Анализ результатов уплотнения глинистых грунтов в насыпях автомобильных дорог Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Вестник ТГАСУ № 3, 2009

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ, АЭРОДРОМОВ, МОСТОВ И ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ

УДК 625.7:624.13.001.86

А.О. АФИНОГЕНОВ, аспирант,

285564@rambler.ru ТГАСУ, Томск

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ УПЛОТНЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ В НАСЫПЯХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Выполнен статистический анализ результатов оценки степени уплотнения глинистых грунтов в насыпях автомобильных дорог на территории Кемеровской области. Рассмотрено влияние свойств грунта на степень его уплотнения.

Ключевые слова: глинистые грунты, степень уплотнения, оптимальная влажность, коэффициент увлажнения, максимальная плотность скелета грунта.

Одним из наиболее доступных и эффективных способов обеспечения стабильности и требуемых эксплуатационных характеристик земляного полотна автомобильных дорог является уплотнение грунтов, из которых они возводятся [1]. Повышенное уплотнение (уплотнение до степени выше требуемой нормами) дает весьма ощутимый технический и экономический эффект [2, 3]. С другой стороны, следует согласиться с мнением многих специалистов (особенно практиков), что в ряде случаев достичь необходимой степени уплотнения глинистых грунтов (наиболее распространенных на территории Западной Сибири) достаточно сложно или невозможно.

На результаты уплотнения насыпей влияют погодные условия, свойства грунтов, наличие необходимых технических средств, соблюдение технологии работ и т. д. Основываясь на классической теории управления качеством, можно выделить следующие основные факторы: технические средства, технологии, менеджмент, природно-климатические условия, материалы (грунты), персонал. Одни факторы практически не поддаются управлению или очень консервативны в этом отношении, другие - наоборот. Наиболее простой и достоверный способ оценки возможности достижения определенной степени уплотнения грунтов в этих условиях - статистический анализ результатов уплотнения грунтов в насыпях реальных объектов на определенной территории.

© А.О. Афиногенов, 2009

Для исследований выбрана Кемеровская область, отличающаяся большим разнообразием климатических и грунтовых условий. Так, в Кузнецкой котловине за год выпадает в среднем 450-500 мм осадков (в Промышленнов-ском, Ленинск-Кузнецком районах - 150-300 мм), в горных районах -800-1200 мм, причем большая их часть приходится на теплое время года, когда с Атлантического океана поступают влажные воздушные массы. Это объясняется особенностями поверхности области: горные системы, поднимаясь на пути переноса воздушных масс, задерживают их. В то же время географическое положение Кемеровской области позволяет распространить результаты, полученные для ее условий, на значительную часть территории Сибири.

Для анализа использованы материалы испытаний независимой компетентной лаборатории Кузбасского центра дорожных исследований, осуществляющего контроль качества на основных дорожных объектах Кемеровской области с 1992 г. В 2007-2008 гг. автором были выполнены дополнительные исследования грунтов, пробы которых отобраны из готовых конструктивных слоев земляного полотна в процессе строительства крупнейших дорожных объектов, реализуемых на территории Кемеровской области (автомобильные дороги I категории: Ул. Терешковой - город-спутник «Лесная поляна», Новосибирск - Ленинск-Кузнецкий - Кемерово - Юрга, 295-323,5 км; автомобильные дороги III категории: Горно-Алтайск - Турочак - Таштагол, Чугу-наш - спортивно-туристический комплекс «Шерегеш»). Это позволило получить массив данных из результатов испытаний 690 проб грунтов. При этом все испытания проводились с использованием поверенных средств измерений, аттестованного испытательного оборудования. Вспомогательное оборудование подвергалось процедуре оценки пригодности.

Материалы испытаний, полученные в строительных лабораториях подрядных организаций, не применяли, поскольку не гарантирована их достоверность (подрядчики заинтересованы в предоставлении заказчику только положительных результатов контроля).

Наиболее полный учет природных условий Кемеровской области возможен на основе районирования, предложенного проф. В.Н. Ефименко [4], которое делит ее территорию на четыре дорожных района (1-4); три подзоны (Р - равнинная, Х - холмистая, Г - горная) и две зоны (II и III дорожноклиматические зоны по СНиП 2.05.02-85*).

В процессе анализа данных испытаний грунтов была выполнена статистическая обработка всего массива данных (без разделения по дорожноклиматическим районам) и по отдельным районам. Обработка проводилась средствами Microsoft Excel. Установлено, что плотность распределения рассматриваемых параметров грунтов подчиняется нормальному закону. На рис. 1 приведены данные по плотности распределения коэффициента уплотнения. В статье под термином «коэффициент уплотнения грунта» понято отношение плотности скелета грунта в конструкции к максимальной плотности скелета того же грунта при стандартном уплотнении по ГОСТ 22733-2002.

