Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследований 12
1.1 Обзор научных работ по использованию мерзлых грунтов при строительстве автомобильных дорог 12
1.1.1 Анализ действующих нормативных документов, используемых при строительстве автомобильных дорог 12
1.1.2 Анализ научных разработок по применению мерзлых грунтов используемых при строительстве дорог 26
1.1.3 Анализ научных разработок по применению мерзлых грунтов используемых при строительстве грунтовых плотин 38
1.2 Прогнозирование теплофизических процессов в насыпях 42
1.2.1 Природа мерзлых грунтов, их особенности и физические свойства 42
1.2.2 Консолидация оттаивающих сильнольдистых грунтов и осадка насыпей 47
1.2.3 Сезонное оттаивание мерзлых грунтов 59
Цели и задачи исследований 63
Глава 2. Теоретические основы расчета осадки земляного полотна возведенного из глинистых мерзло-комковатых грунтов 65
2.1 Общая расчетная схема и постановка задачи 65
2.2 Исследование процесса макроосадки 69
2.3 Исследование процесса микроосадки 78
2.4 Алгоритм расчета осадки земляного полотна 92
2.5 Пример расчета 96
Глава 3. Исследование влияния размеров и свойств мерзлых комьев на процесс осадки земляного полотна 98
3.1 Общая методика экспериментальных исследований 98
3.2 Полевые обследования опытных участков автомобильных дорог 99
3.3 Вычислительный эксперимент 105
3.3.1 Влияние размеров мерзлых комьев на величину макроосадки насыпи 106
3.3.2 Влияние свойств грунта на осадку земляного полотна при оттаивании 112
3.4 Анализ полученных результатов 116
Глава 4. Разработка рекомендаций по сооружению земляного полотна лесовозных дорог из мерзло-комковатых глинистых грунтов 118
4.1 Состав подготовительных работ 119
4.1.1 Восстановительные и геодезические работы 119
4.1.2 Выбор и подготовка грунтовых карьеров 120
4.2 Состав основных работ 121
4.2.1 Рыхление мерзлых грунтов 122
4.2.2 Сооружение земляного полотна из мерзло-комковатых грунтов 125
4.3 Строительно-стабилизационные работы 128
4.4 Рекультивация грунтовых карьеров 130
Основные выводы 134
Литература 135
Приложение 151
- Анализ научных разработок по применению мерзлых грунтов используемых при строительстве дорог
- Полевые обследования опытных участков автомобильных дорог
- Влияние свойств грунта на осадку земляного полотна при оттаивании
- Сооружение земляного полотна из мерзло-комковатых грунтов
Введение к работе
В настоящее время развитие лесной промышленности связано с освоением северных районов Сибири, Дальнего Востока и Забайкалья, на долю которых приходится 60% площади российских лесов. Главным условием развития лесного промышленного комплекса и создания всей жизненно важной инфраструктуры северных районов рассматриваемых регионов является строительство достаточной сети автомобильных дорог различного назначения с высокими транспортно-эксплутационными показателями.
Автомобильные лесовозные дороги во многом определяют эффективность лесозаготовительной промышленности и оказывают влияние на социальное развитие того или иного района. Вывозка лесоматериалов из лесосек на лесные склады, пункты переработки и потребления является важнейшим технологическим процессом лесозаготовительного производства, посредством которого определяется возможность и целесообразность освоения лесных запасов, и в значительной степени себестоимость продукции лесозаготовок.
Высокие темпы развития лесной промышленности северных районов Сибири, Дальнего Востока и Забайкалья не возможны без строительства автомобильных лесовозных дорог круглогодичного действия. Между тем, уровень развития дорожной сети в этих регионах крайне низок и значительно уступает районам России с сезонно-мерзлыми грунтами, как по протяженности дорог на 1 км ,на 1000 жителей, так по категорийности и качественному их состоянию. За исключением пригородных дорог и к аэропортам. Большая их часть построена для промышленных целей, путем стадийного улучшения автозимников до автомобильных дорог с круглогодичным проездом.
Такая ситуация сложилась из-за слабой заселенности территорий, недостаточной изученности условий строительства, отсутствия крупных индустриальных баз и дорожно-строительных организаций, а главное, дефицитом пригодных для строительства дорожно-строительных материалов и денежных средств.
