CC BY
53
УДК 625.7/8
АЛГОРИТМ ОЦ1НКИ ВОЛОГОСТ1 ГРУНТ1В ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЗА РЕЗУЛЬТАТАМИ ГЕОРАДЮЛОКАЦШНОГО ОБСТЕЖЕННЯ
В.О. Процюк, асистент, Луцький нацюнальний технiчний унiверситет,
А.Г. Батракова, проф., д.т.н., Харкчвський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ун1верситет
Анотаця. Розглянуто вплив вологост1 на мщтст та деформацтт характеристики тдсти-льних грунт1в. Запропоновано алгоритм оценки вологост1 земляного полотна за результатами георад1олокацтного обстеження.
Ключов1 слова: дорожнт одяг, земляне полотно, волог1сть, мщтсть, модуль пружност1, д1е-лектрична прониктсть.
АЛГОРИТМ ОЦЕНКИ ВЛАЖНОСТИ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ГЕОРАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ
В.А. Процюк, ассистент, Луцкий национальный технический университет,
А.Г. Батракова, проф., д.т.н., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Рассмотрено влияние влажности на прочностные и деформационные характеристики подстилающих грунтов. Предложен алгоритм оценки влажности земляного полотна по результатам георадиолокационного обследования.
Ключевые слова: дорожная одежда, земляное полотно, влажность, прочность, модуль упругости, диэлектрическая проницаемость.
THE ESTIMATION ALGORITHM OF SUBGRADE HUMIDITY ON THE GPR
SURVEY RESULTS
V. Protsiuk, T. Asst., Lutsk National Technical University, А. Batrakova, Prof., D. Sc. (Eng.), Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. The effect of humidity for strength and deformation characteristics of the underlying soils is considered. The estimation algorithm of subgrade humidity on the GPR survey results is proposed.
Key words: pavement, subgrade, humidity, strength, modulus of elasticity, dielectric constant.
Вступ
Волопсть е фактором, що сильно впливае на мщнюш та деформацшш характеристики грунта земляного полотна та, вщповщно, вше! конструкци дорожнього одягу. Спираю-чись на даш вггчизняних i зарубiжних норма-тивних документа [1, 2, 3] та результати ек-спериментальних дослщжень [4, 5], можна констатувати зниження мщшсних (бшьш шж у 3 рази) та деформацшних (до 10 разiв) характеристик тдстильних грунта зi збшь-
шенням вмюту вологи. Помилки у визначен-ш вологосп тдстильного грунту можуть стати причиною передчасного руйнування конструкци дорожнього одягу, попршення тран-спортно-експлуатацшного стану автомобшь-них дор^ та збшьшення витрат на ремонтш роботи.
Тому питання ощнки (зокрема й експеримен-тально!) вологосп грунта е актуальним, про що свщчать численш вггчизняш та закордон-ш дослщження.
Аналiз публiкацiй
Визначенню вологостi тдстильних грунта та встановленню закономiрностей li змiни у pi4HOMy циклi присвячеш дослiдження В.М. Сiденка [6], О.Я. Тулаева [7], В.1. Рувш-ського [8], I.A. Золотаря [7], Н.А. Пузакова [7], E.I. Шелопаева [9], М.Б. Корсунського [10]. У роботах учених вщображеш результа-ти багатоpiчних дослiджень, що були проведет на piзних теpитоpiях (тип мюцевосп за характером зволоження), у piзних дорожньо-клiматичних зонах, для piзних умов роботи конструкци дорожнього одягу. Професором В.М. Сщенком розроблено теоретичш засади тепловологоперенесення у грунтах земляного полотна для У-I, У-II i У-III дорожньо-клiматичних зон.
Таким чином, на сьогодш створено надшний теоретичний фундамент з оцiнки впливу во-логостi на мiцнiснi та деформацшш характеристики гpyнтiв та несучу здатнють конструкци дорожнього одягу.
Мета i постановка завдання
Устшне застосування теоретичних методiв передбачае застосування шструментальних методiв оцiнки вологосп гpyнтiв, якi у наш час знаходяться у стади становлення. B^ip-кова оцiнка характеристик гpyнтiв земляного полотна для ощнки експлyатацiйних власти-востей автомобшьно! дороги, яка проводиться через 250 м [11], е недостатньою. Про це свщчать результати ощнки вологосп гpyнтiв земляного полотна, отримаш за результатами обстеження автомобшьних доpiг загального користування [12, 13]. Як доводять результати польових обстежень [12, 13], волопсть грунта земляного полотна може ютотно змь нюватися навiть на незначних за протяжню-тю дiлянках дорк\ Це iстотно знижуе досто-вipнiсть шформацп, отримано! за результатами грунтово-геолопчних вишукувань.
