CC BY
23
УДК 624.131.54:001.891.5
ЧУРИЛИН ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ, аспирант, lex-16-2008@mail.ru
БАЗУЕВ ВИКТОР ПАВЛОВИЧ, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник, slab@mail.tomsknet.ru
БАДИНА МАРИЯ ВЛАДИМИРОВНА, канд. техн. наук, доцент, badina1201 @rambler.ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЯ ПУЧИНИСТЫХ СВОЙСТВ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ*
Приведены результаты испытаний грунтов на морозное пучение для земляного полотна автомобильных дорог Западной Сибири. Получены зависимости величины морозного пучения от плотности, нагрузки и количества циклов промораживания для расчёта дорожных одежд на морозоустойчивость. Выполненное исследование свидетельствует о необходимости учёта веса дорожной одежды при расчёте её на морозоустойчивость, что позволит увеличить срок службы нежёстких дорожных одежд в районах Западной Сибири.
Ключевые слова: морозное пучение грунтов; морозоустойчивость; плотность грунта; степень пучинистости; планирование эксперимента; грунты Западно-Сибирского региона.
VLADIMIR S. CHURILIN, Research Assistant, lex-16-2008@mail.ru
VIKTOR P. BAZUEV, PhD, Senior Research Assistant,
slab@mail.tomsknet.ru
MARIA V. BADINA, PhD, A/Professor,
badina1201 @rambler.ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
TEST RESULTS OF CLAYEY SOIL HEAVING PROPERTIES
The paper presents test results of frost heaving of soils in pavement structures of automobile roads in West Siberia. The dependencies between frost heaving and density; the load and the number of soil freezing cycles are obtained to calculate the pavement frost resistance. It is shown that for these calculations the weight of pavement should be taken into account that will allow increasing its lifetime under severe conditions of West Siberia.
Keywords: frost heaving; frost resistance; soil density; heaving rate; experimental design; West Siberia.
Несмотря на широкое территориальное распространение пучинистых грунтов в Западной Сибири, действующие отраслевые дорожные нормы
* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №14-07-00673А.
© Чурилин В.С., Базуев В.П., Бадина М.В., 2014
не дают исчерпывающих и достаточно обоснованных методов прогноза морозного пучения грунтов и определения их характеристик1.
Недостаточный учёт величины зимнего пучения грунтов земляного полотна автомобильных дорог, а также несвоевременное назначение мероприятий по обеспечению морозоустойчивости дорожных одежд приводят к потере устойчивости сооружения, снижению сроков службы и ухудшению условий эксплуатации, вызывают непредвиденные затраты труда, строительных материалов и финансовых средств [1].
Степень пучинистости грунта имеет принципиальное значение при оценке морозоустойчивости конструкций дорожных одежд. Морозное пучение грунтов зависит от комплекса многочисленных факторов, происхождение и формирование которых связано с климатическими, геологическими, гидрологическими и другими условиями. К основным природным факторам, которые количественно характеризуют морозное пучение грунтов, специалисты относят гранулометрический, минералогический состав грунта, его физико-механические свойства, плотность, глубину залегания грунтовых вод в период замерзания [Там же]. Величину морозного пучения, как правило, устанавливают экспериментально, поэтому в данном исследовании выполнен соответствующий лабораторный эксперимент.
Известно, что определение характеристик морозного пучения возможно только при проведении лабораторных испытаний. По существу, такой подход применительно к дорожным задачам впервые был обоснован Ю.М. Васильевым ещё в 1965 г. Величина морозного пучения грунта характеризуется коэффициентом пучения [2].
В работе [1] выполнено сопоставление результатов испытаний пучини-стых свойств грунта на приборах различных конструкций (Ю.М. Васильева, ОСПГ, ППГ-1М) и установлено, что результаты не имеют существенных отличий. Основываясь на этом, при организации испытаний мы применили прибор ППГ-1 М. Схема оборудования соответствует ГОСТ 28622-2012 «Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости». Методика определения величины относительного морозного пучения грунтов заключается в замораживании образцов материалов и измерении деформаций их морозного пучения. Для условий Сибири эти испытания проводят при температуре воздуха в камере от -5 до -8 °С [3].
Кроме того, условия испытаний по отмеченной нами методике наиболее близки к условиям, вызывающим зимнее пучение глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог на территории Западной Сибири [4].
Для испытаний был отобран грунт, характерный для ЗападноСибирского региона, что ранее отмечено в работах [5-7].
Отбор проб грунта произведён из рабочего слоя земляного полотна автомобильной дороги в пос. Лоскутово Томской области с соблюдением требований ГОСТ 12071-2000.
