Экономически целесообразное строительство автомобильных дорог невозможно без разработки методических основ управления плотностью грунтов, из которых они сооружаются, научного обоснования требований к степени уплотнения, поскольку плотность грунта земляного полотна является основным параметром, характеризующим устойчивость дорожной конструкции, обеспечивающим заданные потребительские свойства дороги [1]. По мнению ведущих российских специалистов, при этом следует более подробно изучить проблему большей дифференциации норм плотности с учетом особенности территорий и дорожной сети. Региональную дифференциацию норм плотности необходимо сочетать с дифференциацией расчетных характеристик грунта земляного полотна, используемых при проектировании дорожных одежд [2]. По региональным нормам деформационные и прочностные характеристики грунтов предписывает назначать отраслевой нормативный документ на проектирование нежестких дорожных одежд – ОДН 218.046-01.
Несмотря на важность и актуальность проблемы разработки региональных норм плотности земляного полотна автомобильных дорог, ее решение затягивается, причем, даже методология соответствующих исследований, как нам представляется, отсутствует. В данной работе рассматривается один из возможных подходов к решению проблемы.
Прежде всего, совершенно очевидно, что региональные нормы плотности должны базироваться на более детальном дорожно-климатическом районировании (чем это предусмотрено СНиП 2.05.02-85*). В Томском государственном архитектурно-строительном университете выполнено такое районирование Кемеровской, Новосибирской, Томской, Тюменской областей и Алтайского края (В.Н. Ефименко, С.В. Ефименко, М.В. Бадина и др.). На основе обобщений и анализа основных географических комплексов, влияющих на службу дорог, в пределах дорожно-климатических зон по СНиП 2.05.02-85* выделены дорожные районы, представляющие собой генетически однородную территорию, характеризующуюся типичными, свойственными только ей климатом, геологией, рельефом местности, растительностью, почвами, видом грунта и его влажностью.
Дальнейшее развитие этого направления, на наш взгляд, должно учитывать, что в процессе строительства автомобильных дорог грунты меняют свои свойства, поскольку подвергаются различным физико-механическим и химическим процессам. Фактически приходится иметь дело с техногенными грунтами, свойства которых на стадии инженерных изысканий не известны, но именно они определяют качество земляного полотна и дороги в целом. Относительно простым, но достоверным здесь может быть метод статистического анализа с отбором проб на производственных объектах в пределах определенной территории.
Рассматриваемая проблема имеет еще один немаловажный аспект: одна из наиболее важных задач дорожного строительства России на данном этапе – обеспечение требуемого качества продукции (в нашем случае – качества уплотнения земляного полотна).
Анализ практики отечественного дорожного строительства показывает, что обеспечение качества уплотнения глинистых грунтов (из которых возводится большинство объектов) в настоящее время осуществляется в основном за счет производственного контроля и управления технологическими процессами. В то время как в мировой практике еще с 90-х годов прошлого века это делается, в первую очередь, за счет управления на этапах проектирования объекта и технологии [3]. В значительной степени реализации современного подхода мешает отсутствие необходимых данных для проектирования, применение устаревших подходов. Например, повышенное уплотнение (уплотнение до степени выше требуемой нормами), которое дает весьма ощутимый технический и экономический эффект, практически не предусматривается в проектах. С другой стороны, следует согласиться и с мнением многих специалистов (особенно практиков), что в ряде случаев достичь необходимой степени уплотнения глинистых грунтов достаточно сложно или невозможно.
На качество уплотнения насыпей влияют погодные условия, свойства грунтов, характеристики используемых технических средств, соблюдение технологии работ и т. д. Многообразие и сложность взаимодействия этих факторов делают, статистический анализ результатов уплотнения грунтов в насыпях реальных объектов и обоснование на его основе соответствующих региональных зависимостей практически единственным эффективным методом.
