CC BY
70
Науки о Земле
УДК 625.76
DOI: 10.21209/2227-9245-2018-24-10-4-11
ДЕФОРМАЦИИ ДОРОЖНОГО ПОЛОТНА НА СТРУКТУРНО-НЕУСТОЙЧИВЫХ ГРУНТАХ
DEFORMATION OF ROADBED ON STRUCTURALY UNSTABLE SOILS
Л. В. Вишневский,
Забайкальский государственный университет, г. Чита [email protected]
A. Vishnevsky,
Transbaikal State University, Chita
В. Л. Стетюха,
Забайкальский государственный университет, г. Чита [email protected]
V. Stetyukha,
Transbaikal State University, Chita
Приведены результаты обследования участка автомобильной дороги в первой дорожно-климатической зоне Иркутской области. Решается актуальная проблема устранения причин неравномерного деформирования земляного полотна на начальной стадии эксплуатации. В результате проведения геодезических работ установлена степень деформирования земляного полотна через пять лет после возведения. Определены физико-механические свойства грунтов дорожного полотна. По результатам обследования выявлены значительные отклонения физико-механических свойств грунтов от проектных значений, связанные с их дополнительным увлажнением. Установлена связь дополнительного увлажнения грунтов и последующего деформирования земляного полотна с подъемом уровня подземных вод. Выполнено прогнозирование развития деформаций дорожного полотна при установленных изысканиями фактических свойствах грунтов. Определено отклонение размеров профиля насыпи от проектных. Результаты исследований иллюстрируют степень зависимости деформаций насыпи от изменяемых характеристик грунта и представляют интерес при проектировании дорожного полотна в условиях, аналогичных рассмотренным
Ключевые слова: автомобильные дороги; земляное полотно; деформации земляного полотна; структурно-неустойчивые грунты; обследование; инженерно-геологические изыскания; свойства грунтов; водно-тепловой режим грунтов; отклонения; методы
The results of the road section inspection in the first road-climatic zone in the Irkutsk region are considered. The actual problem of eliminating the causes of uneven deformation of the roadbed at the initial stage of exploitation is solved. As a result of geodetic work, the degree of the roadbed deformation was established five years after the erection. The physic-mechanical properties of roadbeds are determined. Based on the results of the survey, significant deviations in the physical and mechanical properties of soils from design values, related to their additional moistening, were revealed. The connection of additional moistening of soils and subsequent roadbed deformation with a rise in groundwater level is established. The forecasting of roadbed deformations' development, at established by researches of actual properties of soils, is executed. The embankment profile size deviation from the design is determined. The results of the studies illustrate the degree of embankment deformation dependence on the changing characteristics of the soil and are of interest in the design of the roadway under conditions similar to those considered
Key words: roads; roadbed; roadbed deformation; structurally unstable soils; survey; engineering-geological surveys; soil properties; water-thermal regime of soils; deviations; methods
© Л. В. Вишневский, В. Л. Стетюха, 2018
4
ведение. Сезонное деформирование земляного полотна происходит в течение всего периода эксплуатации автомобильных дорог. При неравномерном характере внешних воздействий на основание деформации становятся неравномерными по длине линейного сооружения, что нарушает условия нормальной эксплуатации, требует досрочного проведения ремонт-но-восстановительных работ. Деформирование дорожного полотна явилось основанием для проведения обследования на участке автомобильной дороги. Вероятные причины деформаций земляного полотна отражены в известных публикациях. К внешним воздействиям, вызывающим изменение свойств грунтов насыпей и появление неравномерных деформаций, можно отнести локальное увлажнение грунта, неравномерное его оттаивание, пучение при промерзании, разуплотнение в зоне водопропускных сооружений и другие факторы.
