Лабораторные исследования величины морозного пучения грунтов

Результаты данного исследования позволяют более обоснованно назначать меры по обеспечению требуемой степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог и аналогичных сооружений, проектировать соответствующую технологию работ на основе региональных зависимостей. Совершенно очевидно, что современные технические средства позволяют в массовом порядке достигать значений коэффициента уплотнения 1,0—1,1, без специальных мер (в т. ч. просушки или увлажнения грунта).

Библиографический список

1. Казарновский, В.Д. Без соблюдения норм плотности не будет качества / В.Д. Казарновский, А. К. Мирошкин // Автомобильные дороги. - 1993. - № 5. - С. 6-7.

2. Жустарев, Е.В. Некоторые результаты экспериментальных исследований влияния плотности грунта земляного полотна автомобильных дорог в процессе накопления остаточных деформаций / Е.В. Жустарев // Проблемы строительства и эксплуатации автомобильных дорог : сб. науч. тр. / МАДИ-ТУ. - М., 1998. - С. 48-49.

3. Афиногенов, А.О. Эффективность повышения степени уплотнения грунтов земляного полотна карьерных автомобильных дорог / А.О. Афиногенов // Вестник КузГТУ. -2008. - № 1. - С. 55-60.

4. Ефименко, В.Н. Дорожно-климатическое районирование Кемеровской области /

В.Н. Ефименко // Опыт обеспечения эффективности дорожного комплекса Кузбасса : сб. науч. тр. - Томск : Изд-во Том. ун-та, 1997. - С. 62-66.

5. Афиногенов, А. О. Степень уплотнения глинистых грунтов в насыпях автомобильных дорог на территории Кемеровской области / А.О. Афиногенов // Вестник КузГТУ. -2008. - № 2. - С. 135-136.

A.O. AFINOGENOV

ANALYSIS OF THE RESULTS OF CLAY SOILS COMPACTION ON ROAD EMBANKMENT

Statistical analysis of the results of clay soils compaction on road embankment in Kemerovo region was carried out. Influence of soils behavior on degree of compaction was considered.

УДК 624.131.54:001.891.5

М.В. БАДИНА, аспирант, kafad@tsuab. ги ТГАСУ, Томск

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕЛИЧИНЫ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ГРУНТОВ

Приведены результаты испытаний грунтов земляного полотна автомобильных дорог Западной Сибири, получены зависимости величины их морозного пучения от температуры, влажности и плотности для проектирования морозоустойчивых конструкций дорожных одежд.

© М.В. Бадина, 2009

Ключевые слова: морозное пучение грунтов, скорость промерзания, коэффициент уплотнения, вертикальная деформация, степень пучинистости.

Несмотря на широкое территориальное распространение пучинистых грунтов в нашей стране, действующие в настоящее время строительные нормы и правила [1, 2] не дают исчерпывающих и достаточно обоснованных методов определения их свойств.

Недостаточный учет величины зимнего пучения грунтов земляного полотна автомобильных дорог, а также несвоевременное назначение мероприятий по обеспечению морозоустойчивости дорожных конструкций приводят к потере устойчивости сооружения, снижению сроков службы и ухудшению условий эксплуатации, вызывают непредвиденные затраты труда, строительных материалов и финансовых средств.

Морозное пучение грунтов зависит от комплекса многочисленных факторов, происхождение и формирование которых связано с климатическими, геологическими, гидрологическими и другими условиями. К основным природным факторам, количественно характеризующим пучение грунтов, специалисты относят: гранулометрический, минералогический (химический) состав грунта, его физико-механические свойства, плотность, степень охлаждения и глубину залегания грунтовых вод в период промерзания [2]. При этом величина морозного пучения грунта с достаточной надежностью может быть определена лишь при совместном комплексном учете всех воздействующих на пучение факторов [3].

Принято [4], что характеристикой морозного пучения при проектировании дорожных одежд автомобильных дорог является коэффициент пучения грунта, представляющий собой выраженное в процентах отношение вертикальной деформации образца к его первоначальной высоте.

