СПОСОБ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПОСЛОЙНОГО УПЛОТНЕНИЯ ВОЗВЕДЕННЫХ ЗЕМЛЯНЫХ НАСЫПЕЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ, ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ И ПЛОТИН ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
METHOD FOR QUALITY ASSESSMENT OF LAYER-BY-LAYER COMPACTION OF ERECTED EARTH FILLS OF HIGHWAYS, RAILWAYS AND DAMS OF HYDRAULIC ENGINEERING STRUCTURES

Изобретение относится к гидротехническому, мелиоративному, дорожному и другим видам строительства, где необходимо оценить качество насыпей и искусственных оснований.
Известно (SU, авторское свидетельство 1134669, опубл. 1985) устройство для непрерывного контроля степени уплотнения грунта, содержащее подвижный штамп и измерительное приспособление, включающее в себя датчик величины осадки уплотняемого грунта, связанный с подвижным штампом, и сигнальный элемент, причем измерительное приспособление снабжено фотоэлектрическим электронным прибором с внешним фотоэффектом и записывающим аппаратом, датчик величины осадки уплотняемого грунта выполнен в виде двух прозрачных трубок, соединенных гибким шлангом и заполненных рабочей жидкостью, причем одна трубка закреплена на оси подвижного штампа, а другая установлена в зоне фотоэлектрического электронного прибора, соединенного с сигнальным элементом и записывающим аппаратом.
Известное устройство работает следующим образом.
тр
В процессе уплотнения грунта подвижный штамп, передавая нагрузку на грунт, производит осадку его на некоторую величину Δh, при этом датчик посредством рабочей жидкости автоматически показывает на шкале измерений величину осадки уплотняемого грунта. Предварительно на шкале измерений величины осадки уплотняемого грунта устанавливают фотоэлектрический электронный прибор на требуемую величину осадки Δh, которая функционально связана с требуемой степенью уплотнения грунта и определяется по данным тарировочных графиков и номограмм - плотность скелета грунта. При совпадении величины осадки уплотняемого грунта с требуемой величиной осадки фотоэлектрический электронный прибор реагирует на свечение мениска рабочей жидкости, находящейся в трубке датчика, при этом автоматически замыкает электроцепь, включает записывающий аппарат и сигнальный элемент, при этом записывающий аппарат фиксирует самописцем на ленте степень уплотнения грунта для построения исполнительных графиков послойного уплотнения насыпей.
Недостатком получаемого измерения, а также устройства в целом следует признать невозможность получения абсолютного значения величины, характеризующей уплотнение грунта, в частности коэффициента уплотнения грунта, представляющего собой отношение требуемой плотности грунта к максимальной стандартной плотности грунта.
Известен также (SU, патент 1823887, опубл. 1993) способ контроля степени уплотнения грунта земляных сооружений. При реализации известного способа в процессе работы навесного пневмо- или гидромолота со штампом (трамбовкой) осуществляют следующим образом.
у
у
На поверхность исследуемого (уплотняемого) земляного сооружения устанавливают штамп с пневмо- или гидромолотом, навешенным вместо ковша экскаватора для уплотнения грунта в стесненных условиях. Нажатием рукояти стрелы экскаватора на молот запускают его, и под действием энергии сжатого воздуха от компрессора или гидравлической жидкости от экскаватора (для гидромолота) он поднимается вверх и наносит по штампу периодические удары. При первых ударах по неуплотненному грунту частота ударов молота будет ниже паспортной. По мере увеличения плотности грунта частота ударов будет возрастать пропорционально росту плотности грунта и достигнет максимального (паспортного) значения при максимальной плотности К=10. Рост частоты ударов объясняется увеличением в процессе уплотнения упругих свойств грунта. Частоту ударов молота фиксируют стрелочным электроприбором - частотомером, шкала которого однажды оттарирована в известных единицах относительной плотности, выраженной коэффициентом уплотнения К.
Недостатком известного технического решения можно признать необходимость использования сложной техники, предпочтительно известное техническое решение может быть реализовано в процессе создания насыпи.
