CC BY
44
Библиографический список
1. Гавич И. К. Гидрогеодинамика. - М.: Недра, 1988. - 349 с.
2. Сологаев В. И., Золотарев Н. В. Моделировании методом электронных таблиц подтопления и дренирования территорий антропогенных ландшафтов при радиальной фильтрации воды с постоянным уровнем // Вестник СибАДИ - № 4 (26) - С. 51-55.
3. Сологаев В. И. Фильтрационные расчеты и компьютерное моделирование при защите от подтопления в городском строительстве: Монография. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2002. - 416 с.
4. Справочное руководство гидрогеолога: В 2-х т. - Т. 2 / под ред. В. М. Максимова. - Л.: Недра, 1979. - 295 с.
DETERMINATION OF FILTRATION PARAMETERS
PRIMED WITH SIMULATIONS USING SPREADSHEETS AT RADIAL WATER FILTRATION WITH A CONSTANT LEVEL
V. I. Sologaev, I. V. Krestyanikova
Proposed a method using of spreadsheets modeling filtration parameters of the soil reclaimed territories of cities and farmland in the radial water filtration with a constant level.
Keywords: method of spreadsheets, filtration parameters, soil reclamation areas, construction of roads, radial water filtration.
Bibliographic list
1.Gavich I. K. Gidrogeodinamika. - M.: Nedra, 1988. - 349 p.
2. Sologaev V. I., Zolotarev N. V. On the modeling method of spreadsheets flooding and drainage areas of anthropogenic landscapes in the radial water filtration with a constant level // Vestnik SibADI - №4 (26) - P. 51-55.
3.Sologaev V. I. Filtration calculations and computer simulations in the protection against flooding in urban construction: Monograph. - Omsk: SibADI Publishing House, 2002. - 416 p.
4. Reference guide hydrogeologist: In 2 vol. - Vol. 2 / ed. V. M. Maximov. - L.: Nedra, 1979. - 295 p.
Сологаев Валерий Иванович - доктор технических наук, профессор Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ). Основное направление научных исследований - защита от подтопления. Имеет 90 опубликованных работ. e-mail: [email protected]
Крестьяникова Ирина Владимировна - аспирант кафедры сельскохозяйственного водоснабжения Омского государственного аграрного университета имени П.А. Столыпина. Основное направление научных исследований - защита от подтопления. Имеет 1 опубликованную работу. email: [email protected]
УДК 625.731.2:624.138.2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ РАБОЧЕГО СЛОЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
Д. А. Разуваев
Аннотация. Рассмотрены проблемы назначения расчетных характеристик грунтов рабочего слоя земляного полотна и их соответствия фактическим данным. Проведены штамповые исследования деформационных параметров стабилизированных и нестабилизированных грунтов. Результаты опытов сопоставлены с данными нормативных документов и лабораторных исследований. Определены актуальные задачи, решение которых направлено на повышение достоверности назначения расчетных параметров грунтов для отсыпки рабочего слоя земляного полотна.
Ключевые слова: земляное полотно, стабилизация грунтов, расчетные параметры, модуль упругости.
Введение
Действующие нормы проектирования дорожных одежд, в частности ОДН 218.046-01 «Проектирование дорожных одежд нежесткого типа» [1] унифицируют грунтовые условия рабочего слоя земляного полотна до нескольких типов грунтов со среднестатистическими прочностными и деформационными характеристиками. При этом очевидно, что механические характеристики тех или иных типов грунтов,
расположенных в различных регионах страны, существенно отличаются друг от друга ввиду происхождения и минералогического состава. Заложенная в [1] возможность варьирования расчетной относительной влажностью не всегда дает положительные результаты в части достоверного назначения расчетных характеристик региональных грунтов, используемых для отсыпки земляного полотна (в т.ч. рабочего слоя). Ситуация осложняется в случае приме-
нения стабилизирующих добавок (различные полимерные ПАВ как отдельно, так и в комбинации с минеральными вяжущими) для укрепления грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна, поскольку данные о механических параметрах получаемых грунтовых смесей в действующей нормативной документации практически отсутствуют.
