Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние вопроса влияния морозного пучения на долговечность дорожных конструкций 12
1.1 Общие принципы и задачи решения вопросов устойчивости к процессам морозного пучения при обеспечении надежности различных конструкций и сооружений 12
1.2 Особенности водно-теплового режима работы дорожной конструкции с теоретическим исследованием процессов морозного пучения 19
1.3 Пути повышения надежности работы дорожных конструкций от среднестатистических табличных данных к натурным 25
1.4 Анализ методов и установок для оценки надежности дорожных конструкций от воздействия сил морозного пучения 29
1.5 Выводы по главе 1 40
2 Теоретические основы для объективной опенки и обеспечения устойчивости дорожных конструкций к морозному пучению 42
2.1 Развитие системы характеристик морозного пучения дорожных конструкций и точности их определения 42
2.2 Прогноз величин пучения и оценка методов расчета дорожных конструкций на устойчивость к морозному пучению 49
2.3 Новый метод расчета «Обеспечение защиты земляного полотна автомобильной дороги от действия сил морозного пучения» з
2.4 Разработка расчетной модели дорожной одежды с учетом морозного пучения на основе комплексного подхода 63
2.5 Теоретические основы к разработке установки для испытания на морозное пучение для автомобильных дорог 83
2.6 Выводы по главе 2 87
3 Проведение экспериментальных исследований, с разработкой и созданием новой установки для испытания грунта на морозное пучение 89
3.1 Требования к разрабатываемой установке 89
3.2 Выбор необходимого холодильного оборудования 90
3.3 Разработка рабочих чертежей для изготовления установки 91
3.4 Изготовление установки для испытания грунта на морозное пучение 95
3.5 Методика проведения экспериментальных исследований 97
3.6 Экспериментальные исследования температурного режима над образцами в новой установке 99
3.7 Экспериментальные исследования скорости промерзания образцов в новой установке 106
3.8 Обеспечение соответствия горизонта воды в установке границе промерзания в новой установке 113
3.9 Контрольные испытания на эталонном грунте
3.10 Усовершенствование методики проведения испытаний ГОСТ 28622-2012 применительно к новой установке 120
3.11 Рекомендуемая методика проведения испытаний на морозное пучение на новой установке 124
3.12 Выводы по главе
4 Совершенствование и дополнение нормативной базы обеспечения устойчивости к морозному пучению дорожной конструкции 133
4.1 Совершенствование рекомендуемого ОДН 218.046-01 метода расчета «Проверка на морозоустойчивость» 133
4.2 Разработка алгоритма программы, позволяющей использовать при обеспечении устойчивости к морозному пучению реальные характеристики морозного пучения 137
4.3 Повышение экономичности принимаемых проектных решений при использовании реальных характеристик морозного пучения 141
4.4 Выводы по главе 4 145
5 Практические результаты от внедрения материалов исследования 146
5.1 Применение установки при проектировании и строительстве объектов 147
5.2 Применение установки при реконструкции автомобильных дорог. 148
5.3 Возможность обоснования применения ионных стабилизаторов для уменьшения пучинистых свойств грунтов 149
5.4 Применение для исследования гранулированных шлаков ОАО «Северсталь» 155
5.5 Применение при проверке качества грунтов 158
5.6 Выводы по главе 5 159
Основные результаты и выводы 160
Список использованных источников
- Особенности водно-теплового режима работы дорожной конструкции с теоретическим исследованием процессов морозного пучения
- Прогноз величин пучения и оценка методов расчета дорожных конструкций на устойчивость к морозному пучению
- Экспериментальные исследования температурного режима над образцами в новой установке
- Повышение экономичности принимаемых проектных решений при использовании реальных характеристик морозного пучения
Особенности водно-теплового режима работы дорожной конструкции с теоретическим исследованием процессов морозного пучения
При размере частиц больше 0,1 мм миграция воды к границе промерзания отсутствует. Наибольшему пучению подвержены грунты, содержащие частицы пылеватой фракции (0,05 - 0,005 мм) в количестве от 30 до 80% [89]. Увеличение глинистых фракций (меньше 0,005 мм) приводит к уменьшению миграционной влаги в грунте. Переход крупноскелетных грунтов в категорию морозоопасных определяется содержанием в них тонких частиц. Некоторые исследователи считают, что эти грунты становятся морозоопасными при размерах частиц мельче 0,02 мм в количестве более 1... 3% [44, 46, 48].