1 ОДН 218.046-01. Проектирование нежёстких дорожных одежд / Государственная служба дорожного хозяйства : утв. Мин-вом транспорта Российской Федерации. М. : Информавтодор, 2001. 145 с.
В целях получения результатов требуемой достоверности и надёжности при минимальных затратах ресурсов, а также представления полученной информации в удобной форме был применён метод планирования эксперимента [1]. Это позволяет управлять уровнями исследуемых факторов и даёт возможность выявить влияние на морозное пучение грунтов плотности, нагрузки от веса дорожной одежды и количества циклов промораживания, а также вариации сочетаний этих факторов.
В качестве основных действующих факторов при планировании эксперимента были выбраны: х1 - плотность грунта; х2 - нагрузка от веса дорожной одежды; х3 - количество циклов промораживания.
Принятые факторы с соответствующими уровнями их изменения приведены в табл. 1.
Таблица 1
Условия планирования эксперимента
Фактор Код Ед. изм. Шаг Уровни факторов
варьир. -1 +1
Плотность грунта X! г/см3 0,2 1,7 2,1
Нагрузка от веса дорожной одежды X2 мПа 0,0128 0 0,0256
Цикл промораживания Xз кол-во 2 1 3
В качестве исследуемых параметров приняты коэффициент морозного пучения и плотность скелета грунта после промораживания. Матрица планирования ортогонального эксперимента 1-го порядка типа ПФЭ 23 и результаты лабораторных испытаний приведены в табл. 2. По каждой строке матрицы проведена серия испытаний.
Таблица 2
Матрица планирования эксперимента
№ п/п Факторы Факторы в натуральных единицах Среднее опытное значение функции отклика
x1, г/см3 x2 мПа x3, кол-во к Лпуч Р*
1 + + + 2,12 0,0256 3 1,52 1,81
2 - + + 1,85 0,0256 3 1,70 1,59
3 - - + 1,87 0 3 16,74 1,37
4 - - - 1,87 0 1 6,00 1,54
5 + + - 2,12 0,0256 1 0,83 1,82
6 + - - 2,14 0 1 1,76 1,78
7 - + - 1,85 0,0256 1 1,33 1,60
8 + - + 2,14 0 3 13,27 1,61
В результате статистической обработки данных планирования эксперимента получены следующие уравнения регрессии:
Кпуч = 43,15 - 8,39x1 - 32,39x2 + 23,31хз + + 7,03X1X2 + 1,09X1X3 - 21,19X2X3,
р, = 13,12 + 0,93x1 + 0,53x2 - 0,35хз +
+ 0,03х]х2 - 0,10х}х3 + 0,33х2х3. (2)
Для оценки результатов выполнена проверка воспроизводимости эксперимента. Поскольку в каждой точке плана имелось одинаковое число опытов, мы применили критерий Кохрена. Также выполнена проверка каждой полученной математической модели на адекватность по критерию Фишера. Результаты расчётов сведены в табл. 3.
Таблица 3
Проверка адекватности математической модели
Значения критерия Кохрена Значения критерия Фишера
Опытное Теоретическое Опытное Теоретическое
0,65 0,82 0,06 4,46
В результате обработки данных табл. 2 получены зависимости исследуемых факторов от плотности грунта, нагрузки и циклов промораживания, формулы (1), (2).
Формулы в кодированном виде удобны для анализа относительного влияния факторов на функцию отклика. Полученные зависимости справедливы только в пределах варьирования параметров, использованных в эксперименте. Несмотря на то что они не имеют физического смысла, для практических целей вполне пригодны и статистически достоверны [4].
Анализ полученных уравнений и построенной диаграммы (рисунок) по результатам эксперимента (табл. 4) показывает, что наибольшее влияние на величину морозного пучения грунта земляного полотна имеет вес дорожной одежды.
х1
о4
тр - 11 гт?^
: 2.] 1 г.'йчЧ Р -
.0.025 й.ипА.^ чПл
шт
I 2 3 4 .<! (,
№ серии вепытаннй
- 1-й цикл промораживания о- 2-й цикл промораживания - 3-й цикл промораживания
Влияния плотности, веса дорожной одежды и циклов промораживания на величину морозного пучения грунта земляного полотна автомобильных дорог
Таблица 4
Результаты экспериментальных исследований пучинистых свойств грунта
№ серии испытаний Вертикальная нагрузка мПа Начальные характеристики грунта Первый цикл промораживания Второй цикл промораживания Третий цикл промораживания
т а и <£ т а о и СР гя а о и сР Г гя а о и сР Г гя а о и сР Г
1 0 2,14 15,34 1,86 1,78 1,76 1,72 7,05 1,61 13,27
2 0 1,87 14,00 1,64 1,54 6,00 1,50 8,35 1,37 16,74
3 0,0128 2,14 15,30 1,86 1,82 0,98 1,80 2,85 1,79 3,64
4 0,0128 1,98 15,32 1,72 1,70 1,23 1,67 3,11 1,65 4,02
5 0,0255 2,12 15,00 1,84 1,82 0,83 1,82 1,06 1,81 1,52
6 0,0255 1,85 14,45 1,62 1,60 1,33 1,60 1,42 1,59 1,70
Примечание. Для каждой серии испытаний приведены усреднённые значения результатов. Ниже представлена диаграмма по результатам исследования.