Основной причиной являются и суровые природные условия - низкие отрицательные температуры до -60 °С; значительная продолжительность зимнего периода до 9 месяцев; близко залегающие к поверхности многолетнемерзлые грунты; чрезвычайно многообразные литологические и температурные характеристики распространения грунтов; широко распространены неблагоприятные в дорожном отношении грунты сезонно-талого слоя (морозоопасные пылеватые супеси и суглинки с малой несущей способностью при оттаивании); наличие во многих случаях вблизи верхней границы многолетнемерзлой толщи подземного льда, вскрытие которого обусловливает возникновение термокарстовых явлений в пределах дорожной полосы; распространенность заболоченных территорий (марей); широкое распространение пучения грунтов и появление бугров пучения.
Производство существенных объемов земляных работ в северных районах рассматриваемых регионов с использованием талых грунтов ограничено, из-за короткого лета и продолжительной зимы (7-9 месяцев в году). Поэтому строительство больших участков дорог из талых глинистых грунтов на полную высоту насыпи практически невозможно, или требует большого сосредоточения строительной техники, что также невозможно из-за отсутствия крупных дорожно-строительных баз. Так же необходимо производить предварительное подсушивание глинистых грунтов из-за их повсеместного переувлажненного состояния до требуемой влажности. Однако для некоторых северный районов Сибири, Дальнего Востока и Забайкалья характерно большое количество выпадаемых дождевых осадков летом, что значительно увеличивает время для просыхания грунтов.
Использование крупнообломочных грунтов для регионов бедных дренирующими материалами не всегда экономически целесообразно, так как возведение земляного полотна автомобильных лесовозных дорог из данного грунта требует выполнения большого объема транспортных работ и обуславливает чрезмерно высокую стоимость строительства. В некоторых северных районах Сибири, Дальнего Востока и Забайкалья гравийно-галечниковые, щебенистые и иные каменные материалы, залегают на столь больших глубинах, что их разработка и использование в массовом дорожном строительстве, как правило, экономически не оправдано.
В настоящее время проектирование и строительство автомобильных дорог общего пользования, лесовозного и промышленного назначения, в районах распространения многолетнемерзлых грунтов осуществляется согласно ВСН 84-89 [17].
В процессе экспериментальных и теоретических исследований разработан нормативный документ - ВСН 84-89 «Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты» [17]. Все отраслевые нормативные документы, разработанные для северных условий, базируются на теоретических основах общего и инженерного мерзлотоведения и многолетнем опыте строительства, эксплуатации автомобильных дорог. Вместе с тем, сам подход по проектированию и строительству линейных дорожных сооружений к которым относится автомобильная лесовозная дорога, позаимствован из опыта проектирования, строительства зданий и сооружений на многолетнемерзлых грунтах и не в полной мере пригоден для линейного объекта.
Многофакторная, изменчивая по длине, окружающая среда линейного объекта, претерпевает существенные изменения после завершения его строительства. Изменяется влажность грунтов деятельного слоя, их плотность, толщина снежного и растительного покрова, инсоляция, светопоглощающая способность поверхности и т.п. Умение прогнозировать изменение свойств тела насыпи и основания линейного сооружения во времени позволяет оптимизировать конструкции, технологию возведения земляного полотна, а также определить реальные сроки перехода от в начале устраиваемых переходных типов покрытия к более совершенным.
Учитывая сложные инженерно-геологические и мерзлотно-грунтовые условия северных районов Сибири, Дальнего Востока и Забайкалья, при дефиците скальных и пригодных для строительства автомобильных лесовозных дорог грунтов, особенно остро ставится проблема расширения применения местных талых и мерзлых глинистых грунтов повышенной влажности для возведения земляного полотна.
Наиболее эффективными путями снижения стоимости и повышения темпов строительства, дорог в рассматриваемых районах России следует считать увеличение объемов применения местных глинистых грунтов для сооружения земляного полотна при условии всестороннего учета специфических особенностей рассматриваемой зоны при проектировании дорожных конструкций с целью обеспечения их длительной прочности и устойчивости.
Требования же нормативных документов ориентированы в основном на использование грунтов в талом виде при традиционных методах и способах строительства земляного полотна автомобильных лесовозных дорог. Однако, как показала практика строительства, требования нормативных документов не в полной мере отвечают реальным условиям районов Севера характеризующихся дефицитом кондиционных грунтов и дорожно-строительных материалов. Предварительное подсушивание местных глинистых грунтов в резервах, не позволяет обеспечить требуемые объемы земляных работ выполняемых в летний строительный сезон.