Для исследований нами была выбрана Кемеровская область, отличающаяся большим разнообразием климатических и грунтовых условий. Так, в Кузнецкой котловине за год выпадает в среднем 450-500 мм осадков (в Промышленновском, Ленинск-Кузнецком районах – 150-300 мм), в горных районах области – 800-1200 мм, причем большая их часть приходится на теплое время года, когда с Атлантического океана поступают влажные воздушные массы. Это объясняется особенностями поверхности области: горные системы, поднимаясь на пути переноса воздушных масс, задерживают их. В тоже время, географическое положение Кемеровской области позволяет распространить результаты, полученные для ее условий, на значительную часть территории Сибири.
Для анализа использовались материалы испытаний независимой компетентной лаборатории Кузбасского центра дорожных исследований, осуществляющего контроль качества на основных дорожных объектах Кемеровской области, и результаты исследований автора. Рассматривался период с 1992 по 2009 гг. Массив данных состоял из данных испытаний около 700 проб грунтов. При этом все измерения и испытания проводились с использованием поверенных средств измерений, аттестованного испытательного оборудования, что позволило обеспечить необходимую достоверность результатов.
Наиболее полный учет природных условий Кемеровской области возможен на основе районирования, предложенного проф. В.Н. Ефименко [4], которое делит ее территорию на четыре дорожных района (1-4); три подзоны (Р – равнинная, Х – холмистая, Г – горная) и две зоны (II и III дорожно-климатические зоны по СНиП 2.05.02-85*).
В процессе анализа данных испытаний грунтов была выполнена статистическая обработка всего массива данных (без разделения по дорожно-климатическим районам) и по отдельным районам. Обработка проводилась средствами Microsoft Excel. Установлено, что плотность распределения рассматриваемых параметров грунтов подчиняется нормальному закону. На рис. 1 приведены данные по плотности распределения коэффициента уплотнения.
Рис. 1. Плотность распределения значений коэффициента
уплотнения
Средние значения коэффициента уплотнения грунта по отдельным дорожно-климатическим районам различаются: II.Г.2 – 0,962; III.Х.4 – 0,986; III.Р.3 – 0,973. Выявлено также существенное различие и других показателей грунтов [5], что, кстати, указывает на целесообразность уточнения дорожно-климатического районирования и правильность положенных в его основу подходов. На рис. 2 показано различие естественной влажности по отдельным климатическим районам.
Рис. 2. Плотность распределения значений естественной (фактической) влажности
Часто в разных районах области земляное полотно сооружали одни и те же подрядные организации, или организации, имеющие примерно одинаковые технические средства и другие условия, влияющие на качество работ. Установлено, что нет существенной разницы между результатами уплотнения в верхних, средних и нижних слоях насыпи, поэтому в процессе анализа соответствующее разделение массива данных не производилось. Для всех районов отмечен значительный разброс значений коэффициента уплотнения: от 0,82 до 1,11. Все это говорит о недостаточном уровне организации и нарушениях технологии работ.
Обращает на себя внимание наличие явной зависимости между коэффициентом увлажненности грунта (соотношение естественной и оптимальной влажности) и достигаемым коэффициентом уплотнения (см. таблицу).
Степень увлажненности глинистых грунтов на территории Кузбасса
|
Климатический район |
II.Х.1 |
II.Г.2 |
III.Р.3 |
III.Х.4 |
Среднее значение |
|
Соотношение естественной и оптимальной влажности грунта |
1,22 |
1,07 |
1,04 |
0,95 |
1,03 |
|
Среднее значение коэффициента уплотнения |
0,941 |
0,962 |
0,973 |
0,986 |
0,966 |
Данные, представленные на рис. 1, показывают, что в целом на практике обеспечивается довольно высокая степень уплотнения и имеются предпосылки для введения повышенных норм плотности грунта. С другой стороны, на качество уплотнения в реальном технологическом процессе могут влиять такие факторы, как естественная влажность грунта, величина оптимальной влажности, коэффициент увлажненности грунта и т. д.
Для решения вопросов, связанных с проектированием процессов строительства земляного полотна, важное значение имеет связь естественной и оптимальной влажности грунта. На основании анализа статистических данных получена следующая зависимость:
Wopt = 12,216 + 0,3662Wе. (1)
Очевидно, что грунтам с повышенной естественной влажностью соответствуют более высокие значения оптимальной влажности. Это следует учитывать при проектировании мероприятий по увлажнению или просушке грунта, предварительно тщательно исследовать их свойства. В отличие от общепринятого мнения практиков-дорожников, грунты с повышенной естественной влажностью далеко не всегда требуют просушки в весенний период или при выпадении осадков.
