 40...20 мм;

мелкий - 20...10 мм;

мелкозем - 10...5 (3) мм.

Гравийный материал применяют для устройства гравийных оснований и покрытий, дренажных сооружений, в качестве крупного заполнителя в цементобетоне. Гравий, имеющий марку по дробимости не выше 16, может быть использован для приготовления асфальтобетонных смесей II марки типа В и III марки типа Б, В.

Песок - рыхлая зернистая порода, образованная в результате естественного разрушения горных пород, крупностью зерен до 5 (3) мм. В песке иногда имеются частицы мельче 0,55 мм, которые называют пылеватыми (0,05...0,0005 мм) и глинистыми (мельче 0,0005 мм).

Качество песка для строительных работ определяют минералогическим составом, формой зерен, зерновым составом, содержанием пылевато-глинистых частиц, плотностью, пустотностью, фильтрационной способностью, влажностью и содержанием органических примесей.

В дорожном строительстве используют песок природный и дробленый, получаемый путем дробления горных пород. Разделение песка по зерновому составу приведено в табл. 6.2.6.

Таблица 6.2.6

Группы природного песка по крупности

Модуль крупности песка определяют по формуле

М_к = (Р_0,14 + Р_0,315 + Р_0,63 + Р_1,25 + Р_2,5 + Р₅)/100,                                                     (6.2.1)

где Р_0,14..... Р₅ - полный остаток на сите 0,14...5 мм, %.

Пески с М_к меньше 1 не должны применяться для строительных работ.

По величине коэффициента фильтрации различают пески:

- хорошо фильтрующие         6...10 м/сут;

- среднефильтрующие            3...6 м/сут;

- слабофильтрующие              1...3 м/сут.

Песок применяют для устройства подстилающих слоев дорожной одежды, приготовления строительных растворов, цементо- и асфальтобетонов, для устройства дренажей. Для улучшения качества мелкозернистый песок обогащают добавками искусственного (дробленого) песка (крупностью менее 5 мм) из невыветренных изверженных и метаморфических пород прочностью более 80 МПа, а из осадочных - прочностью более 40 МПа.

Дресва - промежуточный продукт выветривания скальных горных пород, оставшийся на месте образования и сохранивший камневидное состояние. Дресва, в зависимости от исходной горной породы и стадии выветренности, может применяться для устройства различных слоев одежды на дорогах местного значения.

Щебень для дорожного строительства по зерновому составу делят по крупности на фракции:

более 120 мм - гигантский;

70...120 мм - очень крупный;

40...70 мм - крупный;

25...40 мм - нормальный;

15...25 мм - мелкий;

10...15 мм - клинец;

3 (5)...10 мм - каменная мелочь;

< 3 (5) мм - высевки.

Качество щебня, т.е. степень соответствия показателей его признаков своему проектируемому назначению определяют на месте его производства (в карьере) и на месте его потребления (на строительном объекте) путем изучения внешних признаков и испытания отобранных проб. При этом определяют петрографические признаки и однородность горной породы, из которой получен щебень: крупность, зерновой состав, форму зерен; шероховатость поверхности; количество и качество примесей (глинистых, органических и др.); количество смятых (раздробленных) зерен; физические и механические свойства.

Физические свойства щебня оценивают по средней и насыпной плотностям, пустотности, влажности, водопоглощению.

Механические свойства щебня оценивают, прежде всего, по дробимости, износу, а также по морозостойкости (табл. 6.2.7...6.2.10). Определение качества щебня по прочности при сжатии исходной горной породы является приближенным, так как показатель прочности зависит не только от качества исходной горной породы, но и от размеров, формы и других признаков щебня. Поэтому в настоящее время прочность щебня оценивают косвенно по показателю дробимости. Марку щебня по дробимости в цилиндре оценивают по потере в массе после приложения нагрузки. Так, марку щебня по дробимости принимают 1200, если потеря в массе после раздавливания не превысит 11 %. При потере свыше 11 до 13 % - марка щебня по дробимости - 1000, а при потере в массе свыше 28 до 35 % - 200.

Таблица 6.2.7

Марка щебня из осадочных и метаморфических пород по дробимости при сжатии (раздавливании) в цилиндре [64]

Таблица 6.2.8

Марка щебня из изверженных пород по дробимости его при сжатии (раздавливании) в цилиндре [64]

По прочности при износе (истираемости) в полочном барабане щебень подразделяют на 4 марки (табл. 6.2.9). Износ характеризует сопротивление материала истирающим и ударным усилиям, обламыванию кромок. Показателем истираемости является потеря массы (г) образца площадью 1 см² за определенный путь (м). Истираемость - способность каменного материала сопротивляться истирающим усилиям. Чем больше твердость, тем меньше истираемость. Щебень из мелкозернистых кварцевых пород в меньшей степени подвержен истираемости.

Таблица 6.2.9

Марка щебня по износу (истираемости) в полочном барабане [64]

Таблица 6.2.10

Марка щебня по морозостойкости [64]

Морозостойкость щебня (гравия) оценивают по потере в массе после попеременного замораживания и оттаивания (табл. 6.2.10):

Dq = [(q₁ - q₂)/q₁]·100,                                                                                                 (6.2.2)

где Dq - потеря в массе после испытания на морозостойкость;

q₁ - масса пробы щебня (гравия) до испытания;

q₂ - масса пробы после соответствующего цикла замораживания и оттаивания.

Щебень из естественного камня для дорожно-строительных работ для удобства составления нормативных указаний разделен на четыре класса, приведенные в табл. 6.2.11.

Таблица 6.2.11

Классификация щебня

Для получения щебня повышенного качества, однородного по прочности и улучшенной формы, применяют обогащение - избирательное дробление, обогащение по прочности, по форме зерен и др. При избирательном дроблении в дробилках-грануляторах улучшение формы зерен происходит вследствие разрушения слабых зерен и примесей, что дает возможность удалить их при последующем грохочении. При наличии разнопрочного щебня в необходимых случаях прибегают к разделению по прочности предварительно отгрохоченного щебня в классификаторах.

Значительно улучшить качество щебня можно путем повышения активности поверхности зерен. Обработка зерен поверхностно-активными веществами повышает сцепление их с вяжущими веществами или придает зернам щебня водоотталкивающие свойства.

6.3. Минеральные вяжущие материалы

Минеральные вяжущие материалы представляют собой обычно порошкообразные вещества, которые после затворения водой способны постепенно переходить из пастообразного состояния в твердое, приобретая свойства камня.

Минеральные вяжущие по характеру твердения делят на две группы:

воздушного твердения, обладающие способностью после затворения водой твердеть в сухой среде (воздушная известь, гипсовые и магнезитовые вяжущие, жидкое стекло);

водного твердения (или гидравлические вяжущие материалы), после затворения их водой твердеющие на воздухе и в воде, причем во влажной среде вяжущие приобретают большую прочность. Представителями этой группы являются цементы.

Гидравлическая известь и романцемент по составу и особенностям процессов твердения занимают как бы промежуточное место между воздушными и гидравлическими вяжущими: после затворения водой, начав твердеть на воздухе, они продолжают твердеть как на воздухе, так и во влажной среде. При дальнейшем твердении во влажной среде они приобретают большую прочность.

6.3.1. Воздушная известь

Воздушную известь получают в результате обжига до возможно полного разложения чистых или доломитизированных известняков или мела, содержащих глинистого вещества не более 6...8 %. Полученную таким способом известь СаО в виде кусков белого или сероватого цвета называют негашеной (комковой или кипелкой).

Производство воздушной извести заключается в том, что вращающиеся печи загружают мелкодробленым известняком, который при медленном вращении печи подвергается равномерному обжигу. В процессе обжига известняк (или мел), нагреваясь до температуры 900...1200°С, диссоциирует с большим поглощением тепла по реакции СаСО₃ + 180кДж → Са + СО₂. Недожог и пережог отрицательно сказываются на качестве извести. Пережженные куски при затворении водой медленно гасятся. Поэтому наличие зерен пережига в строительном растворе приводит к тому, что при гидротации зерен связанное с этим увеличение объема вызывает растрескивание уже затвердевшего раствора.

Гашение извести протекает по реакции:

СаО + Н₂О → Са(ОН)₂ + 66,52 кДж,

т.е. при гашении выделяется значительное количество тепла. Полученная при гашении малым количеством воды гидратная известь, значительно разрыхленная за счет резкого увеличения пустотности, называется пушонкой.

В дорожном строительстве известь используют для укрепления грунтов, а также в качестве активатора при приготовлении асфальтобетонных смесей.

6.3.2. Портландцемент

Портландцемент представляет собой гидравлическое вяжущее, получаемое тонким помолом цементного клинкера, минеральных добавок и природного гипса (1,5...3,5 % в пересчете на SО₃). Цементный клинкер получают путем обжига до спекания природных мергелей определенного химического состава или искусственных смесей известняка с глиной (доменными шлаками), подобранных в соответствии с требуемым химическим составом. Обычно клинкер имеет следующий химический состав: СаО - 63...67 %; АlO₃ - 4...7 %; 2SiО₂ - 20...24 %; Fe₂O₃ - 2...6 %; MgO, SO₃ и др. - 1,5...3 %.

Свойства портландцемента зависят от его минералогического состава, наличия добавок, а также тонкости помола клинкера. По этим признакам определяют вид портландцемента (алитовый, белитовый, быстротвердеющий и так далее).

Тонкость помола цемента характеризуют массой порошка, прошедшего сито № 0,08 (не менее 85 %), и удельной поверхностью зерен, содержащихся в единице массы цемента. Удельная поверхность обычных портландцементов 2000...3000, быстротвердеющих 3500...5000 см²/г.

Плотность портландцемента составляет - 900...1300 кг/м³. При расчете вместимости складов принимают насыпную плотность портландцемента - 1200, а при его дозировании для приготовления бетона - 1300 кг/м³.

Активность - способность затвердевать при затворении водой, превращаясь в прочное камневидное тело.

Активность и марку цемента характеризуют показателем прочности при изгибе образцов - балочек и их половинок при сжатии в возрасте 28 суток.

Предел прочности при изгибе определяют на балочках размером 40´40´160 мм, изготовленных из раствора пластичной консистенции состава 1:3 - одна часть цемента и три части песка по массе при водоцементном отношении 0,4, уплотненных на стандартной виброплощадке и выдержанных в воде при температуре 20+3°С 28 суток. Предел прочности при сжатии определяют после испытания на изгиб на половинках балочки. Нарастание прочности происходит неравномерно: вначале на 3 сутки она достигает 50 %, а на 7 сутки - 70 % от прочности в 28-суточном возрасте.

По прочности на сжатие портландцементы подразделяют на классы 22,5; 32,5; 42,5; 52,5.

Водопотребность цемента характеризуют показателем нормальной густоты - количество воды, которое необходимо для достижения заданной пластичности. Обычно для портландцемента нормальная густота составляет 21...28 %. Чем меньше водопотребность (нормальная густота ), тем выше качество цемента.

Скорость схватывания цемента зависит от минералогического состава, тонкости помола, количества воды затворения, температуры. Скорость схватывания является важной технологической характеристикой цемента. У портландцемента начало схватывания должно наступить не ранее 45 мин., а конец - не позднее 12 часов от начала затворения. Обычно начало схватывания у портландцемента наступает через 2...3 часа, а конец - через 5...8 часов. Как быстрое, так и медленное схватывание затрудняет и усложняет организацию производства строительных работ.

Равномерность изменения объема при твердении определяют путем испытания цементных лепешек стандартного размера кипячением их в парах воды; при этом они не должны обнаружить усадочных деформаций. Неравномерность изменения объема может быть обусловлена наличием в цементе окиси кальция, окиси магния и гипса. Цемент, неравномерно изменяющий объем при твердении, является недоброкачественным.

Цемент хранят в силосах, реже в сараях с обшивкой стен и крыш, непроницаемых для воды. Пол сарая должен быть плотным и приподнятым над поверхностью земли не менее чем на 30 см. При длительном хранении активность цемента снижается. Интенсивность снижения активности зависит от минералогического состава, тонкости помола и др. Наименее устойчивы тонкомолотые цементы, содержащие повышенное количество С₃А (трехкальциевого алюмината), C₃S (трехкальциевого силиката). Влажный воздух, соприкасающийся с цементом, значительно снижает его активность. В среднем активность портландцемента снижается через 3 месяца на 10...20 %, через 6 месяцев на 15...30 % и через 12 месяцев - на 25...40 %.

6.3.3. Особые виды портландцемента

Быстротвердеющий портландцемент представляет собой минеральное вяжущее, которое содержит C₃S около 50...60 % С₃А - 8...14 %. При повышенном содержании С₃А увеличивают добавку гипса. Тонкость помола 3500...4000 см²/г.

Быстротвердеющий портландцемент обладает более интенсивным нарастанием прочности в начальный период твердения; при этом в возрасте 1 суток прочность его должна быть не менее 20 МПа, 3 суток - не менее 30 МПа.

Пластифицированный портландцемент приготавливают путем введения при помоле клинкера поверхностно-активных пластифицирующих добавок. В качестве пластифицирующей добавки обычно применяют сульфитно-дрожжевую бражку (сдб) в количестве 0,15...0,25 % (в пересчете на сухое вещество). Пластифицирующие добавки придают цементному тесту большую подвижность, что позволяет снизить количество воды затворения, а это, в свою очередь, позволяет несколько уменьшить расход цемента в строительном растворе и бетоне. В то же время пластифицирующие добавки несколько увеличивают водопроницаемость и понижают морозостойкость цементного камня. Пластифицированные цементы выпускают марок 400 и 500.

Гидрофобный портландцемент изготавливают совместным помолом цементного клинкера и гидрофобных поверхностно-активных добавок (0,15...0,3 %). В качестве таких добавок применяют мылонафт, асидол, олеиновую кислоту и др. Эти вещества, сорбируясь на поверхности зерен цемента, создают гидрофобную пленку, которая понижает способность цемента взаимодействовать с влагой воздуха. В результате гидрофобный цемент не снижает активность и не комкуется при хранении и менее чувствителен к влажной воздушной среде.

При затворении гидрофобного цемента водой поверхностно-активные добавки вступают в реакцию с Са(ОН)₂, образуют микропены, в результате чего происходит воздухововлечение. Цементное тесто при этом получается более пластичным, а цементный камень более морозостойким.

Сульфатостойкий портландцемент - продукт тонкого помола клинкера, имеющего пониженное содержание С₃А (не более 5 %), C₃S (не более 50 %) и глиноземный модуль  не менее 0,6; сульфатостойкий портландцемент выпускают марок 400 и 500. Его применяют для бетонных и железобетонных элементов сооружений, подвергающихся воздействию агрессивных (сульфатных) вод, а также переменному увлажнению и высыханию, замораживанию и оттаиванию. Для элементов сооружения, работающих в морской воде, предпочтительно применять сульфатостойкий портландцемент.

Пуццолановый портландцемент - гидравлическое вяжущее, получаемое совместным помолом портландцементного клинкера повышенного качества с 20...50 % активных добавок и природного гипса. Гипса добавляют столько, чтобы содержание SО₃ в цементе не превышало 3,5 %. Количество добавок зависит от ее активности. Например, трепела добавляют 20...30, вулканических пород (пемзу, пепел, туфы, трассы) - 25...40 %.

Пуццолановый портландцемент выпускают марок 300 и 400 плотностью 2700...2900 кг/м³. Из-за того, что в пуццолановых цементах меньше гидроалюмината кальция и гидратной извести, они обладают большей стойкостью к проточным и слабоминерализованным водам. Наряду с этим частицы активной добавки при взаимодействии с гидратной известью, образующейся при твердении цемента, во влажной среде набухают, что обуславливает уплотнение бетона. Это также способствует большей устойчивости бетонов на пуццолановых цементах, так как повышенная плотность препятствует проникновению воды в тело бетона.

Шлакопортландцемент - продукт тонкого совместного помола портландцементного клинкера с 20...60 % доменного гранулированного шлака и гипса (не более 3 % при пересчете на SО₃). Гранулированный шлак по химическому составу приближается к портландцементу, но содержит меньше СаО и больше глинозема и кремнезема. Кроме окислов СаО, SiО₂ и Al₂О₃, шлаки содержат в небольшом количестве MgO, МnО, FeO, CaS, FeS.

Шлакопортландцемент может быть получен также путем тщательного смешения раздельно измельченных компонентов. Этот цемент, по сути, является разновидностью пуццоланового портландцемента, в котором активной добавкой служит доменный гранулированный шлак. Шлакопортландцемент, в основном, имеет те же показания, что и пуццолановый портландцемент.

Активность шлакопортландцемента со временем понижается быстрее, чем портландцемента, поэтому его не рекомендуется долго хранить на складах.

Расширяющийся цемент изготавливают путем смешения глиноземистого цемента 65...75 % и расширяющейся добавки, состоящей из 10 % высокоосновного гидроалюмината и 20 % гипса. Начало схватывания такого цемента не ранее 4 мин., а конец не позднее 10 мин. Линейное расширение во влажной среде 0,5...1,0 %, на воздухе - не менее 0,05 %. Для замедления схватывания цемента в необходимых случаях к нему добавляют сульфитно-дрожжевую бражку в количестве 0,5 %.

Глиноземистый цемент - продукт тонкого помола предварительно измельченного клинкера, полученного сплавлением или спеканием пород, богатых глиноземом, известняком, взятых в определенном соотношении.

Глиноземистый цемент содержит около 50 % глинозема, до 45 % окиси кальция, 5...10 % кремнезема и 1...15 % окиси железа.

При затворении глиноземистого цемента водой основное соединение - однокальцевый алюминат, входящий в его состав, энергично реагирует с водой, образуя

2(СаО´А1₂0₃) + 10Н₂О → 2СаО´А1₂О₃´8Н₂О + А1₂О₃´3Н₂О

Отсутствие в затвердевшем при нормальных условиях цементе свободной гидратной извести и, как правило, трехкальциевого гидроалюмината обуславливает его устойчивость в проточных и агрессивных водах.

Глиноземистый цемент - быстротвердеющий вяжущий материал. Его марки (400, 500, 600) устанавливают по показателю прочности нормального раствора на 3 сутки. Глиноземистые цементы можно также выпускать марки 700.

При схватывании и твердении цемент выделяет много тепла. Оптимальная температура твердения 10...20°С. При температуре более 25°С бетон нуждается в охлаждении и усиленной поливке водой. Сроки схватывания цемента: начало - не ранее 30 мин, а конец - не позднее 12 ч.

Глиноземистый цемент применяют при срочных бетонных работах, при производстве работ зимой, восстановительных работах, для тампонажных работ и элементов бетонных сооружений, находящихся в зоне агрессивных вод.

6.4. Цементобетоны

Бетоном называют строительный материал, полученный в результате перемешивания, укладки, уплотнения и затвердевания рационально рассчитанной смеси щебня (или гравия), песка, цемента, воды и добавок. Смесь перечисленных компонентов до затвердевания называют бетонной смесью.

Основной квалификацией бетонов по структурным признакам является деление по объемной массе:

особо тяжелые с объемной массой более 2600 кг/м³ имеют сложную структуру и изготавливаются с применением заполнителей, например, стальных опилок, барита и др.;

тяжелые с объемной массой 2100...2600 кг/м³, у которых структура плотная, щебень из плотных и тяжелых горных пород или плотных металлургических шлаков, песок кварцевый;

облегченные с объемной массой 1800...2000 кг/м³ могут иметь плотную структуру, но с применением щебня из пород пониженной плотности или крупнопористую с применением щебня из плотных пород;

легкие с объемной массой 1000...1800 кг/м³, обладающие плотным или крупнозернистым строением, с применением пористого щебня и песка, шлаковой пемзы (термозита), кремнезита, перлита;

особо легкие с объемной массой менее 1000 кг/м³ с пористой структурой без щебня и песка (ячеистый бетон) или с применением пористого песка или пористого щебня в сочетании с поризованным цементным камнем.

Наибольшее распространение в строительстве получил тяжелый бетон. Его применяют для изготовления бетонных и железобетонных конструкций, пролетных строений и опор мостов, устройства дорожных покрытий и др.

Важной характеристикой бетона является пористость, которая в значительной степени определяет его свойства. С увеличением пористости заметно возрастают водопоглощение, водонасыщение, водопроницаемость, уменьшается прочность, морозостойкость и долговечность бетона.

Ориентировочно пористость бетонов можно определить по формуле

V_пор = (l - g_о/g).                                                                                                            (6.4.1)

где g_о - объемная масса бетона, кг/м³;

g - плотность бетона, полученная как средневзвешенная величина от плотности щебня, песка и цементного камня, кг/м³.

Обычно пористость тяжелых бетонов составляет 10... 15 %, в отдельных случаях - 5...7 %.

Водопоглощение у тяжелых бетонов колеблется в пределах 2...4 % по массе (или 5...10 % по объему).

Водонасыщение несколько больше водопоглощения. Разница между водопоглощением и водонасыщением обусловлена объемом замкнутых пор в бетоне.

Показателем водонепроницаемости бетона служит гидростатическое давление, при котором вода не просачивается через образец, испытуемый по стандартной методике. По водонепроницаемости бетоны делят на несколько марок: W 2; W 4; W 6; W 10; W 12; W 14; W 16; W 18; W 20 (цифра обозначает величину гидростатического давления, при котором вода не просачивается).

Водопроницаемость, водопоглощение и водонасыщение бетона могут быть значительно снижены, если приготовить бетон с низким водоцементным отношением при достаточном качестве цементного теста, а также введении в бетон поверхностно-активных добавок. Они видоизменяют микроструктуру бетона за счет уменьшения водопотребности бетонной смеси, вовлечения некоторого количества воздуха в поры, которые блокируют сообщение между отдельными капиллярами и микрополостями.

Прочность бетона как материала конгломератного строения зависит от прочности отдельных его составляющих, прочности сцепления между ними, а также особенностей структуры бетона в целом.

Прочность бетона прямо пропорциональна активности цемента (рис. 6.4.1). С понижением водо-цементного отношения до определенного предела прочность бетона данного состава и при данном способе уплотнения повышается.

Рис. 6.4.1. Зависимость прочности бетона от активности цемента и водо-цементного отношения

Прочность бетона в проектном возрасте характеризуют классами прочности на сжатие, осевое растяжение, растяжение при изгибе. Ведущим показателем прочности бетона и его механических свойств является класс бетона. Класс бетона характеризует предел прочности при сжатии бетонных кубов размером 15´15´15 см в возрасте 28 суток при твердении в нормальных условиях (температура 18...20°С и относительная влажность окружающей среды 90...100 %). Для тяжелых (дорожных) бетонов стандартом установлены следующие классы по прочности на сжатие (табл. 6.4.1).

Таблица 6.4.1

Требования к дорожному бетону [65]

При расчете бетонных покрытий и оснований в качестве расчетной прочности бетона принимают предел прочности на растяжение при изгибе. Марка бетона при изгибе определяется прочностью при изломе неармированных бетонных балочек размером 15´15´50 см сосредоточенными силами.

Предел прочности при изгибе R_изг и предел прочности при сжатии R_сж связаны зависимостью

                                                                                                                   (6.4.2)

где a = 0,6...0,7.

Соотношение  колеблется в пределах 6...10.

Деформация бетона. Бетон является упруго-вязко-пластичным материалом, вследствие этого, при некоторой длительности действия механической нагрузки, в образце, наряду с упругими, возникают и вязко-пластические деформации.

Упругие деформации характеризуются полной упругой деформацией, а также модулем упругости

                                                                                                           (6.4.3)

где R_сж - предел прочности бетона при сжатии, МПа.

С изменением влажности бетон претерпевает объемные изменения, если постоянно бетон находится во влажной среде, постепенно увеличивается его объем - набухание. И, наоборот, с уменьшением влажности происходит усадка. Повышенная усадка характерна для бетонов с большим содержанием цемента и водоцементным отношением (В/Ц > 0,6).

Коэффициент температурного расширения при сжатии изменяется в зависимости от состава бетона и его влажности. Для практических целей можно принять коэффициент температурного расширения бетона равным 10·10^-6 на 1°С. При оценке температурных деформаций в больших массивах обычно принимают половину значения указанного коэффициента, полагая, что остальная часть компенсируется ползучестью бетона. Температурные деформации бетона создают напряжения в плитах дорожных одежд и могут вызвать трещины. Для устранения этого явления в бетонных покрытиях устраивают температурные швы.

Долговечность и морозостойкость характеризуют длительность воздействия погодно-климатических, физико-химических и механических факторов, при которых свойства бетона не ухудшаются больше допустимых пределов. К бетонным элементам конструкций предъявляют требования по морозостойкости, которую определяют путем замораживания образцов до -15...-20°С и последующего оттаивания в воде при 15...20°С. Образцы испытывают после 28 суток после пропаривания.

За марку бетона по морозостойкости принимают наибольшее число циклов попеременного замораживания и оттаивания, при котором прочность образцов уменьшается не более чем на 15 % по сравнению с прочностью образцов, испытанных в эквивалентном возрасте и без потери по массе более 5 %. По показателям морозостойкости бетоны делятся на марки F50; F75; F100; F150; F200; F300; F400 и F500.

Бетон - пористый материал, и, если все поры в нем будут заполнены водой, он разрушится уже при первом цикле замораживания вследствие возникновения больших растягивающих напряжений из-за образования льда, объем которого на 9 % больше объема воды.

Морозостойкость бетона зависит от водо-цементного отношения, вида и активности цемента, условий твердения и возраста бетона к моменту замораживания, плотности бетона, качества песка и щебня. Для морозостойких бетонов водо-цементное отношение принимают не более 0,5 и применяют портландцементы с содержанием алюмината С₃А меньше 8 %. Повышают морозостойкость гидрофобные воздухововлекающие добавки, способствующие образованию условно-замкнутых пор с гидрофобной поверхностью, которые в обычных условиях не заполняются водой и служат резервными порами, куда отжимается вода при замораживании бетона.

Бетон разрушается и под влиянием физико-химического воздействия факторов среды. Коррозия зависит главным образом от коррозийной стойкости цементного камня. Чем больше поверхность (внешняя и внутренняя) бетона, соприкасающаяся с агрессивной газообразной или жидкой средой, тем энергичнее коррозия бетона. Электрический ток разрушает влажный бетон, вызывая электролиз составляющих цементный камень.

Для придания коррозийной стойкости бетону необходимо применять цементы, соответствующие агрессивности среды: шлаковый сульфатостойкий или глиноземистый, а в отдельных случаях кислотоупорный. Следует придавать большую плотность бетону, защищать его поверхность от проникновения газов и воды с растворенными агрессивными веществами, затирая поверхность изделия раствором жидкого стекла с последующей обработкой хлористым кальцием и покрывая эту поверхность битумом или дегтем, пленкообразующими или высокомолекулярными веществами.

6.4.1. Свойства бетонной смеси

Бетонная смесь - это рационально подобранная, хорошо перемешенная жесткая или пластичная масса, из компонентов, входящих в состав бетона.

В числе требований, предъявляемых к бетону, существенную роль играют жесткость и подвижность бетонной смеси. В зависимости от состава смеси различают:

- подвижные смеси, представляющие собой пластичную массу, которая заполняет форму под действием силы тяжести и при небольшом механическом воздействии;

- жесткие смеси имеют вид рыхлой массы, в которой зерна заполнителя связаны между собой густым цементным клеем, поэтому при укладке в форму и уплотнении требуется механическое воздействие на бетонную смесь.

Жесткость (удобоукладываемость) подвижных смесей определяется по осадке их под действием силы тяжести после формования в стандартном металлическом конусе (рис. 6.4.2). Характеристикой жесткости (удобоукладываемости) пластичных смесей служит величина осадки конуса в см.

Рис. 6.4.2. Форма-конус для определения подвижности бетонной смеси:
1 - металлический конус, 2 - ручки для съема конуса, 3 - полочки для удержания конуса на месте при формовании

В жестких смесях конус не осаждается. В малоподвижных смесях осадка конуса может быть от 1 до 4 см, в подвижных - от 5 до 12 см, в литых - более 15 см.

Удобоукладываемость жестких смесей определяют путем вибрирования свежесформированного бетонного конуса в специальном приборе - вискозиметре (рис. 6.4.3). При этом вискозиметр устанавливают на виброплощадку, а установленную в нем форму конуса заполняют испытываемой смесью.

Рис. 6.4.3. Вискозиметр для определения степени удобоукладываемости бетонной смеси:
1 - цилиндрический сосуд, 2 - кольцо, 3 - кольцо 4 - конус, 5 - насадка, 6 - штанга

После снятия формы включают механизм виброплощадки. Под действием вибрации бетонная смесь приобретает свойства тяжелой жидкости. Она начинает растекаться и проникает из внутреннего кольца в пространство между стенками сосуда и кольца.

Время вибрации в секундах, потребное на то, чтобы уровень бетонной смеси в кольце и пространстве между кольцом и формой стал одинаковым, служит мерой удобоукладываемости (жидкости) бетонной смеси. При этом стандартными характеристиками виброплощадки являются частота колебаний и амплитуда.

Показатели удобоукладываемости различных видов бетонных смесей приведены в табл. 6.4.2.

Таблица 6.4.2

Показатели удобоукладываемости

При решении вопроса о том, какие смеси более целесообразны - подвижные или жесткие, предпочтение следует отдавать последним. Их преимущество заключается в том, что благодаря меньшему содержанию воды при одинаковом расходе цемента (по сравнению с подвижными смесями) повышается прочность бетона. Хорошо уплотненный жесткий бетон более долговечен. Кроме того, сокращаются сроки набора прочности бетоном.

6.4.2. Расчет состава бетона

Основная цель расчета состава - определение полного соотношения составляющих, которое обеспечит требуемые свойства бетонной смеси и бетона при минимальном расходе цемента. Выбрав материалы надлежащего качества, рассчитывают состав - расход цемента, воды, песка и щебня на 1 м³ бетона. Исходными данными являются заданная марка бетона R₆ и требуемая подвижность ОК (осадка конуса) или удобоукладываемость смеси. В необходимых случаях задаются показатели морозостойкости, водонепроницаемости и другие свойства бетона.