В рамках разработки региональной методики укрепления грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна, проводимой автором, возникает потребность в максимальном учете особенностей местных грунтовых условий, в том числе при стабилизации различными добавками. Необходимо максимально приблизить закладываемые в методику проектирования значения расчетных характеристик стабилизированных и нестабилизированных грунтов к фактическим данным (здесь и далее под фактическими подразумеваются данные, наиболее соответствующие реальным). В связи с этим возникает ряд задач, одна из которых связана с определением фактических параметров грунтов и сопоставлением полученных данных с данными нормативных документов и лабораторных исследований.
Определение фактических параметров грунтов рабочего слоя земляного полотна с требуемой степенью достоверности возможно только полевыми способами, причем максимально приближенными по параметрам на-гружения к условиям работы конструкции. Данная работа посвящена исследованию модуля упругости грунтов и грунтовых материалов как основного параметра, используемого при расчете дорожных одежд по критерию упругого прогиба. В связи с этим в качестве основного принят штамповый способ испытания грунтов.
Для решения поставленной задачи проведена серия штамповых опытов на стабилизированном и нестабилизированном рабочем слое земляного полотна а/д «370 км а/д К-17р - Калиновка». Результаты опытов сопоставлены с данными нормативных документов и лабораторных исследований. Сформулированы актуальные задачи в части приближения расчетных деформационных характеристик грунтов к фактическим, полученным штампо-вым способом.
Проведение испытаний
Испытания стабилизированных и неста-билизированных грунтов рабочего слоя земляного полотна штампом проводились на специально сконструированной установке (рис. 1.). В состав установки вошло:
- круглый штамп площадью 1000 см2 (что в первом приближении соответствует расчетному отпечатку колеса автомобиля диаметром d=37 см);
- домкрат и маслостанция с манометром для создания, поддержания и измерения расчетной нагрузки на штамп (рис. 1 а, б);
- прогибомеры для измерения осадок штампа;
- неподвижная рама для крепления про-гибомеров;
- грузовая платформа в качестве упорной балки домкрата (рис. 1 в).
Конструкция установки обеспечивала:
- возможность нагружения штампа ступенями давления в 0,1 МПа;
- центрированную передачу нагрузки на штамп;
- постоянство давления на каждой ступени нагружения.
б) в)
Рис. 1. Установка для проведения штамповых испытаний стабилизированных и нестабилизированных грунтов: а - штамп с домкратом; б - маслостанция с манометром;
в - грузовая платформа
Домкрат перед испытанием был предварительно оттарирован, насосная станция со шлангами - проверены на герметичность. Для обеспечения ровности поверхности грунта под штампом устраивалась подушка из маловлаж-
ного мелкого песка толщиной 1 см. Для достижения плотного контакта подошвы штампа с песчаной подушкой производилось не менее двух поворотов штампа вокруг его вертикальной оси, меняя направление поворота («при-
тирка»). После установки штампа проверялась горизонтальность его положения. Прогибоме-ры системы Аистова для измерения осадки штампа закреплялись на неподвижной жесткой раме (реперной системе). Отсчеты по про-гибомерам на каждой ступени нагружения производились через каждые 15 мин в течение первого часа, 30 мин в течение второго часа и далее через 1 час до условной стабилизации деформации грунта. Штамп соединялся с про-гибомером нитью из стальной проволоки диаметром 0,3 мм. Измерительная система обеспечивала измерение осадок с погрешностью не более 0,01 мм.
Нагрузка на штамп подавалась домкратом, который в свою очередь упирался в условно неподвижную балку. В качестве упора использовалась балка прицепного трала массой 22,5 т (рис. 1 в). Для испытания назначалось максимальное осевое усилие в 10 тс. Данное усилие достигалось без дополнительного пригру-за трала. Нагрузка подавалась ступенями давлений Дp=0,1 МПа до расчетной нагрузки, со временем условной стабилизации 1 час и параметром условной стабилизации 0,1 мм согласно таблице 5.2 [2]. Расчетная нагрузка на дорожную одежду, согласно [1], составляет 0,6 МПа.
Для исключения дополнительных не учтенных в работе установки динамических воздействий, участок проведения испытаний исключался из работы путем организации объездного пути и установки ограждения.
