Совершенствование методики нормирования степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог

АВТОМОБИЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ

УДК 625.7:624.13.001.86

А. О. Афиногенов

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ НОРМИРОВАНИЯ СТЕПЕНИ УПЛОТНЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Специальные исследования показывают, что степень уплотнения грунта земляного полотна существенно влияет на транспортноэксплуатационные показатели автомобильных дорог, следовательно, уточнение методики нормирования этого параметра актуально и экономически выгодно [1].

Хотя в нормировании степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог накоплен большой опыт, нормативный метод назначения требуемой плотности базируется на чисто эмпирической основе и не имеет должного теоретического обоснования. Исследования, выполненные в последние годы, показали, что методику нормирования плотности грунтов земляного полотна автомобильных дорог необходимо усовершенствовать.

Анализ зарубежного и отечественного опыта показывает, что совершенствование методики нормирования степени плотности глинистого грунта земляного полотна автомобильных дорог целесообразно вести в следующих направлениях.

1. Нормы коэффициента уплотнения должны дифференцироваться в пределах дорожноклиматических районов, с учетом типа местности по характеру увлажнения, вида грунта и типа покрытия.

2. При нормировании плотности грунта земляного полотна дорог общего пользования [2] следует учитывать дорожно-климатическую зону, тип дорожной одежды и элемент земляного полотна (рабочий слой, неподтопляемая или подтопляемая части насыпи, рабочий слой выемки).

По СНиП 2.05.02-85* фактически (если не принимать во внимание требования к конструкциям с цементобетонными покрытиями и цементогрунтовыми основаниями) требования к плотности грунта в подтопляемой и неподтопляемой частях насыпи одинаковые. Для конструкций с дорожными одеждами переходного типа во II и III дорожно-климатических зонах на всю глубину принимается Купл = 0,95, для конструкций с дорожными одеждами переходного типа - на глубину активной зоны Купл = 0,98, на остальную глубину Купл = 0,95; для нежестких дорожных одежд капитального типа, в отличие от облегченных конст-

рукций, в нижней части насыпи высотой более 6 м принимают Купл = 0,98. В последнем случае учитывается характер изменения напряжений, возникающих от воздействия автомобильной нагрузки и собственного веса насыпи, а также необходимость обеспечения устойчивости насыпи.

3. Грунт должен быть уплотнен до величин, не допускающих его разуплотнение в период эксплуатации из-за замерзания-оттаивания. Известно, что грунт с плотностью выше максимальной в процессе эксплуатации автомобильной дороги разуплотняется, что происходит из-за интенсивных процессов увлажнения-замерзания-оттаивания грунта. При увлажнении большое количество воды поступает извне, в процессе замерзания вода увеличивается в объеме, раздвигает зерна грунта и при оттаивании образуются поры для нового притока воды. Имеется ряд работ, показывающих, что недопустимость разуплотнения грунта ( [3] и др.).

Исследованиями Л.И. Самойловой [4] показано, что грунты активной зоны земляного полотна автомобильных дорог целесообразно уплотнять до коэффициентов уплотнения, рассчитанных из условия предотвращения разуплотнения грунта в процессе эксплуатации дороги (при определенных значениях физико-механических свойств грунтов). Требуемая плотность сухого грунта при этом может быть определена по формуле:

Р’ =__________Р я Р ю________________,

* Рю + Ря

где р* - плотность сухого грунта после увлажнения-замерзания; ря - плотность частиц грунта; рт - плотность воды; Ж - влажность грунта в расчетный период; ЖНЗ - содержание незамерзшей воды.

По данным З. А. Нерсесовой для супеси Жнз = 4-6 %, для суглинка легкого - 8 %, для суглинка пылеватого и тяжелого, глины - 10 %.

Рассчитанная по формуле (1) плотность грунта установится в земляном полотне при эксплуатации дороги в весеннюю распутицу только при условии, что при строительстве дороги достигнута более высокая или такая же начальная плотность,

её и следует принять в качестве нормативной.

На основе предложений Л. И. Самойловой выполнено нормирование плотности грунта земляного полотна автомобильных дорог на примере Кемеровской области. Для расчетов использованы усредненные значения параметров грунтов, полученные в [5, 6]. Значения плотности, полученные по формуле (1), пересчитаны на традиционный коэффициент стандартного уплотнения. Результаты расчетов (т.е. предлагаемые значения коэффициентов уплотнения) приведены в табл. 1.

