Проектирование насыпи на слабых грунтах

Грамотное проектное решение при подготовке основания под строительство автомобильной дороги является залогом безопасного и бесперебойного движения транспорта.

Каждый проект должен строго соответствовать государственным и международным стандартам, а также учитывать требования и указания, прописанные в официальных нормативных документах.

Нормативные документы

• СП 34.13330.2021. Здесь изложены нормы проектирования, действующие при строительстве автодорог вне населенных пунктов, их реконструкции и капремонте.
• Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах. Справочник-приложение к предыдущему документу, содержит информацию о процедуре инженерно-геологических изысканий, оценке устойчивости и прогнозировании осадки насыпи, возможных конструктивно-технологических решениях.
• ГОСТ 33149-2014. Стандарт задает правила подготовки проекта при ведении строительства в сложных условиях.
• ОДМ 218.3.048-2019. Рекомендации по применению современных многослойных композиционных ленточных дрен при возведении насыпей на слабых основаниях" (рекомендован распоряжением Федерального дорожного агентства от 28 августа 2019 г. N 2277-р). Подробнее.ОДМ 218.3.048-2019. Рекомендации по применению современных многослойных композиционных ленточных дрен при возведении насыпей на слабых основаниях" (рекомендован распоряжением Федерального дорожного агентства от 28 августа 2019 г. N 2277-р). Подробнее.
• ОДМ 218.2.067-2016. Отраслевая методичка содержит указания по подготовке технико-экономического обоснования при разработке проекта автомобильной дороги с учетом капитальных расходов, эксплуатационных издержек, сроков работ, существенных социально-экономических эффектов.ОДМ 218.2.067-2016. Отраслевая методичка содержит указания по подготовке технико-экономического обоснования при разработке проекта автомобильной дороги с учетом капитальных расходов, эксплуатационных издержек, сроков работ, существенных социально-экономических эффектов.

Общие принципы проектирования

При подготовке территории к строительству автомобильной дороги выбор лежит между строительством эстакады, удалением слабого грунта с последующей заменой либо его использованием под основание земляного полотна. Преимущество последнего варианта в значительном снижении финансовых расходов, сокращении сроков и уменьшении трудоемкости строительных работ. В случае отказа от использования слабого грунта необходимо произвести технико-экономическое обоснование.

Если дорога строится на слабых грунтах, полотно сооружают в виде насыпи. Конкретные решения здесь всегда индивидуальны и подкрепляются специальными расчетами. Окончательный выбор делают после сопоставления экономических и социальных издержек при реализации альтернативных вариантов.

Конструкцию насыпи выбирают с учетом следующих параметров:

• Категория прокладываемой дороги;
• Тип используемой дорожной одежды;
• Необходимая высота земляного полотна;
• Качество грунта, которым отсыпают полотно;
• Протяженность проектируемого участка;
• Категория слабого грунта, его структура;
• Сроки работ, климат местности, сезон года, прочие условия строительства.

Проектирование насыпи на слабых грунтах базируется на расчетах по первому и второму предельному состоянию. В проекте необходимо предусмотреть минимальный ущерб для природной среды в течение всего жизненного цикла автомобильной дороги.

Инженерно-геологические изыскания

Соответствующие мероприятия ведутся на стадии обоснования инвестиций, в ходе разработки проекта и на этапе подготовки рабочей документации. Полученные данные позволяют рассчитать, насколько устойчиво основание, а также спрогнозировать величину осадки в период консолидации слабого грунта и ее продолжительность.

Информация о состоянии грунтовой толщи добывается путем испытаний в полевых условиях. Последствия дорожной нагрузки на основание изучают с помощью лабораторных исследований. При сочетании обоих методов гарантируется высокое качество аналитических данных, от которых зависит стоимость строительных работ и бесперебойная эксплуатация объекта.

По результатам изысканий получают ответ на вопрос, какова возможность и целесообразность возведения земляного полотна на слабом грунте. Полученные сведения служат основой при выборе конструктивного решения и составлении списка мер, нацеленных на обеспечение устойчивости насыпи на слабых основаниях.

Оценка устойчивости и прогноз осадки насыпи на слабых основаниях

В геотехническом проектировании основной акцент ставится на обеспечение устойчивости и прогнозирование осадок насыпей, особенно в условиях слабых оснований. Это сложная задача, требующая комплексного подхода и высокой точности исходных данных.

Анализ устойчивости насыпей и прогнозирование осадок начинается на этапе предварительного обследования участка, продолжается в процессе рабочего проектирования и не завершается до окончания строительства.

