CC BY
29УДК 625.72
А.С. ФОМИНА, инженер (fominaaniuta@yandex.ru), Е.Е. ДОЛЖНИКОВА, инженер
Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина (410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77)
Модули упругости земляного полотна автомобильных дорог
Основное внимание уделено сравнительному анализу физико-механических свойств засоленных и незасоленных грунтов на основе статистической оценки модулей упругости, полученных экспериментальным путем. Уплотнение грунта является не только составной частью технологического процесса устройства земляного полотна, но и служит фактически главной операцией по обеспечению его прочности, устойчивости и долговечности. От качества выполнения процесса уплотнения зависит дальнейшая служба земляного полотна и дорожной одежды. Выполнены экспериментальные исследования по определению модуля упругости земляного полотна на засоленных грунтах и грунтах без солей. Степень уплотнения в значительной мере зависит от влажности грунтов, а наилучшее уплотнение возможно после предварительного снижения его влажности. В сложных природных условиях уплотнение грунта требует особого внимания. В засоленных грунтах содержание солей препятствует уплотнению до оптимальной плотности, соответствующей незасоленному грунту того же гранулометрического состава. Растворение содержащихся кристаллов соли в грунте приводит к образованию новых пор, которые в неблагоприятный период заполняются грунтовой или поверхностной водой, что снижает прочность дорожной одежды и устойчивость откосов земляного полотна. Количество таких участков зависит от коэффициента вариации и значения среднеквадратического отклонения. При воздействии воды на незасоленные грунты изменяется лишь влажность, плотность и пористость грунта, а при воздействии воды на засоленные изменяются практически все физические свойства и даже гранулометрический состав. Установлено качественное и количественное влияние соли на снижение прочности земляного полотна при различной степени увлажнения.
Ключевые слова: модуль упругости, засоленный грунт, земляное полотно, прогиб, деформации, расчетные нагрузки.
A.S. FOMINA, Engineer (fominaaniuta@yandex.ru), E.E. DOLZhNIKOVA, Engineer,
Saratov State Technical University named after Yu.A. Gagarin (77, Polytechnicheskaya Street, Saratov, 410054, Russian Federation)
Elastic Modulus of a Road Bed of Automobile Roads
The main attention is paid to the comparative analysis of physical-mechanical properties of salted and unsalted soils on the basis of the statistic assessment of elastic modulus obtained experimentally. The soil compaction is not only a constituent part of the technological process of road bed construction, but it is a basic operation ensuring its strength, reliability and durability. The further service of road bed and road pavement depends on the quality of execution of compaction process. Experimental studies for determining the elastic modulus of road bed on saline soils and soils without salts were conducted. The compaction level considerably depends on the soil moisture content and the best compaction is possible after preliminary reduction of its moisture content. Under complex natural conditions the soil compaction requires special attention. In saline soils the content of salts prevents the compaction up to optimal density corresponding to the non-salted soil of the same granulometric composition. The solution of salt crystals in soil leads to formation of new pores which in unfavorable periods are filled with ground or surface water that leads to reducing the strength of road pavement and reducing the stability of roadbed slope. The number of such sections depends on the coefficient of variation and the value of mean-square deviation. The impact of water on unsalted soils changes only the moisture content, density and porosity of soil, but the impact of water on saline soils changes practically all physical properties - moisture content, density, porosity and even granulometric composition. Qualitative and quantitative influence of soil on the reduction of road bed strength under different levels of humidity is established.
Keywords: elastic modulus, saline soil, road bed, deflection, deformation, calculated loads.
Данные экспериментального исследования выполнены в пределах земляного полотна на строящихся участках автомобильных дорог, сложенных из засоленных и незасоленных грунтов, с целью изучения модуля упругости грунта земляного полотна при наличии и отсутствии засоления.
Проблема использования засоленных грунтов в строительстве автомобильных дорог за последние годы стала особенно актуальной в связи с освоением новых территорий с использованием местных засоленных грунтов [1]. В некоторых случаях доказана целесообразность использования для возведения земляного полотна автомобильных дорог именно засоленных грунтов. В соответствии с классификацией слабозасоленных и сред-незасоленных грунтов их можно использовать в насыпях типовых конструкций. Однако при использовании слабо- и среднезасоленных грунтов возникает вероятность того, что в теле земляного полотна появятся участки с сильным засолением. Поэтому оценку применения засоленных грунтов необходимо устанавливать с учетом вероятностного подхода оценки риска разрушения земляного полотна из засоленных грунтов при увеличении влажности [2—5]. В основном на солонцах и слабозасоленных грунтах при благоприятном водно-тепловом режиме не требуется особых мероприятий для
обеспечения устойчивости земляного полотна. Условия, влияющие на его устойчивость весьма разнообразны, а поэтому для каждой проектируемой дороги необходимо тщательное установление и учет их с применением вероятностной сущности степени засоления грунта.
