Особенности проектирования истроительства дорожных одежд соснованиями из укрепленных грунтов
Звягинцева Алена Сергеевна, студент
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
В статье кратко описаны современные аналитические и феноменологические методы проектирования дорожных одежд, включающих основания из укрепленных грунтов и традиционных дискретных материалов. Приведены основы технологии стабилизации грунтов вяжущими при помощи ресайклеров стабилизаторов.
Ключевые слова: дорожная одежда, укрепленный грунт, ресайклер стабилизатор, деформация, главные напряжения
В любом регионе РФ имеются природные дисперсные грунты, которые широко применяют для строительства земляного полотна. Основным недостатком таких грунтов являются сравнительно малые значения параметров прочности и деформируемости. Причем у глинистых грунтов эти параметры зависят как от степени уплотнения, так и влажности. Судить о влиянии влажности и коэффициента уплотнения на величину модуля упругости, сцепления и угла внутреннего трения можно по результатам их расчета по формулам, опубликованным в научных статьях [1–6]. Поэтому применение грунтов в дорожной одежде требует их стабилизации, подразумевающей повышение параметров прочности и деформируемости.
Анализируя методы расчета дорожных одежд, созданные в последнее время, можно сказать, что по признаку применения к определенному конструктивному элементу их следует разделить на несколько групп:
− применяемые к земляному полотну и преследующие цель совершенствования расчета по сопротивлению сдвигу в грунте [7–10] и расчета величины безопасного давления, которое дорожная одежда передает на земляное полотно [11–14]. Совершенствование таких методов расчета выполняют модификацией условий пластичности [15–19] и моделей расчета главных напряжений [20–24];
− применяемые ко всей дорожной конструкции в целом, к которым прежде всего следует отнести расчеты на воздействие динамической нагрузки [25–27];
− применяемые к одному конструктивному элементу дорожной одежды, например асфальтобетонному покрытию [28–34] или основанию из дискретного материала [35–40].
К сожалению ни один из этих методов не учитывает особенности грунтов укрепленных цементом. Поэтому в дорожных конструкциях с основанием из цемента грунта возможно применение методов расчета грунтов земляного полотна и дорожной конструкции в целом.
Отсюда следует, что повышение срока службы дорожных одежд с укрепленными грунтами следует достигать технологически, обеспечивая качественное измельчение исходного грунта, точную дозировку вяжущего, однородное перемешивание грунта и вяжущего, качественное уплотнение технологического слоя и уход за изготовленным слоем на протяжении всего периода необходимого для набора требуемой начальной прочности (обычно 3–7 суток).
Для укрепления грунтов неорганическим вяжущим применяют ресайклеры-стабилизаторы, которые используют и для холодной регенерации асфальтобетонных покрытий и оснований [41–43]. Эти машины могут работать по одной из двух технологических схем. При первой схеме (см. рис. 1) сухое минеральное вяжущее распределяется на грунт перед машиной, которая при помощи фрезерно-смешивающего барабана перемешивает грунт с вяжущим.
Рис. 1. Порошкообразное минеральное вяжущее, распределенное перед ресайклером-стабилизатором
По второй технологической схеме неорганическое вяжущее впрыскивается под кожух фрезено-смешивающего барабана в виде цементной суспензии (см. рис. 2). При размельчении грунтов фрезерно-смешивающим барабаном в месте действия резцов образуется корыто с вертикальными боковыми стенками, а по взаимодействию агрегатов грунта с рабочим органом машины можно выделить четыре группы. Первая группа агрегатов отбрасывается резцами под малым углом к горизонту, а вторая группа агрегатов отбрасывается на кожух барабана, что способствует дополнительному размельчению.
Рис. 2. Введение минерального вяжущего в виде цементной суспензии
Чем больше размер этих агрегатов, тем больше сила удара о поверхность кожуха. После удара о кожух агрегаты падают на дно корыта. Третья группа агрегатов ударяется о кожух и вновь падает на фрезерно-смешивающий барабан и вновь падает на кожух. Четвертая группа трижды отбрасывается на кожух. Многократные удары грунта о кожух способствуют лучшему его размельчению. Внутри кожуха агрегаты соударяются друг с другом, что способствует дополнительному измельчению.
