CC BY
105
УДК 624.131
Л. М. ТИМОФЕЕВА (Пермский государственный технический университет, Российская Федерация)
АНАЛИЗ КОНСОЛИДАЦИИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ОТ ДЕЙСТВИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ПРИ ВОЗВЕДЕНИИ ЗЕМПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
У данш робот проведено ан^з процесу консолвдацп ущшьнених водонасичених глинистих Iрунтiв тд-топлюваного пiдхiдного насипу мостового переходу через р. Каму, зведеного по методу «штенсивно1 технологи», яка полягае в обладнанш дренажних поздовжшх i поперечних прорiзiв для прискорення консолiдацiï Iрунтiв земполотна i основи, складеноï слабкими, сильно стискуваними водонасиченими глинистими грунтами рiзноï консистенцп.
В настоящей работе проведен анализ процесса консолидации уплотнённых водонасыщенных глинистых грунтов подтапливаемой подходной насыпи мостового перехода через р. Каму, возведенной по методу «интенсивной технологии», которая заключается в устройстве дренажных продольных и поперечных прорезей для ускорения консолидации грунтов земполотна и основания, сложенного слабыми, сильно сжимаемыми водонасыщенными глинистыми грунтами различной консистенции.
The analysis of consolidation process of condensed water-saturated clay soils of the floodable bridge-approach fill to the bridge across Kama River, erected by method called «Intensive technology», is presented. The method consists in the arrangement of drainage longitudinal and cross-section cuts for acceleration of consolidation of soils of the road bad and the base composed from the weak, strongly compressible water-saturated clay soils of different consistency.
Как показала практика строительства, интенсивность процесса фильтрационной консолидации основания зависит от гидрологических условий работы дренажных сооружений, фильтрационных свойств грунтов основания и уплотняющей нагрузки от вышележащей насыпи и технологического транспорта.
Для прогноза развития осадок слабого основания после возведения и «отдыха» земполотна и возможности осуществления работ по устройству дорожной одежды нами был выполнен анализ инженерно-геологических условий участка строительства, рассмотрены закономерности развития деформаций слабых грунтов во времени, проведены расчёты конечных осадок оснований от веса земполотна, результаты которых сопоставлены с данными геодезических наблюдений, а также расчёты несущей способности слабого основания при действии эксплуатационных нагрузок.
На основе инженерно-геологических изысканий, выполненных в 2005 г. Уралгипротран-сом, было установлено, что в основании до изученной глубины 8,0 м залегают пылеватые суглинки и глины от тугопластичной до текучей консистенции. Кровля слабых водонасы-щенных суглинков текучепластичной и текучей консистенции находится на глубине около
4,0 м, при этом их мощность в пределах изученной толщи составляет не менее 4,0 м.
По результатам расчётов при высоте насыпи Нн = 5,0...8,0 м мощность активной сжимаемой толщи по оси поперечного сечения земполотна составляет На = 12,3 м; то же по вертикали, проходящей через верхнюю бровку земполот-на, - Н = 11,75 м.
Таким образом, слабые сильно сжимаемые грунты находятся в пределах активной зоны деформаций, причём их мощность превышает 4,0 м, так что в соответствии с п. 6.24 СНиП 2.05.02-85* [6] основания относятся к слабым.
При устройстве земполотна на слабых основаниях могут быть рассмотрены различные решения [6], включающие как разработку методов усиления основания, так и применение специальных технологий, ускоряющих процессы консолидации и улучшающие прочностные показатели слабых грунтов (методы интенсивных технологий).
Наиболее простой способ возведения зем-полотна на слабом основании представляет собой ускорение осадки основания с помощью временной пригрузки. Такой метод требует тщательного расчёта всех этапов консолидации и правильного определения величины пригруз-ки, после снятия которой нагрузка на кровлю слабого слоя (с учётом эксплуатационной на© Тимофеева Л. М., 2010
грузки) не должна превышать несущую способность основания (формула (3) [4]). Именно этот вид устройства земполотна и был выбран в качестве основного на рассматриваемом участке. При этом предусматривалась организация постоянных наблюдений за деформациями насыпи и основания (п. 5 [4]).
Принятие того или иного конструктивно-технологического решения зависит как от экономических показателей строительства, так и (в первую очередь) от физико-механических свойств грунтов, слагающих основание. По данным лабораторных испытаний образцов грунтов ненарушенной структуры, компрессионный модуль деформации мягко-, текучепла-стичных и текучих суглинков и глин в пределах давлений 1,0... 2,0 кГс/см2 изменяется от Ек = 1,4 МПа до Ек = 1,8 МПа, угол внутреннего трения ф = 5°. 16°, сцепление С = 0,010.0,018 МПа, т. е. эти грунты относятся к сильносжи-маемым с очень низкой прочностью. Расчётное сопротивление таких грунтов при проектировании искусственных сооружений - Яо = 0.