Наиболее уязвимы к внешним воздействиям структурно неустойчивые грунты. Слабые грунты подвержены длительному процессу стабилизации их состояния со временем [12]. Отмечается огромное влияние баланса влаги на равновесное состояние насыпи [14]. В работах ряда авторов приводится влияние на влажность земляного полотна осадков [15], увлажнения участков насыпи при наводнениях [13]. Особое внимание уделяется контролю за состоянием земляного полотна при наличии слабых грунтов при его переувлажнении подземными водами [6]. В работах В. В. Воронцова, В. В. Дроздова с соавторами [4; 5] рассматриваются особенности деформирования земляного полотна при наличии в основании мерзлых грунтов при неравномерном их оттаивании, в работе В. С. Воробьева, Е. Л. Пак [3] — разуплотнение в зоне водопропускных сооружений.
Отмечается необходимость применения специальных мероприятий по недопущению увлажнения полотна на слабых грунтах [2]. В работе Ю. А. Макаровой, А. Ю. Мануковского [9] рекомендуется защита от избыточного увлажнения при подтоплении с использованием геосинтети-
ческих материалов. Мероприятия для обеспечения устойчивости дорожного полотна на слабом основании включают регулирование водного режима с использованием гибких трубчатых оболочек из нетканого синтетического материала [10]. В работе В. А. Ярмолинского [11] рассматривается изменение режимов миграции влаги при избыточном увлажнении за счет регулирования теплового режима насыпи дорог при промерзании и оттаивании. Объективный прогноз возможного деформирования земляного полотна обеспечивается контролем влажности грунтов путем бурения скважин и установлением фактических свойств грунта [1], а также определением изменений влажности грунта на основе вычислений с использованием известных методик [8]. Важную роль при проектировании земляного полотна играет правильная оценка влияния элементов рельефа, однородности прилегающей территории [7].
Анализ деформирования насыпей и прогнозирование развития деформаций в нестандартных условиях, связанных с изменением отдельных параметров грунтов, представляют интерес для проектировщиков.
Целью работы является установление причин образования просадок земляного полотна на основании из структурно-неустойчивых грунтов и прогнозирование развития деформаций по фактическому состоянию грунтов.
Методология и методика исследования. Для получения объективной информации о состоянии участка автомобильной дороги в ходе обследования предусмотрено выполнение следующего комплекса работ:
- геодезические работы;
- рекогносцировочное обследование территории;
- буровые работы и отбор проб грунтов;
- лабораторные исследования грунтов, подземных и поверхностных вод;
- полевые испытания грунтов.
Выполнение геодезической съемки
позволило установить фактическое состояние профиля участка автомобильной дороги, подверженного деформациям. Определение фактических физико-меха-
нических параметров грунтов их свойств выполнялось с использованием буровых работ. При установлении причин деформирования выполнялся анализ рельефа территории, примыкающей к участку автомобильной дороги. На основе анализа результатов перечисленных исследований проведены вычисления деформаций для новых фактических условий, отличных от проектных. Расчеты осадки земляного полотна в контрольных поперечниках обследуемых участков дороги выполнены по методу послойного суммирования согласно СП 22.13330.2011 (п.п. 5.6.32-5.6.36).
Результаты исследований и область их применения. Строительство рассматриваемого участка автомобильной дороги осуществлено в период с 2007 по 2010 гг. Через пять лет эксплуатации в отдельных
местах образовались просадки (рис. 1). Для их ликвидации и восстановления транспортно-эксплуатационного состояния потребовалось установить причины возникновения деформаций. В плане участок дороги расположен на кривой радиусом 969 м (рис. 2); в профиле — на вертикальной вогнутой кривой радиусом 5000 м. Продольный уклон составляет 50 %. Земляное полотно представлено в насыпи, максимальная высота которой — 21,72 м. Участок проходит в долине ручья. Тип местности по условиям увлажнения — 3. Пропуск воды осуществляется через водопропускную трубу диаметром 3,67 м. У входного оголовка трубы наблюдается заболоченность. Откосы насыпи устойчивые, ровные, следов размыва, трещин нет. В основании насыпи валов выпирания не обнаружено.