Усунення вказаних недолтв пов'язуеться з використанням методiв тдповерхнево! гео-радюлокаци, що адаптованi для виршення задач дiагностики гpyнтiв земляного полотна. Безперечною перевагою георадарних техно-логш, поpiвняно з традицшними методами, е можливiсть оцiнювання вологосп тдстиль-них гpyнтiв у безперервному pежимi на всiй дiлянцi автомобшьно! дороги. Тому в pоботi запропоновано метод ощнки вологосп грун-
та земляного полотна за результатами гео-радарно! дiагностики, що дозволяе визначати значення вологосп тдстильного грунту в безперервному режиму з метою подальшого використання отриманих даних для ощнки мщносп конструкци дорожнього одягу за критерiями граничного стану.
Алгоритм оцшки вологосп земляного полотна та несучоТ здатностi конструкци дорожнього одягу
Методика визначення вологосп грунту в польових умовах iз застосуванням георадара «ОДЯГ-1» базуеться на основних закономiр-ностях поширення електромагнiтних хвиль в неоднородному середовищi та складаеться з основних етатв:
а) запис набору калiбрувальних сигналiв з метою видалення сигналу прямого прохо-дження (сигнал, що проходить мiж випромь нювачем та приймачем);
б) сканування поверхш узбiччя автомобшьно! дороги;
в) штерпретащя радарограм з метою встано-влення дiелектрично! проникностi (в);
г) ощнка вологостi грунту на узбiччi автомобшьно! дороги з використанням залежностей мiж електрофiзичними (дiелектрична прони-кнють) параметрами та вологiстю грунту;
д) розрахунок вологосп грунтiв пiд констру-кцiею дорожнього одягу iз застосуванням теоретичних ршень В.М. Сiденка [6];
е) встановлення мщнюних та деформацшних характеристик грунтiв з використанням залежностей мiж дiелектричною проникнiстю, модулем пружносп, кутом внутрiшнього те-ртя та коефщентом зчеплення грунту.
Перший етап передбачае калiбрування антенного блока, визначення даних щодо типу та фiзичних характеристик грунту, отриманих тд час вiдбору зразка вщповщно до ДСТУ Б В.2.1-8-2001 [14]. Калiбрування антенного блока виконуеться з метою запису калiбрувальних сигналiв, як використову-ються пiд час обробки георадарного профшю для визначення дiелектрично! проникностi грунтiв. Вiдбiр зразка грунту здшснюеться для встановлення типу й вологосп грунту традицiйним методом на початковш дiлянцi. Зразок також необхщно вiдбирати на дшян-ках, де ускладнюеться iнтерпретацiя даних георадарного зондування.
На другому етат виконуеться сканування узбiччя автомобшьно! дороги георадаром з центральною частотою зондуючого iмпульсу 1,2 ГГц. Зондування проводиться в повздов-жньому i поперечному напрямках. Швид-кiсть перемiщення георадара обмежуеться рiвнiстю поверхнi узбiччя.
Третiй етап передбачае використання алгоритму ощнки дiелектричноl проникностi rрунтiв, що реалiзуе метод пошарового ви-значення дiелектричноl проникносн шляхом вирiшення задачi про вщбиття монохромати-чно! хвилi вiд плоскошаруватого середовища [13]. Алгоритм реалiзуеться в такш послщо-вностi:
а) у процесi первинно! обробки даних зондування за допомогою перетворення Гшьберта визначаються часовi затримки сигналiв (Ati) та !х амплiтуди. Ця iнформацiя е вихiдною для роботи алгоритму;
б) визначаеться амплпуда сигналу, який ви-промiнюеться. Амплггуда цього iмпульсу визначаеться у процес отримання калiбрува-льного сигналу вщ листа металу. Оскiльки коефiцiент вщбиття вiд металу дорiвнювати-ме одинищ, то амплiтуда пiд час вщбиття вщ листа металу, яку рееструе приймальна анте-на, дорiвнюе амплiтудi падаючого на повер-хню iмпульсу (Лп-1п);
в) визначаеться амплпуда сигналу, вiдбитого вiд поверхнi узбiччя. Цей сигнал першим ре-еструеться приймальною антеною (Лпп-1);
г) розраховуеться коефщент вiдбигтя вщ поверхнi узбiччя
Е, = ЛЕ
1 - д,
0,1
1 + До,1
1 - д
0,1
1 + До,1
(3)
Вказаний алгоритм реалiзований у програм-ному комплексi GeoVizy.