АН

к =—100,

пуч Н

где АН - размер вспучивания образца; Н - начальная высота образца.

Впервые методика определения коэффициента пучения грунта была предложена Ю.М. Васильевым с использованием изготовленного им оборудования [5]. Испытанию подвергались образцы грунта, сформованные в стакане, состоящем из колец. При этом косвенно учитывались такие факторы, как природа грунта и его состояние, скорость промерзания грунта регулировалась температурой холодильной камеры.

В настоящее время при исследованиях применяют несколько видов приборов для определения коэффициента пучения грунта. Нами выполнено сопоставление результатов испытаний на приборах различных конструкций.

Экспериментальные исследования по определению Кпуч выполнены

в соответствии с требованиями ВСН 46-83 и ГОСТ 28622-90 [4, 6].

Условия и последовательность испытаний, характерные для работы грунтов, установлены исходя из следующих соображений:

а) средняя скорость промерзания земляного полотна автомобильных дорог региона исследований изменяется от 1,5 до 2,5 см/сут. Для обеспечения

такой скорости промерзания испытания проводились при температуре воздуха в морозильной камере от минус 5 до минус 8 °С [4];

б) испытуемый грунт уплотнен до коэффициента уплотнения, равного 0,98-1 от максимальной плотности при оптимальной влажности, что соответствует требованиям СНиП 2.05.02-85 [7];

в) грунт испытан при неограниченном подсосе влаги во время промораживания.

Условия проведения эксперимента по этой методике близки к условиям, вызывающим зимнее пучение глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог на территории Западной Сибири [8].

Анализ грунтовых условий территории Западной Сибири свидетельствует о повсеместном распространении покровных суглинков четвертичного возраста, включающих широкий диапазон глинистых минералов. Учитывая, что породам, объединенным общностью происхождения, в известной мере присущи общие составы, можно считать, что пробы связного грунта, отбор которых произведен в теле земляного полотна автомобильных дорог Томской области и которые задействованы в экспериментальных исследованиях, характерны для рассматриваемой территории [9].

По результатам лабораторных исследований было установлено, что исходный грунт содержит 57,6 % пылеватой и 9,63 % глинистой фракций и по существующей классификации [10] может быть отнесен к суглинкам легким пылеватым. Согласно исследованиям [8], грунты считают пучинообразными при содержании частиц размером до 0,02 мм в количестве, превышающем 2 %. Параметры, характеризующие свойства исходного грунта, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты лабораторных исследований грунта

Естеств. влажность доли единиц Ше Влажность относительная Граница текучести Шт Граница раскатывания Ж-р Число пластичности МР м т р а £ ^ Л г? н ^ * я с ^ Плотность влажн. грунта р, г/см3 о и т о § К О н <2 о * от £ * ч В С Степень влажности 2 Коэффициент пористости е Содержание песчаных частиц, % по массе

0,195 0,557 0,35 0,25 0,10 2,63 2,02 1,69 0,92 0,559 32,8

Для испытаний образцов грунта нарушенной структуры в соответствии с требованиями [6] отбирали пробу весом не менее 5 кг, затем её высушивали и размельчали, грунт увлажняли водой до оптимальной влажности и не менее суток выдерживали в эксикаторе.

Испытания проводились на следующих приборах:

- прибор, изготовленный по рекомендациям ВСН 46-83 [4];

- прибор ОСПГ, разработанный в Южно-Уральском государственном университете [11].

Испытания по ВСН 46-83 проводили в цилиндрическом стакане, состоящем из отдельных стальных колец диаметром 100 мм, имеющих пазы, которые соединены в единую форму высотой 82 мм. Пазы имеют допуски, позволяющие кольцам свободно перемещаться по вертикали при промораживании грунта. Такая конструкция обеспечивает свободу деформации пучения, предотвращая влияние сил трения и смерзания грунта со стенками стакана (рис. 1). Пазы и внешнюю поверхность колец предварительно смазывали вязкой смазкой типа технического вазелина.