Состав тяжелых и дорожных бетонов рассчитывают по методу абсолютных объемов (разработан проф. Б.Г. Скрамтаевым), который сводится к решению следующих четырех уравнений с четырьмя неизвестными - расход воды В (л), цемента Ц (кг), песка П (кг) и щебня Щ (кг). Ориентировочные дозировки поверхностно-активных добавок назначают от массы цемента. Для сульфитно-спиртовой барды (ССБ) - 0,2 %, абиетина натрия (СНВ) - 0,02 %.

1. Зависимость прочности бетона от его структуры и активности цемента

R_б = A₁·A₂·K·(Ц/B - С)R_ц                                                                                             (6.4.4)

Решая это уравнение, определяют

                                                                                            (6.4.5)

Коэффициенты К, С, А₁, А₂ определяют по табл. 6.4.3...6.4.5.

Таблица 6.4.3

Значение коэффициентов К, С, зависящих от свойств цемента технологии приготовления цементобетонной смеси

Таблица 6.4.4

Численные значения коэффициента А₁, учитывающего влияние макроструктуры

Таблица 6.4.5

Численные значения коэффициента А₂, учитывающего влияние мезоструктуры

Материалы для бетона должны соответствовать требованиям ГОСТов, СНиПов, эксплуатационным условиям работы изделий. Материалы выбирают с учетом особенностей технологического процесса. В ряде случаев, чтобы обеспечить это соответствие, вносят коррективы в выбор исходных материалов или в технологию производства бетонных изделий.

2. Определяют водоцементное (В/Ц) отношение в зависимости от марочной прочности бетона. Для дорожных бетонов, используемых для устройства покрытий, водоцементное отношение принимают равным 0,5, а для оснований - 0,6. Зная В/Ц и расход цемента (320...350 кг/м³), определяют расход воды

В = Ц:В/Ц,                                                                                                                   (6.4.6)

3. Сумма абсолютных объемов исходных материалов в 1 м³ бетона близка к 1000 л, поэтому пренебрегая содержанием воздуха в смеси принимают

                                                                                           (6.4.7)

где Ц, В, П, Щ - расход цемента, воды, песка, щебня, кг/м³;

g_ц, g_в, g_п, g_щ - соответственно плотность цемента, воды, песка и щебня, кг/м³.

4. Абсолютный объем пустот в щебне равен абсолютному объему растворной составляющей с некоторым избытком, т.е.

                                                                                            (6.4.8)

где g_ощ - объемная (насыпная) плотность щебня, кг/дм³;

V_щ - пустотность щебня в относительных величинах, равная 0,4...0,45;

a - коэффициент раздвижки зерен щебня.

Решая совместно уравнения 6.4.7 и 6.4.8, определяют потребность щебня и песка на 1 м³ цементобетонной смеси.

                                                                                                       (6.4.9)

                                                                                  (6.4.10)

Рассчитываемый состав бетона уточняют экспериментальным путем, определяют в пробных замесах подвижность (удобоукладываемость) смеси, а также в установленные сроки прочность стандартных бетонных образцов, изготовленных из рассчитанной смеси.

В производственных условиях при водоцементном отношении 0,6, соотношение составляющих бетона можно принять как

цемент : песок : щебень = 1 : 2 : 4.

В процессе приготовления цементобетонной смеси необходимо учитывать естественную влажность щебня и песка.

6.5. Органические вяжущие материалы

Сырьем для производства органических вяжущих материалов являются: нефть, каменный уголь, горючие сланцы. Фракционная разгонка такого сырья дает наряду с ценными продуктами - смолообразные остатки. После дополнительной переработки которых получают органические вяжущие. Органические вяжущие должны обеспечивать:

- хорошее обволакивание минеральных частиц;

- хорошее сцепление, позволяющее связывать минеральные частицы в прочный монолит;

- водоустойчивость и стабильность (не изменять своих свойств) в процессе службы в покрытиях.

Битумы бывают природные, нефтяные, сланцевые. Дегти - каменноугольные, торфяные, древесные. По главным строительным свойствам и консистенции органические вяжущие условно делят на следующие группы:

- твердые битумы и дегти при 20...25°С обладают вязко-упругими свойствами, а при 120...180°С приобретают подвижность;

- вязкие битумы и дегти при 20...25°С обладают вязкими и пластичными свойствами, а при 120...180°С приобретают текучесть;

- жидкие битумы и дегти при 20...25°С - текучие. По мере испарения летучих углеводородов затвердевают и приобретают свойства близкие к вязким битумам.

Примерный групповой состав битума:

масла 40...60 %;

смолы 20...40 %;

асфальтены 10...25 %;

карбены и карбоиды 1...3 %.

Масла - вещества светло-желтого цвета. Масла придают вяжущему подвижность, текучесть, увеличивают испаряемость и снижают температуру размягчения.

Смолы - легкоплавные, вязко-пластичные вещества, их содержание в вяжущем обуславливает его растяжимость и эластичность.

Асфальтены - твердые неплавкие вещества с плотностью более 1000 кг/м³. Они обеспечивают температурную устойчивость, вязкость и твердость(хрупкость) битума.

Карбены по составу похожи на асфальтены, но содержат больше углерода, имеют большую плотность и более темный цвет. Их содержание повышает вязкость и хрупкость.

Карбоиды - твердые вещества типа сажи, нерастворимы в органических растворителях.

Парафин - содержание зависит от исходного сырья и должно быть менее 3,5 %. Большее содержание снижает растяжимость и повышает температуру затвердевания.

Примерный групповой состав каменноугольных дорожных дегтей:

дегтевые масла - 60 ... 80 %;

смолы - 15...25 %;

нафталин - 7 %;

антрацен - 10 %;

фенолы - 5 % - ядовиты.

Физико-химические свойства органических вяжущих. Реологические свойства (рео - течь) - это наука о течении деформации реальных тел.

Вязкость (вязких и твердых) битумов. Для характеристик вязкости пользуются условным показателем - глубиной проникания стандартной иглы (пенетрацией) при действии на нее груза 100 г в течение 60 с при температуре 25°С. Глубину проникания определяют на пинетрометре. Она выражается в градусах (1° = 0,1 мм) и обозначается П₂₅. Например, пенетрация дорожного вязкого битума П₂₅ = 40...300°.

Растяжимость битумов определяют с помощью прибора дуктилометра путем растяжения шейки образца, имеющего форму «восьмерки». Это испытание проводят при температуре 25 и 0°С и скорости деформации (растяжения 0,5 см/мин.)

Д₂₅ > 40 см           Д_о > 1...3 см.

Когезия - характеризует прочность межмолекулярных связей. Ее определяют на приборе, состоящем из двух пластинок, склеенных слоем битума толщиной 10 мкм. Когезия зависит от содержания в битуме смол и составляет для вязких битумов от 0,07 до 0,3 МПа.

Вязкость, растяжимость и когезия зависят от температуры и группового состава битума, т.е. содержания в битуме масел, смол, асфальтенов.

Чувствительность органических вяжущих к изменению температуры оценивают температурой размягчения и температурой хрупкости.

Температуру размягчения определяют на приборе «кольцо и шар». Кольцо заполняют битумом, на его поверхности укладывают шарик и помещают в подогреваемую водяную баню, по мере размягчения битума шарик опускается на нижнюю полочку прибора. Температура размягчения колеблется в пределах 30...50°С.

Температуру хрупкости определяют на приборе Фрааса. Тонкий слой битума наносится на латунную пластинку и постепенно охлаждается. За температуру хрупкости принимают показания термометра в момент появления первой трещины на битуме при изгибании пластинки. Температура хрупкости дорожных битумов колеблется в пределах от -20 до -50°С. Чем ниже температура хрупкости, тем выше его качество. Асфальтобетонные покрытия более морозостойки, на них меньше образуется трещин.

Сцепление органических вяжущих с каменными материалами (адгезия).Сцепление битума оценивают в зависимости от степени смещения битумной пленки с поверхности минерального материала путем сравнения с фотографиями контрольных образцов, приведенных в ГОСТ. Для более точного определения площади обнаженных от битума минеральных зерен применяются методы адсорбации красителей, меченых атомов и др.

6.5.1. Битумы нефтяные

В соответствии с ГОСТ-22245-90 [66], вязкие дорожные битумы разделяются на марки. Марка битума определяется комплексом показателей качества. Дорожные битумы БНД отличаются от БН более высокими показателями. Они являются улучшенными. Марки вязких дорожных битумов приведены в табл. 6.5.1.

Таблица 6.5.1

Марки вязких дорожных битумов

Битумы нефтяные применяются для строительства дорожных покрытий, гидроизоляционных, кровельных и других видов работ. В зависимости от назначения нефтеперерабатывающая промышленность выпускает соответствующие по свойствам виды нефтяных битумов. Битумы вязкие применяют в качестве вяжущего материала при строительстве дорожных и аэродромных покрытий. Их изготавливают из окисленных и неокисленных продуктов прямой перегонки нефти или компаундированием этих продуктов с экстрактами селективной очистки. Изготовление вязких дорожных нефтяных битумов из крекинг остатков и битумов деасфальтизации без дополнительной переработки не допускается.

Область применения нефтяных вязких битумов в дорожном строительстве приведена в табл. 6.5.2.

Таблица 6.5.2

Область применения вязких битумов

Битумы нефтяные жидкие В зависимости от скорости формирования структуры, жидкие битумы разделяют на 3 класса [ГОСТ 11955-82]:

СГ - среднегустеющие;

МГ - медленногустеющие;

МГО - медленногустеющие остаточные.

Жидкие битумы класса СГ допускается применять для устройства дорожных покрытий и оснований во всех дорожно-климатических зонах.

Свойства битумов определяются, прежде всего, качеством нефти, зависящим от соотношения в ней асфальтенов, смол, масел, парафина.

Основными свойствами жидких битумов являются вязкость и скорость загустевания, температура размягчения, прилипания (адгезия).

Вязкость жидких битумов и дегтей определяют с помощью стандартного вискозиметра по времени истечения вяжущего через калиброванное отверстие (5 мм при 60°С). Вязкость жидких битумов принято обозначать С⁵₆₀. Она находится в пределах 25...200 с.

Скорость загустевания определяют по количеству испарившегося разжижителя после выдерживания битума в термостате при t = 60°C в течение 5 часов.

После выдержки потери составляют для битумов класса СГ - 10...7 %; МГ - 8...5 %.

Температура размягчения остатка после испарения летучих веществ (разжижителя).

Прилипание - способность каменных материалов, предварительно обработанных битумом, удерживать битумную пленку при ее вытеснении методом кипячения в воде.

Справочник дорожного мастера

Получение жидких битумов производят путем разжижения вязких битумов жидкими нефтяными продуктами. Добавка бензина, лигроина, керосина прямой гонки несколько нарушает структуру битума. Лучшие результаты обычно дают добавки к нефтяным битумам крекинг бензина, керосина и более тяжелых нефтепродуктов.

Применение битумов различных классов (СГ, МГ, МГО) связано с потребностью получать различную скорость их загустевания. Скорость загустевания зависит от условий испарения летучих фракций и климатических условий применения.

Жидкие битумы класса МГ и МГО применяют при строительстве дорожных покрытий облегченного типа и оснований во II...V дорожно-климатических зонах.

При затруднительных условиях испарения летучих фракций, а также при необходимости быстрого нарастания прочности дорожных покрытий используют жидкий битум класса СГ.

Марки жидких битумов в пределах одного класса разделяют по вязкости.

Область применения их зависит от характера минеральных материалов, способа обработки и климатических условий:

40/70 - для обеспыливания и предварительной обработки дорожных покрытий, для обработки грунтовых смесей на полотне дороги;

41/70...71/30 - для обработки гравийных и щебеночных смесей холодным способом на полотне дороги;

71/131 ...131/200 - для поверхностной обработки дорожных покрытий, для приготовления горячего и холодного асфальтобетонов.

6.5.2. Битумы сланцевые

Сланцевые битумы являются органическими вяжущими материалами, которые получают при нагревании горячих сланцев без доступа воздуха. Дорожные сланцевые битумы бывают вязкие и жидкие.

Сланцевые битумы получают при нагревании сланцев в специальных генераторах или туннельных печах до 550°С, при этом выделяется газ, низкотемпературная смола в количестве 15...20 % от массы сланца и полукокс. В процессе переработки низкотемпературную сланцевую смолу разделяют на следующие фракции: автомобильный бензин - с началом кипения смолы до 180°С; тракторное топливо - от 180 до 250°С; дизельное топливо - от 225 до 325°С; мазут или битумная фракция как остаток после отгона всех фракций - до 300 или 325°С. Этот остаток составляет около 60 % и используется для получения остаточного или окисленного битума, а также может быть применен как жидкий сланцевый битум.

По составу и свойствам сланцевые битумы несколько отличаются от нефтяных. В сланцевых битумах также определяют грунтовый состав (содержание масел, смол, асфальтенов). Содержание асфальтенов и смол в них больше, а масел меньше. Показатели свойств сланцевых битумов приведены в табл. 6.5.3.

Таблица 6.5.3

Характеристика сланцевых битумов

Область применения сланцевых битумов в основном та же, что и нефтяных битумов.

6.5.3. Каменноугольные дегти

Дегти получают в процессе пирогенетической, диструктивной (без или с ограниченным количеством воздуха) переработки каменных и бурых углей. В результате такой переработки получают ряд ценных продуктов, в том числе смолообразные вещества - сырые дегти. В зависимости от вида перерабатываемого сырья получают каменноугольные и древесные дегти.

По составу и структуре каменноугольные дегти подобны битумам, в них входят преимущественно углеводороды ароматического ряда (производные бензола) и их соединения с кислородом, азотом, серой и другими элементами.

Основными свойствами, которые характеризуют каменноугольные дегти, являются вязкость, пластичность, теплоустойчивость, прилипание, погодоустойчивость.

Большинство высокомолекулярных углеводородных веществ, которые входят в состав дегтей, имеют ненасыщенный характер. Они сравнительно легко вступают во взаимодействия с веществами окружающей среды (кислородом воздуха), образуя более сложные химические соединения. Этот процесс ускоряется при действии высоких температур, ультрафиолетовых лучей (солнечная радиация) и других факторов. В результате совместного протекания процессов испарения масел и химического взаимодействия компонентов дегти стареют более интенсивно, чем нефтяные битумы.

В зависимости от конструкции дорожной одежды, способов приготовления полуфабрикатов и климатических условий в дорожном строительстве применяют дегти следующих марок:

Д-1 - для обеспыливания дорог и поверхностной обработки;

Д-1 и Д-2 - для обработки грунтово-гравийных и щебеночных материалов при смешении на дороге в холодном состоянии;

Д-3 и Д-4 - для обработки грунтово-гравийных материалов в смесительных установках в холодном состоянии;

Д-5 и Д-6 - для поверхностной обработки дорожных покрытий, изготовления холодного дегтебетона и щебеночных смесей в смесительных установках;

Д-6 - для глубокой пропитки щебеночных дорожных покрытий и изготовления горячего дегтебетона.

Применять дегти в городских условиях запрещено из-за содержания в дегте фенолов.

6.5.4. Битумные эмульсии

Эмульсиями называют дисперсные системы, в которых одна жидкость (фаза) в виде мельчайших капель размером 0,1 мкм диспергирована (раздроблена) в другой жидкости (среде), не смешивающейся с ней. Дорожные битумные эмульсии представляют собой жидкость темно-коричневого цвета, получаемую путем диспергирования битума в водном растворе эмульгатора или щелочного вещества.

По структуре эмульсии делят на прямые и обратные. В прямых эмульсиях битум равномерно распределен в воде в виде мельчайших капель, окруженных слоем эмульгатора, в обратных вода равномерно распределена в битуме или дегте в виде мельчайших капель, стабилизированных слоем эмульгатора. Прямые эмульсии имеют разновидности: анионные, катионные, пасты. Анионные эмульсии в качестве эмульгатора содержат мыла высокомолекулярных соединений органических кислот, катионные - органические азотосодержащие соединения.

В качестве анионоактивных эмульгаторов применяют мыла: щелочные соли нафтеновых, сульфонафтеновых, смоляных органических кислот, сульфитно-спиртовая барда и др. Эти соединения содержатся в отходах лесохимической и топливной промышленности.

К катионоактивным эмульгаторам относятся катионовые мыла, являющиеся производными четвертично замещенного аммония и солями аминов.

К твердым эмульгаторам относятся тонкоизмельченные порошки глин, извести, цемента, сажи, угля и т.д. Для повышения устойчивости к твердым эмульгаторам, как правило, добавляют органические эмульгаторы (мыла, сульфитно-спиртовую барду и др.).

В настоящее время широко используются более экономичные эмульгаторы: талловое масло, жировой гудрон, полимеры канифольно-экстракционного производства, стеарин и ка-тионактивные препараты ХД-180, ХД-34, а также карбоксиломин. При диссоциации этих веществ поверхностно-активным является катион, который понижает поверхностное натяжение воды, растекается по битуму и способствует его дисперсированию при перемешивании.

В соответствии с технологическими условиями применения дорожных эмульсий, к ним предъявляются следующие требования [ГОСТ 18659-81]:

Скорость распада - нарушение равновесия дисперсной системы при взаимодействии эмульсии с каменным материалом за счет адсорбции эмульгатора, испарения и поглощения воды. Скорость распада эмульсии определяют при смешении ее с цементом. Время от начала смешения до образования неразмешиваемого комка характеризует скорость распада в минутах.

По скорости распада дорожные битумные эмульсии подразделяют на три класса: БА - быстрораспадающиеся; СА - среднераспадающиеся; МА - медленнораспадающиеся.

Вязкость эмульсии - выбирают в зависимости от условий и способа обработки минеральных материалов. Ее определяют на вискозиметре типа ВУ или на вискозиметре для нефтяных битумов со сточным отверстием 3 мм при температуре 20+2°С. По величине вязкости и содержанию в них битума эмульсии класса БА подразделяют на марки БА-1 и БА-2, класса МА - на марки МА-1 МА-2.

Содержание битума с эмульгатором характеризует концентрацию эмульсии и определяется в процентах как отношение массы битума с эмульгатором к массе эмульсии. Содержание битума с эмульгатором определяется как остаток при выпаривании воды из эмульсии.

Однородность эмульсии определяют процеживанием ее навески через сито с сеткой №14. Однородность устанавливают в процентах как отношение остатка на сите и навеске эмульсии. Она должна быть не более 0,5 %.

Устойчивость эмульсии определяют по изменению ее однородности при хранении, при выдерживании проб эмульсии в течение недели или месяца.

Устойчивость при транспортировании определяют после двух часов встряхивания навески эмульсии. Если эмульсия не распалась, т.е. не произошло необратимого разделения ее на битум и воду, то она выдержала испытание.

Дорожные битумные эмульсии должны отвечать требованиям согласно табл. 6.5.4 [67].

Таблица 6.5.4

Требования, предъявляемые к битумным эмульсиям

Определение свойств битума, выделенного из эмульсии, производят после испарения воды. Глубина проникновения и растяжимость не должны уменьшаться более чем на 15 % от показателей исходного материала. Битумные эмульсии в дорожном строительстве начали применяться с 30-х годов не только в России, но и в Германии, Франции, Англии.

Для приготовления эмульсий используют нефтяные битумы от БНД 200/300 до БНД 40/60 в зависимости от климатических условий района строительства, конструкции дорожной одежды. В качестве эмульгаторов используют продукты, содержащие поверхностно-активные вещества (ПАВ), в основном анионные (табл. 6.5.5) высшие органические кислоты или их щелочные соли (мыла). В качестве щелочных веществ применяют едкий натр, жидкое стекло, триполифосфат натрия.

Таблица  6.5.5

Состав раствора эмульгатора для приготовления прямых битумных эмульсий анионного типа

Технология приготовления разных видов эмульсий имеет свои особенности. Дорожные эмульсии приготовляют на базах. Приготовление в основном сводится к диспергированию жидкостей и стабилизации дисперсной системы. Для диспергирования жидкости применяют гомогенизаторы, лопастные или шнеко-лопастные, акустические диспергаторы.

6.5.5. Добавки, вводимые в органические вяжущие материалы

Для улучшения свойств органических вяжущих (битумов, дегтей), повышения их прилипания к каменным материалам, пластичности, тепло- и погодоустойчивости в битумы и дегти вводят соответствующие добавки.

Добавки по своему назначению и физико-химическому воздействию подразделяют на следующие:

Разжижающие добавки вводят для понижения вязкости органических вяжущих материалов. В качестве таких добавок используют лигроин, керосин, нефть, мазут, жидкие крекинг-остатки, антраценовое масло. Оптимальное содержание разжижителя определяют в лаборатории в зависимости от требуемой вязкости (может колебаться от 2 до 50 %).

Пластифицирующие добавки вводят для уменьшения хрупкости и придания большей пластичности. В качестве пластификаторов используют зеленое масло, мазут, гудрон, антраценовое масло (или деготь). Указанные пластификаторы являются также растворителями (разжижителями), и содержание их колеблется от 2 до 40 %.

Модифицирующие добавки изменяют физико-химические свойства и структуру вяжущего. Таким образом, разжижение и пластификация являются частными случаями модификации. В качестве модифицирующей добавки используют следующие добавки полимеров: поливинилацетат, полистирол, дивинилстироловый термоэластопласт, эпоксидные смолы, каучуки.

При введении модифицирующих добавок не всегда получают стабильные результаты, но битумы становятся более теплостойкими, резко увеличиваются растяжимость при 0°С, когезия, адгезия.

В России и за рубежом применяют регенерированную резину, резиновую крошку, получаемую при вторичной переработке старых автомобильных покрышек. Измельченную резину в порошкообразном (диспергированном) состоянии вводят в битум в количестве 3...5 % при температуре 150...180°С и тщательно перемешивают. При этом происходит набухание резиновых частиц и образуется битумно-резиновая дисперсия, которая отличается высокой растяжимостью при 0°С. Она придает асфальтобетону большую упругость, уменьшает трещинообразование и скользкость, уменьшает его старение.

Добавки, улучшающие прилипание (адгезию). Вопрос о физико-химической природе адгезии изучен недостаточно. Анализ работ по адгезии показывает, что она определяется двумя факторами: степенью гибкости звеньев макромолекул и полярностью групп, входящих в структуру макромолекулы. Ориентированная структура, наличие поперечных мостиков между цепями макромолекулы снижают адгезию. Высокая разветвленность молекул с полярными группами увеличивает ее. Все факторы, способствующие большей подвижности звеньев макромолекул и содержанию полярных групп, повышают адгезию. Таким образом, введение в битум добавок, содержащих полярные группы и увеличивающих подвижность звеньев высокомолекулярных соединений, будет способствовать повышению его адгезии к каменным материалам. Такими добавками являются поверхностно-активные вещества.

Поверхностно-активные вещества подразделяют на анионактивные и катионактивные. К анионактивным относят высокомолекулярные органические кислоты, мылонафтсоли нафтеиновых кислот, производные карбоновых кислот - мыла, фенолы и др. К катионактивным веществам относят амины, четырехзамещенные амониевые основания.

Для асфальтовых материалов содержание анионактивных добавок составляет 3...10 % и катионактивных 0,5...3,0 % от массы вяжущего. Применение ПАВ облегчает и ускоряет обволакивание и повышает сцепление вяжущих с минеральными материалами.

Эффективность действия ПАВ зависит от вида каменного материала. Катионактивные ПАВ обеспечивают повышение сцепления со всеми горными породами, но особенно эффективно с кислыми. Анионактивные повышают сцепление с карбонатами (основными) и почти не влияют на сцепление с кислыми породами.

6.6. Асфальтобетон

Асфальтобетоном называют материал, который получают после уплотнения асфальтобетонной смеси, приготовленной в смесителях в нагретом состоянии из взятых в определенных соотношениях щебня (гравия), песка, минерального порошка и битума. Смесь минерального порошка с битумом называют асфальтовым вяжущим.

Асфальтобетонные смеси подразделяют на щебеночные, гравийные и песчаные (ГОСТ 9128-97).

Асфальтобетонные смеси в зависимости от вязкости битума и условий применения подразделяют на виды:

горячие - приготовленные с использованием вязких и жидких нефтяных и дорожных битумов и применяемые непосредственно после приготовления с температурой смеси при укладке не ниже 120°С;

холодные - приготавливаемые с использованием жидких нефтяных дорожных битумов, допускаемые к длительному хранению и укладываемые с температурой не ниже 5°С.

Горячие смеси в зависимости от наибольшего размера зерен минеральных материалов подразделяют на:

крупнозернистые - с зернами размером до 40 мм;

мелкозернистые - с зернами размером до 20 мм;

песчаные - с зернами размером до 5 мм.

Холодные смеси подразделяют на мелкозернистые и песчаные.

Крупнозернистый асфальтобетон применяют для устройства нижнего слоя покрытия, шероховатая и пористая поверхность которого обеспечивает хорошее сцепление с верхним слоем.

Мелкозернистый асфальтобетон применяют для устройства верхнего слоя или однослойного покрытия. Мелкозернистый асфальтобетон базальтовой структуры применяют для устройства верхнего слоя двухслойных покрытий при интенсивном движении с дополнительным втапливанием щебня для создания шероховатой поверхности. Асфальтобетон этого типа обладает высокой сопротивляемостью механическим воздействиям и атмосферным факторам.

Песчаный асфальтобетон применяют для устройства верхнего слоя покрытия на дорогах со средней интенсивностью движения.

Асфальтобетоны из горячих смесей в зависимости от значения остаточной пористости подразделяют на виды:

высокоплотные с остаточной пористостью от 1,0 до 2,5 %;

плотные с остаточной пористостью свыше 2,5 до 5 %;

пористые с остаточной пористостью свыше 5 до 10 %;

высокопористые с остаточной пористостью свыше 10 до 18 %.

Асфальтобетоны из холодных смесей должны иметь остаточную пористость свыше 6 до 10 %.

Щебеночные и гравийные горячие смеси и плотные асфальтобетоны, в зависимости от содержания в них щебня (гравия), подразделяют на типы:

А - с содержанием щебня свыше 50 до 60 %;

Б - с содержанием щебня свыше 40 до 50 %;

В - с содержанием щебня свыше 30 до 40 %.

Щебеночные и гравийные холодные смеси и соответствующие им асфальтобетоны в зависимости от содержания в них щебня (гравия) подразделяют на типы Бх и Вх.

Горячие и холодные песчаные смеси и соответствующие им асфальтобетоны в зависимости от вида песка подразделяют на типы:

Г и Гх - на песках из отсевов дробления, а также на смесях с природным песком при содержании последнего не более 30 % по массе;

Д и Дх - на природных песках или смесях природных песков с отсевами дробления при содержании последних менее 70 % по массе.

Смеси и асфальтобетоны, в зависимости от показателей физико-механических свойств и применяемых материалов, подразделяют на марки:

Горячие:

- высокоплотные - I

- плотные типов: А- I, II;

Б, Г- I, II, III

В, Д - II, III.

- пористые и высокопористые - I, II

Холодные типов: Б_Х, В_Х, Г_Х - I, II

Д_Х - II

6.6.1. Требования к материалам

Щебень и гравий. Для приготовления щебня используют прочные морозостойкие изверженные, метаморфические и осадочные горные породы, а также прочные и морозостойкие медленноохлажденные металлургические шлаки. Прочность при сжатии горных пород должна быть не менее 100...120 МПа, а осадочных карбонатных пород и металлургических шлаков - не менее 80...100 МПа. Пониженные требования к прочности известняков, доломитов и шлаков компенсируются повышенной прочностью асфальтобетона в связи с хорошим прилипанием битума к этим материалам.

Показатель прочности при износе в полочном барабане для щебня из горных пород устанавливается не более 25...35 % Щебень для асфальтобетонных смесей должен быть чистым, не допускается содержание глинистых и пылеватых частиц свыше 2 %. Форма зерен щебня должна приближаться к тетраэдной и кубовидной, а поверхность - к шероховатой, что повышает внутреннее трение и прилипание вяжущего. Содержание лещадных и игловатых зерен ограничивается 15...35 %. Щебень для асфальтобетонных смесей должен выдерживать без разрушения не менее 50 циклов попеременного замораживания и оттаивания, а для нижнего слоя покрытия - не менее 25 циклов (ГОСТ 8267-93).

Для приготовления горячих асфальтобетонных смесей II марки типа В, холодных типов Бх, Вх, а также III марки типов Б и В можно использовать щебень из гравия или гравий. Гравийно-песчаные смеси по зерновому составу должны отвечать требованиям ГОСТ 23735, а гравий и песок, входящие в состав этих смесей, - ГОСТ 8767 и 8736, соответственно.

Прочность и морозостойкость щебня и гравия для смесей и асфальтобетонов конкретных марок и типов должны соответствовать указанным в табл. 6.6.1.

Таблица 6.6.1

Требования к щебню, гравию, используемым для приготовления асфальтобетонных смесей

Песок. Для приготовления асфальтобетонных смесей можно применять природные и дробленые пески, отвечающие требованиям ГОСТ 8736.

Допускается использовать отсевки продуктов дробления горных пород и гравия, соответствующие требованиям нормативно-технической документации, утвержденной в соответствующем порядке. Показатели свойств дробленых песков и отсевов продуктов дробления горных пород и гравия в зависимости от марки, типа и вида смесей должны соответствовать указанным в табл. 6.6.2.

Таблица 6.6.2

Показатели свойств дробленых песков и отсевов продуктов дробления горных пород и гравия

Примечание. Для смесей типа Г марки I необходимо использовать пески из отсевов дробления изверженных горных пород по ГОСТ 8736 с содержанием зерен менее 0,16 мм не более 5 % по массе

Дробленый песок получают дроблением скальных горных пород или кристаллических металлургических шлаков. В зависимости от прочности исходной горной породы, дробленый песок делят на две марки: 800 и 400. Для получения первого из них применяют горные породы с прочностью при сжатии не ниже 80, а для второго - не ниже 40 МПа. Зерновой состав песка должен обеспечивать получение смеси с другими минеральными материалами, с наибольшей плотностью. Из этих соображений для приготовления асфальтобетонных смесей применяют крупно- и среднезернистый пески.

Песок должен быть чистым и содержать глинистых частиц не более 1 % по массе, а органических примесей - менее 0,5 %. Чтобы обеспечить однородный состав асфальтобетонной смеси необходимо использовать песок с постоянным зерновым составом. С этой целью в ряде стран песок делят на 2...3 фракции и в асфальтосмеситель подают пофракционно. Для улучшения обволакивания битумом, песок подвергают активации.

