Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 9
1.1. Анализ исследований глинистых грунтов, обработанных стабилизаторами 9
1.2. Опыт практического применения в дорожном строительстве глинистых грунтов, обработанных стабилизаторами 27
ГЛАВА 2. Теоретические исследования грун тов, обработанных стабилизаторами 40
2.1. Современные представления о природе структурных связей и свойствах глинистых грунтов 40
2.2. Теоретические предпосылки выбора вида стабилизатора - ПАВ и вяжущих для глинистых грунтов 49
2.3. Теоретические исследования процессов структуро-образования при обработке глинистых грунтов стабилизаторами - ПАВ без и совместно с вяжущими 62
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования грунтов, обработанных стабилизаторами 78
3.1. Характеристики используемых материалов 78
3.2. Методика приготовления образцов 82
3.3. Подбор оптимального состава смесей 85
3.4. Анализ результатов исследования глинистых грунтов, обработанных стабилизаторами без и совместно с вяжущими 90
3.4.1. Оптимальная влажность 90
3.4.2. Водостойкость 90
3.4.3. Морозное пучение 93
3.4.4. Коэффициент фильтрации 94
3.4.5. Прочность и деформируемость 103
3.5. Технологические особенности обработки глинистых грунтов стабилизаторами 115
ГЛАВА 4. Исследования грунтовых оснований, обработанных пав, в конструкциях дорог и объемных сооружений 121
4.1. Объекты дорожного строительства 122
4.2. Объемные сооружения 128
Общие выводы 148
Список литературы
- Опыт практического применения в дорожном строительстве глинистых грунтов, обработанных стабилизаторами
- Теоретические предпосылки выбора вида стабилизатора - ПАВ и вяжущих для глинистых грунтов
- Методика приготовления образцов
- Анализ результатов исследования глинистых грунтов, обработанных стабилизаторами без и совместно с вяжущими
Введение к работе
Современные тенденции в дорожном строительстве: повышение интенсивности движения и грузоподъемности автомобильного транспорта, расширение сети дорог, в том числе и местных, выдвигают задачи необходимости не только повышения долговечности дорожных конструкций, но и применения при строительстве автомобильных дорог местных материалов и грунтов. Учитывая, что многие регионы России испытывают дефицит материалов для устройства оснований, а их доставка связана с дополнительными транспортными затратами, то актуальность использования в конструкциях дорожных одежд местных грунтов становится очевидной.
Известно, что наибольшее распространение на территории России имеют глинистые грунты различного возраста и генезиса. Основным сдерживающим фактором широкого применения которых в дорожном строительстве является изменение их физико-механических характеристик в худшую сторону при увлажнении. Укрепление глинистых грунтов различными вяжущими, такими как цемент, известь, битум и другими, как правило, связано со значительным расходом вяжущего, что может привести к увеличению стоимости строительства.
Для направленного изменения свойств глинистых грунтов возможно использовать поверхностно-активные вещества специального действия - стабилизаторы. Выпускаемые в настоящее время стабилизаторы не в полной мере отвечают целям дорожного строительства: ассортимент их небольшой, многие из них токсичны, в основном, предназначены для кислых грунтов, имеют достаточно высокую стоимость и большая их часть выпускается за рубежом.
В этой связи, исследование влияния специальных отечественных стабилизаторов на свойства карбонатных глинистых грунтов и создание материалов с заданными свойствами на основе глинистых грунтов, обработанных такими стабилизаторами, а также разработка технологии применения полученных материалов при строительстве автомобильных дорог являются актуальными проблемами. Решение указанных вопросов будет способствовать не только расширению сети автомобильных дорог с использованием местных глинистых грунтов, но и повышению несущей способности дорожных конструкций.