Рис. 1. Общий вид прибора для испытаний пучинистых свойств грунта

Образец грунта приготавливали так же, как при испытании по методу стандартного уплотнения. Количество ударов подбирали из условия, чтобы обеспечить получение плотности 0,98-1 от максимальной при оптимальной влажности.

Уплотненный образец грунта при комнатной температуре в течение четырех суток насыщали водой. При этом он увлажняется до величины, близкой к осенней влажности грунта при неблагоприятных погодно-климатических и гидрологических условиях.

Для промораживания образцов использовали автоматический холодильник ИСЬ 260/270, обеспечивающий необходимый температурный режим. В камеру холодильника устанавливали форму с образцом, обложенную до верха теплоизоляционным материалом, чтобы промораживание грунта происходило только сверху. Воду к промораживаемому образцу подавали от расположенной вне камеры делительной воронки, позволяющей поддерживать постоянный напор.

Вертикальную деформацию образца измеряли индикаторами часового типа (мессурами) с ценой деления 0,01 мм (см. рис. 1).

Продолжительность испытаний составляла около четырех суток, до полного промерзания образца по его высоте. К этому времени показания мес-сур уже не изменяются, что указывает на окончание процесса промерзания.

Прибор ОСПГ позволяет проводить испытания грунтов на морозоустойчивость без использования холодильной камеры. Прибор оборудован двумя термоплитами, которые поддерживают необходимый температурный режим.

Прибор ОСПГ состоит (рис. 2) из термоконтейнера с нижней термоплитой и датчиками температуры грунта 1; электронного блока управления, фиксирующего температуру верхней и нижней термоплиты, а также дополнительного термодатчика 2; основания со стойкой 3; индикаторов часового типа ИЧ-10 4; трубок подачи воды для охлаждения термоэлементов 5; трубки подачи воды для смачивания капиллярно-пористого материала 6; держателя 7 и стеклянной колбы 8.

Рис. 2. Конструкция прибора для определения величины морозного пучения грунта (ОСПГ):

1 - термоконтейнер; 2 - электронный блок управления; 3 - основание со стойкой; 4 - индикаторы часового типа; 5 - трубки подачи воды для охлаждения термоэлементов; 6 - трубка подачи воды для смачивания капиллярно-пористого материала; 7 - держатель; 8 - стеклянная колба

Образец грунта с заданными значениями максимальной плотности и оптимальной влажности приготавливают в разъемных формах методом послойного трамбования или под прессом. Разъемной формой служит обойма, помещаемая вместе с грунтом в установку для испытаний. Обойма состоит из отдельных колец высотой 5 см, соединенных между собой, и имеет внутренний диаметр 100 и высоту 150 мм [6].

Термоконтейнер 1 с помощью двух соединителей подключается к электронному блоку управления 2. В установку засыпается капиллярно-пористый

материал (чистый мелкозернистый песок) до верхнего среза основания, толщина которого составляет 50 мм. Образец грунта в обойме, смазанной внутри тонким слоем технического вазелина, помещают в установку на увлажненный капиллярно-пористый материал поддона.

На верхний торец образца устанавливают термостатированную плиту.

Далее устанавливают устройство для измерения вертикальных деформаций образца грунта - индикаторы часового типа ИЧ-10. Подключают верхнюю и нижнюю термоплиту к проточной холодной воде, при этом подача воды осуществляется на верхнюю термоплиту, а слив - из нижней. В процессе работы установки происходит охлаждение нижней поверхности верхней термоплиты и внутренней поверхности основания. В каждой термоплите установлено по три датчика температуры, дополнительный термодатчик фиксирует температуру нижнего среза образца грунта.

Подключают систему непрерывного подтока воды к образцу.

Верхняя термостатированная плита автоматически поддерживает температуру на верхнем торце образца минус (4,0 ± 0,2) °С, нижняя плита плюс (1,0 ± 0,2) °С. Установка обеспечивает измерение температуры с погрешностью не более ±0,2 °С.

Испытание прекращают при достижении температуры 0 °С на нижнем торце образца.

