Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса оценки плотности грунтов при сооружении земляного полотна автомобильных дорог .
1.1. Основы существующих методов контроля плотности грунтов. Показатели плотности, используемые в дорожной практике 8
1.2. Общие требования к методам и приборам для контроля степени и однородности уплотнения грунтов 10
1.3. Существующие приборы для экспресс-контроля плотности грунтов методом статической и динамической пенетрации (зондирования) 12
1.3.1.Пенетрометры статического действия 17
1.3.2. Плотномеры ударного нагружения 20
1.3.3. Результаты анализа методов статической и динамической пенетрации (зондирования) 22
1.4. Применение метода динамического нагружения для контроля плотности крупнообломочных грунтов 27
1.5. Пути совершенствования экспресс-методов контроля. Цель и задачи исследования 32
Глава 2. Теоретические основы применения метода динамического нагружения для контроля плотности грунтов 40
2.1. Представление о физической картине процессов, происходящих при нагружении грунтового массива динамической нагрузкой через штамп 40
2.2. Расчетная схема и анализ процесса отскока груза в приборе динамического нагружения на основе закона сохранения энергии 51
2.3. Анализ процесса отскока груза в приборе динамического нагружения на основе схемы квазистатического воздействия в условиях штамповой задачи 51
2.4. Анализ влияния сочетания вязко-упругих свойств массива грунта на величину стабилизированного отскока в стадии упруго-вязких деформаций 69
Глава 3. Обоснование конструктивных параметров прибора на основе метода динамического нагружения для экспресс-контроля плотности грунтов 77
3.1. Общие принципы выбора основных параметров 77
3.2. Подбор жесткости пружины 78
3.3. Проверка по условию достаточной несущей способности грунта 88
3.4. Конструкция портативного прибора динамического нагружения для ускоренного контроля плотности-влажности грунтов 92
Глава 4. Экспериментальное изучение влияния плотности и влажности на величину отскока груза при динамическом нагружении грунтового массива через пружину и штамп 98
4.1. Методика проведения опытов в грунтовом канале 98
4.2. Обработка результатов измерений 107
4.3. Результаты проведенных экспериментов 127
4.4. Методика экспресс-контроля степени и однородности уплотнения грунтов земляного полотна 143
4.5. Об экономической эффективности применения методики и прибора динамического нагружения 153
Общие выводы 157
Список литературы 162
- Существующие приборы для экспресс-контроля плотности грунтов методом статической и динамической пенетрации (зондирования)
- Представление о физической картине процессов, происходящих при нагружении грунтового массива динамической нагрузкой через штамп
- Конструкция портативного прибора динамического нагружения для ускоренного контроля плотности-влажности грунтов
- Методика экспресс-контроля степени и однородности уплотнения грунтов земляного полотна
Введение к работе
В основных направлениях экономического и социального развития СССР на І98І-І985гг. утвержденными ХХУТ съездом КПСС и на период до 1990 г, намечено: "...улучшать качество строительства, ремонта и содержания дорог" /67/.
Проблема качества продукции, актуальная для всего народного хозяйства, приобретает особое значение в строительстве, где уровень качества построенных объектов еще недостаточно высок и все еще мала по сравнению с другими отраслями степень разработанности проблемы оценки качества /36,55,88/. Пути дальнейшего улучшения качества строительной продукции определены в ряде важных постановлений ЦК КПСС и Совета Министров СССР.
Существующие на сегодняшний день методы контроля качества уплотнения земляного полотна за последние 15-20 лет не претерпели существенных улучшений. В значительной мере это обусловлено тем, что имеющиеся технические средства контроля качества не дают возможности существенно модифицировать методику контроля в отношении быстродействия, надежности, оперативности.
Специалисты дорожных научно-исследовательских организаций и учебных институтов, уделяя проблеме повышения качества строительства автомобильных дорог постоянное внимание, ведут систематическую работу над совершенствованием методов и приборов для оперативного контроля качества, особенно в условиях скоростного строительства. '
В связи с расширением скоростного строительства магистральных автомобильных дорог с применением комплекта машин ДС-ЮО резко возросли объемы и темпы земляных работ. При скоростном строительстве с темпом 30-100 км дорог в год объем земляных работ на одном объекте составляет 1,2-8,5 млн.м3.