Весь комплекс причин привел к разработке нетрадиционной технологии возведения земляного полотна, в соответствии с которой насыпь отсыпается в зимний период из местных мерзло-комковатых глинистых грунтов повышенной влажности. Стабилизация грунтов земляного полотна при такой технологии происходит под воздействием погодно-климатических факторов и временных нагрузок от подвижного транспорта.
Данная технология позволяет вести круглогодичное возведение земляного полотна с равномерным использованием рабочих и средств механизации, что обеспечивает ускорение дорожного строительства, повышение его экономической эффективности, и сохранение высококвалифицированных кадров.
По такой технологии построены автомобильные дороги протяженностью 40-70 км в Республике САХА (Якутия), Ямало-ненецком национальном округе.
Стабилизацию деформаций грунтов земляного полотна автомобильной лесовозной дороги, возведенного из мерзло-комковатых глинистых грунтов повышенной влажности в зимний период можно разделить на два этапа:
1. На первом этапе происходит переход грунтов насыпи из комковатого состояния в сплошное (талое), который сопровождается большими деформациями за счет ликвидации пустот и фильтрации воды.
2. На втором этапе за счет процессов промерзания-оттаивания и уплотнения под воздействием нагрузок происходит последующая стабилизация грунтов земляного полотна находящихся в сплошном состоянии.
В случае использования мерзло-комковатых глинистых грунтов повышенной влажности основной проблемой является исследование особенностей, происходящих на первом и втором этапе. Исследованиями данной проблемы занимались Ф.Х. Юрков [147], А.Н. Шуваев [146], М.В. Панова [93], В.Н. Лонский [74]. Однако, основное внимание в этих исследованиях уделяется осадке сплошной насыпи, т.е. второму этапу стабилизации, при которой применим математический аппарат механики сплошных сред. Что касается первого этапа, то он остается мало изученным и требует дополнительных экспериментальных и теоретических исследований.
Для дальнейшего совершенствования данной технологии необходимым является исследование процессов происходящих при переходе грунтов насыпи при оттаивании из комковатого состояния в сплошное (талое), и сопровождаемых значительными по величине деформациями. Исследование этих процессов, влияющих на них факторов и прогнозирование осадки, позволит управлять процессом стабилизации грунтов земляного полотна на основе конструктивно-технологических и организационных решений. Данные исследования позволят усовершенствовать технологию строительства лесовозных дорог из мерзло-комковатых глинистых грунтов как наиболее актуальной для лесной отрасли, и будет способствовать: развитию индустриального дорожного строительства в районах Севера; ускорению времени стабилизации грунтов земляного полотна; сокращению срока ввода дороги в эксплуатацию, и снижению затрат на вывозку лесоматериалов.
Целью диссертационной работы является разработка метода прогнозирования процесса осадки земляного полотна автомобильной лесовозной дороги, возведенного из мерзло-комковатых глинистых грунтов.
Для достижения этой цели поставлены основные задачи исследований:
1. Установить и обосновать основные процессы, протекающие при оттаивании земляного полотна автомобильной лесовозной дороги возведенного из мерзло-комковатых глинистых грунтов повышенной влажности.
2. Разработать математическую модель и алгоритм расчета процесса осадки земляного полотна возведенного из мерзло-комковатых глинистых грунтов повышенной влажности при оттаивании в первый строительный сезон.
3. Исследовать влияние размеров мерзлых комьев, физико-механических свойств мерзлого глинистого грунта на величину осадки земляного полотна.
4. Разработать рекомендации по возведению земляного полотна из мерзло-комковатых глинистых грунтов повышенной влажности. Научная новизна работы определяется следующими результатами, выносимыми на защиту:
1. Теоретическое обоснование основных процессов происходящих при оттаивании земляного полотна возведенного из мерзло-комковатых глинистых грунтов.
2. Математическая модель осадки земляного полотна возведенного из мерзло-комковатых глинистых грунтов повышенной влажности, учитывающая размеры мерзлых комьев и плотность их упаковки.
3. Алгоритм и компьютерная программа реализующий расчет осадки земляного полотна.
4. Аналитическая и графическая зависимость величины осадки земляного полотна при оттаивании от размеров мерзлых комьев и плотности их упаковки.
5. Рекомендации по ускорению стабилизации земляного полотна и снижению величины осадки за счет подбора размеров мерзлых комьев и плотности их упаковки при возведении насыпи.
