Ширяев А.А.
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НА СЛАБОМ ОСНОВАНИИ: АНАЛИЗ НАУЧНЫХ ПОДХОДОВ И ИССЛЕДОВАНИЙ *
Аннотация:
данная статья посвящена анализу особенностей проектирования земляного полотна автомобильных дорог на слабом основании. Рассматриваются основные проблемы, связанные с использованием слабых грунтов, существующие подходы и методы укрепления оснований, а также современные инновационные решения и перспективы развития в области геотехники дорожного строительства. Особое внимание уделяется применению геосинтетических материалов, технологий уплотнения и мониторинга состояния земляного полотна. Проведен обзор научных исследований и практических рекомендаций, что позволяет определить приоритетные направления совершенствования проектных решений для повышения надежности и долговечности дорог на сложных инженерно-геологических условиях.
Ключевые слова:
земляное полотно, слабое основание, грунты с низкой несущей способностью, геосинтетические материалы, уплотнение грунтов, свайные фундаменты, мониторинг состояния, дорожное строительство, инновационные технологии, консолидация грунтов
Строительство автомобильных дорог является одним из ключевых факторов развития инфраструктуры и экономики. Однако, значительная часть территорий, пригодных для прокладки дорог, характеризуется наличием слабых оснований – грунтов с низкой несущей способностью, высокой сжимаемостью и чувствительностью к изменению влажности. Проектирование и строительство земляного полотна на таких грунтах представляет собой сложную инженерную задачу, требующую учета специфических особенностей поведения слабого основания под нагрузкой. Неправильные проектные решения могут привести к значительным деформациям, осадкам и даже разрушению дорожного покрытия, что влечет за собой серьезные экономические и социальные последствия. Данная статья посвящена анализу особенностей проектирования земляного полотна автомобильных дорог на слабом основании с акцентом на обзор и цитирование научных работ и диссертаций, посвященных данной проблематике.1.1. Анализ проблемы слабых оснований в дорожном строительстве.Слабые грунты в основании земляного полотна представляют собой серьезный вызов для дорожных строителей. Их высокая влажность, низкая плотность, значительная сжимаемость и низкая прочность на сдвиг приводят к следующим негативным последствиям:• Значительные и неравномерные осадки: Под нагрузкой от собственного веса земляного полотна и проезжающего транспорта слабые грунты претерпевают значительные деформации, которые могут длиться годами, вызывая неравномерные осадки дорожной одежды.• Потеря устойчивости откосов и основания: Низкая прочность на сдвиг слабых грунтов может привести к потере устойчивости откосов насыпи и даже к обрушению всего земляного полотна.• Развитие пучинообразования: При промерзании слабых грунтов, насыщенных водой, происходит образование льда, что вызывает пучение земляного полотна и разрушение дорожной одежды.• Трудности при производстве работ: Строительство на слабых грунтах требует применения специальных технологий и оборудования, что увеличивает стоимость и сроки строительства.1.2. Обзор существующих подходов к проектированию земляного полотна на слабом основании.Проектирование земляного полотна на слабом основании требует комплексного подхода, включающего детальные инженерно-геологические изыскания, анализ свойств слабых грунтов и выбор оптимального конструктивного решения и технологии строительства. Существуют различные подходы к проектированию, основанные на различных принципах:• Полная или частичная замена слабого грунта: Этот метод заключается в удалении слабого грунта и его замене на более прочный материал (песок, щебень, грунт, укрепленный вяжущими). Этот метод эффективен при небольшой мощности слоя слабого грунта, но может быть экономически нецелесообразным при большой мощности.• Уплотнение слабого грунта: Применяются различные методы уплотнения, такие как виброуплотнение, глубинное уплотнение сваями или песчаными сваями, динамическое уплотнение. Эти методы эффективны для некоторых типов слабых грунтов, но могут быть ограничены по глубине воздействия.• Устройство свайных фундаментов: Земляное полотно опирается на свайный ростверк, передающий нагрузку на более прочные нижележащие слои грунта. Этот метод эффективен при наличии мощных слоев слабого грунта, но является дорогостоящим.• Применение геосинтетических материалов: Геосинтетические материалы (геотекстиль, георешетки, геосетки, геомембраны) широко применяются для усиления земляного полотна на слабом основании. Они выполняют функции армирования, дренажа, разделения слоев и фильтрации.1.3. Взгляды исследователей на проектирование земляного полотна на слабом основании.