Исследование плотности сложения песчаных грунтов в основании дорожной насыпи в процессе ее уплотнения взрывами удлиненных зарядов

УДК 624.15

Е. В. Городнова, А. А. Минченко, Е. А. Суворова

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛОТНОСТИ СЛОЖЕНИЯ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ В ОСНОВАНИИ ДОРОЖНОЙ НАСЫПИ В ПРОЦЕССЕ ЕЕ УПЛОТНЕНИЯ ВЗРЫВАМИ УДЛИНЕННЫХ ЗАРЯДОВ

Дата поступления: 11.07.2018 Решение о публикации: 29.09.2018

Аннотация

Цель: Создание прочного основания для автомобильных и железных дорог. Методы: Применена буровзрывная технология, сопровождающаяся созданием вертикальных песчаных дрен с использованием энергии взрыва. Данный метод предполагает ускорение консолидации слабых органических грунтов, а также уплотнение рыхлых песков, являющихся основанием дорожной насыпи. Результаты: На основе проведенных научно-исследовательских работ по уменьшению деформаций земляного полотна при строительстве скоростной автомобильной дороги получены такие величины как коэффициент пористости и показатель плотности сложения песчаного слоя. Представлено их сравнение до и после проведения работ. Практическая значимость: В результате работ произошло уплотнение песчаных грунтов основания дорожной насыпи. Использование буровзрывной технологии, формирующей песчаные дрены, позволило не только стабилизировать толщу слабых грунтов, но и уплотнить рыхлые пески, обеспечивая прочность и устойчивость основания дорожной насыпи.

Ключевые слова: Плотность сложения, основание дорожных сооружений, уплотнение песчаных грунтов взрывами, статическое зондирование, коэффициент пористости.

Elena V. Gorodnova, Cand. Eng. Sci., associated professor, elena.gorodnova@mail.ru; Anastasiya A. Minchenko, Cand. Geol. and Miner. Sci., assistant, anastasija.korobko@yandex.ru; *Ekaterina A. Suvorova, postgraduate student, suvorova_e_a@mail.ru (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University) THE STUDY OF SANDY SOILS DENSITY IN THE SUBGRADE OF ROAD EMBANKMENT WHEN COMPACTED BY EXPLOSIONS OF ELONGATED CHARGES

Summary

Objective: To create a solid subgrade for highways and railways fulfillment. Methods: Drilling and blasting technology with vertical sand drains formation and explosion energy use was applied. The method in question assumes acceleration of weak organic soils consolidation and loose sands ompaction in the subgrade of the road embankment. Results: Research work was carried out to reduce deformations in the road embankment during the high-speed road construction. Based on the research data, the porosity coefficient and the density index of the sand layer, being the subgrade of the road embankment, were obtained. The article presents a comparison between the results calculated before and after the work. Practical importance: When comparing the results of cone penetration test in soil, obtained at different stages of work, the conclusion was made that the sands in the subgrade of the road embankment were compacted. This fact implies that the application of drilling and blasting technology at sand drains formation results both in weak soils stabilization and also in loose sands compaction. The range of conducted works provides durability and stability in the subgrade of the road embankment.

Keywords: Sandy soils density, road embankment basis, sandy soils compaction with explosions use, static sounding, coefficient of soil porosity.

В мировой практике строительства известны технологии, позволяющие поддерживать стабильное состояние земляного полотна, а также его долговечность, обеспечивая тем самым безопасность движения транспортных средств, сохранность дорожной одежды или верхнего строения железнодорожного пути [1].

Начиная 1949 г. в Ленинграде под руководством В. А. Флорина, профессора Ленинградского политехнического института (ныне СПбГТУ), проводились обширные теоретические и экспериментальные исследования явлений разжижения и уплотнения несвязных грунтов при динамических воздействиях, в результате чего были разработаны методики, позволяющие оценить плотность и динамическую устойчивость грунтов, а также рекомендации к уплотнению несвязных водона-сыщенных грунтов взрывами.