Практическая значимость состоит в совершенствовании технологии строительства лесовозных дорог из мерзло-комковатых глинистых грунтов в районах распространения многолетнемерзлых грунтов путем разработки на основе прогностических расчетов конструктивно-технологических и организационных мероприятий направленных на ускорение стабилизации грунтов земляного полотна. Применение рекомендаций по возведению земляного полотна из мерзло-комковатых глинистых грунтов повышенной влажности позволяет сократить сроки ввода дороги в эксплуатацию и снизить стоимость строительства.
Разработанная математическая модель позволяет решать проектные задачи: определения объемов земляных работ выполняемых в зимний и летний период, начальной высоты насыпи, прогнозировать деформации и величину оттаивания насыпи во времени.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается полнотой анализа современного состояния исследований в области строительства лесовозных дорог в районах распространения многолетнемерзлых грунтов, корректным применением методов математического моделирования, достаточной адекватностью полученной математической модели исследуемым процессам, сходимостью результатов расчетов с фактическими данными, выполнением исследований с использованием современных средств вычислительной техники.
Реализация работы. Разработанные на основе полученных результатов рекомендации приняты к внедрению КГУ «Управлением автомобильных дорог по Красноярскому краю», ГУП «Красноярским НИИ автомобильных дорог» и используются в учебном процессе СибГТУ на кафедре «Промышленного транспорта и строительства».
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях СибГТУ (2003-2005 г.). Работа поддержана грантом Красноярского краевого фонда науки - 15G.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и приложения, содержит 166 страниц машинописного текста, в том числе 26 рисунка.
Анализ научных разработок по применению мерзлых грунтов используемых при строительстве дорог
Недостатки методик проектирования, описанные выше, и нарастающие темпы освоения Севера, побудили строителей и ряд ученых, разработать нетрадиционную технологию возведения земляного полотна из мерзло-комковатых глинистых грунтов повышенной влажности.
Многолетний опыт строительства дорог в центральной части Республики САХА (Якутия) с использованием для возведения земляного полотна мерзло-комковатых грунтов показал, что жаркое и сухое лето, характерное для этого района, весьма благоприятно влияет на процессы консолидации оттаивающих сильнольдистых грунтов, уложенных в тело насыпи. При этом за теплый период насыпной грунт оттаивает на глубину 1,5-2,2 м. В условиях эффективного дренирования насыпи грунты в ней интенсивно уплотняются даже без использования специальных уплотняющих механизмов. При замерзании насыпи в следующий зимний период сколько-нибудь существенного их разуплотнения, как правило, не происходит. При вторичном оттаивании процесс доуплотнения возобновляется. Таким образом, за 2-3 года циклического оттаивания-замораживания состояние грунтов тела насыпи по плотности и влажности становится приемлемым с точки зрения нормальной эксплуатации автодороги. Для возможности эксплуатации дороги в период ее стабилизации, устраивались переходные покрытия из гравийно-щебеночных и гравийно-песчаных материалов. Эти покрытия с одной стороны способствовали эффективному осушению тела насыпи, а с другой обладали высокой ремонтной способностью. По мере стабилизации деформаций дорожного полотна в начале устраиваемые переходные покрытия перекрывались более капитальными или усовершенствованными [125].
Описанная технология позволяет круглогодично возводить, надежные в эксплуатации насыпи автомобильных лесовозных дорог при значительной экономии энергоресурсов и трудозатрат в сравнении с теми, которые были бы необходимы при строительстве обычными способами [125]. Однако сдерживающим фактором широкого применения данной технологии строительства дорог, является требования нормативных документов, ограничивающих применение глинистых грунтов повышенной влажности, укладка которых возможна в мерзлом состоянии.
Поэтому в 90-е годы, по заданию АО «САХАавтодор», Красноярским производственно технологическим центром НПО «Росдорнии» было проведено экспериментальное, инженерно-геокрилогическое и геотехническое исследование построенных дорог из мерзлых грунтов в данном районе. Результаты данных исследований вошли в основу работ Ф.Х. Юркова [125, 147].
Экспериментально-теоретические исследования, проведенные Ф.Х. Юрковым [147], показали, что основной причиной, существенно увеличивающей интенсивность процесса естественного уплотнения грунтов в теле насыпей возведенных из мерзло-комковатых грунтов, является сезонные процессы промерзания-оттаивания, при которых насыпь периодически полностью оттаивает, а затем полностью повторно промораживается. Если подобное происходит в условиях эффективного дренирования тела насыпи и водоотвода от нее, то уже при первичном переходе техногенных грунтов из мерзлого состояния в талое происходит скачкообразное увеличение их плотности, а затем в теплое время года за счет проявлений ползучести плотность продолжает возрастать. При повторном промерзании зимой грунты не разуплотняются существенно, а при последующих оттаиваниях процесс их доуплотнения возобновляется, с затухающей интенсивностью.