Для определения морозоопасных свойств песчаного грунта В.О. Орловым и др., предложен критерий D (дисперсность). При величине критерия меньше 1 -грунт характеризуется как непучинистый, при величине от 1 до 5 - слабопучини-стый, при величине больше 5 - пучинистый [59].
Влияние влажности на морозное пучение грунта определяют двумя незави симыми друг от друга условиями: W Wnn и W Wcr. Где W - влажность предзимняя, Wnn - влажность предела пучения, Wcr - критическая влажность. Влажности Wnn и Wcr представляют граничные условия, при превышении которых начинается пучение грунта. Первая (Wnn) из них соответствует такому состоянию грунта, когда все поры заполнены льдом и незамерзшей водой, а вторая (Wcr) - влажность, при которой отсутствует еще подвижность воды у границы промерзания [29, 46, 58]. Приток воды к границе промерзания происходит за счет капиллярной воды, гидравлически связанной с грунтовыми водами. Этот приток отсутствует, если перед началом промерзания расстояние от горизонта грунтовых вод до границы промерзания превышает некоторое предельное значение, зависящее от вида грунта. По данным Союздорнии [23] для второй дорожно-климатической зоны это расстояние составляет: для глины, суглинка тяжелого и суглинка пылеватого - 2,5 м; суглинка легкого пылеватого, супеси пылеватой и тяжелой пылеватой - 1,5 м; супеси легкой, песка пылеватого - 1,0 м.
Наибольшая интенсивность пучения имеет место, если горизонт грунтовых вод расположен в пределах слоя сезонного промерзания и особенно вблизи границы промерзания.
Влияние плотности грунта на пучение зависит от того, к какой среде можно отнести грунт. Если грунт относится к трехфазной системе, то с повышением плотности интенсивность пучения возрастает, достигая максимума при наименьшей пористости. При дальнейшем возрастании плотности грунта все поры заполняются водой и его можно отнести к двухфазной системе, при которой интенсивность пучения понижается [90]. Подобная графическая зависимость приведена на рисунке 1.3.
Область трехфазного грунта; 2. Область двухфазного грунта Рисунок 1.3 - График зависимости относительного пучения от плотности грунта
Плотность, соответствующую максимальному пучению грунта, называют условной плотностью (р%), она составляет 0,8-0,9 от максимальной плотности (Лпах)- Таким образом, коэффициент стандартного уплотнения {Ку= pydІpTasK) составляет 0,8-0,9. При увеличении коэффициента стандартного уплотнения до 1,0 морозное пучение практически отсутствует.
Независимо от начальной плотности при пучении грунта происходит его разуплотнение. При сезонном разуплотнении грунта в конструкции автомобильной дороги его восстановление вызвано воздействием нагрузки от подвижного транспорта. При интенсивности движения на дорогах 3000 - 5000 автомобилей в сутки восстановление происходит через два-три месяца [90].
Влияние степени охлаждения проявляется в зависимости величины пучения от градиента температуры (Grad t) в период промерзания. Выделяют критическое значение градиента, при котором приток воды к границе промерзания будет максимальным. Его значения находятся в пределах 0,1-0,2 град/см. При отклонении градиента от критического значения интенсивность пучения понижается [98].
Влияние минералогического состава на пучинистые свойства грунта характеризуется данными, приведенными в работе [90]. Наиболее опасными в отношении морозного пучения являются каолинитовые грунты, величина деформации морозного пучения их в 4 - 8 раз превышает соответствующие значения для гидрослюдистых и монтмориллонитовых грунтов. Малая химическая активность поверхности каолинитовых минералов при высоком свободном поверхностном заряде способствует протеканию процесса миграции воды и проявлению высоких пучинистых свойств грунта.