Рис. 1. Участок деформации дорожного полотна / Fig. 1. Section of roadbed deformation
При проведении геодезических работ на участке зарегистрированы две просадки дорожного полотна (рис. 2). Протяженность участка просадки 1 составляет 10 м, глубина просадки достигает 20 см. Протяженность участка просадки 2 составила 45 м, площадь покрытия, занимаемая просадкой — 400 м2. Глубина просадки достигает 30 см.
Земляное полотно на участке просадки № 1 отсыпано из суглинка щебенистого твердого. Замена структурно-неустойчивых грунтов в основании насыпи произведена на глубину 4,4 м также суглинком щебенистым твердым. Согласно СП 34.13330.2012 (табл. В.6, В.7), грунт является практически непучинистым и пригоден для возведения земляного полот-
на. Ниже слоя замены грунта основание под насыпью до глубины 6,82 м представлено суглинками легкими пылеватыми, мягкопластичными с характеристиками: плотность — 1,83 г/см3, удельное сцепление — 13 кПа, угол внутреннего трения — 14 град., модуль деформации — 6 МПа; а также текучепластичными (плотность — 1,69 г/см3, удельное сцепление — 12 кПа, угол внутреннего трения — 9 град., модуль
деформации — 5 МПа), которые являются сильнодеформируемыми, сильно и чрезмерно пучинистыми грунтами. Подземные воды вскрыты на глубине 6,2...7,4 м. Водо-вмещающим грунтом служит песок средней крупности, который характеризуется как среднедеформируемый и непучинистый. Ниже слоя песка залегает песчаник низкой прочности, сильнотрещиноватый, средне-выветрелый, размягчаемый.
Рис. 2. Схема участка автомобильной дороги с образованием просадок/ Fig. 2. Scheme of the road section with sagging formation
Земляное полотно на участке просадки № 2 также отсыпано из суглинка щебенистого твердого. Замена структурно-неустойчивых грунтов в основании насыпи произведена на глубину 2,0.3,3 м также суглинком щебенистым твердым. Ниже слоя заменяемого грунта основание под насыпью до глубины 2,95 м представлено сильнодеформируемым, сильнопучини-
стым грунтом — супесью песчанистой текучей с характеристиками: угол внутреннего трения — 6 град., модуль деформации — 5 МПа; до глубины 6,6 м — суглинком легким пылеватым, тугопластичным с характеристиками: плотность — 1,89 г/см3, удельное сцепление — 31 кПа, угол внутреннего трения — 21 град., модуль деформации — 8 МПа. Ниже залегает песчаник
низкой прочности, сильнотрещиноватый, средневыветрелый, размягчаемый. Подземные воды вскрыты на глубине 5,8 м с левой стороны насыпи и на глубине 3,3 м с правой стороны. Водовмещающим грунтом служат прослойки (толщиной 0,3...0,5 м) супеси щебенистой текучей.
Проведенный анализ грунтово-геоло-гических условий на контрольных участках в целом подтвердил, что работы по возведению земляного полотна выполнены из практически непучинистых грунтов. В то же время замена слабых грунтов на требуемую глубину в соответствии с проектом не была выполнена. За время эксплуатации объекта произошли изменения состояния грунтов в основании насыпи. В результате действия подземных вод суглинок легкий пылеватый, залегающий в основании земляного полотна на участке просадки 1, перешел из твердого состояния в текуче-пластичное, а на участке просадки 2 — из
твердого состояния в тугопластичное. Изменение состояния грунтов в основании под насыпью на обследуемом участке привело к снижению их прочностных и деформа-тивных свойств и вызвало дополнительную осадку дорожного полотна.
На основе анализа изменения инженерно-геологических условий и физико-механических характеристик грунтов выполнены расчеты деформаций земляного полотна на участках просадок методом послойного суммирования согласно СП 22.13330.2011. В связи с тем, что в пределах активной зоны сооружения залегают полускальные слабосжимаемые грунты, мощность сжимаемой толщи принята по кровле слабосжимаемых грунтов. Расчетные значения осадки на участках просадок земляного полотна автомобильной дороги на первом и втором участках составили 16,6 и 30,0 см соответственно, что отражено в таблице.