С целью экспериментальной проверки Ф.Х. Юрковым [147] в полевых условиях изложенной схемы консолидации техногенных грунтов в теле насыпи при ее термоциклировании, а также для определения количественных показателей проявления ее закономерностей, были проведены натурные исследования механических свойств грунтов в насыпях нескольких дорог, построенных в Центральной Якутии в разные годы.
Обработка результатов Ф.Х. Юрковым [147] экспериментальных определений влажности грунтов в теле насыпи, показала пространственно-временные изменения влажности и имеющих четко выраженную закономерность. Влажность грунтов не линейно уменьшается по высоте насыпи от границы постоянно мерзлых грунтов к поверхности насыпи. При этом, если на поверхности насыпи влажность сохраняется практически постоянной (в пределах от 0,12 до 0,13), то на отметке границы многолетнемерзлых грунтов она постепенно убывает во времени (от 0,2 до 0,16).
Отмеченные закономерности пространственно-временного изменения влажности грунтов привели Ф.Х. Юркова [147] к выводу, что при процессах промерзания-оттаивания в теле насыпи одновременно происходят два встречных физических процесса влагопереноса: массоперенос влаги из более глубоких слоев насыпи к верхней поверхности земляного полотна вследствие активного испарения с нее; гравитационное перемещение влаги в оттаивающем грунте к поверхности многолетнемерзлых грунтов и удаление ее за пределы насыпи вследствие дренирования.
Обработка результатов эксперимента Ф.Х. Юрковым [147] позволила подобрать эмпирическую зависимость, которая достаточно удовлетворительно аппроксимирует пространственно-временные изменения влажности в теле условной насыпи:
Полевые обследования опытных участков автомобильных дорог
В 2000-2001 году были проведены полевые исследования в Республике Саха (Якутия) а в 2004 году в Таймырском АО. Эти исследования состояли из двух направлений: 1. Обследований конструкций земляного полотна в течение первого летнего периода после зимнего строительства с определением положения границы оттаивания, осадок и физико-механических характеристик грунтов на автомобильных дорогах Борогонцы-Тюнполь, Соттицы-Борогоцы. 2. Изучения поперечных разрезов земляного полотна автомобильной дороги Хатанга-Угольный склад, Хатанга-Кладбище в течение лета, для исследования особенностей фильтрации воды при оттаивании тела насыпи возведенного из мерзло-комковатого глинистого грунта. В задачи первого направления были включены вопросы: 1) изучения изменения верхней поверхности земляного полотна возведенного из мерзло-комковатых глинистых грунтов и положения границы оттаивания в теле насыпи в первый летний сезон; 2) изучения физико-механических свойств грунтов насыпи за этот же период. По второму направлению ставилась задача по исследованию водно-теплового режима и напряженно-деформированного состояния грунтов земляного полотна в первый год после строительства. Для изучения изменения положения верхней поверхности земляного полотна или хода осадок насыпи в натурных условиях за счет удаления пустот и фильтрационной консолидации при оттаивании, применялись осадкомеры. Осадкомеры представляли собой металлические листы размером 1,0x1,0 м и толщиной 0,005 м, уложенные на поверхность основания насыпей до начала производства земляных работ (рисунок 10).