Влияние внешней нагрузки на величину пучения. С ростом давления на грунт уменьшается приток воды к границе промерзания, а значит, уменьшается и величина пучения. Это явление вызвано влиянием двух факторов: изменением фазовых переходов воды в лед и уплотнением грунта, подстилающего мерзлые слои. Первый фактор связан с понижением температуры замерзания воды при возрастании давления. Его можно учитывать, вводя поправки к температурным характеристикам. Второй фактор вызывает снижение начального содержания, а значит и удельного миграционного влагонакопления промерзающего грунта.
Прогноз величин пучения и оценка методов расчета дорожных конструкций на устойчивость к морозному пучению
Сопоставляя эти величины с предельными относительными удлинениями по таблице 2.11 можно утверждать, что для дорожной конструкции, отнесенной к группе 1, относительные деформации покрытия достигают предельной для асфальтобетона величины при температуре минус 20С.
Кроме неоднородности конструкции в поперечном сечении дороги факторами, влияющими на неравномерность пучения, являются: изменение глубины залегания подземных вод в поперечном и продольном направлении по отношению к оси дороги; снежный покров, существенно влияющий на глубину промерзания и на величину пучения, эффект его воздействия зависит от системы уборки снега с проезжей части и обочин.
В процессе неравномерных поднятий дорожные покрытия подвергаются изгибу под действием нагрузки от собственного веса и сцепления с основанием. Если в основании находится сухой сыпучий материал, сцепление будет незначительным. Если же основание содержит влагу, то при отрицательных температурах возможно смерзание покрытия с основанием. Смерзание с основанием препятствует свободному сжатию покрытий при охлаждении и свободному изгибу при неравномерном понижении температуры по толщине покрытия. Прочность смерзания на отрыв характеризует величину нагрузки на 1 см2 площади покрытия, подвергающегося изгибу под действием неравномерного пучения по толщине покрытия.
Искривление асфальтобетонных покрытий может быть обращено выпуклостью как вверх при поднятиях проезжей части больших, чем поднятия поверхности обочин, так и вниз. Поднятию дорожной одежды могут оказывать сопротивление собственный вес дорожной одежды и смерзание боковых граней дорожной одежды с грунтом обочин. Но в сопоставлении с величинами нормальных сил пучения эти сопротивления незначительны.
Обобщенное представление о воздействующих силах н характере деформации при неравномерных по ширине проезжей части и обочин поднятиях, вызываемых пучением грунтов земляного полотна, может быть представлено в виде следующих расчетных схем (рисунок 2.8 и 2.9).
Для случая, характеризуемого выражением (2.26) в этих условиях, при наличии смерзания по линиям А - А, искривление поверхности будет иметь вогнутую форму (пунктирная линия на рисунке 2.8), а для случая (2.27) - выпуклую (рисунок 2.9). На схеме рисунок 2.8 нагрузки от собственного веса дорожной одежды q и от сил смерзания qc противодействуют поднятию покрытия, а силы, действующие по линиям А - А контакта с грунтом обочин, наоборот, обусловливают поднятие покрытия. В результате и возникает вогнутое очертание поверхности покрытия. На схеме рисунок 2.9 силы Рс противодействуют поднятию покрытия дороги, в соответствии с чем, направление их действия обратное.
С учетом вышеизложенного одной из основных задач при определении устойчивости покрытий от процессов морозного пучения-осадки грунтов оснований является установление связи между допустимым (hf доп) и предельным относительным удлинением покрытия (предельной растяжимостью єпр) определяю 73 щим предельное допустимое напряжение а. Связь между ними принимают по известным решениям технической теории изгиба балок прямоугольных или круглых плит при различных условиях закрепления по краям. По всем многочисленным решениям зависимость между hf доп допустимым и предельной растяжимостью єпр приведена к виду: h» = fk, (2.29) где / - расчетный пролет на протяжении, которого при пучении-осадке наблюдается кривизна одного знака; т] - коэффициент неравномерности деформации пучения; z - глубина промерзания; к - коэффициент, определяемый расчетной схемой, т.е. формой плиты в плане и условиями закрепления.