Для зависимости «коэффициент уплотнения–коэффициент увлажнения» (отношение естественной влажности грунта к оптимальной) получена следующая формула (при R2 = 0,0268, Кв = - 0,35):
Ку = 1,0573 – 0,0872Кувл. (2)
Зависимости (1) и (2) можно использовать для назначения мероприятий по увлажнению или просушке грунтов, прогноза ожидаемых показателей уплотнения.
Нормы (СНиП 2.05.02-85*, СНиП 3.06.03-85) регламентируют границы допустимого отклонения значений естественной влажности от оптимальной. Эти границы зависят от требуемой степени плотности и вида грунта. Необходимо учитывать и абсолютные значения естественной влажности грунта. На практике наблюдается зависимость: чем меньше степень увлажнения грунта, тем проще обеспечить повышенное значение коэффициента уплотнения (рис. 3): достигаемый (фактический) коэффициент уплотнения уменьшается с ростом коэффициента увлажнения. Это подтверждается данными, полученными в результате исследований. Для случаев, когда естественная влажность грунта имеет высокие значения, необходимо предусматривать более жесткие нормы операционного контроля и подтверждения соответствия.
От максимальной плотности грунта и оптимальной влажности коэффициент уплотнения практически не зависит.
Рис. 3. Зависимость коэффициента уплотнения от коэффициента
увлажнения грунта
Следует отметить, что фактический диапазон изменения естественной влажности грунтов несколько больше, чем регламентировано СНиП 3.06.03-85, но это практически не отражается на достигаемой степени уплотнения.
Для различных дорожно-климатических районов Кемеровской области [2] экспериментально (с применением теории планирования эксперимента) получены региональные зависимости статического модуля упругости грунта от его влажности и степени уплотнения, которые могут использоваться для получения расчетных значений динамических модулей упругости. Формула (3) иллюстрирует такую зависимость для дорожно-климатического района III.Р.3:
Еу = – 1683,24 – 54,87W + 4255Ку + 1,79W2 – 1812КУ2 – 17,2 WКУ. (3)
Зависимость (3) справедлива в диапазоне изменения влажности грунта от 16 до 20% по массе, для коэффициента уплотнения от 0,95 до 1,05 и получена в результате испытаний суглинка тяжелого пылеватого, имеющего характеристики, соответствующие среднестатистическим показателям грунта для данного климатического района [4].
Результаты данного исследования позволяют более обоснованно назначать меры по обеспечению требуемой степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог и аналогичных сооружений, проектировать дорожные объекты и соответствующую технологию работ на основе региональных зависимостей. Совершенно очевидно, что современные технические средства позволяют в массовом порядке достигать значений коэффициента уплотнения 1,0-1,1, без специальных мер (в т. ч. просушки или увлажнения грунта).
Библиографический список
1. Хархута, Н. Я. Прочность, устойчивость и уплотнение грунтов земляного полотна автомобильных дорог /Н. Я. Хархута, Ю. М. Васильев. – М.: Транспорт, 1975. – 288 с.
2. Казарновский, В.Д. Основы нормирования и обеспечения требуемой степени уплотнения земляного полотна автомобильных дорог/ В.Д. Казарновский, А.К. Мирошкин, И.В. Лейтланд /ФГУП «СоюздорНИИ». – М., 2002. – 54 с.
3. Лапидус, В.А. Всеобщее качество (TQM) в российских компаниях. – М.: ОАО «Типография «Новости», 2000. – 432 с.
4. Ефименко, В.Н. Дорожно-климатическое районирование Кемеровской области // Опыт обеспечения эффективности дорожного комплекса Кузбасса: Сб. науч. тр. – Томск: Изд-во Томск. ун-та, 1997. – С. 62-66.
5. Афиногенов, А.О. Анализ технологических свойств глинистых грунтов юга Кузбасса // Вестник КузГТУ. – 2009. – № 3. – С. 121-124.
