Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследовании 7
1.1 Анализ поведения дорожных насыпей и ограждающих конструкций в сложных инженерно- геологических условиях 7
1.2. Прочностные'и реологические свойства связных грунтов 16
1.2.1. Сопротивляемость сдвигу 16
1.2.2. Ползучесть грунтов при сдвиге 29
1.3. Существующие методы оценки устойчивости откосов. Учет ползучести грунтов при прогнозе деформаций обочин насыпей во времени 38
1.4. Прогноз устойчивости откосов и деформаций обочин насыпей во времени 44
1.5.Существующие методы определения коэффициента динамической вязкости глинистых грунтов 53
1.6. Геотехнические особенности глинистых грунтов, содержащих крупнообломочную фракцию 59
1.6.1.Классификация грунтов 59
1.6.2.Особенности геотехнических свойств 60
1.6.3. Задачи исследований 65
Глава 2. Теоретические основы методики оценки динамической вязкости грунтов, содержащих крупнообломочную фракцию 67
2.1. Реологические модели физических тел и глинистых грунтов 67
2.2. Особенности динамометрического метода одноосного сжатия образцов грунта 77
2.3.Обобщенная реологическая модель динамометрической схемы испытания грунта в условиях одноосного сжатия и требования к применяемой аппаратуре 79
Глава 3. Результаты экспериментальных исследовании 84
3.1. Аппаратура, характеристика грунтов и методика их исследования 84
3.2. Кривые релаксации, влияние влажности и заполнителей на реологические свойства 92
Глава 4. Использование полученных результатов для практического прогноза длительных деформаций обочин и ограждающих конструкций дорожных насыпей 100
4.1.Особенности ползучести обочин насыпей 100
4.2.Взаимосвязь ползучести обочины насыпи и деформации ограждающей
конструкции. Допустимые деформации обочин насыпей 109
Общие выводы 119
Литература
- Прочностные'и реологические свойства связных грунтов
- Существующие методы оценки устойчивости откосов. Учет ползучести грунтов при прогнозе деформаций обочин насыпей во времени
- Особенности динамометрического метода одноосного сжатия образцов грунта
- Кривые релаксации, влияние влажности и заполнителей на реологические свойства
Введение к работе
Актуальность темы. Практика строительства и эксплуатации автомобильных дорог свидетельствует, что весьма часто дорожные насыпи, параметры которых выходят за пределы типовых конструкций, испытывают во времени недопустимые деформации; которые приводят в конечном итоге к преждевременному разрушению дорожных одежд и существенному увеличению ежегодных финансовых затрат на ремонт и содержание автомобильных дорогах, строительство и эксплуатация которых часто ведется в сложных инженерно - геологических условиях отличающихся наличием-в первую очередь оползневых склонов, слабых оснований, грунтов повышенной влажности, высоких насыпей и глубоких выемок и т. п.
Анализ показывает, что одной из причин неблагоприятного поведения конструкций насыпей является склонность глинистых грунтов, используемых для отсыпки насыпей, к развитию деформаций ползучести, которые проявляются не сразу после завершения строительства, а развиваются во времени постепенно. Прогноз интенсивности развития этих деформаций во времени и их своевременный учет при эксплуатации дорожной конструкции может быть в настоящее время успешно реализован, но лишь при возможности предварительной оценки физико -механических и, особенно, реологических свойств грунтов земляного полотна.
Однако, при строительстве автомобильных дорог в горных условиях для отсыпки насыпей используются, как правило, покровные делювиальные грунты или грунты, получаемые в результате разработки выемок. В том и другом случае грунты часто характеризуются наличием в своем составе значительного количества включений обломков скальных пород, существенно влияющих на их геотехнические свойства. Присутствие в
грунтах крупнообломочной фракции не только существенно меняет их свойства и технически осложняет проведение инженерно - геологической оценки их физико - механических свойств в лабораторных условиях, но и практически полностью исключает возможность использования существующих методик для оценки реологических их характеристик, и в первую очередь динамической вязкости.