Успешное применение взрывов для уплотнения водонасыщенных песчаных грунтов в СССР было связано в основном с гидротехническим строительством. Впервые в больших объемах уплотнение грунтов было выполнено на строительствах Волжской и Горьковской ГЭС сотрудниками лаборатории механики грунтов Ленинградского политехнического института в 1951-1953 гг. На этих объектах глубинными и поверхностными взрывами качественно уплотнено более 150 тыс. м 3 песчаных грунтов [2].

Технология с использованием энергии взрыва применялась для уплотнения грунтов при возведении комплекса защитных сооружений Ленинграда от наводнений в 1987-1988 гг. Из зарубежного опыта развития стабилизации грунтов взрывами известны примеры строительства автострад на территории Польши.

Взрывами возможно не только стабилизировать водонасыщенные несвязные грунты (пески, плывуны, каменные наносы), но и основания, сложенные органическими грунтами (торф, ил, сапропель), а также уплотнить рыхлые пески, из которых формируется основание дорожной насыпи [3].

Специалистами кафедры «Основания и фундаменты» ПГУПС под руководством

проф. В. М. Улицкого разработана и утверждена проектная документация, а также выполнена научно-исследовательская работа как по закреплению и усилению слабой толщи под основанием насыпи, так и по уплотнению песка дорожного полотна с помощью песчаных дрен, образованных с использованием буровзрывной технологии.

Участок входит в состав скоростной автомобильной дороги Москва - Санкт-Петербург, находящийся в Бологовском районе Тверской области. Строительная площадка представляет собой подход к мосту через р. Коломенка длиной 300 м и шириной 64 м.

Первоначальное положение моста предполагалось над руслом реки, через которое был запроектирован однопролетный мост с подходными насыпями высотой до 5 м. При забивке опытных свай под мостовую опору происходило их погружение на большую глубину, чем в проекте («сваи проваливались»). Устройство свайного поля оказалось невозможным из-за неточных изысканий. В связи с этим проектировщики приняли решение о переносе русла в новое местоположение, и запроектированный ранее мост был построен на 150 м дальше первоначального положения. Оставалась нерешенной проблема создания подходной насыпи к мосту на участке, где ранее протекала река.

Проблема, с которой столкнулись при производстве работ на подходах к мосту, заключалась в потере устойчивости земляного полотна. Перед специалистами ПГУПС стояла задача с помощью буровзрывной технологии [4] сформировать вертикальные песчаные дрены, ускоряющие консолидацию слабых органических (торфов) и связных текучих и текучепластичных (суглинков и глин) грунтов, а также уплотнить рыхлые пески, из которых устраивалось основание дорожной насыпи.

Создание песчаных дрен в грунтовом основании с использованием энергии взрыва традиционно заключается во взрывании удлиненного заряда на всю глубину камуфлетной скважины с заданным шагом [5]. Нами применялись раз-

личные длины зарядов, а также варьировалась сетка расположения шага скважин. Результаты использования данной методики контролировались геодезическими наблюдениями и статическим зондированием.

Научно-исследовательские работы по оценке качества работ включали: 1) проведение инженерно-геофизических изысканий по характерным разрезам; 2) мониторинг изменения порового давления в толще песчаных и глинистых грунтов; 3) геодезический мониторинг осадочных марок.

В начале производства работ по бурению камуфлетных скважин специалистами ПГУПС были выявлены существенные отличия в напластовании грунтов от ранее представлен-

ных в материалах изысканий. В связи с этим дополнительно исследовалось геологическое строение территории под проектируемой насыпью, уточнялись инженерно-геологические разрезы и свойства слагающих его грунтов. Инженерно-геологические условия рассматриваемого участка осложнены наличием болотных отложений (торф и заторфованные пески) и «слабых грунтов», представленных глинами текучими, суглинками текучими и текучепластичными.

