В публикации выполнен обзор и анализ приборов и оборудования экспресс оценки модуля упругости, калифорнийского числа несущей способности и твердости грунтов, оцениваемой глубиной проникновения конуса динамических пенетрометров от одного удара. Анализ работ предшественников позволит разработать математические модели, связывающие коэффициент уплотнения грунта с коэффициентом увлажнения при испытании различными приборами, установками динамического нагружения, динамическими конусными пенетрометрами российского и зарубежного производства, измерителем жесткости грунта GeoGauge. В работе авторы описывают методику экспериментальных исследований, включающую лабораторные работы и натурные испытания. Применение результатов исследования позволит сгущать сетку контроля коэффициента уплотнения, за счет чего повысится надежность испытаний и однородность степени уплотнения. Это приведет к повышению ровности покрытий и обеспечению требуемого уровня потребительских свойств автомобильной дороги на более продолжительном временном отрезке эксплуатации.
Ключевые слова: коэффициент уплотнения, коэффициент увлажнения, экспресс оценка степени уплотнения, динамический пенетрометр, установка динамического нагружения, измеритель жесткости грунта.
От качества уплотнения грунтов земляного полотна зависят показатели их прочности и деформируемости. В результате при правильно запроектированной дорожной одежде грунты работают в стадии уплотнения [1], претерпевая остаточные деформации, которые относительно числа, приложенных нагрузок носят затухающий характер [2, 3] и связаны с напряжениями линейной зависимостью [4]. Таким образом, степень уплотнения грунта оказывает влияние на ровность покрытия, к которой нормативные документы выдвигают строгие требования, а в работах специалистов [5–8], ограничения по глубине неровностей еще более строгие. Ровность покрытий обуславливает важнейшие потребительские свойства автомобильных дорог: скорость, безопасность и удобство движения, вследствие чего научные исследования, направленные на обеспечения качества уплотнения грунтов актуальны. Кроме того, в работах, выполненных в области разработки способов расчета пластических деформаций и грунтов [9–12], предполагается, что степень уплотнения грунтов и щебеночных материалов обеспечена. Несоответствие коэффициента уплотнения, значениям, закладываемым при расчете остаточных деформаций [9–12] приводит к тому, что фактические значения параметров деформируемости грунтов и материалов оказываются меньше величин, используемых при проектировании конструкции по ровности. Такое же замечание можно сделать по отношению к методам расчета земляного полотна по сопротивлению сдвигу [13–20]. В этом случае, если фактическая величина коэффициента уплотнения окажется меньше, заложенной в расчетах [13–20], то параметры грунтов, используемые в условиях пластичности для проектирования дорожной конструкции, будут иметь значения меньше фактических. Это так же приведет к тому, что запроектированная дорожная одежды будет иметь недостаточную жесткость для данных условий эксплуатации.
Критерием качества уплотнения является степень уплотнения грунта, она характеризуется величиной коэффициента уплотнения и должна соответствовать требованиям строительных правил. Режим и объем контроля, а также предельные отклонения коэффициента уплотнения от требуемых значений регламентируются строительными правилами. В нижних технологических слоях насыпей высотой более трех метров коэффициент уплотнения контролируют в поперечниках, расположенных на расстоянии не более 50 м, а в других конструкциях поперечного профиля не реже, чем через 200 м. В верхнем технологическом слое земляного полотна не зависимо от конструкции его поперечного профиля степень уплотнения проверяют через каждые 50 м. При ширине земляного полотна до 20 м из поперечника отбирают три пробу, одну берут по оси сооружения, а две другие отбирают на расстоянии 1,5–2 м от бровки. При ширине — более 20 м в пределах поперечника берут еще две дополнительные пробы из промежутков между осью и бровкой. Безусловна, что для повышения надежности контроля коэффициента уплотнения целесообразно сгущение сетки контроля, то есть уменьшение шага отбора проб по длине и увеличение точек контроля в пределах одного поперечника. Точные методы определения плотности, регламентируемые государственными стандартами обладают высокой трудоемкостью отбора проб и требуют значительных затрат времени на лабораторное определение плотности и влажности грунта. Поэтому возникает острая необходимость в развитии методов экспресс оценки степени уплотнения грунтов, выполняемой непосредственно на строительном объекте.