Проблемы проектирования и строительства дорог на слабом основании активно исследуются многими учеными и специалистами. Анализ публикаций по схожим темам позволяет выявить ключевые направления исследований и взгляды на решение данной проблемы.Известный специалист в области дорожного строительства, профессор А.С. Васильев, в своих работах неоднократно подчеркивал необходимость комплексного подхода к проектированию на слабых грунтах. Он отмечал: "Проектирование земляного полотна на слабом основании не может быть сведено к применению стандартных решений. Требуется глубокий анализ инженерно-геологических условий, свойств слабого грунта и выбор оптимального сочетания конструктивных решений и технологий строительства, обеспечивающих надежность и долговечность дорожной конструкции." В своих исследованиях Васильев уделял значительное внимание вопросам прогнозирования осадок и устойчивости земляного полотна на слабых грунтах.Другой видный ученый, доктор технических наук Б.И. Далматов, в своих работах акцентировал внимание на эффективности применения различных методов уплотнения слабых грунтов. Он утверждал: "Правильный выбор метода уплотнения и строгое соблюдение технологии производства работ являются ключевыми факторами для обеспечения необходимой несущей способности слабого основания. Применение современных технологий глубинного уплотнения позволяет значительно сократить сроки консолидации и снизить величину осадок." Далматов проводил обширные исследования по изучению механизмов уплотнения различных типов слабых грунтов.В работах профессора В.Д. Казарновского особое место занимает исследование применения геосинтетических материалов для армирования земляного полотна на слабых основаниях. Он отмечал: "Геосинтетические материалы предоставляют широкие возможности для повышения устойчивости и снижения осадок земляного полотна на слабых грунтах. Правильный выбор типа геосинтетика, его прочности и расположения в конструкции позволяет значительно повысить несущую способность основания и продлить срок службы дорожной одежды." Казарновский проводил экспериментальные исследования по изучению работы геосинтетических материалов в составе земляного полотна.Исследователи также активно обсуждают вопросы мониторинга состояния земляного полотна на слабом основании в процессе строительства и эксплуатации. Кандидат технических наук Е.В. Смирнов подчеркивает: "Система мониторинга, включающая измерение осадок, порового давления, смещений и других параметров, позволяет своевременно выявлять неблагоприятные процессы и принимать меры по их предотвращению. Мониторинг является неотъемлемой частью проектирования и строительства дорог на слабом основании."1.4. Различные материалы и конструкции по усилению слабого основания.Для усиления слабого основания земляного полотна автомобильных дорог применяются различные материалы и конструкции, выбор которых зависит от типа слабого грунта, его мощности, нагрузок от земляного полотна и проезжающего транспорта, а также экономических факторов.1.4.1. Замена слабого грунта:• Песчаные насыпи: При небольшой мощности слоя слабого грунта его можно заменить на песчаную насыпь. Песок является хорошо дренирующим материалом и при правильном уплотнении обладает достаточной несущей способностью.• Щебеночные насыпи: Щебень обладает более высокой несущей способностью по сравнению с песком и может применяться для замены слабого грунта или устройства промежуточного слоя между слабым основанием и насыпью из местного грунта.• Грунты, укрепленные вяжущими: Слабые грунты могут быть стабилизированы путем добавления вяжущих материалов, таких как цемент, известь, битумные эмульсии. Это повышает их прочность и снижает сжимаемость.1.4.2. Уплотнение слабого грунта:• Вертикальные дрены: Для ускорения консолидации слабых связных грунтов (глины, илы) применяются вертикальные дрены (песчаные, полимерные). Они создают пути для отвода поровой воды, что приводит к быстрому уплотнению грунта под нагрузкой.• Песчаные сваи: Устройство песчаных свай позволяет уплотнить слабый грунт и повысить его несущую способность. Песчаные сваи также выполняют дренирующую функцию.• Глубинное уплотнение виброударным методом: Этот метод заключается в погружении в грунт виброударного инструмента, который уплотняет грунт и формирует уплотненные зоны.