Как свидетельствует практический опыт при скоростном строительстве необходимо в смену укладывать в тело насыпи 5-30 тыс.м3 грунта. Необходимость выполнения таких больших объемов земляных работ с заданным темпом требует обеспечения оперативного и надежного контроля качества возведения земляного полотна, и в первую очередь - контроля степени и однородности уплотнения по толщине отсыпаемого слоя по всей ширине насыпи.
В соответствии с действующими нормативами /85,86,95/ плотность грунтов земляного полотна, независимо от их вида должна
находиться в пределах от 0,90 до 1,0 оск в зависимости от местоположения в земляном полотне, в дорожно-климатической зоне и в дорожной одежде.
Применяемые в практике строительства уплотняющие машины, которыми в основном являются катки, обеспечивают в настоящее время проработку слоя связных грунтов толщиной 20*25 см (приКу= 0,98-1,00), несвязных 30+35 см /98,99,101/, Экспресс-контроль плотности грунтов должен обладать достаточной точностью в указанном диапазоне изменения плотности и позволять контролировать слои грунта по толщине порядка 30*35 см.
Настоящее исследование направлено на разработку оперативного метода экспресс-контроля плотности и влажности грунта на основе динамического нагружения.
На защиту выносятся:
теоретическое и экспериментальное обоснование возможности установления взаимосвязи плотности и влажности с величиной отскока груза при испытании грунтового массива прибором динамического нагружения;
принципы выбора основных параметров нагрузочного и регистрирующего устройства, обеспечивающих возможность и удобство экспресс-контроля связных и несвязных грунтов используемых в земляном по-
лотне автомобильной дороги;
методика экспресс-контроля величины и однородности уплотнения грунта способом динамического нагружения при возведении земляного полотна.
Работа проведена с 1979 по 1982 гг. в отделе земляного полотна и дорожных одежд Всесоюзного дорожного научно-исследовательского института Союздорнии под научным руководством профессора, доктора технических наук В.Д.Казарновского, которому автор выражает самую искреннюю признательность и благодарность за его всестороннюю помощь в проведении настоящей работы. Автор также пользуется случаем, чтобы поблагодарить сотрудников Союздорнии в различных формах содействовавших выполнению работы.
Существующие приборы для экспресс-контроля плотности грунтов методом статической и динамической пенетрации (зондирования)
Обычно контроль уплотнения грунтов земляного полотна осуществляют на образце грунта, взятом без нарушения его структуры, с помощью стального кольца объемом около 500 см3 по ГОСТ 5182-78 и ГОСТ 5180-75 /37,38/. Метод режущего кольца чрезвычайно прост и достаточно точен, однако он трудоемок. Результаты измерения плотности по этому методу получаются через 5-8 часов, что связано с необходимостью определять влажность термостатированием. Производительность контроля резко снижается при работе с тяжелыми и уплотненными грунтами.
Одним из наиболее распространенных приборов в нашей стране за последние 15 лет, является прибор Н.П.Ковалева, который определяет одновременно и плотность и влажность грунта, работающий на методе гидростатического взвешивания.
Это дает возможность существенно ускорить испытание. Однако этот метод также связан с отбором образцов. При этом применение режущего кольца меньших размеров, чем по ГОСТ 5182-78, вызывает свои погрешности. Кроме того самые существенные затруднения возникают при получении суспензии грунта (что необходимо для получения объемного веса скелета), когда грунт содержит значительное количество глинистых частиц. Эти трудности могут служить источником ошибок. Исключая термостатирование, прибор Ковалева дает возможность сделать существенный шаг по пути ускорения опыта, однако он не исключает основных недостатков способа режущего кольца и не может быть в полной мере назван прибором для экспресс-контроля, т.к. длительность одного испытания обычно не удается получить менее, чем 20 мин.