Влажность грунта принималась по данным проф. В. Н. Ефименко в зависимости от дорожноклиматического района, типа местности по условиям увлажнения и вида грунта.

Значения Купл по табл. 1 выше рекомендуемых СНиП 2.05.02-85*, как показано в ряде работ (например, [7, 8]), увеличение плотности грунта положительно сказывается на его физико-

механических свойствах и способствует улучшению водно-теплового режима земляного полотна автомобильной дороги. Особенно положитель-

ная роль повышенного уплотнения проявляется при анализе процессов накопления в земляном полотне остаточных деформаций [8]: увеличение

табл. 1, использованы усредненные значения показателей грунтов. Специальные исследования показали, что это не ведет к существенной погрешности.

Разуплотнение грунта из-за интенсивных процессов увлажнения-замерзания-оттаивания может происходить только в пределах глубины промерзания. В соответствии с нормами [9] глубину промерзания грунтов устанавливают по специальной карте изолиний. Считается, что промерзание дорожных конструкций несколько больше, чем показано на карте, поэтому для расчетов принимают величину:

% пр _ до = пр ^

где 2ПР - глубина промерзания грунтов, определяемая по карте изолиний промерзания грунтов.

С учетом (2) глубина промерзания грунта земляного полотна автомобильной дороги в районе г. Кемерово составит: 1,38 х 2,2 = 3,04 м. Это значение представляется завышенным. Кроме того, если рассмотреть вопрос назначения глубины промерзания грунта земляного полотна автомобильных дорог более тщательно, обращают на себя внимание ряд спорных моментов. Анализ произ-

Таблица 1. Рекомендуемые коэффициенты уплотнения для различных дорожно-климатических районов

Кемеровской области

Дорожно- климатический район Рекомендуемое минимальное значение коэффициента уплотнения в пределах глубины промерзания для типов местности по характеру увлажнения

1-2 3 1-2 3

дорожная одежда капитального типа дорожная одежда облегченного и переходного типа

Грунт - суглинок легкий

ІІІ.Р.3 1,05 0,98 1,04 0,98

ІІІ.Х.4 1,04 0,98 1,02 0,98

ІІ.Х.1 1,02 0,98 1,01 0,96

ІІ.Г.2 1,02 0,96 1,01 0,96

Грунт - суглинок пылеватый и тяжелый, глина

ІІІ.Р.3 1,01 0,98 1,00 0,98

ІІІ.Х.4 1,01 0,98 1,00 0,98

ІІ.Х.1 1,00 0,96 0,98 0,95

ІІ.Г.2 0,99 0,95 0,98 0,95

коэффициента уплотнения с 0,98 до 1,02 приводит к снижению величины равномерной деформации в 2,5 раза и неравномерной - в 3 раза, скорости накопления остаточной деформации - в 2,3 раза. Уменьшение величины остаточной деформации и скорости её накопления будет способствовать сохранению ровности дорожного покрытия, что приведет к увеличению срока службы дорожной конструкции, повышению надежности автомобильной дороги.

4. В табл. 1 приведены минимальные значения Купл, если технически возможно, уплотнение следует производить до Купл = 1,04-1,07 для суглинка легкого и до Купл = 0,98-1,01 для суглинка тяжелого, глины (оптимальные значения).

При расчете норм плотности, приведенных в

водственной и научной литературы показывает, что специальные широкомасштабные исследования для автомобильных дорог практически не проводились. В дорожных нормах по расчету дорожных одежд используется карта, разработанная для целей фундаментостроения, которая была опубликована в работе [10]. В ней указывается, что карта составлена для площадок с наличием грунтовых вод в зоне промерзания, сама методика требует корректировки с учетом местных условий и свойств грунтов, не в полной мере учитывалась скорость ветра, которая может существенно влиять на глубину промерзания. Самое главное - автор указывал на необходимость расширения объемов наблюдений, что не сделано. В статье [10] совершенно правильно различается глубина про-

Таблица 2. Зависимость коэффициент вариации плотности от коэффициента уплотнения

Коэффициент уплотнения Купл 0,95 1,00 1,05 и более

Коэффициент вариации плотности, Су 0,025 - 0,030 0,015 - 0,020 0,008 - 0,010

мерзания для суглинков и супесей, для последних она на 22 % больше (в дорожных нормативных документах это игнорируется). Получается, что в условиях г. Кемерово земляное полотно из супеси промерзает на 3,7 м, что представляется совершенно нереальным.