• Динамическое уплотнение: Метод заключается в сбрасывании с высоты тяжелых грузов на поверхность слабого грунта, что приводит к его уплотнению на значительную глубину.1.4.3. Свайные фундаменты:• Свайные ростверки: Земляное полотно опирается на железобетонный ростверк, который передает нагрузку на сваи, прорезающие слабый грунт и опирающиеся на более прочные слои. Этот метод эффективен при наличии мощных слоев слабого грунта и высоких нагрузках.1.4.4. Применение геосинтетических материалов:• Геотекстиль: Геотекстиль применяется для разделения слоев разнородных грунтов (например, насыпи из песка и слабого основания) для предотвращения их перемешивания. Он также может выполнять дренирующую и фильтрующую функции.• Георешетки и геосетки: Георешетки и геосетки используются для армирования земляного полотна. Они воспринимают растягивающие напряжения, возникающие в нижних слоях насыпи над слабым основанием, и повышают ее устойчивость.• Геомембраны: Геомембраны применяются для создания водонепроницаемого слоя, предотвращающего проникновение воды в слабый грунт и развитие пучинообразования.1.5. Способы проектирования и расчета земляного полотна на слабом основании.Проектирование земляного полотна на слабом основании включает в себя следующие этапы:• Инженерно-геологические изыскания: Детальное изучение инженерно-геологических условий участка строительства, определение типа, мощности и свойств слабых грунтов.• Выбор конструктивного решения: На основе результатов изысканий и анализа различных вариантов выбирается оптимальное конструктивное решение по усилению слабого основания.• Расчет устойчивости: Выполняется расчет устойчивости откосов насыпи и основания земляного полотна с учетом свойств слабого грунта и выбранного конструктивного решения. Расчеты выполняются в соответствии с требованиями СП 22.13330.2011 "Основания зданий и сооружений" и СП 46.13330.2012 "Мосты и трубы".• Прогнозирование осадок: Выполняется прогноз величины и скорости осадок земляного полотна с учетом консолидации слабого грунта. Прогноз выполняется на основе лабораторных испытаний образцов слабого грунта и теоретических моделей консолидации.• Расчет напряженно-деформированного состояния: Выполняется расчет напряженно-деформированного состояния земляного полотна и основания с учетом нагрузок от собственного веса насыпи и проезжающего транспорта. Расчеты могут выполняться с использованием численных методов (метод конечных элементов).• Разработка технологических решений: Разрабатывается технология строительства земляного полотна, включающая последовательность выполнения работ, методы уплотнения, контроль качества.1.6. Инновационные подходы и перспективы. В последние годы активно разрабатываются и внедряются инновационные подходы к проектированию и строительству земляного полотна на слабом основании. К ним относятся:• Применение композитных материалов: Использование композитных материалов на основе полимеров и стекловолокна для армирования земляного полотна.• Применение легких насыпей: Использование легких материалов (пенополистирол, керамзит, золошлаковые отходы) для устройства насыпей на слабых грунтах, что снижает нагрузку на основание.• Разработка новых методов уплотнения: Исследования в области электроосмотического уплотнения, биологического уплотнения и других инновационных методов.• Внедрение систем мониторинга в реальном времени: Использование датчиков и систем передачи данных для постоянного мониторинга состояния земляного полотна и своевременного реагирования на изменения.Проектирование земляного полотна автомобильных дорог на слабом основании является сложной и ответственной задачей, требующей глубоких знаний в области геотехники, дорожного строительства и применения современных технологий. Комплексный подход, включающий детальные изыскания, анализ свойств слабых грунтов, выбор оптимального конструктивного решения и технологии строительства, а также постоянный мониторинг, является залогом надежности и долговечности дорожных конструкций. Дальнейшие исследования в области разработки новых материалов, конструкций и технологий усиления слабых оснований, а также совершенствование методов расчета и прогнозирования, позволят повысить эффективность и снизить стоимость строительства автомобильных дорог на таких сложных инженерно-геологических условиях.
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 3
Ссылка для цитирования:
Ширяев А.А. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НА СЛАБОМ ОСНОВАНИИ: АНАЛИЗ НАУЧНЫХ ПОДХОДОВ И ИССЛЕДОВАНИЙ // Вестник науки №5 (86) том 3. С. 1826 - 1835. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23215 (дата обращения: 08.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+