Минеральный порошок. Для асфальтобетонных смесей минеральный порошок получают размолом известняков, доломитов (прочностью не менее 20 МПа), доменных шлаков, а также битуминозных известняков. Тонкость помола порошков должна быть такой, чтобы при мокром рассеве сквозь сито с отверстиями 1,25 мм проходило 100 %, 0,315 мм - не менее 90 % и 0,071 мм - не мене 70 % порошка. При этом пустотность его при уплотнении в специальной форме нагрузкой 40 МПа должна быть не более 35 %.

Физико-химическое воздействие битума с минеральным порошком приближенно определяют коэффициентом гидрофильности частиц порошка размером менее 1,25 мм. Коэффициентом гидрофильности называют отношение набухания минерального порошка в воде (полярная среда) к набуханию в обезвоженном керосине (неполярная среда). Более гидрофильные порошки имеют большее сродство с водой и характеризуются коэффициентом гидрофильности более 1, а менее гидрофильные - менее 1. Для асфальтобетона не рекомендуют порошки с коэффициентом гидрофильности более 1. Набухание смеси порошка с битумом не должно превышать 2,5 %.

В ряде случаев в качестве минеральных порошков применяют местные материалы - порошкообразные отходы промышленности (пыль уноса цементных заводов, золы, дефекационные отходы сахарных заводов, отходы асбоцементного производства). Качество этих порошков различное, поэтому в каждом случае проверяют свойства порошков и приготовленных смесей. Важно установить также расход битума, технологические свойства смеси на принятом порошке и влияние порошка на долговечность асфальтобетона.

Вследствие того, что минеральные порошки имеют мелкозернистый состав, они обладают повышенной гидроскопичностью и комкуются при длительном хранении на складах. Значительно улучшаются свойства порошков после предварительной гидрофобизации, т.е. обработки небольшими дозами битума малой вязкости или другими гидрофобизирующими веществами (торфяным или древесным дегтем, ферролигно-сульфанатом и др.). Гидрофобизирующие минеральные порошки при хранении не комкуются, при транспортировке не распыливаются, значительно улучшают перемешивание и уплотнение смеси; расход битума при приготовлении асфальтобетонных смесей уменьшается.

Показатели свойств измельченных основных металлургических шлаков и порошковых отходов промышленности должны отвечать требованиям ГОСТ 16557 (табл. 6.6.3).

Таблица 6.6.3

Требования к материалам, применяемым в качестве минерального порошка

В смеси с битумом минеральный порошок образует, так называемое, асфальтовое вяжущее вещество, являющееся тем клеем, который объединяет зерна песка и щебня в прочный и плотный монолит. Суммарная поверхность зерен минерального порошка составляет 85...90 % от всей поверхности минерального материала, поэтому битум, главным образом, взаимодействует с поверхностью минерального порошка.

Минеральный порошок повышает прочность асфальтобетона, но вместе с тем, увеличивает его хрупкость, поэтому в смеси содержание минерального порошка должно быть оптимальным, достаточным лишь для придания асфальтобетону нормативной прочности и плотности. Избыток минерального порошка понижает трещиностойкость, сдвигоустойчивость; при увеличенном содержании битума повышает жирность асфальтобетонных смесей.

Битум. Марку вязкого битума, а также класс и марку жидкого битума выбирают в зависимости от вида асфальтобетона, климатических условий района строительства и категории дороги, а для холодного асфальтобетона - с учетом условий и сроков хранения смеси на складе.

Для приготовления горячих смесей следует применять вязкие нефтяные дорожные битумы марок: БНД 40/60, БНД 60/ 90, БНД 90/130, БНД 130/200, БНД 200/300, БН 60/90, БН 90/ 130, БН 130/200, БН 200/300 по ГОСТ 22245, а также жидкие битумы марок: СГ 130/200, МГ 130/200, ГОСТ 11955.

Для приготовления холодных смесей следует применять жидкие нефтяные дорожные битумы марок СГ 70/130, МГ 70/130. Для холодных смесей марки I следует применять жидкие битумы класса СГ. Допускается также применение битумов класса МГ при условии использования активированных минеральных порошков или предварительной обработки минеральных материалов смесью битума с поверхностно-активными веществами. Для холодных смесей марки II следует применять жидкие битумы классов СГ, МГ.

6.6.2. Структурно-механические свойства асфальтобетона

Асфальтобетон, как материал с обратимыми микроструктурными связями, в зависимости от температуры и условий деформирования может находиться в следующих структурных состояниях:

- упруго-хрупком, при котором минеральный остов строго фиксирован застеклованными прослойками битума. В этом случае асфальтобетон по свойствам приближается к цементобетону и другим искусственным материалам с кристаллизационными связями;

- упруго-пластичном, когда зерна минерального остова соединены прослойками битума, которые проявляют при напряжениях, не превышающих предел текучести, упругие и эластичные свойства, а при больших напряжениях - упруго-вязкие свойства;

- вязко-пластичном, при котором зерна минерального остова соединены полужидкими прослойками битума и небольшое по величине напряжение приводит к деформированию материала.

Под механической нагрузкой асфальтобетон проявляет комплекс сложных свойств: упругость, пластичность, ползучесть, релаксацию напряжений, изменение прочности в зависимости от скорости деформирования, накопление деформации при многократных приложениях нагрузки и т.д. В зависимости от проявления тех или иных свойств к асфальтобетону применимы законы теории упругости или теории пластичности. Основными свойствами, характеризующими качество асфальтобетона, являются прочность, деформативность, ползучесть, релаксация, водостойкость, износостойкость, морозоустойчивость.

Прочность - свойство асфальтобетона сопротивляться разрушению под действием механических напряжений. Теоретические основы прочности и устойчивости асфальтобетонных покрытий отражены в виде нормативов на физико-химические свойства в ГОСТ 9128-97. Показателем этих свойств в сумме прямо или косвенно характеризуют прочность при сжатии и сдвиге, трещиностойкость асфальтобетона в покрытиях.

Прочность при сжатии нормируют при 50, 20, 0°С, что соответствует температуре покрытия в жаркий летний день и осенне-зимний период.

Деформативность асфальтобетона оценивают по относительной деформации асфальтобетонных образцов при испытании на изгиб или растяжение. Покрытие будет устойчивым против образования трещин, если асфальтобетон обладает относительным удлинением при 0°С не менее 0,004...0,008, а при -20°С не менее 0,001...0,002 (при скорости деформации, близкой к 5...10 мм/мин).

Ползучесть. Испытание асфальтобетона на ползучесть позволяет установить изменение деформации во времени. Ползучесть - процесс малой непрерывной пластичной деформации, протекающей в материалах в условиях длительной статической нагрузки. При испытании на ползучесть к образцу, имеющему форму цилиндра или балочки, прикладывают постоянную нагрузку, чтобы проследить работу материала в упругой (линейной) и неупругой (нелинейной) области.

Релаксация - уменьшение напряжений в материале, величина деформации в котором поддерживается постоянной. Процесс релаксации заключается в «перерождении» упругой деформации в пластичную.

Релаксация напряжений в асфальтобетоне связана с наличием битума, обладающего гораздо меньшей прочностью и вязкостью, чем минеральные материалы. Температура и вязкость битума оказывают влияние на характер релаксации напряжений в асфальтобетоне. С понижением температуры различия в релаксационных процессах уменьшаются, с повышением - релаксационная способность материала увеличивается. На характер релаксации в значительной степени влияет напряжение, сообщаемое материалу. При высоком начальном напряжении процесс релаксации протекает интенсивно, в материале остается мало неотрелаксированных напряжений, что объясняется облегчением пластичного течения по релаксационным плоскостям.

Релаксационные процессы в асфальтобетоне зависят от скорости деформации (нагружения). Процесс нагружения рассматривают как совокупность двух одновременно протекающих процессов - роста напряжений и их релаксации, поэтому, чем медленнее растет нагрузка, тем большая часть напряжений успевает отрелаксировать в процессе нагружения.

При высоких температурах интенсивность снижения напряжений служит показателем деформационной устойчивости асфальтобетона, а при низких отрицательных - показателем трещиноустойчивости.

Водостойкость. Асфальтобетонные покрытия при длительном увлажнении вследствие ослабления структурных связей могут разрушаться за счет выкрашивания минеральных зерен, что приводит к повышенному износу покрытий и образованию выбоин. Водостойкость асфальтобетона зависит от его плотности и устойчивости адгезионных связей. Вода, как полярная жидкость, хорошо смачивает все минеральные материалы, а это значит, что при длительном контакте минеральных зерен, обработанных битумом, возможна диффузия воды под битумную пленку. При этом минеральные материалы с положительным потенциалом заряда поверхности (кальцит, доломит, известняк) в большей степени препятствуют вытеснению битумной пленки водой, чем материалы с отрицательным потенциалом поверхности(кварц, гранит, андезит).

Пористость оказывает большое влияние на водостойкость асфальтобетона, обычно она составляет 3...7 %. Поры в асфальтобетоне могут быть открытые и замкнутые. С уменьшением размера зерен увеличивается количество замкнутых, недоступных воде пор. Водостойкость определяется величиной водонасыщения, набухания и коэффициента водостойкости Кв (отношение прочности водонасыщенных к прочности сухих образцов). Коэффициент водостойкости должен быть не менее 0,9, а при длительном водонасыщении (15 суток) не менее 0,8.

Морозостойкость. Замерзая зимой в порах асфальтобетона, вода переходит в лед с увеличением в объеме на 8-9 %, что создает в них давление свыше 29 МПа. Наибольшее разрушительное действие оказывает происходящее весной и осенью попеременное замораживание и оттаивание асфальтобетона. Знакопеременные температуры приводят к появлению трещин.

Морозостойкость асфальтобетона обычно оценивают коэффициентом K_F, показывающим снижение прочности при растяжении (и сжатия на раскол) после определенного цикла замораживания насыщенных водой образцов на воздухе при температуре -20°С и оттаивания в воде при комнатной температуре. Количество циклов принимают не менее 25. Повысить водо- и морозостойкость можно путем выбора материалов надлежащего качества, тщательного подбора составляющих, применения поверхностно-активных веществ.

Износостойкость и шероховатость асфальтобетона в покрытии. Износ асфальтобетона происходит под действием сил трения, вызываемых проскальзыванием колес автомобиля по поверхности покрытия и вакуумных сил, возникающих под движущимся автомобилем. Износ покрытия определяется: истиранием его структурных элементов; отрывом и износом с его поверхности зерен песка и раздробленных щебенок.

Износостойкость асфальтобетона тем выше, чем больше его плотность, чем выше твердость входящих в его состав минеральных материалов и выше сцепление зерен щебня и песка с битумом. Асфальтобетоны, приготовленные на гранитном щебне, более износоустойчивы, чем асфальтобетоны на известняковом щебне. Применение щебня, загрязненного глинистыми частицами, приводит к резкому снижению износостойкости за счет вырывания щебенок из поверхности покрытия.

Асфальтобетонные покрытия с ровной, сухой и чистой поверхностью (за исключением покрытий с избытком битума) обеспечивают достаточное сцепление шин автомобиля с поверхностью покрытия. При этом шероховатость поверхности покрытия не оказывает существенного влияния на сопротивление скольжению шин. На покрытиях с увлажненной поверхностью степень сопротивления скольжению шин значительно снижается из-за наличия воды в зоне контакта шин с покрытием. Степень сопротивления скольжения оценивается коэффициентом сопротивления скольжению j (коэффициент сопротивления), представляющим собой отношение силы сопротивления скольжению к нормальной нагрузке на покрытие в зоне контакта шины с покрытием. Коэффициент сцепления на сухом и мокром асфальтобетонном покрытии имеет следующие значения:

Шероховатая поверхность:                          Гладкая поверхность:

сухая 0,7...0,9                                                 сухая 0,4...0,6;

мокрая 0,5...0,7                                              мокрая 0,3...0,4.

При коэффициенте сцепления менее 0,4 покрытие становится недопустимо скользким и аварийность на нем резко увеличивается. Коэффициент сцепления 0,4...0,5 в большинстве случаев удовлетворяет требованиям безопасности движения. Повышение коэффициента сцепления достигается за счет применения асфальтобетона поровой и контактно-поровой структуры. Шероховатость обеспечивается при содержании щебня из труднополирующихся пород в количестве 50-65 % в зернистых смесях и 35-55 % зерен крупнее 1,25 мм - песчаных на дробленом песке из труднополирующихся пород, а также уменьшением до возможных пределов содержания минерального порошка (4-10 % в зернистых смесях и 8-10 % в песчаных). Общие зависимости между шероховатостью, качеством составляющих и составом асфальтобетонных смесей следующие: степень шероховатости покрытия пропорциональна острогранности и собственной шероховатости зерен каменного материала; долговечность шероховатости тем больше, чем труднее шлифуется каменный материал, чем выше вязкость битума; чем больше дробленых зерен в смеси и чем меньше в ней минерального порошка, тем выше шероховатость.

6.6.3. Нормативные требования к асфальтобетону

Свойства асфальтобетона и асфальтобетонных смесей должны соответствовать ГОСТ 9128-97 «Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон». Зерновые составы и минеральные части смесей и асфальтобетонов должны соответствовать установленным в табл. 6.6.4 - для нижних слоев покрытий и оснований; в табл. 6.6.5 - для верхних слоев покрытий. Показатели физико-механических свойств высокоплотных и плотных асфальтобетонов из горячих смесей, в зависимости от марок смесей и дорожно-климатической зоны, должны соответствовать указанным в табл. 6.6.6.

Таблица 6.6.4

Зерновые составы минеральной части смесей и асфальтобетонов для нижних слоев покрытий и оснований в % по массе

Таблица 6.6.5

Зерновые составы минеральной части смесей и асфальтобетонов для верхних слоев покрытий в процентах по массе

Таблица 6.6.6

Технические требования к асфальтобетону

Пористость минеральной части асфальтобетонов из горячих смесей должна быть, %, не более:

высокоплотных.................................................16;

плотных типов:

А и Б..................................................................19;

В, Г и Д..............................................................22;

пористых...........................................................23;

высокопористых щебенистых..........................24;

высокопористых песчаных...............................28.

Остаточная пористость является главным признаком правильно назначенного зернового состава, оптимального содержания битума и достаточного уплотнения. Остаточная пористость в нормативных пределах необходима, и отклонение от нее означает нарушение оптимальной структуры асфальтобетона.

Водонасыщение высокоплотных и плотных асфальтобетонов из горячих смесей должно соответствовать указанному в табл. 6.6.7.

Таблица 6.6.7

Остаточная пористость и водонасыщение высокоплотных и плотных асфальтобетонов

Показатели физико-механических свойств пористых и высокопористых асфальтобетонов из горячих смесей, в зависимости от марок смесей, должны соответствовать указанным в табл. 6.6.8.

Таблица 6.6.8

Показатели пористых и высокопористых асфальтобетонов из горячих смесей

Примечание. Для крупнозернистых асфальтобетонов предел прочности при сжатии при температуре 50°С и водостойкость не нормируются.

Водонасыщение пористых асфальтобетонов не должно быть более 12 % по объему, высокопористых - не более 18 %. Набухание пористых и высокопористых асфальтобетонов из смесей I марки не должно быть 1,0 % по объему, из смесей II марки - более 2 % по объему.

Водонасыщение ниже нормы указывает на чрезмерную жирность смесей, а повышенное водонасыщение является признаком сухой смеси.

Набухание больше нормативного предела указывает на повышенную гигроскопичность минерального порошка или битума, или того и другого вместе. С повышенным набуханием обратной зависимостью связаны водостойкость и морозостойкость.

Нормативная прочность на сжатие при 20°С и 50°С для бескаркасных смесей характеризует сдвигоустойчивость асфальтобетона. Повышение прочности достигается увеличением вязкости битума и увеличением содержания минерального порошка. Однако то и другое приводит к увеличению хрупкости и снижению трещиностойкости асфальтобетона в покрытии.

В асфальтобетоне каркасной структуры признаком сдвигоустойчивости является правильно подобранный зерновой состав. Прочность при сжатии при 20°С и 50°С косвенно свидетельствует о когезии асфальтового вяжущего и способности смеси противостоять разрушающему воздействию воды.

Показатели физико-механических свойств асфальтобетонов из холодных смесей в зависимости от марок смесей должны соответствовать указанным в табл. 6.6.9.

Таблица 6.6.9

Показатели физико-механических свойств асфальтобетонов из холодных смесей

В дорожных покрытиях резко изменяются свойства холодного асфальтобетона вследствие повышения вяжущих свойств жидких битумов под воздействием атмосферных факторов. Для оценки этих качественных изменений холодного асфальтобетона пользуются показателями предела прочности при сжатии в сухом и водонасыщенном состоянии (табл. 6.6.9). Длительность прогрева смеси устанавливают в зависимости от скорости загустевания битума.

Температура горячих и холодных смесей при отгрузке потребителю и на склад в зависимости от показателей битумов должна соответствовать указанным в табл. 6.6.10.

Таблица 6.6.10

Температура горячих и холодных смесей при отгрузке потребителю и на склад

Примечание. При использовании ПАВ или активированных минеральных порошков допускается снижать температуру горячих смесей на 20°С.

Пористость минерального состава асфальтобетонов из холодных смесей типа Б_Х не должна быть более 18 % по объему, типа В_Х - более 20 %, типов Г_Х и Д_Х - более 21 % по объему. Остаточная пористость асфальтобетонов из холодных смесей должна быть 6...10 % по объему.

Водонасыщение асфальтобетонов из холодных смесей должно быть в пределах от 5...9 % по объему, а слеживаемость не должна превышать 10 по числу ударов. Смеси должны выдерживать испытание на сцепление битума с минеральной частью. При недостаточном сцеплении следует применять поверхностно-активные вещества (ПАВ).

6.6.4. Расчет состава асфальтобетонной смеси

Расчет заключается в подборе рационального соотношения между составляющими асфальтобетонную смесь материалами.

Широкое распространение получил метод расчета по кривым плотных смесей. Наибольшая прочность асфальтобетона достигается при максимальной плотности минерального остова, оптимального количества битума и минерального порошка.

Между зерновым составом минерального материала и плотностью существует прямая зависимость. Оптимальными будут составы, содержащие зерна различного размера, диаметры которых уменьшаются в два раза.

                                                                                        (6.6.1)

где d₁ - наибольший диаметр зерна, устанавливаемый в зависимости от типа смеси;

d₂ - наименьший диаметр зерна, соответствующий пылеватой фракции, и минерального порошка (0,004...0,005 мм).

Размеры зерен, согласно предыдущему уровню

                                                                                       (6.6.2)

Число размеров определяют по формуле

                                                                                                    (6.6.3)

Число фракций п на единицу меньше числа размеров т

                                                                                                          (6.6.4)

Соотношение соседних фракций по массе

                                                                                           (6.6.5)

где К - коэффициент сбега.

Величина, показывающая, во сколько раз количество последующей фракции меньше предыдущей, называется коэффициентом сбега. Наиболее плотная смесь получается при коэффициенте сбега 0,8, но такую смесь трудно подобрать, поэтому, по предложению Н.Н. Иванова, коэффициент сбега К принят от 0,7 до 0,9.

Зная размеры фракций, их количество и принятый коэффициент сбега (например 0,7), составляют уравнения такого вида:

Сумма всех фракций (по массе) равна 100 %, то есть:

у₁ + у₁к + у₁к² + у₁к³ +...+ у₁к^n-1 = 100                                                                        (6.6.6)

или

у₁(1 + к + к² + к³ +... + к^n-1) = 100                                                                               (6.6.7)

В скобках указана сумма геометрической прогрессии и, следовательно, количество первой фракции в смеси

                                                                                                           (6.6.8)

Аналогично определяем процентное содержание первой фракции у₁, для коэффициента сбега к = 0,9. Зная количество первой фракции у₁, легко определить у₂, у₃ и так далее.

На основании полученных данных строят предельные кривые, соответствующие принятым коэффициентам сбега. Составы, рассчитанные по коэффициенту сбега 0,9, содержат повышенное количество минерального порошка, а при к < 0,7 - уменьшенное количество минерального порошка.

Кривая зернового состава рассчитываемой смеси должна располагаться между предельными кривыми (рис. 6.6.1).

Рис. 6.6.1. Зерновые составы:
А - мелкозернистой асфальтобетонной смеси с непрерывной гранулометрией типов А, Б, В; Б - минеральной части песчаных смесей типов Г и Д

Высокие эксплуатационные показатели дают смеси с повышенным содержанием щебня и уменьшенным содержанием минерального порошка. Предпочтение следует отдавать смесям с коэффициентом сбега 0,70...0,80.

В случае невозможности расчета плотной минеральной смеси по предельным кривым (отсутствие крупнозернистых песков и невозможности их замены высевными) необходимая плотность может быть подобрана по принципу прерывистой гранулометрии. Смеси с прерывистой гранулометрией более сдвигоустойчивы за счет жесткого каркаса.

Для определения расхода битума формуют пробные образцы из смеси с заведомо малым содержанием битума, затем определяют объем пустот в минеральном остове

                                                                                   (6.6.9)

где g - объемная масса асфальтобетонного образца;

Б_пр - содержание битума в пробной смеси, %;

r_м - средняя плотность минерального материала:

                                                                                                (6.6.10)

где у_щ, у_п , у_мп - содержание щебня, песка, минерального порошка в % по массе;

r_щ, r_п , r_мп - плотность щебня, песка, минерального порошка.

Расчетная формула для определения оптимального содержания битума будет иметь вид

                                                                                            (6.6.11)

где r_б - плотность битума;

j - коэффициент заполнения пустот минеральной смеси битумом, зависящий от заданной остаточной пористости

                                                                                                                (6.6.12)

где П_о - пористость минерального остова асфальтобетона, % объема;

П - заданная остаточная пористость асфальтобетона при 20°С, % объема.

6.6.5. Холодный асфальтобетон

Состав холодного асфальтобетона можно рассчитать по типовым составам или по методике, применяемой для расчета горячих смесей, с обязательной проверкой физико-механических свойств в лаборатории. Количество жидкого битума снижают на 10...15 % против оптимального, чтобы уменьшить слеживаемость.

Характерной чертой холодного асфальтобетона, отличающей его от горячего, является способность оставаться длительное время после приготовления в рыхлом состоянии. Эта способность холодных асфальтобетонных смесей объясняется наличием тонкой битумной пленки на минеральных зернах, вследствие чего микроструктурные связи в смеси настолько слабы, что небольшое усилие приводит к их разрушению. Поэтому приготовленные смеси под действием собственной массы при хранении в штабелях и транспортировке не слеживаются. Смеси в течение длительного времени (до 12 месяцев) остаются в рыхлом состоянии. Их сравнительно легко можно перегружать в транспортные средства и распределять тонким слоем при устройстве дорожных покрытий.

Зерновые составы холодных асфальтобетонных смесей отличаются от составов горячих смесей в сторону повышенного содержания минерального порошка (до 20 %) - частиц мельче 0,071 мм и пониженного содержания щебня (до 50 %). Повышенное количество минерального порошка вызвано применением жидкого битума, требующего для структурообразования большего количества порошка, а при содержании щебня более 50 % ухудшаются условия формирования покрытия. Наибольший размер зерен в холодном асфальтобетоне составляет 20 мм. Более крупный щебень ухудшает условия формирования покрытия.

В качестве крупной составляющей для холодного асфальтобетона используют щебень, получаемый дроблением скальных горных пород и металлургических шлаков. Эти материалы должны обладать прочностью при сжатии не менее 80 МПа, а для II марки асфальтобетона - не ниже 60 МПа.

Для приготовления холодного асфальтобетона применяют такой же минеральный порошок и песок, что и для горячих смесей.

Жидкие битумы должны иметь вязкость в пределах  что соответствует маркам СГ 70/130, МГ 70/130. Вязкость и класс битума выбирают с учетом предполагаемого срока хранения смеси на складах, температуры воздуха при хранении и применении, а также качества минеральных материалов. Холодные асфальтобетонные смеси используют для устройства дорожных покрытий при интенсивности движения до 2000 автомобилей в сутки.

6.6.6. Литой асфальтобетон

Литой асфальтобетон представляет собой специально запроектированную смесь щебня, песка, минерального порошка и вязкого битума, приготовленную и уложенную в горячем состоянии без дополнительного уплотнения. От горячего асфальтобетона литой отличается большим содержанием минерального порошка и битума, технологией приготовления и методом укладки. Литой асфальтобетон применяют в качестве дорожного покрытия на автомобильных дорогах, на проезжей части мостов, а также для устройства полов в производственных зданиях. Ремонтные работы с использованием литых смесей можно выполнять при температуре воздуха до -10°С. Особенностью производства работ является необходимость непрерывного перемешивания литой смеси при ее транспортировке к месту укладки.

Для приготовления литого асфальтобетона применяют щебень (крупностью до 40 мм), природный или дробленый песок. Щебень, высевки и песок должны быть высокосортными, как и для обычного горячего асфальтобетона. В качестве вяжущего применяют битумы БНД 40/60. В соответствии с ТУ 400-24-158-89 литые смеси подразделяют на пять типов (табл. 6.6.11).

Таблица 6.6.11

Классификация литых асфальтобетонных смесей

К положительным свойствам литого асфальтобетона относят долговечность, небольшие затраты работы на уплотнение, водонепроницаемость. При реконструкции дороги существующее покрытие из литого асфальтобетона может быть снова использовано в полном объеме и почти без добавления новых материалов.

6.6.7. Дегтебетон

Дегтебетон в зависимости от вязкости дегтя и температуры смесей при укладке подразделяют на горячий и холодный. По физико-механическим свойствам дегтебетон уступает асфальтобетону, так как обладает меньшей прочностью и теплоустойчивостью.

Дегтебетон в зависимости от вида каменного материала подразделяют на щебеночный, гравийный и песчаный. Для приготовления дегтебетона применяют те же минеральные материалы, что и для асфальтобетона, требования к ним аналогичные. В качестве вяжущего применяют дорожный каменноугольный деготь: для горячего дегтебетона - Д-6, для холодного - Д-4 и Д-5. Дегти применяют как промышленного изготовления, так и приготовленные непосредственно на асфальтобетонном заводе путем окисления или смешения песка с разжижителем (антраценовым маслом, каменноугольной смолой и др.).

Расчет состава дегтебетона может быть выполнен так же, как и асфальтобетона, при этом основное внимание должно быть обращено на тщательный подбор количества дегтя, так как небольшое отклонение содержания его в смеси заметно влияет на свойства дегтебетона.

Для приготовления горячего дегтебетона применяют дегти с вязкостью, значительно меньшей, чем вязкость битума для соответствующего вида асфальтобетона. Пониженная вязкость дегтя обуславливает ослабление внутренних структурных связей, что может быть компенсировано повышением внутреннего трения минеральной части. Для этого необходимо применять каменные материалы с зернами угловатой формы и шероховатой поверхностью, а также заменять часть или весь природный песок с окатанными зернами на высевки. Для приготовления дегтебетонных смесей можно применять щебень из более кислых пород (кварцевые песчаники, богатые кварцем граниты и др.).

Плотный дегтебетон применяют для устройства покрытий на дорогах II...IV категорий. По санитарно-гигиеническим условиям устройство верхних слоев покрытий из дегтебетона разрешено только вне населенных пунктов. При приготовлении дегтебетонных смесей необходимо соблюдать специальные правила техники безопасности.

Дегтебетонную смесь приготавливают в асфальтобетонных установках с мешалками принудительного действия. Вследствие пониженной вязкости дегтя обволакивание им зерен минерального материала протекает лучше, чем при применении битумов, в результате чего сокращается время для смешения материалов. По этой же причине облегчается уплотнение смесей при устройстве покрытий. Коэффициент уплотнения, представляющий собой отношение толщины слоя уложенной смеси до уплотнения к толщине уплотненного покрытия, может быть равным 1,3...1,4.

При производстве дегтебетонной смеси необходимо строго соблюдать установленный температурный режим, так как деготь более чувствителен к изменению температуры, чем битум (табл. 6.6.12).

Таблица 6.6.12

Температурный режим при приготовлении и укладке дегтебетона

По физико-механическим свойствам дегтебетон уступает асфальтобетону: он обладает меньшей прочностью, теплостойкостью. Но при этом отличается повышенной износостойкостью. Дегтебетонное покрытие имеет повышенную шероховатость, более высокий коэффициент сцепления колеса с дорогой, повышенную безопасность движения. Это связано с меньшей вязкостью дегтей, более слабыми когезионными силами межмолекулярного взаимодействия, наличием летучих составляющих. Летучие вещества в составе дегтя ускоряют срок формирования структуры дегтебетона в покрытии, а также способствуют более интенсивному изменению его свойств. Дегтебетон менее пластичен в сравнении с асфальтобетоном, что также связано с составом и структурой дегтей, которые состоят преимущественно из ароматических углеводородов, которые образуют более жесткие структурные связи в вяжущих материалах и при пониженных температурах плохо деформируются, вследствие чего в покрытиях образуются трещины.

Контроль за изготовлением дегтебетонной смеси на заводе и при устройстве дегтебетонного покрытия, а также методы испытания дегтебетона такие же, как и асфальтобетона.

РАЗДЕЛ III
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРЕДПРИЯТИЯ ДОРОЖНОГО ХОЗЯЙСТВА

Глава 7.
Проектирование производственных предприятий

Производственные предприятия - это комплекс сооружений, машин и оборудования, которые обеспечивают добычу необходимых для дорожного строительства материалов, изготовление полуфабрикатов, изделий и деталей.

В условиях скоростного строительства автомобильных дорог требуется принять и переработать 500...700 тыс. т в год различных строительных материалов, что в среднем составляет 60...100 вагонов в сутки. Наибольшую сложность представляет разгрузка и хранение цемента, минерального порошка, битума. Классификация производственных предприятий показана на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Классификация производственных предприятий дорожного хозяйства

По характеру эксплуатации в зависимости от размещения и средств доставки материалов предприятия могут быть.

- прирельсовые;

-притрассовые.

Прирельсовые предприятия сооружают непосредственно у железнодорожной ветки. В этом случае вся или большая часть материала поступает по железной дороге.

Притрассовые заводы сооружают в непосредственной близости от строящейся автомобильной дороги и все необходимые материалы на предприятие доставляют автомобильным транспортом с прирельсовых базисных складов или из притрассовых карьеров.