В этой связи, с учетом ранее выполненных исследований в области прогноза деформаций ползучести земляного полотна, оценки их реологических свойств и особенностей поведения крупнообломочных грунтов, представлялось целесообразным в рамках данной диссертационной работы, разработать методику оценки динамической вязкости глинистых грунтов, содержащих в своем составе крупнообломочную фракцию, изучить особенности развития во времени деформаций сдвиговой ползучести обочин дорожных насыпей и определить допустимые величины динамической вязкости, исходя из категории автомобильной дороги, типов покрытий и межремонтных сроков их службы.
Научная новизна работы. Диссертация развивает положения научных исследований, относящихся к области изучения процессов длительной деформируемости конструкций дорожных насыпей во времени за счет сдвиговой ползучести глинистых грунтов.
В диссертации, применительно к прогнозу ползучести обочин дорожных насыпей, впервые:
теоретически обоснована и практически реализована методика оценки динамической вязкости грунтов, содержащих более 10 % крупнообломочной фракции;
экспериментально выявлена степень влияния на (период релаксации) реологические характеристики;
3. установлены особенности развития во времени деформаций
ползучести обочин дорожных насыпей с учетом крутизны ее
откосов;
4. установлена взаимосвязь величины динамической вязкости
грунтов, категории дороги, уровня капитальности покрытий и
предельно допустимых деформаций ограждающих конструкций.
Достоверность научных положений, выводы и рекомендаций
обоснована:
теоретическим анализом особенностей предлагаемой методики оценки реологических свойств грунтов и условий ее применения;
результатами экспериментальных исследований грунтов в условиях их испытаний на релаксацию;
теоретическим анализом характера развития деформаций ползучести обочин и ограждающих конструкций и результатами прогноза деформаций ползучести реального объекта на автомобильной дороге
Практическая ценность работы. 1. Разработана упрощенная
экспериментальная методика определения динамической вязкости
глинистых грунтов, содержащих в своем составе крупнообломочную
фракцию.
2. Предложена методика определения сроков ремонта ограждающих конструкций
Апробации работы. Отдельные фрагменты диссертации были доложены автором на научно - исследовательских конференциях МАДИ (ГТУ) в 2005 - 2008 г.г.
Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка использованной литературы.
Диссертация содержит 144 страниц машинописного текста, 45 рисунков, 18 таблицы.
Прочностные'и реологические свойства связных грунтов
Сопротивляемость сдвигу глинистых грунтов имеет достаточно сложную природу. В настоящее время определение прочности глинистых грунтов выполняется согласно теории "плотности - влажности" Н.Н.Маслова или теории "эффективных напряжений" К.Терцаги.
Согласно теории плотности — влажности выделяют три основные разновидности глинистых (связных) грунтов: жесткие, скрытопластичные и пластичные.
К жестким глинам относят древние, часто сцементированные коренные (дочетвертичные) отложения, характеризующиеся значительной прочностью и плотностью, которая под нагрузкой практически не увеличивается и часто остается близкой к природной. В этом случае влажность также является величиной постоянной, а величина сцепления грунта определяется прочностью жестких межчастичных связей цементационного характера. Сопротивляемость сдвигу (рис.1.1.) таких грунтов определяется зависимостью: SP=ptg +Cc, (1.1) где Сс - структурное сцепление, не зависящее от плотности -влажности грунта.
В данном случае прочность связей структурного сцепления Сс обусловлена проявлением в грунтах процессов цементации - спекания, кристаллизации и т.п. При деформациях грунта эти связи носят четко выраженный хрупкий и всегда необратимый характер разрушения.
Сцепление Сс оказывается очень чувствительным к искусственному нарушению структуры грунта.
Очень часто это происходит при разработке выемок, отсыпке и уплотнении грунта в дорожных насыпях и дамбах.