Основной задачей перемешивания является распределение одного материала в другом. Качество перемешивания в значительной степени влияет на прочность будущего материала. Расчетное значение прочности определяется средним значением прочности, величиной коэффициента вариации прочности и значением коэффициента Стьюдента [41, 42], численное значение которого зависит от заданного уровня надежности и числа степеней свободы. Чем больше значение коэффициента вариации, тем меньше расчетное значение прочности и больше его отклонение от среднего значения. Значение коэффициента вариации тем больше, чем меньше однородность материала. Качественное перемешивание позволяет получить более однородную смесь. Чем однороднее смесь, тем меньше коэффициент вариации прочности и тем меньше отклонение расчетного значения прочности от среднего (нормативного) значения.
Современные ресайклеры стабилизаторы имеют систему электронного дозирования всех видов вяжущего и воды. Эти машины обеспечивают высокое качество всех операций и после всего одного прохода по следу оставляют за собой технологический слой требуемой толщины. Поверхность этого необходимо спланировать автогрейдером, а сам слой уплотнить укаткой катком. При применении минеральных вяжущих готовый слой нуждается в уходе, после выполнения которого, по цементогрунтовому основанию устраивают слои покрытия. Дорожная одежда с асфальтобетонным покрытием и основанием из укрепленных грунтов включает в себя слои из монолитных материалов, которые в меньшей степени подвержены накапливанию пластических деформаций. Поэтому такие дорожные конструкции обладают более высокими показателями ровности.
Литература:
1. Witczak M. W., Qi X., Mirza M. W. Use of Nonlinear Subgrade Modulus in AASHTO Design Procedure // Journal of Transportation Engineering, Vol. 121, No. 3 1995. Pp. 273–282.
2. Puppala A. J. Estimating Stiffness of Subgrade and Unbound Materials for Pavement Design // NCHRP Synthesis 382, Transportation Research Board, National Research Council, Washington, DC 2008. 139 p.
3. Heukelom W., Klomp A. J. G. Dynamic Testing as a Means of Controlling Pavements During and After Construction. Proc., of 1st International Conference on Structural Design of Asphalt Pavements. 1962.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. Александров А. С., Долгих Г. В. Калинин А. Л. Один из путей совершенствования расчета дорожных одежд по условию сопротивления сдвигу в грунте земляного полотна // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. — Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2013. — С. 9–22.
8. Александров А. С. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу. Том Часть 1. Состояние вопроса. — Омск: СибАДИ, 2015. — 292 с.
9. Александров А. С. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу. Том Часть 2. Предложения. — Омск: СибАДИ, 2015. — 262 с.
10. Петрушин Е. А. Сдвигоустойчивость глинистых грунтов в условиях кратковременных многократных нагрузок // Совершенствование методов расчета и конструирования дорожных одежд. — М.: СоюздорНИИ. — 1986. — С. 88–96.
11. 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.
12. Долгих Г. В. Расчет грунтов земляного полотна по критерию безопасных давлений // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. — 2013. — № 6 (34). — С. 43–49.
13. Долгих Г. В. Расчет нежестких дорожных одежд по критерию безопасных давлений на глинистые грунты земляного полотна // Автореф. Дис. канд. техн. наук. — Омск: СибАДИ. — 2014. — 20 с.
14. Долгих Г. В. Применение критерия безопасных давлений для расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу в грунте земляного полотна // // В сборнике: Политранспортные системы материалы VIII Международной научно-технической конференции в рамках года науки Россия — ЕС. Новосибирск: СГУПС, 2015. — С. 176–182.
15. 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.
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. Применение критерия Друкера — Прагера для модификации условий пластичности // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2013. № 2. — С. 26–29.
18. Чусов В. В. Перспективы применения эмпирических условий пластичности грунтов и определение их параметров при трехосных испытаниях грунтов Вестник ВолГАСУ. — 2015. № 42 (61). — С. 49–57.