Геофизическими методами контролировалось изменение плотности сложения и влажности массива грунта [6], которые изменялись в процессе ведения буровзрывных работ. Геофизические методы включали электроразведку,

Рис. 1. План производства работ с расположением ТСЗ

До проведения работ

После завершения работ

Глу<ИНЭ_ Ы «A U^t 3 ¡Iritis 1 iâs Абс опл. и

ГлуФинз.и  tiL ^ :1ц ^ 7- А ^ Дн1,1

Абс.аги, и

Л

2.Б

9 S

IS £

9.9

15,D

:::::: «

160,901 18Б.М

1 ег,м

13ЕЛМ

155.00

194,00

163.И

1В2,оа

161,M

iso.oa

159.М

isE.oa

157,М

ise.oa

15S.M4-

154.0dl

тсэ и

ТСЭ12

Рис. 2. Паспорт испытания грунтов статическим зондированием: цифры в кружках: 1 - насыпные пески (1;, IV); 3 - глина текучая, суглинки текучепластичные и текучие ^Ш-Г^; 5 - супесь твердая и пластичная QIII); 6 - пески разной крупности ^П-Ш). Сплошная кривая - лобовое сопротивление, МПа, штрихпунктирная -

боковое трение,/, МПа

сейсморазведку и георадиолокационное профилирование. Их результаты позволили подтвердить факт стабилизации грунтового основания. Работы выполнялись с привлечением специалистов Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Данные комплексных инженерно-геофизических исследований показали, что после проведения взрывных работ до глубины 20 м от поверхности наблюдаются уменьшение скоростей продольных волн и увеличение скоростей поперечных волн, что свидетельствует

ТАБЛИЦА 1. Изменение коэффициента пористости для различных этапов работ

ТСЗ по оси автомобильной дороги Коэффициент пористости Соотношение изменения плотности сложения, %

1-й этап Плотность сложения 2-й этап Плотность сложения

3 0,674 Средняя 0,513 Плотный 24

6 0,586 Средняя 0,499 Плотный 15

9 0,640 Средняя 0,640 Средняя 0

12 0,667 Средняя 0,550 Плотный 17

15 0,547 Плотный 0,536 Плотный 2

о произошедшем уплотнении грунтов и понижении их влажности.

Геодезические наблюдения за высотным положением осадочных марок, установленных по оси земляного полотна и пригрузоч-ным бермам, позволило оценить абсолютные величины деформаций, неравномерности и скорости их развития.

В процессе работ, выполненных ПГУПС, проводилось бурение контрольных скважин и вблизи каждой скважины выполнялась точка статического зондирования (ТСЗ). Полученные данные позволили оценить изменения, происходящие в массиве грунта, и качество выполненных буровзрывных работ [7]. План расположения ТСЗ представлен на рис. 1.

Анализ данных зондирования до и после стабилизации грунтов подтвердил факт уплотнения рыхлых песков. Для наглядности на рис. 2 представлено изменение геологического разреза, исследуемого в одной и той же ТСЗ до начала и после завершения работ. В результате зафиксировано не только увеличение лобового и бокового сопротивлений грунта, но и уменьшение мощности слабого слоя (см. рис. 2, слой 3). Из разреза видно, что насыпной песок (слой 1), ранее находившийся в рыхлом состоянии, был уплотнен до плотного состояния. При этом для обеспечения проектной отметки верха дорожной насыпи дополнительно производилась отсыпка песка. Таким образом, произошло увеличение мощности слоя 1 от 2,6 до 13,3 м.

Стабилизация проводилась в несколько этапов. Для подтверждения качества уплотне-

ния песчаного грунта в табл. 1 и 2 приведены результаты, в которых сравнивалось изменение коэффициента пористости и плотности сложения песчаного слоя.

По полученным величинам сопротивления зонда перерасчетом определен коэффициент пористости на 1-м и 2-м этапах производства буровзрывных работ. Результаты сопоставления значений коэффициента пористости представлены в табл. 1.