Важную роль в нарастающем повышении остаточного деформирования играет меняющийся в ходе эксплуатации характер неравномерного морозного пучения. При многократном и многолетнем воздействии неравномерного морозного пучения снижается однородность дорожной конструкции, результатом которой является увеличение коэффициентов вариации, как растягивающих напряжений, так и модуля упругости дорожной конструкции. Коэффициенты вариации эквивалентного модуля упругости в t году эксплуатации (Суф) определяется по выражению Суф= Су + y, где Су - коэффициент вариации эквивалентного модуля упругости на период пуска дорожной конструкции в эксплуатацию, а у- коэффициент, учитывающий снижение однородности общего модуля упругости конструкции во времени (имеет размерность обратную времени).
Фактический срок службы дорожной одежды зависит от требуемого уровня надежности, перспективной интенсивности движения, характера морозного пучения и особенностей конструктивно-технологических решений дорожной одежды, качества дорожных работ определяющих изменение величины однородности эквивалентного модуля упругости по годам эксплуатации.
Модуль упругости и его среднеквадратичное отклонение при нормированном уровне надежности рассчитывается только на основе суммарной интенсивности движения без учета влияния показателей нормативной величины морозного пучения. Коэффициенты вариации растягивающих напряжений при изгибе в монолитном слое (Cyr) определяют по формуле [116]:
Коэффициенты вариации растягивающих напряжений в монолитном слое (Суг) при увеличении влажности грунта земляного полотна и уменьшении параметра Ен возрастают. В дальнейшем коэффициенты вариации Суг используются в формуле 2.31 для определения вероятности трещинообразования (Pv) к окончанию эксплуатации [116]. Данный подход позволяет определить величину Cyr, и вероятность трещинообразования монолитных слоев при изгибе для автомобильных дорог капитального типа, что позволяет выбрать оптимальный вариант конструкции дорожной одежды. Однако этот подход не учитывает влияния процессов морозного пучения грунта земляного полотна, оказывающих значительное воздействие на конструкцию дороги, ее ровность и в конечном итоге надежность.
Наряду с деформациями асфальтобетонного покрытия от морозного пучения-осадки и растягивающими напряжениями от изгиба, достигающими предельных величин, происходит ежегодное неравномерное разуплотнение нижних слоев дорожной одежды, снижающих однородность конструкции с повышением коэффициента вариации модуля упругости и снижением срока службы дорожной одежды.
Экспериментальные исследования температурного режима над образцами в новой установке
Образец грунта устанавливают на специальную платформу и обматывают тонкой полиэтиленовой пленкой шириной 15 см и длиной 50 - 60 см. При изготовлении образцов из связного грунта их заключают в антифрикционную пленку после извлечения из устройства (рисунок 3.36), а при изготовлении из несвязного грунта антифрикционную пленку закрепляют на внутренней поверхности полости устройства.
Установка образца в форму для испытаний и крепление индикаторов. Форма для испытаний представляет собой цилиндр, высотой 220 мм и диаметром 120 мм, с вложенным внутрь перфорированным днищем, на которое помещается фильтровальная бумага. Размещение образца грунта на специальной платформе позволяет вставить его в форму для испытаний, как показано на рисунке 3.37. После этого в верхние пазы крепится держатель с индикатором часового типа.
Образец грунта ненарушенного сложения вырезают с помощью металлической формы, внутренние размеры которой соответствуют размерам образца грунта: методом режущего кольца. С помощью приспособления для выдавливания образец грунта извлекают из формы и помещают в обойму установки для испытаний. Неровности поверхности образца крупнообломочного грунта заполняют материалом того же заполнителя.
Верхнюю торцовую поверхность заключенного в форму образца покрывают полиэтиленовой пленкой, а в центральной части укладывают пластинку из твердого пластика, на которую будет опираться ножка индикатора.