Предприятия для приготовления смесей разделяют на стационарные, инвентарные и передвижные. Стационарные размещают в капитальных сооружениях, и срок эксплуатации их на одном месте более 2-х лет.

Инвентарные заводы (базы) комплектуются из строительных конструкций, машин и оборудования сборно-разборного типа.

Передвижные предприятия организуют для приготовления смесей вблизи мест укладки. Они предназначены для кратковременного использования от 1 месяца до 1 года на одном месте.

При выборе места расположения производственного предприятия учитывают:

- возможность получения исходных материалов;

- величину транспортных затрат;

- техническую обусловленность, ограничивающую дальность транспортирования, например, асфальтобетонной смеси.

При выборе площадки для строительства производственного предприятия учитывают:

- географические и гидрологические условия;

- существующую транспортную сеть;

- обеспеченность района электроэнергией, водой, жилплощадью, культурно-бытовыми помещениями;

- противопожарные и санитарно-технические условия. Оптимальный вариант размещения производственного

предприятия выбирают по минимуму приведенных затрат на производство и транспортирование продукции при одинаковом ее качестве по формуле

З_П = С_с + С_{тс +} С_{пер +} С_т.гот + Е_н·К_уд,                                                                         (7.1)

где С_с - затраты на приобретение сырья;

С_тс - затраты на транспортирование сырья от места производства до перерабатывающего предприятия;

С_пер - затраты предприятия на переработку сырья в готовую продукцию;

С_т.гот - затраты на транспортирование готовой продукции с предприятия потребителю;

Е_н - нормативный коэффициент сравнительной эффективности капитальных вложений (Е_н = 0,12);

К_уд - удельные капиталовложения на строительство предприятия, К_уд = Ф/Q_г;

Ф - стоимость основных промышленно-производственных фондов, руб;

Q_г - годовая производственная мощность предприятия.

К дополнительным показателям, учитывающим специфические особенности производства, относят среднегодовые показатели расходов электроэнергии, сжатого воздуха, пара, воды и других затрат на единицу продукции.

Среднегодовой расход электроэнергии при изготовлении единицы продукции

N_эг = SN_г / Q_г ,                                                                                                            (7.2)

где SN_г - годовая потребность предприятия в электроэнергии, кВт·ч.

В определенных случаях определяют годовую выработку продукции на одного работающего, трудоемкость изготовления единицы продукции.

Годовая выработка продукции на одного работающего

В_р = Q_г / Р_ср.г ,                                                                                                             (7.3)

где Р_ср.г - среднегодовая численность работающих.

Показатель трудоемкости изготовления единицу продукции в значительной мере отражает уровень механизации, автоматизации и организации производства на данном предприятии.

Задача оптимального размещения производственных предприятий дорожного строительства по отношению к строящейся автомобильной дороге или к узлу дорог с учетом максимального их приближения к источникам сырья и потребителям и полного использования установленных производственных мощностей может быть решена методом линейного программирования с применением ЭВМ. Важнейшим этапом работы в этом случае является построение математической модели, которая может иметь несколько разновидностей.

7.1. Проектирование карьеров нерудных материалов

Изыскания месторождений песка, гравия, камня разделяют натри стадии:

- рекогносцировка;

- поиск;

- разведка.

Рекогносцировкой устанавливают район поиска. Отчет по рекогносцировке содержит описание месторождения, глазомерный план или карту и служит только для планирования строительства.

При поиске устанавливают:

- ориентировочные запасы;

- ценность и пригодность материалов для строительства автомобильных дорог.

Для поисковых работ используют топографическую карту крупного масштаба, геологические и геолого-литологические карты. При поисках делают выработки легкого типа (расчистки - неглубокие канавы).

Разведку проводят по утвержденному проекту. При разведке пользуются контрольными шурфами, скважинами. При бурении скважин вырезают керны. Все шурфы и скважины записывают в журнал определенной формы, где указывают пройденные породы, мощность слоев. На плане, выполненном в масштабе 1:2000, наносят все скважины, шурфы и естественные обнажения. По их данным составляют геологические разрезы. По разрезам судят о том, как залегает ископаемое, откуда и до какой глубины следует разрабатывать месторождение.

По степени разведанности месторождений, изученности качества полезного ископаемого различают запасы трех категорий А, В, С с подразделением третьей категории на С₁ и С₂.

К категории А относят месторождения, запасы, качество и условия залегания которых полностью изучены и оконтурены буровыми скважинами или горными выработками. Такие сведения позволяют запроектировать и построить на базе разведанного месторождения предприятие соответствующей мощности.

К категории В относят месторождения, запасы которых изучены без точного отображения пространственного положения каждого пласта.

К категории С, относят месторождения, запасы которых определены на основании редкой сетки бурения, примыкающие к контурам запасов А и В. Качество и состав материала, условия разработки месторождения в этом случае изучены на основе отдельных проб и образцов.

К категории С₂ относят месторождения, предварительно оцененные на основе отдельных проб и образцов.

Месторождения камня, гравия и песка, которые предполагают разрабатывать, должны удовлетворять определенным условиям:

- разведанные запасы, подлежащие разработке, должны быть не ближе 400...600 м от любых жилых зданий, дорог, газопроводов;

- полезная толща не должна содержать линз и прослоек некачественных материалов;

- предельное отношение толщи вскрыши к мощности полезного ископаемого не должно превышать 1:1 при разработке песчано-гравийных смесей и 1:1,5 - камня.

Для использования месторождения создают производственное предприятие - карьер. Карьеры бывают промышленными и строительными.

Промышленные карьеры - постоянно действующие, капитально оборудованные предприятия, часто автоматизированные. Они снабжают дорожные стройки в радиусе 1000...1500 км. Промышленные карьеры, как правило, не подчинены дорожным хозяйствам.

Строительные карьеры - предприятия временного типа.

Срок эксплуатации составляет 1...3 года. Сооружения на таких карьерах временного типа, сборно-разборные и передвижные. Строительные карьеры могут быть притрассовые и базисные. Базисные создают на мощных притрассовых месторождениях, удаленных от трассы. После окончания строительства эти карьеры часто используют для нужд эксплуатации дорог.

До разработки карьера должны быть подготовлены: горноотводные документы, разрешение на право производства горных и буровых работ, на хранение взрывчатых материалов, план горных работ с пояснительной запиской.

Технологический процесс разработки месторождения состоит из следующих работ: подготовительных, вскрышных, добычных, транспортных и погрузочно-разгрузочных.

К подготовительным работам относят: очистку площади месторождения от леса, пней, кустарника, валунов, устройство откаточной (выездной) и разрезной траншей, зачистку уступов, обеспечение отвода поверхностных вод.

Вскрышные работы ведут открытым способом, применяя различную технологию, машины и механизмы.

Важнейшим показателем эффективности открытых горных разработок является соотношение извлекаемых объемов пустой породы и полезного ископаемого. Отношение объема пустой породы к объему полезного ископаемого называют коэффициентом вскрыши

К_ср = V_в/V_п ,                                                                                                                 (7.1.1)

где V_в - объем вскрышных работ;

V_п - объем полезного ископаемого.

При разработке месторождений, расположенных в холмистой местности, снятие вскрыши производят сверху вниз. Разработку глубинных месторождений начинают с проходки въездной и разрезной траншей. Места под отвалы пустых отвалов выбирают там, где впоследствии не будут разрабатывать полезные ископаемые (овраги, пониженные места местности).

Основными процессами при разработке месторождений являются добыча породы и транспортирование ее на камнедробильные заводы. Извлечение полезного ископаемого производят слоями. В результате разрабатываемый массив горных пород приобретает форму уступов. Каждый уступ (рис. 7.1.1) характеризуется высотной отметкой горизонта расположения на нем транспортных путей.

Рис. 7.1.1. Элементы горной выработки:
1 - верхняя и нижняя площадки; 2 - откос уступа; 3 - бровка вскрыши уступа; 4 - вскрыша; 5 - развал взорванной породы; 6 - экскаватор с прямой лопатой; a - угол откоса уступа; b - угол откоса вскрыши; Н_у - высота уступа; h - высота подуступа

Поверхности, ограничивающие уступ по высоте, называют нижней и верхними площадками. Наклонную плоскость, ограничивающую уступ со стороны выработанного пространства, называют откосом уступа, а угол наклона уступа к горизонтальной плоскости - углом откоса уступа. Линии пересечения уступа с нижней и верхней площадками называют нижней и верхними бровками.

Различают рабочие и нерабочие уступы. На рабочих уступах производят выемку горных пород, поэтому нижнюю площадку этого уступа называют рабочей. Здесь располагают выемочно-погрузочные машины и транспортные пути, необходимые для удаления полезного ископаемого.

Подготовленную для разработки часть уступа по длине называют фронтом работ уступа, поверхность горных пород в пределах уступа или развала, являющуюся объектом выемки, - забоем. Для планомерной добычи породы и рационального использования строительных и транспортных машин месторождение разрабатывают слоями. Толщина и возможное число слоев зависят от мощности залежи и пустой породы, от параметров выемочно-погрузочного оборудования. Выемку слоев ведут последовательно сверху вниз независимо от направления напластования горных пород.

Залежи толщиной менее 2...3 м разрабатывают одним уступом. Наклоненные и крутопадающие залежи мощностью 20...40 м - в несколько уступов, причем нарезка нового уступа связана с полной выемкой полезного ископаемого на вышележащем горизонте.

7.1.1. Буровзрывные работы

Буровзрывные работы являются одним из труднейших процессов технологии добычи камня. Затраты на их проведение составляют 20...30 % себестоимости щебня. Поэтому особую важность при эксплуатации месторождений приобретает применение наиболее эффективных способов бурения и взрывания.

Бурение шпуров и скважин производят выше или ниже подошвы уступа. Длина недобура зависит от физико-механических свойств взрываемой породы, диаметра заряда, мощности взрывчатого вещества (ВВ) и составляет l_н = (3...12)d_зар (d_зар - диаметр заряда). Недобур допускается в легко разрушаемых мягких породах, при наличии мягких рыхлых пород под разрушаемым твердым пластом.

Перебур - часть скважины или шпура, пробуренная ниже подошвы уступа. Перебур служит для усиления действия взрыва в нижней части скважины, обеспечивая ровный отрыв породы от подошв уступа. Величина перебура может составлять от 9 до 15 диаметров заряда в зависимости от крепости породы.

Метод шпуровых зарядов (рис. 7.1.2) применяют при небольшом объеме взрывных работ и там, где неприемлемы другие методы. При этом методе достигается хорошее дробление породы, однако он наиболее трудоемок и менее безопасен.

Рис. 7.1.2. Шпуровые зарядные устройства

Для бурения шпуров используются перфораторы (табл. 7.1.1)

Таблица 7.1.1

Техническая характеристика перфораторов

Производительность бурения перфораторами зависит от группы породы, типа бурильного молота, качества стали и формы головки бура, квалификации бурильщика, давления сжатого воздуха, начального диаметра шпура

П = П·К₁·К₂,                                                                                                               (7.1.2)

где П - производительность перфоратора, принимаемая по ЕНиР;

К₁ - коэффициент, учитывающий начальный диметр шпура (табл. 7.1.2);

К₂ - коэффициент, учитывающий угол заложения шпура.

Таблица 7.12

Значения коэффициентов К₁, К₂

При использовании скважин можно одновременно взрывать несколько скважин, расположенных в один или несколько рядов. Заложение скважинных зарядов принимают вертикальным или наклонным в зависимости от высоты уступа и типа используемого бурового оборудования. Наклонные скважины (параллельные откосу уступа) рекомендуются при необходимости получения равномерного качественного дробления пород взрывом. Высоту взрываемого уступа принимают равной 10...15 м. С увеличением высоты уступа возрастает период действия взрыва на породу, что способствует более интенсивному ее дроблению. При высоте взрываемого уступа до 35 м значительно улучшается интенсивность дробления и повышаются технико-экономические показатели буровзрывных работ. Рекомендуемые диаметры скважин приведены в табл. 7.1.3

Таблица 7.1.3

Рекомендуемые диаметры скважин

Для бурения скважин применяют станки ударно-вращательного и вращательного бурения, характеристика которых приведена в табл. 7.1.4

Таблица 7.1.4

Станки для бурения скважин

Рациональный способ бурения и выбор бурильного станка определяется технико-экономическими расчетами, геологическими данными разрабатываемого месторождения, назначением добываемой породы.

При скважинном методе (рис. 7.1.3) величину заряда на рыхление определяют по формуле

Q = q·a·W_n·Н_у,                                                                                                             (7.1.3)

где q - расчетный удельный расход аммонита №6 (табл. 7.1.5), кг/м³;

а - расстояние между скважинами в ряду, равное (1... 1,2) W ;

W_n - расчетная линия сопротивления по подошве уступа, принимаемая равной

 или (0,5...0,8)Н_у,

где d_c - диаметр скважины, см;

D - насыпная плотность взрывчатого вещества (ВВ), кг/дм³;

Н_у - высота уступа, м

Рис. 7.1.3. Скважные зарядные устройства
Н_у - высота уступа; a - угол откоса уступа; С - расстояние от верха бровки уступа до центра скважины первого ряда зарядов; W_n - величина расчетной линии сопротивления по подошве уступа; l_заб - длина забойки скважины; l_з - длина заряда; L_c - длина скважины; l_nep - величина перебура; b - расстояние между рядами скважины; а - расстояние между скважинами в ряду

Рассчитанная для вертикальных скважин величина расчетной линии сопротивления по подошве уступа должна удовлетворять условием безопасности

W_n ³ Н_уctqa + С,                                                                                                        (7.1.4)

где a - угол откоса уступа, град;

С - расстояние от верхней бровки уступа до ходового оборудования бурового станка.

Расстояние между рядами скважин

b = 0,85 - W_n·7                                                                                                            (7.1.5)

Объем породы взрываемой одной скважиной

V_с = а - W_n - Н_у                                                                                                            (7.1.6)

Расстояние от верхней бровки уступа до центра скважины первого ряда зарядов

С = W_n - Н_у·ctqa                                                                                                         (7.1.7)

Масса скваженного заряда по вместимости

Q_с = (L_c - l_заб)·Р = (L_c - 20d_c)·P,                                                                                   (7.1.8)

где L_c - длина скважины, равная высоте уступа Н_у с перебуром l_nep;

l_заб - длина забойки, м;

Р - вместимость скважин в дм³ на 1 п.м ее длины;

d_c - диаметр скважины, см.

7.2. Базы по переработке нерудных материалов

7.2.1. Технологические процессы переработки камня

Для получения нужной продукции полезные ископаемые подвергают переработке на дробильно-сортировочных заводах.

Переработка состоит из дробления, сортировки, промывки и обогащения щебня, гравия, песка.

Дробление и измельчение - уменьшение размера кусков горной массы путем механического разрушения. Принято считать, что при дроблении получают продукты преимущественно крупные, а при измельчении менее 0,5 мм. Для дробления используют дробилки, а для измельчения мельницы.

Сортировка (грохочение) - разделение продуктов переработки по крупности на грохотах.

Промывку щебня и гравия осуществляют с целью удаления комковой глины, пылеватых и глинистых частиц. Промывку можно производить на грохотах или в машинах-мойках.

Классификацию и обогащение песков применяют до доведения зернового состава до требований государственных стандартов. Эти операции выполняются в гидроклассификаторах и обогатительных аппаратах (гидроциклонах).

Обогащение щебня и гравия по прочности осуществляют в осадочных машинах, механических классификаторах, установках для обогащения в тяжелых средах.

Обогащение щебня по форме зерен предназначено для получения щебня кубовидной формы. Эту операцию осуществляют избирательной сортировкой на щелевидных ситах, грануляцией щебня в роторных дробилках ударного действия и в барабанах грануляторах.

Для выбора технологической схемы переработки полезного ископаемого необходимо иметь следующие данные:

- характеристику исходной горной массы;

- прочностной и зерновой состав;

- ассортимент готовой продукции.

Способность горных пород противостоять разрушению зависит от прочности, наличия трещин в кусках, способов воздействия на них разрушающих усилий. Наибольшее сопротивление оказывают горные породы раздавливанию, меньшее - изгибу и особенно растяжению.

При выборе технологической схемы производства учитывают тип перерабатываемой горной породы (рис. 7.2.1).

I - однородные магматические горные породы с пределом прочности при сжатии 600 МПа и более, метаморфические (осадочные) породы с прочностью 60-250 МПа;

II - прочные однородные осадочные породы с пределом прочности при сжатии 60-200 МПа;

III - неоднородные малоабразивные породы с прочностью от 10 до 150 МПа с содержанием труднопромываемых включений.

Рис. 7.2.1. Технологическая схема дробления, сортировки, промывки

Количественной характеристикой процесса дробления служит степень дробления, показывающая, во сколько раз уменьшились куски материала при дроблении.

Со степенью дробления связаны расходы энергии и производительность дробилок.

Степень дробления

i = Д_max/d_max,                                                                                                                (7.2.1)

где Д_max - наибольший диаметр куска до дробления;

d_max - наибольший диаметр куска после дробления.

Для конкретных дробилок в технических паспортах приводится график выхода сортов щебня в зависимости от ширины выходной щели дробилки для условно принятой плотности горной породы.

Например, для получения размера щебня 20 мм при куске, подаваемом в дробилку, 600 мм i = 600/20 = 30. Это значит, что кусок надо раздробить на 30 частей.

Получение таких высоких степеней дробления в одной дробилке практически невозможно, поскольку каждая дробилка работает только при ограниченной степени дробления. Рационально материал от большего размера до требуемого дробить в нескольких последовательно расположенных дробилках (рис. 7.2.2).

Рис. 7.2.2. Трёхстадийная схема дробления:
1 - грохот; 2 - щёковая дробилка; 3 - конусная дробилка; 4 - валковая дробилка; I, II, III - стадии дробления

Степень дробления, получаемую в каждой стадии, называют частной, во всех стадиях - общей степенью дробления.

В материалах, поступающих на дробление, всегда имеются куски мельче того размера, до которого идет дробление в данной стадии. Такие куски выделяют из исходного материала исходя из принципа "не дроби ничего лишнего". Дробилки могут работать в открытом или замкнутом циклах. Раздробленный продукт поступает на грохот, выделяющий из него куски избыточного размера, которые возвращаются для повторного дробления в ту же или вторичную дробилку (рис. 7.2.2).

В паспортах заводов - изготовителей приводят выработку дробилок для горной породы средней плотности 1600 кг/м³ и при условии, что размер наибольших кусков Д_max должен быть не более 0,8...0,9 от ширины загрузочного отверстия дробилки. При проектировании КДЗ и выборе дробилок их выработку принимают с учетом физико-механических свойств горной породы. Расчетную производительность щековых дробилок ориентировочно определяют по формуле

П = П_п·К_д·К_g·K_ф·K_кр ,                                                                                                          (7.2.2)

где П_п - паспортная выработка, т/ч;

К_д - коэффициент дробимости породы (для твердых пород с временным сопротивлением на сжатие s_сжат = 150...250 МПа - 0,9; для средне- и легкодробимых пород s_сжат = 50...150 МПа - 1,1-1,2);

К_g - коэффициент, учитывающий насыпную плотность дробимого материала (К_g = g/g_п, g - насыпная плотность дробимого материала; g_п - насыпная плотность, соответствующая паспортным данным);

К_ф - коэффициент, учитывающий форму камня К_ф = г/1,6 (или 1,0 при дроблении рваного камня; 0,85 - при дроблении гравийно-валунной массы);

К_кр - коэффициент, учитывающий крупность дробимого материала.

Крупность дробимого материала К_кр

0,85 ширина зева дробилки 1,00

0,60 ширина зева дробилки 1,07

0,40 ширина зева дробилки 1,16

0,30 ширина зева дробилки 1,23

Кроме расчетной, также можно пользоваться паспортной производительностью, которую обычно указывают при минимальной и максимальной ширине разгрузочной щели.

Ширину разгрузочной щели дробилки, при которой будет достигнута заданная производительность, определяют по формуле

                                                                           (7.2.3)

где d_min - минимальная ширина разгрузочной щели, мм;

П_min - производительность дробилки при d_min, м³/ч;

d_max - максимальная ширина разгрузочной щели, мм;

П_max - производительность дробилки при d_max, м³/ч.

Изменение ширины разгрузочной щели влияет на производительность дробилки и степень измельчения материала. С увеличением ширины производительность повышается, а степень измельчения уменьшается и снижается выход мелких фракций.

Примерный выход щебня по фракциям после дробления в зависимости от ширины разгрузочной щели дробилки можно определить по кривым дробления (рис. 7.2.3).

Рис. 7.2.3. Кривые дробления
а - щековой дробилкой; б - конусной дробилкой; 1- для пород прочностью более 150 МПа, 2 - для пород прочностью 80-150 МПа; 3 - для пород прочностью 30...80 МПа

Данные графиков уточняют по результатам эксплуатации дробилок той или иной конструкции, их типоразмеров с учетом свойств дробимого камня. При определении максимальной крупности материала по кривым следует помнить, что под условной максимальной крупностью в дробленом продукте принято считать размер отверстий сита, через которое проходит 95 % материала.

Для наглядного представления о технологическом процессе работы дробильных заводов разрабатывают количественно-качественную схему дробления (рис. 7.2.4).

 

Рис. 7.2.4. Количественно-качественная схема дробления

Количественная схема показывает, в каком количестве и в какой последовательности поступающий на завод материал перерабатывают и как он проходит отдельные операции технологического процесса. Количественную схему можно составить, исходя из тоннажа или объема перерабатываемого материала. В этом случае надо учесть, что объем материала, получаемого в результате дробления и сортировки, будет превышать объем исходного материала. Увеличение объема определяется коэффициентом увеличения объема, равным 1,1...1,25. Количественная схема показывает количество перерабатываемого материала (объем, масса, процент) на отдельных участках процесса.

Качественная схема содержит данные о размерах фракции, качестве материала и режиме переработки на отдельных участках процесса. Схема цепи аппаратов показывает путь следования материала в процессе переработки и данные об аппаратах, выполняющих отдельные операции. На практике наибольшее распространение получило двухстадийное дробление.

7.2.2. Механизация технологических процессов переработки камня

Машины для дробления и измельчения по технико-конструктивным признакам и основному методу дробления, осуществляемого в них, подразделяют на пять классов: дробилки щековые, конусные, валковые, ударно-молотковые роторные, барабанные мельницы (рис. 7.2.5).

Рис. 7.2.5. Классификация дробильно-размольного оборудования:
а) щековая дробилка; б) конусная дробилка, в) валковая дробилка; г) молотковая дробилка; д) шаровая (стержневая) мельница: 1 - подвижная плита; 2 - неподвижная плита; 3 - подвижный конус; 4 - неподвижный конус; 5,6 - валки; 7 - молотки; 8 - ротор; 9 - металлические шары (стержни); 10 - вращающийся барабан

В щековых дробилках дробление камня производится раздавливанием, а в некоторых конструкциях частично и истиранием между дробящими плитами, подвижной и неподвижной щек.

Эффективность дробящих машин оценивают расходом энергии на дробление и выражают в тоннах дробленого продукта на 1 кВт/ч израсходованной энергии. Удельный расход энергии

З_уд = Q/E,                                                                                                                     (7.2.4)

где Q - производительность дробильной машины;

Е - энергия, затраченная на дробление, кВт·ч.

Щековые дробилки служат для измельчения пород средней и большой твердости и в зависимости от размеров приемного отверстия (160´250...2100´2500 мм) применяются как на первой, так и на последующих стадиях дробления. Производительность их при дроблении пород средней твердости достигает 300 м³/ч.

Конусные дробилки служат для измельчения каменных материалов средней и большой твердости и предназначены для крупного и мелкого дробления. Процесс дробления в них в отличии от щековых дробилок происходит непрерывно. Отечественные дробилки имеют ширину загрузочного кольцевого отверстия 300...1500 мм и нижний диаметр внутреннего дробящего конуса 600...2100 мм. Максимальная крупность загружаемых в дробилку камней не должна превышать 75...80 % ширины загрузочного отверстия.

Валковые дробилки служат для измельчения мягких пород, а также для вторичного дробления каменных материалов средней и большой твердости. Производительность их колеблется от 8... 10 до 80... 100 м³/ч. Отечественная промышленность выпускает валковые дробилки с гладкими и рифлеными валками диаметром 400...1500 мм и длиной, составляющей 40...100 % их диаметра.

В молотковых дробилках камень измельчается силой ударов, наносимых молотками. Они служат для дробления известняков и хрупких каменных материалов с прочностью на сжатие до 150 МПа. Производительность их колеблется от 40 до 400 м³/ч. Дробилки изготавливают с загрузочным отверстием шириной до 1400 мм, что позволяет загружать камни крупностью до 1100 мм.

Технические характеристики дробилок и агрегатов дробильно-сортировочных установок (ДСУ) приведенные в табл. 7.2.1 и 7.2.2

Таблица 7.2.1

Техническая характеристика дробилок

*Производительность, т/ч

Таблица 7.2.2

Техническая характеристика агрегатов дробильно-сортировочных установок (ДСУ)

*Производительность в составе ДСУ при выдаче продукта крупностью до 40 мм

Для помола каменных материалов и получения из них минерального порошка применяют шаровые (стержневые) мельницы. Измельчение материала достигается истиранием, раздавливанием и частично ударами металлических шаров (стержней), загружаемых вместе с измельчаемым материалом внутрь вращающегося барабана.

В процессе переработки материал необходимо разделить на классы крупности. Оборудование для этой цели основано на механическом или гидравлическом принципах действия. Для механического разделения на фракции каменных материалов применяют сортировочные машины-грохоты с просеивающей поверхностью в виде колосников, решет, сит (рис. 7.2.6)

Рис. 7.2.6. Просеивающие поверхности грохота
а - колосники; б - решето; в - сито

Грохоты разделяются на плоские и барабанные. Последние на цилиндрические и конические. Грохоты могут иметь одну, две или более просеивающих поверхностей. Наиболее часто в грохотах устанавливают три просеивающие поверхности. Плоские грохоты могут быть неподвижными и подвижными. К неподвижным относят колосниковые решетки, перекрывающее бункера, а также колосники, установленные перед дробилками. Колосниковые решетки располагают горизонтально или с углом наклона до 18° для отделения крупных включений и с углом наклона 45...55° для отделения мелких включений.

Подвижные плоские грохоты делятся на колосниковые качающиеся с возвратно-поступающим движением, эксцентриковые качающиеся, инерционные. Качающиеся грохоты обеспечивают сортирование материала путем перемещения его по ситу. Эти грохоты широко применяются для просеивания песка. Эксцентриковые грохоты также являются качающимися, но характер движения их подвижной рамы круговой. Инерционные грохоты обеспечивают сортирование материала в результате вибрации, возникающей под действием сил инерции вращающихся неуравновешенных масс. Техническая характеристика грохотов и агрегатов сортировки приведены в табл. 7.2.3 и 7.2.4.

Таблица 7.2.3

Сортировка сыпучих и кусковых материалов

Таблица 7.2.4

Техническая характеристика агрегатов сортировки

Размеры ячеек сит могут быть изменены.

Добываемые в карьерах гравий и песок часто содержат органические и неорганические примеси, когда загрязненность таких материалов незначительна и содержащиеся в них примеси легко отделить, промывку производят в процессе сортирования на грохотах. При большом содержании примесей и тогда, когда их трудно отделить, применяют моечные машины.

В зависимости от назначения различают сортировку подготовительную, классификационную, контрольную и избирательную.

Подготовительная сортировка - удаление на данной стадии из поступающего в дробилку материала тех размеров, которые не дробятся.

Подготовительная сортировка уменьшает нагрузку на дробилки и значительно повышает эффективность их работы.

Классификационная сортировка - разделение щебня (гравия) на товарные сорта, направляемые непосредственно потребителям. Данная сортировка должна обеспечивать получение продукции, соответствующей стандарту.

Контрольную сортировку применяют перед отгрузкой щебня (гравия), долго хранящегося на открытых складах.

Избирательная сортировка позволяет выбрать из потока компонент, отличающийся от основного материала по физическим или механическим свойствам. К этому виду сортировки относят выделение глины на грохотах. Комки глины, прошедшие дробилку, расплющиваются, принимая форму лепешки, по размеру, значительно превышающему наибольший размер камня в продукте дробления. Поэтому, при сортировке на ситах с ячейками, превышающими наибольший размер кусков, продукты дробления проваливаются, а лепешки глины сползают по ситу.

При перемещении на поверхности грохота материал разделяется по крупности. Куски (зерна), которые превышают размер отверстий грохота, остаются на его поверхности, их называют надрешетным продуктом (верхним классом), зерна, прошедшие отверстия сит, представляют собой подрешетный продукт (нижний класс).

Верхний класс обозначают знаком плюс, а нижний класс - знаком минус. Если исходный материал разделяют на сите с отверстием 20 мм, то верхний класс обозначают +20, нижний - 20, т.е. одна поверхность грохочения разделяет исходный материал на два класса. Если материал, подлежащий сортировке, будет последовательно проходить все поверхности грохочения, то в результате получится n+1 классов (n - число сит грохота). Поскольку материал на сите находится непродолжительное время, то не все зерна, меньше размера отверстий, проходят через эти отверстия. Поэтому верхний класс оказывается засоренным зернами нижнего класса. Отношение количества материала, прошедшего сита, к количеству материала данной крупности, содержащегося в исходном продукте, называют эффективностью грохочения

Э_г = [Q - q_o(100 - Q)/Q]·100,                                                                                      (7.2.5)

где Q - содержание зерен нижнего класса в исходном материале;

q_o - относительное содержание зерен нижнего класса, оставшихся после сортировки в верхнем классе.

Часовую выработку виброгрохота определяют по формуле

П = B·F·K₁·K₂·K₃·K₄,                                                                                                  (7.2.6)

где B - выработка грохота для определенного размера отверстий сит, м³/м²;

F - площадь грохочения, м²;

K₁ - коэффициент, учитывающий угол наклона грохота (для горизонтального грохота с направленными колебаниями K₁ = 1);

K₂ - коэффициент, учитывающий содержание нижнего класса в исходном материале;

K₃ - коэффициент, учитывающий содержание в нижнем классе зерен меньше половины отверстия сита;

K₄ - коэффициент, учитывающий возможную неравномерность питания и зернового состава материала, форму зерен и тип грохота.