К жестким глинистым грунтам могут быть отнесены многие дочетвертичные глинистые породы: мергелистые и опоковидные глины, аргеллиты, алевролиты и т.п. Следует иметь в виду, что жесткие необратимые связи, а следовательно и структурное сцепление Сс, характерны также и для глин четвертичного возраста, но при условии, что они имеют твердую или полутвердую консистенцию.
Скрытопластичные глинистые грунты имеют более сложную природу внутренних структурных связей, прочность которых в значительной степени определяется состоянием грунта по его плотности-влажности. В этих условиях величина сопротивляемости сдвигу определяется зависимостью вида SPW=ptg pw+ Cw, (1.2) где (pw - угол внутреннего трения грунта при влажности w; Cw - величина общего структурного сцепления при влажности w; Графически зависимость (1.2) имеет вид (рис. 1.2) пучка наклонных прямых, каждая из которых соответствует тому или иному постоянному значению плотности - влажности грунта.
При этом следует обратить особое внимание, что углы наклона функций Spw = f(p) к оси абсцисс различны. Увеличение плотности грунта и уменьшение его влажности w вызывает прежде всего увеличение угла внутреннего трения грунта (pw - рис. 1.2. Именно этот угол (pw и является, согласно теории плотности - влажности, истинным углом внутреннего трения глинистого грунта. Что же касается общего структурного сцепления Cw, величина которого определяется размером отрезка, отсекаемого на оси ординат прямой Sw = f(p) - рис. 1.2, то оно имеет достаточно сложную физическую природу, которая, в частности, проявляется при рассмотрении графической зависимости общего сцепления от влажности грунта. График функции Cw = f(w) - рис. 1.2 имеет ясно выраженную горизонтальную асимптоту, свидетельствующую о наличии в составе общего структурного сцепления Cw некоторой его части, на величину которой изменение влажности грунта не оказывает заметного влияния.
Данное обстоятельство послужило основанием Маслову Н.Н. полагать, что наличие общего структурного сцепления Cw обусловлено проявлением в глинистых грунтах прочности структурных связей двух , типов. Часть из них проявляет все признаки хрупких цементационных связей, которые при разрушении не восстанавливаются и поэтому \ являются необратимыми. Эти связи обусловливают, таким образом, прочность жесткого структурного сцепления Сс. Другая часть общего структурного сцепления Cw приходится на прочность связей в глинистых грунтах имеющих водно - коллоидную природу.
Из - за наличия именно этих связей глинистые грунты, в зависимости от степени увлажнения, могут многократно переходить из твердого состояния в текучее и наоборот. Вследствие физического явления д адсорбции каждая минеральная частица глины обволакивается развитой водной оболочкой. Возникающие на контакте поверхности глинистых частиц и диполей воды электромолекулярные силы, в особенности в первом слое (порядка 1-3 молекул воды), достигают нескольких сотен МПа. За счет этих сил на поверхности частиц образуются пленки адсорбированной прочное вязанной воды. Эта вода при своем движении не подчиняется закону фильтрации Дарси, а также действию силы тяжести. Перемещение ее внутри грунта происходит под действием сил молекулярного притяжения и электростатических сил в форме "переползания" от частицы с более толстой пленкой к частицам, где эта пленка тоньше.
Существующие методы оценки устойчивости откосов. Учет ползучести грунтов при прогнозе деформаций обочин насыпей во времени
Существующие расчетные методы по. оценке степени устойчивости склонов и откосов подразделяются на две большие группы. К первой группе следует отнести методы, позволяющие оценить степень устойчивости грунтовых массивов, имеющих однородное строение. Для этих массивов, как было отмечено, наиболее характерной формой нарушения устойчивости является обрушение со срезом и вращением. Ко второй группе принадлежат методы, базирующиеся на наличии в толще откоса фиксированной (как правило, геологическим строением) плоскости скольжения.
Из методов первой группы следует отметить широко известные методы, впервые предложенные К.Е.Петтерсоном (1916 г.) и Свеном Гультеном (1916, 1919 г.г.).