Существующие подходы к изучению засоленных грунтов, проектированию и строительству земляного полотна с их использованием зачастую не отражают механических свойств засоленных грунтов. При строительстве на засоленных грунтах не всегда уделяется должное внимание их специфическим свойствам. Долговечность дорожной одежды обусловливается в наибольшей степени правильной оценкой прочности грунтов. Поэтому назначение характеристик прочности грунтов при расчетах земляного полотна и дорожной одежды имеет большое значение для засоленных грунтов. Возникает необходимость разработки такой математической модели, которая бы учитывала вероятностную сущность процессов засоления земляного полотна и позволяла рассчитать вероятность разрушения дорожной конструкции.
В дорожной практике находит применение несколько вариантов определения модулей упругости грунтов. Модуль упругости может быть измерен в лаборатории с использованием динамических трехосных испытаний
16
научно-технический и производственный журнал
ноябрь 2014
iA ®
25 26 27 28 29 30 31 32 Модуль упругости, МПа
33 34 35
Рис. 1. Модули упругости засоленного грунта на экспериментальном участке (супесь легкая)
35 36 37 38 39 40 41 Модуль упругости, МПа
42
43
44
Рис. 2. Модули упругости незасоленного грунта на экспериментальном участке (супесь легкая)
0
<о 35 С
5 30
5 25 § 20
I15 £10
-Я к
6 5
¡5 о
0,037 0,038 0,039 0,04
0,041 0,042 0,043 0,044 0,045 0,046 0,047 Прогиб, см
и 45
44 s- 43
S 42
|40 ^39 £ 38 ¡5 37
0,028
0,029
0,03
0,031 Прогиб, см
0,032
0,033
0,034
Рис. 3. Изменение модулей упругости засоленного грунта в зависимости от величины прогиба (при влажности грунта в рабочем слое земляного полотна W=3 мас. %)
или испытаний образцов в условиях одноосного сжатия. Однако данные методы могут иметь ряд погрешностей. Как известно, первая группа погрешностей характерна для любого физического лабораторного опыта, включающего наличие трения между образцом и стенками прибора, отличие температуры массива грунта, несовпадение скоростей нагружения при испытании и строительстве и т. д. Вторая группа включает погрешности, обусловленные отличием свойств извлеченного грунта и свойств грунта непосредственно в массиве. Следовательно, с помощью вероятностных моделей можно учесть все погрешности экспериментальных исследований и рассчитать риск разрушения земляного полотна, как на засоленных грунтах, так и на грунтах без солей.
Известно, что засоление грунта само по себе не оказывает существенного влияния на устойчивость земляного полотна и дорожных одежд. Влияние солей на физико-механические свойства грунтов заметно проявляется лишь в присутствии воды.
Модули деформации и упругости выражают сопротивление грунтов деформированию под действием на-
Рис. 4. Изменение модулей упругости незасоленного грунта в зависимости от величины упругого прогиба (при влажности грунта в рабочем слое земляного полотна W=3 мас. %)
грузок. Модуль упругости учитывает восстанавливающиеся (упругие) деформации грунта при испытании его нагрузками.
Модуль упругости — более постоянная характеристика деформационных свойств грунтов, чем модуль деформации. Он меньше зависит от степени первоначального уплотнения грунта и мало изменяется при изменении действующих нагрузок.
Полевой метод определения модуля упругости засоленных и незасоленных грунтов основан на величине прогиба под действием расчетной нагрузки. Разница двух отсчетов, взятых по индикатору (с учетом соотношения плеч рычага прогибомера), дает величину прогиба грунта в миллиметрах:
К =2(г-г0)>
(1)
где 1у — полная упругая деформация; ; — показания индикатора.
Экспериментальные исследования проводили с суглинками пылеватыми при средней степени засоления 5% и супесью легкой при среднем засолении 3%, а так-
Границы разрядов Середина разряда Частота, mi Частичная сумма, Sm Накопленная частота,Т Середина условного интервала, e Произведения
e* mi e2 e2*mj
28-29 28,5 3 3 3 -2 -6 4 12
29-30 29,5 5 8 11 -1 -5 1 5
30-31 30,5 11 19 30 0 0 0 0
31-32 31,5 7 26 56 1 7 1 7
32-33 32,5 3 29 85 2 6 4 12
П= 29
М= Sm+mi+l 85
Т= Ti+Smi+l 185
В= 2
А= ^«т 36
fj научно-технический и производственный журнал
® ноябрь 2014 17~
¿Э 35
1 30
8 25
§ 20
^
£ 20
Ё5
43 10
2 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 0,055 0,06 0,065
W
Рис. 5. Изменение модуля упругости засоленного грунта в зависимости от его влажности
же на дороге, возводимой из незасоленного грунта — супеси легкой.