7.2.3. Переработка гравийно-песчаных материалов

Гравийно-песчаный материал - это рыхлая обломочная горная порода, образовавшаяся в результате разрушения магматических, метаморфических и осадочных горных пород. Технология переработки гравийно-песчаного материала с целью получения готовой продукции (щебня из гравия, гравия, песка), отвечающей требованием стандартов, зависит от петрографического состава исходного материала, содержания глины, пылеватых частиц, требуемого ассортимента готовой продукции и др.

Технологическая схема гравийно-сортировочных заводов включает следующие операции: сортировку, промывку, классификацию и обогащение песка, обогащение щебня и гравия по прочности и форме зерен.

По промываемости загрязняющих примесей исходную гравийно-песчаную массу можно разделить на две категории: легкопромываемую и труднопромываемую. Легкопромываемой считают такую, которая может быть промыта на вибрационных грохотах путем мокрой сортировки, а труднопромываемой - для промывки которой необходимо включить в технологическую схему специальные промывочные машины. При значительном содержании в гравийно-песчаной смеси гальки и валунов в технологическую схему переработки включают операцию дробления. Процесс дробления осуществляют в одну, две или три стадии в зависимости от наибольшей крупности и содержания валунов.

Технологическая схема дробильно-сортировочной установки для получения песка и фракционированного щебня (гравия) из гравийно-песчаных смесей показана на рис. 7.2.7.

Рис. 7.2.7. Технологическая схема переработки песчано-гравийной смеси
1. Агрегат с вибропитателем ДРО-605, грохотом ДРО-575 и щековой дробилкой СМД-109А; 2. Агрегат мелкого дробления ДРО-623; 3. Агрегат сортировки с грохотом ГИС-52; 4. Агрегат сортировки СМД-513-10; 5. Конвейер СМД-152-10; 6. Конвейер СМД-151 - 7 шт.; 7. Агрегат управления У7810.4А

7.2.4. Обогащение и улучшение каменных материалов

Для улучшения качества щебня в технологические схемы дробильных заводов включают промывку. В месторождениях изверженных и метаморфических пород глинистые включения отсутствуют, поэтому промывку производят только при значительном содержании пылеватых частиц. В месторождениях осадочных пород и гравийно-песчаном материале всегда присутствует глина и пылеватые частицы, содержание которых превышает допустимые пределы.

Процесс промывки основан на способности глины разрушаться в водной среде, в результате чего она может быть отделена от сырья и удалена в слив. Погруженная в воду глина впитывает в себя влагу, ее поверхностные слои набухают и становятся рыхлыми. При интенсивном трении всей горной массы в промывочной машине эти слои непрерывно удаляются.

Качественную сторону промываемости материала оценивают показателем промываемости, определяющим количество энергии, затраченной на промывку единицы материала

Э_уд = N/П,                                                                                                                    (7.2.7)

где N - мощность, необходимая для промывки материала, кВт;

П - производительность машины, т/ч.

В зависимости от удельного расхода энергии для промывки того или иного материала можно выбрать тип промывочной машины. Легкопромываемые материалы, на промывку которых расходуется мало энергии, могут быть промыты на плоских виброгрохотах с брызгалами. Для труднопромываемых материалов необходимы сложные промывочные машины с интенсивным воздействием: гравиемойки-сортировки, грохоты, вибрационные вибромойки и плоские вибрационные грохоты; корытные наклонные и горизонтальные мойки.

Производительность гравиемойки-сортировки 9...45 м³/ч. На промывку 1 м³ материала расходуется 3...5 м³ воды. Технические характеристики вибрационной мойки щебня (гравия) и пескомойки приведены в табл. 7.2.5 и 7.2.6.

Таблица 7.2.5

Технические характеристики вибрационной мойки щебня (гравия)

Таблица 7.2.6

Техническая характеристика пескомойки

Обогащение щебня по форме зерен получают в виброгрохотах с щелевидными ситами, грануляцией щебня в роторных дробилках ударного действия и в барабанных грануляторах. При использовании обогащенного щебня улучшается удобоукладываемость бетонных смесей и уменьшается расход цемента.

Сущность обогащения по форме зерен состоит в следующем. Продукт дробления рассеивают и подвергают сортировке на щелевидных ситах. Обогащение на барабанных грануляторах состоит в том, что при вращении барабана продукт крупностью до 150 мм захватывается лифтерами типа лопает и поднимается наверх. Не достигая верхней точки барабана, куски скатываются с лифтера и падают на находящийся внизу слой материала. Кроме того, при вращении барабана материал в верхних слоях перекатывается. При падении кусков и перекатывании тонкие лещадные зерна размельчаются, разламываются, острые края обламываются, в результате чего улучшается форма щебня. Технологическая схема дробильно-сортировочной установки для получения мытого кубовидного щебня показана на рис. 7.2.8.

Обогащение щебня и гравия по прочности осуществляют в отсадочных машинах, механических классификаторах, в тяжелых средах. Минеральные зерна различной прочности имеют разную плотность. Процесс разделения таких зерен в попеременно восходящем потоке воды называют отсадкой и осуществляют в отсадочных машинах. Расслоение материала в отсадочных машинах происходит в условиях стесненного падения зерен. При отсадке смеси зерна различных плотностей разрыхляются при восходящем потоке При нисходящем потоке воды происходит взаимное смещение зерен с различными плотностями. Продукт, соответствующий ГОСТу, можно получить, если количество обогащаемого материала с содержанием слабых разновидностей не превышает 35 %.

Обогащение щебня на механическом классификаторе основано на том, что более прочные разности щебня имеют большую упругость и меньший коэффициент трения, чем слабые. Характеристикой упругости тел является коэффициент восстановления. При падении щебня на стальную поверхность зерна отскакивают под углом, который равен углу падения.

Рис. 7.2.8. Дробильно-сортировочная установка для получения мытого кубовидного щебня

Скорость отскока зерна

V₀ = K·V,                                                                                                                     (7.2.8)

где К - коэффициент восстановления;

V - скорость зерна до удара, м/с.

Сущность обогащения состоит в том, что плотные, более прочные зерна отскакивают дальше легких и попадают в соответствующие бункера.

Обогащенный песок получают путем удаления с помощью обогатительного оборудования мелких зерен, отсева зерен крупнее 5 мм. Основным методом разделения песка по крупности является гидравлическая классификация. Обогащение песков (отмыв мелких зерен) осуществляют в спиральных классификаторах и гидроциклонах, а фракционирование - в вертикальных гидравлических классификаторах.

Каменные материалы, используемые для устройства покрытий с применением органических вяжущих материалов, оценивают по:

- прочности на сжатие или марке щебня по дробимости в цилиндре;

- износу (в полочном барабане);

- морозостойкости;

- сцеплению с вяжущими материалами;

- содержанию глинистых частиц;

- содержанию зерен пластинчатой формы;

- зерновому составу.

На готовую продукцию отдел технического контроля (ОТК) составляет паспорт лабораторных испытаний и оформляет документами аттестации продукции по качеству.

7.3. Базы битумных материалов

Для приема, хранения и подготовки органических вяжущих к использованию создают битумные базы.

Различают базы централизованного снабжения вяжущими крупных узлов строящихся дорог и приобъектные, обслуживающие одну автомобильную дорогу или ее отдельные участки.

По способу доставки вяжущего различают базы:

- прирельсовые с доставкой на базу вяжущего железнодорожным транспортом;

- береговые (прибрежные, расположенные вблизи судоходных рек);

- притрассовые с доставкой на базу вяжущего автобитумовозами.

Как правило, дорожные хозяйства организуют прирельсовые или притрассовые базы.

Жидкий битум от заводов по перегонке нефти доставляют на базы централизованного снабжения в железнодорожных цистернах - термосах емкостью 50, 60 и 80 т, вязкий - в бункерных полувагонах емкостью 40...60 т. К притрассовым базам битум доставляют автобитумовозами грузоподъемностью от 7 до 40 т. Техническая характеристика автобитумовозов и автогудронаторов приведены в табл. 7.3.1. Всё виды транспортных средств имеют теплоизоляцию или устройство для разогрева битума (паром, электричеством и др.). При разгрузке бункер полувагона опрокидывают лебедкой на широкий лоток, по которому скатывается ком битума или стекает (в зависимости от степени нагрева).

Таблица 7.3.1

Техническая  характеристика  автобитумовозов  и  автогудронаторов

Из автобитумовозов битум сливают самотеком через патрубок по гибкому шлангу или перекачивают насосом в битумохранилище. При сливе жидкий битум нагревают до температуры 40...50°С. Все битумохранилища оборудуют системами подогрева битума до текучести, позволяющей перекачивать битум шестеренными насосами. Одно из основных требований хранения битума - исключить попадание в него атмосферной и грунтовой воды.

По положению резервуара относительно поверхности земли битумохранилища бывают наземные, полуямные и ямные (рис. 7.3.1).

Рис. 7.3.1. Битумохранилище пояуямного типа:
1 - железнодорожный бункер; 2 - лоток для стока битума; 3 -битум в битумохранилище, 4 - приямок; 5 - битумный насос; 6 - нагреватель приямка, 7 - битумопровод; 8 - регистры

Выбор способа строительства битумохранилища определяется главным образом уровнем залегания грунтовых вод. Дно и стены хранилища при высоком уровне вод делают водонепроницаемыми или понижают уровень грунтовых вод.

Битум в хранилище можно нагревать паром, электронагревателями, инфракрасными лучами, горячим минеральным маслом.

Наиболее удобны битумохранилища с заводским оборудованием для нагрева (рис. 7.3.2). Нагревательно-перекачивающий агрегат типа портального крана монтируют на стальном мосту и перемещают вдоль него по рельсам. К мосту на стальных канатах подвешивают нагреватель (калорифер). Нагреватель имеет набор труб, соединенных между собой, по которым пропускается пар. Битумный насос расположен среди труб в металлической коробке, обеспечивающей подтекание разогретого битума к насосу только из верхнего слоя.

Битум в приямке или металлической коробке нагревают до 90° С. Производительность нагревательно-перекачивающего агрегата составляет 3...6 т в час.

Рис. 7.3.2. Битумохранилище с заводским оборудованием:
1 - механизм передвижения; 2 - тележка; 3 - пульт управления; 4 - гидропривод механизма передвижения; 5 - лебёдка для подъёма и опускания нагревателя; 6 - электродвигатель; 7 - битумопровод; 8 - пакет трубчатых регистров калорифера; 9 - короб; 10 - уровень битума в хранилище; 11 - битумный котёл; 12 - битумный насос

Битум из битумохранилища перекачивают к установке для обезвоживания и нагрева по трубам диаметром не менее 76 мм. Трубы укладывают на поверхности земли, на инвентарные металлические стойки высотой до 3,0 м. В местах проезда - на высоте 4,5...5,0 м. Битумопровод, насосы, краны должны иметь теплоизоляцию.

7.3.1. Обезвоживание и нагрев битума

Нефтеперегонные заводы поставляют битум с содержанием влаги более допустимых 2,5 %. Часть битума поступает с обводнением 10...15 %. Для обезвоживания и нагрева его до рабочей температуры 150...170°С применяют различные установки. Битумонагревательное оборудование цикличного действия представляет собой один или несколько котлов с жаровыми трубами и состоит из следующих основных узлов (рис. 7.3.3).

Рис. 7.3.3. Битумоплавильный агрегат циклического действия:
1 - топка в сборе; 2 - котел; 3 - жаровые трубы; 4 - насос.

По этой схеме выполнено оборудование циклического действия (установка ДС-6).

Более сложную конструкцию имеет оборудование непрерывного действия ДС-17 (рис. 7.3.4).

Рис. 7.3.4. Битумоплавильный агрегат непрерывного действия:
1 - котёл; 2 - насос; 3 - теплообменник; 4 - пароотделитель; 5 - лоток испарительной камеры; 6 - жаровые трубы; 7 - топка

Битум из хранилища закачивают в котел 1, где он обезвоживается и нагревается до рабочей температуры жаровыми трубами 6 за счет сжигания в топке 7 жидкого или твердого топлива. Из котла 1 битум насосом 2 направляется в теплообменник 3, в котором производится интенсивное перемешивание горячего битума с холодным. Далее битум через пароотделитель 4 цикличного типа стекает на лоток испарительной камеры 5, где также выделяется пар. С лотка 5 битум стекает в основной отсек котла 1.

Нагрев битума горячим минеральным маслом - наиболее прогрессивный и экономичный способ. Масло нагревают в специальных агрегатах и подают по трубам в битумные котлы.

Обезвоженный и нагретый битум хранят в цистернах с паровым, электрическим и масляным обогревом, ёмкостью от 10 до 30 м³ (табл. 7.3.2)

Таблица 7.3.2

Цистерны для хранения битума или расходные емкости

Автоматизация технологического процесса может быть частичной, комплексной или полной. На приобъектных битумных базах нередко применяется частичная автоматизация. Комплексную и полную автоматизацию чаще всего внедряют, когда битумная база входит как цех асфальтобетонного завода. В этом случае применяют дистанционное управление. Оператор на пульте управления формирует команды на включение, отключение или изменение технологического режима.

7.3.2. Приготовление битумных эмульсий

Битумные дорожные эмульсии подразделяются на анионные и катионные. В свою очередь каждый вид делится на 3 класса:

- анионные: ЭБА-1, ЭБА-2, ЭБА-3;

- катионные: ЭВК-1, ЭБК-2, ЭБК-3.

По структуре эмульсии делят на прямые и обратные. В прямых эмульсиях битум равномерно распределен в виде мельчайших капель, окруженных слоем эмульгатора. В обратных - вода равномерно распределена в битуме в виде мельчайших капель, стабилизированных слоем эмульгатора.

Анионные эмульсии в качестве эмульгатора содержат мыла высокомолекулярных соединений органических кислот: асидолы, мылонафты, сульфатное мыло и др. Количество эмульгатора от 1 до 4,5 % от массы битума.

Катионные - органические азотосодержащие соединения: амины, соли аммония от 1 до 4 % вводят в воду или битум, а соляную кислоту вводят только в воду.

Для приготовления эмульсий организуют заводы и базы. Приготовление эмульсий сводится к диспергированию жидкостей и стабилизации дисперсной системы.

Для диспергированию жидкости применяют: гомогенизаторы;

лопастные и шнеколопастные смесители; акустические диспергаторы.

В гомогенизаторе готовят прямые эмульсии. Битум, нагретый до 150°С, и водный раствор эмульгатора, нагретый до 90°С, перекачивают через узкие зазоры (размером 0,01 мм) ротора и статора, в которых битум размельчается и на его капельках адсорбируется эмульгатор. Лучшими считают многоступенчатые гомогенизаторы.

В смесителях готовят прямые высококонцентрированные и обратные эмульсии. Концентрированный раствор эмульгаторов заливают в резервуар, где вращается вал с лопастями с частотой 40...80 об. в мин. Битум подают постепенно по мере образования эмульсии. В смесителях получают эмульсии высокой концентрации 90...95 %, поэтому перед употреблением их разбавляют водой. Производительность установки до 5 т/час.

Приготовление эмульсии с помощью акустического диспергатора относится к гидродинамическому способу, по которому смесь воды, эмульгатора и битума пропускают с большой скоростью через сопло, имеющее впереди вибратор - нож. Акустический способ прост и качество эмульсии хорошее.

При подвижном характере работ предпочтение следует отдавать полустационарным эмульсионным установкам (рис. 7.3.5).

Рис. 7.3.5. Установка для приготовления обратных эмульсий:
1 - котёл для битума; 2 - мешалка; 3 - ёмкость для воды (керосиновый контакт); 4 - ёмкость для раствора едкого натра; 5 - ёмкость для эмульсии

Наряду с положительными сторонами эмульсии имеют плохое прилипание к каменным материалам. Усилить прилипание можно добавлением извести - пушонки или цемента в количестве 5...10 % от эмульгатора. Такую эмульсию называют активированной.

Эмульсию хранят в закрытых помещениях, предохраняя от промерзания; летом - в емкостях, закрытых от попадания влаги. Перед загрузкой эмульсии в автогудронаторы ее пропускают через сетчатый фильтр с отверстиями размеров 3 мм. Гарантийный срок действия эмульсии 2 месяца.

Схема приготовления прямой высококонцентрированной битумной эмульсии показана на рис. 7.3.6.

Рис. 7.3.6. Технология приготовления прямой высококонцентрированной эмульсии:
1 -обезвоженный и нагретый до 150-170°С битум; 2 - котёл для варки мыла, 3 - ёмкость для едкого натра; 4 - ёмкость для воды; 5 - ёмкость для раствора эмульгатора; 6 - мешалка; 7 - склад соли

Технологический процесс начинается с обезвоживания и нагрева битума до температуры 150°С. Эмульгаторы, как и битум, требуют предварительной подготовки. Некоторые эмульгаторы легко растворяются в воде и не требуют специальной обработки. Из этих эмульгаторов смешиванием с водой получают раствор, который перед применением нагревают до рабочей температуры 70...80°С. Некоторые эмульгаторы, чтобы растворить их в воде, необходимо предварительно омылить водным раствором щелочей (едкий калий, едкий натр). Омыление (варку) осуществляют в специальном котле в течение 3...4 ч. Приготовленное мыло разбавляют водой в пропорции 1:9, полученный раствор перед применением также нагревают до 70-80°С. Приготовленное мыло поступает в дозатор и оттуда в мешалку. В смесителе приготавливают водный раствор эмульгатора, куда поступает умягченная вода из установки.

Водный раствор эмульгатора насосом перекачивают в резервуар для подогрева его до рабочей температуры. Затем он поступает в диспергатор. Готовую эмульсию направляют в резервуар для хранения. Качество эмульсии контролируют в лаборатории.

7.3.3. Технология получения битума из гудрона на окислительных установках

В дорожных организациях получение битума из гудрона осуществляют бескомпрессорным способом (рис. 7.3.7).

Рис. 7.3.7. Технологическая схема приготовления битума бескомпрессорным способом:
1 - ёмкость с гудроном; 2, 4, 6, 8 - насосы; 3 - теплообменник; 5 - подогреватель;7 - секционный реактор; 9 - сепаратор; 10 - ёмкость для битума

Гудрон из емкости 1 насосом - дозатором 2 подают в теплообменник 3, из которого насосом 4 перекачивают в подогреватель 5. Далее насосом 6 гудрон поступает в секционный реактор 7, в котором установлены диспергаторы со скоростью вращения 480...960 об. в мин. Они засасывают и распыляют воздух в окисляемом продукте. Для ускорения процесса окисления применяют следующие катализаторы: хлорид цинка, меди, железа, алюминия, пятиокиси фосфора, серной кислоты, сульфидов и др. Из реактора 7 окисленный гудрон насосом 8 подают в сепаратор 9 и далее в емкость для битума 10.

7.4. Заводы для приготовления асфальтобетонных смесей

Асфальтобетонные заводы (АБЗ) - специализированные предприятия, предназначенные для приготовления горячих, холодных и литых смесей. Кроме того, на АБЗ организуют выпуск черного щебня, переработку старого асфальтобетона.

Асфальтобетонные заводы по мобильности, типу выпускаемой смеси, способу приготовления и др. могут быть классифицированы, как показано на рис. 7.4.1.

Рис. 7.4.1. Классификация асфальтобетонных заводов

Важнейшим при проектировании АБЗ является выбор места расположения завода. От правильности решения этой задачи зависит: стоимость выпускаемой смеси, использование оборудования, срок строительства дороги и др.

При выборе расположения АБЗ учитывают:

- потребность смеси;

- сроки строительства дороги;

- рельеф местности;

- расположение баз и источников снабжения материалами, железнодорожных станций, подъездных путей;

- расположение производственных и жилых объектов;

- возможность получения воды, электроэнергии;

- время доставки смеси от завода до дороги (горячие не более 1 ч).

7.4.1. Технология приготовления асфальтобетонной смеси

Технологический процесс зависит от наличия оборудования, типа приготавливаемой смеси и включает просушивание, нагрев и сортировку нагретых песка и щебня по сортам, нагрев битума, дозирование песка, щебня, минерального порошка и битума в соответствии с заданным составом смеси, перемешивание всех компонентов смеси (рис. 7.4.2).

Рис. 7.4.2. Технологическая схема приготовления асфальтобетонной смеси:
1 - агрегат питания; 2 - ленточный транспортер; 3 - холодный ковшовый элеватор; 4 - сушильный барабан; 5 - агрегат пылеулавливания; 6 - горячий ковшовый элеватор; 7 - плоский грохот; 8 - бункер с отсеками; 9 - дозатор для песка, щебня; 10 - склад минерального порошка; 11 - дозатор минерального порошка; 12 - дозатор битума; 13 - битумный котёл; 14 - битумохранилище; 15 - мешалка; 16 - скиповый подъёмник; 17 - накопитель

Со склада щебня, песка материал подают одноковшовым погрузчиком в отсеки бункера агрегата питания 1, который обеспечивает равномерную подачу щебня и песка на ленточный транспортер 2 и на холодный ковшовый элеватор 3, а с него в сушильный барабан 4. В агрегате питания происходит предварительное дозирование по объему холодного и влажного материала, что способствует стабильности процесса сушки и нагрева.

Сушильный агрегат включает: сушильный барабан с топкой и форсункой, бак с подогревом для мазута.

Агрегат обеспыливания 5 задерживает пыль, не давая вылететь ей в атмосферу. Отечественные пылеулавливатели улавливают 85...95 % пыли. Пыль используют в качестве добавки к минеральному порошку. Дозировку пыли устанавливает лаборатория.

Смесительный агрегат включает: горячий ковшовый элеватор 6, плоский вибрационный грохот 7. Рассортированный материал поступает в отсеки бункера 8, а затем в дозатор 9. В современных асфальтобетонных установках дозаторы минерального порошка, пыли уноса, битума, ПАВ устраивают раздельными.

Точно отдозированные компоненты смеси поступают в лопастной смеситель 15 периодического или непрерывного действия. Готовая смесь поступает в автомобили-самосвалы или накопительный бункер.

При работе асфальтобетонных установок происходит интенсивное образование пыли. Выброс пыли из сушильного барабана и просеивающих поверхностей горячего грохота составляет до 3,5 % общего количества просушиваемого материала. Запыленность газа на выходе из сушильного барабана достигает 150 г/м³. Для очистки дымовых газов используют пылеулавливающие вытяжные устройства как сухой, так и мокрой очистки.

Характеристика комплектов оборудования для приготовления асфальтобетонных смесей приведена в табл. 7.4.1.

Таблица 7.4.1

Комплекты оборудования для приготовления асфальтобетонных смесей

Технологическая схема асфальтобетонной установки ДС-168 показана на рис. 7.4.3.

Модификации:

ДС - 168 - для работы на жидком топливе с релейно-контактной системой управления;

ДС - 1683 - для работы на жидком топливе с микропроцессорной системой управления;

ДС - 1686 - для работы на природном газе с релейно-контактной системой управления

Рис 7.4.3. Технологическая схема асфальтосмесительной установки ДС-16В

Широкое применение для очистки пылегазовых смесей получили циклоны. Поступающая в циклон со скоростью до 20 м/с пылегазовая смесь, вращаясь и опускаясь по винтовой линии, теряет твердые частицы, отбрасываемые под действием центробежной силы к стенкам корпуса. Силы трения, действующие на твердые частицы, снижают их скорость и способствуют оседанию пыли. Освобождаемый от пыли газ отсасывается из циклона вентилятором по центральной трубе. Степень очистки достигает 90...98 %, циклоны изготавливают диаметром 200...800 мм, производительностью 700...1500 м³/г очищенного газа. На асфальтобетонных установках применяют одиночные и групповые циклоны, состоящие из 2, 4, 6, 8 циклонов (рис. 7.4.4).

Рис. 7.4.4. Схема двухступенчатого пылеулавливающего устройства:
1 - циклон; 2 - фильтр; 3 - привод очистителя циклона; 4 - распределитель потока; 5,7 - центробежные вентиляторы; 6,8 - выпускной и входной воздуховоды; 9 - бункера

Агрегат обеспыливания используется для отсоса дыма и пыли. Допустимая норма пыли в воздухе

                                                                                                   (7.4.1)

где А - температурный коэффициент стратификации, для АБЗ А = 120;

М - количество вредных выбросов, г/с;

Е - коэффициент, учитывающий оседание газов, Е = 2,5;

Т - коэффициент условия выхода газов из устья источника, Т = 1;

Н - высота дымовой трубы, м;

V - объем, выбрасываемых газов, м³/с;

DТ - разность температуры выбрасываемых газов и окружающего воздуха.

Минеральный порошок на АБЗ доставляют железнодорожным, автомобильным или водным транспортом. Лучшим транспортным средством являются вагоны-цементовозы с пневматической разгрузкой. Принцип разгрузки основан на свойствах аэрированного минерального порошка вытекать из цистерн подобно жидкости и в струе сжатого воздуха перемещаться по трубопроводу на склад.

В автоцементовозах минеральный порошок транспортируют до 300 км. Принцип разгрузки аналогичен.

Хранят минеральный порошок в металлических или железобетонных силосах, бункерах (табл. 7.4.2). Загрузку силосов производят из автоцементовозов с пневматической выгрузкой, подачей материала из цистерны непосредственно в силос.

Таблица 7.4.2

Склады минерального порошка

Основным технологическим цехом является асфальтосмесительный. По его производительности рассчитывают оборудование всех цехов. Асфальтосмесительную установку поставляют заводы-изготовители комплектно (табл. 7.4.1).

7.4.2. Проектирование генерального плана АБЗ

По санитарно-технической классификации все АБЗ отнесены к III классу промышленных предприятий. По отношению к жилому ближайшему району их располагают с подветренной стороны для господствующих ветров и отделяют от границы жилых районов и городков строительного управления санитарно-заградительной защитной зоной шириной не менее 300...500 м.

Для завода выбирают по возможности ровную площадку размером 1,5...2,5 га с уклоном, обеспечивающим сток поверхностной воды.

Компоновку генерального плана производят по схеме раздельной застройки с отдельно стоящими сооружениями и по блокам путем объединения в общих блоках асфальтосмесительной установки, склада минерального порошка и др. Более компактен АБЗ блочной схемы.

Расположение нескольких рядом стоящих смесительных установок и накопительных бункеров должно быть таким, чтобы автомобили-самосвалы без затруднений подходили под нагрузку к каждой установке или наполнительному бункеру и возвращались на дорогу, не мешая друг другу. При компоновке генплана следует учитывать, что расположение складов в средней части площадки нецелесообразно не только по условиям пересечения грузопотоков, но и потому, что при неблагоприятных направлениях ветра пыль оседает на машинах и автоматике, на сооружениях АБЗ.

Расположение складов щебня, песка и смесительной установки в одну линию значительно удлиняет площадки, а при расположении наклонной галереи перпендикулярно складу заполнителей площадка приобретает форму, более приближающуюся к квадрату, но при этом коэффициент использования территории значительно снижается.

Проезды на территории должны быть удобными, кратчайшими между технологическими цехами, сооружениями, складами и погрузочно-разгрузочными пунктами. Не допускают встречных и перекрещивающихся потоков материалов и обратную их подачу.

При проектировании генерального плана вначале размещают пути, по которым будут подвозить материалы. Смесительный цех и магистральный ленточный транспортер, подающий материал к смесителю, размещают ближе к центру площадки, определяют места для вспомогательных сооружений, цехов и отделений: битумного, минерального порошка, ПАВ и др. Далее размещают ремонтную мастерскую, парокотельную, компрессорную и трансформаторную подстанции или электростанцию.

Склады жидкого топлива и масел располагают в районе склада песка, щебня или за пределами площадки АБЗ. Склад твердого топлива создают в стороне, противоположной от склада жидкого топлива и битумохранилища. Дорогу на АБЗ для подвоза исходных материалов и вывоза готовой продукции целесообразно устраивать кольцевую, позволяющую подъехать к любому складу или сооружению без встречного движения.

Обслуживающие цехи размещают в стороне от смесительного цеха. Бытовые помещения включают: душевые, гардероб, помещения для обогрева рабочих, сушки одежды и обуви, туалет. На АБЗ организуют пост охраны, который обеспечивает контроль вывоза материальных ценностей и прохода людей. На АБЗ предусматривают электрическое освещение рабочих мест, складов, дорог.

Компрессорные и трансформаторные подстанции располагают в центре потребления сжатого воздуха, электроэнергии. При расположении сооружений соблюдают действующие противопожарные и санитарные нормы, а также правила техники безопасности (рис. 7.4.5).

Рис. 7.4.5. Генеральный план АБЗ:
1 - смесительная установка; 2 - сушильный барабан; 3 - агрегат питания; 4 - склады щебня, песка; 5 - склад минерального порошка; 6 - агрегат пылеулавливания, 7 - расходная ёмкость битума; 8 - установка обезвоживания битума; 9 - битумохранилища; 10 - охрана; 11 - склад масел, заправочная; 12 - контора, лаборатория; 13 - туалет; 14 - пожарный сарай; 15 - котельная; 16 - гардероб, душ

Для уменьшения шума и создания микроклимата на стационарном заводе предусматривают озеленение быстрорастущими деревьями и кустарником.

7.4.3. Переработка старого асфальтобетона

В последние годы в России широко используют старый асфальтобетон, снятый с изношенного дорожного покрытия. Это дает следующие преимущества:

- экономия материалов;

- экономия энергоресурсов;

- утилизация старого асфальтобетона.

Для регенерации асфальтобетона используют оборудование двух типов:

- существующие асфальтобетонные установки с дополнительным оборудованием;

- специальные установки.

Старый асфальтобетон предварительно дробят в щековых, конусных или роторных дробилках ударного действия. Получают материал различной крупности, покрытый тонким слоем битума. Хранят его в бункерах или на складе и используют в качестве основного сырья, добавляя по мере необходимости другие материалы. Дробление производят в холодное или умеренно теплое время до 15°С.

Схема приготовления асфальтобетонной смеси с использованием старого асфальта после предварительного дробления показана на рис. 7.4.6.

1. Со склада 1 старый асфальтобетон ленточным конвейером или одноковшовым погрузчиком на пневматическом ходу подают к агрегату питания 2, кусками не превышающими 40 мм, и далее с учетом размера в соответствующую секцию бункера.

2. Отдозированный дробленый асфальтобетон ковшовым элеватором подают в сушильный барабан 5 для нагревания, а оттуда в приемник 6.