По центру каждого листа был прикреплен вертикальный стержень 020 мм и длиной 3,5 м. Вертикальное положение стержня при послойной отсыпке мерзло-комковатого грунта контролировалось уровнем, и в случае отклонения производилась его поправка. Опытные участки насыпей отсыпались высотой 3,0 м вне зависимости от размеров мерзлых комьев. Рисунок 10 - Схема установки осадкомеров в основании насыпи Для измерения осадок насыпей, опытные участки дорог были оборудованы поверхностными марками и реперами. Поверхностная марка представляла собой металлический лист с размерами 0,5x0,5 м насаживаемая на стержень осадкомера после возведения земляного полотна до рабочих отметок. Осадку определяли нивелированием поверхности марок с привязкой к реперу, представляющему собой металлический стержень 020 мм с пятой заделанной на глубину 5-6 м в многолетнемерзлый грунт через скважину. Для предотвращения смерзания стержня с грунтом в пределах сезонно-талого слоя стержень обсаживали металлической трубой 030 мм на глубину 2,0-2,5 м от поверхности земли. Пространство между трубой и стержнем заполняли солидолом. Верх обсадной трубы закрывали крышкой на резьбе. Осадкомеры были установлены на опытных участках дорог по схеме 3x50 м (рисунок 11). Всего на каждом опытном объекте устанавливалось 12 осадкомеров. При измерениях использовался нивелир SETL PS23, рейка нивелирная РН-3000 СПУ1 и металлическая рулетка FISCO YC 50/5. В начале нивелирование проводилось при установке осадкомеров в основании будущей насыпи, затем после возведения земляного полотна до рабочих отметок. Нивелирование опытных участков дорог проводилось 29-30 апреля, 25-26 июня, 4-5 августа и 1-2 октября, то есть до наступления отрицательных температур. Результаты нивелирования обрабатывались с помощью ЭВМ. Обработка результатов, показала, что в течение первого летнего периода осадка земляного полотна возведенного из мерзло-комковатых глинистых грунтов колеблется в пределах от 32 до 44% от первоначальной высоты насыпи, и зависит главным образом от плотности упаковки мерзлых комьев и влажности грунта. Последующая осадка земляного полотна происходит за счет консолидации ползучести и впервые три года после ввода дороги в эксплуатацию составляет 1,5-3,0% от первоначальной высоты насыпи. Положение границы оттаивания в теле насыпи определялось согласно ГОСТ 26262-84 [28] посредством бурения скважин с отбором из них образцов грунта. На опытных участках лесовозных дорог выбирались площадки в пределах, которых по сетке 3x50 м производилось определение глубины оттаивания посредством щупа или бурения скважин (рисунок 12). В период начала оттаивания насыпи, когда использование буровой установки было невозможным из-за вязко-текучего состояния оттаивающего глинистого грунта, для измерения глубины оттаивания использовался щуп. Щуп представлял собой заостренный металлический стержень 010 мм и длиной 1,5 м. Измерения щупом проводились по достижению глубины оттаивания 1,0-1,2м. Бурение скважин выполнялось с помощью установки УРБ 2А-2 колонкового типа, что позволяло производить отбор проб грунта с сохранением ненарушенной структуры через каждые 0,25 м по глубине скважины. Грунты отбирались как в теле насыпи, так и в ее основании ниже отметки соответствующей верхней границы многолетнемерзлых грунтов. Для каждого из отобранных грунтов в соответствии с ГОСТ 5180-84 [32], ГОСТ 12248-96 [24], 30416-96 [31], были выполнены определения стандартных физико-механических свойств. Результаты этих определений приведены в работе [147].
Влияние свойств грунта на осадку земляного полотна при оттаивании
В данном разделе на основании расчетов для трех типов грунтов, наиболее распространенных в исследуемой зоне - пылеватого суглинка легкого, пылеватой супеси, тяжелого суглинка песчанистого построены графики (рисунок 23-26). На графике (рисунок 23) приводится зависимость микроосадки, а на рисунке 24 макроосадки насыпи от различных значений радиуса, типа упаковки и физико-механических, теплофизических свойств трех видов грунта на момент времени т =150 суток. На рисунках 25, 26 приводится зависимость толщины слоя оттаявшего грунта и положения границы оттаивания от различных значений радиуса, типа упаковки (кубической рисунок 25, гексагональной, рисунок 26) и физико-механических, теплофизических свойств трех видов грунта на момент времени т =150 суток. Для построения графика (рисунок 25) расчеты для 3 типичных грунтов были проведены с начальной высотой насыпи Н = 3,2 м, а для графика (рисунок 26) начальная высота составила Н" =2,35 м. Положение верхней поверхности насыпи (обозначено серым цветом) и границы оттаивания (черный цвет) на конец летнего периода (150 суток) в зависимости от радиуса мерзлых комьев для различных грунтов: 1 - суглинок легкий пылеватый, wc = 0,48; 2 - супесь пылеватая, wc = 0,41; 3 - суглинок тяжелый песчанистый, wc = 0,33; кубическая упаковка Рисунок 26 - Положение верхней поверхности насыпи (обозначено серым цветом) и границы оттаивания (черный цвет) на конец летнего периода (150 суток) в зависимости от радиуса мерзлых комьев для различных грунтов: 1 - суглинок легкий пылеватый, wc = 0,48; 2 - супесь пылеватая, wc = 0,41; 3 - суглинок тяжелый песчанистый, wc = 0,33; гексагональная упаковка На основе результатов расчетов представленных в подразделе 3.3.1 и 3.3.2 осадки земляного полотна возведенного из мерзлых глинистых грунтов повышенной влажности, можно заключить следующее: 1. Размер мерзлого кома, как это видно на рисунке 20, существенно не влияет на величину макроосадки насыпи, но как видно на рисунках 14-22, 25, 26 оказывает влияние на микроосадку и величину оттаивания. Это можно объяснить тем, что от размера мерзлого кома зависит скорость его оттаивания или нарастание слоя оттаявшего грунта времени), определяющая ход осадки насыпи за счет фильтрационной консолидации (микроосадки), то есть чем меньше размер мерзлого кома, тем на большую величину он протаивает и тем больше его микроосадка. Следует отметить, что чем больше размер мерзлого кома, тем труднее добиться плотной упаковки. Это в свою очередь осложняет технологический процесс, направленный на управление и ускорение стабилизации грунтов земляного полотна. 2. Плотность упаковки как это видно на рисунках 14-22 оказывает существенное влияние на макроосадку, имеющую явный характер просадочности, то есть деформация насыпи тем больше, чем менее плотная упаковка.
