CC BY
32
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ВЛИЯНИЕ ПОДВИЖНЫХ НАГРУЗОК НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗАСОЛЕННЫХ ГРУНТОВ Худайкулов Р.М.1, Каюмов А.Д.2, Салимова Б.Д.3, Каюмов Д.А.4 Email: Hudaykulov682@scientifictext.ru
1Худайкулов Рашидбек Мансуржанович - доктор философии по техническим наукам (PhD),
доцент;
2Каюмов Абдубакий Джалилович - доктор технических наук, профессор; 3Салимова Барно Джамаловна - кандидат технических наук, доцент, старший преподаватель; 4Каюмов Дилшод Абдубакиевич - старший преподаватель, кафедра изыскания и проектирования автомобильных дорог, Ташкентский институт проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог, г. Ташкент, Республика Узбекистан
Аннотация: в статье рассмотрена методика исследования физико-механических свойств засоленных грунтов перед проектированием и строительством автомобильных дорог. Описан порядок проведения лабораторных и натурных исследований на опытных участках. В результате лабораторных и полевых исследований установлено, что с увеличением числа приложений циклических нагрузок к искусственно уплотненным слабозасоленным грунтам хлоридно-сульфатного засоления при неизменной влажности и плотности изменяются физико-механические свойства. Это явление объяснено изменением структуры уплотненного засоленного грунта при воздействии на него повторных нагрузок. Ключевые слова: хлоридно-сульфатный слабозасоленный грунт, физико-механические свойства, подвижная нагрузка, лабораторные и полевые работы, структурные особенности.
INFLUENCE OF CYCLIC SHORT-TERM LOADS ON PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF COMPACTED LOESS
SOILS
Hudaykulov R.M.1, Kayumov A.D.2, Salimova B.D.3, Kayumov D.A.4
1Hudaykulov Rashidbek Mansurjanovich - Doctors of Philosophy in engineering (PhD),
Associate Professor, 2Kayumov Abdubakiy Djalilovich - Doctor of Technical Sciences, Professor, 3Salimova Barno Djamalovna - PhD in Engineering, Associate Professor, 4Kayumov Dilshod Abdubakiyevich - Senior Lecturer, DEPARTMENT OF SURVEY AND ROAD DESIGN, TASHKENT INSTITUTE OF DESIGN, CONSTRUCTION AND MAINTENANCE OF AUTOMOBILE
ROADS,
TASHKENT, REPUBLIC OF UZBEKISTAN
Abstract: the article describes the methodology for studying the physical and mechanical properties of saline soils before the design and construction of roads. The procedure for conducting laboratory and field studies in experimental plots is described. As a result of laboratory and field studies, it was found that with the increase in the number of applications of cyclic loads to artificially compacted slightly saline soils of chloride-sulfate salinization at constant humidity and density, the physical and mechanical properties change. This phenomenon is explained by a change in the structure of compacted saline soil when exposed to repeated loads.
Keywords: loess soil, aggregate system, multiple short-term load, design characteristics, laboratory and field work, road pavement, sub grade of road pavement.
УДК: 624.131.439.6
Проблема использования засоленных грунтов при проектировании и строительстве автомобильных дорог имеет важное значение и поэтому в настоящее время изучение физико-механических свойств таких грунтов считается актуальной задачей.
При проектировании дорожных одежд учитываются следующие физико-механические свойства засоленных грунтов: плотность, влажность, пористость, модуль осадки и так называемые расчетные характеристики (модуль упругости грунта Е, удельное сцепление С и угол внутреннего трения ф).
Анализ литературных источников и нормативных документов по строительству дорог показывает, что физико-механические свойства уплотненных дисперсных грунтов, таких как глинистые, песчаные, лёссовые, также зависят от состояния подвижной нагрузки, т.е. от многократных и кратковременных транспортных нагрузок [1-4].
Для определения влияния многократных и кратковременных нагрузок на физико-механические свойства засоленных грунтов были проведены соответствующие лабораторные и натурные исследования на опытных участках.