В основе этих методов лежит предположение о том, что нарушение устойчивости однородных откосов происходит в результате сдвига- среза и перемещение некоторой его части вдоль единой поверхности скольжения, принимаемой в данном случае за цилиндрическую. Такому упрощению в известной степени способствовали натурные наблюдение и выводы, сделанные шведской геотехнической комиссией на основе материалов обследование оползневых объектов на шведских железных дорогах и свидетельствующие о вращательном характере некоторых оползней вдоль- криволинейных поверхностей скольжения, глубоко заходящих в толщу глинистых грунтов.
Дальнейшая разработка метода круглоцилиндрических поверхностей скольжения получила в трудах Феллениуса 1927 г. и К.Терцаги 1929 г. Несколько позже в 1925 г. Рендуликом [35] была сделана попытка заменить фактическую поверхность скольжения - логарифмической спиралью. Проведенные впоследствии в 1937 г. исследование Тейлора показали, что результаты, полученные по этому методу, только незначительно отличаются от полученных по методам, базирующихся на предположении о круглоцилиндрической форме поверхности скольжения. Следует отметить, что в этот период Д.Тейлором [40] применительно к оценке устойчивости откоса была дана корректная система сил, действующих на отсек обрушения, который рассматривался при этом, подобно А.И.Иванову, как монолитное тело. В дальнейшем эта модель, предложенная А.И.Ивановым в 1936 г., была использована У.А.Тер -Аракеляном [28], О.Фрёлихом [37, 38], М.Како и др. Подробный анализ метода круглоцилиндрических поверхностей скольжения с позиций его корректности и обобщение работ Д.Тейлора, К.Терцаги, О.Фрейлиха, М.Како было выполнено Р.Р.Чугаевым [30- 33].
В соответствии с методом круглоцилиндрических поверхностей скольжения оценка степени устойчивости однородного откоса в упрощенном виде производится по минимальному значению коэффициента запаса Кзат который определяется из отношение моментов удерживающих Муд и вращающих Мвр сил, полученных для блока грунта единичной ширины, расположенного выше круговой (цилиндрической) поверхности скольжения, проведенной из произвольного центра вращения (рис.1.8.), т. е. Кзап -Г. , (1-20) " вр
Для определения величины моментов Муд и Мвр весь массив, устойчивость которого оценивается, разбивается на блоки одинаковой ширины. Затем, для каждого блока определяется нормальная TV,- и тангенциальная 7} составляющие силы собственного веса Р, блока по
формулам N, = P.-cosа,} Т р (1-21) 7, = г) sin a, J где ос,- угол между нормалью к поверхности скольжения и вертикалью, проходящей через центр каждого блока.
В итоге, принимая, что грунт обладает некоторыми значениями угла внутреннего трения (pi и сцепления СІ можно записать [18] следующее выражение применительно к оценке величины коэффициента запаса устойчивости: Кзап= ==— (1.22) zHj sin а і где /,- - основание каждого блока по длине дуги кривой скольжения.
Формула 1.3. позволяет оценивать степень устойчивости не только однородных откосов, так как величины прочностных характеристик грунта ері и СІ могут быть взяты различными в зависимости от геологического строения массива.
О целью облегчения механики расчетов устойчивости откосов и склонов в 1937 г. Тейлором были составлены расчетные таблицы и графики.
Применительно к откосам земляного полотна и склонам, деформирующихся в форме оползня - сдвига или скольжения, в части оценки степени их устойчивости, обычно используют: метод горизонтальных сил Маслова - Берера [18], метод Г.М. Шахунянца [34], Р.Р.Чугаева [33] и др.
В соответствии с методом горизонтальных сил Маслова - Берера степень устойчивости откосов оценивается по величине коэффициента запаса, определяемого по формуле: при T = H-R = P[tgag(a-lFp)] (1-24) Здесь Т - часть распора (давления на стенку блока), воспринимаемая трением и сцеплением грунта по поверхности скольжение; Н - распор (давление на стенку блока) при отсутствии в грунте трения и сцепления; р - угол сопротивления сдвигу на поверхности скольжения данного блока при нормальном напряжении Р\ а - угол наклона поверхности скольжения данного блока к горизонту; Р -вес блока; R- непогашенная часть давления (активное давление). Характерной особенностью метода является предположение, что силы активного давления направлены горизонтально (рис. 1.8.).
