Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса, цель и задачи исследования 13
1.1. Расчётные условия, характеристики и показатели грунтов, применяемые при проектировании нежёстких дорожных одежд автомобильных дорог по условию прочности 13
1.2. Особенности формирования состава и свойств глинистых грунтов на территории исследования 17
1.3. Анализ методов определения расчётной влажности при различных схемах увлажнения рабочего слоя земляного полотна
1.3.1. Особенности увлажнения грунтов рабочего слоя земляного полотна на территории исследования 21
1.3.2. Методы прогнозирования влажности грунтов земляного полотна в условиях глубокого залегания уровня грунтовых вод 26
1.3.3. Методы прогнозирования влажности грунтов земляного полотна при близком залегании уровня грунтовых вод 29
1.4. Цель и задачи исследования 31
Теоретическое моделирование влагона копления в грунтах рабочего слоя земляного полотна 33
2.1. Назначение методической схемы исследований 33
2.2. Уточнение теоретических положений при обосновании влагонакопления в рабочем слое земляного полотна для участков автомобильных дорог с близким залеганием уровня грунтовых вод
2.2.1. Прогноз осенней влажности грунтов в рабочем слое избыточно увлажнённого земляного полотна 36
2.2.2. Прогноз зимнего влагонакопления в рабочем слое избыточно увлажнённого земляного полотна 41
2.3. Условия назначения расчётной влажности грунтов рабочего слоя земляного полотна при глубоком залегании уровня грунтовых вод 51
2.4. Выводы по главе 2 56
Методы и приборы полевых и лабораторных исследований свойств глинистых грунтов 57
3.1. Характеристика участков автомобильных дорог, выбранных для обследования на территории Западной Сибири (II, III, IV дорожно-климатические зоны) 57
3.2. Методы и приборы проведения полевых обследований автомобильных дорог региона з
3.3. Методы и приборы для лабораторных исследований состава и свойств глинистых грунтов 71
3.4. Выводы по главе 3 83
Исследование состава и свойств глинистых грунтов западной Сибири (II, III, IV дорожно клим атическийе зоны) 85
4.1. Состав глинистых грунтов бассейна р. Обь 85
4.2. Анализ результатов полевых и лабораторных исследований свойств глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог территории исследования...
4.2.1. Анализ влажностных свойств глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог 87
4.2.2. Анализ прочностных характеристик глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог... 4.3. Анализ результатов полевых исследований деформируемости глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог 98
4.4. Анализ достоверности результатов теоретического моделирования влажности грунтов рабочего слоя земляного полотна 102
4.5. Выводы по главе 4 109
Назначение расчётных значений влажности прочности и деформируемости глинистых грунтов для территории дорожных районов западной Сибири 111
5.1. Характеристика дорожных районов, выделенных на территории Томской, Тюменской, Новосибирской областей и Алтайского края 111
5.2. Определение расчётных характеристик глинистых грунтов рабочего слоя земляного полотна в условиях 1 типа местности по характеру и степени увлажнения 119
5.3. Определение расчётных характеристик глинистых грунтов рабочего слоя земляного полотна в условиях 2 и 3 типов местности по характеру и степени увлажнения 121
5.4. Обоснование экономической эффективности рекомендаций
Общие выводы 132
Литература
- Особенности увлажнения грунтов рабочего слоя земляного полотна на территории исследования
- Уточнение теоретических положений при обосновании влагонакопления в рабочем слое земляного полотна для участков автомобильных дорог с близким залеганием уровня грунтовых вод
- Методы и приборы проведения полевых обследований автомобильных дорог региона
- Анализ влажностных свойств глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог
Введение к работе
Актуальность работы. Срок службы транспортных сооружений в значительной мере зависит от качества их проектирования. К сожалению, действующие в Российской Федерации нормы и правила проектирования автомобильных дорог не в полной мере учитывают специфику природно-климатических условий отдельных регионов. Например, рекомендуемые, отраслевыми дорожными нормами расчётные значения характеристик влажности, прочности и деформируемости грунтов земляного полотна для проектирования нежёстких дорожных одежд преимущественно были получены по результатам исследований в европейской части Российской Федерации, а для остальных территорий назначены, часто без достаточного обоснования. Поэтому не случайно, ОДН 218.046-01, при проектировании дорожных одежд для конкретных объектов, предлагает (п.п. 1.7, 2.37, 3.28) учитывать данные регионального научно-практического опыта.