Приведённые результаты свидетельствуют, что при максимальной нагрузке плотность грунта оказывает минимальное влияние на величину морозного пучения. Это подтверждает необходимость учёта веса дорожной одежды при расчёте её на морозоустойчивость.
Библиографический список
1. Бадина, М.В. Лабораторные исследования величины морозного пучения грунтов / М.В. Бадина // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - Томск. - 2009. - № 3. - С. 150-156.
2. Васильев, Ю.М. Оценка пучинистости грунтов при замерзании / Ю.М. Васильев // Труды Союздорнии. - 1970. - Вып. 37. - С. 147-155.
3. Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд / под. ред. И.А. Золотаря, Н.А. Пузакова, В.М. Сиденко. - М. : Транспорт, 1971 - 416 с.
4. Афиногенов, А.О. Обоснование региональных норм степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог (На примере районов Западной Сибири) : дис. ... канд. техн. наук. - Томск, 2011. - 200 с.
5. Ефименко, В.Н. Учёт особенностей состава и свойств глинистых грунтов ЗападноСибирского региона применительно к транспортному строительству / В.Н. Ефименко, М.В. Бадина // Инновационные технологии изысканий, проектирования, строительства, содержания автомобильных дорог Томской области : сб. матер. межрегион. практ. конф. - Томск, 2008. - С. 17-19.
6. Полищук, А.И. Исследования состава и свойств глинистых грунтов районов Западной Сибири для назначения их расчётных характеристик / А.И. Полищук, С.В. Ефименко // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. -Томск. - 2005. - № 1. - С. 213-220.
7. Ефименко, С.В. Особенности генезиса, состава и свойств глинистых грунтов Западной Сибири / С.В. Ефименко, А.А. Краевский, В.С. Чурилин // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - Томск. - 2014. - № 2. - С. 177-181.
References
1. Badina M.V. Laboratornye issledovaniya velichiny moroznogo pucheniya gruntov [Laboratory studies of soil frost heaving]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2009. No. 3. Pp. 150-156. (rus)
2. Vasil'ev Yu.M. Otsenka puchinistosti gruntov pri zamerzanii [Evaluation of frost heaving]. Proc. Soyuzdornii. 1970. No. 37. Pp. 147-155. (rus)
3. Zolotorya I.A., Puzakova N.A., Sidenko V.M. Vodno-teplovoi rezhim zemlyanogo polotna i dorozhnykh odezhd [Water and thermal balance of subgrades and pavements]. Moscow : Transport Publ., 1971. 416 p. (rus)
4. А/inogenov A.O. Obosnovanie regional'nykh norm stepeni uplotneniya glinistykh gruntov zemlyanogo polotna avtomobil'nykh dorog (Na primere raionov Zapadnoi Sibiri) [Rationale for regional standards for subgrade clayey soil compaction of highways (in West Siberia). PhD thesis]. Tomsk, 2011. 200 p. (rus)
5. Efimenko V.N., Badina, M.V. Uchet osobennostei sostava i svoistv glinistykh gruntov Zapad-no-Sibirskogo regiona primenitel'no k transportnomu stroitel'stvu [Composition and properties of clayey soils of the West Siberian region accounted for transport construction]. Coll. Papers Interreg. Sci. Conf. Tomsk, 2008. Pp. 17-19. (rus)
6. Polishchuk A.I., Efimenko S.V. Issledovaniya sostava i svoistv glinistykh gruntov raionov Zapadnoi Sibiri dlya naznacheniya ikh raschetnykh kharakteristik [Research of structure and properties of clay soils in Western Siberia for their design properties assignment]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2005. No. 1. Pp. 213-220. (rus)
7. Efimenko S.V., Kraevskii A.A., Churilin V.S. Osobennosti genezisa, sostava i svoistv glinistykh gruntov Zapadnoi Sibiri [Genesis, structure and properties of clay soils in Western Siberia]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2014. No. 2. Pp. 177-181. (rus)