Таким образом, как объемно-весовой, так и метод Ковалева не позволяют в процессе сооружения земляного полотна своевременно контролировать степень уплотнения грунтов и вносить корректировку в технологию работ при современном уровне строительства и годятся скорее для приемочного, чем для оперативного контроля. В связи с этим необходимо отметить, что дальнейшему прогрессу дорожного строительства будут способствовать такие методы контроля, с помощью которых данные об уплотнении грунтов земляного полотна можно получать без отбора образцов непосредственно на месте производства работ при наименьшей затрате труда и времени /30,60,69/.
Поэтому перед исследователями уже давно встала задача создать приборы и устройства для экспресс-контроля плотности и влажности грунтов при его возведении. При этом давно было обращено внимание на потенциальные возможности в этом плане радиоизотопных методов.
Радиометрические методы основаны на ослаблении интенсивности ядерного излучения, прошедшего через слой грунта, в зависимости от плотности и влажности этого грунта. До 1977 г. в СССР серийно выпускали поверхностные (ПГП) и глубинные (ГГП) гамма-плотномеры /30,39,53,60,94/.
Принцип работы этих приборов основан на том, что зонд, установленный на поверхности грунта или введенный в скважену, армированную обсадной трубой, реагирует на интенсивность рассеянного ядерного излучения и пропорционально ему вырабатывает импульсы. Электрические импульсы через соединительный кабель паступают в пересчетное устройство и вызывают последовательное срабатывание пересчетных триггерных ячеек, запускающих электромеханический счетчик. Показания электромеханического счетчика являются исходными данными для определения плотности влажного грунта. Для измерения влажности грунтов применяют нейтронный индикатор влажности НИВ-2, принцип действия которого основан на эффекте замедления быстрых нейтронов ядрами сильнейшего их замедлителя - водорода входящего в состав молекул воды,
В ближайшее время в СССР предлагается серийно выпускать новые более совершенные (комбинированные) радиоизотопные приборы типа "Технолог-С" /93/. Особенность этого прибора состоит в измерении с поверхности отсыпаемого слоя одновременно плотности и влажности грунта до глубины в 30 см (считая в плотном теле). В соответствии с паспортными данными прибора, испытание может проводить один лаборант .
Продолжительность 8 измерений в одной точке составляет до 7-8 мин. Влажность и плотность грунта измеряют в объеме полушара с радиусом в 30 см. Точность измерений обеспечивается в пределах ±0,02 г/см3, т.е. отвечает предъявленным требованиям.
Прибор "Технолог-С" основан на использовании явления ослабления (глубинные измерения) и рассеяния (поверхностные измерения) гамма-излучения радиоактивного изотопа. Для проведения поверхностных измерений (на глубину до 8-12 см) датчик прибора устанавливают на точке, выдерживают 30 с и снимают показания регистратора. При глубинных измерениях (свыше 10 см) необходимо перед снятием отсчета мускульным усилием внедрить в толщу грунта на требуемую глубину иглу с источником.
Во Франции радиоизотопный прибор установлен на прицепе к легковому автомобилю, что обеспечивает при скорости движения 5 км/ч непрерывное измерение плотности грунта с автоматической записью на специальной масштабной ленте.
В МАДИ еще 20 лет назад к.т.н. Фирстов В.Г. сконструировал лыжу с изотопом для непрерывного измерения плотности грунта. Лыжу перемещали по уплотненному земляному полотну при помощи легкового автомобиля, в кузове которого было установлено пересчетное устройство с автоматической записью результатов испытаний. Однако, дальнейшее внедрение этого прибора было приостановлено из-за трудности серийного его изготовления /93,94/.
Представление о физической картине процессов, происходящих при нагружении грунтового массива динамической нагрузкой через штамп
Важно отметить, что при испытании грунтов и дорожных одежд установками динамического нагружения основой был принцип приближенного моделирования воздействия кратковременных нагрузок от движущихся автомобилей. Поэтому параметры установки, в том числе время действия возникающего под штампом усилия и диаметр штампа с достаточной точностью соответствуют времени действия и отпечатку колеса движущегося по поверхности грунта или покрытия автомобиля.