Плотность сложения песчаных грунтов выполнена в соответствии с ГОСТ 25100-2011 [8]. По данным табл. 1 можно судить об уменьшении коэффициента пористости и изменении плотности сложения.

По величинам бокового сопротивления, согласно [9], найдена степень плотности сложения песков на 1-м и 3-м этапах производства буровзрывных работ. Результаты сопоставления сведены в табл. 2. Плотность сложения песков определялась с интервалом в 1 м по глубине исследуемого разреза.

Пески, из которых формировалось основание дорожной насыпи, уплотнились в результате работ. Отсюда следует, что применение буровзрывной технологии, сопровождающееся образованием песчаных дрен, позволяет не только стабилизировать толщу слабых грунтов, но и уплотнить рыхлые пески [10]. Комплекс проведенных работ обеспечивает прочность и устойчивость земляного полотна дорожной насыпи.

В результате увеличения скоростей и нагрузок от транспорта и подвижного состава на

ТАБЛИЦА 2. Результаты сопоставления степени плотности сложения песков на 1-м и 3-м этапах производства буровзрывных работ

Отметка Глубина, м ТСЗ 15 ТСЗ 9 ТСЗЗ

Результаты на 1 -м этапе Результаты на 3-м этапе Результаты на 1 -м этапе Результаты на 3-м этапе Результаты на 1 -м этапе Результаты на 3-м этапе

4с МПа Чс МПа Чс МПа Чс МПа Чс МПа Чс МПа

172,25 0 7,4 Средней плотности 21,5 Очень плотные 9,9 Средней плотности 0,08 Очень рыхлые

171,25 1 5,9 Средней плотности 10,0 Плотные 2,8 Рыхлые 33,2 Очень плотные 4,3 Рыхлые 15,5 Средней плотности

170,25 2 4,1 Рыхлые 5,7 Средней плотности 3,9 Рыхлые 9,8 Средней плотности 3,5 Рыхлые 12,1 Средней плотности

169,25 3 4,2 Рыхлые 8,8 Средней плотности 3,1 Рыхлые 23 Очень плотные 3,9 Рыхлые 10,3 Средней плотности

168,25 4 3,9 Рыхлые 10,7 Плотные 3 Рыхлые 23,1 Очень плотные 3,3 Рыхлые 12,6 Средней плотности

167,25 5 4,2 Рыхлые 13,2 Плотные 3,1 Рыхлые 25,3 Очень плотные 6,8 Средней плотности 13,3 Средней плотности

166,25 6 5,6 Средней плотности 14,3 Плотные 5,7 Средней плотности 15 Плотные 4,7 Рыхлые 23 Очень плотные

165,25 7 6,6 Средней плотности 15,1 Плотные 5,9 Средней плотности 12 Плотные 7,2 Средней плотности 18,2 Средней плотности

164,25 8 6,4 Средней плотности 15,4 Плотные 3,4 Рыхлые 11,5 Плотные 7,7 Средней плотности 23,3 Очень плотные

Окончание табл. 2

Отметка Глубина, м ТСЗ 15 ТСЗ 9 ТСЗЗ

Результаты на 1 -м этапе Результаты на 3-м этапе Результаты на 1 -м этапе Результаты на 3-м этапе Результаты на 1 -м этапе Результаты на 3-м этапе

4с МПа Чс МПа Чс МПа Чс МПа Чс МПа Чс МПа

163,25 9 3,7 Средней плотности 2 Очень рыхлые 4,5 Рыхлые 23,8 Очень плотные 5,9 Средней плотности 15,3 Средней плотности

162,25 10 6,6 Средней плотности 16,8 Плотные 5,9 Средней плотности 16,9 Плотные 5,1 Средней плотности 19,4 Средней плотности