Особенности динамометрического метода одноосного сжатия образцов грунта
С учетом трудностей, отмеченных в предыдущей главе относительно невозможности проведения длительных испытаний на сдвиг образцов грунта, содержащего крупнообломочные частицы более 10 % по весу или проведения тех же испытаний, но на шариковом приборе, нам представлялось для этой цели достаточно перспективным обратиться к идее ускоренного испытания грунтов на динамометричеком приборе, предложенная в свое время С.С.Вяловым [3]. Схема прибора конструкции В.Ф.Ермакова представлена на рис.2.5. Здесь вертикальная нагрузка на образец (1) цилиндрической формы передается с помощью динамометра (2). Величина вертикальной нагрузки определяется по тарировочной кривой в зависимости от показаний индикатора (3). Деформация образца грунта в условиях его одноосного сжатия фиксируется индикатором (4).
После создания на динамометре с помощью винтового пресса начального вертикального напряжения 0\ его положение фиксируется, и базовая величина, равная сумме высоты сжатого динамометра (пружина) плюс высота образца остается неименной на весь период проведения испытания. Это условие является необходимым для реализации процесса релаксации напряжений в строгом виде. Под воздействием приложенного напряжения О"0 в образце начинают" развиваться деформации ползучести, которые будут приводить к разжатию динамометра и падению напряжения (Т„ на образец грунта во времени. Этот процесс в свою очередь автоматически вызовет снижение скорости ползучести, грунта и т.д. Следовательно, образец грунта при одноосном сжатии в этих условиях подвергается испытанию на ползучесть при изменяющимся во времени напряжении. По мнению С.С.Вялова [3], если начальное напряжение О" задать близким по величине условно - мгновенной прочности, то стабилизировавшееся напряжение СТ будет отвечать величине предела длительной прочности С грунта, поскольку стабилизацию деформации следует рассматривать как достижение равновесного состояния между действующей нагрузкой и внутренними силами сопротивления грунта.
При этом поскольку процесс релаксации напряжений протекает значительно быстрее процесса ползучести, то на испытания грунта в условиях динамометрической схемы нагружения требуется значительно меньше времени, чем на обычные испытания.
Привлекательность данной методики для проведения реологических исследований для грунтов, содержащих значительное количество крупнообломочной ( 2мм) фракции, заключается в том, что она не мешает как процессу предварительного формирования образца цилиндрической формы для испытаний, который может иметь в.принципе любые размеры (диаметр и высоту), так и самому процессу испытания, реализуемому в условиях одноосного сжатия.
Выше (см. п.2.1) нами были проанализированы некоторые линейные реологические модели, используемые в инженерной практике для описания поведения грунтов во времени при их загружении внешней нагрузкой. Рассмотрим, какую из рассмотренных моделей можно использовать для вывода уравнения состояния системы, отвечающей условиям динамометрического испытания грунта. Эта система (рис.2.6) состоит из двух основных блоков: динамометра (пружины), являющегося упругим элементом тела Гука, и образца грунта, реологическая модель которого может быть в общем случае различной. Напомним, что Н.Н. Маслов использовал для описания поведения глинистых грунтов две основные модели: модель Ньютона (пластичная разновидность) и Бингама - Шведова (скрытопластичная).
В принципе, применительно к глинистым грунтам, которые содержат крупнообломочную фракцию в количестве 10 %, также можно в первом приближении использовать эти две модели как две крайние схемы возможного поведения грунта в условиях его динамометрического нагружения, отражающихся в первую очередь на характере кривой релаксации. В самом деле, если во времени произойдет полная релаксация заданных на образец грунта начальных напряжений (X,, то грунт с полным основанием можно отнести к грунтам, для которых вполне применима модель тела Ньютона - (рис.2.7). Однако, последовательное соединение двух тел: Ньютона и Гука, реализуемое в схеме динамометрического испытания, - позволяет рассматривать эту комплексную модель как единое упруго - вязкое тело Максвелла (рис.2.1).