Средние значения коэффициента уплотнения грунта по отдельным дорожно-климатическим районам различаются: П.Г.2 - 0,962; Ш.Х.4 - 0,986; III.Р.3 - 0,973. Это может быть результатом различия природных условий и, как

следствие, неоднородной степени увлажнения грунтов, других показателей. Часто в разных районах области земляное полотно сооружали одни и те же подрядные организации или организации, имеющие примерно одинаковые технические средства и другие условия, влияющие на качество работ. Установлено, что нет существенной разницы между результатами уплотнения в верхних, средних и нижних слоях насыпи, поэтому в процессе анализа соответствующее разделение массива данных не производилось. Для всех районов отмечен значительный разброс значений коффициента уплотнения - от 0,82 до 1,11. Все это говорит о возможно недостаточном уровне организации и нарушениях технологии работ.

Коэффициент уплотнения

Рис. 1. Плотность распределения значений коэффициента уплотнения

Для района 11.Х.1, где строительство автомобильных дорог в последние 15 лет практически не велось, имелись результаты испытаний всего 9 проб грунта, что не позволило выполнить полноценный статистический анализ. Однако полученные результаты можно считать показательными, если обратить внимание на увлажненность грунтов в этом районе (таблица): среднее значение коэффициента уплотнения - 0,94, разброс данных от 0,82 до 1,05. Прослеживается зависимость: чем выше коэффициент переувлажнения, тем меньшее значение коэффициента уплотнения достигается.

Степень увлажненности глинистых грунтов на территории Кузбасса

Климатический район 11.Х.1 11.Г.2 Ш.Р.3 Ш.Х.4 Среднее значение

Соотношение естественной и оптимальной влажности грунта 1,22 1,07 1,04 0,95 1,03

Среднее значение коэффициента уплотнения 0,94 0,96 0,97 0,99 0,97

Обратим внимание на следующее обстоятельство. Ранее автором был выполнен аналогичный анализ по данным лаборатории Кузбасского центра дорожных исследований [5], в котором было рассмотрено 363 пробы грунтов. Увеличение массива данных в 1,9 раза практически не привело к изменению средних значений достигнутого коэффициента уплотнения (в первом анализе они составляли: для района 11.Г.2 - 0,968; Ш.Х.4 - 0,987; 111.Р.3 - 0,976), это подтверждает, что получены достаточно представительные результаты и дальнейшее расширение массива данных не имеет смысла. Получены практически те же значения, кроме района 11.Г.2, где количество проб в первоначальном анализе было равным 25.

Данные, представленные на рис. 1, показывают, что в целом на практике обеспечивается довольно высокая степень уплотнения и имеются предпосылки для введения повышенных норм плотности грунта. С другой стороны, на степень уплотнения в реальном технологическом процессе могут влиять такие факторы, как тип местности по характеру увлажнения (естественная влажность грунта), величина оптимальной влажности и коэффициент переувлажнения грунта и т. д. Ниже приведены результаты соответствующего анализа.

Для решения вопросов, связанных с оптимизацией процессов строительства земляного полотна, важное значение имеет связь естественной и оптимальной (при которой с минимальными затратами на уплотнение достигается максимальная плотность) влажности грунта. Эту связь иллюстрирует рис. 2.

Очевидно, что грунтам с повышенной естественной влажностью соответствуют более высокие значения оптимальной влажности. На практике это означает, что разработке мероприятий по увлажнению или просушке грунта должны предшествовать тщательные исследования его свойств. В отличие от общепринятого мнения, грунты с повышенной естественной влажностью далеко не всегда требуют просушки в весенний период, при выпадении осадков.

Зависимость между оптимальной и естественной влажностью глинистых грунтов (суглинки, глины) имеет следующий вид (при В2 = 0,381, Кв = 0,56):

ЖоШ = 12,216 + 0,3662Жест. (1)

Для зависимости коэффициент уплотнения-коэффициент увлажнения (отношение естественной влажности к оптимальной влажности грунта) получена следующая формула (при В2 = 0,0268, Кв = -0,35):

Ку = 1,0573 - 0,0872КувЛ. (2)

Естественная влажность Wест, % по массе

Рис. 2. Взаимосвязь значений естественной и оптимальной влажности грунтов

Зависимости (1) и (2) можно применять для назначения мероприятий по увлажнению или просушке грунтов, прогноза ожидаемых показателей уплотнения.

Нормы (СНиП 2.05.02-85*, СНиП 3.06.03-85) регламентируют границы допустимого отклонения значений естественной влажности от оптимальной. Эти границы зависят от требуемой степени плотности и вида грунта. Из рис. 2 следует, что необходимо учитывать и абсолютные значения естественной влажности грунта.