На четвертому етапi визначаеться волопсть грунту на узбiччi з використанням залежнос-тей мiж дiелектричною проникнютю та воло-гiстю грунтiв рiзних типiв [15]:
а) супiсок:
Ж = 0,002е3 - 0, 1073Е2 + 2,2134Е + 4,4386;
б) суглинок:
Ж = -0,002Е3 + 0,0163Е2 - 0, 0046Е +14,679;
в) глина:
Ж = -0,0013Е3 + 0,1009Е2 - 1,7474Е2 + 26,147,
де Ж - волопсть грунту, %; е - дiелектрична проникнiсть грунту, од.
Вихщними даними для реатзаци п'ятого етапу е тип мюцевосп за характером зволо-ження та волопсть грунту на узбiччi. Визна-чення вологост пiдстильного грунту пiд конструкщею дорожнього одягу проводиться з використанням розв'язку В.М. Сщенка [6]
Ж (г,Т) = Жпв - [Жпв - (Жп + тТ)]у +
2^1 --^Ьехр
Я п=1 п
(- 1)Тт1
( ж2п2аТ1 Л
(- 1)пт/2
Ж -ж
"П " ПВ 2 2
(4)
' ^ . пяг
2 3 -}8т-"Г'
я па I
дп
п,,п-1
(1)
д) розраховуеться дiелектрична проникнiсть. У загальному виглядi дiелектрична проник-нiсть встановлюеться за залежнютю
у
1 - Дп
(2)
Вiдомо, що дiелектрична проникнiсть повгт-ря е п = 1. Тодi з рiвняння (2) дiелектрична проникнiсть верхнього шару грунту узбiччя (для обчисленого значення Д01) може бути подана у виглядi
де Ж - розрахункова волопсть, ч.од.; ЖПВ -повна вологоемнiсть грунту, ч.од.; Жп -початкова волопсть, ч.од.; т - коефiцiент, який характеризуе iнтенсивнiсть наростання вологостi грунту полотна, 1/год; г - глибина, на якiй проводиться розрахунок вологосп, м; Т - тривалiсть вологонакопичення, год.; I -вщстань до джерела зволоження, м; п -розрахунковий шар; а1 - коефщент волого-провiдностi, м2год.
За результатами георадарного обстеження дiлянки автомобшьно! дороги з II типом мюцевосп за характером зволоження (грунт -сутсок) розраховано поле вологосп грунту земляного полотна пiд дорожшм одягом упродовж перiоду весняного вологонакопи-чення (рис. 1).
2
Е1 =
+
2
I
п-1,п
Я
X
а
<ц
и
О
с
« сз
я
ю
«
1-н
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Абсолютна волопсть, ч.од. 151 0,153 0,155 0,157 0,159 0,161
Т=0
- Т=Тв/4
- Т=Тв/2 Т=3Тв/4 Т=Тв
Рис. 1. Змша поля вологосп грунту пiд конс-трукцiею дорожнього одягу
На завершальному етапi алгоритму визнача-ються мiцнiснi та деформацшш характеристики тдстильного грунту. Вихщними дани-ми е абсолютна волопсть та вщносна волопсть (Ж) грунту, а також експериментально встановлеш залежносп мiж дiелектричною проникнiстю, модулем пружносп, кутом внутрiшнього тертя й коефщентом зчеплен-ня грунту [5, 15].
Якщо вiдомi або визначеш експериментально [13] товщини шарiв конструкци дорожнього одягу, стан матерiалу шарiв основи та пок-риття вщповщно до нормативних докумен-тiв, розраховуеться мщнють дорожнього одягу за критерiями граничного стану [1]. Схему запропонованого алгоритму ощнки вологосп земляного полотна наведено на рис. 2.
Рис. 2. Алгоритм визначення вологосп грунта земляного полотна
Запропонований алгоритм може бути засто-сований тд час виршення задач мотторин-гу, що спираеться на результати ощнки вологосп та несучо! здатностi грунта земляного полотна як у нерозрахунковий перюд, так i в перюд вiдтанення земляного полотна та максимального вологонакопичення.
