Грунты в дорожном строительстве: виды, свойства, применение

Устойчивость, а значит и долговечность любого здания — от загородного дома до многоэтажного «человейника» — зависят не только от качества фундамента, на котором возведен объект, но и от уровня подготовки грунтов, подстилающих железобетонное основание, их вида. Также и в дорожном строительстве: асфальт, устроенный на слабом грунте, например на переувлажненной глине, с приходом холодов, — из-за набухания слоя земляного полотна, — начнет разрушаться и потребует ремонта.

Тем не менее, в отдельных случаях дороги можно строить не только на сверхпластичной глине, но и на торфе, и даже иле. Главное — использовать одну из технологий стабилизации или укрепления грунтов, учесть все факторы, влияющие на долговечность конструкции будущей дороги.

Грунты — это горные породы, осадки и другие геологические образования, которые слагают верхнюю часть земной коры и при этом представляют интерес для проектировщиков и строителей, — это важное уточнение. Ведь данные о породах, находящихся на глубине, к примеру, ста метров, будут значительно менее полезны для будущего возведения объекта, чем информация о грунтах, расположенных в толще условно десяти-двадцати метров от поверхности. А здесь, под слоем почвы, как отдельными слоями, так и в смешанном виде, может быть и песок, и гравий, и глина, и органические примеси.

Грунт — это всегда многокомпонентная система, которая содержит в себе твердые и мелкие частицы, различные включения, воду, и даже газ. Более того, в зависимости от изменения подземных или надземных условий, например увеличения количества выпавших осадков, свойства грунтов также изменяться, а значит эта система является не просто многокомпонентной, но еще и динамичной, — это, конечно же, учитывают при проектировании конструкций дорог для различных дорожно-климатических зон.

Виды грунтов

Все грунты разделяют на скальные, дисперсные и мерзлые, — об этом говорит ГОСТ 25100-2020 «Грунты. Классификация», а также отдельный стандарт для дорожной отрасли — ГОСТ 33063-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Классификация типов местности и грунтов».

Скальный грунт

Скальный грунт представляет собой массив горной породы и/или обломков, в том числе образованных в результате техногенного воздействия, например буровзрывных работ, перемещения каменного материала с места добычи на объект, и так далее. Этот вид грунта характеризуется жесткими кристаллическими или цементными связями, поэтому среди дорожников считается стабильным и наиболее прочным.

В зависимости от происхождения, то есть генезиса исходной горной породы, скальный грунт бывает:

• Магматическим (гранит, базальт, габбро-диабаз и др.)
• Метаморфическим (гнейсы, сланцы и др.)
• Осадочным (известняки, доломиты и др.)
• Вулканогенно-осадочным (различные туфы)
• Техногенным (полученный путем воздействия на него тех или иных технологий)

При наличии скального грунта в естественном заложении, например при строительстве горных дорог, его разработка — особенно для устройства выемки — требует значительных трудозатрат.

Обязательная частная классификация, указанная в стандартах ГОСТ 25100-2020 и ГОСТ 33063-2014, разделяет скальный грунт по:

• Пределу прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии
• Плотности сухого (скелета) грунта
• Пористости
• Коэффициенту выветрелости
• Коэффициенту размягчения в воде
• Степени растворимости в воде
• Водопроницаемости (коэффициенту фильтрации)

Скальные грунты — за счет своей природной прочности, устойчивости к воздействию текучей воды, отсутствию усадки — являются хорошим материалом-основой земляного полотна, принимающим на себя вес всей дорожной одежды.

Дисперсный грунт

Второй вид грунтов — дисперсный грунт — представляет собой совокупность зерен в пределах той или иной размерности. При этом, если частицы или зерна грунта характеризуются только механическими структурными связями, то его называют несвязным (сыпучим), а если физическими и физико-химическими — связным. Яркий пример первого подвида — песок, второго — глина.

В зависимости от происхождения дисперсный грунт разделяют на:

• Осадочный (несвязный — пески, связный — глинистые грунты, ил, торф)
• Вулканогенно-осадочный (только для несвязного грунта — вулканический песок и пепел)
• Элювиальный (образованный за счет выветривания массивов горных пород)
• Техногенный (измененный, перемещенный, образованный с помощью той или иной технологии грунт, например обработанный цементом или битумной эмульсией)

В дорожном строительстве осадный грунт встречается часто. В его составе, в отличие от скального, могут быть различные включения: от корней деревьев до крупных валунов. Как правило, слой дисперсного грунта — это природная смесь связного и несвязного грунтов, в которой преобладают те или иные характеристики. Так, к примеру, глинистый грунт, содержащий в себе более 40% песчаных частиц размером от 0,05 до 2 мм и имеющий число пластичности от 7 до 12, будет называться суглинком легким песчанистым.