Для проведения исследований использовали балочный прогибомер типа КП-204.
Иглу прогибомера помещали между задними колесами расчетного автомобиля (типа МАЗ-500А). Автомобиль выдерживали на точке, до тех пор пока отсчет по индикатору ^ не изменялся за 10 с более чем на 0,005 мм, после чего снимали по индикатору первый результат. Затем автомобиль отъезжал от прогибомера. Грунт после снятия нагрузки через некоторое время выпрямлялся, что приводило к поднятию иглы и изменению отсчета на индикаторе. По формуле (1) определяли величину прогиба грунта земляного полотна. Затем выполняли статическую обработку эквивалентных модулей упругости грунта. Номинальная статическая нагрузка на колесо расчетного автомобиля составляла 50 кН. Давление в шинах было 0,5—0,55 МПа. Также измеряли влажность в рабочем слое земляного полотна. Для этого закладывали шурф на глубине до 1 м. Влажность грунта определяли в лаборатории весовым методом.
Для вычисления модуля упругости грунта по экспериментальным данным использовали формулу [1]:
Е( = KpD(1 - Ц2)Д,
(2)
В таблице приведены результаты статистической обработки модулей упругости засоленного грунта — суглинка пылеватого.
Среднее значение определяется по формуле:
Е^^Егр, =30,55,
(3)
где Е1 — середина ;-го разряда; — частота появления значений в ьм разряде.
Дисперсия распределения по формуле:
D^fa-Ej-p^VR,
(4)
где Еср — среднее значение модулей упругости.
Значение среднеквадратического отклонения по зависимости:
(5)
где Kq — коэффициент, зависящий от характера передачи нагрузки на покрытие; так, при испытании с помощью жесткого штампа Kq = 0,25p, а с помощью спаренного колеса и прогибомеров — K « 0,6; р — давление на грунт земляного полотна, МПа; D — диаметр круга, эквивалентного следу колеса; ц — коэффициент Пуассона (ц = 0,3).
В результате исследований была установлена разница в модулях упругости засоленных и незасоленных грунтов земляного полотна одного гранулометрического состава, что подтверждает негативное влияние соли на физико-механические свойства грунтов.
Результаты измерений модулей упругости представлены на рис. 1, 2.
Рис. 3 и 4 иллюстрируют полученные прогибы и модули упругости для исследуемых засоленных и незасоленных грунтов. На рис. 5 показано влияние влажности на модуль упругости.
В ходе работы также была исследована возможность использования засоленного грунта в строительстве с учетом вероятностной сущности процесса засоления на основе данных, полученных в ходе экспериментальных исследований. Для создания математической модели применяются законы распределения. Основные показатели прочностных свойств грунта по результатам обработки исследований подчиняются нормальному закону распределения [4, 6, 7]. При этом определяли как среднюю величину модуля упругости, так и его среднеквад-ратическое отклонение. Статистическую обработку результатов измерений выполняли мультипликативным методом и методом суммирования.
(7 = лАО = лДД8=1,13.
По методу суммирования:
Еср =ик-с!(М/п -1) = 32,5 -1(85/29-1) = 30,56; (6) СГ = а/^7(и-1)(2-^7,-М-М7И) =
= 7(1/28) -(2-185—85—852/29) =1,13.
По мультипликативному методу:
Еср=ха+Л/п-В = 30,5 + (2/35) • 1 = 30,55; (7)
<7=^7(и-1НЛ-Я7И)=Л/1/28'(36-4/29) = 1,13.
В результате получаем средний модуль упругости исследуемого грунта, который составляет 30,55 МПа при среднеквадратическом отклонении 1,13 МПа, а коэффициент вариации отклонений составляет:
се_ а _ 1,13 " Еср 30,55
= 0,036.
Для незасоленных грунтов получили аналогичные значения:
Еср=40,58; сг = 1,52; Q= —=
1,52
Еср 40,58
= 0,038.
Таким образом, по результатам обработки экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
1. При исследовании засоленных грунтов и грунтов без солей по критерию Пирсона действует нормальное распределение.