В последнее время наблюдается повышенный практический интерес к методам физико-химической стабилизации грунтов с помощью гидрофобизирующих поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые позволяют ликвидировать способность глинистых грунтов взаимодействовать с водой в за счет нейтрализации сил поверхностного притяжения воды. Гидрофобная пленка из ПАВ не допускает молекулы воды в зоны контактов минеральных частиц грунта, и тем самым, предохраняет грунт от размокания. Изменения на уровне микроструктуры приводят не только к стабильному сохранению физико-механических свойств природного глинистого грунта, но и к их улучшению (например, повышается прочность, снижается набухание и т.д.). Кроме того, перспективность использования поверхностно-активных веществ особенно отечественного производства в дорожно-аэродромном строительстве обусловлена их сравнительно низкой стоимостью.
Обобщение и анализ теоретических и практических результатов исследований по применению связных грунтов, обработанных ПАВ, в качестве несущих и подстилающих слоев дорожных одежд показывает, что в этой области достигнуты определенные успехи. Однако остается ряд задач, которые до сих пор не решены. Например, не достаточно ясен механизм взаимодействия поверхностно-активных веществ с глинистыми грунтами, характер и взаимосвязь происходящих при этом физико-химических процессов, не в полной мере изучены общие закономерности изменения структуры природного глинистого грунта после обработки его ПАВ, отсутствуют методика прогноза свойств глинистых грунтов и т.д. Поэтому теоретические и экспериментальные исследования, направленные на решение этих и других задач, позволяющих увеличить долговечность дорожно-аэродромных покрытий и снизить затраты на их содержание и ремонт являются актуальными.
Теоретические и экспериментальные исследования, представленные в диссертационной работе, проводились на глинистых грунтах, обработанных поверхностно-активным веществом «Статус», разработанным кафедрой «Инженерная геология и геотехника» МАДИ (ГТУ) и впервые предложенным для этих целей.
Опыт практического применения в дорожном строительстве глинистых грунтов, обработанных стабилизаторами
В настоящее время в связи с широким распространением на территории России глинистых грунтов проблема их использования при строительстве оснований дорожных одежд является достаточно актуальной [43, 45, 78, 126]. Применение местных связных грунтов в дорожных конструкциях сдерживается из-за неудовлетворительных физико-механических характеристик, а также сложных и трудоемких технологий их использования. Укрепление таких грунтов различным вяжущим (цементом, известью, золой уноса и т.п.) связано с его повышенным расходом (более 10%). При этом дефицит местных дорожно-строительных материалов с требуемыми характеристиками способствует поиску эффективных путей применения глинистых грунтов, одним из которых является их стабилизация поверхностно-активными веществами. При довольно низкой концентрации стабилизатора в рабочем растворе обработанные связные грунты характеризуются повышенными физико-механическими показателями.
Учитывая вышеизложенное, в настоящем разделе представляется целесообразным обобщить накопленный практический опыт по применению глинистых грунтов, обработанных растворами стабилизаторов - ПАВ, в основаниях дорожных одежд.
В настоящее время существуют два принципиально различных метода производства работ по обработке местных глинистых грунтов стабилизаторами: метод вертикальных скважин и метод горизонтальной стабилизации.
При необходимости рекомендуется совмещать технологии вертикальной и горизонтальной стабилизации.
С применением метода вертикальных скважин компанией «Ав-тодортех» и другими организациями выполнено более 30 работ на сложных участках, где было необходимо обеспечить несущую способность и устойчивость слабых, переувлажненных глинистых грунтов в основаниях насыпей, выемках, а также выполнить обработку грунтов нарушенной структуры в толще земляного полотна.
Метод вертикальных скважин, по сравнению с традиционными технологиями, значительно сокращает объемы земляных работ, расход дорогостоящего щебня, уменьшает трудозатраты. Уровень механизации таких работ составляет почти 100%. При использовании технологии стабилизации слабых грунтов на подходах к мостам и путепроводам, под зданиями и сооружениями удешевляется строительство конструктивных элементов (земляного полотна, фундаментов, дорожной одежды и т.п.) в 2-5 раз по сравнению с традиционными методами строительства.
В 1996-2002 гг. по технологиям вертикальных скважин и горизонтальной стабилизации выполнялись работы на реконструкции МКАД на участках пересечения Магистрали со Сколковским и Осташковским шоссе, подходах к мосту через р. Клязьму, на автомобильной дороге «Холмогоры», а также на нескольких объектах Московской и Липецкой областей, Самарского региона и Ставропольского края.