После завершения подготовительных работ приступают к испытаниям образцов грунта на морозное пучение. Оно включает промораживание образцов и измерение деформации пучения.
Промораживание грунта при испытании рекомендуется производить в определенном диапазоне температур, задаваемых на поверхности образцов. Этот диапазон принимается для Европейской территории страны от минус 3С до минус 5С, для Сибири от минус 5С до минус 8С. Температурный режим в камере фиксируется с помощью электронного табло холодильного шкафа.
Испытания начинаются с промораживания образцов грунта после включения холодильного шкафа. При промораживании образцов не реже чем каждые 12 часов снимают показания индикаторов, фиксирующих вертикальную деформацию морозного пучения. Испытание заканчивается при полном промораживании образцов. Время его наступления фиксируется, когда приращение деформации морозного пучения равно нулю.
Обработка результатов включает построение графика нарастания деформации во времени для каждого образца и заполнение журнала испытаний для определения степени пучинистости испытываемого грунта.
С учетом теоретических предпосылок для оценки устойчивости к морозному пучению дорожной конструкции и обеспечения ее надежной работы создана автономная установка в комплекте со стандартной отечественной морозильной камерой для испытания грунта на морозное пучение, содержащая корпус с внутренней изоляцией, снабженный емкостью с рабочей жидкостью и крышкой в виде пластины из теплоизоляционного материала с теплопроводностью, меньшей теплопроводности испытываемых образцов и отверстиями в ней для размещения стаканов с перфорированным днищем отличающаяся тем, что в пластине предусматривается устройство полости, объем которой в зависимости от типа грунта и размера образцов подбирается таким, чтобы при заполнении ее водой градиент напора в испытываемых образцах соответствовал задаваемому, для исключения замерзания воды в полости она перекрывается заглушкой с теплоизоляцией, и обеспечивается устранение плавучести пластины с закреплением ее в фиксированном положении по отношению к горизонту воды в емкости. Новизна установки подтверждена патентами на изобретение №2319145 [12] и №2313788 [13].
Равномерное промерзание образцов грунта при проведении испытаний обеспечено выравниванием температурного режима на основе переоборудования камеры с переносом датчика, регулирующего температурный режим, с верхней части морозильного шкафа на уровень поверхности образцов.
По результатам исследования основных параметров установки была определена скорость и глубина промерзания образцов грунта при проведении испытаний. Для песчаного грунта средняя скорость промерзания составила 2,9 см/сутки и время на проведение одного цикла испытаний - 5,2 суток, а для глинистого - 2 см/сутки и 7,4 суток соответственно.
Горизонт воды в установке будет соответствовать границе промерзания в испытуемом образце при выполнении следующего условия: объем воды в резервуаре должен уменьшаться пропорционально глубине промерзания испытываемого образца. Необходимые объемы резервуара были получены для двух видов грун-тов: песчаных и глинистых, составившие 415 и 553 см соответственно.
Комплекс контрольных испытаний, проведенный на новой установке с использованием эталонных грунтов песка мелкого и супеси пылеватой, показал, что величина пучения соответствует реальной. Данные статистической обработки результатов испытаний показали требуемую достоверность и воспроизводимость в сравнении с установкой рекомендуемой ГОСТ 28622-2012. Разброс значений на новой установке составил около 8%, что также удовлетворяет требованиям стандарта.
Изготовление образцов для испытаний из связного грунта нарушенной структуры непосредственно в формах приводит к появлению значительных сил трения по боковой поверхности, исключение которых рекомендуемыми методами достаточно сложно, поэтому усовершенствована методика проведения испытаний по ГОСТ 28622-2012 [5]. Усовершенствование состояло в предложении изготовления образцов грунта отдельно в специальном приборе. Извлеченный из этого прибора образец заключается в антифрикционную пленку и вставляется в установку. Контрольные испытания показали, что первый из 3-х рекомендуемых стандартной методикой цикл испытаний дает максимальную величину пучения, что говорит о возможности проведение испытаний на данной установке за один цикл. Это позволяет в три раза экономить время при проведении испытаний по сравнению со стандартной методикой.