Вместе с тем, актуальность исследований, направленных на обоснование значений характеристик грунтов земляного полотна для качественного проектирования автомобильных дорог в интенсивно осваиваемых районах страны, например, в западно-сибирском регионе, обусловлена низкой плотностью сети транспортных сооружений, недостаточной изученностью особенностей формирования состава, например, широко распространённых в Западной Сибири глинистых грунтов, необходимостью уточнения границ дорожно-климатических зон и существующих моделей, характеризующих физико-механические и другие свойства грунтов среды в конкретных природно-климатических условиях. Решение перечисленных вопросов может способствовать улучшению качества проектирования транспортных сооружений на недостаточно изученных территориях, а также сокращению затрат на преждевременные ремонты автомобильных дорог.
Актуальность диссертационной работы подтверждается выполнением её разделов по госбюджетной теме Программы Министерства образования и науки Российской Федерации: Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники. Подпрограмма 211. Архитектура и строительство. Регистрационный номер/ НИР: 07.01.043.
Объект исследования - глинистые грунты земляного полотна автомобильных дорог.
Предмет исследования - состав и свойства глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог, методы обоснования расчётных значений характеристик влажности, прочности и деформируемости для проектирования нежёстких дорожных одежд.
Методы исследования - теоретические и экспериментальные, включающие математическое моделирование.
Цель работы - обоснование расчётных значений характеристик глинистых грунтов земляного полотна для проектирования нежёстких дорожных одежд автомобильных дорог по условию прочности во II, III и IV до-рожно-климатических зонах Западной Сибири (Томская, Тюменская, Новосибирская области и Алтайский край).
Для достижения поставленной в работе цели были сформулированы следующие задачи:
-
Уточнить дислокацию границ II — III и III — IV дорожно-климатических зон, детализировать районирование региона исследования для проектирования автомобильных дорог.
-
Выполнить мониторинг сети автомобильных дорог, исследовать состав и свойства глинистых грунтов, сформировавшихся в природно-климатических условиях районов Западной Сибири.
-
Уточнить математическую модель влагонакопления в рабочем слое земляного полотна автомобильных дорог применительно к участкам 2, 3 типов местности по увлажнению в части учёта особенностей протекания водно-тепловых процессов на территории с глубоким сезонным промерзанием грунтов. '
-
Установить закономерности изменения характеристик прочности и деформируемости глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог территории исследования в зависимости от их влажности.
-
Выполнить территориальное нормирование расчётных значений влажности, прочности и деформируемости глинистых грунтов земляного полотна для дорожных районов, выделенных на территории западно-сибирского региона.
Научная новизна работы заключается в изучении связей и закономерностей характеризующих состав и свойства глинистых грунтов, способствующих обеспечению качества проектирования и, соответственно, экономичности эксплуатации транспортных сооружений.
-
Разработана методическая схема проведения исследований по уточнению расчётных значений характеристик глинистых грунтов для проектирования нежёстких дорожных одежд на территориях со слаборазвитой инфраструктурой.
-
Уточнена математическая модель формирования влагонакопления в рабочем слое земляного полотна автомобильных дорог применительно к участкам 2, 3 типов местности по характеру и степени увлажнения в части учёта особенностей промерзания , дорожных конструкций в условиях протекания водно-тепловых процессов, характерных для II-IV дорожно-климатических зон Западной Сибири.
-
Предложены функциональные зависимости, отражающие изменение характеристик прочности и деформируемости глинистых грунтов земляного полотна в зависимости от их влажности в западно-сибирском регионе.