Большая экспериментальная работа по исследованию влияния влажности и степени уплотнения грунтов на показатели механических свойств выполнена В. М. Сиденко, О. Т. Батракова и Ю. А. Покутнева [21]. В результате получены эмпирические формулы, связывающие модуль упругости, сцепление и угол внутреннего трения с относительной влажностью и коэффициентом уплотнения грунта. Эти формулы приведены в табл. 1 [9]. Известно, что с увеличением плотности сухого грунта показатели прочности и деформируемости грунтов возрастают. В количественном отношении зависимость показателей механических свойств грунтов от коэффициента уплотнения и влажности можно представить эмпирическими формулами В. М. Сиденко, О. Т. Батракова и Ю. А. Покутнева [21], которые приведены в табл. 1.
Таблица 1
Формулы для расчета параметров прочности идеформируемости (Примечание W— относительная влажность, определяемая отношением влажности грунта Wе квлажности на границе текучести Wт (W=Wе/ Wт)
|
Вид грунта |
Показатель прочности или деформируемости |
Формула |
|
Суглинки и глины |
Штамповый модуль упругости, МПА |
|
|
Сцепление, МПа |
|
|
|
Угол внутреннего трения, о |
|
|
|
Супеси легкие не пылеватые |
Штамповый модуль упругости, МПА |
|
|
Сцепление, МПа |
|
|
|
Угол внутреннего трения, о |
|
|
|
Супеси крупные |
Штамповый модуль упругости, МПА |
|
Анализируя данные табл. 1 отметим, что можно решить обратную задачу, то есть получить формулы для расчета коэффициента уплотнения через измеренные параметры прочности и относительную влажность грунта. При контроле степени уплотнения целесообразно сгущение сетки контроля, то есть уменьшения расстояния между определением плотности грунта и коэффициента уплотнения. Сгущение сетки контроля дает преимущество, связанное с возможностью выявление мест с неоднородным уплотнение то есть с резко отличающимися коэффициентами уплотнения. Наличие таких участков негативно сказывается на ровности покрытий. Связано это с тем, что грунт с более высоким коэффициентом уплотнения испытывает остаточные деформации меньшей величины, по сравнению с грунтом с меньшей степенью уплотнения. Как известно [22] глубина неровности в рассматриваемой точке покрытия обусловлена разностью остаточных деформаций в этой точке и точке с наименьшей деформацией. Поэтому устранение участков с неоднородным уплотнением в процессе строительство земляного полотна позволяет уменьшить интенсивность деградации ровности покрытия при эксплуатации дороги.
В настоящее время разработано большое количество приборов для экспресс оценки параметров прочности и деформируемости грунта. Обзор и анализ таких приборов выполнен в работах [23–25]. На рис. 1 приведены установки динамического нагружения (УДН), предназначенные для измерения осадок и вычисления штампового модуля упругости грунта.
Рис. 1. Установки динамического нагружения для измерения осадки и определения модуля упругости: а — ПДУ-МГ4.01 «Удар», б — ZFG-3000
Методика измерений и обработки данных подробно описывается в руководствах пользователя, которые снабжены корреляционными таблицами, связывающими кратковременные модули со статическим модулем и коэффициентом уплотнения.
Отметим, что большинство таким приборов производятся за рубежом и сопровождаются импортным программным обеспечением, в котором коэффициент уплотнения вычисляется по отношению плотности сухого грунта к его максимальной плотности. Определяемой максимальной плотности за рубежом выполняют соответствующим типу грунта тестом (А, В или С) стандартным или модифицированным методом Р. Проктора. Методику этого эксперимента можно изучить по материалам работы [26].
В РФ для этого эксперимента применяют метод стандартного уплотнения. Эти методы имеют отличия, как по методике проведения испытания, так и по оборудованию. Поэтому максимальная плотность грунта, определяемая по методам РФ, США и стран Евросоюза различная. Эта требует уточнения коэффициентов уплотнения, которые показывают зарубежные УДН или оборудование, работающее на импортном программном обеспечении.