Несколько с иных позиций для контроля плотности крупнообломочных грунтов рассмотрены эти установки в исследованиях Э.М.Доб-рова, И.П.Акишина, М.П.Костельева (Союздорнии) /42,43/. Воспользовавшись преимуществами установок (простота конструкции, надежность и дешевизна) ими введены в конструкцию ударной установки некоторые видоизменения для обеспечения более полной передачи энергии ударяющего груза штампу и практического исключения отскока и повторных ударов груза.
Опытно-экспериментальные работы, выполненные Союздорнии, позволяют считать, что для щебенистых каркасных крупнообломочных грунтов степень уплотнения может контролироваться при интенсивности динамической нагрузки 0,05 МПа. Это обстоятельство позволило облегчить конструкцию установки динамического нагружения.
Контроль же плотности ударной установкой Союздорнии отличается от традиционных способов контроля по модулю упругости (деформации) предшествующих установок.
Степень уплотнения крупнообломочного грунта оценивается по значению полной осадки штампа (которую измеряют вибрографом), полученный при его 20-кратном нагружении динамической нагрузкой интенсивностью 0,05 МПа. Полученная осадка сравнивается с допустимой. Допустимая осадка штампа зависит от расположения слоя грунта в насыпи и принимается (в % от диаметра штампа):
Аналогичный с указанным метод контроля плотности крупнообломочных грунтов, предложен кафедрой строительства и эксплуатации дорог Харьковского автомобильно-дорожного института. Это так называемый прибор динамического контроля ПДК-3. С точки зрения оригинальности этой конструкции необходимо отметить, что авторы метода контроля учитывая, что слои грунтового основания испытывают напряжения и деформации от эксплуатационных нагрузок значительно меньше, чем дорожное покрытие, а также учитывая снижение расчетного давления на штамп уменьшили массу падающего груза и высоту его сбрасывания /43/.
Нагружение грунтового полупространства прибором ПДК-3 производится путем сбрасывания груза с определенной высоты через пружину и штамп. При этом замеряется величина осадки в виде записи на ленте вибрографа. Расшифровывая виброграмму, измеряют полную, упругую и необратимую деформации. Далее определяют модуль упругости или деформации по формуле (1.4.5).
Контроль степени уплотнения крупнообломочного грунта сводится к сравнению получаемых модулей упругости и деформации с требуемыми. Если полученные по формуле (1.4.5) модули больше или равны требуемым, то уплотнение слоя считается завершенным.
В рассмотренных вариантах применения данного метода степень уплотнения оценивается по деформационным показателям. Однако принципиально можно получить и обычные показатели плотности, имея предварительно соответствующие корреляционные кривые. Напряжение через штамп достаточно большого диаметра обеспечивает оценку плотности "в объеме", соответствующем этому диаметру. Отсутствие необходимости разрушения грунта гарантирует от отказов. Вполне вероятно, что данный принцип оценки плотности при соответствующей его модификации может быть использован и для глинистых грунтов, т.к. он обладая преимуществами методов динамического зондирования не содержит их недостатков, также как и недостатков методов статического зондирования.
Однако существенным недостатком рассматриваемого метода в его практическом применении является сложность замера вертикального перемещения, для чего требуется специальная реперная балка и измерительное устройство высокой точности.
Конструкция портативного прибора динамического нагружения для ускоренного контроля плотности-влажности грунтов
Для обеспечения возможности экспресс-контроля плотности грунтов на основе метода динамического нагружения необходимо под штампом получить определенные напряжения, при которых удобно характеризовать деформативные свойства исследуемого грунтового массива. Возникающие напряжения должны быть: 1) достаточными, чтобы упругие деформации грунта могли существенно отражаться на отскоке (при заданных параметрах пружины); 2) ниже предельно допустимых для данного грунта по условию несущей способности; 3) такими, при которых влияние плотности и влажности грунта явно сказывались бы на результатах замеров отскока.