В данной работе рассматриваются только вопросы использования местных глинистых грунтов, обработанных растворами стабилизаторов - ПАВ по методу горизонтальной стабилизации.
Методом горизонтальной стабилизации допускается устраивать послойное возведение насыпей автомобильных дорог всех категорий, верхние слои земляного полотна, морозозащитные слои, слои оснований и покрытий.
Данным методом построены верхние слои земляного полотна на одной из дорог Московской области, на пяти участках автомобильных дорог в Ставропольском крае, при устройстве одной из вертолетных площадок, а также на других объектах.
Теоретические предпосылки выбора вида стабилизатора - ПАВ и вяжущих для глинистых грунтов
В различных областях науки и производства термину «стабилизаторы» отвечает широкий круг понятий. В дорожном строительстве, особенно при работе с грунтами, под стабилизаторами подразумеваются химические вещества и соединения, изменяющие физико-химические, физико-механические свойства грунтов, включая и структурные изменения. При этом использование стабилизаторов не всегда ставит своей целью повысить прочность грунтов, просто в результате изменения каких-либо свойств грунтов, например, снижение водона-сыщения, набухания, пыления происходит повышение прочностных показателей. В последние годы значительно расширился ассортимент материалов, используемых в качестве стабилизаторов.
Стабилизаторы, как правило, представляют собой сложные химические соединения и, в основном, относятся к классу поверхностно-активных веществ [1].
Все разнообразные применения поверхностно-активных веществ основаны на фундаментальных закономерностях и механизмах влияния ПАВ: - на свойства поверхностей раздела фаз - маркроповерхностей и поверхностей дисперсной фазы в дисперсных системах (адсорбционное модифицирование поверхностей); - на объемные свойства жидкостей (растворов) - процессы ми-целлообразования солюбилезации.
Влияние ПАВ на свойства поверхностей раздела фаз определяется образованием ориентированных адсорбционных слоев молекул или ионов с различной энергией связи с поверхностью (от вполне обратимой «физической» адсорбции до хемоадсорбции и образования поверхностных химических соединений) [124]. Непосредственным результатом образования адсорбционных слоев, т.е. поверхностной активности на различных границах раздела фаз оказывается адгезионное, в рассматриваемом случае, смачивающее действие ПАВ. Стабилизирующее действие ПАВ всегда связано с образованием структур в поверхностных слоях и прилегающих к ним объемах дисперсионной среды.
Отмеченные аспекты действия ПАВ составляют научную основу их применения для управления химико-технологическими процессами в гетерогенных (дисперсных) системах, в том числе и для управления устойчивостью дисперсных систем и структурообразованием в них. Рассмотрим подробнее строение ПАВ и механизм их влияния на грунты с целью выявления предпосылок выбора их состава для улучшения свойств глинистых грунтов.
Молекулы большинства ПАВ имеют дифильный характер и состоят из двух частей - полярной (гидрофильной) и неполярного углеводородного радикала (гидрофобного). При адсорбции на поверхностях раздела фаз ПАВ образуют слои ориентированных молекул. При этом полярные группы взаимодействуют с твердой поверхностью, а углеводородная часть молекул оказывается обращенной наружу.
Подобная ориентация молекул приводит к гидрофобизации минеральных поверхностей (являющихся в большинстве случаев гидрофильными) за счет обращенных наружу длинных углеводородных цепей. В этом случае, если возникают химические связи между полярными группами молекул ПАВ и адсорбционными центрами на минеральных поверхностях, эффективность гидрофобизации существенно возрастает. Это происходит в случае применения ПАВ, обладающих химическим сродством с данным минеральным материалом. Ориентированные слои молекул ПАВ на межфазных поверхностях изменяют молекулярную природу поверхности и условия взаимодействия граничащих фаз. Необходимо отметить, что эффективность действия ПАВ возрастает с увеличением длины углеводородных цепей.