Полевые исследования авторов показывают, что в природных условиях Узбекистана часто встречаются грунты супеси тяжелые пылеватые сильно или избыточно-засоленные сульфатами и хлорид сульфатами. Поэтому в лабораторных условиях проведены исследования с супесями тяжелыми пылеватыми и искусственно засоленными хлоридами (NaCL), сульфатами (Na2SP410H2P, MgSO47H2O) в концентрации 1-12% и солями кристаллического гипса (CaSO4 2H2P) в концентрации 10-15%.
Грунты для исследований подготовлены в следующем порядке: высушенная в воздухе слабозасоленная тяжелая пылеватая супесь, отобранная на участке 16-20км 4Р1-кольцевой автодороги Ташкента, измельчена и пропущена через сито с отверстиями 1мм, затем добавлен водный раствор различных солей разной концентрации до требуемого количества. Этот грунт выдержан в эксикаторе в течении трёх суток, затем осушен на воздухе и пропущен через то же сито. Пропущенный грунт через сито, исходя из целей исследования, доведен до нужной влажности и плотности.
Образцы грунта увлажнены до (0,60; 0,70; 0,80; 0,90)WX и уплотнены в металлических кольцах диаметром 7,1 см и высотой 3,5 см до плотности 0,94; 0,96; 0,98; 1,00; 1,02. Уплотнение грунтов осуществлялось на гидравлическом прессе кратковременно повторяющемся действием, при удельном давлении - 0,7 МПа. Общее время выдерживания образца под нагрузкой составляло 2 мин.
Затем каждый образец грунта вместе с кольцом устанавливался на прибор «Маслова-Лурье», где определялись показатели прочностных характеристик сцепления С и угол внутреннего трения ф.
В аналогичном порядке были приготовлены образцы засоленного грунта в металлическом кольце диаметром 10 см и высотой 11 см. Грунт уплотнен до требуемого значения. По нему, с помощью штампа диаметром 3 см в рычажной установке определен модуль упругости Е.
Прежде чем определить физико-механические свойства уплотненных засоленных грунтов, на образец прикладывали кратковременные и циклические нагрузки. Учитывая, что давление на дорожную одежду от колеса автомобиля и собственного веса дорожной одежды Р=0,6 МПа с увеличением толщины дорожной одежды уменьшается до Р=0,1 МПа, эта нагрузка подавалась к образцу циклически. Порядок приложения циклической нагрузки осуществлялся следующим образом. На рычаг прибора ГГП-30, передающий вертикальное давление на грунт, было установлено специальное устройство, позволяющее превращать постоянную статическую нагрузку в кратковременную циклическую. При проведении эксперимента время действия
вертикальной нагрузки на образец составило 0,1-0,3 сек., а интервал между погружениями нагрузки 0,3-0,5 сек. Число приложений кратковременной нагрузки фиксировалось с помощью электросчетчика, установленного на приборе. После каждых 1, 101, 102, 103, 104, 105, 106 нагружений на шести уплотнённых образцах грунта определялись физико-механические свойства. Результаты экспериментов показаны в табл. 1.
Таблица 1. Влияние кратковременных и циклических нагрузок на свойства искусственно уплотненной слабозасоленной супеси легкой пылеватой
Свойства грунтов Количество приложенных кратковременных и циклических нагрузок при 2 N
0 1 101 102 103 104 105 106
Остаточная деформация, 1, мм 0 0,010 0,182 0,328 0,437 0,546 0,656 0,765
Плотность грунтов, у, кг/м3 1709 1710 1718 1725 1730 1736 1741 1746
Пористость, п, % 0,360 0,359 0,357 0,354 0,352 0,350 0,348 0,346
Коэффициент пористости, £ 0,562 0,561 0,555 0,548 0,543 0,538 0,534 0,529
Модуль осадки, а, мм/м 0 0,40 5,20 9,37 12,48 15,60 18,74 21,86
Влажность грунтов, в долях от ШТ 0,981 0,976 0,967 0,958 0,949 0,939 0,930 0,925
Проведенные лабораторные эксперименты показывают, что с увеличением количества воздействия циклической и кратковременной нагрузки на образец увеличивается остаточная деформация, плотность и модуль осадки, а пористость и коэффициент пористости уменьшается.