161,25 11 23,0 Очень плотные 23,2 Очень плотные 5,9 Средней плотности 17,5 Плотные 5,3 Средней плотности 14,2 Средней плотности

160,25 12 30,0 Очень плотные 28,8 Очень плотные 6,14 Средней плотности 16,7 Плотные 5,4 Средней плотности 13,2 Средней плотности

159,25 13 28,9 Очень плотные 8,4 Средней плотности 17,1 Плотные 4,9 Рыхлые 12,7 Средней плотности

158,25 14 35,7 Очень плотные 5,2 Средней плотности 16 Плотные 5,6 Средней плотности 12,7 Средней плотности

157,25 15 43,4 Очень плотные 0,9 Очень рыхлые 19,1 Плотные 4,5 Рыхлые 13,5 Средней плотности

156,25 16 1,0 Очень рыхлые 6,5 Средней плотности 16,1 Средней плотности

грунты основания дорожного полотна необходимо решать вопросы его стабилизации на стадии строительства, используя современные и экономически рациональные технологии. В связи с этим важно проводить исследования в области уплотнения и стабилизации слабых грунтов.

Библиографический список

1. Городнова Е. В. Реконструкция промышленных объектов в сложных инженерно-геологических условиях Северо-Запада / Е. В. Городнова, А. В. Бенин // Сб. трудов XI науч.-практич. конференции «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации». - СПб. : Нац. минер.-сырьевой ун-т «Горный» ; М. : Геомаркетинг, 2015. - С. 26-29.

2. Улицкий В. М. Усиление слабых грунтов оснований дорожных сооружений / В. М. Улицкий, М. А. Шашкин, Е. В. Городнова, 2. Б1кога, М. Wy-гс^ак // Сб. трудов Междунар. науч.-технич. конференции «Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение», посвященной 80-летию образования кафедры геотехники СПбГАСУ и 290-летию Российской науки. - СПб. : СПбГАСУ, 2014. - Ч. I. - С. 101-109.

3. Улицкий В. М. Стабилизация грунтов в основаниях дорожных сооружений по технологии микровзрывов / В. М. Улицкий, Р. Имиолек, Е. В. Городнова, М. А. Шашкин // Дороги. Инновации в строительстве. - 2013. - № 30. - С. 95-96.

4. Улицкий В. М. Стабилизация грунтов при строительстве железных и автомобильных дорог микровзрывами / В. М. Улицкий, Е. В. Городно-ва // Сб. трудов III Междунар. науч.-технич. конференции ФГБОУ ВПО ПГУПС «Применение геоматериалов при строительстве и реконструкции транспортных объектов». - СПб. : ПГУПС, 2013. -С.56-57.

5. Иванов П. Л. Уплотнение малосвязных грунтов взрывами / П. Л. Иванов. - М. : Недра, 1983. -230 с.

6. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах. - М. : Министерство транспорта Российской Федерации; Федеральное дорожное агентство, 2004. - 62 с.

7. Болдырев Г. Г. Методы определения механических свойств грунтов. Состояние вопроса : монография / Г. Г. Болдырев. - Пенза : ПГУАС, 2008. -696 с.

8. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. -М. : Стандартинформ, 2011. - 38 с.

9. Свод правил 47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. - М. : Федеральное агентство по строительству и жилищно-коммунальному хозяйству, 2012. -160 с.

10. Кушнарев Д. М. Использование энергии взрыва в строительстве / Д. М. Кушнарев. - М. : Стройиздат, 1973. - 288 с.

References

1. Gorodnova E. V. & Benin A. V. Rekonstruktsiya promyshlennykh obyektov v slozhnykh inzhenerno-geologicheskykh usloviyakh Severo-Zapada [Industrial reconstruction in complex geotechnical conditions of North-West]. Sbornik trudov XI nauchno-prakticheskoy konferentsii "Perspektivy razvitiya inzhenernykh izys-kaniy vstroitelstve vRossiyskoy Federatsii" [Coll. papers of the 11th research and practical conference "Development prospects of engineering investigations in building in the Russian Federation"]. Saint Petersburg, Saint Petersburg Mining University Publ., Moscow, Geomarketing Publ., 2015, pp. 26-29.