Практическая значимость и реализация работы
1. Практическая значимость состоит:
в уточнении дислокации границ II - III и III — IV дорожно-климатических зон, детализировании районирования территории исследования для целей проектирования автомобильных дорог, на основе анализа модели, включающей факторы азонального, зонального, интразонального и регионального геокомплексов;
в территориальном нормировании расчётных значений характеристик глинистых грунтов, учитывающем природно-климатические условия западно-сибирского региона (Томская, Новосибирская, Тюменская области и Алтайский край) для организаций, проектирующих автомобильные дороги.
2. Результаты исследований внедрены:
в Территориальных управлениях автомобильных дорог Томской области (СТП - ТОДДФиАД 32-03-2002. Расчётные значения глинистых грунтов земляного полотна для проектирования по условиям морозоустойчивости и прочности нежёстких дорожных одежд автомобильных дорог Томской области (введён в действие приказом № 10-П от 20 января 2003г.)); Новосибирской области (СТП — ТУ АД 32-03-2000. Расчётные значения глинистых грунтов земляного полотна для проектирования по условиям морозоустойчивости и прочности нежёстких дорожных одежд автомобильных дорог Новосибирской области (введён в действие приказом № 20 от 17 марта 2000г.)); Алтайского края (СТП — ГУП «Алтайавто-дор» 32-03-2001. Расчётные значения характеристик глинистых грунтов земляного полотна для проектирования по условиям морозоустойчивости и прочности нежёстких дорожных одежд автомобильных дорог Алтайского края (введён в действие приказом № 19-04/ 1186 от 5 декабря 2003 г.));
в проектных организациях. С применением результатов исследований, приведённых в диссертационной работе, запроектированы автомобильные дороги «Новосибирск-Томск», «118 км аУд К-17р -Камень на Оби» на участке с. Кирза - граница Алтайского края и «Томск-Мариинск» на участке км 0 - км 5 (дата выдачи справки 17 марта 2005г.);
в Томском государственном архитектурно-строительном университете при обучении студентов дорожно-строительного факультета по специальности 270205 «Автомобильные дороги и аэродромы»..
На защиту вынесены:
1. Методика проведения комплексных исследований по уточнению расчётных значений характеристик глинистых грунтов для проектирования нежёстких дорожных одежд на территориях со слаборазвитой инфраструктурой.
-
Математическая модель формирования влагонакопления. в рабочем слое земляного полотна автомобильных дорог применительно к участкам 2, 3 типов местности по характеру и степени увлажнения.
-
Результаты полевых и лабораторных исследований свойств глинистых фунтов автомобильных дорог Томской, Тюменской, Новосибирской областей и Алтайского края.
-
Аналитические зависимости Егр, <ргр, Сгр = f(Wor)-, характеризующие свойства глинистых грунтов для проектирования нежёстких дорожных одежд по условию прочности, учитывающие природно-климатические условия районов Западной Сибири.
-
Нормированные территориально расчётные значения влажности (JVor), прочности {фф С,,р ) и деформируемости (Егр) глинистых грунтов земляного полотна для проектирования нежёстких дорожных одежд автомобильных дорог по условию прочности, для дорожных районов, выделенных на территории Западной Сибири.
Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций гарантирована необходимым объёмом статистики, применением современных методов расчёта и инженерного оборудования, обеспечивающих достаточный уровень надёжности результатов математического моделирования и измерений физических величин.
Апробация работы: Материалы диссертации были доложены и обсуждены на конференциях и семинарах: всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации фундаментов, мостов и автомобильных дорог. Механизация строительства. Охрана окружающей среды» (г. Пермь, 2004г.); I всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных сооружений» (г. Омск, 2006г.); Научно-техническая конференция, посвященная 75-летию НГАСУ (СИБСТРИН) (г. Новосибирск, 2005 г.); научно-техническая конференция «Архитектура и строительство» (г. Томск, 1999г.); научно- техническая конференция «Архитектура и строительство» (г. Томск, 2002г.); научный семинар «Обоснование расчётных значений характеристик свойств глинистых грунтов для проектирования нежёстких дорожных одежд автомобильных дорог Тюменской области» (г.Тюмень, 2004г.); межкафедральный научный семинар «Дорожно-климатическое районирование и обоснование расчётных значений характеристик свойств глинистых грунтов для проектирования нежёстких дорожных одежд автомобильных дорог Западной Сибири» (г. Омск, 2004г.); научные межкафедральные семинары Томского государственного архитектурно-строительного университета (г. Томск, 2002 - 2006г.). -
Личный вклад автора состоит: .