По результатам штамповых испытаний определялись такие характеристики сжимаемости стабилизированных и нестабилизированных грунтов рабочего слоя земляного полотна как модуль деформации Е и модуль упругости Еу. Для определения модуля упругости испытание проводилось в несколько циклов «нагрузки-разгрузки» до выработки петли гистерезиса и линейности графика в интервале нагрузок от нуля до 0,6 МПа.
Характеристики определялись на поверхности рабочего слоя земляного полотна, устроенного с применением технологии стабилизации грунтов. Поскольку штамповым испытаниям подвергалась многослойная система, состоящая из стабилизированного грунта верхней части рабочего слоя и нестабилизи-рованного (исходного) грунта земляного полотна, для определения параметров сжимаемости именно стабилизированного грунта дополнительно выполнены штамповые исследования нестабилизированных нижележащих грунтов земляного полотна. Данные испытания выполнены в приямках, с отметки минус 0,1 м относительно подошвы стабилизированной верхней части рабочего слоя земляного полотна. Параллельно выполнены лабораторные исследования грунтов в геотехнической лаборатории, подробно описанные в [3].
Согласно [2], по результатам испытаний построены графики зависимости осадки штампа от давления 5 = ^р). Пример оформления графиков зависимости 5 = ^р) представлен на рисунке 2.
S, мм
Рис. 2. Пример оформления графиков зависимости Б=^р)
Результаты испытаний грунта верхней части рабочего слоя земляно-
Результаты лабораторных исследований го полотна представлены в таблице 1. нестабилизированного и стабилизированного
Таблица 1 - Результаты лабораторных исследований грунтов на а/д «370 км а/д К-17р -Калиновка»
3 Плотность р, г/см Влажность W/Wj, д.е. Модуль упругости Еупр, МПа (компрессионные испытания)
Нестабилизированный (естественный) грунт, представленный супесью песчанистой
1,87 0,50 78
Стабилизированный грунт (стабилизатор Perma-Zyme 11X)
1,95 0,50 120
При обработке результатов штамповых испытаний, модуль упругости и модуль деформации грунта вычислялись по усредняющей прямой с помощью формулы [2]
E=(1-y2)KKpD(1/ky (1)
где у - коэффициент Пуассона; Кр - коэффициент, принимаемый в зависимости от заглубления штампа h/D (h - глубина расположения штампа относительно поверхности грунта, см; D - диаметр штампа) Кр=1;
К1 - коэффициент, принимаемый равным 0,79 для жесткого круглого штампа;
к - угловой коэффициент усредняющей прямой.
Значения деформационных характеристик, определенных штамповым способом на поверхности рабочего слоя земляного полотна из стабилизированного и нестабилизированного (исходного) грунта представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Деформационные характеристики земляного полотна а/д «370 км а/д К-17р -Калиновка», устроенного с применением и без применения стабилизированных грунтов (при Wф
= 0^т)
№ серии опытов На поверхности стабилизированного рабочего слоя ЗП На поверхности рабочего слоя ЗП из исходного грунта
Модуль деформации Е, МПа Модуль упругости Еупр, МПа Модуль деформации Е, МПа Модуль упругости Еупр, МПа
1 56 130 38 108
2 62 140 42 116
3 60 138 38 106
4 56 132 42 110
Xn 58 135 40 110
Непосредственный анализ результатов штамповых испытаний, представленных в таблице 2, указывает на положительное действие стабилизирующей добавки, что отмечалось в [3] и [4]. Однако в рамках решения поставленной задачи получены интересные результаты.
По решению задачи упругости двухслойной модели и разнице между штамповыми общими модулями упругости на поверхности стабилизированного и нестабилизированного рабочего слоя земляного полотна определено значение модуля упругости стабилизированного грунта, которое составляет Еупр=160 МПа. Полученное штамповыми испытаниями значение модуля упругости стабилизирован-
ного грунта значительно превышает результат, полученный при проведении лабораторного исследования. Модуль упругости стабилизированного грунта, полученный по результатам лабораторных исследований (метод компрессионного сжатия) составляет ЕуПр=120 МПа, что указывает на определенную методологическую ошибку.