Значительное влияние плотности упаковки, как это видно на рисунках 14-22, 25,26, так же оказывается и на величину оттаивания, то есть на скорость оттаивания мерзло-комковатого глинистого грунта, от которой зависит микроосадка насыпи. Это объясняется тем, что величина макроосадки насыпи при оттаивании оказывает существенное влияние на скорость оттаивания. Так мерзлые комья больших размеров в насыпи снижают плотность упаковки, что в свою очередь снижает скорость оттаивания и ее микроосадку. 3. Физико-механические, теплофизические свойства грунта согласно рисункам 23-26 могут оказывать значительное влияние на величину макроосадки, микроосадки насыпи. Их главное влияние производится на величину оттаивания, от которой зависит макроосадка и микроосадка. Как видно на рисунках 23-26 суглинок легкий пылеватый с суммарной влажностью wc = 0,48 имеет небольшую величину оттаивания, а значит и макроосадку. Однако из-за большой влажности величина микроосадки больше, чем у грунта - суглинок тяжелый песчанистый с суммарной влажностью wc=0,33 имеющей большую величину оттаивания. Это объясняется тем, что влажность оттаивающего грунта существенно влияет на скорость оттаивания и на осадку за счет фильтрационной консолидации. Полученные теоретические результаты сравнивались с фактическими, полученными при исследовании технологии строительства лесовозных дорог из мерзло-комковатых глинистых грунтов в Республике САХА (Якутия) Красноярским НРШ автомобильных дорог, при участии автора. Максимальная относительная погрешность для предполагаемого способа составила 20,9%. Средняя погрешность составляет соответственно 9,7%. Результаты экспериментальных исследований подтверждают достоверность разработанной математической модели, на основе которой выполняется расчет, и составляет около 90%, что вполне достаточно для практических целей. Таким образом, в сжатой форме основные выводы из анализа результатов численного расчета процесса осадки земляного полотна возведенного из мерзлых глинистых грунтов при оттаивании, следующие: 1) плотность упаковки мерзлых комьев и физико-механические, теплофизические свойства грунта существенно влияют как на полную осадку насыпи, так и на величину оттаивания; 2) размер мерзлых комьев влияет на полную осадку незначительно, однако существенно оказывает влияние на величину оттаивания насыпи.
Сооружение земляного полотна из мерзло-комковатых грунтов
Земляное полотно в зимний строительный сезон необходимо возводить до начальной высоты насыпи, определяемой согласно разработанной в данной работе методике, учитывающей осадочно-просадочные деформации насыпи, происходящие в последующий летний период при оттаивании. В зависимости от соотношения начальной высоты насыпи и величины оттаивания, полученного в результате расчета учитывающего размеры мерзлых комьев и плотности их упаковки, для ускорения процесса стабилизации грунтов тела насыпи, отсыпку земляного полотна лесовозной дороги, следует осуществлять по одной из схем [146]: 1. Насыпи до проектной высоты 1,5-2,0 м отсыпают послойно из мерзлых, предварительно разрыхленных грунтов до отметок с учетом осадочно-просадочных деформаций земляного полотна при оттаивании в летний период. 2. Насыпи с проектной высотой от 2,0 до 4,0 м возводят двумя последовательными отсыпками через 2-3 года, добиваясь стабилизированного состояния каждой отсыпки под воздействием процессов промерзания-оттаивания. 3. Насыпи более 4 м целесообразно возводить также в 2 этапа. С начала отсыпают насыпь высотой, меньшей проектной на 1,5-2,0 м. Затем, спустя 2-3 года после стабилизации верхней части насыпи на величину СТС, ее отсыпают по технологии, описанной для участка продольного профиля с рабочими отметками до 2,0 м. Главным условием ускорения стабилизации грунтов земляного полотна возведенного по первой схеме, является обеспечение полного его оттаивания грунтов тела насыпи до его основания.