Результаты расчета осадки насыпи / Results of embankment sagging calculation
Наименование грунта / Name of soil Среднее значение вертикального нормального напряжения, КПа / Average value of the vertical normal stress, KPa Мощность слоя, м / Layer thickness, m Модуль деформации, МПа / Modulus of deformation, MPa Коэффициент a / Coefficient a Осадка основания, см / Sagging of the base, sm
Участок просадки 1 / Section of drawdown 1
Насыпной грунт, суглинок легкий песчанистый, щебенистый, твердый / Bulk ground, light sandy loam, rubble, hard 3,2769 4,4 320 0,993 4,5
Суглинок легкий пылеватый, мягкопластичный с примесью органического вещества / Light silty loam, soft plastic with an admixture of organic matter 3,1383 0,2 60 0,951 1,0
Суглинок легкий пылеватый, текучепластичный с примесью органического вещества / Light dusty loam, fluid-plastic with an admixture of organic matter 2,9997 2,4 50 0,909 14,4
Песок средней крупности, средней плотности, водо-насыщенный / Sand of medium size, medium density, water-saturated 2,37 1,0 300 0,8
Итого / Total 20,7
Окончание таблицы
Расчетная осадка основания сооружения, см / Estimated sagging of the base of the structure, sm 16,6
Участок просадки 2 / Section of drawdown 2
Насыпной грунт, суглинок легкий песчанистый, щебенистый, твердый / Bulk soil, loamy light sandy, gravelly, hard 4,000 2,00 320 1,000 2,5
Супесь щебенистая текучая / Free flowing sandy loams 3,994 1,00 50 0,986 7,9
Суглинок легкий пылеватый, тугопластичный с примесью органического вещества / Light dusty loam, refractory with admixture of organic matter 3,776 3,60 50 0,944 27,2
Итого / Total 37,6
Расчетная осадка основания сооружения, см / Estimated sagging of the base of the structure, sm 30,1
Как следует из результатов проведенных вычислений, основной причиной возникновения просадок дорожного полотна на участках просадок является наличие в основании под насыпью сильнодеформируемых грунтов, физико-механические свойства которых существенно снижены в результате переувлажнения подземными водами, проходящими по руслам ручья. Установленный факт переувлажнения насыпи объясняется тем, что в проекте не было предусмотрено работ по выправлению русел и устройству организованного пропуска вод ручья через отверстие круглой металлической гофрированной трубы, что явилось основной причиной переувлажнения грунтов в основании насыпи.
На основе результатов инженерно-геологических изысканий, оценки интенсивности и состава движения, проектных решений и строительных мероприятий, условий эксплуатации и качества содержания участка автомобильной дороги установлены основные причины образования просадок земляного полотна.
Список литературы_
Выводы.
1. Установленные количественные параметры просадок грунта на обследуемом участке дороги подтвердили его неудовлетворительное состояние, свидетельствующее о недостаточной прочности и устойчивости дорожного полотна.
2. Анализ грунтово-геологических условий участка образования просадок земляного полотна выявил значительное увеличение влажности грунтов дорожного полотна в период эксплуатации дороги, что привело к снижению их прочностных характеристик.
3. Проверочные расчеты осадки земляного полотна на основаниях из структурно-неустойчивых грунтов подтвердили связь фактических деформаций с изменившимися свойствами грунтов.
4. Образование просадок дорожного полотна на отдельных участках дороги произошло в результате недостаточного учета влияния подземных вод, расположенных вблизи постоянных водотоков, на переувлажнение грунтов нижней части насыпи и грунтового основания под насыпью.
1. Белов Д. Я., Гашков В. Н., Минзуренко А. А. Выбор схемы расположения парогидроизолирую-щих прослоек в земляном полотне автомобильных дорог (на основе натурных испытаний) / / Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2017. № 1. С. 5—20.