α
P
s
w
Наиболее близким техническим решением можно признать (RU, патент 2010083, опубл. 1994) способ контроля качества уплотнения неоднородности глинистого грунта, в том числе с песчано-гравийными или щебенистыми фракциями, включающий определение плотности ρ и степени уплотнения R для грунта или его мелкозема, причем предварительно определяют нижний предел пластичности W, плотность частиц грунта ρ, устанавливают корреляционную связь между степенью уплотнения R и относительной влажностью грунта K и рассчитывают относительную влажность грунта по формуле
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>w</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>s</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>α</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>s</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>α</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>w</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
w
после чего находят степень уплотнения R по корреляционной связи между R и K.
Недостатком известного технического решения следует признать его недостаточную точность, обусловленную приближенным значением используемых для расчета определяемых характеристик данных.
Техническая задача, решаемая путем реализации разработанного способа, состоит в проведении оценки качества послойного уплотнения путем определения коэффициента уплотнения в плане и по высоте отсыпной насыпи при отсутствии или недостоверности проведения геотехнического контроля при возведении указанных насыпей.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного способа, состоит в повышении точности определения и выявлении зон недоуплотненного грунта для его последующего локального доуплотнения.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ оценки качества послойного уплотнения земляных насыпей автомобильных, железных дорог и плотин гидротехнических сооружений. Согласно разработанному способу предварительно проводят статическое, динамическое или вибрационное зондирование в выбранных точках на глубину от 1 м относительно верха насыпи, одновременно отбирают образцы уплотненного грунта ненарушенной структуры для определения влажности и плотности скелета указанного грунта из нескольких пробуренных скважин в точках на расстоянии не более 1 метра в плане от точек проведенного статического, динамического или вибрационного зондирования (п.52.7 СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. М., 2001, ч.II) для определения механизма уплотнения, на отобранных образцах грунтов из тела уплотненной насыпи проводят лабораторные исследования стандартного уплотнения с определением коэффициента уплотнения в зависимости от плотности скелета грунта и выполняют построение корреляционной зависимости между указанными значениями коэффициента уплотнения и значениями сопротивления проникновению стандартного конуса в грунт при статическом, динамическом или вибрационном зондировании с учетом ранее выполненных в лаборатории определений с последующей оценкой качества уплотнения выполненной земляной насыпи.
Проведение статического, динамического или вибрационного зондирования в выбранных точках на глубину от 1 метра относительно верха насыпи, а также проходка скважин с отбором образцов грунта и определение их физико-механических свойств позволяет определить неоднородность состава и состояния отсыпной насыпи.
Определение влажности и плотности скелета указанного грунта из нескольких пробуренных скважин позволяет определить максимальную плотность грунта, а также построить корреляционную зависимость между коэффициентами уплотнения и значениями сопротивления проникновению стандартного конуса при зондировании.
у
Для получения более точного определения качества послойного уплотнения земляных насыпей, возведенных из любых видов глинистых или песчаных грунтов, возможно дополнительное определение распределения коэффициента уплотнения с выявлением зон недоуплотненного грунта по объему указанной земляной насыпи. Для этого проводят построение распределения К - коэффициента уплотнения, определенного по корреляционной зависимости между сопротивлением проникновению стандартного конуса и коэффициентом уплотнения с выделением локальных зон недоуплотненного грунта и рекомендациями по их доуплотнению.
dтреб
у
dтреб
По результатам испытаний на стандартное уплотнение определяют максимальную плотность сухого грунта ρ, которая соответствует коэффициенту уплотнения К, равному 1. В зависимости от конструктивного элемента указанного земляного полотна и, например, капитальности автомобильной дороги определяют требуемую плотность сухого грунта земляной насыпи ρ по формуле:
<mrow><msub><mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"><mi>ρ</mi></mstyle><mrow><mi>d</mi><mi>т</mi><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>б</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"><mi>ρ</mi></mstyle><mrow><mi>d</mi><mi>max</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"><mi>k</mi></mstyle><mi>y</mi></msub></mrow>
Кроме того, для повышения точности определения дополнительно проводят статическое, динамическое или вибрационное зондирование в местах, расположенных в различных точках в плане и на разных глубинах отсыпанной земляной насыпи со стандартной математической обработкой полученных результатов.