Для контроля полученных значений коэффициента пучения промораживали одновременно два образца грунта.

Испытания проводились с использованием поверенных средств измерений, аттестованного испытательного оборудования.

Результаты лабораторных испытаний грунта приведены в табл. 2. Следует отметить, что отклонения полученных результатов составляют 97 %. Это соответствует высокой степени сходимости представленных данных.

Таблица 2

Результаты лабораторных испытаний грунта на морозное пучение

Прибор по ВСН 46-83 ОСПГ

Номер испытания 1 2 1 2

Коэффициент пучения, % 4,59 4,81 4,92 4,77

Кпуч ср 4,70 4,85

Согласно одн 218.046-01 суглинок легкий пылеватый относят к V группе грунта по степени пучинистости (чрезмерно пучинистый, величина морозного пучения свыше 10). Однако, по результатам лабораторных испытаний (табл. 2), грунт отнесен к группе III (пучинистый). Это говорит о том, что грубая оценка степени пучинистости по типу грунта не учитывает его природу (минералогический, гранулометрический состав, физико-механические свойства и т. д.) и состояние (плотность и влажность). В связи с этим для обеспечения морозоустойчивости дорожных конструкций необходимы испытания образцов грунтов в лабораторных условиях.

По результатам лабораторных исследований была получена зависимость коэффициента пучения суглинистых грунтов от температуры промерзания Т, влажности W и плотности р грунта для проектирования морозоустойчивых конструкций дорожных одежд на территории Западной Сибири

Кпуч = 79,7W2 - 12,7р2 -10,5Wр +1,2pT -76,8W + 49,4р -2,7T -15,6.

Выполненные исследования по обоснованию расчетных значений глинистых грунтов позволят повысить надежность проектных решений по обеспечению морозоустойчивости нежестких дорожных одежд автомобильных дорог и увеличить срок их службы.

Библиографический список

1. ОДН 218.046-01. Проектирование нежёстких дорожных одежд / Государственная служба дорожного хозяйства Министерства транспорта Российской Федерации. - М., 2001. -148 с.

2. Рекомендации по учету и предупреждению деформаций и сил морозного пучения грунтов. - М. : Стройиздат, 1986. - 72 с.

3. Абжалимов, Р.Ш. Отчего вспучивается грунт? / Р.Ш. Абжалимов, Н.Н. Головко // Автомобильные дороги. - 2008. - № 11. - С. 102-107.

4. Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого типа: ВСН 46-83 : утв. Мин-вом транспортного строительства СССР. - М. : Транспорт, 1985. - 157 с.

5. Методические указания по проектированию морозозащитных и дренирующих слоев в основании проезжей части автомобильных дорог. - М. : Оргтрансстрой, 1965. - 52 с.

6. ГОСТ 28622-90. Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости. -М. : Изд-во стандартов, 1990. - 8 с.

7. СНиП 2.05.02-85. Автомобильные дороги / Госстрой СССР. - М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1986. -56 с.

8. Ефименко, В.Н. Водно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог при глубоком промерзании грунтов : дис. ... канд. техн. наук. - М., 1978.

9. Ефименко, В.Н. Плазменная обработка гранулированного глинистого грунта при производстве керамического материала для строительства оснований дорожных одежд автомобильных дорог : дис. ... докт. техн. наук. - Томск, 1994.

10. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. - М. : Изд-во стандартов, 1997. - 31 с.

11. Казанцев, В.С. Определение относительной деформации морозного пучения грунтов в лабораторных условиях прибором ЮУРГУ / В. С. Казанцев // Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики механики грунтов и фунда-ментостроения : материалы Академических чтений по геотехнике. - Казань, 2006. -

С. 39 - 41.

M.V. BADINA

LABORATORY INVESTIGATIONS OF RATE OF FROST HEAVE OF SOILS

The paper considers the results of tests of soils of automobile roads foundation in the western Siberia. The dependences of rate of frost heave of soils upon their temperature, moisture and density were obtained for designing of frost resistant constructions.