К слову, стандарты ГОСТ 25100-2020 и ГОСТ 33063-2014 классифицируют глинистые грунты по числу пластичности и содержанию песчаных частиц на супесь, суглинок и глину. У последней — наибольшее число пластичности.

Обязательная частная классификация разделяет дисперсный грунт по:

• Размерам фракций грунта
• Гранулометрическому составу (для крупнообломочных и песчаных грунтов)
• Степени неоднородности гранулометрического состава (для крупнообломочных и песчаных грунтов)
• Коэффициенту водонасыщения
• Водопроницаемости (коэффициенту фильтрации)
• Коэффициенту пористости (для песчаных грунтов)
• Степени плотности (для песчаных грунтов естественного отложения)
• Коэффициенту выветрелости крупных обломков (для крупнообломочных грунтов)
• Коэффициенту истираемости (для крупнообломочных грунтов)
• Числу пластичности и содержанию песчаных частиц (для глинистых грунтов)
• Размерности в зависимости от наличия частиц более 2 мм (для глинистых грунтов)
• Показателю текучести (для глинистых грунтов)
• Относительной деформации набухания (для глинистых грунтов)
• Степени просадочности с учетом относительной деформации просадочности
• Относительной деформации просадочности (для глинистых грунтов)
• Относительному содержанию органического вещества
• Относительному содержанию органического вещества (для торфосодержащих грунтов)
• Степени разложения (для торфов)
• Степени засоленности легкорастворимыми солями
• Степени засоленности среднерастворимыми солями

Дисперсные грунты — наиболее встречаемый вид грунтов при строительстве новых дорог. Это неудивительно, так как по большей части поверхность земной коры слагают именно осадочные породы.

Каждая классификационная характеристика грунта имеет принципиально важное значение при проектировании конструкции дорог, выборе тех или иных материалов для их устройства. Именно поэтому новое строительство объекта транспортной инфраструктуры начинают в том числе с этапа инженерно-геологических изысканий.

Говоря о дисперсных грунтах, особое внимание стоит уделить слабым грунтам, применение которых в дорожном строительстве ограничено. К таким грунтам относят сильно деформируемые связные грунты — торфы, сапропели, переувлажненные глины, болотные мергели и другие.

Мерзлый грунт

Третий вид грунтов — мерзлый грунт — встречается в зонах многолетней и вечной мерзлоты. Такой грунт в течение года может вообще не оттаивать или оттаивать лишь частично, имеет температуру от 0 °С и ниже, характеризуется в том числе криогенными структурными связями.

По природе структурной связи мерзлый грунт разделяют на скальный мерзлый, дисперсный мерзлый и ледяной. Первые два по генезису могут быть:

• Природными промерзшими
• Техногенными промороженными и мерзлыми

Грунты только с криогенными связями — ледяные — по происхождению также могут быть техногенными, но при этом разделяются еще на льды внутригрунтовые, погребенные и пещерно-жильные.

Обязательная частная классификация — по стандартам ГОСТ 25100-2020 и ГОСТ 33063-2014 — разделяет мерзлый грунт по:

• Температуре
• Льдистости
• Льдистости (для мерзлых песчаных грунтов)
• Разновидности незасоленных мерзлых грунтов
• Степени засоленности грунтов легкорастворимыми солями
• Типам криогенных текстур (в ГОСТ 25100-2020 относится к обязательной классификации, в ГОСТ 33063-2014 — к рекомендуемой)

Около 65% территории нашей страны занимают зоны, в которых в большей или меньшей степени находятся толщи грунтов со льдом. Строительство дорог в таких регионах реализуют с учетом не только классификационных особенностей, но и верхних границ многолетнемерзлых грунтов.

Свойства грунтов

Из классификаций грунтов очевидно, что к разным грунтам, даже одного вида, предъявляются разные требования. К примеру, для песчаных песков — по пористости, для глинистых — числу пластичности. То есть, для каждого конкретного случая, в зависимости от грунта и внешних условий среды, будут важны свои свойства и их определенные показатели.

Если обратиться к такой учебной дисциплине, как «Грунтоведение», то свойств грунта будет очень много:

• Плотность
• Водопроницаемость
• Теплоемкость
• Теплопроводность
• Температуропроводность
• Термическое расширение
• Морозостойкость
• Электропроводность
• Диэлектрическая проницаемость
• Магнитные свойства
• Растворимость
• Коррозионная способность
• Пластичность
• Липкость
• Набухаемость
• Усадочность
• Капиллярные свойства
• Водопрочность
• Электрокинетические свойства
• И многие-многие другие

Конечно, каждое свойство — физико-химическое, капиллярное и любое другое — имеет огромное значение при изучении грунтов, но в реальности к некоторым из них обращаются лишь в отдельных случаях. Взять, к примеру, водопрочность: если нет взаимодействия массива грунта с водоемом, то на это свойство не будут обращать внимание.