19. Калинин А. Л. Совершенствование расчета касательных напряжений в дорожных конструкциях. Часть 1. Модификация критерия Писаренко-Лебедева и его применение при расчете касательных напряжений // Молодой ученый. — 2016. — № 6 (110). — С. 108–114.
20. Александрова Н. П. Модифицированные модели для расчета главных напряжений в грунте земляного полотна // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». Омск, 2013. — С. 236–246.
21. Александрова Н. П., Семенова Т. В., Долгих Г. В. Совершенствование моделей расчета главных напряжений и девиатора в грунте земляного полотна // Вестник СИБАДИ. — 2014. — № 2 (36). С. 49–54.
22. Александров А. С., Долгих Г. В., Юрьев Д. В. Расчет главных напряжений в слоях дорожной одежды из дискретных материалов // Транспортное строительство. — 2011. — № 7. — С. 17–22.
23. Александров А. С. Один из путей расчета минимальных главных напряжений в грунтах земляного полотна / А. С. Александров // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». — Омск, СибАДИ, 2013. — С. 217–228.
24. 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.
25. Колмогоров Г. Л., Кычкин В. И., Есипенко И. А. Метод конечных разностей в исследовании дорожных одежд при воздействии реальной транспортной нагрузки // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. — 2014. — № 1. — С. 69–77.
26. Колмогоров Г. Л., Кычкин В. И., Есипенко И. А. Динамическая реакция дорожной одежды на действие динамической нагрузки // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. — 2015. — № 5. — С. 39–47.
27. Есипенко И. А., Колмогоров Г. Л., Кычкин В. И. Численное моделирование колебаний дорожной одежды с учетом изменения приведенных физико-механических свойств материала // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. — 2014. — № 3. — С. 57–73.
28. Aleksandrova N. P. Chysow V. V. The usage of integral equations hereditary theories for calculating changes measures in the theory of damage when exposed to repeated loads //// Magazine of Civil Engineering, 2016, No.2. Article in Press.
29. Чусов В. В. Модифицированные критерии Писаренко-Лебедева и Кулона-Мора, учитывающие меры теории накапливания повреждений // Молодой ученый. — 2016. — № 9 (113). — С. 338–341.
30. Чусов В. В. Применение теории накапливания повреждений в условиях пластичности асфальтобетона для расчета дорожных покрытий по сопротивлению сдвигу // Молодой ученый. — 2016. — № 6 (110). — С. 221–227.
31. Александрова Н. П., Александров А. С., Чусов В. В. Учет поврежденности структуры асфальтобетона в критериях прочности и условиях пластичности // В сборнике: Политранспортные системы материалы VIII Международной научно-технической конференции в рамках года науки Россия — ЕС. Новосибирск: СГУПС, 2015. — С. 219–225.
32. Александрова Н. П., Александров А. С., Чусов В. В. Модификация критериев прочности и условий пластичности при расчетах дорожных одежд // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. — 2015. № 1 (41). — С. 47–54.
33. Кузин Н. В. Расчет пластических смещений асфальтобетонных порожных покрытий // Молодой ученый. — 2016. — № 10 (114). — С. 253–255.
34. Кузин Н. В. Исследование пластичности дорожных асфальтобетонов // Молодой ученый. — 2016. — № 10 (114). — С. 255–257.
35. 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.
36. 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.
37. 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.
38. 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.
39. Александров А. С. Обобщающая модель пластического деформирования дискретных материалов дорожных конструкций при воздействии циклических нагрузок // Строительные материалы. 2016. № 5. С. 27–30.
40. Александров А. С. Применение теории наследственной ползучести к расчету деформаций при воздействии повторных нагрузок: монография. — Омск: СибАДИ, 2014. — 152 с.
41. Wirtgen холодный ресайклинг. Руководство по применению. Germany: Wirtgen International GmbH, 2006. — 270 с.
42. ARRA. Full depth reclamation, a century of advancement for the millennium. //Asphalt Recycling and Reclaiming Association. Annapolis, US, 1993, 136 p.
43. Muncy S. G. Cold in-place recycling practices in North America. //5-th Eurobitume congress. 1993, Vol 1B, paper 4.39, pp. 886–889.