На данную методологическую ошибку так же указывает значительная разница между значениями модуля упругости исходного грунта земляного полотна, полученного по результатам штамповых исследований (Еу=110 МПа) и компрессионных испытаний (Еу=78 МПа).
Сравнивая результаты штамповых испытаний с данными о деформационных характеристиках исследуемого грунта (без стабилизатора) по таблице П. 2.5. [1] можно отметить, что представленные в нормативном документе значения модуля упругости в большей степени соответствуют результатам проведенных лабораторных исследований, но при этом определенное по результатам исследований значение модуля упругости на 20% превышает нормативное значение. Фактическое значение модуля упругости, определенное по результатам штамповых испытаний, значительно (до 70 %) превышает нормативное.
Выводы
Проведенные исследования по определению фактического модуля упругости стабилизированных и нестабилизированных глинистых грунтов, укладываемых в верхней части рабочего слоя земляного полотна, однозначно указывают на отличия фактических параметров грунтов от нормативных и определенных в лабораторных условиях данных. Данный факт подтверждает необходимость в максимальном учете особенностей местных грунтовых условий, при разработке региональной методики укрепления глинистых современными стабилизирующими добавками.
Для максимального приближения закладываемых в региональную методику проектирования значений расчетных характеристик стабилизированных и нестабилизированных грунтов к фактическим данным необходимо решить следующие актуальные задачи:
1) Создать региональную инженерно-геологическую базу данных, содержащую информацию о характерных типах грунтов, применяемых для отсыпки земляного полотна автомобильных дорог, местах их распространения, минералогических особенностях и механических параметрах при различном коэффициенте уплотнения;
2) Для каждого типа грунтов, представленных в региональной инженерно-геологической базе данных, необходимо определить коэффициент зависимости (методологический коэффициент) между штамповыми и компрессионными исследованиями кт=^е, 1Р), который очевидно зависит от типа и пористости грунта.
Библиографический список
1. ОДН 218.046. Проектирование нежестких дорожных одежд. - М.: Информавтодор, 2001. - 82 с.
2. ГОСТ 20276-99. Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости. - М.: ГУП ЦПП, 2000. - 52 с.
3. Разуваев Д. А., Ланис А. Л., Использование стабилизаторов грунтов при расширении сети автомобильных дорог местного значения // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе: материалы межд. научно-практической конф. (Пермь, 26-28 апреля 2012 г.). - Пермь, 2012. - С. 223-228.
4. Смолин Ю. П., Ланис А. Л., Разуваев Д. А. Исследование динамических воздействий автотранспортом на дорожную одежду, закрепленную синтетическим полимером // Вестник ТГАСУ -2012. - №2 (35). - С. 230-234.
DETERMINATION OF DEFORMATION PARAMETERS OF SUBGRADE
D. A. Razuvaev
Design characteristics of subgrade soil does not always correspond to the actual performance. Studies of deformation parameters stabilized and non-stabilized soils are made stamp method. The experimental results are compared with the standard documents and laboratory research. Actual tasks aimed at improving the reliability of the appointment of the design parameters of soils for construction of roadbed.
Keywords: roadbed, stabilization of soils, design parameters, the elastic modulus.
Bibliographic list
1. ODN (Russian standard system) 218.046. Design of non-rigid pavements. - М. Informavtodor, 2001. - 82 p.
2. GOST(Russian standard system) 20276-99. Soils. Field methods for determining the strength and strain characteristics. - М.: GUP CPP, 2000. - 52 p.
3. Razuvaev D. A Lanis A .L. The use of soil stabilizers in expanding the road network of rural roads // Upgrade and research in the transport sector: Proceedings of the International Scientific Conference (Perm, 26-28 April 2012). - Perm, 2012. - P. 223-228.
4. Smolin Y. P., Lanis A. L., Razuvaev D. A. Investigation of dynamic effects of automobile transport on the pavement strengthened by synthetic polymer // VESTNIK of TSUAB - 2012. - №2 (35). - P. 230-234.
Разуваев Денис Алексеевич - аспирант кафедры «Геология, основания и фундаменты» Сибирского государственного университета путей сообщения. Основное направление научных исследований - усиление грунтов земляного полотна автомобильных дорог. Имеет 13 опубликованных работ. Адрес электронной почты -razdenis@mail. ru.