Висновки
Запропоновано алгоритм ощнки вологосп тдстильного грунту за результатами георадарного обстеження та залучення теори теп-ловологоперенесення. Для пiдтвердження адекватносп алгоритму проведено серiю
польових випробувань [5, 15]. Ц результати, спшьно з результатами лабораторних досль джень зв'язку дiелектрично! проникносп грунтiв рiзних типiв з волопстю грунтiв, 1х мiнцiсними та деформацшними характеристиками складають основу:
а) оцiнки несучо! здатносп дорожнього одя-гу за змшних умов експлуатацп;
б) встановлення найбшьш послаблених дшя-нок на етат передпроектних вишукувань;
в) визначення максимального навантаження на вiсь у перюд зниження несучо! здатностi дорожнього одягу з метою попередження його передчасного руйнування.
Лггература
1. Споруди транспорту. Дорожнiй одяг не-
жорсткого типу: ВБН В.2.3-218-186-2004. - Чинний вщ 2005-01-01. - К. : Державна служба автомобшьних дор^ Укра!ни (Укравтодор), 2004. - 153 с. -(Стандарт Укравтодор).
2. Автомобильные дороги. Нежесткие до-
рожные одежды. Правила проектирования. ТПК 45-3.03-112-2008. - Действующий от 2009-07-01. - Офиц. изд. -Минск : Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь, 2009. - 84 с. - (Технический кодекс установившейся практики).
3. Проектирование нежестких дорожных
одежд : ОДН 218.046-01. - Действующий от 2001-01-01. - М. : Министерство транспорта Российской федерации. Государственная служба дорожного хозяйства России (РОСАВТОДОР), 2001. -94 с. - (Отраслевые дорожные нормы).
4. Гнездилова С.А. Учёт изменений состоя-
ния грунтов при проектировании дорожных одежд (на примере Белгородской области) : автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук : спец. 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей» / С.А. Гнездилова. - М., 2010. -23 с.
5. Ряпухш В.М. Дослщження зв'язку мiж
електрофiзичними i деформацшними характеристиками грунту / В.М. Ряпу-хш, А.Г. Батракова, В.О. Процюк // Мю-тобудування та територiальне плану-вання: науково-техшчний збiрник. -2012. - Вип. 45. - С. 102-107.
6. Сиденко В.М. Расчет и регулирование
водно-теплового режима дорожных одежд и земляного полотна / В.М. Сиденко. - М.: Автотрансиздат, 1962. -116 с.
7. Водно-тепловой режим земляного полотна
и дорожных одежд / под. ред. И.А. Золотаря. - М. : Транспорт, 1971. - 416 с.
8. Рувинский В.И. Оптимальные конструк-
ции земляного полотна / В.И. Рувинский. - М.: Транспорт, 1982. - 168 с.
9. Шелопаев Е.И. Прогнозирование водно-
теплового режима земляного полотна и дорожной одежды с применением ЭВМ / Е.И. Шелопаев // Автомобильные дороги. - 1973. - № 10. - С. 26.
10. Корсунский М.Б. Оценка прочности до-
рог с нежесткими одеждами / М.Б. Кор-сунский. - М.: Транспорт, 1966. - 151 с.
11. Вишукування, проектування i територiа-
льна дiяльнiсть. Вишукування. 1нженер-ш вишукування для бущвництва: ДБН А.2.1-1-2008. - Чинний вщ 200807-01. - К.: Мшрегюнбуд Укра!ни, 2008.
- 72 с. - (Державний стандарт Украши).
12. Кулижников А.М. Неразрушающие георадарные методы в инженерных изысканиях / А.М. Кулижников, А.А. Бе-лозеров // Геопрофи. - 2004. - № 5. -С. 44-47.
13. Батракова А.Г. Оценка состояния дорож-
ных одежд с привлечением георадарных технологий : монография / А.Г. Батракова. - Х. : ХНАДУ, 2013. - 156 с.
14. Основи та тдвалини будинюв i споруд.
Грунти. Вщбирання, упакування, транс-портування i збертання зразюв : ДСТУ Б В.2.1-8-2001. - Чинний вщ 2002-04-01. - К. : Державний комггет будiвництва, архггектури та житлово! полггики Укра!ни, 2002. - 16 с. - (Дер-жавний стандарт Укра!ни).
15. Процюк В.А. Применение георадарных технологий при определении прочностных характеристик грунтов земляного полотна / В.А. Процюк, А.Г. Батракова // Автомобильные дороги и мосты. - 2013.
- Вып. 2 (12). - С. 40-44.
Рецензент: В.К. Жданюк, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакцп 22 березня 2016 р.