Оценка устойчивости и прогноз осадки насыпи на слабых основаниях представляет собой сложный процесс, который требует применения различных методов исследований.

Согласно ОДМ 218.4.4.002-2020:

1. Слабые грунты - это связные грунты, обладающие следующими характеристиками:

• Сдвиговая прочность при естественном расположении менее 0,075 МПа (измерено с использованием роторного резца согласно ГОСТ 20276).
• Модуль осадки превышает 50 мм/м при нагрузке 0,25 МПа (модуль деформации ниже 5,0 МПа), измерено согласно ГОСТ Р 54477.

2. Слабые основания - это основания насыпей, которые в зоне активного сжатия содержат слои слабых грунтов толщиной более 0,5 м. Особенности:

• Считаются сильно сжимаемыми, водонасыщенными грунтами, которые теряют прочность при типичной для строительных работ скорости нагрузки.
• Включают пылевато-глинистые грунты в текучем состоянии, торфяные грунты, суглинки и пески в рыхлом состоянии.
• Могут выдерживать малые и медленно возрастающие нагрузки.

Конструктивно-технологические решения

При изучении потенциальных вариантов сооружения на слабых грунтах учитывают сроки консолидации, величину осадки и ее интенсивность, возможность плавного сопряжения проектируемого участка дороги с недеформирующимися конструкциями. Процесс консолидации слабых грунтов без дополнительных мероприятий, как правило, происходят от нескольких лет до десятилетий. Для кардинального сокращения сроков консолидации до нескольких месяцев необходимо заложить в проект технологию с использованием вертикальных геосинтетических ленточных дрен.

Вертикальное дренирование

Вертикальное дренирование - это метод геотехнического упрочнения грунта, который используется для ускорения процесса консолидации слабых, насыщенных водой грунтов.

Метод вертикального дренирования применяется, когда основание под строительным объектом имеет высокую влажность, что может привести к нестабильности и деформации. Лишняя вода удаляется путем создания вертикальных дренажных каналов в грунте, что увеличивает плотность и прочность грунта.

Процесс включает в себя установку дренажных труб или ленточных геодрен в грунт на определенные глубины и расстояния. Эти дрены обеспечивают каналы, по которым избыточная вода может вытекать из грунта. Удаление воды ускоряет процесс консолидации грунта, тем самым улучшая его устойчивость и прочность.

Ленточные геодрены – это важный инструмент, используемый в геотехнической инженерии. Используется для повышения несущей способности слабых, насыщенных водой грунтов способом сокращения фильтрационного пути поровой воды, тем самым, существенно ускоряя процесс консолидации. Этот метод особенно полезен для проектов, где требуется быстрое устранение избыточного порового давления и уменьшение деформаций посредством уплотнения грунта.

• Применяемое оборудование позволяет использовать технологию погружения вертикальных ленточных дрен на глубину до 50 метров.
• Расстояние между дренами: расстояние между отдельными геодренами может составлять от 0,5 до 2 метров в зависимости от свойств грунта, требуемого времени консолидации, высоты насыпи и экономической эффективности. Оптимальное расстояние должно быть определено на основе технико-экономического обоснования.
• Ленточные геодрены изготавливаются из полимерных современных экологически-безопасных материалов. Параметры предусмотрены ОДМ 218.3.048-2019.

Геотехнический мониторинг

Геотехнический мониторинг при сооружении насыпи включает следующее:

• проведение геодезической исходной съемки поперечного профиля “нулевой цикл”;
• контроль фактических осадок основания насыпи и прогноз величины и темпа осадки в процессе и после сооружения насыпи;
• измерение порового давления в грунтах основания и связанная с изменением давления, количественная оценка изменения коэффициента устойчивости и деформируемости насыпи в процессе ее возведения.

Степень консолидации, фиксирующую готовность земляного полотна к началу эксплуатации дороги, определяется в результате совместного анализа, величины осадки, темпа, ее протекания и величины порового давления в грунте слабого основания.

Экономические преимущества технологии

Традиционно при возведении насыпи на слабых грунтах применялись различного рода сваи, замещение грунта, легкие насыпи и тд. Однако, применяемая за последние 10 лет технология с использованием вертикальных ленточных геосинтетических дрен на объектах федерального значения (объекты инфраструктуры ЧМ ФИФА 2018 городов Калининград - Санкт-Петербург, а также федеральные трассы М-11, М-12, трасса Владивосток-Находка и др.) зарекомендовала себя, как наиболее эффективная и экономически целесообразная.