2. В результате сравнения полученных показателей засоленных и незасоленных грунтов видно негативное влияние засоления на механические свойства грунтов, а именно снижение модуля упругости при одной и той же влажности. На основе проведенных экспериментальных работ видно, что при средней влажности 3% модуль упругости незасоленного грунта находится в пределах 37—44 МПа, а засоленного грунта 25—35 МПа. В результате снижения прочности засоленных грунтов увеличивается риск разрушения и потери устойчивости земляного полотна в отличие от незасоленных грунтов, что должно учитываться в математическом аппарате при проектировании.
3. Полученные результаты являются исходными данными для оценки риска разрушения земляного полотна как засоленных грунтов, так и грунтов без солей.
научно-технический и производственный журнал QTfJfJ^JTi JJbllbJ" 1в ноябрь 2014 ЬтШ"
Список литературы
1. Овчиников И.Г., Распалов О., Столяров В.В. Соответствует ли дорожная отрасль современному уровню научно-технического развития? // Транспорт Российской Федерации. 2006. № 4. С. 17—19.
2. Столяров В.В. Пути реализации Федерального закона «О техническом регулировании» в области дорожного хозяйства // Транспорт Российской Федерации. 2006. № 5. С. 78-81.
3. Столяров В.В., Шмагина Э.Ю. Новый подход к гамма-распределению при обосновании расчетных расходов мостовых переходов // Известия Орловского государственного технического университета. Строительство и транспорт. 2007. № 3. С. 67-69.
4. Калмыков С.И., Столяров В.В., Глухов А.Т., Лощи-нин О.В. Теоретические аспекты экологического риска // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И.Вавилова. 2009. № 10. С. 21-27.
5. Столяров В.В., Кокодеева Н.Е. Методологическое обеспечение проектирования дорожных одежд нежесткого типа с применением геоматериалов с учетом принципов технического регулирования (на основе теории риска) // Строительство и реконструкция. 2010. № 4. С. 59-66.
6. Кокодеева Н.Е. Обеспечение безопасности автомо-бильныхдорог с учетом теории риска // Строительные материалы. 2009. № 11. С. 80-81.
7. Совершенствование методов управления влажностью грунта земляного полотна в весений период года с целью снижения риска разрушения дорожной одежды нежесткого типа // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. Т. 1. № 1. С. 195-202.
References
1. Ovchinikov I.G., Raspalov O., Stolyarov V.V. Corresponds to whether the current level of road sector scientific and technological development? Transport RossiiskoiFederatsii. 2006. No. 4, pp. 17—19. (In Russian).
2. Stolyarov V.V. Ways to implement the federal law «On technical regulation» in the field of road infrastructure. Transport Rossiiskoi Federatsii. 2006. No. 5, pp. 78—81. (In Russian).
3. Stolyarov V.V., Shmagina E.Yu. A new approach to the gamma distribution in the justification of the estimated cost of bridges. Izvestiya Orlovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Ctroitel'stvo i transport. 2007. No. 3, pp. 67-69. (In Russian).
4. Kalmykov S.I., Stolyarov V.V., Glukhov A.T., Loshchi-nin O.V. Theoretical aspects of environmental risk. Vestnik Saratovskogo gosagrouniversiteta imeni N.I.Vavi-lova. 2009. No. 10, pp.21-27. (In Russian).
5. Stolyarov V.V., Kokodeeva N.E. Methodological support for designing pavements with non-rigid type prieneniem geomaterials based on the principles of technical regulation (based on risk theory). Stroitel'stvo i rekonstruktsiya. 2010. No. 4, pp. 59-66. (In Russian).
6. Kokodeeva N.E. Provision of safety of auto-roads taking the theory of risk into account. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 11, pp. 80-81. (In Russian).
7. Improved management of soil subgrade moisture in the spring of the year in order to reduce the risk of fracture non-rigid pavement type. Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2011. Vol.1. No. 1, pp. 195-202. (In Russian).
Активатор
/ОД измельчение активадй синтез
Российские сушилки кипящего слоя «Активатор»
* Малые габариты, промышленная производительность (от 1 до 10 т/час)
* Контролируемая температура материала при сушке
* Контроль времени пребывания материала в зоне сушки
* Интенсивный влагосъем до 2 т влаги с 1 м2 решетки
* Использование любого топлива (газ, мазут, соляра, уголь)'
* Удаление пыли во время сушки
* Совмещение сушки и охлаждения
* Электронный контроль сушки
www.activator.ru
Машиностроительный Завод «Активатор»"" Новосибирская обл., р.п. Дорогино, 630056, Новосибирск 56, а/я 141 Факс: +7 (38345)710-61 Тел.: +7 913 942 94 81 e-mail: be lyaev@ activator ru
Реклама
научно-технический и производственный журнал
ноябрь 2014
19