Адсорбция ПАВ на поверхностях и образование ориентированных мономолекулярных (а иногда и полимолекулярных) слоев молекул требует определенного времени. Скорость адсорбции зависит от ряда факторов, в том числе от скоростей диффузии молекул ПАВ, что особенно проявляется у веществ, характеризующихся большой молекулярной массой. Специфические свойства межфазных поверхностей обусловливают эффективность действия ПАВ в грунтовых системах. Прежде всего, это касается изменения условий смачивания грунтовой частицы водой и характера сцепления добавок или вяжущих с поверхностью грунта.
Методика приготовления образцов
Для приведения экспериментальных работ были изготовлены образцы из глинистого грунта, обработанного стабилизатором, по следующей методике: - в воздушно-сухой грунт, пропущенный через сито с отверстиями 2мм, добавляли водный раствор стабилизатора с таким условием, чтобы влажность грунта была оптимальной; - увлажненный грунт выдерживался в течение 1,5-2 часов в эксикаторе для прохождения реакции взаимодействия глинистых частиц со стабилизатором; Рис. 3.1. Пресс ЦД-100 ПУ для формирования образцов - из готового грунта формировались образцы цилиндрической формы с таким расчетом, чтобы высота образца была в 2 раза больше диаметра; - формирование образцов проводилось на прессе под нагрузкой 1,5 МПа в лаборатории кафедры «Здания и сооружения дорожного сервиса» МАДИИ (ГТУ) (рис. 3.1, 3.2, 3.3) - из готовых образцов отбиралось несколько штук для контроля влажности термостатическим методом; - изготовленные образцы помещались в эксикатор и хранились в течение 7 суток до проведения испытаний; - при изготовлении образцов из глинистого грунта, обработанного совместно раствором стабилизатора и вяжущего, для удобства работы сначала в сухой грунт добавлялось вяжущее, а затем - стабилизатор. При этом, как показали проведенные опыты (см. раздел 3.5), очередность внесения компонентов в грунт не сказывалась на его прочностных свойствах.
При проведении тестовых экспериментов была использована методика формирования образцов согласно ГОСТ 30491-97. Однако, результаты этих испытаний показали, что при уплотнении грунта под нагрузкой 15 МПа, приложенной в течение 3 мин, грунт приобретал влажность 6%, а максимальная плотность сухого грунта достигала 2,18 г/см3, что значительно расходится с данными испытаний грунта по стандартной методике [28]. В связи с тем, что уплотнение глинистого грунта, обработанного стабилизатором, в реальных условиях строительства будет производиться при оптимальной влажности, опреде л єн ной по стандартной методике, необходимо произвести подбор уплотняющей нагрузки на прессе таким образом, чтобы полученные значения оптимальной влажности и плотности сухого грунта соответствовали методике ГОСТ 22733-77. Для достижения поставленной цели была проведена серия экспериментов, результаты которых представлены на рис. 3.4.
Анализ полученных данных показал что достижение оптимальной влажности и максимальной плотности сухого грунта происходит при формировании грунта на прессе под нагрузкой 1,5 МПа, приложенной в течение 3 мин.
Как было отмечено в главе теоретических исследований, поверхностно-активные вещества применяются в незначительных количествах (до 0,005% по массе грунта). Наибольший эффект изменения свойств системы «глинистый грунт - стабилизатор» зависит от его минералогического состава, генезиса, типа стабилизатора и т.п. Испытания свойств глинистых грунтов, обработанных стабилизаторами — ПАВ, проводились на отложениях морены московского оледенения, представленной супесями и суглинками, на покровных суглинках и глинах.
Супеси и суглинки для испытаний отбирали в Домодедовском и Клинском районах Московской области, покровные суглинки - в Дмитровском районе, а глины привезены из Волжского района Самарской области. Для исследованных глинистых грунтов, согласно методике стандартного уплотнения, были определены величины оптимальной влажности, представленные в табл. 3.4.
Анализ результатов исследования глинистых грунтов, обработанных стабилизаторами без и совместно с вяжущими
Оценка влияния стабилизатора «Статус» на прочностные и деформационные свойства глинистых грунтов была проведена на покровных отложениях, представленных тяжелыми суглинками и глинами, отобранными в Волжском районе Самарской области.