Изучение механических характеристик, таких как прочностные и деформационные свойства грунтов, подстилающих дорожную одежду, показывает, что они зависят от многочисленных факторов, прежде всего от интенсивности и режима действия нагрузок, напряженного состояния, состояния грунтов по влажности и плотности, вида и степени засоления грунтов, структурных особенностей. Эти зависимости можно выразить в следующем виде:
Е, С, ф = ^р, Ку, А), (1)
где Ыр - количество приложений нагрузки; - расчетная влажность, в долях от текучести; Ку - коэффициент уплотнения, А - вид и степени засоления грунтов.
Для подтверждения результатов лабораторных исследований в полевых условиях были исследованы механические характеристики засоленных грунтов земляного полотна. Исследования проведены на опытных участках вновь строящихся автомобильных дорогах IV категории в Сырдарьинской области Узбекистана, вблизи г. Гулистан. Грунты имели следующие характеристики: Wр = 19,30%; Wт = 25,8%; 1р = 6,5; ртах = 1860 кг/м3 и оптимальная влажность Wоп = 14,2% (супесь лёгкая пылеватая). На опытных участках длиной 300м, высотой насыпи 1,30м супесь лёгкая пылеватая была уплотнена послойно при оптимальной влажности по 40 см виброкатками А-12 до коэффициента уплотнения 0,96. Поверх земляного полотна устроена дорожная одежда, имеющая следующую конструкцию: асфальтобетонное покрытие ^ = 7 см; верхний слой основания щебень фракционированный ^ = 18 см; нижний слой основания из гравийно-песчаной смеси hз = 20 см. Участок был разделён на шесть секций длиной 50 м. После каждого 1, 101, 102, 103, 104, 105, 106 прохода расчетного числа автомобилей заложены шесть шурфов на секциях. На верхней части
земляного полотна определены: сцепление Сгр и угол внутреннего трения фгр с помощью одноплоскостного вращательного среза [5, 6], модуль упругости штампом 34 см, влажность (весовым методом), плотность грунтов (методом режущего кольца объёмом 5 10-4 м3). Сравнение полученных в результате обследований опытных участков в 2017-2019 г. и статистически обработанных значений коэффициента уплотнения слабозасоленной супеси тяжелой пылеватой и его коэффициент вариации показал, что коэффициент уплотнения грунтов не отличается от заложенного в период строительства. Коэффициент вариации колеблется в пределах 0,02-0,08, в среднем 0,05. Показатель точности находится в пределах 0,01-0,03, в среднем 0,02.
Результаты статистической обработки данных, полученных в полевых условиях показаны в табл. 2.
Таблица 2. Значение механических свойств хлоридно-сульфатных слабозасоленных супесей лёкгих пылеватых при Ку=0,96 и W=0,6WT
Механические характеристики Количество приложенных кратковременных и циклических нагрузок при 2 Np
0 1 101 102 103 104 105 106
Модуль упругости, МПа 68 67 66 65 64 63 61 60
Угол внутреннего трения, град 28 27 26 25 24 23,2 21,8 21
Сцепления, МПа 0,037 0,036 0,035 0,033 0,032 0,030 0,028 0,026
Анализ результатов, полученных в полевых условиях, подтверждают лабораторные исследования и показывают, что при практически одинаковой плотности и влажности, а также засоленности с увеличением числа приложений нагрузки уменьшаются механические характеристики грунта.
Результаты полевых и лабораторных экспериментов можно объяснить следующим образом. По мнению учёных грунтоведов В.Д. Казарновского [1], А.К. Ларионова [7], Н.Н. Маслова [8], Е.М. Сергеева [9] и других, в составе грунта естественного заложения имеются макро- и микропоры. При нарушении естественной структуры грунтов дорожными машинами они сохраняются в виде агрегатов. При уплотнении агрегатов грунта до нужной степени эти поры сохраняются в виде крупных и мелких пор между агрегатами и внутри агрегатов, влияя на их физико-механические свойства. При влиянии на уплотнённый грунт кратковременных и многократных нагрузок, под влиянием возникающих напряжений и вибраций происходит частичное разрушение уплотненных агрегатов и кристаллов соли на более мелкие. Происходит разрушение и изменение расположенных агрегатов, частиц грунтов и кристаллов соли. При определении общего удельного сцепления образцов грунта CW, состоящего из дополнительно раздавленных и деформированных агрегатов, по проф. Маслову, сцепление грунтов водно-коллоидной природы и обратимого характера ^w при влажности W остается постоянным, так как разрушаются структурные связи СС агрегатов и частиц, формированных в природных условиях длительное время. В результате уменьшается общее удельное сцепление грунтов Сгр. Кроме того, подсчеты показали, что в грунте с оптимальной влажностью при 20оС растворяется 3,1-3,4% хлористого натрия. Следовательно, при засолении грунта 3-5% соли, часть ее находится в кристаллической фазе. Поскольку на поверхности кристаллов легкорастворимых солей не будут образовываться водно-коллоидные пленки, с увеличением содержания соли в грунте сцепление падает.