Кривые релаксации, влияние влажности и заполнителей на реологические свойства
В самом деле, при содержании щебня до 10 % образцы потеряли по взвешиванию в среднем 12 % влаги, а при 30 % содержании фракции 2...10 мм, эта потеря составила только 8,5 %. Если принять потерю влаги при содержании фракции 2...10 мм за 100 % , то относительная потеря влаги при наличии щебня 20 и 30 % составит соответственно (12-9,5)12-100= 20,8 % и (12-8,5)12-100= 29,2 %, т.е. и в этом случае прослеживается обратная зависимость способности грунта отдавать воду при уплотнении с увеличением содержания в его составе крупнообломочной фракции.
После завершения процессов предварительного статического уплотнения во времени (консолидации) образцы выгружались взвешивались и помещались в динамометрический прибор (рис.3.1.). Для предотвращения подсыхания грунтовых образцов они заключались в полиэтиленовые пакеты.
В процессе исследований производились наблюдения за деформациями образцов и соответствующими им деформациями динамометрических пружин. Результаты этих исследований представлены на графиках (рис.3.7. - 3.9.) и на таблицах (табл. 1- табл. 9 приложения), описывающих характер падения во времени приложенных на образцы грунта в начальный момент времени, вертикальных напряжений, или иначе говоря их релаксацию, и соответствующий характер деформирования этих образцов. При этом особо подчеркнем, что общая база системы «образец грунта + сжатая пружина, динамометра» после ее начального (при t= 0) деформирования» остается неизменной во времени, что строго соответствует условию определения самого понятия «релаксации напряжений». В нашем случае, действительно, релаксация напряжений происходит только за счет внутренних процессов системы «образец грунта + пружина динамометра» и обусловлено взаимосвязанным перераспределением напряжений и деформаций между образцом грунта и пружиной.
Из анализа релаксационных кривых (рис. 3.7. - 3.9:), в частности следует, что при любом содержании в образцах грунта крупнообломочной фракции 2...10 мм установившиеся напряжения в динамометрах не падают до нуля, а принимают некоторые конечные значения, величина которых возрастает по мере увеличения содержания в грунте крупнообломочной фракции 2...10 мм. Если в исследуемом грунте содержится только 10 % крупнообломочной фракции, то наличие остаточных, не релаксируемых напряжений можно объяснить, очевидно, значительной прочностью грунта, которую он приобрел в результате своего предварительного уплотнения, связанного только с ощутимой потерей влаги.
Но по мере возрастания содержания в грунте крупнообломочной фракции 2...10 мм (рис. 3.7. - 3.9.) происходит, как это было показано выше, увеличение ее влияния на достижимую конечную влажность грунта при его предварительном уплотнении, и поэтому увеличение значений остаточных напряжений (рис. 3.7. - 3.9.) объясняется наличием все усиливающей роли скелетного каркаса, который все в большей и большей степени начинает воспринимать внешние напряжения, не смотря на возрастающую влажность мелкодисперсной составляющей грунта. Наличие некоторого конечного конечного, остаточного напряжения свидетельствует о том, что данный грунт по своим реологическим характеристикам может быть отнесен в соответствии со классификацией Н.Н. Маслова к скрытопластичным глинистым грунтам, поведение которых описывается реологической модедью Бингама - Шведова.
В этой связи полученные в наших исследованиях конечные величины нормальных вертикальных напряжений (рис. 3.7. - 3.9.) с полным основанием можно отнести к пороговым напряжениям СТ.. , т.е. к тем напряжениям, по превышению которых может начаться процесс ползучести грунта применительно к его данному состоянию по общей плотности и влажности мелкозема.