Для получения требуемых напряжений необходимо создать определенный динамический импульс на единицу площади. Величину динамического импульса можно получить изменением четырех взаимосвязанных параметров: массы груза, высоты сбрасывания, диаметра штампа, жесткости пружины. Предельно допустимые по условию несущей способности напряжения в свою очередь зависят от диаметра штампа, плотности и влажности грунта (вернее, от утла внутреннего трения 45 и сцепления С грунта). Очевидно, что можно подобрать нужные параметры прибора, в том числе удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к приборам для экспресс-контроля качества уплотнения грунтов, указанным в п. 1.27 Вместе с тем имеются определенные ограничения в возможностях изменения тех или иных параметров. Так, уменьшение массы груза привело бы или к уменьшению диаметра штампа для обеспечения требуемых напряжений, или к увеличению высоты сбраснвания, или же к увеличению жесткости пружины. Увеличение высоты сбрасывания груза ограничено согласно эргометрическим требованиям к приборам для контроля плотности грунтов (п. 1.2); Величина диаметра штампа, равная 10 см, является минимальным размером обеспечивающим контроль плотности грунтов по глубине прорабатываемого слоя (п.1.2).
Сказанное позволило, учитывая п. 1.2, произвести поиск наиболее оптимальных параметров прибора динамического нагружения, исходя из существующих типов приборов (прибор стандартного уплотнения Союздорнии, ударник Союздорнии, динамический плотномер Белдорнии и т.д.) с тем чтобы по возможности использовать параметры, принятые уже в практике контроля грунтов. С этих позиций целесообразно при выборе параметров нагрузочного устройства массу груза, высоту сбрасывания и диаметр штампа подобрать согласно требованиям п. 1.2 с учетом существующих аналогичных типов приборов. При этом необходимую величину максимальных напряжений под штампом можно получить, меняя жесткость щогжины, являющейся основным конструктивным элементом устройства. дальнейший анализ показал, что масса груза, высота сбрасывания и диаметр штампа в приборе стандартного уплотнения Союздорнии соответствуют желаемым параметрам прибора как с точки зрения возможных напряжений в грунте, так и по условию портативности. Поэтому указанные параметры прибора целесообразно назначить следующим: масса груза m = 2,5 кг, высота сбрасывания Н = 0,30 м, диаметр штампа D = 0,10 м.
Для подбора численного значения коэффициента жесткости или просто жесткости пружины, прежде всего необходимо проведение элементарного исследования полученной нами в п. 2.3 зависимости (2.3.21) при стабильных значениях Е0 , Е т.е. Анализ /23/ показывает, что функция 5 ( ЄЛ ): 1) не имеет нулей; 2) не имеет точек разрыва; 3) не имеет точек перегиба; 4) строго убывает в интервале (0;оо ); 5) выпукла вниз в этом интервале. Вышесказанное позволяет выполнить эскиз графика функции 3(Gn) в виде рис. 3.2.1. По рис. 3.2.1 можно отметить, что чем меньше жесткость пружины при заданных Е0 и Е , тем выше величина отскока груза в приборе с постоянными параметрами; Очевидно, что для определения требуемой величины жесткости пружины, необходимо определить численное значение напряжения под штампом динамического прибора для контроля плотности грунтов. Как известно /51,52,98/ напряжение под штампом прибора стандартного уплотнения Союздорнии цри стандартном уплотнении грунтов может достигнуть величины \1 = 0,8 1,0 МПа. Удельное давление для уплотнения грунтов катками на пневматических шинах ( при влаж-ностях Kw= »80 It20) /57,79,98/ должны быть не менее м =0,2 + 0,8 МБа, при котором обеспечивается сближение частиц за счет уменьшения пор в рыхлом грунте, а разрушение грунтового массива под штампом исключается. В связи с этим, необходимо отметить, что при контроле плотности грунтов методом динамического нагружения через штамп, величина напряжения согласно отмеченным трем требованиям п.3.1 должна быть в указанных пределах, т.е.
Методика экспресс-контроля степени и однородности уплотнения грунтов земляного полотна
Из сказанного ясно, что при известном способе и состоянии грунтового массива по плотности, влажности формула (3.3.2) позволяет рассчитать предельно допустимую величину нагрузки, при превышении которой теряется несущая способность грунта, т.е. происходит нарушение устойчивости грунтового массива под штампом.