в разработке методики проведения комплексных исследований по уточнению расчётных значений характеристик глинистых грун-
тов, для проектирования нежёстких дорожных одежд, на территориях со слаборазвитой инфраструктурой;
в получении математической модели формирования влагонакоп-
ления в рабочем слое земляного полотна автомобильных дорог
применительно к участкам 2, 3 типов местности по характеру и
степени увлажнения; -
в проведении и анализе результатов полевых и лабораторных исследований состава и свойств глинистых грунтов автомобильных дорог Томской, Тюменской, Новосибирской областей и Алтайского края;
в установлении аналитических зависимостей Е, ср, С = f(W) глинистых грунтов для проектирования нежёстких дорожных одежд по условию прочности, учитывающие природно-климатические условия районов Западной Сибири;
в получении научно обоснованных данных для разработки региональных нормативных документов.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 3 стандартах предприятий, 7 статьях, опубликованных в журналах и сборниках трудов, 8 тезисах докладов на конференциях.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, списка литературы включающего 162 наименования. Объём работы 217 стр., в том числе 15 таблиц, 30 рисунков и 11 приложений.
Особенности увлажнения грунтов рабочего слоя земляного полотна на территории исследования
Идеология назначение расчётных величин грунта рабочего слоя земляного полотна для проектирования автомобильных дорог отражена в работах нескольких поколений отечественных учёных, среди которых можно выделить, специалистов в области дорожного грунтоведения М.М. Филатова, П.В. Земятченского, В.В. Охотина, Н.Н. Иванова, А.К. Бируля, М.И. Волкова, Г.И. Заславского. В результате их исследований были разработаны первые отраслевые классификации грунтов и заложены основы современных знаний об их физико-механических свойствах применительно к запросам дорожного строительства.
Немаловажным этапом в развитии дорожного грунтоведения явились изучение водно-теплового режима земляного полотна и разработка методов его регулирования [131]. Систематические полевые и лабораторные наблюдения, выполненные при участии проф. Г.Д. Дубилира, Н.А. Пузакова, Н.В. Орнатского, А.Я. Тулаева позволили в течение 30-х годов прошлого столетия разработать инженерные рекомендации по обеспечению прочности и устойчивости автомобильных дорог. Исследования первого этапа послужили основой для «Технических правил возведения земляного полотна автомобильных дорог», которые были утверждены в 1946 году. В них была помещена карта дорожно-климатического районирования территории СССР, положившая начало зональной дифференциации расчётных характеристик и норм проектирования земляного полотна, практически не претерпевшая изменений до наших дней.
Первые попытки теоретически обосновать процессы влагонакопления и пучения в грунтах представлены в работах С.Л. Бастманова [4, 5], и Н.Г. Швейковского [144]. В них изложены теоретические исследования по термодинамике земляного полотна с циклическим изменением погодных условий. Развитию теории влагонакопления в промерзающих грунтах способствовали работы исследователей в различных областях науки: например: геокриологии (М.И. Сумгин [56], А.А. Ананян [2], В.А. Кудрявцев [72] и др.); фундаментостроении (Б.И. Далматов [34], Н.А. Цытович [137] и др.); агрофизики (А.Ф. Чудновский [142], Б.В. Дерягин [35] и др.).
В связи с переходом на расчёт дорожных одежд по упругим деформациям чрезвычайную важность приобрели исследования по обоснованию комплекса расчётных значений характеристик грунтов применительно к различным природным условиям.