Известно [8], что шероховатость поверхности частиц и агрегатов определяют состояние угла внутреннего трения грунтов. После влияния на образец грунта кратковременной и многократной нагрузки, с одной стороны, в результате раздробления крупных агрегатов на мелкие, шероховатость поверхности агрегатов и
частиц уменьшается, в результате уменьшается угол внутреннего трения. А с другой -в результате раздробления кристаллов соли увеличивается количество мелких кристаллов с меньшими упругими деформациями. В итоге уменьшается общая упругая деформация грунта.
Многочисленные экспериментальные исследования, проведенные в лабораторных условиях с образцами, приготовленными при различной плотности и влажности, а также полевые исследования позволили определить значение модуля упругости, угла внутреннего трения и сцепления грунтов, в частности хлоридно-сульфатно слабозасоленных супесей пылеватых по выражениям:
T = To (lgNp + 187,4) - ATw(Wh - 0,55) + AT^(Re - 0,1), (2)
C = C0 (1,032 - 0,032lgNP) - ACw(2,35Wp - 1,29) + АСКу (15,59КУ - 14,51), (3)
ф = ф0 (1 - 0,032lgNp) - А 9w(1,72Wp - 0,95), (4) где Е0, ф0, С0 - коэффициент, учитывающий приращение модуля упругости, угла внутреннего трения и сцепления в зависимости от числа приложения нагрузки Np, Е0=0,372 МПа, ф0=31°, С0=0,031 МПа; AEw, Афw, ACw - коэффициент, учитывающий приращение модуля упругости, угла внутреннего трения и сцепления в зависимости от Wp, AEw=130 МПа, Афw=31°, ACw=0,031 МПа; АЕку, АСку - коэффициент, учитывающий приращение модуля упругости, угла внутреннего трения и сцепления в зависимости от Ку, АЕКу=295 МПа, АСКу=0,031 МПа.
Таким образом, при проектировании конструкции дорожных одежд целесообразно пользоваться физико-механическими характеристиками засоленных грунтов с учётом воздействия на них кратковременных и многократных нагрузок.
Список литературы /References
1. Казарновский В.Д. Оценка сдвигоустойчивости связных грунтов в дорожном строительстве. М.: Транспорт, 1985. 168 с.
2. Пилепенко А.С. Сдвигоустойчивость глинистых грунтов в основании дорожных одежд под действием кратковременных многократных нагрузок. Автореф. дисс. на соис. уч. степ. канд. техн. наук. М.,1990. 20 с.
3. Смирнов В.М. Оценка сдвигоустойчивости песчаных грунтов в дорожных конструкциях при воздействии повторных нагрузок. Автореф. дис. на соис. уч. степ. канд. техн. наук. М., 1984. 27 с.
4. Каюмов А.Д., Махмудова Д.А. Влияние циклических кратковременных нагрузок на физико-механические свойства уплотненных лёссовых грунтов. Наука и техника. № 4, 2019. 40-42 с.
5. Авторское свидетельство № 1678969. Устройство для определения свойств грунтов. Опубл. в Б.И., 1991. № 35.
6. Каюмов А.Д. Уплотнение и расчетные характеристики лёссовых грунтов. Ташкент: Фан, 2004. 120 с.
7. ЛарионовА.К. Методы исследования структуры грунтов. М.: Недра, 1971. 200 с.
8. Маслов Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1982. 511 с.
9. Сергеев Е.М. и другие. Грунтоведение / Под ред. академика Е.М. Сергеева. М.: Издательство МГУ, 1983. 392 с.