Данное условие может быть реализовано с помощью подбора начальной высоты насыпи и расчетного метода разработанного в данной работе. Как показали проведенные расчеты и экспериментальные исследования, добиться полного оттаивания насыпи до его основания за летний период практически невозможно, так как на величину оттаивания по мере климатических факторов и свойств грунта, оказывают влияние размер мерзлого кома и плотность его упаковки. Условию полного оттаивания может удовлетворять случай, когда переходный слой в конце летнего периода достигает основания насыпи и заканчивается процесс макроосадки. Данное условие может быть реализовано с использованием для отсыпки тела насыпи мерзлых комьев размерами не более 0,3 м, и подбором начальной высоты насыпи с учетом плотности их упаковки. Для получения более плотной упаковки, увеличения глубины оттаивания, и снижения транспортных затрат, рекомендуется использовать для сооружения земляного полотна лесовозных дорог мерзлые комья с размерами до 0,2 м. В результате проведенных исследований при участии автора в Красноярском НИИ автомобильных дорог на лесовозных дорогах построенных из мерзло-комковатых глинистых грунтов в Центральной Якутии и Таймырском АО, плотность упаковки уложенных в тело насыпи мерзлых комьев с размерами 0,4-0,5 м и укатанными грузовым автотранспортом составляет рмс = 0,6, а при размерах 0,1-0,2 м рмс= 0,65-0,7. По ранее разработанным рекомендациям, строительные работы выполнялись без прогноза по величине и времени осадок земляного полотна возведенного из мерзло-комковатых глинистых грунтов. Настоящая работа позволяет на стадии проектирования и разработки технологического процесса прогнозировать процесс стабилизации грунтов земляного полотна и управлять этим процессом за счет подбора по размерам мерзлых комьев, плотности их упаковки и свойств грунта. На основе предложенного в данной работе метода прогноза осадки земляного полотна из мерзло-комковатых глинистых грунтов рекомендуется: определять начальную высоту насыпи с учетом осадочно-просадочных деформаций при оттаивании; оценивать объемы земляных работ необходимые для строительства в летний и зимний период; назначать сроки начала строительно-стабилизационных работ, ввода дороги в эксплуатацию по временной схеме с переходным типом покрытия и постоянной с устройством капитального типа покрытия. В результате возведенное земляное полотно до разбивочных отметок «уходит» в зиму, и летом практически служит без производства дополнительных земляных работ до достижения глубины оттаивания насыпи 90% от максимально возможной ее величины. При наличии скальных грунтов в районе строительства рекомендуется применять метод отсыпки послойно чередующихся слоев из мерзло-комковатых глинистых и скальных грунтов - метод втапливания скальных грунтов в глинистые. Это позволяет ускорить процесс стабилизации, повысить надежность и устойчивость земляного полотна, а также снизить температурно-устоичивую высоту насыпи по сравнению из чисто скальных грунтов, ориентировочно в 1,5 раза [95,117,143, 147]. Кроме того, при наличии в районе строительства песчано-гравийных материалов рекомендуется их использовать в качестве заполнителя при возведении земляного полотна из мерзло-комковатых глинистых грунтов. Данный метод позаимствован из работ Г.И. Кузнецова, Г.Г. Балясникова [3, 4, 5, 72, 73] используемый для строительства низконапорных грунтовых плотин. Для улучшения условий дренирования тела насыпи и деформирования смеси необходимо обеспечить равномерное распределение заполнителя в пустотах слоя из мерзлых комьев. Смесь рекомендуется приготавливать при послойной отсыпки мерзло-комковатого глинистого грунта и заполнителя. Внедрение заполнителя в пустоты между комьями мерзлого грунта обеспечивается планированием песчано-гравийной смеси при отсыпке. Содержание заполнителя в пустотах слоя необходимо в количестве 20-35% от объема оттаявшей смеси. Содержание заполнителя определяется строгим послойным распределением заполнителя на поверхности сооружаемого земляного полотна.