Так и с дорожным строительством: наибольшее значение имеют преимущественно физико-механические свойства грунтов — деформируемость (модуль упругости) и прочность (угол внутреннего трения, удельное сцепление), которые играют важную роль при проектных расчетах.

Так, в стандарте ГОСТ Р 71404-2024 «Дороги автомобильные общего пользования. Нежесткие дорожные одежды. Правила проектирования» указано, что на поверхности рабочего слоя, — верхнего слоя земляного полотна, — в качестве которого может выступать грунт, общий модуль упругости должен быть:

• для II дорожно-климатической зоны (ДКЗ) — не менее 60 МПа
• для III ДКЗ — не менее 53 МПа
• для IV и V ДКЗ — не менее 45 МПа

В ГОСТе также описан порядок расчета конструкции дорожной одежды по условию сдвигоустойчивости грунта рабочего слоя земляного полотна, определены требования к использованию тех или иных грунтов для достижения необходимых показателей деформации. К примеру: рабочий слой в ДКЗ II и III должен состоять из непучинистых или слабопучинистых грунтов. Для ДКЗ IV и V — из ненабухающих и непросадочных грунтов на глубину не менее 0,8 м от поверхности покрытия.

К слову, проектирование дорожных одежд для I ДКЗ осуществляется на основании требований ГОСТ 33149-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Правила проектирования автомобильных дорог в сложных условиях».

Требования к грунтам

Нормы для грунтов, используемых в качестве земляного полотна, определяет ГОСТ Р 59864.1-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Земляное полотно. Технические требования». Так, применяемые грунты должны соответствовать показателям:

• Влажности
• Коэффициента уплотнения
• Содержания и размера мерзлых комьев в насыпях
• Содержания в грунте посторонних предметов
• Деформативности рабочего слоя земляного полотна
• Коэффициента фильтрации грунтов

Требования к грунтам

Требования к рабочему слою земляного полотна можно также найти в своде правил СП 34.13330.2021 "СНиП 2.05.02-85* Автомобильные дороги".

Применение грунтов

Как уже было сказано выше, грунты в естественном виде выступают в качестве земляного полотна, на который укладывают остальные слои дорожной одежды. Вид грунта, показатели его свойств в том числе определяют будущую конструкцию дороги, ее толщину, а значит и стоимость.

Скальный грунт является стабильным основанием для будущей дороги. Если рабочим слоем земляного полотна выступает прочный каменный материал, значит конструкция дороги будет характеризоваться минимальной толщиной. К примеру: два слоя асфальта, под ними — выравнивающий слой из щебня, обработанного вяжущим.

Для дисперсного грунта, наиболее часто встречаемого при строительстве дорог, и обладающего своими свойствами, требования к конструкции дорожной одежды будут уже другими. Для наглядности сравним несколько вариантов конструкций на разных грунтах рабочего слоя земляного полотна, взятые из отраслевого методического документа ОДМ 218.2.104-2019 «Альбом типовых конструкций нежестких дорожных одежд в различных дорожно-климатических зонах». В качестве теоретического объекта строительства будет выступать дорога II категории (4 полосы) для II ДКЗ, — условно Архангельска.

В данном случае песок, как представитель дисперсных грунтов, обеспечивает строительство дороги с наименьшей толщиной слоев. Ничего удивительного: при отсутствии большого количества пылеватых частиц, песок является хорошим дренирующим материалом, мало подвержен морозному пучению, при определенном уровне влажности хорошо уплотняется, не дает капиллярной воде подняться из нижележащих толщ грунтов наверх. Недаром песок, добытый на карьерах, чаще всего применяют в качестве дополнительного слоя основания дорог.

Слабые связные грунты, — с прочностью на сдвиг в условиях природного залегания менее 0,075 МПа или модулем осадки при нагрузке 0,25 МПа более 50 мм/м, — к которым относится торф, ил, сапропель, переувлажненная глина и другие, используют как слой насыпи или основание под насыпь.

Для повышения стабильности слабых грунтов, расположенных в основании насыпи, дорожники применяют те или иные технологии:

• Создают устойчивые и безосадочные насыпи используя «легкие» пеноматериалы
• Устраивают временные пригрузки для ускорения процесса консолидации грунтов слабого основания
• Применяют тканые геоматериалы — геополотна и геосетки — совместно с неткаными геополотнами
• Укладывают разделительные прослойки из геополотен для исключения перемешивания отсыпаемых грунтов и грунтов слабого основания
• Организуют расчетный режим отсыпки, обеспечивающий устойчивость конструкции в процессе строительства и эксплуатации
• Реализуют вертикальные дрены из песка, дискретных материалов, специальных (объемных) геосотовых материалов с целью ускорения осадки слабого основания
• Устраивают сваи из песка, щебня, цементогрунта, железобетона (забивные сваи), цементогрунта, укрепляемого по струйной технологии, инъекционные сваи с ростверком из геосотовых материалов или тканых геополотен с целью создания устойчивых или безосадочных конструкций
• Временно понижают уровень грунтовых вод
• Предварительно осушают слабые толщи