5. На наш взгляд больше соответствуют реальным величины глубины промерзания, рекомендованные профессора В.Н. Ефименко [11]: для условий Кемеровской области глубина промерзания дорожных одежд 1,9 - 2,1 м. Не менее чем на такую глубину (с учетом толщины дорожной одежды) должны распространяться требова-

ния табл. 1. Если технически возможно, уплотнение следует производить до оптимальных величин.

6. За пределами активной зоны при капитальном типе дорожных одежд уплотнение следует производить до Купл = 0,98 и выше, при облегченном и переходном - до Купл = 0,95.

7. Важным показателем качества уплотнения земляного полотна является однородность плотности грунта. Коэффициент вариации плотности Су зависит от Купл и не должен превышать значения, приведенные в табл. 2.

Алгоритм назначения нормативных значений Купл

8. Для повышения качества проектирования значения Купл, полученные с использованием усредненных характеристик грунтов, рекомендуется корректировать по результатам испытаний грунтов района строительства.

9. Суммируя материалы данного раздела, предлагаем следующий порядок установления значений Купл грунта земляного полотна автомобильных дорог. Алгоритм расчета изображен на рисунке, к которому дадим следующие пояснения.

Вид грунта устанавливается по ГОСТ 2510095. Дорожно-климатический район определяют на основе районирования , предложенного профессором В. Н. Ефименко, тип дорожной одежды, тип местности по характеру и степени увлажнения -по СНиП 2.05.02-85*. Минимальное значение Купл в активной зоне дорожной конструкции назначается по табл. 1.При этом глубина активной зоны устанавливается расчетом в зависимости от типа расчетного автомобиля и с учетом глубины промерзания дорожной конструкции. Если глубина активной зоны больше глубины промерзания, то глубину активной зоны условно (для целей назна-

чения минимальной величины Купл принимают равной глубине промерзания.

При наличии соответствующих технических возможностей, в качестве нормативных принимают повышенные значения Купл (оптимальные значения), ограниченные возможностями уплотняющих средств. В В зависимости от принятого значения назначается требуемое значение коэффициента вариации плотности (табл. 2). Следует иметь в виду, что для активной зоны и нижней части земляного полотна могут быть назначены разные значения этого коэффициента.

Для нижней части земляного полотна значение Купл нормируется отдельно (в случае, когда глубина активной зоны меньше высоты насыпи). Если имеются технические возможности, принимаются оптимальные значения, в противном случае - не менее 0,98 для дорожных одежд капитального типа и не менее 0,95 - для дорожных одежд переходного и облегченного типа.

На наш взгляд, предлагаемая методика позволяет более обосновано устанавливать требования к степени уплотнения грунта земляного полотна автомобильных дорог.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. СНиП 2.05.02-85*. Автомобильные дороги / Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2006. - 55 с.

3. Рувинский В. И. Предотвращать разуплотнение грунтов в процессе эксплуатации дороги // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2000. - № 2. - С. 18.

4. Самойлова Л. И. Повышение требований к плотности грунта с учетом её однородности. - Дис. ... канд. техн. наук. - М., 1986. - 179 с.

5. Афиногенов А . О. Изменение показателей грунтов земляного полотна автомобильных дорог на территории Кемеровской области // Кучинские чтения: матер. науч. конференции (Томск, 23-25 октября 2007 г.). - Томск: Изд-во ТГАСУ, 2007. - С. 146-149.

6. Афиногенов А. О. Уточнение параметров грунтов и дорожно-климатического районирования территории Кемеровской области // Вестник КузГТУ. - 2008. - № 1. - С. 53- 55.

7. Хустес Э. Г. Обоснование расчетных показателей грунта. - Дис. ... канд. техн. наук. - М., 1990. -203 с.

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

9. ОДН 218.046-01. Проектирование нежестких дорожных одежд / Минтранс России. - М.: Инфор-мавтодор, 2001. - 145 с.

10. Лапкин Г. И. Определение глубины промерзания грунтов для целей фундаментостроения // Деформации грунтов при промерзании и оттаивании / Труды НИИ оснований и фундаментов. - Вып. 26. -М.: Госстройиздат, 1955. - С. 13-37.

11. Ефименко В. Н. Водно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог при глубоком промерзании грунтов (на примере юго-востока Западной Сибири): автореф. дис. . канд. техн. наук. -М., 1978. - 16 с.

Автор статьи:

Афиногенов Алексей Олегович - соискатель каф. автомобильных дорог КузГТУ, afinogenov@smtp.ru