Основными расчетными показателями, используемыми в настоящее время при проектировании нежёстких дорожных одежд, являются: характеристики природных условий, учитываемые при назначении толщины морозозащитных слоев: глубина промерзания, продолжительность зимнего периода, сумма градусо-дней мороза, расчетный уровень грунтовых вод; показатели условий движения: его интенсивность и состав, характеризуемый давлением на ось или на колесо автомобиля и размерами следа колеса; расчетные параметры, отражающие требования к дорожной одежде и условия ее работы (например, допускаемая деформация покрытия, коэффициент запаса прочности, коэффициент повторности воздействия нагрузок и т. п.); показатели прочности и деформируемости грунтов и дорожностроительных материалов (модуль упругости, угол внутреннего трения, удельное сцепление), применяемые в зависимости от выбранного метода расчета дорожной одежды [159].
Выполненные к настоящему времени исследования [86, 105, 156] и др. показывают, что за основной показатель, характеризующий состояние земляного полотна и дорожных одежд, следует принимать величину влажности грунта, поскольку она в значительной степени обуславливает значения его прочности и деформируемости. Установление значений расчётной влажности грунтов связано с определёнными трудностями. Это вызвано изменением её в течение года и обусловленностью воздействия многих факторов, которые можно разделить на две группы. К первой группе следует отнести факторы почти не изменяющиеся во времени: положение и рельеф местности, тип грунта и др. [154, 158]. Во вторую группу входят факторы, значительно изменяющиеся во времени: количество выпавших осадков, температура воздуха, испарение и др. [74, 84,161].
Учитывая многообразие факторов воздействия и временную их изменчивость, существует несколько мнений в отношении определения расчётной влажности грунтов.
Согласно исследованиям проф. Н.А. Пузакова [105] за расчётную влажность следует принимать среднее арифметическое из выявленных в процессе наблюдений максимальных влажностей в слое грунта глубиной 0,8м. от подошвы дорожной одежды. Л.А. Преферансова [103] расчётную влажность отождествляет с оптимальной или близкой ей.
Существует принципиально иной подход к установлению значения расчётной влажности грунтов земляного полотна, заключающийся в том, что их следует определять не на существующих дорогах, а назначать, исходя из определённых требований, и обеспечивать соответствующими нормативами и мероприятиями. Так А.К. Бируля [6, 7], рассматривая методы обеспечения устойчивости земляного полотна автомобильных дорог, выдвигал требование, чтобы грунтовое основание (верхняя часть земляного полотна, воспринимающая заметные напряжения от внешней нагрузки, толщина которой составляет 1,0 м) было расположено выше опасной зоны капиллярного поднятия, верхняя граница которого характеризуется влажностью грунта, соответствующей его границе раскатывания (We\ Wm = Wom = 0,55). Эта величина значительно меньше минимальных значений расчётной влажности грунтов, рекомендуемой для аналогичных природных условий, например, проф. В.М. Сиденко [116].
Уточнение теоретических положений при обосновании влагонакопления в рабочем слое земляного полотна для участков автомобильных дорог с близким залеганием уровня грунтовых вод
Математическая модель назначения расчётной влажности глинистых грунтов земляного полотна для 2, 3 типов местности по увлажнению, включает два этапа - прогноз осенней влажности {Wf), а затем влажности грунта соответствующей началу оттаивания земляного полотна (WBPEC)[46, 95].
При прогнозировании расчетной осенней влажности (Wf) глинистых грунтов земляного полотна в зависимости от местных грунтово-гидрогеологических и мерзлотных условий должны учитываться две основные возможные схемы увлажнения: двустороннего увлажнения; одностороннего увлажнения сверху.
Эти схемы применяют на дорогах с усовершенствованными покрытиями, так как просачивание дождевой воды в земляное полотно может обусловливаться наличием трещин в покрытии. Кроме того, инфильтрация будет происходить через обочины, причем, наиболее активно, в зоне кромок покрытия [56].
В количественном анализе объема инфильтрации в грунт земляного полотна наиболее сложно учесть воду, просачивающуюся через трещины в покрытии, а также объем стока с поверхности последнего и обочин. В работах проф. И.А. Золотаря [16] было показано, что в районах Севера при наиболее неблагоприятном характере осенних осадков (длительных дождях малой интенсивности), стоком с поверхности обочин можно пренебречь. Вода, стекающая по поверхности усовершенствованных покрытий, задерживается вследствие неровности поверхности на обочинах и будет обусловливать наличие элементарного слоя на них, питающего инфильтрацию. Поэтому в приближенном расчете можно принять, что большая влажность грунта земляного полотна будет под обочинами и в зоне кромок покрытия. К этим зонам земляного полотна и будет относиться Wc,.