При вычислении модуля упругости грунтового основания применяют представление Ж. Буссинеска, которое считается общепринятым. Вместе с тем для вычисления напряжений при расчете осадок используют совершенно другие решения, например при расчете осадок от круглого штампа применяют решение [27], недостатки которого описываются в работе [3]. Поэтому наряду с решением [27] для расчета главных напряжений можно применить способ, найденный в работах [28–30]. После расчета напряжений и вычисления по измеренной осадке модуля упругости коэффициент уплотнения можно рассчитать по обобщающей зависимости:
,(1)
где A, B и C — комплексные коэффициенты, зависящие от параметров грунта, характеризующих его вид и разновидность, и прибора с помощью которого выполнено экспериментальное определение модуля упругости (деформации) грунта.
При контроле качества уплотнения грунтов удобно оперировать не относительной влажностью, а оптимальной влажностью Wо или коэффициентом увлажнения kувл. Эти параметры можно вычислить по формулам
(2)
где — коэффициент перехода от оптимальной влажности к влажности на границе текучести, определяемый отношением их значений, установленных экспериментально по методам изложенных ГОСТ.
Несмотря на то, что известны ориентировочные значения параметров грунта, используемых в формулах (2), при контроле качества они определяются экспериментально с периодичностью 1 раз на 2000 м3 грунта.
Используя зависимости (2) в выражении (3), получим формулу:
(3)
Зависимость (3) является обобщающей моделью расчета коэффициента уплотнения по вычисленному с использованием осадок, измеренных УДН, модулю упругости.
Задачами дальнейшего исследования автора является определение параметров A, B и C модели (3). Для этого необходимо выполнить экспериментальные испытания с применением различных установок динамического нагружения, определив для каждой из них свои коэффициенты A, B и C. По результатам этой работы предполагается формирование базы данных.
Литература:
1. Александров А. С. Расчет пластических деформаций материалов и грунтов дорожных при воздействии транспортной нагрузки // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. Строительство. — 2009. — № 2. — с. 3–11.
2. Wichtmann T., Niemunis A. Triantafyllidis Th. Strain accumulation in sand due to drained cyclic loading: on the effect of monotonic and cyclic preloading (Miner's rule) // Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2010. Vol.30, № 8, Pp.736–745.
3. Александров А. С. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу. Ч. 1. Состояние вопроса: монография. — Омск: СибАДИ, 2015. — 292 с.
4. Семенова Т. В., Гордеева С. А., Герцог В. Н. Определение пластических деформаций материалов, используемых в дорожных конструкциях // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. — 2012. — № 4(37). — с. 247–254.
5. Золотарь И. А. К определению остаточных деформаций в дорожных конструкциях при многократных динамических воздействиях на них подвижных транспортных средств / И. А. Золотарь. — Санкт-Петербург: Изд-во ВАТТ, 1999. — 31 с.
6. Александров А. С. Критерии расчета дорожных конструкций по ровности, допускаемые и предельные неровности // Вестник гражданских инженеров. — 2008. — № 4. — с. 97- 104.
7. Герцог В. Н., Долгих Г. В., Кузин В. Н. Расчет дорожных одежд по критериям ровности. Часть 1. Обоснование норм ровности асфальтобетонных покрытий // Инженерно-строительный журнал. — 2015. — № 5(57) — с. 45–57.
8. Александров А. С., Гордеева С. А., Шпилько Д. Н. О допускаемых и предельных значениях неровностей асфальтобетонных покрытий дорожных одежд жесткого типа //Автомобильная промышленность. — 2011. — № 2. — с. 31–35.
9. Семенова Т. В., Герцог В. Н. Пластическое деформирование материалов с дискретной структурой в условиях трехосного сжатия при воздействии циклических нагрузок // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. — 2013. — № 1(29). — с. 68- 73.
10. Александров А. С., Киселева Н. Ю. Пластическое деформирование гнейс- и диабаз материалов при воздействии повторяющихся нагрузок // Известия высших учебных заведений. Строительство. — 2012. — № 6. — с. 49–59.
11. Александров А. С. Пластическое деформирование гранодиоритового щебня и песчано-гравийной смеси при воздействии трехосной циклической нагрузки // Инженерно-строительный журнал. — 2013. — № 4(39) — с. 22–34.