3. Сушильный барабан имеет газоотводную трубу с вентилятором 7. На выходе из барабана часть отходящих от форсунки газов с помощью вентилятора возвращается из газоотводящей трубы в топку. При этом часть газов смешивается с вновь образовавшимися продуктами сгорания топлива, снижая их температуру. С помощью заслонки регулируют количество повторно циркулирующих газов и тем самым получают необходимую температуру горячих газов, поступающих в барабан, не изменяя режима работы форсунки. Датчики контролируют температуру горячих газов, поступающих из топки в барабан. Использование повторно циркулирующих газов позволяет снизить расход топлива.

4. По шнековому конвейеру 9 смесь поступает в смеситель непрерывного принудительного действия 10.

5. В смеситель подают также отдозированные жидкие добавки для пластификации битума из ёмкости 11.

Рис. 7.4.6. Технологическая схема переработки старого асфальта на специализированной установке:
1 - склад рассортированного по фракциям дроблёного старого асфальта; 2 - бункер-питатель; 3 - топка с форсункой; 4 - приёмник холодного дроблёного асфальта; 5 - сушильный барабан; 6 - приёмник горячего асфальта; 7 - вентилятор; 8 - ёмкость для мазута; 9 - дозатор; 10 - смеситель; 11 - ёмкость для битума; 12 -скиповый подъёмник; 13 - бункер-накопитель

Как показывает опыт, более целесообразно до 10...15 % старого асфальта добавлять при приготовлении нового (рис. 7.4.7).

Рис. 7.4.7. Технологическая схема приготовления асфальтной смеси с использованием старого асфальта:
1 - агрегат питания; 2 - барабан; 3 - склад минерального порошка; 4 - ёмкость уловленной пыли; 5 - ёмкость для битума; 6 - склад старого асфальта; 7 - форсунка; 8 - ёмкость для мазута; 9 - скиповый подъёмник; 10 - накопительный бункер готовой смеси

Технологический процесс приготовления асфальтобетонной смеси с использованием старого асфальта осуществляется в следующей последовательности:

1. Щебень, песок из агрегата питания 1 подаются отдозированными по объему в барабан 2.

2. В барабан также подается минеральный порошок со склада 3, уловленная пыль из емкости 4, битум из котла 5 и дробленый старый асфальт со склада 6. В барабане все компоненты нагреваются и смешиваются.

3. Нагрев производят форсункой 7 путем сжигания жидкого топлива 8.

4. Приготовленная смесь выгружается в скиповый подъемник 9, который подает ее в бункер готовой смеси 10. Управление всем технологическим процессом осуществляют из кабины оператора.

7.4.4 Контроль качества исходных материалов и асфальтобетонной смеси

На асфальтобетонном заводе следует контролировать качество исходных материалов;

1. Битум. Марку битума выбирают в зависимости от вида и марки смеси, климатических условий и категории дороги в соответствии с рекомендациями ГОСТ 9128-97.

Качество битума на АБЗ контролируют не реже одного раза в смену, и оно должно удовлетворять для нефтяных дорожных вязких битумов ГОСТ 11501-78, жидких - ГОСТ 11503-74.

2. Щебень, гравий. Для приготовления асфальтобетонных смесей следует применять щебень из естественного камня, получаемый дроблением горных пород по ГОСТ 8267-93, а также щебень из гравия по ГОСТ 10260-82, гравийно-песчаные смеси по ГОСТ 23735-82. Не допускается применять щебень из глинистых, (мергелистых) известняков, глинистых песчаников и глинистых сланцев. При приготовлении смесей используют следующие фракции 5...10 мм; 10...20 мм; 20...40 мм. Наличие зерен пластинчатой (лещадочной) формы в щебне не должно превышать для смесей типа А - 15 % по массе; Б, Б_Х - 25 %; В, В_Х - 35 %. Марка по прочности и другие показатели свойств щебня и гравия, в зависимости от марки, типа и вида смесей, должны соответствовать требованиям ГОСТ.

3. Песок. Для приготовления смесей применяют природные и дробленые пески, отвечающие требованиям ГОСТ 8736 и 8267.

Показатели свойств дробленых песков и отсевов продуктов дробления горных пород и гравия в зависимости от марки, типа и вида смесей должны соответствовать ГОСТ 9128-97.

4. Минеральный порошок. Для приготовления асфальтобетонных смесей применяют активированные и неактивированные минеральные порошки, отвечающие требованиям ГОСТ 16557. Минеральный порошок получают размолом известняков, доломитов прочностью 20...50 МПа. Допускается также использовать в качестве минерального порошка измельченные основные металлургические шлаки в горячих смесях марок: II и III для плотного асфальтобетона; I и II - для пористого и высокопористого асфальтобетона и в холодных смесях марки II.

Порошковые отходы промышленности используют для плотного асфальтобетона в горячих смесях марки III и для I и II марок пористого и высокопористого асфальтобетона. Требования к минеральному порошку должны соответствовать ГОСТ 9128-97.

Качество щебня, песка и минерального порошка контролируют не реже одного раза в 10 смен.

В процессе приготовления смеси, кроме качества исходных материалов, контролируют точность дозирования минеральных материалов и битума, температурный режим приготовления битума и асфальтобетонной смеси, продолжительность перемешивания минеральных материалов с битумом, температуру готовой смеси, соответствие ее заданному составу и требованиям ГОСТ 9128-97.

7.5. Проектирование заводов по приготовлению цементобетонных смесей

По сроку действия в зоне обслуживания цементобетонные заводы подразделяются на стационарные, полустационарные и передвижные.

Стационарные цементобетонные заводы предназначены для круглогодичного обеспечения бетонной смесью дорожно-строительных объектов в определенном районе и на длительные сроки.

Полустационарные цементобетонные заводы предназначены для обслуживания строящегося участка автомобильной дороги. Срок действия таких заводов на одном месте 2...3 года.

Передвижные цементобетонные заводы предназначены для обслуживания участка дороги при сравнительно небольшом сроке действия на одном месте. Такие заводы имеют мобильное оборудование, позволяющее быстро перемещать завод с одного места на другое при малых затратах времени и материальных ресурсов. Завод состоит из отдельных узлов, которые легко перевозятся и монтируются за несколько часов.

Каждый из вышеперечисленных типов цементобетонных заводов имеет преимущества и недостатки. Так, стационарный завод обеспечивает высокое качество приготовления бетонной смеси, но в то же время является сложным и дорогостоящим производственным предприятием, перебазирование которого занимает не менее 3 месяцев. Поэтому в большинстве случаев стремятся использовать завод на одном месте как можно дольше, что приводит к росту транспортных расходов из-за увеличения дальности транспортирования смеси Техническая характеристика бетоносмесителей циклического и непрерывного действия приведена в табл. 7.5.1 и 7.5.2.

Таблица 7.5.1

Технические характеристики бетоносмесителей циклического действия

Таблица 7.5.2

Технические характеристики  бетоносмесителей  непрерывного действия

Экономическая эффективность и техническая целесообразность постройки стационарных или передвижных цементобетонных заводов обосновывается технико-экономическим расчетом.

Передвижные цементобетонные заводы быстрее могут быть введены в эксплуатацию, поэтому при подсчете экономической эффективности следует учитывать экономический эффект от ускорения их ввода

Э_ув = Е_н·К_п(Т_с - Т_п),                                                                                                     (7.5.1)

где Т_с - нормативный срок строительства стационарного завода;

Т_п - то же, передвижного завода.

По типу основного оборудования цементобетонные заводы подразделяют на заводы цикличного и непрерывного действия. Заводы цикличного действия оборудованы смесительными машинами с периодической загрузкой, перемешиванием и выгрузкой смеси, а заводы непрерывного действия -смесительными машинами, в которые загрузка материалов, их перемешивание и выгрузка готовой смеси производятся непрерывно.

В зависимости от компоновки оборудования цементобетонные заводы делятся на башенные и партерные. В заводах башенного типа технологическое оборудование располагают по вертикали, в связи с чем происходит однократный подъем всех исходных материалов. Дальнейшее их продвижение по технологическому циклу от расходных бункеров до бетоносмесителя осуществляется под действием собственной массы. Недостатком башенных заводов является их большая высота (20...30 м).

Оборудование партерных заводов расположено в горизонтальной плоскости, поэтому высота их небольшая, и их можно быстро монтировать и демонтировать.

7.5.1. Приготовление цементобетонной смеси

Песок и щебень ленточным транспортером 1 через поворотную воронку 2 подаются в отсеки расходного бункера 3 (рис. 7.5.1.)

Рис. 7.5.1. Схема бетоносмесительной установки башенного типа:
1 - ленточный конвейер; 2 - поворотная воронка; 3 - расходный бункер; 4 - дозатор воды; 5 - дозатор пластификаторов, добавок; 6 - бетоносмеситель; 7 - раздаточный бункер; 8 - распределительный бункер; 9 - весовые дозаторы; 10 - бункер для цемента; 11 - цементовод; 12 - винтовой конвейер; 13 - циклон; 14 - многорукавный матерчатый фильтр; 1 5 - вентилятор

Каждый отсек бункера снабжен указателями уровня, подающими импульсы в систему сигнализации и автоматического управления. Расходный бункер заполнителей 3 оборудован регистрами для их подогрева. Цемент со склада 10 в бетоно-установку подается системой элеваторов или пневмотранспортом. В последнем случае цемент с воздухом по цементоводу 11 поступает в циклон 13, откуда винтовым конвейером 12 подается в бункер цемента 3. Для окончательной очистки воздуха от цемента служит многорукавный матерчатый фильтр 14, через который вентилятором 15 воздух отсасывается из циклона. Для дозирования сухих составляющих служат весовые дозаторы 9 с пневмоэлектрическим управлением. Вода также дозируется по массе дозатором 4. Замедлители схватывания, пластификаторы или другие добавки дозируются дозатором 5. Из распределительного бункера 8 с перекидной заслонкой или с поворотной воронкой сухие материалы направляются в один из бетоносмесителей 6. Приготовленная смесь через раздаточные бункера 7 выдается в транспортные средства.

Передвижная установка непрерывного действия (рис. 7.5.2) смонтирована на двухосном автомобильном прицепе и комплектуется силосным складом цемента, автоцементовозами, ленточным конвейером для перегрузки бетонной смеси в транспортные средства и самоходным погрузчиком. Заполнители погрузчиком 2 подаются из открытого штабельного склада 1 в расходные бункера песка 8 и щебня 12. Доставляемый автоцементовозами 3 цемент перегружается в силосный склад цемента 4, откуда подается винтовым конвейером 5 в расходный бункер цемента 6. Отдозированные дозаторами непрерывного действия 7, 9, 13 сухие материалы перегружаются в двухвальный лопастной бетоносмеситель 14.

Рис. 7.5.2. Схема передвижной бетоносмесительной установки непрерывного действия:
1 - склад штабельного типа; 2 - погрузчик; 3 - автоцементовоз; 4 - силосный склад цемента; 5 - винтовой конвейер; 6 - расходный бункер цемента; 7, 9, 13 - дозаторы для сухих материалов непрерывного действия; 8, 12 - расходные бункера для песка и щебня; 10 - бак для воды; 11 - дозатор воды; 14 - бетоносмеситель; 15 - центробежный насос; 16 - ленточный конвейер

Вода центробежным насосом 15 накачивается в бак 10 с постоянным уровнем воды. Дозирование воды обеспечивается пробковым краном 11. Погрузка бетонной смеси в транспорт производится ленточным конвейером.

В зависимости от способа перемешивания компонентов смеси бетоносмесители бывают гравитационного и принудительного действия. Гравитационное перемешивание происходит в барабане, вращающемся относительно горизонтальной или слегка наклонной (до 15°) оси. Внутри барабана неподвижно прикреплены лопасти. Смешение происходит в результате столкновения потоков компонентов, падающих с лопастей под действием силы тяжести. Гравитационные бетоносмесители пригодны для приготовления пластичных смесей. Для приготовления жестких смесей используют бетоносмесители принудительного действия. В смесителях этой конструкции потоки смешиваемых компонентов создаются лопастями, двигающимися внутри смесительной ёмкости.

Эффективность применения смесителя независимо от способа перемешивания определяется однородностью приготовления смеси при минимальной продолжительности перемешивания. Однородность смеси оценивают коэффициентом вариации прочности C_v образцов бетона из одного замеса, который называют изменчивостью.

C_v = s/m·100,                                                                                                               (7.5.2)

где s - квадратичное отклонение прочности бетона;

m - среднее значение прочности.

Для цикличных бетоносмесителей коэффициент вариации не должен превышать 10 %.

По выработке бетоносмесителей определяют мощность предприятия. Часовую производительность бетоносмесителей цикличного действия определяют по формуле

П_ц = (3600·V·K_B)/1000(t₃ + t_c + t_в + t_х),                                                                      (7.5.3)

где V - объём готового замеса, л;

K_B - коэффициент внутрисменного использования смесителя (0,80...0,85);

t_з, t_c, t_в, t_x - соответственно, время в секундах на загрузку смесителя компонентами смеси (10...15), смешивание их (60...90), выгрузку смеси (10...20), возврат опрокидного барабана под загрузку (10...12).

Часовую производительность в м³/ч бетоносмесителей непрерывного действия принимают по паспорту или определяют по формуле (7.5.4 или 7.5.5)

П_н =[60p/4(D² - d²)·m·j·n·в·K_з·sina]K_в,                                                                     (7.5.4)

где D - диаметр окружности, описываемой лопастью смесительного винта, м;

d - диаметр вала смесителя, м;

m - число лопастей, приходящихся на один шаг винта;

j - коэффициент, учитывающий частичный возврат смеси при ее перемешивании (0,85 - 0,90 %);

п - частота вращения вала, об/мин;

в - ширина лопасти вала;

K_з - коэффициент заполнения (0,25...0,30);

a - угол поворота лопастей относительно оси вала;

K_в - коэффициент выхода бетона (0,67...0,72).

П_н =(3600·b·F·L)/t,                                                                                                     (7.5.5)

где b - коэффициент заполнения мешалки (1,2....1,5);

F = K·(p·D²/4) - площадь поперечного сечения потока материалов в мешалке, м² (нормальной считается загрузка по горизонтальной плоскости, проходящей через оси валов);

К - коэффициент заполнения сечения барабана мешалки диаметром D, м (К = 0,2...0,3);

L - длина мешалки, м;

t - продолжительность перемешивания, сек (от 90 до 180 сек).

7.5.2. Организация складов на цементобетонном заводе

На цементобетонном заводе организуют склады песка, щебня (гравия). Запасы материалов на складах должны гарантировать бесперебойную работу завода. Согласно строительным нормам и правилам, нормативные запасы на складах цементобетонных заводов принимают при дальнем расстоянии камнедробильного завода (1000 км) - 30, среднем (500 км) - 20 и близком (50...100 км) - 8 суток. Доставку материалов на склад чаще всего осуществляют железнодорожным, автомобильным и реже водным транспортом.

Склады различают по материалам, вместимости и способу разгрузки. Разгрузку щебня, доставляемого на завод железнодорожным транспортом (автомобилями-самосвалами), осуществляют гравитационным способом (под действием силы тяжести), сталкиванием и черпанием. Эффективна гравитационная разгрузка из саморазгружающихся вагонов, автомобилей-самосвалов, самоходных землевозов. При этом способе разгрузки заполнители выгружают путем наклона кузова или опрокидывания вагона, а также через люки полувагона (бункерного типа). В бункерных вагонах, оборудованных люками, остатки невыгружаемых материалов достигают 15...20 %, поэтому для полной выгрузки требуются дополнительные устройства (малая механизация) или ручная очистка.

Для выгрузки сыпучих материалов из крытых вагонов применяют самоходные разгрузчики на гусеничном ходу, рабочим органом которых является элеватор с подгребающими шнеками. Выгрузку такого материала из дверного проема вагона и штабелирование осуществляют ленточным конвейером.

Распространенными типами складов щебня, гравия, песка являются эстакадно-траншейный, с бункерной эстакадой.

В состав заводов по выпуску цементобетонной смеси входят складские помещения для хранения цемента. Стоимость цемента составляет около 70 % от стоимости составляющих цементобетонную смесь материалов. На каждую партию цемента потребителю должен быть выдан заводской паспорт. Складское хозяйство должно быть организовано так, чтобы каждый сорт и марка цемента с указанием завода-изготовителя хранились в отдельных бункерах или силосах склада. Наиболее экономичным способом хранения цемента принято считать силосы, которые могут быть разной геометрической формы. Предпочтение следует отдавать цилиндрическим стальным силосам.

Промышленность выпускает притрассовые силосные склады в комплекте с пневмотранспортным устройством вместимостью от 200 до 720 т и прирельсовые от 1100 до 4000 т. При небольших объемах работ целесообразно использовать передвижные склады цемента вместимостью 25 т. Техническая характеристика притрассовых складов цемента приведена в табл. 7.5.3.

Таблица 7.5.3

Техническая характеристика складов цемента

Примечание. В скобках - показатели для варианта выдачи цемента пневматическим винтовым насосом (остальные данные для варианта с пневматическим винтовым подъемником).

Запас цемента на складе определяют по формуле

З = (Q·P·n·K₁)/(T·K₂) ,                                                                                                 (7.5.6)

где Q - годовой объем выпускаемой продукции бетоносмесительным цехом, м³;

Р - усредненный расход цемента на 1 м³ бетонной смеси, кг;

п - нормативный запас хранения цемента на складе, суток;

К₁ - коэффициент возможных потерь цемента (К₁ = 1,04);

Т - количество рабочих дней в году;

К₂- коэффициент заполнения склада (0,85...0,95).

Разгрузку цемента из крытого вагона производят машинами-разгрузчиками всасывающего и всасывающе-нагнетательного действия. Крытые вагоны имеют ряд недостатков и прежде всего большие потери цемента при перевозке, возможность увлажнения, сложная механизация разгрузки.

Более эффективны вагоны-цистерны вместимостью 60 м³ с пневморазгрузкой цемента. Принцип действия основан на свойстве аэрированного цемента вытекать из цистерны подобно жидкости и далее в струе сжатого воздуха перемещаться по трубопроводу непосредственно на склад (рис. 7.5.3).

Рис. 7.5.3. Железнодорожный вагон-цементовоз с пневматической разгрузкой:
1 - аэролоток с пористой перегородкой, 2 - смотровой люк с крышкой; 3 - загрузочный патрубок, 4 - цистерна; 5 - разгрузочный патрубок с дроссельным краном; 6 - продувочная форсунка

При дальности транспортирования цемента до 300 км используются автоцементовозы. Принцип действия автоцементовоза с пневморазгрузкой состоит в разрыхлении цемента сжатым воздухом, проникающим в цистерну (резервуар) через пористую перегородку аэроустройства, перемещение его по аэролотку к разгрузочному патрубку и транспортировании по шлангу и трубопроводу под действием сжатого воздуха на склад. Характеристика цементовозов приведена в табл. 7.5.4.

Таблица 7.5.4

Характеристика автоцементовозов

К оборудованию внутризаводского транспорта относят пневмовинтовые насосы и подъемники, предназначенные для транспортирования цемента по трубам. Дальность подачи в сумме по горизонтали и вертикали до 200...400 м, высота подачи - 20...36 м.

Пневмовинтовой насос (рис. 7.5.4) устанавливают под силосом или бункером, откуда аэрированный цемент под действием собственной массы поступает в приемную камеру 2. Здесь он захватывается быстровращающимся консольным напорным шнеком 3 и подается через обратный клапан в смесительную камеру 4. В камере 4 имеются сопла 5, через которые от компрессора поступает сжатый воздух, он разрыхляет цемент и транспортирует его к потребителю.

Рис. 7.5.4. Пневматический винтовой насос:
1 - электродвигатель; 2 - приёмная камера; 3 - напорный шнек; 4 - смесительная камера; 5 - сопло для подачи сжатого воздуха

С прекращением подачи цемента клапан закрывается, препятствуя проходу воздуха в бункер или силос.

Одновременно трубопровод продувается сжатым воздухом.

К внутризаводскому транспортному средству относятся также аэрожелоба. Аэротранспортная установка представляет собой трубопровод прямоугольного сечения, составленный из двух коробов - верхнего и нижнего, между которыми помещена воздухопроницаемая микропористая жесткая или мягкая перегородка. В нижний канал, служащий воздухопроводом, нагнетают сжатый воздух, а в верхний, являющийся транспортным лотком, через загрузочный патрубок подают цемент. Насыщенный сжатым воздухом цемент, проходя через пористую перегородку, приобретает текучесть и перемещается по лотку, установленному к горизонтальной плоскости под углом 5...7 град. Необходимое давление воздуха для транспортирования цемента 0,005 МПа.

7.5.3. Транспортирование цементобетонных смесей

На дорогу цементобетонную смесь доставляют автомобилями-самосвалами, автобетоновозами и автобетоносмесителями. При перевозке смесь должна быть защищена от атмосферных осадков, замораживания, высушивания, а также от вытекания цементного раствора. Подвижную смесь не рекомендуется перевозить автомобилями-самосвалами.

При длительной перевозке, особенно по плохой дороге, смеси расслаиваюся, поэтому подвижные смеси, с осадкой конуса более 5 см, в транспортных средствах, не имеющих побуждения, перевозят не далее 10 км по хорошей дороге и 3 км по плохой.

Автобетоносмеситель используют для приготовления бетонной смеси в пути следования к месту укладки от цементо-бетонного завода, где их загружают отдозированными составными частями и водой. Автобетоносмесители можно использовать в качестве бетоновозов с побуждением на большие расстояния. Вращение смесительного барабана с частотой 3...4 об/мин в пути предотвращает расслоение смеси, при этом вместимость барабана используется на 80 %, а при перевозке сухой - на 60...70 %. Автосмесители при утеплении цистерны могут перевозить цементобетонную смесь при температуре -20°С. Техническая характеристика автобетоносмесителей приведена в табл. 7.5.5.

Таблица 7.5.5

Техническая характеристика автобетоносмесителей с гидромеханическим приводом

Автобетоновоз представляет собой кузов, смонтированный на шасси грузового автомобиля. В отличие от обычных автомобилей-самосвалов кузов автобетоновоза сужается к разгрузочному отверстию, а ось опрокидывания поднята на стойках. Сверху кузов закрыт крышкой. Подъем кузова - гидравлический.

Выбор оптимальных транспортных средств производят по приведённым затратам на перевозку.

7.5.4. Проектирование генерального плана цементобетонного завода

При проектировании генерального плана необходимо учитывать перспективу расширения и возможность создания повышенных запасов материалов. При расположении площадки цементобетонного завода на косогоре склады инертных материалов и оборудование располагают с таким расчетом, чтобы использовать гравитационное перемещение материалов. По возможности площадку выбирают такой, чтобы грунтово-гидрологические условия позволяли устраивать транспортные галереи, другие подземные коммуникации, а также возведение фундаментов без дополнительных затрат. Если на цементобетонном заводе предполагается иметь несколько смесительных установок в одном цехе, то приёмные устройства материалов, складские и вспомогательные сооружения объединяют и располагают по возможности в центре потребления.

Приёмные устройства материалов размещают у подъездных путей и участков, достаточных по размерам для размещения складов материалов. Протяженность внутризаводских путей должна быть наименьшей, но с достаточным фронтом приема материалов и маневрирования.

При компоновке генерального плана предусматривают возможность выдачи заполнителей и цемента разным потребителям. Компрессорные подстанции располагают в центре потребления сжатого воздуха и электроэнергии. Все здания и оборудование цементобетонного завода располагают с учетом розы ветров, чтобы открытые штабеля заполнителей не засыпались посторонними примесями, а цементная и каменная пыль, образующаяся при транспортно-складских операциях на заводе, не оседала в районе жилого массива и вблизи автоматизированных бетоносмесительных установок со сложными машинами и аппаратурой.

Административные помещения располагают так, чтобы они не подвергались запылению цементом и пылевидными заполнителями. Цементопроводы прокладывают с минимумом поворотов в тоннелях или на эстакадах с целью легкого доступа к ним.

Рис. 7.5.5. Генеральный план ЦБЗ:
1 - склад топлива и масел с заправочными колонками; 2 - магистральная железная дорога; 3 - тупик; 4 - склад щебня; 5 - одноковшовый погрузчик; 6 - компрессор; 7 - силосный склад цемента; 8 - трансформаторная подстанция; 9 - смесительный цех; 10 - расходные силосы цемента; 11 - бункера питатели; 12 - медицинский пункт; 13 - диспетчерская; 14 - светофор: 15 - контора; 16 - лаборатория; 17 - охрана; 18 - туалет; 19 - гараж, РММ; 20 - площадка отдыха; 21 - душ и гардероб; 22 - котельная; ПО - сарай пожарной охраны

При возможности централизованного получения готовых смесей добавок для бетона отделение по изготовлению добавок не устраивают.

В этом случае на территории завода должны быть установлены емкости для хранения и выдачи добавок в установку.

Для технического обслуживания и текущего ремонта технологического оборудования, инженерных сетей и коммуникаций на заводе предусмотрена ремонтно-механическая мастерская.

Для систематического контроля качества исходных материалов, контроля технологического процесса и качества готовой цементобетонной смеси предусмотрена лаборатория.

Хранение дизельного топлива и бензина, необходимых для работы машин и оборудования, предусмотрено в емкостях под навесом.

При проектировании дорог на генеральном плане завода исходят из минимальных расстояний от края проезжей части дороги: до забора 1,5 м, до наружной стены здания - 1,5м при отсутствии въезда в здание при его длине до 20...30 м.

При устройстве тупиковых дорог необходимо предусматривать в конце тупика петлевые объезды или площадки размером не менее 12´12 м для разворота автомобилей.

К зданиям и сооружениям, расположенным на территории завода, должен быть обеспечен подъезд пожарных автомобилей: с одной стороны при ширине здания до 18 м и с двух сторон при ширине более 18 м.

Наименьшее расстояние между зданиями и сооружениями принимают в зависимости от степени их огнестойкости: 9...12 м при I и II степени огнестойкости; 9...15 м - при III степени огнестойкости; 12...18 м - при IV и V степенях огнестойкости (СНиП II А.5-70).

Коэффициент застройки площадки цементобетонного завода в соответствии со СНиП II-М.1-71 составляет 35...40 % и определяется как отношение площади застройки к обшей площади, занятой заводом.

7.5.5. Контроль качества цементобетонной смеси

Качество бетона в сооружении во многом зависит от правильного приготовления бетонной смеси.

Погрешность взвешивания на дозаторах не должна превышать +1 % для цемента и воды и +2 % для щебня (гравия) и леска. Контроль правильности дозирования компонентов бетонной смеси на большинстве заводов обеспечивается применением автоматизированных дозаторов, имеющих устройства для сигнализации при нарушении заданного режима.

Для надежной и бесперебойной работы дозаторы, помимо ежедневных профилактических осмотров с выполнением необходимых проверок и регулировок, регулярно (не реже одного раза в месяц) контролируют органы ведомственного надзора.

Погрешность взвешивания дозаторами непрерывного действия проверяют на пробах, отобранных в течение 30 с непрерывной работы.

Продолжительность смешивания бетонной смеси в барабане бетоносмесителя контролируют по специальным часам или регламентируют автоматическими приборами. Продолжение перемешивания устанавливают в соответствии со СНиП III-15-76 (40...60 с в смесителях принудительного действия и 60...120 с в смесителях со свободным перемешиванием).

Влажность заполнителей рассчитывают высушивая пробы до постоянной массы не реже одного раза в месяц, а при получении новых партий и после выпадения осадков определяют дополнительно. Пробы берут послойно не реже чем через 2 м по высоте штабеля.

Зерновой состав проверяют просеивая отобранные пробы через набор сит не реже одного раза в сутки и, кроме того, каждый раз, когда начинают использовать материал новой партии.

Если обнаружено отклонение влажности или зернового состава заполнителей от предусмотренных проектом, дозировку составляющих изменяют.

Подвижность или жесткость бетонной смеси проверяют путем испытания проб приготовленной смеси, отбираемых при выгрузке ее из бетоносмесителя. Причем пробы при выгрузке бетонной смеси из бетоносмесителей цикличного действия отбирают в три приема: в начале, середине и конце разгрузки бетоносмесителя, а из бетоносмесителей непрерывного действия - в три приема с промежутками в минуту.

Подвижность или жесткость бетонной смеси определяют не менее двух раз в смену при установившейся погоде и постоянной влажности заполнителей и не реже чем через 2 ч при резком изменении влажности заполнителей, а также при переходе на новый состав смеси или новую партию того или иного материала.

Качество готовой продукции, марку бетона устанавливают испытанием кубов, а прочность при изгибе определяют путем испытания бетонных балок, морозоустойчивость - путем попеременного замораживания и оттаивания бетонных кубов.

7.6. Технология изготовления железобетонных изделий

Железобетонные конструкции могут изготавливаться на заводах или полигонах. Заводами называют предприятия, на которых основные технологические процессы выполняют в помещениях (цехах). Полигоны представляют собой предприятия, на которых в зданиях приготавливают только бетонную смесь и заготавливают арматуру, все остальные процессы -формование, твердение и отделку изделий - осуществляют на открытых площадках - стендах или в камерах пропаривания, расположенных на открытом воздухе.

Технологический процесс состоит из ряда последовательно выполняемых операций: приготовления или доставки бетонной смеси с ЦБЗ, изготовления арматуры железобетонных изделий, формование, ускорение твердения изделий.

В зависимости от расчлененности общего технологического процесса формования изделий по отдельным постам различают поточно-агрегатную, конвейерную и стендовую технологию.

При поточно-агрегатном способе производства форму и формуемое изделие передают по потоку от одного технологического поста к другому с помощью кранового оборудования (рис. 7.6.1).

Рис. 7.6.1. Технологическая схема изготовления железобетонных изделий поточно-агрегатным способом:
1 - место разгрузки заполнителей; 2 - приемные бункера; 3 - накопительные бункера; 4 - склад цемента; 5 - транспортная галерея; 6 - пневмоподача цемента; 7 - ёмкости для воды, добавок; 8 - бетоносмесительный цех; 9 - оборудование для производства арматурных каркасов и элементов; 10 - агрегат для термического нагревания арматуры; 11 - пост армирования; 12 - самоходный бетоноукладчик; 13 - агрегат для формирования изделий; 14 - зона выдержки изделий; 15 - камера для тепловлажностной обработки изделий; 16 - пост распалубки изделий; 17 - подъем и транспортирование изделий; 18 - самоходная тележка; 19 - склад готовой продукции. I - вертушка; II - барабан правки; III - подающий ролик; IV - ножи; V - концевой выключатель

Установки - агрегаты состоят из формовочной машины (обычно виброплощадки), машины для распределения бетонной смеси по форме (бетоноукладчики), машины для укладки формы на формовочный пост (формоукладчики). Отформованные изделия в формах перемещают краном в камеры для тепловой обработки. Заключительной стадией производства является выдача изделий из камеры и их распалубка. После приемки ОТК готовые изделия направляют на склад, а освободившиеся формы возвращают на формовочный пост.