Игнорирование стока обусловит некоторый запас в результатах расчетов [56]. Впитывание осенью дождевых осадков через обочины может быть непрерывным в течение всего периода осеннего влагонакопления продолжительностью Твл ( вл продолжительность осеннего влагонакопления) или периодическим. Условие непрерывного впитывания имеет вид: ЯВЗ Г-ЕСРТВЛ, (2.1) где qB3 - количество воды, которое может впитать грунт, г/см ; Jjr - сумма осадков за период Твл, см; ЕСр - средняя за период Тм интенсивность испарения, г/см ч. Условие периодического впитывания может быть принято в виде: ЧЮ ТІГ ЕСРТВЛ- (2.2) Соотношение (2.2) означает, что возможный (по свойствам грунта) объем впитывания превышает сумму осадков за вычетом испарения и потому инфильтрация будет периодической [56]. Методика определения величины Еср и твл будет пояснена ниже. Значение 2s за период тВл легко вычисляется по данным метеостанций. Таким образом, при выполнении условия (2.1) объем инфильтрации через единичную площадь будет равен величине дВз, а при условии (2.2) он составит г-ЕСРтвл. Поэтому для выяснения выполнения условий (2.1) и (2.2) величина qB3 должна быть предварительно вычислена из соотношения: Чвз = -ГУск пв - оУКГтвл , (2-3) где уск - объемный вес скелета грунта, г/см ; Wm, W0 - полная влагоемкость и начальная влажность (весовые), доли единицы; Kj - коэффициент влагопроводности грунта, см /ч. Величина Цвз или І У/ ECPTRjj) выражает количество воды (в сантиметрах водяного столба), проникающее сверху в грунт за период влагонакопления Твл Рассмотрим теперь порядок определения величин ЕСр и Твл Наиболее достоверные данные по продолжительности периода осеннего влагонакопления можно получить для каждого региона путем статистической обработки данных фактических наблюдений за изменением влажности грунта земляного полотна в годичном цикле. Однако сеть соответствующих станций и постов для наблюдений за водно-тепловым режимом автомобильных дорог недостаточна. Поэтому большое значение приобретают методы расчетного определения на основе комплекса метеорологических характеристик для соответствующих районов.
Начало периода осеннего влагонакопления характеризуется увеличением среднесуточного количества осадков, повышением относительной влажности воздуха и понижением его температуры, увеличением облачности. Все это в результате обусловливает преобладание осадков над испарением. Если построить для осенних месяцев график месячных сумм осадков г и испарения Е, то точка пересечения этих графиков определит начало периода осеннего влагонакопления. За конец этого периода принимают дату наступления среднесуточной температуры 0С, приводимую в метеорологических справочниках [16, 59, 61].
Методы и приборы проведения полевых обследований автомобильных дорог региона
Полевые работы включали несколько этапов, среди которых можно выделить [51, 54, 94]: изучение проектной документации, отражающей характерные для того или иного района конструктивно-технологические решения по земляному полотну и дорожной одежде автомобильных дорог; визуальное изучение состояния объектов; уточнение соответствия конструктивно-технологических решений на обследуемых участках дорог содержанию проектов; детальное обследование участков дорог, выбранных для оборудования постов наблюдения; геодезическую съемку поперечного профиля в створе участка дороги; геодезическую съемку покрытия дорожной одежды; отбор проб грунтов для лабораторных исследований; штамповые испытания конструкций дорожных одежд и земляного полотна; испытание прочности дорожных конструкций. В процессе обследования земляного полотна выполняли: измерение ширины проезжей части и обочин, поперечных уклонов проезжей части и обочин, высоты насыпи, продольных уклонов и состояния водоотводных канав и резервов, для проверки соответствия объекта требованиям СНиП 2.05.02-85 [118]; отбор проб грунта для лабораторных исследований их свойств. Измерение ширины, поперечных уклонов проезжей части, обочин, крутизны откосов, высоты насыпей, продольных уклонов водоотводных канав выполняли с использованием мерной ленты, рулетки, геодезических инструментов, универсальных дорожных реек КП 231, "Кондор ЗМ" согласно, методикам и требованиям, приведенным в Правилах, например, ОДН 218.0.006-2002 [102] и СНиП 3.01.03-84 [119]. При планировании полевых и лабораторных исследований, на основании пробных экспериментов, устанавливали достаточное количество отбора образцов и объёма испытаний в зависимости от показателя точности Л и доверительной вероятности Р.