12. Александров А. С. Применение теории наследственной ползучести к расчету деформаций при воздействии повторных нагрузок: монография. — Омск: СибАДИ, 2014. — 152 с.
13. Калинин А. Л. Применение модифицированных условий пластичности для расчета безопасных давлений на грунты земляного полотна. // Инженерно-строительный журнал — 2013. № 4(39). — с. 35–45.
14. Александров А. С., Долгих Г. В., Калинин А. Л. Применение критерия Друкера-Прагера для модификации условий пластичности // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2013. № 2. — с. 26–29.
15. Болдырев Г. Г. Методы определения механических свойств грунтов. Состояние вопроса / Г. Г. Болдырев — Пенза: ПГУАС, 2008. — 696 с.
16. Александров А. С., Калинин А. Л. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу. Часть 1. Учет деформаций в условии пластичности Кулона-Мора // Инженерно-строительный журнал. — 2015. № 7(59). — с. 4–17.
17. Александров А. С., Долгих Г. В., Калинин А. Л. О допускаемых давлениях на грунты земляного полотна и слои дорожной одежды // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2012. № 2. — с. 10- 13.
18. Александров А. С. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу. Ч. 2. Предложения: монография. — Омск: СибАДИ, 2015. — 262 с.
19. Чусов В. В. Перспективы применения эмпирических условий пластичности грунтов и определение их параметров при трехосных испытаниях грунтов Вестник ВолГАСУ. — 2015. № 4(61). — с. 49–57.
20. Александров А. С., Долгих Г. В. Калинин А. Л. Модификация критериев прочности сплошной среды для расчета грунтов земляного полотна по сопротивлению сдвигу // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». — Омск: СибАДИ, 2013. — с. 228–235.
21. Сиденко В. М. Дорожные одежды с парогидроизоляционными слоями / В. М. Сиденко, О. Т. Батраков, Ю. А. Покутнев. — М.: Транспорт, 1984. — 144 с.
22. Александров А. С. Моделирование деформационных процессов, протекающих в связных грунтах // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2002. — № 4. — с. 16–19.
23. Александрова Н. П., Троценко Н. А. Применение измерителя жесткости грунта GeoGauge для оценки качества уплотнения при операционном контроле // Вестник СибАДИ, 2014, № 3 — с. 40–47.
24. Семенова Т. В., Долгих Г. В., Полугородник Б. Н. Применение Калифорнийского числа несущей способности и динамического конусного пенетрометра для оценки качества уплотнения грунта // Вестник СибАДИ, 2014, № 1 — с. 59–66.
25. Александрова Н. П., Семенова Т. В., Стригун К. Ю. Совершенствование методов экспресс оценки качества уплотнения грунтов земляного полотна строительства автомобильных дорог / Н. П. Александрова, // Вестник СибАДИ. — 2015. — № 4. — с. 46–57.
26. Александрова Н. П., Семенова Т. В., Долгих Г. В.Методы определения максимальной плотности грунтов земляного полотна автомобильных дорог[Электронный ресурс]: учебно-методическое пособие — Электрон. дан. − Омск: СибАДИ, 2015. — Режим доступа: http://bek.sibadi.org/fulltext/ESD53.pdf, свободный после авторизации. — Загл. с экрана.
27. Ahlvin R. G., Ulery H. H. Tabulated Values for Determining the Complete Pattern of Stresses, Strains and Deflections Beneath a Uniform Load on a Homogeneous Half Space, Bull.342, Highway Research Record, pp. 1–13, 1962.
28. Александров А. С. Один из путей расчета минимальных главных напряжений в грунтах земляного полотна / А. С. Александров // В сборнике:Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. ИнновацииМатериалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». — Омск, СибАДИ, 2013. — с. 217–228.
29. Александрова Н. П. Модифицированные модели для расчета главных напряжений в грунте земляного полотна // В сборнике:Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. ИнновацииМатериалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». Омск, 2013. — с. 236–246.
30. Александров А. С., Александрова Н. П., Долгих Г. В. Модифицированные модели для расчета главных напряжений в дорожных конструкциях из дискретных материалов // Строительные материалы. — 2012. — № 10. — с. 14–17.