При использовании метода их уплотнения временной нагрузкой (пригрузом) в процессе консолидации можно достичь более высоких прочностных и деформативных показателей. Следует иметь в виду, что основание в процессе эксплуатации будет работать на кривой повторной компрессии, т.е. величина компрессионного модуля выше первичного модуля и соответствует меньшим значениям коэффициентов пористости, а параметры сдвига соответствуют параметрам, полученным при данном давлении в условиях консолидировано-дренированного состояния.
Повторные изыскания были проведены в 2008 г. после построечного уплотнения грунтов земполотна и основания. Образцы грунтов отбирались в местах расположения предыдущих скважин.
В процессе обработки опытных данных были построены кривые консолидации по методу Тэйлора в соответствии с ГОСТ 12248-96 [2] с целью определения параметров фильтрационной консолидации: коэффициентов консолидации су , времени ¿90 и полной консолидации ^00 , а также определения начала фильтрационной консолидации.
Испытания на консолидацию проводились при давлении Р = 0,05 МПа (0,05 кГс/см2), что не соответствует реальному давлению на кровлю слабого слоя, особенно учитывая вторичную консолидацию. Как показано в [1, 3], при одинаковых начальных состояниях кривые
консолидации при малых давлениях (0,05.0,2 МПа) подобны и получаемые значения времени консолидации образцов отличаются незначительно.
Нами по результатам испытаний были заново построены кривые консолидации по методу Тэйлора (Vt) (для определения начала фильтрационной консолидации) и по методу Казагран-де (lgt) для определения конца фильтрационной консолидации и начала вторичной (пластической) консолидации [1].
На основе анализа результатов испытаний было установлено, что одновременно с фильтрационной консолидацией протекает пластическая консолидация, в процессе которой в ряде опытов происходила просадка грунта, что означало разрушение его структуры (наличие сдвиговых деформаций). Кроме того, полученные данные подтвердили, что мы имеем дело с повторной компрессией. Поэтому испытания на консолидацию при малых давлениях не дают возможности получить достоверные характеристики фильтрационной консолидации.
Полученные нами параметры кривых консолидации, приведенные в табл. 1, показали большой разброс значений коэффициентов и времени консолидации слабых грунтов, вне зависимости от значений показателя текучести IL, содержания глинистых частиц (q < 0,005) и числа пластичности 1р.
По данным проф. Маслова Н. Н. [3], время фильтрационной консолидации Тн реального слоя глинистого грунта мощностью Н по отношению ко времени консолидации th опытного образца высотой h находится в степенной зависимости - Тн = (H/h)n t100. Показатель степени «n» зависит от числа пластичности Ip и показателя текучести IL глинистого грунта.
Н. Н. Маслов на основе многочисленных исследований построил графики этих зависимостей, приведенные в [3]. По этим графикам для грунтов мягко- и текучепластической консистенции нами были приняты значения показателей степени соответственно n = 1,6 и n = 1,7.
По данным обработки лабораторных испытаний, величины времени полной консолидации слабого основания для участков с аналогичными грунтовыми условиями зависят от высоты земполотна и размеров активной и расчётной сжимаемой толщи.
Об окончании процесса консолидации можно также судить по сопоставлению теоретических и фактических значений осадок.
Расчёты осадок проводились в соответствии лотна для средней величины показателя теку-с рекомендациями «Пособия» [4] по прибли- чести = 0,75: модуль деформации Е = 10,0
жённой формуле (38) и по методу Лобанова [5].
Для проведения приближённых расчётов осадок и прочности основания опытного участка нами были приняты по приложению Л.7 пособия [4] с учётом приложения 1 СНиП 2.02.0183* [7] следующие значения механических параметров слабых грунтов основания и земпо-
МПа; угол внутреннего трения ф = 12°; удельное сцепление С = 10 кПа.
По расчёту полная осадка насыпи высотой 8,0 м по оси земполотна составила 68,0 см, при учёте движения тяжёлого автотранспорта она возросла до 98,0 см.