В дальнейшем сущность и преимущества разработанного способа рассмотрены с использованием примера реализации разработанного способа.
Разработанный способ был реализован при оценке качества отсыпки возведенной земляной насыпи на подходах к объекту «Реконструкция путепровода через железную дорогу на км 127+960 автомобильной дороги М-6 «Каспий» из Москвы (от Каширы) через Тамбов, Волгоград до Астрахани. Московская область».
Указанная работа показала возможность реализации поставленных задач разработанным способом.
Целевым назначением выполненных работ являлось проведение оценки качества отсыпки насыпи на подходах к путепроводу через железную дорогу на указанной выше автомагистрали.
В соответствии с целевым назначением строящихся сооружений при производстве исследований были выполнены следующие виды работ:
- буровые работы с отбором образцов,
- полевые исследования грунтов (статическое зондирование),
- лабораторные работы,
- камеральные работы.
На первом этапе осуществлялось бурение скважин самоходной буровой установкой УГБ-2А2 (на базе автомобиля «Урал» колонковым способом диаметром до 160 мм. (13 скважин глубиной от 3 до 27 м.)
Бурение выполнялось, как было указано выше, колонковым способом с удалением, в случае его присутствия, асфальтобетонного покрытия и поверхностного подстилающего слоя, который присутствовал практически везде на выполненных подходных дорожных насыпях. Указанная толщина выборки составляла от 0,5 до 1,3 м. Одновременно осуществлялся отбор образцов грунта из насыпи подходов и ее основания естественной и нарушенной структуры.
По окончании бурения скважин, отбора проб грунта пройденные выработки тампонировались исходным материалом (карьерным песком с послойным уплотнением).
Расположение выработок, точек статического зондирования и линий инженерно-геологических разрезов было приведено на схеме плана отсыпанных насыпей подходов.
На отобранных образцах (28 образцов) были приведены лабораторные исследования физических свойств и определение коэффициента уплотнения материала насыпей методом стандартного уплотнения.
На втором этапе работ для оценки качества послойной отсыпки насыпей подходов выполнено на базе той же установки статическое зондирование через каждые 20 метров в 53 точках по высоте отсыпанной насыпи от ПК 0 до ПК 3+60 и от ПК 4+40 до ПК 11. В промежутке от ПК 3+60 до ПК 4+40 строился путепровод через железную дорогу.
Статическое зондирование осуществлялось зондом II типа на приборе ООО «Геотест» (Комплект ТЕСТ-4). Испытание статическим зондированием проводилось с целью уточнения показателей лобового и бокового сопротивлений грунта проникновению стандартного конуса, то есть с целью определения степени уплотнения по высоте земляной насыпи и границы ее подошвы. Точки проведения статического зондирования располагались практически на расстоянии около 1 метра от мест бурения скважин, что обеспечило достаточно надежную корреляцию результатов буровых работ и статического зондирования.
Третий этап работ (камеральный) заключался в построении корреляционной зависимости по результатам выполненных лабораторных работ по стандартному уплотнению материала насыпи и полевыми работами по статическому зондированию.
Были установлены корреляционные зависимости между коэффициентом уплотнения мелкого песка тела насыпи и лобовым сопротивление грунта проникновению указанного конуса, на основе выполненных полевых и лабораторных исследованиями насыпных грунтов.
На основании указанных корреляционных зависимостей выделены зоны недоуплотненного грунта и даны рекомендации по их глубинному доуплотнению вибрационными установками с доувлажнением.
При реализации разработанного способа повышена точность определения качества послойного уплотнения отсыпных земляных насыпей на 17% с одновременным выявлением зон недоуплотненного грунта для его последующего локального доуплотнения.