При конвейерном способе технологический процесс расчленён на элементарные процессы, которые одновременно выполняют на отдельных рабочих местах. Форма и изделие перемещаются от одного рабочего места к другому, каждое обслуживает закрепленное звено (рис. 7.6.2).

Рис. 7.6.2. Технологическая схема конвейерного способа изготовления железобетонных изделий:
1 - пост разгрузки заполнителей; 2 - приёмный бункер, 3 - наполнительный бункер, 4 - транспортная галерея, 5 - расходный бункер, 6 - смесительное отделение, 7 - силосный склад цемента; 8 - ёмкость для воды; 9 - оборудование для производства арматурных элементов и каркасов; 10 - передаточная тележка; 11 - очистка форм; 12 - смазка форм; 13 - укладка арматуры; 14 - пост формирования изделий; 15 - пост доводки изделий; 16 - пост укладки термоизоляционного слоя; 17 - пропарочная камера; 18 - пост распалубки и контроля; 19 - склад готовой продукции

Основным условием осуществления конвейерного производства является ритмичность выполнения процессов, для чего их продолжительность должна быть одинаковой. Тогда через равные промежутки времени одновременно перемещают изделие с одного рабочего места (поста) на другое. При изменении вида изделий конвейеры требуют переоснастки.

При стендовом способе технологические процессы выполняют в неподвижных формах или оборудованных для этого на рабочих местах стендах. В процессе формования и до приобретения бетоном необходимой прочности изделия остаются на месте, в то время как технологическое оборудование и обслуживающие его рабочие звенья перемещаются от одной формы к другой. Стендовый способ хотя и приводит к более низкому использованию производственных площадей по сравнению с другими способами, но имеет ряд преимуществ, особенно при изготовлении предварительно-напряженных конструкций. Продолжительность технологического цикла зависит от длительности выдерживания изделий на стенде для приобретения ими необходимой прочности и составляет от 1 до 2 суток (рис. 7.6.3)

Рис. 7.6.3. Технологическая схема изготовления конструкций на стендах:
А - зона хранения и обработки сырья; В - зона приготовления бетона; С - зона изготовления арматурных элементов; Д - зона формования и обработки изделий; Е - зона хранения и выдачи конструкций; 1 - пост разгрузки заполнителей; 2, 8 - приёмные бункера; 3 - склады заполнителей; 4 - транспортёрная галерея; 5 - расходные бункера; 6 - пост приготовления бетона; 7 - пост разгрузки цемента; 9 - склад цемента; 10 - стенд, 11 - склад готовой продукции

7.6.1. Технология изготовления арматурных конструкций

Виды арматурных сталей и арматурных изделий заводского изготовления и общие требования к ним установлены государственным стандартом. Основные виды арматурной стали: горячекатаная стержневая гладкая и периодического профиля; холоднокатаная проволочная гладкая и периодического профиля; горячекатаная термически упрочненная и упрочненная вытяжкой; арматурные пряди и арматурные канаты; сварные сетки и каркасы.

В зависимости от вида арматурную сталь подразделяют на прутковую и бунтовую. Прутковая поступает в прутках (связках), состоящих из одной партии длиной от 6 до 24 м, бунтовая - в мотках (бунтах). Каждый моток состоит из одного отрезка проволоки массой 80...500 кг. Для получения стержней нужной длины прутки режут: диаметром до 10 мм при небольшом объеме работ - ручными станками, диаметром до 70 мм - с помощью приводимых автоматических станков. Арматурные стержни больших диаметров режут ацетилено-кислородными резками или керосинорезами.

Процесс производства арматуры состоит из последовательных операций: заготовки стержней, изготовлении плоских сеток и каркасов, их гибки, сборки объемных арматурных каркасов. Эти операции выполняют на отдельных машинах и на автоматических линиях.

Процесс изготовления арматурных элементов включает очистку от ржавчины и масла, предварительную обработку стали, заготовку элементов из проволоки и стержней, пучков, канатов для напряженных конструкций, изготовление закладных деталей.

К обработке арматурной стали относят правку, волочение, сплющивание, силовую калибровку, электротермические напряжения.

Размотку, чистку, правку и резку на стержни производят на правильно-отрезных станках.

Волочение - протаскивание металла через конусные отверстия - фильеры. В результате одновременно происходит растягивание и сжатие, металл теряет значительную часть пластических свойств и делается более жестким. Сталь, подвергнутую волочению, называют холоднокатаной. Ее поставляют металлургические заводы.

Сплющивание - распространенный способ упрочнения арматурной стали, заключающийся в прокатывании прутка между парой рифленых валков, в результате пруток деформируется в одной или двух взаимно перпендикулярных плоскостях, приобретая периодический профиль. Вследствие наклёпа, возникающего при сжатии стержня, предел текучести арматурной стали повышается на 25...30 %. Для сплющивания используют станки - автоматы, которые очищают арматуру, сплющивают стержни, правят, режут на прутья заданной длины.

Силовая калибровка - вытягивание стержней до напряжения, превышающего нормированный предел текучести данной стали. В результате повышается ее предел текучести. Вытяжка отличается от силовой калибровки тем, что процесс контролируется не определенным напряжением, а величиной удлинения.

Термическое упрочнение стали - один из экономических методов упрочнения при больших объемах работ. Технологический процесс включает доставку стержней в арматурный цех, укладку их на подающее устройство, подачу под электроды, электронагрев до 900...1000°С, сброс стрежней в закалочную ванну, выемку охлажденных стержней и укладку под электроды, электронагрев до температуры отпуска 325...375°С, охлаждение до температуры окружающей среды, выдачу упрочненных стержней. Термическое упрочнение принимают главным образом для напрягаемой арматуры периодического профиля.

Изготовление арматурных элементов включает резку арматуры по заданной длине, гнутье стержней, изготовление хомутов и монтажных петель. Резку и гнутье производят на ручных и приводных станках. Для снижения себестоимости изготовления железобетонных изделий желательно получать с металлургических заводов готовые арматурные сетки и изготовлять на месте объемные каркасы путем гнутья напрягаемой арматуры. Стержни в местах их пересечения сваривают точеной сваркой, применяя одноточечные и многоточечные машины, сварочные клещи. Гнутье сеток производят на гибочных машинах, изготовление объемного пространственного каркаса - на специальной монтажной установке.

Предварительное напряжение арматуры - трудоемкая операция при изготовлении предварительно напряженных железобетонных изделий. Напряжение арматуры можно производить механическим, электротермическим, электротермомеханическим способами, а также за счет расширяющих цементов. При механическом способе применяют гидравлические и винтовые домкраты, грузовые устройства, лебедки и динамометры, машины для непрерывной навивки. При электротермическом способе используют свойство стали удлиняться при нагреве электротоком. Уложенные в упоры нагретые стержни при остывании сокращаются и натягиваются. Электромеханический способ сочетает в себе электротермический и механический способы натяжения арматуры.

Для натяжения арматуры электромеханическим способом необходимо определить величину удлинения арматурных стержней при нагреве и необходимую температуру их нагрева, установить мощность трансформаторов и количество электроэнергии, расходуемое на нагрев стержней.

На чертежах предварительно напряженных железобетонных конструкций со стержневой арматурой, натягиваемой электротермическим способом, указывают величины минимального s_min и максимального s_max натяжения арматуры.

7.6.2. Формовочная оснастка

Формовочная оснастка при изготовлении железобетонных изделий придает уплотняемой смеси требуемые очертания и размеры в соответствии с проектными параметрами изделия. В зависимости от способа производства, вида бетонной смеси и типа изделий форму или оснастку снимают в различные периоды: непосредственно после формования, после приобретения изделием распалубочной прочности или достижения им 70 % проектной мощности.

От качества форм зависят не только геометрические размеры изделий и их внешний вид, но и плотность и прочность бетона, трещиностойкость и жесткость изделий, заанкеривание арматуры.

Формы подразделяют на несколько типов: по организации процесса - неподвижные (стендовые и перемещаемые), передвижные и переносные; по условию работ - рассчитанные на напряжение арматуры; по числу изделий - одновременно изготовляемые в форме, одиночные и пакетные; по виду изделий - линейные, плоскостные, трубчатые; по материалу -металлические стальные, алюминиевые, железобетонные, деревянные и комбинированные; по конструкции форм - с поддонами, бортовые (боковая оснастка), матрицы; по конструктивным особенностям, связанным с освобождением изделий от форм, - неразъемные, сборно-разборные, с шарнирно открывающимися или отодвигающимися стенками.

Поддержание форм и формовочного оборудования в хорошем техническом состоянии, улучшающем чистоту поверхности изделий, обеспечивает высокое качество продукции. После формовая изделий на металлической форме остаются кусочки бетона, поверхности покрываются цементной пленкой, остатками смазки. Если форму не чистить, на ней образуется слой затвердевшего бетона, который ухудшает качество изделий и чрезвычайно затрудняет распалубку. Поэтому металлические формы после каждого цикла формования очищают, применяя приспособления ручные и механические, вращающиеся стальные щетки и шлифовальные машины.

На качество железобетонных изделий существенно влияет сцепление бетона с поверхностью форм. Одним из способов уменьшения сцепления является применение различных смазок. Смазки бывают водные и водно-масляные, водно-мыльно-керосиновые эмульсии, машинные масла и смеси из них. Предпочтительны смазки, изготавливаемые химической промышленностью. Смазку на поверхность формы наносят, распыляя ее сжатым воздухом или кистями (при небольших объемах).

7.6.3. Уплотнение цементобетонной смеси на стадии формования изделия

Свежеизготовленная цементобетонная смесь представляет рыхлую структуру с высокой пористостью и значительным объемом вовлеченного при формовании воздуха. Высокоподвижные смеси легко деформируются и заполняют форму под действием собственной массы. При этом основной объем вовлеченного воздуха поднимается в верхнюю часть изделия и удаляется. Уплотнение жестких смесей связано с необходимостью приложения значительных внешних сил. При уплотнении бетонной смеси обеспечиваются два условия: удаление излишнего вовлечения воздуха из малоподвижных и жестких смесей путем приложения внешних механических воздействий; удаление избыточной воды как основного носителя пористости из высокоподвижных смесей.

Основные способы механического воздействия на бетонную смесь с целью ее уплотнения и придания формы - вибропрессование, вибрирование, вибровакуумирование, виброштампование. Воздействие вибрационных импульсов вызывает снижение вязкости и разжижение смеси с одновременным ее уплотнением. В процессе вибрации уплотнение жестких смесей происходит в две стадии. На первой разрушается первоначальная структура смеси. Частицы меняют взаимную ориентацию, перемещаются, контакты между ними нарушаются, и под влиянием сил тяжести образуется новая, более постоянная и устойчивая структура. Объем уменьшается вместе с цементным тестом и раствором, действующим как смазка и снижающим внутренее трение. На второй стадии бетонная смесь вибрирует как одно целое. Частицы находятся в тесном контакте, незначительное взаимное перемещение возможно лишь в связи с происходящими химическими процессами и выделениями защемленной) воздуха.

Вибропрессование - метод вибрационного формования с одновременным давлением на бетонную смесь - позволяет использовать более жесткие смеси и формовать изделия с профилированной верхней поверхностью.

Вибрирование изделий на виброплощадках с пригрузом повышает эффективность уплотнения бетонной смеси примерно вдвое, сокращается продолжительность уплотнения обеспечивает получения гладкой поверхности.

При изготовлении железобетонных изделии широко используют вакуумирование как дополнительное воздействие на уплотняемую бетонную смесь. Сущность процесса состоит в том, что уложенную в форму смесь предварительно уплотняют на виброплощадке, подвергают воздействию вакуумных устройств, приложенных к поверхности уплотняемого бетона или введенных в него. При этом в плоскостях вакуумных устройств создают разряжение, вследствие разности давления происходит отсасывание из смеси воздуха и избыточной воды. Одновременно под действием атмосферного давления бетонная смесь уплотняется.

Виброштампование - воздействие на бетонную смесь виброштампом, который сочетает функции виброуплотнения, пригруза и формообразования. Рабочая поверхность виброштампа в зависимости от вида формуемых изделий может быть плоской, рельефной и с пустообразователями.

Относительно новой эффективной технологией уплотнения является ударно-вибрационная, при этом, используя принцип, основанный на вибрации и ударе (виброрезонансные площадки). Данная технология значительно улучшает качество изделий, их заводскую готовность.

Центробежные формования для уплотнения смеси центрифугированием эффективно используют при изготовлении напорных и безнапорных труб, бетонных свай, опор линии электропередачи и других конструкций кольцевого сечения.

Процесс формования изделий состоит из трех стадии: загрузка бетонной смеси в форму, распределение ее по периметру формы, уплотнение с отжатием воды. При изготовлении труб смесь загружают в форму при ее вращении. При воздействии центробежных сил она равномерно распределяется по стенкам формы.

При изготовлении дорожных плит используют вибропрокатные станы Козлова Н.Я. По этой технологии бетонную смесь укладывают и уплотняют механизмами формующей системы. Поступающая непрерывным потоком из смесителя смесь распределяется по всей ширине формовочной ленты. Одновременно с разравниванием происходит уплотнение смеси вибробрусом через формовочную ленту. При дальнейшем движении формующей ленты изделие подвергается калибровке путем проката виброваликами калибрующей секции для получения его проектной толщины. Готовое изделие краном подают в пропарочную камеру для тепловлажностной обработки. Вибропрокат производят на стационарных и передвижных станах.

7.6.4. Тепловая обработка железобетонных изделий

Наиболее распространенным способом ускорения твердения изделий является тепловлажностная обработка. Сущность ее заключается в том, что с повышением температуры среды до 80...1000°С скорость гидротации цемента значительно увеличивается, т.е. процесс твердения ускоряется, и изделие в более короткие сроки, чем при обычной температуре, приобретает механическую прочность, допускающую транспортирование и монтаж.

Наиболее широко используют установки периодического и непрерывного действия - ямные и туннельные камеры, автоклавы, камеры с обогревом в поле индукционного действия.

К установкам непрерывного действия относят туннельные камеры вибропроката. Существуют установки, работающие при атмосферном давлении и выше атмосферного, обогреваемые паром и электроэнергией.

Режим тепловлажностной обработки определяют температурой, влажностью и давлением, поступающим на изделие в течение определенного времени и обуславливающим оптимальную скорость процесса. Весь цикл тепловлажностной обработки делят на три периода: подогрев до наибольшей температуры; выдержка при этой температуре (изотермическая выдержка) и охлаждение до температуры окружающей среды. Рекомендуемый режим пропаривания бетонных и железобетонных изделий приведен в табл. 7.6.1.

Таблица 7.6.1

Рекомендуемые режимы пропаривания

В качестве теплоносителя широко используют пар, паровую смесь, реже подогретый и увлажненный воздух.

При использовании электроэнергии изделие нагревают путем непосредственного прохождения электрического тока через бетон (арматуру) или косвенным способом с помощью разного рода излучателей. Автоматизация тепловой обработки позволяет сократить ее продолжительность, уменьшить расход пара, увеличить пропускную способность установок, улучшить качество изделий и повысить культуру производства. Система автоматизации режимов тепловлажностной обработки с использованием электронных программных регуляторов температуры позволяет производить в установках контроль температуры, автоматическое ведение процесса тепловлажностной обработки по заданной программе, автоматическую вентиляцию камер.

7.6.5. Организация склада готовой продукции и контроль качества готовой продукции

Хранение готовых железобетонных изделий осуществляют на открытых площадках, неподалеку от цеха пропаривания. Площадка должна иметь покрытие и уклон для стока атмосферных вод. Изделия хранят по типоразмерам и назначению Короткие изделия укладывают в штабеля горизонтально, чтобы исключить возможность появления трещин или перенапряжения в бетоне. Нижние ряды изделий опирают на подкладку. Толщина подкладки должна быть 2/3 её ширины. На 1 м² полезной площадки склада укладывают 2...2,5 т изделий железобетонных конструкций.

В качестве подъемно-транспортного оборудования на складах готовой продукции принимают мостовые, консольно-козловые, бетонные самоходные краны и вилочные автопогрузчики. Грузоподъемность кранов должна соответствовать наибольшей массе отпускаемых заводом изделий (с учетом коэффициента запаса).

Между штабелями должны быть проходы шириной не менее 0,6 м и проезды шириной в зависимости от вида применяемых транспортных средств и порядка их движения. Проходы между штабелями в продольном направлении устраивают через 25 м. Вместимость склада определяют расчетом, но, как правило, не менее 15-суточной выработки.

Контроль качества на заводе возложен на лабораторию и отдел технического контроля (ОТК).

ОТК осуществляет контроль за качеством поступающих материалов и полуфабрикатов, за соблюдением всех технологических режимов на каждой операции технологического процесса в соответствии с ГОСТами и техническими условиями; за соответствием качества выпускаемой продукции требованиям технической документации, а также производят маркировку принятой продукции, анализ и оформление забракованной.

Во время приемки поступающих материалов проверяют наличие документов (паспортов на сталь и цемент, актов испытания заполнителей и т.д.), прибывших вместе с материалами.

В лаборатории производят контрольные испытания каждой партии цемента, поступающей на завод, проверяют качество заполнителей, арматуры добавок, вводимых в бетонную смесь. Каждая партия цемента должна сопровождаться паспортом, в котором указывается: номер паспорта, дата выдачи, завод-изготовитель, название и марка цемента, номер партии и вагонов, дата изготовления и т.д.

Для лабораторных испытаний от каждой партии цемента отбирают пробу в количестве 20 кг. Из каждой партии щебня, песка (200 м³) отбирают из пяти мест пробу по 5 кг. Для испытания арматуры на растяжение и изгиб из каждой партии (60 т) отбирают образцы. При поступлении арматуры в прутках количество образцов для каждого вида испытания должно быть не менее пяти, отрезанных от различных стержней. Если же арматура поступает в мотках, следует отобрать по два образца от 10 % мотков. При хранении необходимо предусмотреть мероприятия, предотвращающие коррозию и загрязнение арматурной стали.

Важнейшим этапом технологического процесса в производстве железобетонных изделий является дозирование компонентов для приготовления бетонной смеси. В соответствии с нормативными документами дозирование материалов следует производить по массе: цемента, воды, добавок - с точностью ± 2 %, песка и щебня ± 5 %.

Ответственным этапом в процессе приготовления бетонной смеси является перемешивание. От качества перемешивания зависит не только однородность и прочность бетона, но и структура цементного камня. Режим и время перемешивания должны корректироваться при изменении состава бетона, вида материалов, температуры, эксплуатационного состояния смесительной машины и других факторов. Контроль за продолжительностью перемешивания осуществляется с помощью реле времени и обеспечивается средствами световой и звуковой сигнализации.

Контроль качества готовой бетонной смеси осуществляется определением ее удобоукладываемости и испытанием на сжатие образцов - кубиков.

В процессе сваривания сеток и каркасов проверяют прочность сварных соединений, соответствие диаметров свариваемой арматуры и размеров сеток и каркасов диаметрам и размерам, заданным в проекте.

Перед укладкой бетонной смеси ОТК проверяет геометрические размеры опалубки, правильность сборки форм, расположение арматуры и закладных деталей, фиксаторов, обеспечивающих необходимую толщину защитного слоя, а также других элементов, предусмотренных рабочими чертежами.

Формы и бортоснастку тщательно очищают от затвердевшего раствора и равномерно покрывают смазкой. Они не должны иметь щелей, через которые была бы возможна утечка цементного теста. Металлические формы, предназначенные для изготовления предварительно напряженных железобетонных конструкций, должны обладать необходимой прочностью и жесткостью для восприятия всех нагрузок, возникающих при изготовлении изделия.

При изготовлении конструкций с предварительным напряжением арматуры производят проверку правильности расположения напряженной арматуры по высоте сечения изделия, а также степень ее натяжения. Контроль за натяжением осуществляется прибором ПРД. С его помощью можно замерять натяжение стержней различных диаметров. Принцип действия прибора основан на упругой оттяжке стержня посредине его пролета между упорами с помощью тарированной пружины. Деформации пружины измеряются индикаторами. Контроль натяжения проволочной арматуры осуществляют прибором ПД-500, принцип действия которого аналогичен прибору ПРД.

В процессе формования изделий и их тепловлажностной обработки проверяют правильность последовательности укладки бетонной смеси в формы, степень уплотнения и отделки поверхности, режим выдержки изделий до пропаривания и режим термообработки.

Контроль степени уплотнения бетонной смеси осуществляется электрическими, механическими и радиометрическими методами. НИИ железобетон разработан электрический прибор ИСУ-1, позволяющий определить степень уплотнения бетонной смеси по изменению ее электропроводности в процессе уплотнения.

Контроль равномерности уплотнения бетонной смеси с помощью механических приборов основан на принципе заглубления металлического стрежня под действием находящегося в корпусе прибора тарированной пружины. О степени уплотнения смеси судят по величине максимального усилия, необходимого для заглубления стержня на определенную величину.

Контроль степени уплотнения бетонной смеси с помощью радиоактивных методов основан на ослаблении интенсивности гамма-лучей, проходящих через бетонную смесь в процессе ее уплотнения.

Важной операцией в процессе изготовления бетонных и железобетонных изделий является ускорение твердения бетона в пропарочных камерах. В этом случае лаборатория экспериментальным путем устанавливает оптимальный режим пропаривания. Общий цикл тепловой обработки изделия складывается их трех этапов: подъема температуры, изотермического нагрева при максимальной температуре и охлаждения изделия. На каждом этапе тепловой обработки ведут систематический контроль температуры с помощью дистанционных термометров и автоматических программных регуляторов. После тепловлажностной обработки готовые изделия отправляют на склад.

Перед отправкой готовых изделий на склад представитель ОТК проверяет соответствие формы и размеров изделия, а также внешнего вида и качества отделки рабочим чертежам и требованиям действующих ГОСТов и ТУ.

К предварительно напряженным железобетонным плитам предъявляются следующие требования:

1. Отклонение геометрических размеров готовых плит не должны превышать: по длине + 8, -4 мм, по ширине ± 5 мм, по высоте ± 5 мм, по толщине защитного слоя бетона + 5 мм.

2. Внешний вид плит должен удовлетворять следующим условиям: на верхней и нижней плоскостях и боковых гранях не должно быть трещин; поверхность должна быть ровной и достаточно шероховатой; величина искривлений всех плоскостей допускается не более 5 мм на всю длину или ширину плиты, концы напряженной арматуры не должны выступать из тела плиты.

После проверки каждое изделие маркируют. На его поверхность наносят несмываемой, хорошо видимой краской марку завода - изготовителя, паспортный номер, индекс и сорт изделия, номер браковщика ОТК.

При изготовлении бетонных и железобетонных изделий лаборатории завода производят контрольные статистические испытания. Для этого от каждой партии отбирают не менее 1 % конструкций. Статистические испытания производят с целью определения их прочности, жесткости и трещиностойкости. Наряду с разрушающими методами применяют физические методы контроля прочности бетона в конструкциях без их разрушения и прежде всего электронно-акустический, подразделяющий на три вида: вибрационный (резонансный или звуковой), импульсный (ультразвуковой) и ударный.

Результаты внешнего осмотра и испытания изделий и образцов оформляются актами, в которых записывают все обнаруженные от проекта отклонения, дефекты, требующие немедленного устранения, действительную марку бетона в конструкции и общую характеристику, состояния конструкции или изделия. Каждое изделие, отправляемое потребителю, имеет индивидуальный паспорт, в котором указаны не только основные технологические данные, но и правила складирования, перевозки и строповки.

РАЗДЕЛ IV
ДОРОЖНЫЕ ОДЕЖДЫ

Глава 8.
Устройство дорожных одежд

8.1. Общие сведения о строительстве дорожных одежд

8.1.1. Классификация дорожных одежд

Дорожной одеждой называют совокупность конструктивных слоев разной прочности, обычно уменьшающейся книзу, устраиваемых из различных материалов. Многослойная конструкция дорожной одежды показана на рис. 8.1.1.

Рис. 8.1.1. Конструкции дорожной одежды

Поверхностная обработка на усовершенствованных покрытиях капитального типа защищает покрытие от износа. Слой износа систематически возобновляется по мере истирания, устраивается из наиболее прочных и морозостойких материалов с таким количеством вяжущего материала, чтобы обеспечить шероховатость, но не в ущерб водонепроницаемости покрытия.

Поверхностная обработка на покрытиях усовершенствованных облегченных выполняет роль временного защитного слоя В этом случае временный защитный слой обеспечивает повышение устойчивости ещё не полностью сформировавшейся поверхности покрытия и основания в период формирования. Защитный слой можно устраивать из менее прочных материалов в сравнении с материалами, используемыми для устройства слоя износа. Если защитный слой периодически возобновляется, то он переходит в слой износа.

Покрытие в зависимости от технической категории, состава, интенсивности движения, качества используемых материалов и технологических особенностей производства работ может состоять из одного и более слоев. Покрытие должно обеспечивать ровность, шероховатость, гигиеничность, водонепроницаемость атмосферных осадков, увеличение прочности дорожной одежды.

Основание обеспечивает прочность, водонепроницаемое и, грунтовых вод в конструктивные слои дорожной одежды. Основание в зависимости от назначения конструкции дорожной одежды, применяемых дорожно-строительных материалов и способа производства работ может состоять из одного или нескольких слоев, прочность которых уменьшается сверху вниз, а водонепроницаемость повышается.

Дополнительным слоем основания называют слой, размещенный непосредственно на земляном полотне. На дополнительный слой укладывают нижний слой основания. Различают дополнительные слои по назначению - подстилающие, теплоизолирующие и дренирующие.

Дорожные одежды по типам покрытия классифицируются на:

1. Капитальные:

- цементобетонные;

- асфальтобетонные из горячих плотных смесей I и II марок;

- асфальтобетонные из холодных смесей I марки;

- дегтебетонные из горячих плотных смесей I марки.

2. Облегченные:

- асфальтобетонные из горячих смесей III марки;

- асфальтобетонные из холодных смесей II марки;

- дегтебетонные из горячих и холодных смесей II марки;

- из каменных материалов, обработанных органическими вяжущими материалами (смешением в установке, на дороге, пропиткой);

- переходные с поверхностной обработкой.

3. Переходные:

- щебеночные;

- гравийные;

- булыжные из колотого камня;

- грунтовые, укрепленные вяжущими материалами,

4. Низшие:

- из малопрочных каменных материалов, шлаков;

- грунтовые, улучшенные различными местными материалами.

8.1.2. Теоретические основы повышения устойчивости покрытий низшего типа

Развитие механики грунтов позволило не только установить, какие грунты хорошо зарекомендовали себя в земляном полотне, но и создать теоретическую базу проектирования оптимальных смесей.

Установлено, что щебеночно(гравийно)-песчаные смеси, малопрочные материалы и шлаки, грунты, улучшенные различными местными материалами, должны обеспечить определенное сопротивление вертикальному воздействию колес и тангенциальным усилиям. Для повышения сопротивления грунта нагрузкам необходимо придать ему возможно больший угол трения и высокое сцепление.

Наиболее высокий угол внутреннего трения можно обеспечить за счет использования более крупных неокатанных частиц. Повышение сцепления достигается введением в смесь грунтового вяжущего (пылеватые и глинистые частицы).

Допустимое сопротивление вдавливанию штампа Д в смесь равно

                                                                                              (8.1.1)

где с - общее сцепление смеси, Па;

j - угол внутреннего трения, град.

Модуль деформации Е равен

                                                                                                                        (8.1.2)

где  - относительная деформация;

l - глубина вдавливания штампа, см.

Из выражения 8.1.1 видно, что угол внутреннего трения <р оказывает большое влияние на сопротивление смеси вдавливанию штампа q и модуль деформации Е. При этом, чем больше сцепление с, тем больше влияние оказывает j. Отсюда следует, что путем повышения j и с можно получить смесь с более высокими характеристиками.

Повышение качества смеси сводится к трем основным задачам:

1. Подобрать наиболее плотную смесь из крупных неокатанных материалов, заполняя поры между крупных частиц более мелким материалом.

2. Произвести качественное перемешивание основного материала с добавками.

3. Обеспечить плотность смеси не менее 0,98 от оптимальной.

8.1.3. Строительство дорожных одежд низших типов

Строительные нормы и правила допускают применение низших типов дорожных покрытий на дорогах V категории при интенсивности движения до 100 автомобилей в сутки. Оптимальные составы грунтов, рекомендуемые к использованию в покрытии низшего типа, приведены в табл. 8.1.1.

Таблица 8.1.1

Оптимальные составы грунтов, рекомендуемые для дорожных одежд низшего типа

Смеси А₁ и Б₂ - более устойчивые крупнозернистые, их применение предпочтительнее.

Краткая характеристика добавок для улучшения грунтовых покрытий приведена в табл. 8.1.2.

Таблица 8.1.2

Скелетные добавки

Скелетные добавки в грунтовое покрытие можно вводить:

1. путем смешения на дороге;

2. насыщать верхний слой земляного полотна.

В первом случае сразу формируется устойчивое покрытие, но усложняется технология и увеличивается расход добавок. Во втором случае меньший расход и более рациональное их использование.

Недостатки при строительстве грунтовых покрытии и способы их устранения приведены в табл. 8.1.3.

Таблица 8.1.3

Основные недостатки в процессе строительства и эксплуатации

8.1.4. Осушение верхней части земляного полотна и дорожной одежды

В условиях избыточного увлажнения нижнюю часть дорожной одежды устраивают из фильтрующих материалов в большинстве случаев из песков. В период оттаивания земляного полотна свободная вода отжимается в пористый (дренирующий) слой Кроме того, в дренирующий слой поступает и часть поверхностной воды

Для сброса воды из дренирующего слоя применяют:

- сплошные песчаные слои;

- поперечные трубы или прорези;

- продольные и поперечные трубчатые дрены;

- поперечные прорези мелкого заложения.