На практике наблюдаются закономерности: чем меньше степень увлажнения грунта, тем проще обеспечить повышенное значение коэффициента уплотнения (рис. 3); коэффициент уплотнения уменьшается с ростом коэффициента увлажнения (отношения естественной влажности грунта к оптимальной).

Это подтверждено и данными, представленными на рис. 4. Для случаев, когда естественная влажность грунта имеет высокие значения, необходимо предусматривать более жесткие нормы операционного контроля и подтверждения соответствия.

От максимальной плотности грунта и оптимальной влажности коэффициент уплотнения практически не зависит (рис. 5, 6).

Следует отметить, что фактический диапазон изменения естественной влажности грунтов несколько больше, чем регламентировано СНиП 3.06.03-85*, но это практически не отражается на достигаемой степени уплотнения.

Коэффициент уплотнения

Коэффициент увлажнения

Рис. 3. Зависимость коэффициента уплотнения от коэффициента увлажнения грунта

Фактическая влажность Wф, % по массе

Рис. 4. Зависимость коэффициента уплотнения от фактической (естественной) влажности грунта

Коэффициент уплотнения с Коэффициент уплотнения

1.3 1,2 1,1

1 0,9 0,8 0,7

1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2

Максимальная плотность, г/:м3

5. Зависимость коэффициента уплотнения от максимальной плотности скелета грунта

1.4 1,3 1,2 1,1

1 0,9 0,8 0,7 0,6

12 14 16 18 20 22 24 26 28

Оптимальная влажность №о|ш % по массе

¥

X X XX X *х х х X х X * х*3 : х у х X * X Зк * * ^Хх * х х XX х X

X XX X о х х&х як*й х И* X ■$£х х *" ж * X , X

X * X X X X X X X X X

о о

о о О о о о об 0 ° ° о о° ° <Яо 8 °о ’<р° ° ° °Л° <Ъ оо°® ? о

0 ■Шякг о

° во о О О 38 </№ 00 ° О аа 8о8°®~ 8 .»8=0 °8 ®о« 8® 5°° 0 о о о о о

ООО о оо о о 50 О Го

Рис. 6. Зависимость коэффициента уплотнения от оптимальной влажности грунта

Результаты данного исследования позволяют более обоснованно назначать меры по обеспечению требуемой степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог и аналогичных сооружений, проектировать соответствующую технологию работ на основе региональных зависимостей. Совершенно очевидно, что современные технические средства позволяют в массовом порядке достигать значений коэффициента уплотнения 1,0—1,1, без специальных мер (в т. ч. просушки или увлажнения грунта).

Библиографический список

1. Казарновский, В.Д. Без соблюдения норм плотности не будет качества / В.Д. Казарновский, А. К. Мирошкин // Автомобильные дороги. - 1993. - № 5. - С. 6-7.

2. Жустарев, Е.В. Некоторые результаты экспериментальных исследований влияния плотности грунта земляного полотна автомобильных дорог в процессе накопления остаточных деформаций / Е.В. Жустарев // Проблемы строительства и эксплуатации автомобильных дорог : сб. науч. тр. / МАДИ-ТУ. - М., 1998. - С. 48-49.

3. Афиногенов, А.О. Эффективность повышения степени уплотнения грунтов земляного полотна карьерных автомобильных дорог / А.О. Афиногенов // Вестник КузГТУ. -2008. - № 1. - С. 55-60.

4. Ефименко, В.Н. Дорожно-климатическое районирование Кемеровской области / В.Н. Ефименко // Опыт обеспечения эффективности дорожного комплекса Кузбасса : сб. науч. тр. - Томск : Изд-во Том. ун-та, 1997. - С. 62-66.

5. Афиногенов, А. О. Степень уплотнения глинистых грунтов в насыпях автомобильных дорог на территории Кемеровской области / А.О. Афиногенов // Вестник КузГТУ. -2008. - № 2. - С. 135-136.

A.O. AFINOGENOV

ANALYSIS OF THE RESULTS OF CLAY SOILS COMPACTION ON ROAD EMBANKMENT

Statistical analysis of the results of clay soils compaction on road embankment in Kemerovo region was carried out. Influence of soils behavior on degree of compaction was considered.

УДК 624.131.54:001.891.5

М.В. БАДИНА, аспирант, kafad@tsuab. ги ТГАСУ, Томск

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕЛИЧИНЫ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ГРУНТОВ

Приведены результаты испытаний грунтов земляного полотна автомобильных дорог Западной Сибири, получены зависимости величины их морозного пучения от температуры, влажности и плотности для проектирования морозоустойчивых конструкций дорожных одежд.

© М.В. Бадина, 2009