2. Бурмистрова О. Н., Сушков С. И. Особенности работы земляного полотна лесовозных автомобильных дорог в слабых грунтах / / Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2016. № 5-4. С. 212-215.
3. Воробьёв В. С., Пак Е. Л. Влияние физико-механических характеристик грунта земляного полотна на образование деформаций дорожной одежды // Вестник ТГАСУ. 2017. № 1. С. 190—198.
4. Воронцов В. В., Краев А. Н., Игошин М. Е. Стабилизация критических деформаций земляного полотна автомобильной дороги в криолитозоне / / Вестник СибАДИ. 2014. Выш. 6. С. 67—72.
5. Дроздов В. В., Шабуров С. С. Причины возникновения деформаций автомобильныгх дорог и мероприятия по снижению их интенсивности с высокотемпературным типом вечной мерзлоты в основаниях земляного полотна на примере строительства автомобильной дороги Амур «Чита — Хабаровск» // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2015. № 2. С. 33—45.
6. Дыгдышко П. И. Земляное полотно в грунтах с повышенной влажностью, переувлажненныгх и на слабых основаниях в холодных регионах // Второй Международный симпозиум по проблемам земляного полотна в холодных регионах: материалы симпозиума. Новосибирск: СГУПС, 2015. C. 133—137.
7. Ефименко С. В. Учет территориальной однородности географических комплексов при проектировании автомобильныгх дорог // Вестник ТГАСУ. 2015. № 3. С. 226—236.
8. Касымов А. Е. Практические результаты исследований особенностей водно-теплового режима и методы его расчета // Вестник ВКГТУ. Строительство и архитектура. 2007. № 4. С. 76—84.
9. Макарова Ю. А., Мануковский А. Ю. Использование геосинтетических материалов для защиты откосов земляного полотна лесовозной автомобильной дороги в условиях подтоплений / / Лесной журнал. 2017. № 3. С. 114-122.
10. Подольский В. П., Глагольев А. А., Нгуен Фыонг Нгок. Разработка мероприятий для обеспечения климатической устойчивости автомобильных дорог на слабых основаниях // Современные наукоемкие технологии. 2016. № 4. С. 46-52.
11. Ярмолинский В. А. Регулирование водно-теплового режима автомобильных дорог Дальнего Востока для повышения их надежности в процессе эксплуатации / / Второй Международный симпозиум земляного полотна в холодных регионах: материалы симпозиума. Новосибирск: СГУПС, 2015. C. 127-132.
12. Chenguang Jiang, Jianguo Peng, Yong He, Fengqin Wang. Research on subsidence ageing of soft soil roadbed based on original position monitor / / International Conference on Logistics Engineering, Management and Computer Science. LEMCS, 2015. P. 205-210.
13. Hongkai Chen, Dan Liang. Roadbed subsidence mechanisms under the driven of penetration-soak coupling // Journal of Geoscience and Environment Protection, 2017. Vol. 5. P. 97-106.
14. Zhang Rui, Zheng Jian-long. Study of the moisture equilibrium of highway expansive soil embankments / / Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment. 2014. Vol. 8. P. 13-24.
15. Zhijun Liu. Influence of rainfall characteristics on the infiltration moisture field of highway subgrades // Road Materials and Pavement Design. 2015. Vol. 16. P. 635-652.
References_
1. Belov D. Ya., Gashkov V. N., Minzurenko А. А. Transport. Transportnye sooruzheniya. Ekologiya (Transport. Transport facilities. Ecology), 2017, no. 1, pp. 5-20.
2. Burmistrova O. N., Sushkov S. I. Aktualnye napravleniya nauchnykh issledovaniy XXI veka: teoriya i praktika (Actual directions of scientific research of the XXI century: theory and practice), 2016, no. 5-4, pp. 212-215.
3. Vorobiyov V. S., Pak E. L. Vestnik TGASU (Bulletin of the Tomsk State Architecture and Construction University), 2017, no.1, pp. 190-198.