Планирование объёма выборок основывали на допущении, что распределение выборочных оценок среднего х близко к нормальному, что, согласно центральной предельной теореме [117], можно считать выполненным при достаточно большом числе п. На основе этой теоремы число необходимых измерений в выборке можно установить из неравенства:
По предварительным испытаниям при постоянной надёжности Р = 0,95 величины Л и а устанавливались в каждом конкретном случае. При этом, по нашим расчётам для достоверной характеристики, например, влажности и плотности однородного объёма грунта, количество измерений в одной точке должно быть не менее
Все испытательное лабораторное оборудование, геодезические измерительные инструменты, предварительно подвергали, метрологической аттестации в центрах стандартизации и метрологии. При отборе проб грунтов земляного полотна для лабораторных исследований гранулометрического состава, естественной, относительной, оптимальной влажностей, коэффициента влагопроводности, показателей прочности на обследуемых участках закладывали шурфы по полосе наката на покрытии дорожной одежды (см. рис. 3.4). Образцы проб грунта из шурфов или скважин отбирали в пределах рабочего слоя земляного полотна с глубины 0,1.. .0,2 м. от низа дорожной одежды [45]. Объем проб и их количество обеспечивали необходимую достоверность результатов при выполнении лаиораторных испытаний и анализе по всем перечисленным показателям и характеристикам свойств грунтов [54].
Общий модуль упругости дорожной одежды и грунтов земляного полотна определяли при помощи установки для проведения штамповых испытаний (рис. 3.5 - 3.7), методика и требования к оборудованию при проведении испытаний были заимствованы в работах [65, 89]. При подготовке к испытаниям штамп устанавливали на испытываемую поверхность после тщательного выравнивания ее россыпью тонкого слоя песка (1...5 мм) без нарушения структуры материала с тщательной притиркой. Конструкцию в точке испытания нагружали и выдерживали под максимальной испытательной нагрузкой в течение 2 минут, а затем разгружали [47, 54]. Перед испытанием проверяли жесткость установки индикаторов и устойчивость системы постукиванием металлическим стерженьком по швеллеру прогибомера, следя за стрелкой индикатора, которая должна дрожать, но оставаться на одном и том же делении [3]. При испытании нагрузку прикладывали ступенями до максимального расчетного давления 0,5 МПа на поверхности основания (0,2 МПа на подстилающих слоях и 0,1...0,5 МПа на связных грунтах земляного полотна). Всего назначали не менее 3...5 ступеней. Время выдерживания нагрузки на каждой ступени принимали 30 с, время, затрачиваемое на
Анализ влажностных свойств глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог
Результаты ранее выполненных исследований [135] свидетельствуют, что физико-механические свойства глинистых грунтов, применяемых в транспортном строительстве, в значительной мере зависят от их гранулометрического, минералогического составов. К сожалению, фактов, подтверждающих такое предположение техническая литература, как правило, не содержит. Причиной чему может, быть сложность организации проведения подобных исследований на обширной территории России.