Прочность глинистого грунта определялась путем испытания на одноосное сжатие (ГОСТ 26447-85) образцов стандартного размера, изготовленных по методике, изложенной в разделе 3.2. Результаты исследования влияния количества стабилизатора на прочность глинистых грунтов представлены на рис. 3.14. Испытаниями установлено, что при обработке стабилизатором глинистого грунта прочность увеличивается на 12-15% по сравнению с необработанным грунтом.
Исследование параметров прочности (cpw, Cw) проводилось на супесях и суглинках, отобранных соответственно в Клинском и Дмитровском районах Московской области. Экспериментальные образцы изготовили при оптимальной влажности с водой либо водным раствором стабилизатора «Статус» согласно ГОСТ 30491-97 [33]. Значение оптимальной влажности, определенной согласно ГОСТ 22733-77 [28], для суглинка составило 18,3%, для супеси - 10%. Формирование образцов проводилось в кольце срезного прибора на универсальной испытательной машине ЦД-100ПУ при нагрузке 1,5 МПа, после чего образцы помещались в эксикатор на семь дней для набора прочности в оптимальных температурно-влажностных условиях.
Испытания образцов глинистого грунта методом одноплоскост-ного среза осуществлялось по методике ГОСТ 12248-96 с целью нахождения сопротивления грунта срезу SWl угла внутреннего трения q w и удельного сцепления Cw.
Для определения изменения структурной прочности и водно-коллоидных сил был проведен повторный срез тех же образцов по фиксированной плоскости - срез «плашка по плашке».
Значения параметров прочности глинистых грунтов, pw и Cw (табл. 3.8, 3.9), были определены по экспериментальным зависимостям S=f(P), представленными на рис. 3.15, 3.16.
Анализ результатов испытаний показал, что в обработанных ПАВ глинистых грунтах возрастает удельное сцепление Cw за счет значительного увеличения водно-коллоидных сил 2W (5 раз в образце супеси и почти в 2 раза в образце суглинка). Структурное сцепление Сс оказывается практически без изменения, т.е. стабилизатор не оказывает воздействия на существующие жесткие связи глинистых грунтов. Это же можно сказать и об угле внутреннего трения (pWl так как характер трущихся поверхностей не изменяется. Введение же стабилизатора совместно с вяжущим способствует образованию новых связей, которые увеличивают как угол трения pw, так и силы сцепления Cw.
Деформативность глинистого грунта исследовалась с помощью компрессионного прибора (см. рис. 3.13). Следует отметить, что определение характеристик деформируемости грунта в компрессионных приборах имеет ряд существенных недостатков. К ним относятся невозможность бокового расширения грунта под нагрузкой в кольце одометра; испытываемый грунт имеет нарушенную природную структуру; результаты испытаний не дают возможности судить о деформациях за пределами загруженного участка и т.п. [121].
Вместе с тем трудоемкость компрессионных испытаний значительно ниже опытов со штампом, и они дают возможность проведения массовых испытаний. В то же время характер зависимости изменения деформации грунта от нагрузки остается неизменным. В рамках данной работы недостатки компрессионных испытаний не имели значения.
Для проведения испытаний были определены физико-механические свойства исследуемых грунтов, в частности, оптимальная влажность, при которой были изготовлены образцы, составила 23%. Для испытаний были изготовлены несколько серий образцов следующих составов: - глинистый грунт с водой при оптимальной влажности; - глинистый грунт с раствором стабилизатора «Статус» при оптимальной влажности; - глинистый грунт обработанный ПАВ совместно с вяжущим (2% цемента).
Компрессионные испытания проводились при следующих ступенях нагружения, МПа:
После каждой ступени нагружения образец выдерживался до условной стабилизации, за которую была принята скорость приращения деформаций, не превышающая 0,01мм в течение 4 часов. Вертикальные деформации образца фиксировались с помощью индикаторов часового типа с точностью измерения 0,01мм. В процессе проведения испытаний контролировалась влажность и плотность глинистого грунта. Результаты испытаний деформируемости глинистого грунта приведены в табл.3.10.