4. Vorontsov V. V., Kraev А. N., Igoshin M. E. Vestnik SibADI (Bulletin of the Siberian Automobile and Road Institute), 2014, no. 6, pp. 67-72.
5. Drozdov V. V., Shaburov S. S. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitelstvo. Nedvizhimost (Proceedings of high schools. Investments. Building. Property), 2015, no. 2, pp. 33-45.
6. Dydyshko P. I. Vtoroy Mezhdunarodny simpozium po problemam zemlyanogo polotna v holodnykh re-gionah: materialy simpoziuma (Second International Symposium on the Problems of the roadbed in cold regions: Proceedings of the Symposium). Novosibirsk: SSTU, 2015, pp. 133-137.
7. Efimenko S. V. Vestnik TGASU (Bulletin of the Tomsk State Architecture and Construction University), 2015, no. 3, pp. 226-236.
8. Kasymov А. E. Vestnik VKGTU. Stroitelstvo i arkhitektura (Bulletin of the UKSTU. Construction and architecture), 2007, no. 4, pp. 76-84.
9. Makarova Yu. А., Manukovsky А. Yu. Lesnoi zhurnal (Forestry journal), 2017, no. 3, pp. 114-122.
10. Podolsky V. P., Glagoliev А. А., Nguen Fyong Ngok. Sovremennye naukoemkie tehnologii (Modern knowledge-intensive technologies), 2016, no. 4, pp. 46-52.
11. Yarmolinsky V. A. Vtoroy Mezhdunarodny simpozium po problemam zemlyanogo polotna v holodnykh regionah: materialy simpoziuma (Second International Symposium on the problems of the roadbed in cold regions: Proceedings of the Symposium). Novosibirsk: SSTU, 2015, pp. 127—132.
12. Chenguang Jiang, Jianguo Peng, Yong He, Fengqin Wang. International Conference on Logistics Engineering, Management and Computer Science (Internation-al Conference on Logistics Engineering, Management and Computer Science). LEMCS, 2015, pp. 205-210.
13. Hongkai Chen, Dan Liang. Journal of Geoscience and Environment Protection (Journal of Geoscience and Environment Protection), 2017, vol. 5, pp. 97-106.
14. Zhang Rui, Zheng Jian-long. Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment (Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment), 2014, vol. 8, pp. 13-24.
15. Zhijun Liu. Road Materials and Pavement Design (Road Materials and Pavement Design), 2015, vol. 16, pp. 635-652.
Коротко об авторах_
Вишневский Александр Витальевич, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры строительства, Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия. Область научных интересов: исследование и разработка методов повышения транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог sanek_scientist@inbox .ги
Стетюха Владимир Алексеевич, д-р техн. наук, доцент, профессор кафедры сопротивления материалов и механики, Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия. Область научных интересов: инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение, проблемы горной теплофизики и геомеханики в Восточной Сибири [email protected]
Briefly about the authors_
Alexandr Vishnevsky, candidate of technical sciences, associate professor, Construction department, Transbaikal State University, Chita, Russia. Sphere of scientific interests: study and development of methods for improvement of transport-operational conditions of roads
Vladimir Stetyukha, doctor of technical sciences, associate professor, professor, Strength of Materials and Mechanics department, Transbaikal State University, Chita, Russia. Sphere of scientific interests: engineering geology, geocryology and pedology, problems of mining thermophysics and geomechanics under conditions of Eastern Siberia
Образец цитирования
Вишневский А. В., Стетюха В. А. Деформации дорожного полотна на структурно-неустойчивых грунтах //Вестн. Забайкал. гос. ун-та. 2018. Т. 24. № 10. С. 411. DOI: 10.21209/2227-9245-201824-10-4-11.
Vishnevsky A., Stetjuha V. Deformation of roadbed on structurally unstable soils // Transbaikal State University Journal, 2018, vol. 24, no. 10, pp. 411. DOI: 10.21209/2227-9245-2018-24-10-4-11.
Статья поступила в редакцию: 22.06.2018 г. Статья принята к публикации: 11.12.2018 г.