Конечно, при наличии возможности транспортировки на объект строительных материалов, слабые грунты всегда можно частично или полностью заменить. Подробнее об устройстве дорожных одежд на слабых грунтах можно узнать из документов «Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах» (распоряжение Минтранса России N ОС-1067-р от 03.12.2003), ОДМ 218.4.4.002-2020 «Методические рекомендации по использованию существующих насыпей из слабых и обводнённых грунтов при реконструкции автомобильных дорог», СТО НОСТРОЙ 2.25.27-2011 «Автомобильные дороги. Строительство земляного полотна автомобильных дорог. Часть 5. Возведение земляного полотна на слабых грунтах» и других.

Мерзлые грунты применяют в строительстве дорог, расположенных в I ДКЗ. При этом дорожники учитывают температурный и водный режимы грунтов, их возможную осадку. Если при расчете насыпи на устойчивость максимальная прогнозируемая осадка будет больше допустимой, используют один из двух подходов: либо обеспечивают предварительное оттаивание многолетнемерзлых грунтов и осушение участка, либо, наоборот, принудительно поднимают верхнюю границу многолетнемерзлых грунтов (ВГММГ) не ниже подошвы насыпи.

Подробнее о проектировании земляного полотна из мерзлых грунтов можно узнать в документах ОДМ 218.2.094-2018 «Методические рекомендации по проектированию земляного полотна автомобильных дорог общего пользования из местных талых и мерзлых переувлажненных глинистых и торфяных грунтов в зонах распространения многолетнемерзлых грунтов», ОДМ 218.2.095-2019 «Методические рекомендации по проектированию земляного полотна на вечной мерзлоте с использованием местных грунтов», СП 313.1325800.2017 «Дороги автомобильные в районах вечной мерзлоты. Правила проектирования и строительства» и других.

Применение стабилизированных и укрепленных грунтов

Стабилизированные и укрепленные грунты, в отличие от «естественных», которые преимущественно выступают в качестве слоя или слоев земляного полотна, при строительстве дорог имеют более широкий диапазон применения.

Стоит начать с того, что стабилизированные и укрепленные грунты — это крупнообломочные грунты с размером зерен до 45 мм, пески, супеси, суглинки, глины (с числом пластичности до 17) или техногенные грунты, в том числе золошлаковые смеси, которые обработаны — на месте строительства дороги или в отдельной грунтосмесительной установке — специальными вяжущими добавками: цементом, известью, битумной эмульсией и/или другими. При таком подходе грунт становится более прочным, повышаются показатели его физико-механических свойств.

Стабилизированный и укрепленный грунт может применятся не только в качестве рабочего слоя земляного полотна, но и в качестве дополнительного слоя основания, слоя основания и даже покрытия — при устройстве дорожных одежд переходного типа.

Требования к стабилизированным и укрепленным грунтам можно найти в стандартах ГОСТ Р 70452-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Грунты стабилизированные и укрепленные неорганическими вяжущими. Общие технические условия» и ГОСТ Р 70453-2022 «Дороги автомобильные общего пользования. Грунты, укрепленные органическими вяжущими. Общие технические условия».

Современное оборудование для стабилизации и укрепления грунтов

Главными представителями современного оборудования для смешивания грунтов с органическими и/или неорганическими вяжущими, можно смело назвать грунтосмесительные установки от компании SOLOMATIC. Каждый комплекс — производительностью до 350, 500, 800 и 1000 т/ч — характеризуется высокой точностью дозирования с максимальной погрешностью до 1%, применением комплектующих от ведущих мировых брендов — компаний ABB, Mettler Toledo, SEW-Eurodrive, WAM, Festo и других; интуитивно понятным интерфейсом на русском языке; автоматизированным выпуском смеси в соответствии с заданным рецептом.

Особенностью работы компании SOLOMATIC можно назвать индивидуальный подход в части инженерного проектирования будущей установки: если ваше предприятие планирует использовать нестандартные добавки, например золу уноса, комплектация агрегатов будет скорректирована, а в систему управления внесены соответствующие изменения. Для получения более подробной информации об условиях поставки оборудования позвоните нам по телефону 8 (800) 555 73 40, отправьте запрос на sale@solomatic.ru или свяжитесь любым другим удобным способом, указанном в разделе с контактами.

Грунтосмесительная установка от компании SOLOMATIC — это стабильная работа каждого агрегата в течение всего дорожного сезона, выпуск смеси в точном соответствии с рецептом, и широкие возможности для приготовления разной продукции, в том числе с добавлением вторичных материалов.