2. Ulitskiy V. M., Shashkin M. A., Gorodnova E. V., Sikora Z. & Wyroslak M. Usileniye slabykh gruntov osnovaniy dorozhnykh sooruzheniy [Soil strengthening for the subgrade support]. Sbornik trudov mezhdu-narodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii "Sovre-menniye geotekhnologii v stroitelstve i ikh nauchno-tekhnicheskoye soprovozhdeniye",posvyashchennoy 80-letiyu obrazovaniya kafedry Geotekhniky SPbGASU i 290-letiyu Rossiyskoy nauky [Coll. papers of the International research and technical conference "Modern geotechnologies in building and R&D support", dedicated to the 80th anniversary of SPbGASU Geotechnics Chair foundation and 290th anniversary of the Russian Science]. Saint Petersburg, SPbGASU Publ., 2014, pt I, pp. 101-109.

3. Ulitskiy V. M., Imiolek R., Gorodnova E. V. & Shashkin M. A. Stabilizatsiya gruntov v osnovaniyakh dorozhnykh sooruzheniy po tekhnologii mikrovzryvov

[Soil stabilization in the road structure bases using the technology of microexplosions]. Dorogy. Innovatsii v stroitelstve [Roads. Innovations in building], 2013, no. 30, pp. 95-96.

4. Ulitskiy V. M. & Gorodnova E. V. Stabilizatsiya gruntov pry stroitelstve zheleznykh i avtomobilnykh dorog mikrovzryvamy [Soil stabilization during the construction of railroads and motorways by means of microexplosions]. Sbornik trudov III Mezhdunarod-noy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii FGBOU VPO PGUPS "Primeneniye geomaterialovpry stroitelstve i rekonstruktsii transportnykh obyektov" [Coll. papers of the 3rd International research and training conference FGBOU VPO PGUPS "Application of geoma-terials in building and reconstruction of transportation facilities"]. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2013, pp. 56-57.

5. Ivanov P. L. Uplotneniye malosvyznykh gruntov vzryvamy [Soil compaction with explosions]. Moscow, Nedra Publ., 1983, 230 p.

6. Posobie po proektirovaniyu zemlyanogo polotna avtomobil'nyh dorog na slabyh gruntah [Textbook for

projecting earthen linen of motor

7. Boldyrev G. G. Metody opredeleniya mekha-nicheskykh svoistv gruntov. Sostoyaniye voprosa [Test methods on mechanical behavior of soil. State-of-the-art]. Penza, Penza State University of Architecture and Building Publ., 2008, 696 p.

8. GOST25100-2011. Grunty. Klassifikatsiya [State Standard 25100-2011. Soils. Classification]. Moscow, Standartinform Publ., 2011, 38 p.

9. Svodpravil 47.13330.2012. Inzhenerniye izys-kaniya dlya stroitelstva. Osnovniye polozheniya [Regulations 47.13330.2012. Geotechnical investigations for construction. Guidelines]. Moscow, Federal'noe agent-stvo po stroitelstvu i zhilizhno-kommunal chozaistvo Publ., 2012, 160 p.

10. Kushnarev D. M. Ispolzovaniye energii vzryva v stroitelstve [The use of explosion energy in building]. Moscow, Stroiizdat Publ., 1973, 288 p.

ГОРОДНОВА Елена Владимировна - канд. техн. наук, доцент; elena.gorodnova@mail.ru; МИН-ЧЕНКО Анастасия Андреевна - канд. геол.-минер. наук, ассистент, апа81а8уа.когоЬко@уа^ех. ги; *СУВОРОВА Екатерина Андреевна - аспирант, suvorova_e_a@gmail.com. (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).