Параметры кривых консолидации грунта при Р = 0,05 МПа
Таблица 1
№ скважины ИГЭ Г 90 (корень) Г90 Г100 (лог.) Г50 (лог) Г100 Г50
С1, Н = 7,3 4 1,206 1,454 1,778 0,643 60,0 4,40
С2, Н = 4,5 4 3,55 12,603 2,495 1,3395 312,61 21,85
С2, Н = 6,0 4 2,862 8,191 1,165 0,4305 14,62 2,69
С2, Н = 7,5 4 0,966 0,933 2,079 1,2115 119,95 16,27
С2, Н = 8,5 5 1,09 1,188 3,010 0,8785 1023,30 7,56
С3, Н = 4,6 4а 1,942 3,771 2,258 0,499 181,13 3,155
С3, Н = 7,0 4а 1,332 1,774 3,028 1,6305 1066,60 42,71
С3, Н = 8,2 2 4,14 17,140 0,902 1,4675 29,34 7,98
С4, Н = 3,5 4а 2,08 4,326 2,145 1,0265 139,64 10,63
С4, Н = 6,3 4 1,84 3,386 1,874 0,3475 74,92 2,23
С5, Н = 4,0 4 1,098 1,206 3,057 0,699 1140,25 5,0
С5, Н = 5,3 4 1,228 1,508 2,611 0,979 408,32 9,53
С5, Н = 6,6 4а 1,102 1,214 1,700 1,176 50,19 15,0
С6, Н = 4,0 4 1,73 2,993 1,400 0,216 25,19 1,64
С6, Н = 5,0 4а 1,942 3,771 2,415 0,3705 260,02 2,35
С6, Н = 8,0 5 2,1 4,410 1,378 0,3405 23,88 2,19
С7, Н = 3,0 2а 1,774 3,147 2,507 0,3705 321,37 2,35
С7, Н = 5,0 2а 2,818 7,941 1,032 0,374 10,76 2,37
С7, Н = 7,0 4а 2,086 4,351 1,387 0,2605 24,38 1,82
С8, Н = 3,0 4а 2,534 6,421 1,966 0,506 92,47 3,21
С8, Н = 4,0 4 2,286 5,226 2,025 0,301 105,92 2,0
С8, Н = 5,0 4 2,528 6,391 1,577 0,682 37,76 4,81
С8, Н = 5,7 4а 2,43 5,905 2,230 0,72 169,82 5,25
С9, Н = 7,0 4а 1,964 3,857 2,279 0,2115 190,11 1,63
С9, Н = 8,3 4а 2,376 5,645 1,189 0,327 15,45 2,12
С9, Н = 8,7 4 1,502 2,256 2,542 0,942 348,34 8,75
С9, Н = 10,0 4а 1,878 3,527 2,947 0,477 885,12 3,0
С10, Н = 7,3 4 1,872 3,504 2,845 2,134 699,84 136,1
С10, Н = 9,0 4 2,044 4,178 2,873 0,5625 746,45 3,65
С10, Н = 10,0 4а 2,754 7,585 2,201 0,4215 158,85 2,64
Теоретические величины осадок были сопоставлены с фактическими значениями, полученными с помощью осадочных марок. Марки для измерения вертикальных перемещений устанавливались по оси земполотна и на расстояниях около 3,0 м справа и слева от неё. Марки для измерения горизонтальных перемещений располагались на расстоянии 2,0 м от подошвы насыпи на глубине 0,5...1,0 м от поверхности земли. Наблюдения за осадками проводились постоянно в процессе послойной отсыпки насыпи и после ее возведения на полную высоту на протяжении нескольких месяцев.
Значения горизонтальных перемещений верхнего слоя основания за пределами насыпи оказались незначительными, сопоставимыми с точностью измерений.
Графики развития вертикальных перемещений показывают, что наиболее значительные осадки были получены по оси земполотна в процессе его возведения примерно через пятнадцать дней после укладки каждого слоя. Затем в течение месяца происходила их стабилизация, и от октября до марта следующего года дальнейший рост осадок не наблюдался. В середине марта по готовому участку земполотна был пущен построечный транспорт, вызвавший дальнейшее увеличение осадок, соответствующее возросшим нагрузкам. При этом стабилизация осадок в связи с динамическим и кратковременным характером транспортных нагрузок оказалась более длительной - в течение двух месяцев. Это означает, что дальнейший рост нагрузок приводит к увеличению осадок и сроков консолидации.
По данным натурных наблюдений были получены следующие значения осадок: в начале опытного участка полная осадка составила 22,0 см, в середине - достигла значительной величины 58,0.62,0 см.
Как видно, наблюдаемые и рассчитанные величины осадок от собственного веса насыпи оказались близки.
На границе опытного участка и участка, возведенного без применения рассматриваемой технологии, произошло разрушение основания
с образованием трещины сдвига на поверхности земполотна.
На основании проведенного анализа можно сделать вывод о том, что одновременно с процессом фильтрационной консолидации вследствие вторичной консолидации происходит пластическая консолидация, которая для слабых грунтов сопровождается потерей прочности основания - разрушением структуры грунта.
Применение «интенсивной технологии» для ускорения консолидации грунтов земполотна и водонасыщенного основания, используемой на объектах транспортного строительства, позволило значительно повысить плотность и увеличить прочностные и деформативные параметры глинистых грунтов и сократить сроки консолидации оснований.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гольдштейн, М. Н. Механические свойства грунтов (Напряжённо-деформативные и прочностные характеристики) [Текст] / М. Н. Гольдштейн. - М.: Стройиздат, 1979. - 304 с.
2. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости [Текст].
3. Маслов, Н. Н. Механика грунтов в практике строительства (оползни и борьба с ними) [Текст]: учеб. пособие для вузов / Н. Н. Ма-слов. - М.: Стройиздат, 1977. - 320 с.
4. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах [Текст]: Министерство транспорта РФ / Федеральное дорожное агентство. - М., 2004. - 252 с.
5. Проектирование и строительство автомобильных дорог [Текст]: справочник / под ред. В. Й. Заворицкого. - К.: Техника, 1996. - 383 с.
6. СНиП 2.05.02-85*. Автомобильные дороги [Текст] / Минстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 1997. - 55 с.
7. СНиП 2.02.01-83*. Основания зданий и сооружений [Текст] / Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 1999. - 48 с.
Поступила в редколлегию 16.04.2010. Принята к печати 23.04.2010.