Для учета особенностей нашей задачи сдвиговые характеристики согласно исследований Н.Н.Маслова, В.Д.Казарновского и др. /66, 103/ следует брать соответствующими наибольшей из реально возможных влажностей и минимальной реальной плотности. При этом реально возможная влажность считалась некоторая величина Nv- , превышение которой согласно нормам в дорожной практике не рекомендуется, а под минимальной плотностью - плотность рыхлого свежеотсыпанного грунта, т.е. IV =0,80; Kw = 1,20.
Для определения действующих нагрузок с учетом динамического нагружения можно также как и в п. 3.2 воспользоваться формулой Ю.М.Яковлева /62,63tI08/ о максимальных динамических усилиях (1.4.I), Учитывая, что N - р" , можно определить коэффициент запаса прочности грунтового массива X , отражающего уровень напряженного состояния следующей зависимостью: Согласно указанным условиям ( К и = 0,80; IV w = 1,20) рассматриваются грунты в тутопластической консистенции. Исходные данные Ч,С, ,АКїЬк,Ск для расчета при диаметре штампа D = 0,10 м, массе груза т\ = 2,5 кг, высоте сбрасывания 0,30 м (приведенная высота при указанных условиях Н1 = 0,15 м) и статическом сжатии пружины QCT =3,66 10 м для трех характерных разновидностей грунтов (супесь легкая, суглинок легкий пы-леватый, глина пылеватая) сведены в табл. З.ЗЇІ.
Из данных табл. 3.3.2 можно придти к выводу, что первоначально назначенные нами параметры прибора (H G m ) для наиболее неблагоприятных условий контроля плотности, даже в случае расчета допускаемых напряжений от статической нагрузки (по В.Г.Березанце-ву) при действии динамической нагрузки, должны обеспечивать сохранение несущей способности для суглинка легкого пылеватого и глины пылеватой (полужирной) под штампом прибора. Некоторое понижение несутцей способности получилось для супеси легкой ( X =1,00)»
(полу жирная) Однако как показали исследования многих авторов в случае расчета допускаемых напряжений от статической нагрузки по формуле В.ПБе-резанцева получается некоторый запас прочности по отношению к фактической разрушающей нагрузке. Кроме того, при определении коэффициента запаса прочности х ", автором принято следующее допущение: сравниваются нагрузки динамические с расчетными статическими. Понятно, что в случае глинистых грунтов допускаемые динамические (кратковременные нагрузки должны быть несколько выше статических за счет повышения прочности грунта в случае кратковренен-ного воздействия нагрузки Итак, при повышении величин утла внутреннего трения и сцепления даже на Ъ% от первоначального своего значения получим предельную допустимую нагрузку равным РКр =3,50 І05 нДг, что приводит к коэффициенту запаса X =1,16.
Таким образом, результаты проведенного выше анализа позволяют приступить к конструированию прибора динамического нагружения для рассматриваемых нами целей.
В соответствии с изложенным выше была разработана конструкция прибора, общий вид и схема которого показаны на рис. 3.4.1 и 3.4.2. Прибор состоит из: полой штанги с измерительной шкалой I, соединенной посредством пружины 3 через шаровую опору 4 с плоским штампом 5. Нагрузка на штамп создается ударами свободно падающего груза 2. Для фиксации отскока груза в штанге имеется продольный паз, вдоль которого перемещается упор 6, скрепленный через плоскую пружину 7 с ползуном 8; внутри штанги ходит шток 9, нижняя часть которого жестко соединена с ползуном, а верхняя пропущена в отверстие прижимного приспособления, состоящего из резьбовой муфты 10, резинового уплотнительного кольца II и винта 12. Постоянная высота подъема груза в процессе испытания обеспечивается установленным на штанге ограничителем 13, выполненным совместно с уровнем, по которому контролируется вертикальность штанги.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Устройство устанавливается на поверхность предварительно зачищенного грунта, соблюдая вертикальность штанги I по уровню. Груз 2 поднимается до ограничителя подъема 13. Затем, шток 9 вместе с ползуном 8, плоской пружиной 7 и упором 6 опускается вниз и устанав т ливается на нулевом делении шкалы. Далее груз Спускается. Ударяя по упругой пружине 3, груз подскакивает, вместе с собой поднимая упор 6 с плоской пружиной 7, с ползуном 8 и штоком 9 вверх по штанге.