1. Сплошной песчаный слой весной в период оттаивания верхней части земляного полотна под проезжей частью не обеспечивает сброс воды из дренирующего слоя из-за того, что не произошло его оттаивание под обочинами. В результате в течение ряда дней грунт земляного полотна остается в переувлажненном состоянии, что в свою очередь ведет к разрушению дорожной одежды. Кроме того, при ширине обочины более 2,5 м и крутизне откосов насыпи 1:3 в технико-экономическом отношении устройство сплошного песчаного дренирующего слоя нецелесообразно.

2. При наличии песков с коэффициентом фильтрации более 5 м в сутки и удельным избытком свободной воды менее 2...3 л/м² в сутки отвод свободной воды из дренирующего слоя, устраиваемого под проезжей частью дороги, можно осуществлять с использованием поперечных труб или прорезей.

3. На сырых и мокрых участках во II дорожно-климатической зоне, особенно пылеватых грунтах, когда удельный избыток свободной воды превышает 3 л/м² в сутки и коэффициент фильтрации песков удовлетворяет расчету, рекомендуется устраивать продольные трубчатые дрены. В этом случае существенно уменьшается путь фильтрации.

4. На участках с продольным уклоном более поперечного свободная вода фильтруется в пористых слоях дорожных одежд, снижая срок их службы. С целью устранения продольной фильтрации дренирующий слой можно осушать поперечными прорезями мелкого заложения. Для повышения расхода воды в дренирующем слое по краям проезжей части следует устраивать продольные ровики с обязательной укладкой трубчатой дрены.

Технологический процесс устройства сплошного песчаного слоя мало чем отличается от устройства дополнительно слоя основания.

Технологический процесс устройства поперечных трубчатых дрен следующий:

- уплотнение грунта земляного полотна и тщательная планировка поверхности;

- рытьё поперечных ровиков;

- россыпь песка в ровиках;

- укладка труб;

- устройство присыпной части воронок;

- засыпка ровиков местным грунтом или песком с уплотнением;

- устройство дренирующего слоя.

Трубы для устройства дрен должны удовлетворять следующим условиям:

- не менять свойства в течение 50 лет;

- не являться питательной средой для микроорганизмов;

- не обладать хрупкостью и текучестью.

Стыки труб обертывают толем или полиэтиленовой пленкой. Верхний конец трубы должен входить на один диаметр в приемную часть, а нижний на 1,5...2 диаметра выступать относительно откоса насыпи.

Продольный трубчатый дренаж устраивают в две нитки. Технология устройства аналогична технологии устройства поперечного трубчатого дренажа.

Диаметр водопропускных отверстий не должен превышать 7,5 мм. При большем диаметре отверстий усиливается процесс заиливания труб. Наилучшее положение водопропускных отверстий достигается тогда, когда они сделаны ниже горизонтальной оси трубы под углом 22...25 град, в 2...3 ряда по длине труб с общим количеством круглых отверстий 70...90 на 1 м трубы.

Рис. 8.1.2. Конструкция поперечного трубчатого дренажа:
1 - покрытие; 2 - основание; 3 - дренирующий слой; 4 - зона свободной воды; 5 - дренажная труба; 6 - приемная часть воронки

Устройство поперечных прорезей мелкого заложения состоит из следующих операций:

- рытьё поперечных ровиков;

- укладка труб;

- устройство фильтровых обсыпок;

- засыпка песком и уплотнение.

Дренажные устройства выбирают с учетом природных условий местности, свойств грунтов, качества и стоимости местных песков, наличия дренирующих труб. За счет хорошо работающего дренажа можно уменьшить толщину конструктивных слоев дорожной одежды.

8.2. Дорожные одежды с покрытиями переходных типов

8.2.1. Устройство гравийных оснований и покрытий

Гравий - обломочная порода с окатанными частицами размером от 5(3) до 70 мм. Хорошо окатанный гравийный материал наблюдается у моря, а менее окатанный (остроугольный) - а верховьях рек (особенно горных).

Строительные свойства гравия зависят от прочности горной породы, из которой он получен, степени выветривания и степени окатанности. Частицам, менее окатанным, отдается предпочтение при строительстве оснований и покрытий. Качество гравийного материала оценивают по следующим показателям: истинная плотность, насыпная плотность, зерновой состав, содержание пылеватых и глинистых частиц, морозостойкость, марка по дробимости, марка по износу, пустотность, содержание игловатых и пластинчатых зерен, содержание слабых зерен.

Гравий является одним из самых распространенных местных дорожно-строительных материалов. Основным недостатком гравийных материалов является повышенное содержание глинистых частиц и частиц крупнее 70 мм. Большое содержание глинистых частиц приводит к потере прочности при увлажнении.

Повышение качества гравийного материала можно достигнуть за счет:

- удаления крупных фракций (более 70 мм);

- обогащения (промывка) на плоских виброгрохотах с брызгами или в гравиамойках;

- подбора искусственных смесей за счет смешения разных фракций в пределах требуемого оптимального состава.

Типы гравийных покрытий и оснований и зерновые составы приведены в табл. 8.2.1.

Таблица 8.2.1

Конструкции гравийных покрытий и оснований

Таблица 8.2.2

Зерновой состав гравийных смесей для оснований

Таблица 8.2.3

Зерновой состав гравийных и песчано-гравийных смесей для покрытий

Примечания. 1. Граница текучести фракций мельче 0,63 мм должна быть не более 25, а число пластичности - не более 6,2. Для избыточно увлажненных районов содержание частиц мельче 0,05 мм следует принимать по меньшему значению, а для сухих районов по большему.

Технологическая последовательность устройства однослойного покрытия или основания включает:

1. Профилирование земляного полотна автогрейдером с приданием полотну поперечного уклона 10...20‰.

2. Улучшение грунтового основания.

1. Уплотнение основания катками на пневматических шинах.

2. Вывозка гравийного материала автомобилями-самосвалами.

3. Разравнивание и планирование автогрейдером (бульдозером).

4. Уплотнение с поливкой водой.

5. Окончательное профилирование.

6. Прикатка с поливкой водой.

При устройстве гравийного основания или покрытия в зимнее время земляное полотно должно быть подготовлено летом. Основание очищают от снега, льда, подвозят гравийный материал, разравнивают, профилируют и уплотняют до замерзания.

Признаком окончания укатки может служить:

- отсутствие следа при движении катка;

- полное прекращение движения волны перед вальцом катка.

Для ускорения уплотнения и повышения несущей способности гравийного основания или покрытия, содержащего более 50 % очень окатанных зерен, вводят добавки щебня (в том числе из гравия) в количестве 20...30 % по массе.

Более объективным показателем степени уплотнения является плотность и пустотность.

Недостатки, возникающие в процессе строительства гравийных оснований и покрытий, и меры по их устранению приведены в табл. 8.2.4.

Таблица 8.2.4

Дефекты гравийных покрытий и способы исправления

При приемке выполненных работ СНиП допускает в отдельных местах следующие отклонения от проекта:

- ширина ±10 см;

- отклонение толщины в сторону уменьшения - 10 %;

- ровность, измеряется 3-метровой рейкой в поперечном направлении -1,5 см, в продольном -2 см;

- уклон поперечного профиля ±0,05 %.

8.2.2. Устройство щебеночных оснований и покрытий

Щебеночное основание и покрытие часто устраивают на песчаном подстилающем слое, которое должно быть тщательно спланировано и уплотнено. Перед укладкой щебня подстилающий слой увлажняют. Расход воды составляет около 5 % от массы щебня.

Надлежащее качество щебеночного основания или покрытия может быть достигнуто при условии:

- применения каменных материалов, обладающих хорошей цементирующей способностью;

- качественного уплотнения.

Форма частиц щебня должна быть близка к кубовидной. Содержание лещадки в смеси не должно превышать 15 %. Наилучшим исходным материалом для получения щебня являются карбонатные породы прочностью 60...70 МПа. Нежелательно применять каменные породы, не обладающие достаточной цементирующей способностью, со стекловатой структурой: кварциты, граниты, песчаники и др. Марки щебня по морозостойкости приведены в табл. 8.2.5.

Таблица 8.2.5

Рекомендуемые марки щебня по морозостойкости для конструктивных слоев дорожной одежды в различных условиях

Примечание. Климатические условия считаются суровым при среднемесячной температуре наиболее холодного месяца в году ниже -15 °С, умеренными от -5 до -15°С. мягкими - до -5 °С.

Толщина конструктивного слоя щебеночного основания или покрытия колеблется в зависимости от характера и интенсивности движения и составляет от 12...14 до 25...30 см. Типы щебеночных покрытий и оснований приведены в табл. 8.2.6.

Таблица 8.2.6

Щебеночные основания и покрытия

Технологическая последовательность работ при устройстве покрытия из фракционированного щебня заключается в следующем:

1. Вывозка щебня фракции 40...70 мм из расчета около 70 % от общей потребности.

2. Разравнивание щебня бульдозером или автогрейдером.

3. Прикатка щебня легким или средним катком в зависимости от прочности щебня.

4. Вывозка щебня фракции 15...25 мм из расчета около 20 % от общей потребности.

5. Распределение щебня щебнераспределителем.

6. Уплотнение щебня средним или тяжелым катком с поливом водой.

7. Вывозка и распределение щебня фракции 5...10 мм из расчета около 10 %.

8. Уплотнение щебня тяжелым катком с поливкой водой. Техническая характеристика щебнераспределителей приведена в табл. 8.2.7.

Таблица 8.2.7

Техническая характеристика щебнераспределителей

Укатка щебеночного покрытия является самым важным этапом работ, от которого в большой степени зависит качество готового покрытия. При несоблюдении технологии в процессе укатки могут появиться дефекты:

1. Волнообразование. Волны (гребёнка) появляются вследствие превышения скорости движения катка, избыточного увлажнения основания, превышения допустимой массы катка.

2. Перекат. Отсутствие заклинки происходит из-за излишнего числа проходов катка, стекловидной структуры щебня; несвоевременного увлажнения щебня и др.

3. Образование мертвых полей. Они возникают в тех случаях, когда в щебеночную россыпь снизу проникает песок во время укатки. Песок расстраивает процесс уплотнения, проникая между щебенками. Песок разобщает щебень и препятствует образованию монолита. Поэтому на поверхности песчаного подстилающего слоя необходимо создавать противозаиливающий слой, например, из щебня фракции 3(5)...10-мм толщиной 3...4 см или путем укладки геотекстиля.

Для устранения волнообразования необходимо снизить скорость катка до минимума, и если не помогает, использовать для уплотнения каток меньшей массы. Волны следует устранять автогрейдером. Если образование волн произошло из-за переувлажнения основания, то уплотнение надо приостановить до просыхания грунта. В некоторых случаях удаляют щебень и песок и заменяют неустойчивый грунт.

Исправление переката требует перегрохочения всей массы щебня или его части вдоль перекатанной полосы и добавления остроугольного щебня или поливки вяжущими материалами.

Если песок проникает в россыпь, необходимо немедленно приостановить уплотнение или увеличить слой щебня, или, разобрав его, распределить на подстилающем слое высевки толщиной 2...3 см.

Признаками окончания уплотнения россыпи могут служить: отсутствие следа от катка и подвижности щебенок, исчезновение волны, раздавливание щебенки, брошенной под валец катка, тогда как при недостаточном уплотнении происходит Вдавливание в кору брошенной под каток щебенки. Рекомендуемые типы катков для различных материалов по периодам укатки приведены в табл. 8.2.8.

Таблица 8.2.8

Рекомендуемые типы катков

Примечание. В числителе приведены масса и линейное давление для катков с металлическими вальцами, в знаменателе - масса и давление воздуха в шинах для катков на пневматиках.

8.2.3. Устройство мостовых

Мостовой называется дорожное покрытие, состоящее из небольших элементов различных форм и размеров, укладываемых вплотную друг к другу. По материалу они подразделяются на мостовые из естественного камня и из искусственных материалов. Мостовые требуют больших затрат ручного труда, поэтому применять их следует лишь в редких случаях после тщательного технико-экономического сравнения с другими возможными вариантами.

Типы мостовых, пределы их применения и технология устройства мостовых различных типов приведены в табл. 8.2.9. и 8.2.10.

Таблица 8.2.9

Типы мостовых

Таблица 8.2.10

Технология устройства мостовых

Примечания.

1. Знаком «+» отмечены выполняемые операции и применяемые машины при устройстве мостовых различных типов

2. Укладка версты на 8...10 м опережает основные работы, высота верстового камня на 4 см более принятой средней.

1. Мощение ведут одновременно по всей ширине с небольшим (0,7...1,0 м) опережением у обочин. При продольном уклоне мощение ведут снизу вверх.

2. Высота соседних камней не должна отличаться более чем на 2 см; камни удлиненной формы укладывают перпендикулярно к оси дороги удлиненными гранями; более крупные камни укладывают ближе к краям проезжей части; укладку ведут с перевязкой швов в продольном и поперечном направлениях; зазоры между камнями должны быть треугольной формы

8.3. Устройство дорожных одежд из укрепленных грунтов и местных малопрочных каменных материалов, обработанных вяжущими

Грунты и малопрочные каменные материалы, укрепленные вяжущими, применяют для устройства дорожных оснований под усовершенствованные капитальные и облегченные покрытия, а также для устройства покрытий облегченных и переходных типов со слоем износа в виде поверхностной обработки с использованием прочных каменных материалов.

Важнейшие факторы, определяющие возможность укрепления грунтов, выбор вяжущих и оптимальное количество, находятся в прямой зависимости от минералогического и зернового составов коллоидно-химических свойств, содержания и состава солей, содержания и состава гумусовых веществ.

Под искусственным укреплением следует понимать совокупность технологических операций в сочетании с добавками вяжущих или других веществ, обеспечивающих стабильность грунтов. Методы укрепления и характеристика основных свойств укрепленных грунтов приведена в табл. 8.3.1.

Таблица 8.3.1

Методы укрепления грунтов

8.3.1. Требования, предъявляемые к грунтам, подлежащим укреплению вяжущим и укрепленному грунту

Для устройства дорожных оснований и покрытий можно применять все виды и разновидности крупнообломочных, песчаных и глинистых грунтов [23]. При этом крупнообломочные грунты не должны иметь частиц крупнее 40 мм, суммарное количество частиц от 2 до 25 мм не должно быть более 70 % по массе, для частиц мельче 0,5 мм число пластичности W_пл должно быть не более 12.

Жирные глины с числом пластичности более 27 непригодны для укрепления любыми видами вяжущих. Непригодны также грунты с содержанием гумусовых веществ более 2 % для дорожных одежд во II дорожно-климатической зоне и 4 % - в III...V климатических зонах.

При подборе составов смесей крупнообломочных грунтов руководствуются кривыми оптимального зернового состава (рис. 8.3.1). В смесях, близких к оптимальному составу, отклонения содержания отдельных фракций не должны быть более 10 %. Допускается применение крупнообломочных грунтов с прерывистой гранулометрией, если наибольшие и наименьшие размеры не выходят за пределы кривых оптимальных смесей.

Рис. 8.3.1. Кривые оптимального гранулометрического состава крупнообломочных грунтов, укрепляемых вяжущими материалами, при максимальном содержании частиц размером:
1 - 5 мм, 2 - 15 мм; 3 - 25 мм, 4 - 40 мм

Требования к минеральному вяжущему устанавливаются в зависимости от назначения конструктивного слоя в дорожной одежде и дорожно-климатической зоны проложения дороги. Рекомендуется применять портландцементы М-400 для покрытий и М-300 для основания дорог во II и III зонах; портландцемент, шлакопортландцемент, пуццолановый портландцемент М-200 для нижнего слоя основания во II...V зонах, для основания и покрытия в IV-V зонах. Предпочтение следует отдавать портландцементам алитовым (не менее 40 % 3CaOSiО₂ трехкальциевого силиката с содержанием не более 10 % трехкальциевого алюмината 3CaOAI₂О₃) с удельной поверхностью не ниже 4000 см²/г.

Известь можно применять I и II сортов как гашеную так и негашеную. Предпочтение отдают негашеной извести. В гашеной извести чистой окиси кальция должно быть более 70 %. Расход минеральных вяжущих для укрепления грунта приведен в табл. 8.3.2.

Таблица 8.3.2

Расход минеральных вяжущих

Назначение активных добавок к основному вяжущему приведено в табл. 8.3.3.

Таблица 8.3.3

Активные добавки для улучшения свойств грунтов, укрепляемых минеральными вяжущими

Органические вяжущие материалы применяют с учетом климатических условий района строительства, назначения конструктивного слоя в дорожной одежде, минералогического и зернового состава укрепляемого грунта (табл. 8.3.4).

Таблица 8.3.4

Органические вяжущие материалы, применяемые для укрепления грунтов

Для повышения качества грунтов, укрепленных органическими вяжущими материалами, вводят различные добавки в зависимости от используемого вяжущего и вида грунта (известь, сланцевая зола, зола уноса, амины, синтетические жирные кислоты и др.).

Расход органических вяжущих для укрепления грунтов дан в табл. 8.3.5.

Таблица 8.3.5

Ориентировочный расход органических вяжущих для укрепления грунтов

Свойства грунтов, укрепленных различными вяжущими, приведены в табл. 8.3.6...8.3.8

Таблица 8.3.6

Расчетные значения модуля упругости

Таблица 8.3.7

Физико-механические свойства грунтов, укрепленных минеральными вяжущими (в том числе с добавками других веществ)

Таблица 8.3.8

Физико-механические свойства грунтов, укрепленных битумными эмульсиями и жидкими битумами совместно с цементом

8.3.2. Укрепление грунтов минеральными вяжущими материалами

К наиболее пригодным для укрепления цементом относят грунты:

- супеси с числом пластичности 3...12;

- песчано-глинистые смеси оптимального состава. Прочность, водоустойчивость, долговечность тем выше,

чем больше добавка цемента и выше его марка, чем ниже поглощаемость грунтом продуктов гидролиза цемента, тем прочнее микроструктура грунта, а также зависит от качества производства работ.

Независимо от применяемых машин, последовательность работ при укреплении грунта цементом на дороге будет следующей:

1. Вывозка на дорогу грунта, подлежащего укреплению или добавок к грунту земляного полотна.

2. Разрыхление и измельчение грунта. Для предварительного разрыхления грунта применяют рыхлители. Измельчение осуществляют последовательными проходами специальных фрез (табл. 8.3.9, 8.3.10). Проходы повторяют до тех пор, пока в грунте останется комочков крупнее 5 мм не более 15 %.

Таблица 8.3.9

Дорожные фрезы

Таблица   8.3.10

Самоходные   грунтосмесительные   машины

3. Добавление в измельченный грунт скелетных добавок или 1...2 % извести для кислых или засоленных грунтов. Добавку минерального материала в грунт вносят либо для уменьшения расхода цемента, либо для повышения устойчивости смеси или с целью облегчения операций по измельчению.

4. Разравнивание и прикатка смеси. Прикатку производят с целью обеспечения одинаковой толщины укрепляемого слоя, который обычно составляет от 8 до 20 см.

5. Введение цемента. Цемент распределяют цементораспределителем (табл. 8.3.11) из расчета (табл. 8.3.12), в зависимости от укрепляемого грунта и требований, предъявляемых к грунтоцементу.

Таблица 8.3.11

Распределители цемента

Таблица   8.3.12

Расход  смолобитумного   вяжущего

6. Перемешивание грунта с цементом. Данную рабочую операцию осуществляют на всю толщину слоя последовательными проходами специальных фрез. Если влажность смеси менее оптимальной, то производят увлажнение.

7. Профилирование смеси. После окончания перемешивания вся масса грунтоцемента распределяется равномерным слоем заданной толщины по всей ширине устраиваемой полосы.

8. Уплотнение. Производство работ по уплотнению должно обеспечить равномерную плотность не менее 0,98 от установленной стандартным уплотнением. Для уплотнения наиболее эффективны катки на пневматических шинах. Общее число проходов катка по одному следу от 15 до 20. Укатка должна быть начата через 2...4 ч после внесения цемента и закончена в течение 4...6 ч после окончания перемешивания.

Перед окончанием укатки для повышения ровности конструктивного слоя рекомендуется произвести разрыхление верхней части слоя на 2...3 см, добавить 1...2 кг/м² цемента и произвести окончательное уплотнение гладким вальцовым катком.

9. Устройство защитного слоя с применением эмульсии или укладка покрытия. Если грунт, укрепленный цементом, используют в качестве основания усовершенствованного покрытия, то последнее устраивают через 24 ч после окончания укатки основания.

Если покрытие сразу не устраивают, то основание покрывают пленкообразующими материалами (лак этиноль, помароль). Эта пленка хорошо удерживает влагу.

Укрепление грунтов следует производить при температуре выше 5°С. При более низкой температуре следует добавлять соли NaC1 или СаС1₂ или обе соли вместе.

Нельзя открывать движение по слою грунта, укрепленному минеральным вяжущим, так как происходит быстрое истирание покрытия.

При использовании для укрепления грунта комплекта ДС-100 или ДС-110 технология работ значительно упрощается, а производительность увеличивается до 1500 м в смену.

Производительность дорожной фрезы, м³ в смену

                                                                                                   (8.3.1)

Производительность распределителя цемента, т в смену

                                                                                                       (8.3.2)

где П - продолжительность смены, ч;

k_в - коэффициент использования рабочего времени;

b - ширина полосы, обрабатываемой за один проход, м;

l - длина захватки, м;

b - коэффициент уменьшения производительности за счет перекрытия слоев (b = 0,95);

V - рабочая скорость фрезы, распределителя, м/ч;

t - продолжительность поворота фрезы, 0,03 ч;

q - норма расхода цемента (распределения), т/м².

Процентное содержание в смеси добавок, цемента, воды, битума или эмульсии устанавливают в лаборатории, добиваясь лучших показателей, характеризующих прочность и устойчивость конструктивного слоя (табл. 8.3.5).

Приготовление смеси грунта с органическими вяжущими осуществляется так же, как и с минеральными вяжущими, способами смещения на земляном полотне дорожной фрезой или однопроходной грунтосмесительной машиной, а также в карьерной грунтосмесительной установке. Готовую смесь укладывают в дорожную одежду самоходным укладчиком или автогрейдером с уплотнением самоходным катком на пневматических колесах.

При необходимости дополнительного увлажнения грунта при его укреплении битумной эмульсией следует учитывать количество воды, находящееся в эмульсии, при этом целесообразно изменять концентрацию эмульсии от 55...50 до 35...40 %.

При укреплении грунта органическими вяжущими с добавкой извести сначала должен быть обработан грунт известью и только через 12...14 ч смесь грунта с известью обрабатывают органическим вяжущим.

При укреплении грунта органическим вяжущим с цементом уход за уложенным слоем должен быть аналогичен укреплению грунта только цементом.

Для улучшения размельчения тяжелых суглинков и глин в сухую погоду их следует предварительно размельчать с введением добавки ПАВ (ССБ, ОП-7, ОП-10 в количестве 0,05...0,5 % массы грунта).

Грунты, укрепленные смолобитумным вяжущим (битумная эмульсия - эмульсированное вяжущее 40 % и карбомидная смола 60 %), применяют для устройства покрытий на дорогах IV и III категорий и верхних слоев основания под асфальтобетонные покрытия.

Битумная эмульсия должна быть анионная прямого типа, медленнораспадающаяся, карбомидная смола типа УКС и М 19-92. Отвердителем служит аммоний хлористый (ГОСТ 2210-73) в количестве 10...20 % массы вяжущего. Расход смолобитумного вяжущего для укрепления грунтов приведен в табл. 8.3.12. Смолобитумное вяжущее с добавкой отвердителя должно быть введено в грунт и уплотнено в течение не более 3 ч. Вяжущее без отвердителя допускается хранить не более 3 суток. Движение по слою грунта, укрепленному смолобитумным вяжущим, может быть открыто через 2 суток в условиях сухой погоды с температурой 15°С и выше.

8.4. Дорожные одежды усовершенствованных типов

Усовершенствованным называют такое покрытие, которое дает возможность в любое время года с наибольшей полнотой использовать скорость и грузоподъемность современного автомобиля.

8.4.1. Характеристика усовершенствованных покрытий облегченного типа

Усовершенствованные покрытия облегченного типа устраивают в качестве верхних слоев дорожных одежд, предназначенных для пропуска автомобильного транспорта от 100 до 3000 авт/сут.

При устройстве усовершенствованных покрытий применяются вяжущие материалы, которые увеличивают сцепление в смесях и делают их более водоустойчивыми. Обработка каменных материалов вяжущими приводит к повышению эксплуатационных качеств, увеличению срока службы, удешевлению содержания дороги, уменьшению транспортных расходов и сокращению расходов каменных материалов.

Усовершенствованные покрытия облегченного типа устраивают толщиной от 4 до 12 см. Многочисленные дорожные конструкции, получаемые путем обработки щебеночных и гравийных материалов органическими вяжущими - битумами и дегтями, а также эмульсиями, по способу производства работ могут быть разделены на следующие группы:

конструкции, получаемые в результате обработки каменных материалов путем послойных розливов разогретого битума (дегтя) или эмульсии, послойных россыпей каменных материалов с их укаткой;

конструкции, получаемые обработкой каменных материалов органическими вяжущими смешением на дороге;

конструкции из смесей каменных материалов с органическими вяжущими, приготовленных в специальных установках по определенному режиму и укладываемых в холодном или горячем состоянии.

Классификация усовершенствованных покрытий облегченного типа показана на рис. 8.4.1

Рис. 8.4.1. Классификация покрытий облегченного типа

Из вышеизложенного видно многообразие типов усовершенствованных покрытий облегченного типа. В районах с холодным и влажным климатом предпочтение отдают покрытиям, устраиваемым из материалов, приготовленных смешением в стационарных и передвижных установках. В районах с сухим и теплым климатом применяют покрытия, устраиваемые смешением на дороге, а при наличии прочных щебеночных материалов также способом пропитки.

Основания и покрытия, по способу пропитки и смешения в установке, устраивают в сухую и теплую погоду весной и летом при температуре не ниже 5°С, а осенью - не ниже 10°С. Смешение на дороге следует производить при температуре выше +15°С, а при использовании эмульсий - не ниже 5°С.

Работы должны быть закончены с таким расчетом, чтобы формирование покрытия в процессе эксплуатации автомобильной дороги было завершено за 10...20 дней до начала периода с пониженными температурами воздуха и дождями.

Конструкции с применением битумов и дегтей весьма требовательны к соблюдению правил производства работ и температурному режиму. Вяжущие применяют строго определенных марок, соответствующих данной конструкции. Каменные материалы должны отвечать установленным требованиям по прочности, морозостойкости, быть сухими, чистыми без примеси пыли, глины или ила. Для повышения качества в гравийный материал следует вводить дробленый гравий в количестве 25...45 % объема фракций гравийного материала крупнее 5 мм.

Правильный выбор вяжущего имеет большое значение, поскольку оно увеличивает сцепление между частицами минерального материала, частично заполняет пустоты между этими частицами и таким образом повышает плотность и водоустойчивость смеси. Чтобы получить хорошие результаты, вяжущее должно обладать совокупностью определенных свойств, во-первых, вязкость должна быть достаточно высокой, чтобы связать рыхлый минеральный материал в монолит и, во-вторых, в производственных условиях распределять вяжущее тонкой пленкой по поверхности минеральных частиц.

Эти требования противоречат друг другу. Лучшее сцепление и более высокая прочность покрытия достигаются при использовании вязких битумов, однако лучшее обволакивание обеспечивается при применении жидких битумов. Для повышения качества покрытий прибегают к технологическим приемам, позволяющим снизить вязкость вяжущих в период их смешения с минеральными материалами. Снижение вязкости может быть достигнуто путем:

- повышения температуры вяжущего;

- введения в его состав разжижителей, которые быстро улетучиваются;

- создания водных эмульсий.

Способность органических вяжущих к уменьшению вязкости с повышением температуры играет положительную роль при приготовлении смеси и укладке, но отрицательно сказывается на прочности дорожных одежд. Поэтому для устройства дорожных одежд лучше использовать теплоустойчивые вяжущие материалы.

Выбор вяжущего зависит от следующих факторов:

- типа минеральной смеси и характера минеральных частиц;

- проектируемой конструкции дорожной одежды;

- способа приготовления смеси и ее укладки;

- наличия оборудования для приготовления и укладки смеси;

- климатических и гидрологических условий;

- сезона производства работ.

8.4.2. Устройство покрытий и оснований способом пропитки

Технология способа пропитки заключается в последовательной россыпи и уплотнении рыхлых минеральных материалов нескольких фракций и поливке их органическими вяжущими материалами. Монолитность и прочность пропитанного слоя обеспечиваются заклинкой частиц минерального материала и их сцеплением за счет вяжущих свойств битумов (дегтей) или эмульсий.

В зависимости от толщины обрабатываемого слоя различают два вида пропитки:

- глубокую - 6...8 см;

- облегченную (полупропитку) - 4...6 см.

По способу пропитки устраивают покрытия для дорог с интенсивностью движения до 2000 авт/сут или же основания для усовершенствованных капитальных покрытий с интенсивностью движения более 2000 авт/сут. Основными преимуществами таких покрытий являются высокая прочность почти равная асфальтобетону, отсутствие трещин, возможность широкой механизации. К недостаткам пропитки следует отнести повышенный расход вяжущего по сравнению с другими способами обработки минерального материала вяжущими, неполное обволакивание минеральных частиц вяжущим и требуется щебень из прочных каменных материалов (1...3 классов прочности).

Покрытия по способу глубокой пропитки устраивают с применением трех или четырех фракций щебня в зависимости от толщины слоя и размера щебня в первой россыпи. Для облегченной пропитки применяют щебень двух или трех фракций. Максимальный размер щебня в первой россыпи не должен превышать 0,85 толщины конструктивного слоя.

В качестве вяжущего для пропитки применяют вязкие битумы БНД 90/130, деготь Д-7. При использовании щебня из мягких пород вязкость вяжущих можно несколько понизить.

Последовательность работ по устройству пропиток и нормы расхода материалов приведены в табл. 8.4.1.

Таблица 8.4.1

Технология устройства покрытий и оснований из щебня, обработанного способом пропитки толщиной 6...8 см