По данным лабораторного изучения, гранулометрического состава глинистых грунтов, отобранных из рабочего слоя земляного полотна сети автомобильных дорог Томской, Тюменской, Новосибирской областей и Алтайского края было установлено, что содержание пылеватых фракций (0,05 - 0,005 мм) для супесей может составлять до 81,63%, для суглинков до 82,28%. Содержание глинистых фракций для супесей находится в пределах 3,05 - 20,32%, а для суглинков 2,47 - 26,11% (см. прил. 4). Отметим, что приведённые выше гранулометрические составы глинистых грунтов, близки к отражённым ранее в работе [40] результатам испытания проб, суглинка среднего пылеватого, отобранных на водораздельном правобереже реки Томь, в районе пос. Лоскутово. При этом установленно, что испытанный грунт существенно неоднороден по составу (К„=11,4) содержит 62,6% пылеватой и 19,5% глинистой фракций [50, 52].
Детальное исследование состава отмеченных выше проб суглинка среднего пылеватого, с применением специальной аппаратуры, см Гл. 3.3 позволило установить, что кристаллические составляющие поликомпонентной системы, включают кварц (60,7%), плагиоклаз (15,4%), монтмориллонит (14,5%), а также кальцит, хлорит и микроклин, суммарная интенсивность дифракционных отражений которых приблизительно равна 3% (см. прил. 7). Данные рентгеновского анализа препаратов, приготовленных из изучаемого глинистого грунта выявили, что структура основных глинистых минералов смешанослойная, неоднородная по соотношению переслаивающихся текстур [95].
Примечательно, что на территории Юга европейской части России, например, в Саратовской, Самарской областях и Предкавказье, В.И. Коробкиным зафиксировано содержание пылеватых фракций в объёме не менее 25%, содержание глинистых фракций, по его мнению [68] редко бывает ниже 50%. В глинистых фракциях пород содержатся гидрослюды, монтмориллонит, хлорит, каолинит, смешаннослойные минералы, кварц, окислы и гидрослюды железа и алюминия, цеолиты. Доминируют в изученных разрезах гидрослюды типа иллита - их редко содержится менее 50%, они сильно гидратированы, могут быть авто - и аллохтонными. Обычно содержание монтмориллонита, вместе с набухающими слоями смешаннослойных минералов - 20 - 30%, единичны случаи когда его менее 10% и более 50%. Каолинита мало, до нескольких процентов [68].
Среди неглинистых минералов преобладает кварц, образованный за счёт разложения силикатов, постоянно встречается кальцит, часто доломит, всегда есть подвижные окислы и гидроокислы железа и алюминия [68]. В вертикальном разрезе лёссовой толщи также доминирует гидрослюда, хотя с глубиной увеличивается содержание монтмориллонита. Рост содержания монтмориллонита в иллювиальных горизонтах погребных почв объясняется воздействием инфильтрующейся воды как фактора химического выветривания и механического вымывания ультраколлоидных частиц в нижние слои почвенного профиля.
В составе обменных катионов, образца - суглинка среднего пылеватого превалируют двухвалентные ионы Са и Mg (в сумме в 5,2 раза больше, чем одновалентных ионов Na) (см. прил. 7.). Установленный состав обменных катионов [42], подтверждает предположение о склонности исследуемого грунта к морозному пучению. Как следует из работы [33], состав анионов глинистой части грунтов позволяет косвенно судить об их водно-физических свойствах. В данном случае, сравнительно низкое содержание в составе группы анионов ионов хлора (в сопоставлении с бикарбонат-ионами НСО"з, а также сульфат-ионами SO", ) указывает на низкую водопроницаемость глинистого грунта, что соответствует предположению, высказанному специалистами в работе [12]. Приведённые сведения показывают, что, различные возраст, генезис поверхностных отложений, избирательность процессов выветривания при формировании покровных пород обусловливают особенности и различия в составе, состоянии, структуре, текстуре пород слагающих верхний горизонт Западно-Сибирской низменности и некоторых районов Европейской части России [48, 50]. Поэтому при проектировании автомобильных дорог необходимо учитывать всю широту и разнообразие состава и свойств глинистых грунтов земляного полотна. Во избежание ошибок на стадии проектирования, нужно руководствоваться не действующими для всей территории России рекомендациями, например, ОДН 218.046-01, СНиП 2.05.02-85 и т.д. [88, 118], а конкретными характеристиками грунтов, полученными в ходе полевых и лабораторных исследований их состава и свойств, тех или иных регионов.