Повышение экономичности принимаемых проектных решений при использовании реальных характеристик морозного пучения
Итог применения в натурных условиях технологии обработки грунта земляного полотна ионным стабилизатором без нарушения дорожного покрытия методом щелевых увлажнителей показал: - проводимые работы не требуют применения нестандартного оборудования и могут выполняться обычными дорожно-строительными организациями; - во время проведения строительных работ, пропускная способность автомобильной дороги практически не снижается; - данный метод экономичнее традиционных методов ремонта пучиноопас-ных участков дорог не менее чем в 2,5 раза. Обследование экспериментального участка подтвердило эффективность применения данной технологии.
Применение для исследования гранулированных шлаков ОАО «Северсталь» Одним из направлений эффективного применения лабораторного метода определения степени морозного пучения грунта был поиск возможных путей повышения устойчивости к морозному пучению оснований, за счет использования сырьевой базы вторичных ресурсов, расположенных на территории Вологодской области. Внимание было обращено на отходы Череповецкого металлургического комбината ОАО "СеверСталь". Шлаковый щебень комбината уже используется дорожниками Волого дчины для устройства дорожной одежды [99], в то же время совершенно не находил применения гранулированный доменный шлак, который является достаточно дешевым материалом и за последние годы его запасы увеличились до нескольких миллионов тонн.
Исследования, проводимые на кафедре «Автомобильных дорог» Вологодского ГТУ по данной тематике включали в себя изучение прочностных и пучини-стых свойств композиции грунт - гранулированный шлак. Для изготовления композиции использовались характерные для региона грунты: пылеватый песок, супесь, суглинок.
Известно, что по характеру взаимодействия с грунтом гранулированный шлак близок к цементу. Известно, что при взаимодействии цемента с дисперсными (глинистыми) грунтами протекают сложные химические реакции с выделением на отдельных стадиях многовалентных ионов, содержание которых в грунтовых системах вызывает повышение морозного пучения. Этим можно объяснить увеличение пучинистых свойств композиций через 2-3 месяца после изготовления. В дальнейшем, активность этих реакций уменьшается, что подтверждается упорядочиванием пучинистых свойств через 5 месяцев наблюдений. Однако очевидно, что и по происшествии этого времени снижение пучинистых свойств у композиций не завершено. При этом процессы не прекращаются после периода отрицательных температур, которому подвергаются образцы в процессе испытаний. Химическая активность, а с ней и пучинистые свойства снижаются и стабилизируются лишь через 9 месяцев после объединения, что подтверждается испытаниями, проводимыми через 18 месяцев. На рисунке 5.9 показана динамика морозного пучения при твердении образцов грунтошлаковых композиций (суглинок).
Подобная динамика проявления пучинистых свойств грунтошлаковых смесей может найти объяснение с позиции теории синтеза неорганических вяжущих веществ в дисперсных телах, изложенной в работах В.И. Кнатько [47]. Согласно этой теории взаимодействие компонентов представляет собой сложный многостадийный процесс, каждая стадия которого характеризуется определенной последовательностью сложных химических реакций. Известно, что по характеру взаимодействия с грунтом гранулированный шлак близок к цементу. При взаимодействии цемента с дисперсными (глинистыми) грунтами на отдельных стадиях происходит выделение многовалентных ионов, содержание которых в грунтовых системах вызывает повышение морозного пучения.
Таким образом, была показана возможность использования гранулированного доменного шлака при строительстве для повышения устойчивости к морозному пучению земляного полотна. И, в частности, для устройства рабочего слоя возможность использования: 1) Пылеватых песков при укреплении их 30% и более граншлаком, без временных ограничений в сроках строительства; 2) Суглинков и супесей при укреплении 50% и более, при условии устройства дорожной одежды не менее чем через год после возведения верхнего слоя земляного полотна.
